DE102009010890A1

DE102009010890A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Kontaktfläche einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial aufgesetzten Sonde

Info

Publication number: DE102009010890A1
Application number: DE102009010890A
Authority: DE
Inventors: Dethard Dr. Peters; Rene Stein
Original assignee: SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-02

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Kontaktfläche A einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b) aufgesetzten Sonde (3) angegeben, wobei zwischen der Sonde (3) und dem Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b) eine Isolierschicht (11) mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist. Dabei wird eine erste Spannung Uzwischen Sonde (3) und Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b) angelegt, dann eine erste Kapazität Cgemessen und schließlich die Kontaktfläche A zwischen Sonde (3) und Isolierschicht (11) mit Hilfe der gemessenen Kapazität Cberechnet. In einer alternativen Ausführungsform kann darüber hinaus die Dotierung des Halbleitermaterials (10a, 10b) bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Kontaktfläche einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial aufgesetzten Sonde, wobei zwischen der Sonde und dem Leiter oder Halbleitermaterial eine Isolierschicht mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist. Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
Die angesprochenen Sonden werden häufig in Messapparaturen in der Halbleitertechnik verwendet, um verschiedenste Parameter der untersuchten Materialien zu ermitteln. Häufig sind die derart ermittelten Parameter vergleichsweise großen Messtoleranzen unterworfen, da die Kontakt- oder Auflagefläche der Sonde auf dem Leiter oder Halbleitermaterial unbekannt ist, diese jedoch die Messung und/oder Berechnung des betreffenden Parameters beeinflusst. Beispielsweise können spitze Sonden verschieden tief in das Material eindringen, beziehungsweise kann sich die Spitze relativ stark abnutzen und so ungenaue Messungen verursachen. Eine weitere Sonde, die Variationen hinsichtlich der Kontaktfläche unterworfen ist, ist eine Sonde, welche am Berührungspunkt mit dem Material aus Quecksilber besteht („Quecksilber-Prober”). Durch verschieden Umweltparameter und auch die Oberflächeneigenschaften des kontaktierten Materials, können auch hier die nachfolgenden Messungen erheblich verfälscht werden.
Das Problem soll anhand eines an sich bekannten C-V-Messverfahrens (Kapazitäts-Spannungs-Messverfahren) zur Bestimmung einer Nettodotierung eines Halbleitermaterials erläutert werden. Das Beispiel dient aber bloß zur Illustration des Problems und darf nicht so verstanden werden, als würde sich das erfindungsgemäße Problem nur hier stellen.
Das C-V-Messverfahren wird dazu benutzt, die Dotierung eines Halbleiters ortsaufgelöst zu vermessen. Das Problem besteht darin, dass die Dotierung nach dem Stand der Technik nur so genau bestimmt werden kann wie genau die Größe der Kontaktfläche zwischen Sonde und Halbleitermaterial bekannt ist (das heißt mit welchen Toleranzen) oder in einem von der C-V-Messung unabhängigen Messverfahren vermessen oder kalibriert worden ist.
Prinzipiell sind für die C-V-Messung zwei unterschiedliche Verfahren bekannt, nämlich mit Hilfe einer Sonde, welche am Berührungspunkt mit dem Halbleitermaterial aus Quecksilber besteht („Quecksilber-Prober”) oder mit Hilfe von lithografisch erzeugten Metall-Halbleiterkontakten.
Bei der Messung mit einem Quecksilber-Prober (beispielsweise aus US 5,036,271 bekannt) wird eine Halbleiterscheibe auf einen leitfähigen Scheibenhalter gelegt und dort mittels Vakuum fixiert. Auf dem Halbleitersubstrat befindet sich beispielsweise eine epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht gleichen Leitungstyps, deren Dotierung vermessen werden soll. Wahlweise ist der ganze Halbleiter n- oder p-leitend. Der Scheibenhalter ist auf einem in x- und y-Richtung (also horizontal) verfahrbaren Tisch montiert. In z-Richtung (also von oben oder unten) wird eine innen mit Quecksilber gefüllte Messröhre zur Oberfläche des