DE102014115980A1

DE102014115980A1 - Gerät zum Analysieren der Ionenkinetik in Dielektrika

Info

Publication number: DE102014115980A1
Application number: DE102014115980.2A
Authority: DE
Inventors: Sabine Gruber; Stefan KRIVEC; Thomas Aichinger; Thomas Ostemann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-11-04
Also published as: DE102014115980B4; EP3015856A1; US10393697B2; US20160139077A1

Abstract

Ein Gerät (10) zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur (20) umfasst ein Ionenreservoir (30), das an die dielektrische Teststruktur (20) anstößt, um bewegliche Ionen (40) zu der dielektrischen Teststruktur (20) zu liefern, eine Kondensatorstruktur (50), die gestaltet ist, um ein elektrisches Feld in der dielektrischen Teststruktur (20) längs einer vertikalen Richtung (z) zu erzeugen, und eine Elektrodenstruktur (60), die gestaltet ist, um eine elektrophoretische Kraft (F) auf bewegliche Ionen (40) in der dielektrischen Teststruktur (20) längs einer lateralen Richtung (x) zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND
Das Messen der quantitativen Konzentration von beweglichen Ionen in einer flüssigen Probe kann durch chromatographische oder spektroskopische Verfahren vorgenommen werden, wie beispielsweise HPLC (Hoch-Performance-Flüssigkeits-chromatographie), AAS (atomare Absorptions-spektroskopie) oder ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasmamassenspektroskopie). Weitere Methoden mit elektrischen Antwortsignalen sind verfügbar, beispielsweise ISFET (Ionen sensitive Feldeffekttransistoren) oder Ableitungen hiervon. Jede Methode hat Vorteile hinsichtlich eines einfachen Gebrauches und Empfindlichkeit, eines Ermöglichens der Messung von beweglichen Ionen herab zu einer Größe von ppm oder sogar niedriger. Diese Methoden erfordern große und aufwändige Geräte und speziell ausgebildetes Personal.
In der Gesundheitsvorsorgeindustrie wird ein Testen von menschlichen Blutproben oft ausgeführt. Als ein Beispiel kann eine Blutprobe auf das Vorhandensein von K⁺ (Kalium-Ionen) getestet werden, das oft mittels einer oder mehrerer der oben beschriebenen Techniken ausgeführt wird. Derartige Techniken können einen relativ langen Aufwand an Zeit und/oder wesentliche Kosten zum Durchführen erfordern.
Zum Modellieren und Kalibrieren von Halbleitervorrichtungen, die zum Messen von physiologischen und chemischen Probeneigenschaften, wie Konzentration und Zusammensetzung von Ionenlösungsproben, gestaltet sind, ist ein durchgehendes Verständnis eines Drift- und Diffusionsverhaltens von beweglichen Ionen in Dielektrika wünschenswert.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch die Lehren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Gerätes zum Analysieren der Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur umfasst ein Gerät ein Ionenreservoir, das an die dielektrische Teststruktur anstößt, um bewegliche Ionen zu der dielektrischen Teststruktur zu liefern, eine Kondensatorstruktur, die gestaltet ist, um ein elektrisches Feld in der dielektrischen Teststruktur längs einer vertikalen Richtung zu erzeugen, und eine Elektrodenstruktur, die gestaltet ist, um eine elektrophoretische Kraft auf bewegliche Ionen in der dielektrischen Teststruktur längs einer lateralen Richtung zu erzeugen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur eines Gerätes zum Analysieren der Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur umfasst ein Verfahren ein Anlegen einer elektrophoretischen Kraft an bewegliche Ionen in der dielektrischen Teststruktur längs der lateralen Richtung und ein Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft der Kondensatorstruktur in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von beweglichen Ionen in der dielektrischen Teststruktur.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen geben entsprechend ähnliche Teile an.
1A ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1B ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
2 ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles des Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene A-A' von 2.
3B ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles des Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene A-A' von 2, weiterhin umfassend eine MISFET-Struktur.
4 ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
5 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles des Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene B-B' von 4.
6A ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
6B ist eine detaillierte Draufsicht eines Teiles P1 von 6A.
6C ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles des Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene C-C' von 6B.
6D ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles des Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene D-D' von 6B.
7A ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
7B ist eine detaillierte Draufsicht eines Teiles P2 von 6A.
7C ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles des Gerätes zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene E-E' von 7B.
8 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie, wie „Oberseite”, „Boden” „Vorderseite”, „Rückseite”, „vorne”, „hinten” und so weiter im Hinblick auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Darstellung benutzt und ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von durch die Patentansprüche definierten Bereich abzuweichen.
Die hier verwendeten Ausdrücke „haben”, „enthalten” „umfassen”, „aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten und bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
Die Figuren und die Beschreibung veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von „–” oder „+” nächst zu dem Dotiertyp „n” oder „p”. Beispielsweise bedeutet „n^–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines „n”-Dotierungsbereiches ist, während ein „n⁺”-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein „n”-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene „n”-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben. In den Figuren und der Beschreibung sind für ein besseres Verständnis oft die dotierten Teile als „p”- oder „n”-dotiert bezeichnet. Wie klar zu verstehen ist, soll diese Bezeichnung in keiner Weise begrenzend sein. Der Dotierungstyp kann beliebig sein, solange die beschriebene Funktionalität erzielt wird. Weiterhin können in allen Ausführungsbeispielen die Dotierungstypen umgekehrt sein.
Die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe „gekoppelt” und/oder „elektrisch gekoppelt” sollen nicht bedeuten, dass die Elemente direkt zusammengekoppelt sein müssen – dazwischen liegende Elemente können zwischen den „gekoppelten” oder „elektrisch gekoppelten” Elementen vorgesehen sein. Der Begriff „elektrisch verbunden” soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen elektrisch miteinander verbundenen Elementen beschreiben.
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf einen „ersten” und einen „zweiten” leitfähigkeitstyp beziehungsweise Leitungstyp von Dotierstoffen, mit denen Halbleiterteile dotiert sind. Der erste Leitfähigkeitstyp kann ein p-Typ sein, und der zweite Leitfähigkeitstyp kann ein n-Typ sein oder umgekehrt. Wie allgemein bekannt ist, können abhängig von dem Dotierungstyp oder der Polarität der Source- und Drainbereiche MOSFETs n-Kanal- oder p-Kanal-MOSFETs sein. Beispielsweise sind in einem n-Kanal-MOSFET der Source- und der Drainbereich mit n-Typ-Dotierstoffen dotiert, und die Stromrichtung ist von dem Drainbereich zu dem Sourcebereich. In einem p-Kanal-MOSFET sind der Source- und der Drainbereich mit p-Typ-Dotierstoffen dotiert, und die Stromrichtung ist von dem Sourcebereich zu dem Drainbereich. Wie klar zu verstehen ist, können in dem Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung die Dotierungstypen umgekehrt sein. Wenn ein spezifischer Strompfad mittels einer Richtungssprache beschrieben ist, soll diese Beschreibung lediglich so verstanden werden, dass sie den Pfad und nicht die Polarität des Stromflusses angibt, das heißt, ob der Transistor ein p-Kanal- oder ein n-Kanal-Transistor ist. Die Figuren können polaritätsempfindliche Komponenten umfassen, beispielsweise Dioden. Wie klar zu verstehen ist, ist die Anordnung dieser polaritätsempfindlichen Komponenten als ein Beispiel gegeben und kann umgekehrt werden, um die beschriebene Funktionalität zu erzielen, abhängig davon, ob der erste Leitfähigkeitstyp einen n-Typ oder einen p-Typ bedeutet.
