DE102005047105B3

DE102005047105B3 - Verfahren zur Ermittlung des Dotierstoffgehaltes einer dotierten aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehenden Beschichtung eines Trägers mittels Tauc-Kurven

Info

Publication number: DE102005047105B3
Application number: DE200510047105
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Schmidt; Thorsten T. Schiffer; Edgar Tratter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Dotierstoffgehaltes einer dotierten aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehenden Beschichtung eines Trägers (1). Die Beschichtung (10) besteht aus einem Grundmaterial, dem ein bestimmter Anteil eines Dotierstoffes beigemischt ist. DOLLAR A Dazu wird für die Beschichtung (10) mittels Spektralellipsometrie eine Tauc-Kurve erstellt. Aus der Steigung des linearen Bereichs dieser Tauc-Kurve wird unter Verwendung einer Referenzkurve auf den Dotierstoffgehalt der Beschichtung (10) geschlossen.

Description

Verfahren zur Ermittlung des Dotierstoffgehaltes einer dotierten aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehenden Beschichtung eines Trägers mittels Tauc-Kurven.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Dotierstoffgehaltes einer aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehenden Beschichtung eines Trägers, insbesondere eines Wafers.
Wafer werden an ihrer Oberfläche aus verschiedenen Gründen mit Beschichtungen versehen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn eine solche Beschichtung aus zwei oder mehreren Stoffen mit einer vorgegebenen Stöchiometrie gebildet ist.
Von besonderer Bedeutung sind beispielsweise Passivierungsschichten, die die Sperrfähigkeit eines auf dem Wafer hergestellten Halbleiterbauelementes gewährleisten und seine Langzeitstabilität sicherstellen sollen. Solche Passivierungsschichten können beispielsweise als diamantartige Kohlenstoffschichten, sogenannte DLC-Schichten, ausgebildet sein (DLC = Diamondlike Carbon), die einen gewissen Anteil an Silizium aufweisen, um eine Degradation der DLC-Schichten durch Sauerstoffradikale zu vermeiden. Nähere Informationen hierzu können J. Schäfer et al.: "Electronic Structure and Defect Density of States of Hydrogenated Amorphous Carbon (a-C:H) as Determined by Photoelectron and Photoelectron Yield Spectroscopy", Journal of Non-Crystalline Solids, 1993, Seiten 1123-1126, entnommen werden.
Sauerstoffradikale können beispielsweise beim Betrieb des Bauelements in feuchter Umgebung, z.B. beim Einsatz von Druck- oder Feuchtesensoren, durch elektrochemische Prozesse entstehen.
Um die Empfindlichkeit einer solchen Passivierungsschicht gegenüber Sauerstoffradikalen zu verringern, kann als Passivierungsschicht anstelle einer reinen DLC-Schicht eine silizium dotierte DLC-Schicht mit einem vorgegebenen Siliziumgehalt vorgesehen werden. Die Beständigkeit einer solchen DLC-Schicht gegen Sauerstoffradikale hängt dabei von der Stärke der gewählten Siliziumdotierung ab.
Um den tatsächlichen Siliziumgehalt einer silizium-dotierten DLC-Schicht festzustellen, wurden bisher Messmethoden wie z.B. Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) oder Sekundär-Ionen-Massen-Spektroskopie (SIMS) eingesetzt. Abgesehen davon, dass hierbei der untersuchte Wafer durch die Messung zerstört wird, fällt bei der heute üblichen Serienfertigung vor allem der damit verbundene Zeitfaktor störend ins Gewicht.

