DE102006013588A1

DE102006013588A1 - Zweidimensinale Profilierung von Dotierungsprofilen einer Materialprobe mittels Rastersondenmikroskopie

Info

Publication number: DE102006013588A1
Application number: DE102006013588A
Authority: DE
Inventors: Günther Prof.Dr. Benstetter; Peter Dipl.-Ing.(FH) Breitschopf; Bernhard Theo Dr. Knoll
Original assignee: FACHHOCHSCHULE DEGGENDORF; Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-09-27
Also published as: US20070221841A1; US7788732B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten der Kapazität als Funktion der zweidimensionalen Struktur einer dielektrischen oder teilweise dielektrischen Materialprobe mittels der Spitze einer Sonde eines Rastermikroskops. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die Kapazitätsänderung während der Tastbewegung der Sonde von einer Position auf der Materialprobe zur nächsten Position als Strom gemessen und ausgewertet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten der Oberflächenkapazität einer zweidimensionalen Struktur einer Materialprobe mittels der Spitze der Sonde eines Rastermikroskops.

Stand der Technik

Mit Hilfe der SCM-Technik (Scanning Capacitance Microscopy) lassen sich freie Ladungsträger in Festkörpern detektieren. Freie Ladungsträger befinden sich beispielsweise in Metallen. Aber auch dotiertes Silizium, wie es in der gesamten Halbleiterindustrie Anwendung findet, enthält freie Ladungsträger (unterschiedlichen Typs im Gegensatz zu Metallen). Es lassen sich somit auch elektronische Bauelemente, die beispielsweise dielektrische Schichten umfassen, analysieren.

Mit zunehmender Verkleinerung der Strukturen in integrierten Schaltkreisen werden die Toleranzen für die Fertigung dotierter Gebiete immer geringer. Neben der Spreading-Resistance-Methode stellt die SCM-Messung von Strukturen eine einfache Möglichkeit dar, um dotierte Zonen quantitativ zu untersuchen.

Hierbei tastet eine elektrisch leitfähige Messspitze die Oberfläche des Bauelements oder Substrats ab und scannt die Kapazität zwischen Spitze und Probe als Funktion des Ortes, so dass auch Kapazitätsänderungen im darunter liegenden Substrat des Bauelements erfasst werden können. Zur Isolation des Substrats dient eine Siliziumdioxidschicht, die gleichzeitig die Funktion eines Dielektrikums übernimmt.

Die Funktionsfähigkeit dieser SCM-Technik ist nur dann gewährleistet, wenn die Spitze der Sonde in ständigem Kontakt mit der zu untersuchenden Materialprobe steht. Die lateral auf die Spitze einwirkenden Kräfte führen zu einem merkbaren Spitzenver schleiß der Sonde während des Abtastvorgangs. Zusätzlich werden durch den ständigen Spitzenkontakt mit der Probe auch auf diese Kräfte ausgeübt, die die Probe selbst beschädigen können. Aus demselben Grund ist es auch nicht möglich, mit diesem Verfahren elastische Proben zu untersuchen.

Aus K. Goto, K. Hare, Tapping Mode scanning capacitance microscopy, SPIE Vol. 3009, 84 (1997) und aus K. Goto, K. Hare Tapping Mode scanning capacitance microscopy, Rev. Sci. Instrum. 68 (1), Jan 1997 ist bereits ein Abtastverfahren bekannt, bei dem die Sonde oberhalb der Oberfläche der Probe oszilliert und diese nur kurzzeitig berührt (Tapping Mode). In diesem sog. Tapping Mode wird die Spitze der Sonde zum Ausüben einer Kraft im atomaren Bereich periodisch (daher auch IC-AFM = Intermittent Contact Atomic Force Microscopy) mit einem Substrat in Kontakt gebracht und mit einer Frequenz angeregt, die nahe an der Resonanzfrequenz der Sonde liegt, wie dies beispielsweise auch aus R. Garcia, Dynamic Atomic Force Microscopy Methods, Surface Science Reports 47 (2002), 197–301 bekannt ist.