Die Ausdrücke „lateral” und „horizontal”, wie diese in der vorliegenden Beschreibung verwendet sind, sollen eine Orientierung parallel zu einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrates oder eines Halbleiterkörpers beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder einer Die beziehungsweise eines Chips sein.
Der Ausdruck „vertikal”, wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung beschreiben, die senkrecht bezüglich der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates oder des Halbleiterkörpers angeordnet ist.
Die Begriffe „Wafer”, „Substrat” oder „Halbleiterkörper”, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, sollen irgendeine auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von Silizium, getragen durch eine Basis-Halbleiterunterlage, und andere Halbleiterstrukturen umfassen. Der Halbleiter braucht nicht auf Silizium zu beruhen. Der Halbleiter könnte ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) das Halbleitersubstratmaterial bilden.
Es ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele, die hier beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, falls nicht speziell etwas anders festgestellt wird.
1A ist ein schematisches Blockdiagramm eines Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Gerät 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 umfasst ein Ionenreservoir 30, das an eine dielektrische Teststruktur 20 anstößt beziehungsweise angrenzt, um bewegliche Ionen 40 zu der dielektrischen Teststruktur 20 zu speisen beziehungsweise zu liefern. Die beweglichen Ionen 40 bewegen sich durch die dielektrische Teststruktur 20 in einer lateralen Richtung x mittels einer elektrophoretischen Kraft F, die durch eine Elektrodenstruktur 60 erzeugt ist. Hier ist die Elektrodenstruktur 60 gestaltet, um die elektrophoretische Kraft F auf bewegliche Ionen 40 in der dielektrischen Teststruktur 20 längs der lateralen Richtung x zu erzeugen. Weiterhin ist eine Kondensatorstruktur 50 gestaltet, um ein elektrisches Feld in der dielektrischen Teststruktur 20 längs einer vertikalen Richtung z zu erzeugen. Hier kann eine Verarbeitungs- beziehungsweise Prozessoreinheit 80 (1B) vorgesehen sein, um eine elektrische Eigenschaft der Kondensatorstruktur 50 in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von beweglichen Ionen 40 in der dielektrischen Teststruktur 20 zu bestimmen. Zum Einstellen einer definierten Temperatur der dielektrischen Teststruktur 20 kann eine Heizeinrichtung 70 verwendet werden, wie dies in 1B gezeigt ist. Somit ist eine wohl definierte Messumgebung vorgesehen, in welcher die dielektrischen Eigenschaften der dielektrischen Teststruktur 20 bestimmt werden können, während bewegliche Ionen 40 durch die dielektrische Teststruktur 20 in einer lateralen Richtung x driften.
2 zeigt eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, und 3A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene A-A' von 2.
Wie in den 2 und 3A gezeigt ist, umfasst das Gerät 10 einen Halbleiterkörper 100. Der Halbleiterkörper 100 umfasst ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium Si, Siliziumcarbid SiC, Germanium Ge, Silizium-Germanium SiGe, Galliumnitrid GaN oder Galliumarsenid GaAs. Der Halbleiterkörper 100 kann eine Halbleiterschichtstruktur umfassen, die eine oder mehrere Halbleiterschichten, beispielsweise eine oder mehrere epitaktische Schichten auf einem Halbleitersubstrat hat. Außerhalb des dargestellten Teiles kann der Halbleiterkörper 100 unter anderem weitere dotierte und undotierte Abschnitte, Halbleiterschichten, isolierende und leitende Strukturen oder Randabschlüsse, wie planare Randabschlussstrukturen oder Mesarandabschlussstrukturen als Beispiel umfassen. Der Halbleiterkörper 100 hat eine erste Oberfläche 101 und eine zweite Oberfläche 102, die entgegengesetzt der ersten Oberfläche 101 ist.
Auf der ersten Oberfläche 101 ist eine dielektrische Struktur 200 gebildet. Die dielektrische Struktur 200 kann eine Dicke längs der vertikalen Richtung z in einem Bereich zwischen 100 nm und 1 μm haben. Die dielektrische Struktur 200 kann eine Stoff oder irgendeine Kombination aus einem Oxyd, einem Nitrid, einem Oxynitrid, einem hoch-k-Material, einem niedrig-k-Material, einem Imid, einem isolierenden Harz oder Glas, wie Tetraethylorthosilikat (TEOS/undotiertes Silikatglas (USG)) oder einem Phosphorsilikatglas (PSG) oder einem Borphosphorsilikatglas (BPSG) als Beispiel umfassen. Die dielektrische Struktur 200 kann auch Siliziumoxyd SiO₂, Siliziumoxynitrid (SiO_xN_y) oder amorphes Siliziumnitrid, das Wasserstoff oder Deuterium enthält a-Si_xN_yH_z/Si_xN_yD_z, aufweisen. Die dielektrische Struktur 200 kann irgendein Dielektrikum oder eine Kombination von Dielektrika umfassen, die im Hinblick auf ihre Ionentransporteigenschaften zu untersuchen sind.
Auf der dielektrischen Struktur 200 ist eine gemusterte beziehungsweise strukturierte Elektrodenschichtstruktur 300 gebildet. Die gemusterte Elektrodenschichtstruktur 300 kann eine, zwei, drei oder mehr Unterschichten umfassen, wobei jede Unterschicht als einen Hauptbestandteil wenigstens einen Stoff aus Nickel Ni, Titan Ti, Silber Ag, Gold Au, Wolfram W, Platin Pt und Palladium Pd enthält. Beispielsweise kann eine Unterschicht ein Metallnitrid oder eine Metalllegierung enthalten, die Ni, NiV, Ti, Ag, Au, W, Pt und/oder Pd enthält. Die gemusterte Elektrodenschichtstruktur 300 kann auch als Hauptbestandteil beziehungsweise Hauptbestandteile aus Aluminium Al, Kupfer Cu oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, beispielsweise AlSi, AlCu oder AlSiCu bestehen oder diese enthalten. Eine Dicke der gemusterten Elektrodenschichtstruktur 300 kann in einem Bereich von 500 nm bis 10 μm sein. Die gemusterte Elektrodenschichtstruktur 300 kann auch ein leitendes Halbleitermaterial, wie ein hochdotiertes Polysiliziummaterial umfassen.
Auf der gemusterten Elektrodenschichtstruktur 300, der gemusterten dielektrischen Struktur 200 und der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 ist eine Diffusionsbarriereschicht 400 gebildet. Die Diffusionsbarriereschicht 400 kann ein Material aufweisen, das gestaltet ist, um eine Diffusion von beweglichen Ionen 40 durch die Diffusionsbarriereschicht 400, wie beispielsweise Siliziumnitrid, zu verhindern. Eine Dicke der Diffusionsbarriereschicht 400 kann in einem Bereich von beispielsweise 200 nm bis 800 nm sein.
Auf der zweiten Oberfläche 102 kann eine Rückseitenelektrode 54 der Kondensatorstruktur 50 durch eine Rückelektrodenschicht 110 gebildet sein. Die Rückelektrodenschicht 110 kann das gleiche Material oder die gleiche Materialzusammensetzung wie die gemusterte Elektrodenschichtstruktur 300 aufweisen.
Im Folgenden wird die Struktur des Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 erläutert. Auf der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 sind ein erster Teil 500 des Gerätes 10 und ein zweiter Teil 600 des Gerätes 10 gebildet. Die dielektrische Struktur 200 des ersten Teiles 500 ist von der dielektrischen Struktur 200 des zweiten Teiles 600 durch einen Ringtrench beziehungsweise -graben 210 getrennt (2 und 3A). Die Innenwand des Ringtrenches 210 ist mit der Diffusionsbarriereschicht 400 ausgekleidet. Der Trench 210 kann eine Diffusion der beweglichen Ionen 40 in die dielektrische Struktur 200 des zweiten Teiles 600 reduzieren oder verhindern. Es ist jedoch auch möglich, den Trench 210 lediglich in der lateralen Richtung x vorzusehen.