Nicht in der Serienfertigung, sondern im wissenschaftlichen Bereich existieren für amorphe siliziumhaltige Legierungen optische Methoden zur Charakterisierung von Festkörpereigenschaften. Für amorphes, wasserstoffhaltiges Siliziumcarbid zeigt Swain, B.P. et al.: Revisitung the B-Factor variation in a-SiC:H deposited by HWCVD, Thin Solid Films, ISSN 0040-6090, 2003, Vol. 430, Nr. 1-2, S. 186-188, eine Abhängigkeit des B-Faktors einer Tauc-Kurve von dem Mischverhältnis der zur Herstellung der Filme verwendeten chemischen Gase. Der gleiche Parameter dient in US 5 242 505 A bei mit Elementen der Gruppe VIa dotiertem amorphen Silizium als Gradmesser für die Dichte des hergestellten amorphen Netzwerks auf atomarer Ebene.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren bereitzustellen, mit dem der Gehalt eines bestimmten Dotierstoffes einer Beschichtung eines Trägers schnell und zerstörungsfrei ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung des Gehalts eines Dotierstoffes einer Beschichtung eines Trägers gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Als Dotierstoff wird im folgenden ein Stoff verstanden, der einem vorgegebenen Grundmaterial der Beschichtung beigefügt ist. Dabei ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, dass der Dotierstoff p- oder n-dotierend im Sinne der Halbleitertechnik wirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung des Gehaltes eines Dotierstoffes einer Beschichtung eines Trägers wird zunächst eine Referenzkurve bereitgestellt, die einen Zusammenhang zwischen dem Gehalt eines Dotierstoffes einer Beschichtung eines Trägers und der Steigung des Tauc-Bereichs der Tauc-Kurve ("Tauc-Plot") einer solchen Beschichtung angibt.
Diese Tauc-Kurve gründet sich auf das für viele amorphe Halbleitermaterialien anwendbare Gesetz nach J. Tauc (siehe z.B. Solid State Communications, Band 80, Nr. 6, Seiten 371-372, 1991) betreffend das optische Absorptionsverhalten: √αE = b·(E – ET)
Darin bezeichnen α den Absorptionskoeffizienten eines untersuchten amorphen Halbleitermaterials, E = h·v die Photonenenergie von monochromatischem Licht, das auf das Halbleitermaterial einfällt, als Produkt aus dem Planck'schen Wirkungsquantum h = 6,62 × 10^–34 Js und der Frequenz v des einfallenden Lichtes, und b einen Proportionalitätsfaktor, der der Steigung der Tauc-Kurve entspricht, d.h. bei einer Auftragung der Messdaten von √αE über E. Der sich in einem solchen Plot ergebende lineare Bereich wird im Folgenden als Tauc-Bereich bezeichnet und (beispielsweise über einen Least Square Fit) für die Evaluierung von b herangezogen. Der optische Bandabstand E_T nach Tauc ergibt sich aus der Extrapolation dieser Geraden im Schnittpunkt mit der Abszisse.
Gemäß J. Robertson et al.: "The electronic and atomic structure of hydrogenated amorphous Si-C alloys", Philosophical Magazine B, 1992, Band 66, Nr. 5, Seiten 615-638 nimmt der optische Bandabstand siliziumdotierter DLC-Beschichtungen mit zunehmendem Siliziumgehalt kontinuierlich zu und erreicht einen Maximalwert bei einem Siliziumgehalt von etwa 40 at%.
Zur Ermittlung des Siliziumgehalts einer Beschichtung eines Trägers, der eine den Dotierstoff enthaltende Beschichtung aufweist, wird mittels einer spektralellipsometrischen Messung die Tauc-Kurve der Beschichtung ermittelt, um daraus die Steigung des Tauc-Bereichs zu bestimmen. Aus der Steigung kann dann über eine bekannte Referenzkurve auf den Siliziumgehalt der Beschichtung geschlossen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung zur Durchführung einer spektralellipsometrischen Untersuchung einer dotierten Beschichtung eines Trägers,
2 den zeitlichen Intensitätsverlauf eines von der Beschichtung der Anordnung gemäß 1 reflektierten Lichtstrahls, der nach dem Analysator detektiert wurde,
3 eine mittels einer Anordnung gemäß 1 ermittelte Tauc-Kurve der Beschichtung,
4 eine Kurvenschar mit mehreren Tauc-Kurven für verschieden stark silizium-dotierte DLC-Beschichtungen verschiedener Wafer, und
5 eine Referenzkurve, in der die Steigungen von Tauc-Geraden von unterschiedlich stark siliziumdotierten DLC-Beschichtungen gegenüber dem Silizium-Gehalt der DLC-Beschichtungen aufgetragen sind.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung für spektralellipsometrische Untersuchungen einer auf einen Träger 1 aufgebrachten Beschichtung 10.