Wafers geführt, sodass der unten heraushängende Quecksilbertropfen die Halbleiteroberfläche berührt. Die Kontaktfläche bildet dabei einen gleichrichtenden Metall-Halbleiterkontakt. Im Halbleiter bewirkt dieser Kontakt die Ausbildung einer Raumladungszone, deren Weite sich mit der angelegten elektrischen Spannung ändert. Aus diesem Grund hängt die Kapazität der Probe von der angelegten Gleichspannung ab. Die Kapazität wird als Funktion der Spannung gemessen und daraus die Dotierung der Epitaxieschicht in Abhängigkeit von z, das heißt der Tiefe der Epitaxieschicht gemessen. Beispielsweise ist aus S. M. Sze, „Physics of Semiconductor Devices", 2. Edition, J. Wiley & Sons, 1981, Seite 249 der Zusammenhang zwischen Sperrschichtkapazität C_S, angelegter Spannung U und Nettodotierung N_netto bekannt. Es gilt:
für |U| ≫ Ubl wobei C_S die gemessene Kapazität, A die Kontaktfläche zwischen Quecksilbertropfen und Halbleitermaterial, U die angelegte Gleichspannung, q die Elementarladung und ε_S die absolute Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials und N_netto die Nettodotierung, also die Differenz zwischen Donator- und Akzeptorkonzentration, des Halbleitermaterials ist. Die angelegte Spannung sollte dabei vorteilhaft betragsmäßig wesentlich größer sein als die durch den Metall-Halbleiterkontakt gebildete Diffusionsspannung (engl. Builtin Voltage) U_bl, welche in etwa 1/3 des Bandabstandes in eV beträgt. Für SiC ergibt sich somit ein vorteilhafter Wertebereich für die überlagerte Gleichspannung von zirka –5 bis –50 V.
Bei in z-Richtung homogener Dotierung der Epitaxieschicht ergibt sich die Nettodotierung als Steigung der linearen Regressionsgeraden, die man aus dem Verlauf von 1/C² über U erhält:
Das Problem ist, dass die elektrisch wirksame Berührungsfläche A des Quecksilbertropfens nicht direkt messbar ist. Deshalb wird zur Kalibrierung eine Probe mit bekannter Dotierung vermessen, um die Fläche festzustellen. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass die Benetzung des Halbleiters mit dem Quecksilber je nach Oberflächenbeschaffenheit des Halbleitermaterials unterschiedlich ausfällt und damit die Kontaktfläche bei jedem Aufsetzen der Sonde variieren kann. Typischerweise resultiert ein Messfehler von 5 bis 10%. Desweiteren kommt die Halbleiteroberfläche mit Quecksilber in Berührung und kann dadurch kontaminiert werden. Folgen Hochtemperaturprozesse, kann das Quecksilber in den Halbleiter eindiffundieren und die elektrischen Eigenschaften der Epitaxieschicht beeinträchtigen, im Extremfall sogar zur Zerstörung des Bauteils führen. Nach der Messung ist somit eine gründliche und technisch aufwändige Reinigung des Halbleitermaterials zwingend notwendig.
Bei der Messmethode mit Hilfe von lithografisch erzeugten Metall-Halbleiterkontakten wird auf die Halbleiterscheibe eine Metallfläche aufgebracht (z. B. aufgedampftes oder gesputtertes Titan mit einer Schichtdicke von 200 nm). Anschließend wird die Schicht mittels Fototechnik strukturiert, sodass Kontaktflächen mit einer genau definierten Fläche entstehen. Die C-V-Messung erfolgt mit Hilfe von Kontakt-Nadeln eines Standard-Probers. Der Messfehler beträgt – je nach Genauigkeit des Strukturierungsverfahrens – typisch 0,1 bis 2,0% bei einer Kontaktfläche von 1 mm². Zwar ist diese Methode präzise, jedoch muss die Metallschicht nach der Messung wieder entfernt werden, wobei sich metallische Rückstände, die sich nicht vollständig vermeiden lassen, nachteilig auf die Ausbeute der aus dem Halbleitermaterial hergestellten Bauelemente auswirken.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein genaueres Messverfahren zum Bestimmen einer Kontaktfläche einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial aufgesetzten Sonde anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patenanspruchs 13 gelöst.
Demgemäß umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Kontaktfläche A einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial aufgesetzten Sonde, wobei zwischen der Sonde und dem Leiter oder Halbleitermaterial eine Isolierschicht mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist, die Schritte:

a) Anlegen einer ersten Spannung U₁ zwischen Sonde und Leiter oder Halbleitermaterial,
b) Messen einer ersten Kapazität C₁ und
c) Berechnen der Kontaktfläche A zwischen Sonde und Isolierschicht mit Hilfe der gemessenen Kapazität C₁.

Demgemäß umfasst eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Kontaktfläche A einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial aufgesetzten Sonde, wobei zwischen der Sonde und dem Leiter oder Halbleitermaterial eine Isolierschicht mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist:

a) eine Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung U₁ zwischen Sonde und Leiter oder Halbleitermaterial,
b) ein Messgerät zum Messen einer ersten Kapazität C₁ und
c) Mittel zum Berechnen der Kontaktfläche A zwischen Sonde und Isolierschicht mit Hilfe der gemessenen Kapazität C₁.

Messungen und/oder Berechnungen in der Halbleitertechnik, deren Ergebnis von der Kontakt- oder Auflagefläche abhängt, können nun also besonders genau, das heißt mit geringen Toleranzen erfolgen. Da die Qualität von Halbleiterbauelementen wesentlich von der Einhaltung geforderter Prozessparameter abhängt, die mit Hilfe der Erfindung nun besonders genau überwacht werden können, stellt die vorgestellte Erfindung, insbesondere hinsichtlich der hohen Stückzahlen in der Halbleitertechnik, einen signifikanten Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung unter dem Begriff „Spannungsquelle” nicht nur ideale Spannungsquellen, sondern jede Art elektrischer Energiequellen zur Abgabe einer Spannung zu verstehen ist, also auch Stromquellen.
Weiterhin kann es sich bei der Isolierschicht um eine eigens auf den Leiter oder das Halbleitermaterial aufgebrachten Isolierschicht handeln oder um eine Oxidschicht, die sich häufig von selbst ergibt. Eine eigens aufgebrachte Isolierschicht kann dann gegebenenfalls entfallen. Schließlich kann die Isolierschicht auch auf der Sonde selbst angebracht sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
Vorteilhaft ist es, wenn die erste Spannung U₁ zwischen Sonde und Halbleitermaterial derart gewählt wird, dass eine Raumladungszone im Halbleitermaterial verkleinert wird und die erste Kapazität C₁ zwischen Sonde und Halbleitermaterial bei betragsmäßig weiter steigender Spannung U₁ im Wesentlichen konstant bleibt. Bei dieser Methode wird eine möglichst große Kapazität, die ja von der angelegten Spannung abhängt, für die Kapazitätsmessung vorgesehen. Der sich ergebende relative Messfehler ist daher vergleichsweise klein.
Günstig ist es, wenn die Kontaktfläche mit Hilfe der Formel
berechnet wird. Die Formel ist einfach auszuwerten und kann daher vorteilhaft für die Berechnung der Kontaktfläche verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird nach dem Schritt c) zusätzlich eine Dotierung des Halbleitermaterials mit Hilfe eines Kapazitäts-Spannungs- Messverfahrens, kurz C-V-Verfahrens, bestimmt. Da das Messergebnis der Dotierung in aller Regel relativ stark von der Kontakt- oder Auflagefläche der Sonde abhängt, kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft mit dem an sich bekannten C-V-Verfahrens kombiniert werden.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn nach dem Schritt c) zusätzlich eine Dotierung N_netto des Halbleitermaterials mit Hilfe folgender Schritte ermittelt wird:

d) Anlegen einer zweiten Spannung U₂ zwischen Sonde und Halbleitermaterial, sodass die Raumladungszone vergrößert wird,
e) Messen einer zweiten Kapazität C₂ bei der zweiten Spannung U₂ und
f) Berechnen der Dotierung N_netto des Halbleitermaterials mit Hilfe der zweiten Kapazität C₂.

Dieses Verfahren ist eine besondere Ausprägung des C-V-Verfahrens, das vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Kontaktfläche der Sonde kombiniert werden kann.
Mit Hilfe dieser und der vorigen Variante sind einerseits sehr genaue Messungen der Nettodotierung des Halbleiters möglich, da die Fläche der Berührungsfläche der Sonde mit dem Halbleiter vermessen wird, andererseits wird der Halbleiter dabei aber nicht wie nach dem Stand der Technik mit Metallen kontaminiert, da er durch die Isolierschicht geschützt wird.
Die erfindungsgemäße Messung unterscheidet sich dabei von bekannten Messverfahren dadurch, dass anstelle des Metall-Halbleiter-Kontakts, der bei bekannten Verfahren entsteht, beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur (engl. Metal Insulator Semiconductor – MIS) verwendet wird. Die MIS-Struktur ist im Gegensatz zum Metall-Halbleiter-Kontakt bei beiden Polungen rein kapazitativ und bildet praktisch einen Plattenkondensator, bei dem die Kontaktfläche der Sonde und die Halbleiteroberfläche die beiden Platten bilden. Dazwischen liegt die Isolierschicht mit der Dicke d und der Dielektrizitätskonstante ε, sodass gilt:
Die Spannung kann daher nicht nur so gepolt werden, dass die Raumladungszone vergrößert wird (entspricht einer Verarmung von freien Ladungsträgern) sondern auch in der entgegengesetzten Polarität, also so, dass die Raumladungszone verkleinert wird (entspricht einer Anreicherung von freien Ladungsträgern). Der Isolator verhindert dabei, dass ein Gleichstrom fließen kann.
Aus den bekannten Werten für die Dicke d und der Dielektrizitätskonstante ε der Isolierschicht und den beim Aufsetzen der Sonde gemessenen Wert der Kapazität C kann die Berührungsfläche A der Sonde mit der Isolierschicht exakt ermittelt werden. Die Nettodotierung kann anschließend besonders genau vermessen werden.
Die Präzision des Verfahrens hängt dabei im Wesentlichen von der Messgenauigkeit des Messgeräts zum Messen der ersten und zweiten Kapazität (beispielsweise einer Kapazitätsmessbrücke) ab, sowie der Messgenauigkeit des Verfahrens, mit dem die Dicke d und die Dielektrizitätskonstante εi der Isolierschicht bestimmt wird. Teilweise sind diese Parameter bekannt und müssen nicht gesondert gemessen werden.
Besonders vorteilhaft ist es schließlich auch, wenn dabei die Dotierung N_netto des Halbleitermaterials im Schritt f) mit Hilfe der Formeln
berechnet wird, wobei q die Elementarladung und ε_s die absolute Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials darstellt. Die Formeln sind einerseits relativ einfach aufgebaut, ermöglichen aber dennoch eine vergleichsweise genaue Bestimmung der Dotierung. C_s ist dabei die Sperrschichtkapazität, die in Serie mit der Kapazität aufgrund der dielektrischen Eigenschaften der Isolierschicht (also im Prinzip der ersten Kapazität C₁) die zweite Kapazität C₂ ergibt.
Damit ergibt sich ein vorteilhaftes Verfahren zur Bestimmung der Dotierung eines Halbleitermaterials, umfassend die Schritte:

a) Aufsetzen einer Sonde auf das Halbleitermaterial, wobei zwischen Sonde und Halbleitermaterial eine Isolierschicht mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist, und Anlegen einer ersten Spannung U₁ zwischen Sonde und Halbleitermaterial, sodass eine Raumladungszone im Halbleitermaterial verkleinert wird und eine erste Kapazität C₁ zwischen Sonde und Halbleitermaterial bei betragsmäßig weiter steigender Spannung U₁ im Wesentlichen konstant bleibt,
b) Messen der ersten Kapazität C₁,
c) Berechnen einer Kontaktfläche A zwischen Sonde und Isolierschicht mit Hilfe der Formel
d) Anlegen einer zweiten Spannung U₂ zwischen Sonde und Halbleitermaterial, sodass die Raumladungszone vergrößert wird,
e) Messen einer zweiten Kapazität C₂ bei der zweiten Spannung U₂,
f) Bestimmen der Steigung der Funktion Sperrschichtkapazität C_s im Halbleitermaterial zum Quadrat dividiert durch die Spannung zwischen Sonde und Halbleitermaterial C_s ²/U bei der zweiten Spannung U₂ und
g) Berechnen der Dotierung N_netto des Halbleitermaterials mit Hilfe der Formeln

_s

Damit ergibt sich weiterhin eine vorteilhafte Vorrichtung zur Bestimmung der Dotierung eines Halbleitermaterials, umfassend:

a) eine Sonde zum Aufsetzen auf das Halbleitermaterial, wobei zwischen Sonde und Halbleitermaterial eine Isolierschicht mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist;
b) eine Spannungsquelle zum Anlegen bi) einer ersten Spannung U₁ zwischen Sonde und Halbleitermaterial, sodass eine Raumladungszone im Halbleitermaterial verkleinert wird und eine erste Kapazität C₁ zwischen Sonde und Halbleitermaterial bei betragsmäßig weiter steigender Spannung U₁ im Wesentlichen konstant bleibt und b2) einer zweiten Spannung U₂, sodass die Raumladungszone vergrößert wird,
c) ein Messgerät zum Messen der ersten und einer zweiten Kapazität C₁ und C₂,
d) Mittel zum Berechnen der Kontaktfläche A zwischen Sonde und Isolierschicht mit Hilfe der Formel
e) Mittel zum Bestimmen der Steigung der Funktion Sperrschichtkapazität C_s im Halbleitermaterial zum Quadrat dividiert durch die Spannung zwischen Sonde und Halbleitermaterial C_s ²/U bei der zweiten Spannung U₂ und
f) Mittel zum Berechnen der Dotierung N_netto des Halbleitermaterials mit Hilfe der Formeln

_s

₁

₂

Vorteilhaft ist es auch, wenn im Schritt d) des zuletzt genannten Verfahrens zusätzlich eine der zweiten Spannung U₂ ungleiche dritte Spannung U₃ zwischen Sonde und Halbleitermaterial angelegt wird, sodass die Raumladungszone vergrößert wird, im Schritt e) zusätzlich eine dritte Kapazität C₃ bei der dritten Spannung U₃ gemessen wird, und im Schritt f) anstelle der Formeln
die Formeln