In dem zweiten Teil 600 des Gerätes 10 kann die Heizeinrichtung 70, die eine wärmende leitende Schicht 72 aufweist, die Teil der gemusterten Elektrodenschichtstruktur 300 ist, vorgesehen sein, um die dielektrische Teststruktur 20 zu erwärmen beziehungsweise aufzuheizen. Somit kann die dielektrische Teststruktur 20 durch die Heizeinrichtung 70 erwärmt werden. Die Heizoperation kann vorgenommen werden durch Einspeisen eines elektrischen Stromes durch die erwärmende leitende Schicht 72 der Heizeinrichtung 70, um Wärme zu erzeugen, die durch den Widerstand des leitenden Materials verursacht ist. Die Wärme der Heizeinrichtung 70 wird thermisch durch die dielektrische Struktur 200 des zweiten Teiles 600 zu dem Halbleiterkörper 100 und dann zu der dielektrischen Struktur 200 in dem ersten Teil 500 geleitet. Die Heizeinrichtung 70 kann weiterhin eine erwärmende leitende Schicht 72 aus polykristallinem Silizium aufweisen. Die Struktur der Heizeinrichtung 70 kann abhängig von der Struktur des ersten Teiles 500 gestaltet sein. Die Heizeinrichtung 70 kann beispielsweise in einer Ringform angeordnet sein, die den ersten Teil 500 umgibt. Weiterhin kann die Heizeinrichtung 70 in einer Mäanderform angeordnet sein, um die Länge der erwärmenden leitenden Schicht 72 und somit die erzeugte Wärme zum Erwärmen des ersten Teiles 500 zu steigern. Zusätzliche Ausführungsbeispiele der Heizeinrichtung 70 im Hinblick auf den ersten Teil 500 werden unter Hinweis auf die 6A bis 6D und 7A bis 7C beschrieben.
Der erste Teil 500 des Gerätes 10 umfasst die dielektrische Teststruktur 20, das Ionenreservoir 30, die Kondensatorstruktur 50 und die Elektrodenstruktur 60. Die Kondensatorstruktur 50 umfasst den Halbleiterkörper 100, die dielektrische Teststruktur 20 auf dem Halbleiterkörper 100 und eine Kondensatorelektrode 52 auf der dielektrischen Teststruktur 20. Hier umfasst die Kondensatorstruktur 50 weiterhin eine dielektrische Basisstruktur 22 zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der dielektrischen Teststruktur 20. In Einzelheiten umfasst die dielektrische Struktur 200 des ersten Teiles 500 des Gerätes 10 die dielektrische Basisstruktur 22 und auf der dielektrischen Basisstruktur 22 die dielektrische Teststruktur 20. Die dielektrische Teststruktur 20 und die dielektrische Basisstruktur 22 sind Teile der dielektrischen Struktur 200 in dem ersten Teil 500, wobei die dielektrische Teststruktur 20 ein strukturierter beziehungsweise gemusterter dielektrischer Körper ist, der längs der vertikalen Richtung z von der dielektrischen Basisstruktur 22 vorsteht.
Die dielektrische Teststruktur 20 hat eine erste Seitenwand 24 und eine zweite Seitenwand 26, zwischen denen die beweglichen Ionen 40 gezwungen sind, sich in der lateralen Richtung x zu bewegen. Zum Erzeugen einer elektrophoretischen Kraft F auf die beweglichen Ionen 40 umfasst die Elektrodenstruktur 60 eine erste Elektrode 62, die nächst zu dem Ionenreservoir 30 an der ersten Seitenwand 24 der dielektrischen Teststruktur 20 gelegen ist, und eine zweite Elektrode 64, die an der zweiten lateralen Seite 26 der dielektrischen Teststruktur 20 gelegen ist.
Wie aus 3A ersehen werden kann, ist die Dicke der dielektrischen Struktur 200 in dem zweiten Teil 600 und die Dicke der dielektrischen Basisstruktur 22 in dem ersten Teil 500 die gleiche, wobei die dielektrische Teststruktur 20 von der dielektrischen Basisstruktur 22 in einer Stufenform vorspringt, welche die Seitenwände 24, 26 hat. Die ersten und zweiten Elektroden 62, 64 zum Erzeugen der elektrophoretischen Kraft F auf die beweglichen Ionen 40 sind Teil der gemusterten Elektrodenschichtstruktur 300 und so auf der dielektrischen Struktur 200 gebildet, die die dielektrische Basisstruktur 22 und die dielektrische Teststruktur 20 aufweist. Als eine Folge ist ein unterer Teil der ersten und der zweiten Elektroden 62, 64 auf dem gleichen vertikalen Pegel wie die dielektrische Teststruktur 20, was es möglich macht, ein laterales elektrisches Feld von der ersten Elektrode 62 zu der zweiten Elektrode 64 durch die dielektrische Teststruktur 20 zu erzeugen.
Die Kondensatorelektrode 52, die zusammen mit den ersten und zweiten Elektroden 62, 64 Teil der gemusterten Elektrodenschichtstruktur 300 ist, ist auf der oberen Oberfläche der dielektrischen Teststruktur 20 zwischen der ersten Seitenwand 24 und der zweiten Seitenwand 26 gebildet, um die elektrischen Eigenschaften der dielektrischen Teststruktur 20 in der vertikalen Richtung z zu bestimmen, die orthogonal zu der Bewegungsrichtung der beweglichen Ionen 40 ist, welche die laterale Richtung x ist. Die Abmessung der dielektrischen Teststruktur 20 in der lateralen Richtung x kann in einem Bereich von 1 μm bis 200 μm oder in einem Bereich von 10 μm bis 100 μm sein, und eine Abmessung der dielektrischen Teststruktur 20 in der vertikalen Richtung z kann in einem Bereich von 10 nm bis 1 μm oder in einem Bereich von 200 nm bis 600 nm sein.
Das Ionenreservoir 30 umfasst eine Kavität beziehungsweise einen Hohlraum 32, der sich durch die dielektrische Teststruktur 20 längs der vertikalen Richtung z erstreckt. Die Kavität beziehungsweise der Hohlraum 32 des Ionenreservoirs 30 ist gestaltet, um eine flüssige oder feste Lösung der beweglichen Ionen 40 aufzunehmen. Die Kavität beziehungsweise der Hohlraum 32 hat eine Diffusionsbarriereschicht 400, die die Innenwand der Kavität 32 auskleidet, und wenigstens ein Ionenzugangsgebiet 34, das einen Zugang für die beweglichen Ionen 40 zu der dielektrischen Teststruktur 20 vorsieht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Ionenzugangsgebiet 34 ein Gebiet sein, das angeordnet ist, um den beweglichen Ionen 40 es zu ermöglichen, in im Wesentlichen direkten Kontakt mit der dielektrischen Teststruktur 20 zu kommen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Ionenzugangsgebiet 34 ein Gebiet innerhalb der inneren Wand der Kavität 32 sein, in welchem die Diffusionsbarriereschicht 400 abwesend ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Ionenzugangsgebiet 34 eine Schutzschicht umfassen, die permeabel beziehungsweise durchlässig wenigstens für bewegliche Ionen 40 ist, die zu erfassen sind. Beispielsweise kann eine Schutzschicht, die für Kaliumionen durchlässig beziehungsweise permeabel ist, verwendet werden, während größere Ionen oder größere Moleküle blockiert beziehungsweise gesperrt werden können. Somit kann eine selektive Analyse einer Ionentransporteigenschaft in der dielektrischen Teststruktur 20 mittels einer selektiven Sorte von Ionen erzielt werden. Die flüssige Ionenlösung kann eine wässrige Ionenlösung sein. Hier können die beweglichen Ionen 40 Ionen einer Gruppe sein, die aus H⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ besteht. weiterhin können die beweglichen Ionen 40 Ionen einer Gruppe sein, die aus Cl^–, F^– oder OH^– besteht.