Mittels einer Lichtquelle 20, beispielsweise einer Halogenlampe mit Gitterfilter, wird ein monochromatischer Lichtstrahl 30 erzeugt und mittels eines Polarisators 25 polarisiert. Bei Spektralellipsometern mit drehbarem Analysator wird für den einfallenden Lichtstrahl vorzugsweise linear polarisiertes Licht gewählt.
Dieser gemäß dem Ausführungsbeispiel linear polarisierte Lichtstrahl ist mit dem Bezugszeichen 31 versehen und fällt unter einem Einfallswinkel φe auf die Oberfläche des Trägers 1 und wird von dort an einer Reflexionsstelle R unter einem Ausfallswinkel φa reflektiert.
Durch die Reflexion kommt es zu einer Veränderung des Polarisationszustandes des Lichtstrahls, d.h. anstelle der ursprünglich linearen Polarisation des einfallenden Lichtstrahls 31 ist der reflektierte Lichtstrahl 32 im Allgemeinen elliptisch polarisiert.
Die Ursache hierfür liegt darin, dass das elektrische Feld des einfallenden Lichtstrahls 31 eine zu seiner Einfallsebene senkrechte Komponente und eine zu seiner Einfallsebene parallele Komponente aufweist, die bei der Reflexion unterschiedlich stark in ihren Amplituden gedämpft werden und außerdem unterschiedliche Phasenverschiebungen erfahren.
Die Polarisation des reflektierten Lichtstrahls 32 wird mittels eines als Analysator verwendeten rotierenden Polarisators 26 sowie eines diesem nachgeordneten Lichtdetektors 29 ermittelt. Mit dem Lichtdetektor 29 wird zeitaufgelöst das Verhältnis der Intensitäten zwischen dem parallel und dem senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteil des ausfallenden Lichtstrahls 32 bestimmt.
Um die Polarisation des einfallenden Lichtstrahls 31 verändern zu können, ist ein Stellantrieb 27 vorgesehen, mittels dem der erste Polarisator 25 verstellt werden kann. Entsprechend ist für eine Verstellung des Analysators 26 ein weiterer Stellantrieb 28 vorgesehen.
Des Weiteren sind im Strahlenverlauf noch Blenden 21, 22, 23 und 24 zur Streulichtunterdrückung angeordnet.
2a zeigt einen Querschnitt durch den reflektierten Lichtstrahl 32, sowie dessen vom Azimutalwinkel β um die Strahlachse abhängige Lichtintensität I. Daraus ist ersicht lich, dass die Lichtintensität I mit zunehmendem Azimutalwinkel β zwischen einem Minimalwert I_min und einem Maximalwert I_max oszilliert. Aus den Polarisationszuständen des einfallenden Lichtstrahls 31 und des reflektierten Lichtstrahls 32 lässt sich der wellenlängenabhängige Absorptionskoeffizient der Beschichtung 10 im Bereich der Reflexionsstelle R ermitteln.
Aus den zeitaufgelöst bestimmten Polarisationszuständen und Intensitäten des einfallenden bzw. des ausfallenden Lichtstrahls 31, 32 bei verschiedenen Wellenlängen kann mit Hilfe einer Fouriertransformation auf die dielektrische Funktion und somit auf den Absorptionskoeffizienten der untersuchten Beschichtung geschlossen werden.
Die Durchführung der Spektralellipsometrie und die Bestimmung der Absorptionskoeffizienten kann gemäß den Ausführungen in R.M.A. Azzam, N.M. Bashara: "Ellipsometry and Polarized Light", North-Holland, Amsterdam, 1977, Ch. 4." erfolgen.
3 zeigt eine Tauc-Kurve 40 (den "Tauc-Plot") einer gemäß 1 als Beschichtung 10 eines als Wafer ausgebildeten Trägers 1.