verwendet werden.
Vorteilhaft ist es daher auch, wenn die Spannungsquelle in b) der zuletzt genannten Vorrichtung zusätzlich zum Anlegen einer der zweiten Spannung U₂ ungleichen dritten Spannung U₃ zwischen Sonde und Halbleitermaterial vorbereitet ist, sodass die Raumladungszone vergrößert wird, das Messgerät in b) zusätzlich zum Messen einer dritten Kapazität C₃ vorbereitet ist, und die Mittel zum Berechnen in e) zur Verwendung der Formeln
anstelle der Formeln
vorbereitet sind.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die zweite Kapazität C₂ bei weiter sinkender Spannung U₂ und/oder die dritte Kapazität C₃ bei weiter sinkender Spannung U₃ wenig sinkt. Der Verlauf der Kapazität C zwischen Sonde und Halbleitermaterial über der Spannung U zwischen Sonde und Halbleitermaterial (siehe auch 2) zeigt einen stufenförmigen Verlauf. Zwar sind Messungen im Bereich des Wendepunkts des Verlaufs möglich, jedoch können die resultierenden Ergebnisse für die Dotierung N_netto aufgrund der Umladung von Grenzflächenladungen erheblich von der tatsächlichen Dotierung abweichen. Daher sollten die Messungen der zweiten und dritten Kapazität C₂ und C₃ für die anschließende Bestimmung der Dotierung N_netto im flachen Bereich der Kurve, also weit entfernt vom Wendepunkt durchgeführt werden. Wird die Messungen aber gezielt rund um den Wendepunkt durchgeführt, so können die Ergebnisse gerade zur Spezifizierung der erwähnten Grenzflächenphänomene herangezogen werden.
Vorteilhaft ist es, wenn in einem Schritt a0) vor dem Schritt a) die Dicke d und die Dielektrizitätskonstante ε der Isolierschicht gemessen wird. Wenn die Dicke d und die Dielektrizitätskonstante ε der Isolierschicht nicht ohnehin bekannt sind (etwa aufgrund einer gesondert durchgeführten Messung), können die genannten Parameter auch im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden. Beispielsweise kann hierzu ein an sich bekanntes Ellipsometer, insbesondere ein in die Messvorrichtung eingebautes Ellipsometer, benutzt werden. Ellipsometer vermessen die Schichtdicke optisch, wobei der Messfehler typisch weniger als 1% beträgt.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn vor dem Schritt a0) eine Isolierschicht mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε auf den Leiter oder das Halbleitermaterial aufgebracht wird. Diese Variante der Erfindung eignet sich, wenn der Leiter oder das Halbleitermaterial nicht bereits entsprechend vorbereitet, das heißt mit einer Isolierschicht versehen, zur Messapparatur geliefert werden kann. Vorteilhaft wird eine fehlende Isolierschicht im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht. Für das Aufbringen der Schicht sind verschiedene Verfahren verfügbar, beispielsweise „Chemical Vapor Deposition” (CVD), „Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition” (PECVD), thermische Oxidation und andere. Diese Verfahren erzeugen sehr homogene Schichten über dem Wa fer und sind gut reproduzierbar. Typischerweise beträgt die Schwankung über dem Wafer weniger als 1%.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Isolierschicht aus SiO₂ aufgebracht wird. SiO₂ wird häufig in der Halbleitertechnik als Isolator eingesetzt. Wegen seiner leichten Verfügbarkeit und Verarbeitbarkeit eignet es sich besonders gut für das erfindungsgemäße Verfahren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Isolierschicht mit einer Dicke zwischen 10 und 50 nm aufgebracht. Die Schicht ist sehr dünn, kann also rasch aufgebracht werden. Dennoch resultieren Kapazitäten, die gut im Messbereich gebräuchlicher Messgeräte liegen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolierschicht nach dem Schritt e) entfernt wird. Wenn eine Isolierschicht nicht ohnehin bauartbedingt auf den Bauteilen verbleiben kann, kann diese auch vorteilhaft wieder entfernt werden. Insbesondere für SiO₂ stehen hier erprobte Verfahren zur Verfügung. Das Entfernen muss nicht notwendigerweise direkt nach dem Schritt e) sondern kann auch nach dem Schritt f) oder g) erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Schritte a bis c), a) bis f) oder a) bis g) jeweils für eine Vielzahl von Messpunkten ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch automatisch für eine Vielzahl von Messpunkten ausgeführt werden, wobei die Sonde die Oberfläche in vorgegebener Weise abtastet. Auf diese Weise entsteht eine „Landkarte” der Nettodotierung des Halbleiters.