3B ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles des Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene A-A' von 2, weiterhin umfassend eine Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor-(MISFET-)Struktur 90. Diejenigen Merkmale des Ausführungsbeispiels von 3B, die ähnlich zu den Merkmalen des Ausführungsbeispiels von 3A sind, werden nicht wieder erläutert, und es wird Bezug genommen auf die oben gegebenen Einzelheiten.
Wie aus 35 ersehen werden kann, umfasst die Kondensatorstruktur 50 weiterhin eine Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor-(MISFET-)Struktur 90, die einen Sourcebereich 120 und einen Drainbereich 130 hat, die in dem Halbleiterkörper 100 gebildet sind, wobei die dielektrische Teststruktur 20 als das Gatedielektrikum der MISFET-Struktur wirkt und die Kondensatorelektrode 52 als die Gateleektrode der MISFET-Struktur 90 dient. Die Rückseitenelektrode 54 kann verwendet werden, um den Körper- beziehungsweise Bulkbereich der MISFET-Struktur 90 zu kontaktieren. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen die Gateelektrode (die Kondensatorelektrode 52) und den Halbleiterkörper 100 kann ein Kanalbereich 140 in dem Halbleiterkörper 100 bei dem Grenzbereich zwischen dem Gatedielektrikum (der dielektrische Teststruktur 20) und dem Halbleiterkörper 100 (d. h. der ersten Oberfläche 101) gebildet werden zwischen dem Sourcebereich 120 und dem Drainbereich 130 längs der lateralen Richtung x, was in einem Source-Drain-Strom der MISFET-Struktur 90 resultiert. Mittels der MISFET-Struktur 90 kann ein Einfluss der mobilen Ionen 40, die vorhanden sind und sich längs einer lateralen Richtung x in der dielektrischen Teststruktur 20 (wirkend als das Gatedielektrikum) auf dem Source-Drain-Strom in dem Kanalbereich 140 der MISFET-Struktur 90 bewegen, analysiert werden. Beispielsweise kann das Vorhandensein der beweglichen Ionen 40 innerhalb der dielektrischen Teststruktur 20 die Schwellenspannung der MISFET-Struktur 90 verschieben, was in der Möglichkeit resultiert, dass Vorhandensein und/oder eine Menge von beweglichen Ionen 40 in der dielektrischen Teststruktur 20, die den Kanalbereich 140 überlappt, zu bestimmen. Die Kondensatorelektrode 52 kann auch in dem Ausführungsbeispiel von 3A weggelassen werden, wobei ein lateraler Strom durch die dielektrische Teststruktur 20 zwischen der ersten Elektrode 62 und der zweiten Elektrode 64 gemessen werden kann. In diesem Fall kann die Diffusionsbarriereschicht 400 kontinuierlich von dem Ionenreservoir 30 zu der zweiten Elektrode 64 auf der dielektrischen Teststruktur 20 ausgedehnt werden.
4 ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, wobei 5 eine schematische Schnittdarstellung des Teiles des Gerätes 10 längs der Schnittebene B-B' von 4 ist. Diejenigen Merkmale der Ausführungsbeispiele der 4 und 5, die ähnlich zu den Merkmalen der Ausführungsbeispiele der 2 und 3A sind, werden nicht wieder in Einzelheiten erläutert, und es wird Bezug genommen auf die oben gegebenen Einzelheiten.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 und der 5 ist die Kondensatorelektrode 52 in zwei Kondensatorelektrodenteile 52a, 52b in einer lateralen Richtung x getrennt. Mit anderen Worten, die Kondensatorelektrode 52 umfasst wenigstens zwei Kondensatorelektrodenteile 52a, 52b, die jeweils in der lateralen Richtung x getrennt sind. Somit können wenigstens zwei Kondensatorelektrodenteile 52a, 52b der Kondensatorelektrode 52 vorgesehen sein, um die elektrischen Eigenschaften der dielektrischen Teststruktur 20 in einer vertikalen Richtung z orthogonal zu der Bewegungsrichtung x der beweglichen Ionen 40 in der dielektrischen Teststruktur 20 zu messen. Als ein Ergebnis kann die Analyse der Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 verbessert werden durch Erfassen gewisser Gruppen von beweglichen Ionen 40 in jeweiligen Teilen, die durch die Kondensatorelektrodenteile 52a, 52b der Kondensatorelektrode 52 bedeckt sind. Obwohl dies nicht gezeigt ist, können wenigstens zwei MISFET-Strukturen, wie in 3A dargestellt (MISFET-Struktur 90), in die Struktur von 5 integriert werden, wobei die wenigstens zwei Kondensatorelektrodenteile 52a, 52b als Gateelektroden für die jeweiligen MISFET-Strukturen wirken.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Gerätes 10 der 2 bis 5 beschrieben. In einem ersten Schritt wird eine dielektrische Struktur 200 auf der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 gebildet.
Dann wird ein Rückbildungs- beziehungsweise Aussparungsschritt mittels beispielsweise eines Plasmaätzprozesses vorgenommen, um eine Stufe in der dielektrischen Struktur 200 zu bilden. Mittels des beispielhaften Plasmaätzprozesses wird die dielektrische Teststruktur 20 gebildet, um von der dielektrischen Basisstruktur 22 vorzustehen.
Danach wird ein Trench beziehungsweise Graben 210 gebildet, der sich durch die dielektrische Struktur 200 zu der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 erstreckt, um eine Diffusion von beweglichen Ionen 40 in die dielektrische Struktur 200 über die vollständige dielektrische Struktur 200 zu verhindern, das heißt, um die beweglichen Ionen 40 innerhalb des ersten Teiles 500 des Gerätes 10 aufrecht zu erhalten.
Durch Auftragen beziehungsweise Abscheiden und Strukturieren beziehungsweise Mustern der Elektrodenschichtstruktur 300 mittels eines Nassätzprozesses werden die erwärmende leitende Schicht 72, die erste Elektrode 62, die Kondensatorelektrode 52 (oder Teile 52a, 52b der Kondensatorelektrode 52 in 4 und 5) und die zweite Elektrode 60 gebildet.
Um ein Eindringen von beweglichen Ionen in das Gerät 10 zu verhindern, ist die gesamte beziehungsweise komplette gemusterte Struktur des Halbleiterkörpers 100, die dielektrische Struktur 200 und die gemusterte Elektrodenstruktur 300 durch Auftragen der Diffusionsbarriereschicht 400 bedeckt.
Um Verbindungsanschlüsse 74, 76 zu der erwärmenden leitenden Schicht 72, einen Verbindungsanschluss 63 zu der ersten Elektrode 62, einen Verbindungsanschluss 53 zu der Kondensatorelektrode 52 (oder Verbindungsanschlüsse 53a, 53b zu den wenigstens zwei Kondensatorelektrodenteilen 52a, 52b in 4 und 5), einen Verbindungsanschluss 65 zu der zweiten Elektrode 64 und das Ionenzugangsgebiet 34 vorzusehen, wird die Diffusionsbarriereschicht 400 selektiv mittels eines Plasmaätzprozesses entfernt. Wie aus den 3A, 3B und 5 ersehen werden kann, erstreckt sich die Kavität beziehungsweise der Hohlraum 32 nicht zu der ersten Oberfläche 101, um eine elektrochemische Isolation zwischen dem Halbleiterkörper 100 und dem Ionenreservoir 30 sicherzustellen. Jedoch kann der Plasmaätzprozess gleichzeitig verwendet werden, um die Kavität beziehungsweise den Hohlraum 32 in der dielektrischen Struktur 200 zu bilden, die zu der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 ausgedehnt ist, wobei der Halbleiterkörper 100 als eine Ätzstoppschicht für den anisotropen Plasmaätzprozess wirkt. Somit kann ein wohl definiertes und reines Grenzgebiet zum Zuführen beziehungsweise Einspeisen von beweglichen Ionen 40 in die dielektrische Teststruktur 20 erzielt werden. Danach kann eine isolierende Schicht zum Isolieren des Ionenreservoirs 30 von dem Halbleiterkörper 100 vorgesehen werden.