In dem Tauc-Plot 40 ist die Quadratwurzel aus dem Produkt des Absorptionskoeffizienten a der Beschichtung und der Photonen-Energie E_Ph der Photonen des Lichtstrahls 30 bzw. 31 gegenüber der Photonen-Energie E_ph aufgetragen.
Die Tauc-Kurve 40 weist einen linearen Bereich 45 auf, der auch als Tauc-Bereich bekannt ist. In diesem Tauc-Bereich 45 kann die Tauc-Kurve 40 durch eine nachfolgend als Tauc-Gerade bezeichnete Gerade 44 angenähert werden.
Dabei gibt der Punkt, an dem die Tauc-Gerade 44 die Abszisse schneidet, die Bandlücke E_T der Beschichtung an. Abhängig von der Stärke der Silizium-Dotierung verändern sich die Steigung der Tauc-Geraden sowie die Bandlücke E_T, wobei die Steigung b44 der Tauc-Geraden 44 und Bandlücke E_T der Beschichtung mit zunehmender Stärke der Silizium-Dotierung steigen.
Die Steigung b44 der Tauc-Geraden 44 ergibt sich aus entsprechenden Abschnitten eines Steigungsdreiecks dieser Tauc-Geraden 44 wie folgt:
Aus der Steigung b44 der Tauc-Geraden 44 lässt sich somit die Stärke der Silizium-Dotierung einer DLC-Beschichtung im Bereich des Reflexionspunktes ermitteln.
Um aus der Steigung einer Tauc-Geraden auf den Siliziumgehalt einer DLC-Schicht schließen zu können, bedarf es zunächst einer Referenzkurve. Die Referenzkurve (5) gilt für eine amorphe Beschichtung aus Silizium-dotiertem Kohlenstoff und gibt den Zusammenhang zwischen der Tauc-Steigung der Beschichtung und deren prozentualem Siliziumgehalt an.
Man erstellt die Referenzkurve, indem als Erstes eine Reihe von verschiedenen DLC-Beschichtungen mit verschiedenem Siliziumgehalt unter sonst gleichen Fertigungsbedingungen auf seperaten Test-Wafern abgeschieden werden.
Die Herstellung solcher Test-Beschichtungen mit unterschiedlichen Anteilen eines Dotierstoffes erfolgt je nach Herstellungsverfahren unter bestimmten individuellen Parametern, z.B. bei einem PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)-Verfahren durch Druck und Mischungsverhältnis des Ausgangsgases, Hochfrequenzleistung usw.
Vorzugsweise wird bei der Herstellung der Test-Beschichtungen der Test-Träger nur einer der Parameter des Herstellungsverfahrens variiert. Im Ergebnis weisen verschiedene Test- Beschichtungen von dem variierten Parameter abhängige, verschiedene Anteile des Dotierstoffes auf.
Anschließend wird für die Beschichtung eines jeden Test-Trägers wie beschrieben die zugehörige Tauc-Kurve mittels einer spektralellipsometrischen Untersuchung erstellt.
Danach werden die Test-Wafer mittels Augerelektronenspektoskopie (AES) oder mittels Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie (SIMS) auf ihren Siliziumgehalt in den Beschichtungen untersucht. Hierzu ist in der Regel eine Zerstückelung der Test-Wafer in handliche Messproben erforderlich. Des Weiteren wird bei diesen Verfahren Material der Beschichtung abgetragen.
Die Referenzkurve wird schließlich aus den mittels AES oder SIMS bestimmten Wertepaaren der Siliziumgehalte und den zugehörigen, aus der spektralellipsometrischen Untersuchung bestimmten Tauc-Steigungen erstellt. Zwischenwerte der Referenzkurve werden durch ein geeignetes, beispielsweise lineares oder quadratisches, Interpolationsverfahren ermittelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine DLC-Beschichtung mittels Spektralellipsometrie auf ihren Siliziumgehalt untersucht werden. Dadurch ist eine Zerstörung des Wafers, wie sie bei AES oder SIMS in der Regel erforderlich ist, vermeidbar.