Wechselwirkungen zwischen der Probenoberfläche und Spitze sind Ursache dafür, dass die Amplitude der Spitzenbewegung verändert wird. Über eine Regelschleife wird ein Signal erzeugt, das den Abstand zwischen der Spitze und der Probe so verändert, dass die Amplitude der Spitzenbewegung konstant bleibt. Dieses Signal ist ein Maß für die Topographie der Probenoberfläche. Im Ergebnis berührt die Spitze die Oberfläche periodisch und jeweils nur für einen kurzen Zeitraum. Da die laterale Scan-Geschwindigkeit sehr viel geringer ist als die vertikale Spitzengeschwindigkeit, sind die lateralen Kräfte zwischen der Spitze und der Probe praktisch vernachlässigbar.

Die zu messende Struktur besteht im Wesentlichen aus einem System von zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten. Ein Teil der Gesamtkapazität wird aus der Substratkapazität und dem darüber liegenden Siliziumdioxid gebildet. Der restliche Anteil der Kapazität besteht aus der Spitze und der zwischen der Spitze und dem Substrat liegenden Luft als Dielektrikum. Während die Kapazität des Substrats zusammen mit der des Siliziumdioxids einen nur durch die Probeneigenschaften (wie beispielsweise die Dotierung) veränderlichen Anteil darstellt, ist der Betrag der aus der Spitze und der Luft gebildeten Kapazität ungefähr reziprok zum Abstand zwischen der Spitze und der Oberfläche des Siliziumdioxids. Da die leitfähige Spitze ihrerseits mit einem Kapazitätssensor verbunden ist, entsteht am Ausgang des Sensors ein amplitudenmodulier tes Signal, dessen Trägerfrequenz gleich der Resonanzfrequenz der Spitze ist und dessen Modulationsgrad mit der Substratkapazität verändert wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass laterale Kräfte auf die Sondenspitze weitgehend reduziert werden und der Spitzenverschleiß der Sonde damit minimiert wird. Dem aus der dynamischen Ausführung resultierenden mechanischen Vorteil stehen allerdings deutliche Nachteile bzgl. des SCM-Signals gegenüber. Zum einen tragen auch nicht-lokale Kopplungen beispielsweise zwischen Spitzenhalter und Probe zum modulierten Signal bei; zum anderen wird die Dynamik des Messsignals durch Übersprechen des die Sonde treibenden Oszillatorsignals geschwächt. So bleibt die Auflösung des dynamischen SCM deutlich hinter der Topographieauflösung des Bauelements oder des Substrats zurück.

Eine Weiterentwicklung ist aus einem in der Zeitschrift Microelectronics Reliability 45 (2005), 1568–1571 erschienenen Aufsatz „Intermittent contact scanning capacitance microscopy – An improved method for 2D doping profiling" von P. Breitschopf, G. Benstetter, B. Knoll, W. Frammelsberger bekannt. Dieses Verfahren beruht darauf, dass aufgrund der harmonischen mechanischen Spitzenbewegung und der nichtlinearen Abstandsabhängigkeit des SCM-Signals spektrale Anteile höherer Ordnung erzeugt werden. Die Detektion des für die Auswertung relevanten Signals höherer Ordnung erfolgt mittels eines zweiphasigen Lock-in-Verstärkers. Das Tapping-Signal stellt dabei die Referenzfrequenz dar, die vor der Verwendung mit dem (oder im) Lock-in-Verstärker mit einem zwischen 2 und 4 oder höher liegenden Faktor multipliziert werden muss, um einerseits vorwiegend harmonische Signalbeiträge von nicht-lokaler Kopplung beispielsweise zwischen Spitzenhalter und Probe und andererseits Hintergrundstörungen durch Einkopplungen des Tapping-Signals zu minimieren. Dieser Sachverhalt wird dargestellt bei G. Wurtz, R. Bachelot, P. Royer, Imaging a GaAlAs laser diode in operation using apertureless scanning near-field optical microscopy, The European Physical Journal-Applied Physics 5 (1999) 849–854 und bei B. Knoll, F. Keilmann, Enhanced dielectric contrast in scattering-type scanning near-field optical microscopy, Optics Communications 182 (2000) 321–328.