6A ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur 20 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
Wie aus 6A ersehen werden kann, können die Kondensatorstruktur 50 und die Elektrodenstruktur 60 in einer Mäanderform angeordnet werden, wobei die Heizeinrichtung 70 zwischen dem Mäanderpfad der Kondensatorstruktur 50 und der Elektrodenstruktur 60 angeordnet ist. Insbesondere umfasst das Gerät 10 den ersten Verbindungsanschluss 74 und den zweiten Verbindungsanschluss 76 der Heizeinrichtung 70, wobei die erwärmende leitende Schicht 72 des polykristallinen Siliziums in parallelen Streifen angeordnet ist, die sich von dem ersten Verbindungsanschluss 74 zu dem zweiten Verbindungsanschluss 76 längs einer lateralen Richtung y erstrecken, die orthogonal zu der lateralen Richtung x ist. Die Kondensatorelektrode 52 kann mit den zwei Verbindungsanschlüssen 53 an einem Grenzteil des Bereiches der parallelen Streifen der erwärmenden leitenden Schicht 72 verbunden sein. Die Kondensatorelektrode 52 verläuft parallel zu den Streifen der erwärmenden leitenden Schicht 72 in einer Mäanderform. Mit anderen Worten, die Kondensatorelektrode 52 verläuft reziprok zwischen dem ersten Verbindungsanschluss 74 und dem zweiten Verbindungsanschluss 76 der Heizeinrichtung 70 in einer Mäanderform. Die Elektrodenstruktur 60, die die erste Elektrode 62 und die zweite Elektrode 64 umfasst, ist parallel zu der Kondensatorelektrode 52 in einer Mäanderform angeordnet.
In Einzelheiten ist die erste Elektrode 62 angeordnet, um parallel zu der Kondensatorelektrode 52 auf einer ersten Seite der Kondensatorelektrode 52 zu verlaufen, und die zweite Elektrode 64 ist angeordnet, um parallel zu der Kondensatorelektrode 52 auf der anderen Seite der Kondensatorelektrode 52 zu verlaufen. Als eine Folge ist das Gerät 10 derart gebildet, dass der erste Teil 500, wie beispielsweise in 3A, 3B gezeigt, in einer Mäanderform angeordnet ist. Die erste Elektrode 62 kann durch den Verbindungsanschluss 63 angeschlossen sein, und die zweite Elektrode 64 kann durch den Verbindungsanschluss 65 angeschlossen sein, die in einem Grenzteil des Bereiches der Heizeinrichtung 70 angeordnet sind.
Wie aus 6B ersehen werden kann, die eine Detaildarstellung des Teiles P₁ von 6A ist, umfasst die Mäanderform der ersten Elektrode 62, der Kondensatorelektrode 52 und der zweiten Elektrode 64 einen geraden Teil 501, der parallel zu den Streifen der erwärmenden leitenden Schicht 72 angeordnet ist, und einen Biegungsteil 502, in welchem die Elektroden 62, 52 und 64 gebogen sind, um den n-ten und den (n + 1)-ten geraden Teil 501 der Elektroden 62, 52 und 64 längs der lateralen Richtung x zu verbinden, wobei n eine ungerade Zahl ist. Der gerade Teil 501 umfasst weiterhin die dielektrische Teststruktur 20 und das Ionenreservoir 30 und ist somit vergleichbar mit der Struktur, wie diese beispielsweise in dem ersten Teil 500 von 3A gezeigt ist. Auf der Seite des zweiten Verbindungsanschlusses 76 (nicht in Einzelheiten gezeigt) besteht ein weiterer Biegungsteil, der den (n + 1)-ten geraden Teil 501 mit dem (n + 2)-ten geraden Teil 501 verbindet, wobei n eine ungerade Zahl ist.
Wie aus den schematischen Schnittdarstellungen des Teiles des Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik, geführt längs der Schnittebene D-D' in 6C und geführt längs der Schnittebene C-C' in 6D, ersehen werden kann, sind die Streifen der erwärmenden leitenden Schicht 72 derart angeordnet, dass sie benachbart zu den geraden Teilen 501 der Elektroden 62, 52 und 64 in einer lateralen Richtung y (siehe 6C) sind und die Biegungsteile 502 der Elektroden 62, 52 und 64 an einem Seitenteil nächst zu dem ersten Verbindungsanschluss 74 (und in einer analogen Weise in einem Seitenteil nächst zu dem zweiten Verbindungsanschluss 76) kreuzen. Somit führt ein Strom von dem ersten Verbindungsanschluss 74 durch die Streifen der erwärmenden leitenden Schicht 72 zu dem zweiten Verbindungsanschluss 76 der Heizeinrichtung 70 zu einem homogenen Erwärmen der dielektrischen Teststruktur 20 des Gerätes 10.
7A ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Gerätes 10 zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur 20 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
Wie aus 7A ersehen werden kann, ist die Struktur der Kondensatorelektrode 52, die die Verbindungsanschlüsse 53 hat, vergleichbar mit der Struktur, wie diese anhand von 6A beschrieben ist, in welcher die Kondensatorstruktur 50 in einer Mäanderform angeordnet ist. Die Struktur des Gerätes 10 von 7A weicht von der in 6A dargestellten Struktur darin ab, dass die Elektrodenstruktur 60 zwei Fingerelektrodenstrukturen umfasst, die miteinander parallel verschachtelt sind und weiterhin mit der Kondensatorstruktur 50 verschachtelt sind, die in einer Mäanderform angeordnet ist. In Einzelheiten umfasst die erste Elektrode 62 eine Vielzahl von parallelen Elektrodenstreifen, die eine Fingerstruktur bilden, die sich von dem Verbindungsanschluss 63 längs der lateralen Richtung y erstreckt. Zusätzlich umfasst die zweite Elektrode 64 eine Vielzahl von parallelen Elektrodenstreifen, die eine Fingerstruktur bilden, die sich von dem Verbindungsanschluss 65 längs der lateralen Richtung y derart erstreckt, dass die Elektrodenstreifen der ersten Elektrode 62 und die Elektrodenstreifen der zweiten Elektrode 64 miteinander verschachtelt sind.
Die Kondensatorelektrode 52 ist derart in einer Mäanderform angeordnet, dass sie reziprok zwischen den Elektrodenstreifen der ersten Elektrode 62 und der zweiten Elektrode 64 verläuft. Die Heizeinrichtung 70 ist so angeordnet, dass die Elektrodenstruktur 50, 60 in die Heizeinrichtung 70 eingebettet ist. In Einzelheiten ist die erwärmende leitende Schicht 72 zwischen dem ersten Verbindungsanschluss 74 und dem zweiten Verbindungsanschluss 76 derart angeordnet, dass ein Strom in der lateralen Richtung y die erwärmende leitende Schicht 72 erwärmt, die benachbart zu der Elektrodenstruktur 60 und der Kondensatorstruktur 50 ist.