4 zeigt eine Kurvenschar mit einer Anzahl von Tauc-Kurven, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich drei dargestellt sind.
Die gezeigten Tauc-Kurven wurden unter Anwendung der eingangs erwähnten Spektralellipsometrie für silizium-dotierte DLC-Beschichtungen von Wafern erstellt. Die optischen Messergebnisse wurden dann auf einen Rechner übertragen und mittels einer Auswertesoftware weiterverarbeitet.
Jede der Tauc-Kurven entspricht einer silizium-dotierten DLC-Beschichtung eines Wafers mit jeweils unterschiedlichem Silizium-Gehalt und ist durch eine Anzahl diskreter Messpunkte repräsentiert.
Des Weiteren sind in 4 Tauc-Geraden 41, 42, 43 dargestellt, die jeweils einer der Tauc-Kurven zugeordnet sind, und die unterschiedliche Steigungen b41, b42, b43 aufweisen. Dabei ist der Siliziumgehalt der untersuchten DLC-Beschichtung umso größer, je größer die Steigung der betreffenden Tauc-Gerade 41, 42, 43 ist.
Zur Bestimmung der Tauc-Geraden 41, 42, 43 wird zunächst ein Bereich der betreffenden Tauc-Kurve festgelegt, der durch eine Gerade angenähert werden soll. Für die in diesem Bereich befindlichen Punkte der Tauc-Kurve werden durch ein geeignetes Näherungsverfahren, z.B. der Methode kleinster Quadrate ("Least Square Fit"), Geraden angenähert, die die Tauc-Geraden bilden.
Erstellt man derartige Tauc-Geraden 41, 42, 43 für eine Anzahl silizium-dotiertierter DLC-Beschichtungen mit jeweils unterschiedlichem Silizium-Gehalt, so lässt sich daraus eine Referenzkurve ermitteln, wie sie in 5 dargestellt ist. In 5 sind die Steigungen von Tauc-Geraden verschieden stark silizium-dotierter DLC-Beschichtungen gegen den prozentualen (Atom-Prozent) Silizium-Gehalt der DLC-Beschichtungen aufgetragen.
Konkret zeigt die Darstellung in 5 zwei solcher Referenzkurven, die bei unterschiedlichen Hochfrequenz-Leistungen abgeschieden wurden.
Die Herstellung einer silizium-dotierten DLC-Beschichtung erfolgt vorzugsweise mittels einer Hochfrequenz-Plasmaabscheidung (PECVD) eines gasförmigen Ausgangsmaterials, beispielsweise einer Kohlenwasserstoffverbindung wie z.B. Methan, dem ein bestimmter Anteil Silizium, vorzugsweise in Form einer gasförmigen Siliziumverbindung wie z.B. Silan, beigefügt ist.
Die Einstellung der Zusammensetzung einer Beschichtung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die das gasförmige Ausgangsmaterial bildenden Gase einer Beschichtungskammer zugeführt werden. So kann – bezogen auf das genannte Beispiel – der Siliziumgehalt des gasförmigen Ausgangsmaterials dadurch verringert oder erhöht werden, dass der Zustrom von Silan in die Beschichtungskammer gedrosselt bzw. erhöht wird.
Neben dem Verhältnis der Gaszuflüsse der das gasförmige Ausgangsmaterial bildenden Gase können noch weitere Parameter, z.B. der Gasdruck des gasförmigen Ausgangsmaterials sowie die bei der Hochfrequenz-Plasmaabscheidung zugeführte Hochfrequenzleistung, den Dotierstoffgehalt einer herzustellenden Beschichtung beeinflussen.
Im Ergebnis liegt die DLC-Beschichtung als amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschicht (a-C:H) vor und ist ggf. mit Silizium dotiert (a-C_xSi_1-x:H).