Günstig ist es, wenn die Sonde an ihrem Berührungspunkt mit der Isolierschicht aus einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit besteht. Prinzipiell ist die Erfindung für alle Arten von Sonden geeignet, also beispielsweise auch für nadelförmige Sonden, bei denen die Kontaktfläche etwa durch Abnutzung variieren kann, oder für Sonden mit insbesondere federnden Plättchen, bei denen die Kontaktfläche etwa durch Streuungen im Auflagendruck variieren kann. Durch Verwendung von leitfähigen Flüssigkeiten zur Kontaktierung kann beispielsweise auch ein Eindringen von häufig üblichen Kontakt-Nadeln in die Oberfläche des Halbleiters vermieden werden.
Günstig ist es schließlich, wenn die elektrisch leitfähige Flüssigkeit Quecksilber ist. Quecksilber weist einerseits eine vergleichsweise gute Leitfähigkeit auf und ist bei Raumtemperatur flüssig. Quecksilber eignet sich daher sehr gut für die Anwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass sich die genannten Variationen des erfindungsgemäßen Verfahrens und die daraus resultierenden Vorteile auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehen und umgekehrt.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Dotierung eines auf einem Halbleitersubtrat;
2 eine typische C-V-Messkurve
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente und Merkmale – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt symbolisch eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Dotierung eines auf einem Halbleitersubtrat 10a epitaktisch aufgebrachten Halbleitermaterials 10b. Im gezeigten Beispiel wird angenommen, dass sowohl Halbleitersubstrat 10a als auch das epitaktisch aufgebrachte Halbleitermaterial 10b n-dotiert sind. Selbstverständlich sind aber auch p-Dotierungen mess bar. Auf dem Halbleitermaterial 10b befindet sich schließlich eine Isolierschicht 11. Im gezeigten Beispiel wird angenommen, dass es sich um eine gesputterte SiO₂-Schicht handelt. Selbstverständlich sind aber auch andere Materialien und Verfahren möglich.
Mit Hilfe einer Elektrode 4 ist nun eine Messeinheit 2 elektrisch mit dem Halbleitersubstrat 10a verbunden. Bei der Elektrode 4 handelt es sich vorteilhaft um eine Vakuum-Elektrode, welche das Halbleitersubstrat 10a einerseits elektrisch kontaktiert, durch das Vakuum andererseits aber auch fixiert. Eine solche Elektrode 4 ist auch unter dem Begriff „Vakuum-Chuck” bekannt.
An die Messeinheit 2 ist auch eine Sonde 3 angeschlossen, welche auf die Isolierschicht 11 aufgesetzt ist. Die Sonde 3 besteht aus einem massiven Teil 3a und einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 3b an ihrer Spitze. Im gezeigten Beispiel wird angenommen, dass es sich bei der Flüssigkeit 3b um Quecksilber handelt. Prinzipiell sind aber auch andere Flüssigkeiten oder feste Kontakte einsetzbar.
Die Messeinheit 2 selbst besteht aus einer Spannungsquelle 5, einem Kapazitätsmessgerät 6 (z. B. einer Kapazitätsmessbrücke), einer Recheneinheit 7, welche Messwerte für die Kapazität aus dem Kapazitätsmessgerät 6 empfangen kann, und einen damit verbundenen Speicher 8.
Im Speicher 8 befinden sich die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Programmschritte sowie Variablen, die von der Recheneinheit 7 ausgelesen und verarbeitet werden. Im vorliegenden Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen durch Software abgebildet. Selbstverständlich ist auch eine Ausführung in Hardware oder eine gemischte Ausführung denkbar.
In der 1 ist schließlich eine Raumladungszone Z dargestellt, die sich im Wesentlichen in einem durch die Kontakt fläche A des Quecksilbertropfens 3b mit der Isolierschicht 11 und die Weite w definierten Volumen erstreckt.
Die Funktion der in 1 dargestellten Anordnung ist nun wie folgt:
Nach dem Auflegen des Halbleitersubstrats 10a wird die Sonde 3 (auch „Probe” genannt) auf die Isolierschicht 11 abgesenkt. Im nächsten Schritt wird eine Spannung zwischen Sonde 3 und Elektrode 4 (und somit dem Halbleitern 10a und 10b) angelegt