Eine detaillierte Darstellung des Teiles P₂ von 7A ist in 7B gezeigt. Wie aus 7B ersehen werden kann, ist das Ionenreservoir 30 weiterhin vorgesehen, um eine Struktur zu bilden, wie diese in dem Schnitt längs der Schnittebene E-E' von 7B gezeigt ist. Wie aus 7C ersehen werden kann, ist die Struktur des Gerätes 10 vergleichbar mit dem ersten Teil 500, wie dieser beispielsweise in 3A dargestellt ist. Durch Vorsehen der Strukturen, wie diese in 6A oder 7A des Gerätes 10 gezeigt sind, kann eine Vielzahl von ersten Teilen 500, wie in 3A, 3B oder in 5 dargestellt, vorgesehen werden, um so das Ansprechen der Kondensatorstruktur 50 auf bewegliche Ionen 40 von dem Ionenreservoir 30 zu verstärken beziehungsweise zu steigern. Weiterhin kann durch Vorsehen der Struktur, wie in 6A gezeigt, ein homogenes Erwärmen der Vielzahl von dielektrischen Teststrukturen 20 erzielt werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Analysieren einer Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 des Gerätes 10 erläutert.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren einer Ionenkinetik gemäß einem Ausführungsbeispiel. In einem Schritt S100 wirkt eine elektrophoretische Kraft F auf bewegliche Ionen 40 in der dielektrischen Teststruktur 20 längs der lateralen Richtung x ein. In einem Schritt S110 wird eine elektrische Eigenschaft der Kondensatorstruktur 50 in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von beweglichen Ionen 40 in der dielektrischen Teststruktur 20 bestimmt. Hier kann die elektrische Eigenschaft der Kondensatorstruktur 50 eine C-V Kennlinie unter einer Vorspannungstemperatur-Belastung, eine dreieckförmige Spannungskippkennlinie oder eine temperaturstimulierte Ionenstromkennlinie der Kondensatorstruktur 50 sein. Weiterhin kann ein Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft der Kondensatorstruktur 50 in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von beweglichen Ionen 40 in der dielektrischen Teststruktur 20 ein Bestimmen der Kennlinie der MISFET-Struktur 90, wie in 3B gezeigt, umfassen. Zusätzlich kann ein kompensierender Strom zwischen der ersten Elektrode 62 und der zweiten Elektrode 64, der aus den beweglichen Ionen resultiert, die sich von dem Ionenzugangsgebiet 34 zu der zweiten Seitenwand 26 bewegen und an der zweiten Seitenwand 26 ansammeln, gemessen und analysiert werden, um charakteristische Parameter der dielektrischen Teststruktur 20 und/oder der beweglichen Ionen 40 zu bestimmen. Das Verfahren kann weiterhin gemäß einem Ausführungsbeispiel den Schritt 130 des Bestimmens der räumlichen Zusammensetzung der dielektrischen Teststruktur 20 mittels einer Oberflächenanalysetechnik umfassen. Daher kann das Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel den Schritt 120 des Entfernens der Kondensatorelektrode 52 von der dielektrischen Teststruktur 20 aufweisen, um die Oberflächenanalysetechnik durchzuführen.
Die Oberflächenanalysetechnik kann eine Technik einer Gruppe umfassen, die aus einer Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektroskopie (TOF-SIMS), einer Auger-Elektronenspektroskopie (AES), einer Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und einer Röntgenstrahlbeugung (XRW) besteht.
In Einzelheiten kann ein Messschritt, der das Gerät 10 verwendet, der Folgende sein. Zunächst wird eine Probe von beweglichen Ionen 40 in die Kavität 32 des Ionenreservoirs 30 eingeführt, und ein geeignetes elektrisches Feld wird in einer lateralen Richtung x durch die dielektrische Teststruktur 20 angelegt. Es ist für eine saubere Messung der Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 notwendig, dass die dielektrische Teststruktur 20 im Wesentlichen frei von Ionenunreiheiten beziehungsweise -fremdstoffen ist, die bereits vor der Messung in der dielektrischen Teststruktur 20 vorhanden sind. Das elektrische Feld in der lateralen Richtung x durch die dielektrische Teststruktur 20 kann bei einer Temperatur von 300 K oder 500 K in der dielektrischen Teststruktur 20 in einem Bereich von 1 kV/cm bis 10 MV/cm, in einem Bereich von 500 kV/cm bis 5 MV/cm oder in einem Bereich von 1 MV/cm bis 3 MV/cm sein. Der Abstand der ersten Elektrode 62 und der zweiten Elektrode 64 oder der Abstand zwischen der ersten Seitenwand 24 und der zweiten Seitenwand 26 der dielektrischen Teststruktur 20 kann in einem Bereich von 1 μm bis 200 μm sein. Somit kann eine Spannung in einem Bereich von 10 V bis 1 kV zwischen die erste Elektrode 62 und die zweite Elektrode 64 angelegt werden. Im Fall eines elektrischen Feldes in der lateralen Richtung x der dielektrischen Teststruktur 20 liegt eine elektrophoretische Kraft F an den beweglichen Ionen 40, die beginnen, sich längs der lateralen Richtung x zu bewegen.
Der Transport an beweglichen Ionen in isolierenden Materialien, wie der dielektrischen Teststruktur 20, kann thermodynamisch mittels Antriebskräften als Gradienten in dem chemischen Potential (Diffusion) oder elektrischen Feldern (Drift) ermöglicht werden. Drift, Diffusion oder beides können verwendet werden, um die beweglichen Ionen 40 von der Probe in der Kavität 32 in die dielektrische Teststruktur 20 zu transportieren.
Bezüglich des Diffusionsprozesses, der durch chemische Gradienten verursacht ist, besteht die Tendenz der beweglichen Ionen 40, eine homogene Verteilung durch die dielektrische Teststruktur 20 zu haben. Dieser Transport kann durch das zweite Ficksche Diffusionsgesetz beschrieben werden, mit bestehenden analytischen Lösungen für die Situation, bei der eine definierte Quelle beweglicher Ionen, das Ionenreservoir 30, an der Grenzfläche (das Ionenzugangsgebiet 34) zwischen der die beweglichen Ionen enthaltenden Probe und der dielektrischen Teststruktur 20 vorliegt. Die Kinetik der Diffusion verändert sich mit der Art beziehungsweise Spezies an beweglichen Ionen, allgemein bezogen auf deren jeweilige Ionenradien. Somit diffundieren kleinere Ionen viel rascher durch die dielektrische Teststruktur 20. Eine Diffusion kann daher gesteigert werden durch Erhöhen der Temperatur in der dielektrischen Teststruktur 20. Die dielektrische Teststruktur 20 kann ausgelegt sein, um zum Steigern der Temperatur der dielektrischen Teststruktur 20 erwärmt zu werden, beispielsweise mittels der Heizeinrichtung 70.
Bezüglich des Driftprozesses können Differenzen von elektrischen Potentialen auf entgegengesetzten Seitenwänden 24, 26 der dielektrischen Teststruktur 20 ein elektrisches Feld verursachen, das als eine Antriebskraft für die Drift der beweglichen Ionen wirken kann. Gekoppelt mit den Diffusionserscheinungen kann eine Tendenz vorliegen, das elektrochemische Gleichgewicht zu erreichen. Jedoch dominiert im allgemeinen die Drift merklich die Diffusion, was die beweglichen Ionen 40 veranlassen kann, zu der Seite der dielektrischen Teststruktur 20 transportiert zu werden, die ein geringeres elektrisches Potential aufweist, das dadurch die Kathode des Systems darstellen kann. Die elektrische Drift kann allgemein durch das Ohmsche Gesetz beschrieben werden. Wird die dielektrische Teststruktur 20 als ein Widerstand gegenüber dem Transport beweglicher Ionen behandelt, kann die angelegte Spannung in einem gewissen Fluss von beweglichen Ionen 40 zu der Kathode, das heißt der zweiten Elektrode 64, resultieren.