Allerdings kann bei einem solchen Herstellungsverfahren das Verhältnis der Anzahl von Silizium-Atomen zu der Anzahl von Kohlenstoff-Atomen der hergestellten DLC-Beschichtung vom Verhältnis der Anzahl von Silizium-Atomen zu der Anzahl von Kohlenstoff-Atomen des zur Hochfrequenz-Plasmaabscheidung (PECVD) verwendeten Ausgangsgases abweichen.
Anhand von Versuchen konnte ermittelt werden, dass die DLC-Beschichtung eines Wafers ab einem Anteil von 10 at% (Atom- Prozent) Silizium oder weniger in der DLC-Beschichtung eines Wafers deren Ätzresistenz gegenüber freien Sauerstoffradikalen sicherstellen kann.
Weitere Informationen zu Ätzraten von DLC, insbesondere zur Abhängigkeit der Ätzraten von der Vorspannung (DC-Bias) beim anisotropen Plasma-Ätzen finden sich in B. Landkammer et al.: "Erosion of hydrogenated carbon films in oxygen, oxygen/ hydrogen and water plasmas", Journal of Nuclear Materials, Bd. 264 (1999), Seiten 48-55.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Silizium-Gehalt einer silizium-dotierten DLC-Beschichtung auf etwa 5 at% genau bestimmt werden.
Bei der Hochfrequenz-Plasmaabscheidung wird das Ausgangsmaterial einer Hochfrequenzanregung ausgesetzt, die eine bestimmte Leistung aufweist. 5 zeigt den Verlauf der Steigung b der Tauc-Geraden in Abhängigkeit vom Siliziumgehalt von DLC-Beschichtungen zweier Wafer. Bei einem der Wafer (gestrichelte Kurve) wurde die DLC-Beschichtung bei einer Hochfrequenzleistung von 500 W, bei dem anderen Wafer (durchgezogene Kurve) bei einer Hochfrequenzleistung von 1200 W hergestellt. Dabei ist festzustellen, dass die Kurvenverläufe im Rahmen der Messgenauigkeit identisch verlaufen.
Grundsätzlich kann der Verlauf solcher Referenzkurven für andere bei der Herstellung von DLC-Beschichtungen relevante Prozessparameter auch stärker von den gewählten Prozessparametern abhängen als dies im vorliegenden Beispiel der Hochfrequenzleistung der Fall ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, ausgehend von einem vorgegebenen Verfahren zur Herstellung einer silizium-dotierten DLC-Beschichtung eines Wafers zunächst eine von einem oder mehreren Prozessparametern abhängige Referenzkurve zu erstellen.
Um die Referenzkurve zu erhalten, werden die Anteile eines Dotierstoffes verschiedener Beschichtungen eines Trägers wie beschrieben mittels AES, SIMS oder eines anderen geeigneten Verfahrens, vorzugsweise anhand von Stützpunkten der Referenzkurve, bestimmt.
Außerdem werden von den verschiedenen Beschichtungen mittels Spektralellipsometrie die Tauc-Kurven und daraus die Tauc-Geraden sowie deren Steigungen ermittelt. Auf diese Weise können der Gehalt eines Dotierstoffes einer Beschichtung und die Steigung der Tauc-Geraden dieser Beschichtung korreliert werden.
Die Ermittlung des Silizium-Gehaltes einer mit diesen Parametern hergestellten Beschichtung eines Wafers kann dann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass mittels Spektralellipsometrie die Tauc-Kurve der Beschichtung ermittelt und daraus die Tauc-Gerade und deren Steigung bestimmt wird.
Über die ermittelte Steigung der Tauc-Kurve lässt sich jetzt unter Verwendung der Referenzkurve der Silizium-Gehalt der silizium-dotierten DLC-Beschichtung bestimmen.