Alle bisher bekannten Varianten der Rasterkapazitätsmikroskopie nutzen für die eigentliche Kapazitätsmessung einen UHF-Kapazitätssensor. Dieser besteht aus einem UHF-Resonanzkreis und muss jeweils vor der Messung auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen abgestimmt werden. Dabei ist aber eine Wechselwirkung mit der Umgebung, insbesondere bei sich verändernden Umgebungsbedingungen nicht auszuschließen. Zudem sind Rastersondenmikroskope in der Regel nicht mit UHF-Kapazitätssensoren ausgestattet. Diese müssen als kostspielige Kapazitätsmodule nachgerüstet werden und an die bestehende Auswerteelektronik angepasst werden.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, dass die Kapazitätsänderung während der Tastbewegung der Sonde entlang der Probenoberfläche direkt als Strom gemessen und ausgewertet wird. Die Erfindung beruht darauf, dass sich die Kapazitätsverhältnisse während der Messung verändern und dass infolge der vertikalen Tappingbewegung der Spitze und der damit einhergehenden Verschiebung der Spitze der Sonde gegenüber dem Substrat ein sich sowohl periodisch als auch lateral (d. h. während des Abrasterns) verändernder Verschiebestrom erzeugt wird, der sich messen lässt.

Für den während der Tappingbewegung bei einer Tapping-Kapazität C_tapping auftretenden Verschiebestrom I gilt: I = dQ/dt (1)

Da Q = C_tapping·U ist, folgt nach der Produktregel I = d (Ctapping·U)/dt = U·dCtapping/dt + Ctapping·dU/dt (2)

Wenn aber U eine fest eingestellte Vorspannung U_Bias an der Spitze der Sonde ist, wird der erste Term der Gleichung (2) zu Null, und es folgt: I = UBias·dCtapping/dt (3).

Gemäß einer ersten Ausgestaltung wird also zwischen Spitze und Probe eine fest eingestellte Vorspannung U_Bias gewählt. Somit lässt sich der Verschiebestrom messtechnisch vorteilhaft bestimmen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Strom mittels eines Stromverstärkers, insbesondere mittels eines Operationsverstärkers, verstärkt wird.

Von Vorteil ist es auch, wenn der Operationsverstärker als Strom-Spannungs-Wandler eingesetzt wird und die Abtastkapazität als Differenzierglied dient.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mittels eines Operationsverstärkers in ein Spannungssignal gewandelten Verschiebestrom mittels wenigstens eines Lock-in-Verstärkers ausgewertet wird.

In vorteilhafter Weise werden höhere Harmonische des in ein Spannungssignal gewandelten Verschiebestroms mittels jeweils einzelner Lock-in-Verstärker ausgewertet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der in ein Spannungssignal gewandelte Verschiebestrom mittels eines Lock-in-Verstärkers in fester zeitlicher Abfolge nacheinander mit jeweils verschiedenen Harmonischen der Grundfrequenz als Referenzsignal ausgewertet (Multiplexing).

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch Verschiebeströme gemessen und zu Spannungssignalen gewandelt werden, wenn bereits die Spitzen mit einem entsprechenden Oxid versehen sind.

Dadurch ergeben sich weitere Analysemöglichkeiten auf Strukturen, auf denen die Aufbringung eines qualitativ hochwertigen Oxids problematisch erscheint.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Durch das Fehlen eines, auf Basis eines Resonanzkreises arbeitenden, SCM-Sensors entfallen vor der Messung notwendige Abgleicharbeiten zur Optimierung der Messergebnisse (UHF-Resonanzkreis muss auf höchste Empfindlichkeit abgeglichen werden). Dadurch werden Messungen von Umgebungsbedingungen unabhängiger.

Nur die tatsächlichen Kapazitätsänderungen bewirken einen signifikanten Verschiebestrom. Zudem wird für das Rastersondenmikroskop kein zusätzliches Kapazitätsmodul benötigt, wodurch erhebliche Kosten eingespart werden.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile in den Zeichnungen sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden deshalb teilweise nicht mehrfach erläutert. Grundsätzlich soll das anliegende Ausführungsbeispiel die Erfindung illustrieren, ist jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen.