Unter Verwendung einer Kombination von Diffusion und Drift in einem als Vorspannung-Temperatur-Belastung bezeichneten Prozess, beispielsweise einer Kombination eines Erwärmens der dielektrischen Teststruktur 20 und eines Anlegens und Einstellens einer Spannung zwischen der ersten Elektrode 62 und der zweiten Elektrode 64, bewegen sich bewegliche Ionen 40 von unterschiedlicher Größe und Ladung bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Auf diese Weise können verschiedene Spezies beziehungsweise Arten von beweglichen Ionen, wie Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ und andere Ionen in einem chromatographischen Prozess getrennt werden. Für eine derartige Ausgestaltung des Gerätes 10 als eine selektive Ionendetektionsvorrichtung kann das Ausführungsbeispiel der 4 und 5 nützlich sein, in welchem wenigstens zwei Teile 52a, 52b der Kondensatorelektrode 52 vorgesehen sind. In dieser Vorrichtung ist die Kondensatorstruktur 50 räumlich getrennt längs der lateralen Richtung x (der Bewegungsrichtung der beweglichen Ionen 40), was in einem räumlich aufgelösten Bestimmen der elektrischen Eigenschaften der dielektrischen Teststruktur 20 in der lateralen Richtung x resultiert. Als ein Ergebnis wirkt die dielektrische Teststruktur 20 als ein elektrophoretischer Träger für die beweglichen Ionen 40, die getrennt durch die Kondensatorstruktur 50 erfasst sind.
Wie oben erläutert wurde, kann die flüssige oder feste Ionenlösung in der Kavität beziehungsweise in dem Hohlraum 32, die beziehungsweise der die beweglichen Ionen 40 umfasst, eine flüssige oder feste Probe sein, die Erdalkaliionen enthält, wie Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ oder dergleichen. Auch eine Migration beziehungsweise Wanderung von Protonen H⁺ kann analysiert werden. Diese Ionen sind in der Probe beweglich und bis zu einem unterschiedlichen Ausmaß auch in der dielektrischen Teststruktur 20 und werden hier deshalb als bewegliche Ionen 40 bezeichnet. Als ein Beispiel kann die Probe flüssige Proben umfassen, wie Blut oder Urin, und das Gerät 10 kann verwendet werden, um die K⁺-Konzentration in Blut zu messen. Das Gerät 10 kann jedoch in gleicher Weise für negative Ionen verwendet werden, wie Cl^–, F^– oder OH^–. Die flüssige Probe kann beispielsweise Wasser, Trinkwasser, ein Getränk, eine Elektrolytlösung, Abwasser, Körperflüssigkeit wie Blut, Urin, oder irgendein anderer Typ von Flüssigkeit sein, und das Gerät 10 kann verwendet werden, um spezifisch eine Ionenkonzentration in der Probe zu bestimmen.
Die erwähnte Gestaltung zum Messen der Menge an beweglichen Ionen kann in medizinischen Messungen, beispielsweise K⁺ in Blutproben, angewandt werden. Dies kann die Messung der K+-Konzentration in der Blutprobe ermöglichen, was in mmol/l (Millimol je Liter von Flüssigkeitsprobe) beschrieben werden kann. Gemäß einem spezifischen Beispiel kann eine homogene K⁺-Konzentration in einer Blutprobe ~4 mmol/l sein (das heißt ~10 ppm oder ~1E18 Ionen/cm³).
Zum Bestimmen der Diffusionseigenschaften von vorbestimmten beweglichen Ionen 40 in einer dielektrischen Teststruktur 20, ausgewählt um untersucht zu werden, können die beweglichen Ionen 40 unter die Kondensatorelektrode 52 längs des elektrischen Feldes in der lateralen Richtung x diffundieren, das erzeugt ist durch in in-situ-Elektroden 62, 64. Mittels einer Messung einer Kapazität kann die Migration der beweglichen Ionen 40 unter die Kondensatorelektrode 52 aufgrund eines Wechsels in der elektrischen Eigenschaft der Kondensatorstruktur 50 gemessen werden, so dass eine Diffusionsgeschwindigkeit der beweglichen Ionen 40 innerhalb der gewählten dielektrischen Teststruktur 20 bestimmt werden kann. Die elektrische Eigenschaft kann eine Änderung in der C-V-Kennlinie der Kondensatorstruktur 50, die aus der Kondensatorelektrode 52, der dielektrischen Teststruktur 20, der dielektrischen Basisstruktur 22, dem Halbleiterkörper 100 und der Rückseitenelektrode 54 besteht, sein. Jedoch ist es auch möglich, eine Metall-Isolator-Metall-Struktur vorzusehen, die die Kondensatorelektrode 52, die dielektrische Teststruktur 20 und eine zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der dielektrischen Struktur 200 vorgesehene Metallschicht umfasst. Weiterhin kann ein leitender Körper anstelle des Halbleiterkörpers 100 gewählt werden. Die Diffusions- und/oder Driftparameter der beweglichen Ionen 40 können durch Verwenden einer Arrhenius-Diagrammtechnik oder endliche Differenz-Algorithmen bestimmt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Bestimmen der elektrischen Eigenschaft der Kondensatorstruktur 50 kombiniert werden mit einem Bestimmen der räumlichen Zusammensetzung der dielektrischen Teststruktur 20 mittels einer Oberflächenanalysetechnik. Die Kondensatorelektrode 52 kann von der Oberfläche der dielektrischen Teststruktur 20 abgezogen werden, um einen Zugang zu der dielektrischen Teststruktur 20 für eine physikalische Messtechnik vorzusehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Oberflächenanalysetechnik eine Flugzeit-Sekundärionenmassenspektroskopie (TOF-SIMS) umfassen, in welcher die Zusammensetzung der dielektrischen Teststruktur 20 bestimmt werden kann durch räumliches Abtragen dieser Struktur, beispielsweise durch Sputtern, und Analysieren der Zusammensetzung der dielektrischen Teststruktur 20. Somit können die exakte Position der beweglichen Ionen 40 und der jeweilige Ionentyp bestimmt werden nach Durchführen des elektrophoretischen Prozesses in der dielektrischen Teststruktur 20. Durch den Vergleich der verschiedenen Signale der elektrischen Eigenschafts- und Oberflächenanalysetechnik kann die Diffusionskennlinie der beweglichen Ionen 40 in der jeweiligen dielektrischen Teststruktur 20 bestimmt werden. Optional kann die Kondensatorelektrode 52 kleiner gewählt werden in ihrer lateralen Abmessung als für eine physikalische Messung erforderlich ist. Dies kann ein Vorteil sein, wenn Messungen unter hohen elektrischen Feldern vorgenommen werden.
Variable Messparameter sind die Temperatur und die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 62, 64. Das Einbetten des ersten Teiles 500 in die Heizeinrichtung 70 erlaubt weiterhin einen zusätzlichen raschen und unabhängigen Heiz- und Kühlprozess. Somit kann die Messtemperatur in sehr kurzen Zeiten eingestellt werden, was zu der Möglichkeit führt, den Transportprozess der beweglichen Ionen 40 innerhalb der dielektrischen Teststruktur 20 zu löschen.