Berücksichtigt man alle zur Herstellung einer siliziumdotierten DLC-Beschichtung eines Wafers relevanten Parameter in ihren jeweils sinnvollen Bereichen, so gelangt man zu dem Ergebnis, dass die sich für alle möglichen sinnvollen Parameterkombinationen ergebenden Referenzkurven in einem eng begrenzten Bereich liegen, so dass sich der Verlauf der Siliziumkonzentration K_Si durch folgende Gleichung beschreiben lässt: KSi = a0 + a1·b + a2·b2
Diese Gleichung entspringt einer Reihenentwicklung, wobei nur die Koeffizienten bis einschließlich des quadratischen Terms berücksichtigt werden müssen. Dabei bezeichnen K_Si die Si-Konzentration in at%, b die Steigung der Tauc-Geraden in der Einheit (eV·cm)^–0,5 und a0, a1 und a2 die folgenden Koeffizienten: a0 = –1,881·102 at% a1 = 7,716·10–1 (eV·cm)0,5 at a2 = –6,133·10–4 eV·cm at%
Diese Parameter wurden mittels eines Näherungsverfahrens aus einer Anzahl von Stützpunkten ermittelt, welche mit einer Genauigkeit von kleiner oder gleich 0,5% reproduzierbar sind. Die Güte des Näherungsverfahrens weist einen Regressionskoeffizienten von 0,9998 auf. Je nach Anforderung können jedoch auch kleinere Regressionskoeffizienten, beispielsweise größer oder gleich 0,98, ausreichend sein.
Es sei bemerkt, dass sich bei einer höheren Anzahl von Stützpunkten bei der Aufnahme der Referenzkurve der Koeffizientensatz geringfügig ändern kann und dass die Beschreibung der Referenzkurve außer durch Polynome natürlich auch mit anderen mathematischen Interpolationsverfahren wie z.B. durch kubische Splines etc. approximiert werden kann.
Schließlich kann sich durch die Kalibrierungs- und Auflösungsgrenze bei der quantitativen Si-Bestimmung sowie durch die Messgenauigkeit bei der Spektralellipsometrie bei einer Neubestimmung der Referenzkurve diese sowohl in der Abszissen- als auch in der Ordinaten-Richtung etwas verschieben. Diese Ungenauigkeiten sind in 5 durch die Angabe der Fehlerbalken entsprechend berücksichtigt.
Beim Einsatz des Verfahrens zur Prozesskontrolle in einer Serienfertigung ist die Kenntnis der genauen Lage aber nicht die entscheidende Größe, sondern die relative Abweichung der Stöchiometrie von Beschichtung zu Beschichtung. Diese lässt sich mit dem relativ genauen optischen Verfahren aber mit einer Präzision von etwa 2% detektieren.
Das hier am Beispiel der Herstellung einer silizium-dotierten DLC-Beschichtung eines Wafers geschilderte Verfahren ist selbstverständlich nicht auf Beschichtungen mit Kohlenstoff als Grundmaterial oder Silizium als Dotierstoff beschränkt.
Entscheidend ist vor allem, dass das spektralellipsometrisch untersuchte Material der Beschichtung ein Grundmaterial aufweist, dem verschiedene Anteile von zumindest einem weiteren Stoff beigefügt sind und dass sich der Absorptionskoeffizient des Beschichtungsmaterials abhängig von der Konzentration des beigefügten Stoffes ändert.
Ebenso ist es nicht erforderlich, dass es sich bei dem Träger der Beschichtung um einen Wafer handelt. Vielmehr können als Träger beliebig geformte Körper aus beliebigen Materialen verwendet werden. Allerdings sollte die Messstelle/Reflexionsstelle (circa 0,5 cm²) möglichst glatt und plan sein!
Zwischen dem Träger und der herzustellenden, spektralellipsometrisch untersuchten Beschichtung können weitere Schichten, beispielsweise Schichten zur Haftverbesserung, angeordnet sein.
Mit Hilfe der Spektralellipsometrie können neben dem Anteil eines Dotierstoffes in einer Beschichtung eines Trägers Informationen über die Verteilung der Schichtdicke der Beschichtung über den Träger und damit über die Abscheiderate und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung gewonnen werden, wobei hierzu über den Träger verteilt Messungen an mehreren Reflexionspunkten erforderlich sind.
