DE10231989B3

DE10231989B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Flächenwiderstands von Proben

Info

Publication number: DE10231989B3
Application number: DE10231989A
Authority: DE
Inventors: Stefan Wurdack; Klaus Topp
Original assignee: Wurdack Stefan Dr
Current assignee: Wurdack Stefan Dr
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: US20040080326A1

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Flächenwiderstandes von Proben, insbesondere Wafern und anderen flächigen Teilen, mit einer Einrichtung zum Messen der Leitfähigkeit der Probe nach dem Wirbelstromverfahren, wobei die Probe in einen Messspalt einführbar ist, und mit einer Einrichtung zum Messen der Lage der Probe im Messspalt und einer Recheneinrichtung zum Ermitteln des Flächenwiderstandes auf der Basis der gemessenen Leitfähigkeit und der Lage der Probe im Messspalt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Flächenwiderstands von Proben, insbesondere Wafern und anderen flächigen Teilen.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Flächenwiderstandes einer dünnen Halbleiterschicht durch Messen der Leitfähigkeit der Probe nach dem Wirbelstromverfahren ist aus G.L. Miller et al., „Contactless measurement of semiconductor conductivity by radiofrequency-free-carrier power absorption" in Review of Scientific Instruments Band 47, Nr. 7, Juli 1976, Seiten 799-805 bekannt. Darin wird beschrieben, daß die Energie, die durch eine dünne Halbleiterschicht in einem magnetischen Wechselfeld absorbiert wird, proportional zu der Leitfähigkeit des Materials ist.

Durch die magnetischen Wechselfelder in der offenen Schwingkreisanordnung gemäß 1 werden Wirbelströme im leitfähigen Messobjekt 1 (hier ein Wafer) erzeugt. Diese Ströme entziehen dem Magnetfeld Energie. Verwendet man eine geeignete Oszillatorschaltung, welche die Schwingkreisamplitude konstant hält, so kann man durch die Messung der sich verändernden Stromaufnahme des Schwingkreises Rΰckschlüsse auf die Leitfähigkeit der eingeführten Probe ziehen.

Vereinfacht gilt der folgende Zusammenhang zwischen dem Flächenwiderstand R_Square und der Stromänderung bei Einbringen der Probe Δl

wobei K eine Proportionalitätskonstante ist. Die gemessenen Stromänderungen sind also um so größer, je niederohmiger das Messobjekt ist.

Es hat sich in neuer Zeit herausgestellt, dass Messfehler bei diesem Verfahren auftreten, die durch Vergleiche mit der berührenden Vier-Spitzen-Messung des Flächenwiderstands bestimmt werden können.

In der US-A-S 434 505 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen der elektrischen Eigenschaften von HEMT-ähnlichen Wafern bei niedrigen Temperaturen nach einem Wirbelstromverfahren beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum genaueren und zuverlässigeren Bestimmen des Flächenwiderstands von Proben, insbesondere Wafern und anderen flächigen Teilen, bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen enthaltenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird zur Messung eines Flächenwiderstandes von Proben nicht nur die Leitfähigkeit der Probe nach dem Wirbelstromverfahren, sondern auch die Lage der Probe im Messspalt bestimmt. Somit kann die Inhomogenität der Magnetfeldverteilung im Messspalt berücksichtigt und die Genauigkeit der Messung durch Korrekturen erhöht werden.

Der einfache und idealisierte Zusammenhang (1) gestaltet sich in der Realität deutlich komplizierter, da hier die geometrieabhängigen Einflüsse des jeweiligen Messaufbaus für die tatsächlich gewonnenen Messwerte verantwortlich sind. Es gilt der folgende Zusammenhang zwischen dem Flächenwiderstand R_Square und der gemessenen Stromänderung Δl:

wobei F eine Korrekturfunktion ist, die von der Position des Messobjekts im Spalt z und der Dicke des Messobjekts d abhängt. Die Messung der Lage und der Dicke der Probe erfolgt vorzugsweise berührungslos, insbesondere mittels Ultraschall, kapazitiven oder optischen Verfahren.