Mittels des oben beschriebenen Verfahrens zum Analysieren der Ionenkinetik in der dielektrischen Teststruktur 20 können die elektrischen Eigenschaftsdaten und die Oberflächenanalysedaten beide angewandt werden. Die Oberflächenanalyse wird erleichtert durch Durchführen der Messung der elektrischen Eigenschaftsdaten in einer vertikalen Richtung z und mit der Bewegungsrichtung der beweglichen Ionen 40 in der lateralen Richtung x. Somit kann eine Oberflächenanalyse der dielektrischen Teststruktur einfach durch Abstreifen der Kondensatorelektrode 52 oder der Kondensatorelektrodenteile 52a, 52b vorgenommen werden. Zusätzlich können Artefakte einer Migration beziehungsweise Wanderung durch die Struktur des Gerätes 10 verhindert werden. Zusammenfassend sind beide Messprinzipien in einer Anordnung kombiniert. Mittels der MOS-Struktur der Kondensator- beziehungsweise Kapazitätsstruktur 50 wird ein zusätzliches zeitlich aufgelöstes elektrisches Signal der Ionendrift in Form einer variablen Kapazitätseigenschaft beziehungsweise -kennlinie empfangen, wobei die Messung der elektrischen Eigenschaft beziehungsweise Kennlinie einfach mit der Messung der physikalischen Eigenschaft, das heißt dem Bestimmen der räumlichen Zusammensetzung der dielektrischen Teststruktur 20 mittels einer Oberflächenanalysetechnik, kombiniert werden kann.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims

Gerät (10) zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur (20), umfassend: ein Ionenreservoir (30), das an die dielektrische Teststruktur (20) anstößt, um bewegliche Ionen (40) zu der dielektrischen Teststruktur (20) zu liefern, eine Kondensatorstruktur (50), die gestaltet ist, um ein elektrisches Feld in der dielektrischen Teststruktur (20) längs einer vertikalen Richtung (z) zu erzeugen, und eine Elektrodenstruktur (60), die gestaltet ist, um eine elektrophoretische Kraft (F) auf beweglichen Ionen (40) in der dielektrischen Teststruktur (20) längs einer lateralen Richtung (x) zu erzeugen.
Gerät (10) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Prozessoreinheit (80) zum Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft der Kondensatorstruktur (50) in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von beweglichen Ionen (40) in der dielektrischen Teststruktur (20).
Gerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kondensatorstruktur (50) eine Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistorstruktur (90) aufweist.
Gerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kondensatorstruktur (50) aufweist: einen Halbleiterkörper (100), die dielektrische Teststruktur (20) auf dem Halbleiterkörper (100) und eine Kondensatorelektrode (52) auf der dielektrischen Teststruktur (20).
Gerät (10) nach Anspruch 4, bei dem die Kondensatorelektrode (52) wenigstens zwei Kondensatorelektrodenteile (52a, 52b) aufweist, die jeweils in der lateralen Richtung (x) getrennt sind.
Gerät (10) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Kondensatorstruktur (50) außerdem eine dielektrische Basisstruktur (22) zwischen dem Halbleiterkörper (100) und der dielektrischen Teststruktur (20) aufweist.
Gerät (10) nach Anspruch 6, bei dem die dielektrische Teststruktur (20) und die dielektrische Basisstruktur (22) Teile einer dielektrischen Struktur (200) sind, in welcher die dielektrische Teststruktur (20) ein strukturierter beziehungsweise gemusterter dielektrischer Körper ist, der längs der vertikalen Richtung (z) von der dielektrischen Basisstruktur (22) vorsteht.
Gerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Elektrodenstruktur (60) aufweist: eine erste Elektrode (62), die nächst zu dem Ionenreservoir (30) an einer ersten Seitenwand (24) der dielektrischen Teststruktur (20) gelegen ist, und eine zweite Elektrode (64), die an einer zweiten Seitenwand (26) der dielektrischen Teststruktur (20) gelegen ist.
Gerät (10) nach den Ansprüchen 4 und 8, bei dem die Kondensatorelektrode (52; 52a, 52b), die erste Elektrode (62) und die zweite Elektrode (64) Teile einer gemusterten Elektrodenschichtstruktur (300) sind.
Gerät (10) nach Anspruch 9, bei dem die gemusterte Elektrodenschichtstruktur (300) wenigstens einen Stoff aus einer Gruppe von Elementen aufweist, die aus Al, Cu, AlSi, AlCu, und AlSiCu besteht.
Gerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die dielektrische Teststruktur (20) wenigstens einen Stoff aus einer Gruppe von Elementen aufweist, die aus Siliziumoxid SiO₂, Siliziumoxynitrid SiO_xN_y oder amorphem Siliziumnitrid, das Wasserstoff oder Deuterium enthält, a-Si_xN_yH_z/Si_xN_yD_z besteht.
Gerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Abmessung der dielektrischen Teststruktur (20) in einer lateralen Richtung in einem Bereich von 1 μm bis 200 μm und eine Abmessung der dielektrischen Teststruktur (20) in einer vertikalen Richtung in einem Bereich von 10 nm bis 1 μm ist.
Gerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ionenreservoir (30) eine Kavität (32) aufweist, die sich durch die dielektrische Teststruktur (20) längs der vertikalen Richtung (z) erstreckt, wobei die Kavität (32) gestaltet ist, um eine flüssige oder feste Ionenlösung zu empfangen.
Gerät (10) nach Anspruch 12, bei dem die Kavität (32) eine Diffusionsbarriereschicht (400), die eine Innenwand der Kavität (32) auskleidet, und wenigstens ein Ionenzugangsgebiet (34), das einen Zugang für bewegliche Ionen (40) zu der dielektrischen Teststruktur (20) vorsieht, hat.
Gerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die beweglichen Ionen (40) Ionen einer Gruppe sind, die aus H⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ besteht.
Gerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die dielektrische Teststruktur (20) durch eine Heizeinrichtung (70) erwärmbar ist.
Gerät (10) nach den Ansprüchen 9 und 16, bei dem die Heizeinrichtung (70) eine erwärmende leitende Schicht (72) umfasst, die Teil der gemusterten Elektrodenschichtstruktur (300) ist.
Gerät (10) nach Anspruch 16, bei dem die Kondensatorstruktur (50) und die Elektrodenstruktur (60) in einer Mäanderform angeordnet sind, wobei die Heizeinrichtung (70) zwischen dem Mäanderpfad der Kondensatorstruktur (50) und der Elektrodenstruktur (60) angeordnet ist.
Gerät (10) nach Anspruch 16, bei dem die Elektrodenstruktur (60) zwei Fingerelektrodenstrukturen (62, 64) aufweist, die miteinander parallel verschachtelt sind, die Kondensatorstruktur (50) in einer Mäanderform derart angeordnet ist, dass die zwei Fingerelektrodenstrukturen (62, 64) weiterhin mit der Kondensatorstruktur (50) verschachtelt sind, und die Heizeinrichtung (70) nächst zu der Elektrodenstruktur (60) und der Kondensatorstruktur (50) angeordnet ist.
Verfahren zum Analysieren einer Ionenkinetik in einer dielektrischen Teststruktur (20) eines Gerätes (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: Anlegen (S100) einer elektrophoretischen Kraft (F) an bewegliche Ionen (40) in der dielektrischen Teststruktur (20) längs der lateralen Richtung (x), und Bestimmen (S110) einer elektrischen Eigenschaft der Kondensatorstruktur (50) in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von beweglichen Ionen (40) in der dielektrischen Teststruktur (20).
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die elektrische Eigenschaft der Kondensatorstruktur (50) eine C-V-Kennlinie unter einer Vorspannungstemperaturbelastung, eine Dreieckspannungskippkennlinie oder eine temperaturstimulierte Ionenstromkennlinie der Kondensatorstruktur (50) ist.
Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend: Bestimmen (S130) der räumlichen Zusammensetzung der dielektrischen Teststruktur (20) mittels einer Oberflächenanalysetechnik.
Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin umfassend: Entfernen (S120), vor Bestimmen (5130) der räumlichen Zusammensetzung der dielektrischen Teststruktur (20) mittels einer Oberflächenanalysetechnik, der Kondensatorelektrode (52) von der dielektrischen Teststruktur (20).
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die Oberflächenanalysetechnik eine Technik einer Gruppe umfasst, die aus Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektroskopie (TOF-SIMS), Auger-Elektronenspektroskopie (AES), Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgenstrahlbeugung (XRD) besteht.