2 zeigt nun ein typisches Diagramm für den Verlauf der Kapazität C über der angelegten Spannung U bei einem n-Halbleiter, also eine typische C-V-Messkurve, wobei die Kapazität C auf der Ordinate und die Spannung U auf der Abszisse aufgetragen sind. Gut zu erkennen ist der stufenförmige Verlauf mit nahezu horizontalem Abschnitt im rechten Bereich des Diagramms. Die angegebenen Werte für Kapazität C und Spannung U sollen lediglich illustrieren, in welchen Bereichen diese Parameter typischerweise liegen. Natürlich sind diese Werte nicht zwingend für das erfindungsgemäße Verfahren. Die Kapazität C und die Spannung U können also auch erheblich von den angegebenen Werten abweichen. Im Falle eines p-Halbleiters wird der dargestellte Verlauf an einer durch den Nullpunkt verlaufenden vertikalen Achse gespiegelt. In 2 positiv dargestellte Spannungen U sind dann negativ und umgekehrt.
Für das Messen der ersten Kapazität C₁ wird nun eine erste Spannung U₁ zwischen Sonde 3 und Halbleitermaterial 10a, 10b angelegt, sodass die Raumladungszone Z im Halbleitermaterial 10a, 10b verkleinert wird und die erste Kapazität C₁ zwischen Sonde 3 und Halbleitermaterial 10a, 10b bei betragsmäßig weiter steigender Spannung U₁ im Wesentlichen konstant bleibt. In der 2 ist der Bereich, ich welchem die erste Kapazität C₁ beziehungsweise die erste Spannung U₁ vorteilhaft gewählt werden können, mit B₁ gekennzeichnet.
Mit Hilfe der ersten Kapazität C₁ und der Formel
kann sodann die Kontaktfläche A zwischen Sonde 3 und Isolierschicht 11 berechnet werden.
In einem nächsten Schritt wird zum Messen einer zweiten Kapazität C₂ eine zweite Spannung U₂ zwischen Sonde 3 und Halbleitermaterial 10a, 10b angelegt, sodass die Raumladungszone Z vergrößert wird und die zweite Kapazität C₂ bei weiter sinkender Spannung U₂ wenig sinkt. In der 2 ist der Bereich, ich welchem die zweite Kapazität C₂ beziehungsweise die zweite Spannung U₂ vorteilhaft gewählt werden können, mit B₂ gekennzeichnet.
Anschließend kann die Dotierung N_netto des Halbleitermaterials 10a, 10b mit Hilfe der Formeln
berechnet werden, wobei q die Elementarladung und ε_s die absolute Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials 10a, 10b darstellt.
Wenn die Steigung der Kennlinie
nicht ohnehin etwa aus einer vorhergegangenen Messung bekannt ist, dann ist diese für die Berechnung der Dotierung N_netto, welche mit der weiter oben angegebenen Formel bestimmt wird, zu ermitteln. Hierzu existieren mehrere Möglichkeiten. Als besonders tauglich hat sich die Messung einer dritten Kapazi tät C₃ bei einer dritten Spannung U₃ (in der 2 nicht dargestellt), welche vorteilhaft knapp neben der zweiten Spannung U₂ liegt, herausgestellt. Mit Hilfe der Wertepaare C₂ und U₂ sowie C₃ und U₃ kann die Steigung leicht errechnet werden.
Vorteilhaft kann der beschriebene Ablauf für eine Vielzahl von Messpunkten durchgeführt werden, um eine Verteilung der Dotierung im Halbleitermaterial 10b zu ermitteln.
Denkbar ist auch, dass die Vorrichtung 1 auch Mittel zum Messen der Dicke d und der Dielektrizitätskonstante ε der Isolierschicht 11 umfasst, beispielsweise ein Ellipsometer. Wenn eine Vielzahl von Messwerten für die Dotierung N_netto ermittelt werden soll, kann die Dicke d und der Dielektrizitätskonstante ε weiterhin entweder einmal initial oder bei jedem Aufsetzen der Sonde 3 bestimmt werden. Ersteres ist effizienter, letzteres genauer. Selbstverständlich können die Werte etwa auch z. B. bei jedem zehnten Aufsetzen der Sonde 3 bestimmt werden.
Schließlich kann das Verfahren auch das Aufbringen der Isolierschicht 11 umfassen, etwa wenn ein noch nicht vorbereiteter Wafer zur Bestimmung der Nettodotierung angeliefert wird. Beispielsweise kann sich ein Labor auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens spezialisieren und dann je nach Kundenwunsch bereits vom Kunden vorbereitete oder eben unvorbereitete Wafer vermessen.
An dieser Stelle wird angemerkt, dass die Bestimmung der Kontaktfläche A der Sonde 3 mit der Isolierschicht 11 nicht nur im Rahmen der angeführten Beispiele, das heißt in Verbindung mit der Messung der Dotierung des Halbleitermaterials 10a, 10b, sinnvoll ist, auch wenn die Vorteile bei dieser Kombination besonders hervortreten. Vielmehr kann die Bestimmung der Kontaktfläche auch in anderen Bereichen der Halbleitertechnik angewandt werden, welche der Fachmann leicht identifizieren kann ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