Die Korrekturfunktion wird bevorzugt durch eine Kalibrierung der Messapparatur mit einer Probe mit einem bekannten Flächenwiderstand ermittelt. Durch Messen der Lage der Probe mit bekannter Dicke kann unter Benutzung der ermittelten Korrekturfunktion ein Korrekturfaktor bestimmt werden, mit dem das Messergebnis korrigiert werden kann

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren exemplarisch beschrieben, wobei
1 schematisch den bekannten Aufbau zum Messen der Leitfähigkeit der Probe nach dem Wirbelstromverfahren zeigt,
2(a) schematisch die Vorrichtung zum Bestimmen des Flächenwiderstands der Probe gemäß der vorliegenden Erfindung in symmetrischer Anordnung und 2(b) die typische Abhängigkeit der Signalamplitude von der Abweichung der Messobjektposition von der Messspaltmitte in dieser Anordnung zeigt,
3(a) schematisch die Vorrichtung zum Bestimmen des Flächenwiderstands der Probe gemäß der vorliegenden Erfindung in asymmetrischer Anordnung und
3(b) die typische Abhängigkeit der Signalamplitude von der Abweichung der Messobjektposition von der Messspaltmitte in dieser Anordnung zeigt und
4(a) schematisch die Vorrichtung zum Bestimmen des Flächenwiderstands der Probe gemäß der vorliegenden Erfindung in einseitiger Anordnung und 4(b) die typische Signalamplitude in Abhängigkeit des Abstands des Messobjekts von einem Ferrit-Schalenkern zeigt.
2(a) zeigt die symmetrische Anordnung zum Bestimmen eines Flächenwiderstands einer leitfähigen Probe 1. Die Probe 1 befindet sich im Messspalt, der zwischen zwei Ferrit-Schalenkernen 21, 22 ausgebildet ist. Beide Ferrit-Schalenkerne sind mit Spulen 23, 24 ausgestattet, die zur Erzeugung des magnetischen Wechsel felds für die Messung des Flächenwiderstands nach dem Wirbelstromvertahren dienen. Außerdem sind Sensoren 31, 32 zur Lagenmessung des Messobjekts gezeigt, die optional auch zur Dickenmessung verwendet werden können. Der Abstand zwischen dem Ort der Wirbelstrommessung und den Sensoren zur Lagen- und/oder Dickenmessung beträgt vorzugsweise etwa 1 cm.
Der typische Verlauf der Signalamplitude, in Abhängigkeit der Messobjektposition ist in 2(b) dargestellt, wobei die Signalamplitude in Prozent angegeben ist und 100% beträgt, wenn sich die Probe in der Mitte des Messspalts befindet. Der Verlauf der Signalamplitude ist symmetrisch bezüglich der mittleren Spaltposition, und zeigt im Wesentlichen ein parabelförmiges Verhalten. Bei Annäherung der Probe an einen der Schalenkerne steigt die Signalamplitude, die Energieabsorption wird also größer, und das Messobjekt scheint niederohmiger. In Abhängigkeit der Dicke der Probe ändert sich in der Regel der Verlauf der in 2(b) gezeigten Kurve. Durch Kenntnis der sich ergebenden Kurvenschar (nicht gezeigt) kann bei genauer Information über die Position bzw. Lage des Messobjekts im Spalt eine geeignete Korrekturfunktion in Abhängigkeit der Dicke des Messobjekts angegeben werden, mit der dann der korrigierte Widerstandswert unabhängig von der Position des Messobjekts im Spalt richtig angegeben werden kann.
3(a) zeigt die asymmetrische Anordnung zum Bestimmen eines Flächenwiderstands einer Probe 1. Die Anordnung entspricht der in 2(a) gezeigten Anordnung mit dem Unterschied, dass nur der untere Ferrit-Schalenkern 21 mit einer Spule 23 ausgestattet ist. Bei dieser Anordnung wird also nur der untere Ferrit-Schalenkern 21 aktiver Bestandteil des Schwingkreises, der obere Ferrit-Schalenkern 22 dient lediglich zur Führung der magnetischen Feldlinien, so daß diese möglichst geschlossen bleiben. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß nur eine Seite Elektronik aufweist. Allerdings kommt es bei der asymmetrischen Anordnung ohne Berücksichtigung der Lage der Probe zu besonders großen Messfehlern.