Die beschriebene Methode lässt auch umgekehrt Rückschlüsse auf die Abscheidebedingungen bei der Herstellung der Be schichtung zu. Aus der aus dem Abszissenabschnitt der Tauc-Geraden ermittelten Bandlücke E_T lassen sich bei bekanntem Siliziumanteil einer DLC-Beschichtung die bei der Herstellung der DLC-Beschichtung zugrunde liegenden Abscheideparameter "Gasdruck" und "Leistung der Hochfrequenzabscheidung" bestimmen, die wiederum den optischen Bandabstand bei einem fixen Si-Anteil in der Schicht determinieren.

1: Träger, Wafer
10: Beschichtung
20: Lichtquelle
21-24: Blende
25: erster Polarisator
26: zweiter Polarisator (Analysator)
27: Stellantrieb Polarisator
28: Stellantrieb Analysator
29: Lichtdetektor
30: monochromatischer Lichtstrahl
31: einfallender linear polarisierter Lichtstrahl
32: reflektierter elliptisch polarisierter Lichtstrahl
40: Tauc-Kurve
41-44: Tauc-Gerade
45: Tauc-Bereich
E_T: Bandlücke
E_Ph: Photonen-Energie (Bandlücke)
I: Intensität
I_min: minimale Intensität des reflektierten Lichtstrahls
I_max: maximale Intensität des reflektierten Lichtstrahls
R: Reflexionsbereich
ΔE_Ph: Abszissenabschnitt der Photonen-Energie
α: Absorptionskoeffizient
β: Winkel
b40: Steigung der Tauc-Gerade
b41: Steigung der Tauc-Gerade
b42: Steigung der Tauc-Gerade
b43: Steigung der Tauc-Gerade
φe: Einfallswinkel
φa: Ausfallswinkel

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Anteils eines Dotierstoffes einer auf einen Träger (1) aufgebrachten aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehenden Beschichtung (10), die ein mit dem Dotierstoff versetztes Grundmaterial umfasst, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Referenzkurve, die einen Zusammenhang angibt zwischen dem Anteil des Dotierstoffes einer Beschichtung (10), die aus einem mit dem Dotierstoff versetzten Grundmaterial gebildet ist, und der Steigung b des linearen Bereichs der Tauc-Kurve einer solchen Beschichtung (10) definiert durch √αE = b·(E – E_T), wobei a den Absorptionskoeffizienten der Beschichtung, E die Photonenenergie des einfallenden monochromatischen Lichts, b einen Proportionalitätsfaktor und E_T den optischen Bandabstand nach Tauc bezeichnet, – Bereitstellen eines Trägers (1), der eine Beschichtung (10) aufweist, die aus dem mit dem Dotierstoff versetzten Grundmaterial gebildet ist, – Ermitteln der Steigung b des linearen Bereichs der Tauc-Kurve der Beschichtung (10) des Trägers (1), wobei die Tauc-Kurve mittels Spektralellipsometrie ermittelt wird, – Ermitteln des Gehaltes des Datierstoffes der Beschichtung (10) unter Verwendung der Referenzkurve.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Träger (1) ein Wafer ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Grundmaterial Kohlenstoff ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung (10) eine diamantartige Kohlenstoffstruktur aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Dotierstoff Silizium ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Referenzkurve einen Verlauf der Silizium-Konzentration K_Si innerhalb des folgenden Bereichs aufweist: KSi = (a0 + a1·b + a2·b2) ± 0,5%mit den Koeffizienten a0 = –1,881·102 at% a1 = 7,716·10–1 (eV·cm)0,5 at% a2 = –6,133·10–4 eV·cm at%wobei K_Si die Silizium-Konzentration in at% und b die Steigung des linearen Bereichs der Tauc-Kurve in der Einheit (eV·cm)^–0,5 angeben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Referenzkurve dadurch erstellt wird, dass aus den Tauc-Kurven einer Anzahl gleichartiger Beschichtungen (10), die jedoch jeweils unterschiedlichen Anteile des Dotierstoffes aufweisen, jeweils die Steigung des linearen Bereichs der Tauc-Kurven ermittelt und gegen den Gehalt des Dotierstoffes der jeweiligen Beschichtung aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Tauc-Kurven mittels Spektralellipsometrie erstellt werden.