1: Vorrichtung zur Bestimmung der Dotierung eines Halbleitermaterials
2: Messeinheit
3: Sonde
3a: massiver Teil der Sonde 3
3b: elektrisch leitfähige Flüssigkeit der Sonde 3
4: Elektrode
5: Spannungsquelle
6: Kapazitätsmessgerät
7: Recheneinheit
8: Speicher
10a: Halbleitersubstrat
10b: Halbleitermaterial (epitaktisch aufgebracht)
11: Isolierschicht
A: Kontaktfläche der Sonde 3 mit der Isolierschicht 11
B1, B2: Bereich für erste und zweite Spannung U1, U2
C1, C2: erste und zweite Kapazität
U2, U2: erste und zweite Spannung
w: Weite der Raumladungszone Z
Z: Raumladungszone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5036271 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- S. M. Sze, „Physics of Semiconductor Devices”, 2. Edition, J. Wiley & Sons, 1981, Seite 249 [0006]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Kontaktfläche A einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b) aufgesetzten Sonde (3), wobei zwischen der Sonde (3) und dem Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b) eine Isolierschicht (11) mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist, umfassend die Schritte: a) Anlegen einer ersten Spannung U₁ zwischen Sonde (3) und Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b), b) Messen einer ersten Kapazität C₁ und c) Berechnen der Kontaktfläche A zwischen Sonde (3) und Isolierschicht (11) mit Hilfe der gemessenen Kapazität C₁.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung U₁ zwischen Sonde (3) und Halbleitermaterial (10a, 10b) derart gewählt wird, dass eine Raumladungszone (Z) im Halbleitermaterial (10a, 10b) verkleinert wird und die erste Kapazität C₁ zwischen Sonde (3) und Halbleitermaterial (10a, 10b) bei betragsmäßig weiter steigender Spannung U₁ im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche mit Hilfe der Formel
berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt c) zusätzlich eine Dotierung des Halbleitermaterials (10a, 10b) mit Hilfe eines Kapazitäts-Spannungs-Messverfahrens, kurz C-V-Verfahrens, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt c) zusätzlich eine Dotierung N_netto des Halbleitermaterials (10a, 10b) mit Hilfe folgender Schritte ermittelt wird: d) Anlegen einer zweiten Spannung U₂ zwischen Sonde (3) und Halbleitermaterial (10a, 10b), sodass die Raumladungszone (Z) vergrößert wird, e) Messen einer zweiten Kapazität C₂ bei der zweiten Spannung U₂ und f) Berechnen der Dotierung N_netto des Halbleitermaterials (10a, 10b) mit Hilfe der zweiten Kapazität C₂.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung N_netto des Halbleitermaterials (10a, 10b) im Schritt f) mit Hilfe der Formeln
berechnet wird, wobei q die Elementarladung und ε_s die absolute Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials (10a, 10b) darstellt.
Verfahren nacheinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt a0) vor dem Schritt a) die Dicke d und die Dielektrizitätskonstante ε der Isolierschicht (11) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt a0) eine Isolierschicht (11) mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε auf den Leiter oder das Halbleitermaterial (10a, 10b) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (11) aus SiO₂ aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (11) mit einer Dicke zwischen 10 und 50 nm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (11) nach dem Schritt e) entfernt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c oder a) bis f) jeweils für eine Vielzahl von Messpunkten ausgeführt werden.
Vorrichtung (2) zum Bestimmen einer Kontaktfläche A einer auf einem Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b) aufgesetzten Sonde (3), wobei zwischen der Sonde (3) und dem Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b) eine Isolierschicht (11) mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätskonstante ε angeordnet ist, umfassend: a) eine Spannungsquelle (5) zum Anlegen einer ersten Spannung U₁ zwischen Sonde (3) und Leiter oder Halbleitermaterial (10a, 10b), b) ein Messgerät (6) zum Messen einer ersten Kapazität C₁ und c) Mittel zum Berechnen (7, 8) der Kontaktfläche A zwischen Sonde (3) und Isolierschicht (11) mit Hilfe der gemessenen Kapazität C₁.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich zur Bestimmung der Dotierung des Halbleitermaterials (10a, 10b), geeignet ist, umfassend: a) eine Spannungsquelle (5) zum Anlegen a1) einer ersten Spannung U₁ zwischen Sonde (3) und Halbleitermaterial (10a, 10b), sodass eine Raumladungszone (Z) im Halbleitermaterial (10a, 10b) verkleinert wird und eine erste Kapazität C₁ zwischen Sonde (3) und Halbleitermaterial (10a, 10b) bei betragsmäßig weiter steigender Spannung U₁ im Wesentlichen konstant bleibt und a2) einer zweiten Spannung U₂, sodass die Raumladungszone (Z) vergrößert wird, b) ein Messgerät (6) zum Messen der ersten und einer zweiten Kapazität C₁ und C₂, c) Mittel zum Berechnen (7, 8) der Kontaktfläche A zwischen Sonde (3) und Isolierschicht (11) mit Hilfe der Formel
und d) Mittel zum Berechnen der Dotierung N_netto des Halbleitermaterials (10a, 10b) mit Hilfe der Formeln
wobei q die Elementarladung, ε_s die absolute Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials (10a, 10b), C₁ die ers te Kapazität bei Verhältnissen entsprechend b1) und C₂ die zweite Kapazität bei Verhältnissen entsprechend b2) darstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (3) an ihrem Berührungspunkt mit der Isolierschicht (11) aus einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit besteht (3a).
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Flüssigkeit (3a) Quecksilber ist.