Die einseitige Anregung führt zu einer veränderten Positionsabhängigkeit des Messsignals, die in 3(b) prinzipiell dargestellt wird. Die Signalamplitude in Abhängigkeit der Abweichung der Messobjektposition von der Messspaltmitte ist in Prozent angegeben, wobei die Signalamplitude 100% beträgt, wenn sich die Probe in der Mitte des Messspalts befindet. Die Abhängigkeit der Signalamplitude von der Abweichung der Messobjektposition von der Messspaltmitte kann im Allgemeinen gut durch ein Polynom höheren Grades beschrieben werden. Der große Einfluss der Lage der Probe in der asymmetrischen Anordnung spiegelt dadurch wieder, dass sich in diesem Beispiel die Signalamplitude bei Abweichung von 1 mm von der Messspaltmitte in Richtung des aktiven, in diesem Fall unteren Ferrit-Schalenkerns 21 etwa verdreifacht (300%), während bei einer Abweichung von ebenfalls 1 mm in der anderen Richtung der Wert auf das 1,5fache (150%) weniger stark ansteigt. Im Fall der symmetrischen Anordnung ist der Anstieg bei der gleichen Abweichung wesentlich kleiner und beträgt in beide Richtungen nur auf etwa 102%.
4(a) zeigt die einseitige Anordnung zum Bestimmen eines Flächenwiderstands einer leitfähigen Probe. Der Aufbau ist wiederum ähnlich dem in 2(a) oder 3(a) gezeigtem Aufbau, mit dem Unterschied dass die einseitige Anordnung nur einen Ferrit-Schalenkern 21 mit einer Spule 23 und einen Sensor 31 zur Lagenmessung aufweist. Bei dieser Anordnung des Messaufbaus wird also nur noch durch einen einzigen Ferrit-Schalenkern 21 die magnetische Induktion im Messobjekt erzeugt. Es ist bevorzugt, dass sich hinter dem Messobjekt keine metallisch leitenden Gegenstände befinden, da diese zu einer starken Beeinflussung des Messsignals führen könnten. Vorteil der Anordnung ist, daß keine gabelförmige Anordnung der Ferrit-Kerne notwendig ist. Dadurch kann insbesondere bei dünnen Schichten, bei denen die Lage des Messobjekts bekannt ist, durch eine einfache XY-Mechanik das flächige Abtasten der Probe ermöglicht werden. In der einseitigen Anordnung ist die Schicht vorzugsweise dünn im Verhältnis zur Variation der Empfindlichkeit der Einrichtung zum Messen der Leitfähigkeit. Die einseitige Anordnung ist insbesondere zur Untersuchung von Metallschichten geeignet.
Die typische Abhängigkeit der Signalamplitude von der Position der Probe ist in 4(b) dargestellt. Da es hier keine Spaltmitte mehr gibt, ist die Signalamplitude als Abstand des Messobjekts vom Ferrit-Kern aufgetragen. Die Signalamplitude ist in Prozent angegeben, die Signalamplitude des maximalen Signals beträgt 100%. Die Abhängigkeit der Signalamplitude vom Abstand des Messobjekts vom Ferrit-Schalenkern hat eindeutig exponentiellen Charakter.
In allen drei gezeigten bevorzugten Ausführungsformen wird die Lage der Probe vorzugsweise berührungslos gemessen und kann insbesondere mittels Ultraschall, kapazitiven oder optischen Verfahren erfolgen. Die Messung der Lage der Probe erfolgt insbesondere durch Bestimmen der Position mindestens einer der beiden Oberflächen der Probe durch Messung des Abstands der mindestens einer Oberfläche zu dem entsprechenden Sensor zur Lagen- und gegebenenfalls Dickenmessung. Die Messung der Dicke der Probe 1 ergibt sich in diesem Fall aus der Messung des Abstands der unteren bzw. oberen Meßobjektoberfläche von dem oberen 32 bzw. unteren Sensor 31 durch Vergleich mit dem zuvor bestimmten oder festgelegten Abstand der beiden Sensoren 31, 32.
Die zur Korrektur des Messergebnisses benötigten Kurvenscharen werden bevorzugt mit Hilfe einer Eichmessung mit verschiedenen Proben bekannter Dicke und bekanntem Flächenwiderstands ermittelt, wobei die Lage der Probe im Messspalt variiert und die jeweils gemessene Leitfähigkeit aufgezeichnet wird. Die so ermittelten Korrekturfunktionen können dann im Speicher einer Recheneinrichtung gespeichert werden, die auf der Basis der gemessenen Leitfähigkeit und der Dicke der Probe und der Lage der Probe im Messspalt den Flächenwiderstand der Probe ermittelt. Vorzugsweise werden für jede Korrekturfunktion die Gleichung für die Abhängigkeit zwischen der Lage und dem Korrekturwert und die entsprechenden Koeffizienten gespeichert