1 zeigt einen experimentellen Aufbau nach dem Stand der Technik zur Messung der Kapazität über die flächige Ausdehnung eines Substrats zur Bestimmung zweidimensionaler Dotierungsprofile in schematischer Darstellung.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Erfindung zur Messung der Kapazität mittels der Rasterkapazitätsmikroskopie mit Hilfe eines dynamischen Rastersondenverfahrens.
Das Blockschaltbild der 1 zeigt zunächst den Aufbau eines dynamisch betriebenen Rasterkapazitätsmikroskops, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Spitze wird dabei mittels eines Treiberpiezos zu vertikalen Schwingungen (z. B. mit 40 kHz) angeregt. Die Auslenkung wird über die Ablenkung eines auf die Spitzenrückseite fokussierten Lasers mittels eines Photodiodenarrays gemessen. Der Controller steuert mit diesem Signal den Abstand zwischen Spitze und Probe und bewirkt gleich zeitig das Abrastern in den horizontalen Richtungen. Die Spitze ist nach dem Stand der Technik mit einem UHF-Kapazitätssensor verbunden, dessen Verstimmung ein Maß für die Messkapazität darstellt. Die Auswertung dieses Signals erfolgt mit Zwei-Phasen-Lock-in-Verstärkern, die als Referenzsignal frequenzvervielfachte des Piezotreibersignals erhalten. Damit lassen sich höhere spektrale Anteile des Kapazitätssignals sowie dessen Grundfrequenz messen und mittels Datenerfassungseinrichtung und Computer als Bild darstellen.
Das schematische Blockschaltbild der 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens. Dabei wird der bekannte UHF-Sensor entfernt, die Kapazitätsmessschaltung wird stattdessen als Differenzierer mit der Tappingkapazität als Differenzierglied realisiert; der Operationsverstärker wird als Strom-Spannungswandler aufgebaut. Dabei wird der Strom gemäß Gleichung (3) mit der sich ändernden Tappingkapazität, durch die Spannung U_A am Ausgang des Operationsverstärkers kompensiert (I_Tapping = I_R). Damit liegt also der negative Eingang des Operationsverstärkers virtuell auf demselben Potential wie der positive Eingang. Der Strom I_R verursacht damit am Widerstand R einen Spannungsabfall. Diese Spannung liegt auch am Ausgang des Operationsverstärkers an. UA =ITapping·R (4)
Daraus folgt: UA = UBias·R·dC/dt (5)
Die weitere Verarbeitung der Messsignale erfolgt analog zu dem in 1 beschriebenen Verfahren.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kapazitätsänderung während der Tastbewegung der Sonde entlang der Probenoberfläche direkt als Strom gemessen und ausgewertet. Die Kapazitätsverhältnisse verändern sich während der Mes sung, so dass infolge der vertikalen Tappingbewegung der Spitze und der damit einhergehenden Verschiebung der Spitze der Sonde gegenüber dem Substrat ein sich sowohl periodisch als auch lateral (d. h. während des Abrasterns) verändernder Verschiebestrom erzeugt wird, der sich messen lässt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims

Verfahren zum Abtasten der Kapazität als Funktion der zweidimensionalen Struktur einer dielektrischen oder teilweise dielektrischen Materialprobe mittels der Spitze einer Sonde eines Rastermikroskops, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsänderung während der Tastbewegung der Sonde von einer Position auf der Materialprobe zur nächsten Position als Strom gemessen und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Spitze der Sonde eine feste Vorspannung gegenüber der dielektrischen oder teilweise dielektrischen Materialprobe abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom mittels eines Stromverstärkers, insbesondere mittels eines Operationsverstärkers, verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker als Strom-Spannungs-Wandler und die Abtastkapazität als Differenzierglied dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und einem Referenzpotential abfallende Spannungen mittels wenigstens eines Lock-in-Verstärkers ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass höhere Harmonische der genannten Grundspannung mittels jeweils einzelner Lock-in-Verstärker ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass höhere Harmonische der genannten Grundspannung in vorgegebener zeitlicher Abfolge mittels Lock-in-Verstärker ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lock-in-Verstärker als Zwei-Phasen-Lock-in-Verstärker ausgeführt sind oder diesen vergleichbare Schaltungen an deren Stelle eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische oder metallisierte Spitze einer Sonde eines Rastermikroskops als Bestandteil der zu messenden Kapazität eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische oder metallisierte Spitze einer Sonde eines Rastermikroskops mit einer zusätzlichen dielektrischen Schicht beschichtet ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Rastermikroskop mit einer Rastersonde und einer Auswerteeinrichtung umfasst.