Claims

1, Vorrichtung zum Bestimmen des Flächenwiderstandes einer flächigen Probe, insbesondere eines Wafers mit einer Einrichtung zum Messen der Leitfähigkeit der Probe nach dem Wirbelstromverfahren, mit einem Messspalt zum Einführen der Probe, mit einer Einrichtung zum Messen der Lage der Probe im Messspalt und mit einer Recheneinrichtung zum Ermitteln des Flächenwiderstandes auf der Basis der gemessenen Leitfähigkeit und der Lage der Probe im Messspalt.

Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Messung der Lage der Probe eine Abstandsmesseinrichtung aufweist, die berührungslos mittels Ultraschall, kapazitiven oder optischen Verfahren arbeitet.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Recheneinrichtung einen Speicher aufweist, in dem eine Funktion gespeichert ist, die bezogen auf die Lage der Probe im Messspalt bei der Berechnung des Flächenwiderstandes verwendet wird.

Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei im Speicher Koeffizienten der Funktion gespeichert sind, die spezifisch für den Aufbau der Vorrichtung sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einrichtung zum Messen der Lage die Lage der Probe im Messspalt an zwei Stellen beidseits des Ortes der Messung der Leitfähigkeit erfasst, wobei an jeder der Stellen ein Sensorpaar angeordnet ist.

Verfahren zum Bestimmen des Flächenwiderstandes einer flächigen Probe, insbesondere eines Wafers mit den Schritten: Messen der Leitfähigkeit der Probe nach dem Wirbelstromverfahren, nach Einführen der Probe in einen Messspalt, Messen der Lage der Probe im Messspalt und Ermitteln des Flächenwiderstandes auf der Basis der gemessenen Leitfähigkeit und der Lage der Probe im Messspalt.

Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Messens der Lage der Probe eine Abstandsmessung aufweist, die berührungslos mittels Ultraschall, kapazitiven oder optischen Verfahren erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Flächenwiderstand über die gemessenen Leitfähigkeit und über eine gespeicherte Funktion ermittelt wird, die die Lage der Probe im Messspalt berücksichtigt.

Verfahren nach Anspruch 8, mit dem Schritt des Verwendens von gespeicherten Koeffizienten der Funktion, die spezifisch für den Aufbau der Vorrichtung ermittelt sind.

Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Lage der Probe an zwei Stellen gemessen wird, beidseits des Ortes der Messung der Leitfähigkeit.