DE2509818A1

DE2509818A1 - Untersuchungsverfahren zur zerstoerungsfreien messwertbestimmung an einer auf einem halbleiter-substratkoerper befindlichen isolatorschicht

Info

Publication number: DE2509818A1
Application number: DE19752509818
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Phys Schwidefsky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-03-06
Filing date: 1975-03-06
Publication date: 1976-09-16

Description

Untersuchungsverfahren zur zerstörungsfreien Meßwertbestimmung an einer auf einem Halbleiter-Substratkörper befindlichen Isolatorschicht.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Untersuchungsverfahren, , wie es in Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
Aus "Solid-State Elestronics", Pergamon Press 196G, Bd.9, S.1009 bis 1017 ist es bekannt, mittels eines zerstörungsfreien Verfahrens unter Verwendung reflaktierter Infrorot-Strahlung das Vorhandensein und die Dicke einer Phosphorsilikat Schicht zu bestimmen, die Sich auf einer Siliziumdioxid-Schicht befindet, die wiederum auf einem Silizium-Substratkörper aufgebracht ist, Solche Pho sphorsilika t-Schichten werden zu Stabili si erungszwecken einer auf einer siliziumschicht befindlichen Oxidschicht vorgesehen. In Fig. 10 der genannten Druckschrift sind Intensitätskurven für die S-trahlu1ngsdurchlässiglçeit in Abhängigkeit von der Strahlungsfreq;uenz angegeben, und zwar für eine reine Siliziunidioxid-schicht und für eine Siliziumdioxid- Schicht mit darauf befindlicher Schicht aus Phosphorsilikat. Für diese Durchlässigkeit ist der i?ig. 10 ein Verlauf zu entnchmen, der abgesehen von einem geringen langwelligen Wiederanstieg der Durchlässigkeit eine dauernde Abnahine der Durchlässigkeit zeigt, abgesehen von einem kleinen kurzwelligen relativen Durchlässigkeitsminimum für die zusätzliche Phosphorsilikat-Schicht.
Aus "Journal Electrochemical Society : Solid-State Science and Technology" 1973, S.1276 bis 1279 ist ein Verfahren zur Zusammensetzungsbestimmung von Phosphorsilika t-Glas unter Ausnutzung von Infrarot-Absorption bekannt, wobei sich das Phosphorsilikat-Glas auf einem siliziumkörper befindet. Die Fig. 1 dieser Druckschrift zeigt eine Absorptionskurve mit einem Hauptmaximum der Absorption, das auf- ein S iumoid-Band zurückgeführt wird, und ein relatives Nebenmaximum der Absorption, das auf den Phosphorgehalt zurückgeführt wird. In Fig. 1 sind zu der Absorptionskurve mit Haupt- und Nebenmaximum Basislinien eingetragen, die gedachte geradlinige Fortsetzungen der Absorptionskurve sind. Die Basislinien deuten einen Verlauf der Absorptionskurve an, wie er angenommenerweise vorliegen würde, wenn das jeweilige Maximum nicht vorhanden wäre. Besonders bezeichnet sind die Werte B und B', die auf der jeweiligen Basislinie angenommene Absorptionswerte bei der jeweiligen Frequenz des betreffenden Maximums der tatsächlichen Absorptionslcurve bezeichnen. Ausgewertet wird dort das Verhältnis des Differenzwertes zwischen maximaler Absorption des Nebenmaximums und dem für 13 angenommenen Wert zu dem Differenzwert zwischen der Maximalabsorption und dem für B' angenommenen Wert.
Verfahren mit Transmission der Infrarot-Strahlung und mit Messung der Durchlässigkeit bzw. Absorption, bei denen die infrarote Meßstrah3.ung auch durch den Silizium-Substratkörper hindurchgeht, haben den Nachteil, daß zum einen Einflüsse des Silizium-Substratkörpers selbst als auch Einflüsse aus seiner Oberflächenbeschaffenheit, speziell der Oberfläche, die der zu untersuchenden Beschichtung entgegengesetzt liegt, dazukommen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst unbeeinflußtes zerstörungsfreies Untersuchungsverfahren zur Meßwertbestimmung eines Dotierungsgehaltes einer auf einem Halbleitorkörper befindlichen Isolatorschicht aufzufinden.
Diese Aufgabe wird durch ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes Untersuchungsverfahren gelöst, das gekennzeichnet ist, wie dies im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung ist insbesondere für die Bestimmung von Bor-, Phosphor- und Arsenbestiounungen in siliziumdioxid- und siliziumnitri d-Schicht en ge eignet. Genaue Doti erungsgeha lt-Be stimmungen werden dort benötigt, wo dotierte Siliziumdioxid-Schichten da zu verwendet werden, darunter befindliches Silizium-llalbleitermaterial gezielt, insbesondere räumlich gezielt, zu dotieren, wozu dann die siliziumdioxid-Isolatorschicht, beispielsweise unter Verwendung einer Maske, zu einer Struktur verändert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Dotierungsgehalte von 1 bis 15 Gew.-% speziell für Phosphor, Bor und Arsen in siliziumdioxid und in siliziumnitrid.
Fig.1 zeigt eine für ein wie erfindungsgemäßes Untersuchungsverfahren zu verwendende Anordnung. Die Infrarot-Strahlungsquelle ist mit 1 und der Infrarot-Detektor ist mit 2 bezeichnet. Die Strahlung wird durch Spiegel 3, 4 derart umgelenkt, daß sie mit von senkrechtem Einfall abweichendem Einfallswinkel in die Schicht 6 aus beispielsweise Siliziumdioxid, dotiert mit Phosphor, einfällt, an der Grenzhtiche 7 zwischen der Schicht 6 und den Halbleiter-Substratkörper 8, de insbesondere Silizium ist, reflektiert und in den Detektor 2 weitergeleitet wird. Der vom Detektor 2 jeweils festgestellte In-tensitatswert gibt die nach einem Reflexionsvorgang in zu untersuchenden Objekt vom Detektor 2 empfangene Strahlung an.
Fig.2 zeigt eine typische Meßkurve 11 für das vom Detektor 2 empfangene Signal. Die Kurve 11 ist silber der Frequenz der Infrarot-Strahlung als Abszisse aufgetragen. Die bei der Auswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Untersuchungsverfahren notwendigen Meßgrößen F bis R4 sind in Fig. 2 eingetragen. R1 gibt die Reflexionsintensität für ein relatives Reflexionsmaximum an, das auf dem dotierungsgehalt beruht. Dieses Maximum liegt bei der Frequenz f1. R3 gibt eine entsprechende Reflexionsintensität für das Reflexionsmaximum des grundmateriale, beispielsweise des Siliziumdioxids, der Schicht an. Dieses Maximum ist unabhängig von der Dotierung. Es liegt bei der Frequenz zur Mit 12 und 13 sind die an sich bekannten Basisliniens die bereits eingangs erwähnt sind, bezeichnet. Der Schnittpunkt zwischen der Linie f1 und der Basislinie 12 gibt den Meßwert W und der Schnittpunkt zwischen der Linie f2 und der Basislinie 13 gibt den Wert R4.
Zur quantitativen Bestimmung werden wie an sich bekannt Eichkurven erstellt, mit deren Hilfe die an einzelnen Kurven wie Kurve 11 ermittelten qualitativen Verhältniswerte in die quantitativen Werte umgesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Untersuchungsverfahren gibt es keine Störungen wie im Falle bekannter Durchstrahlungsuntersuchungen, bei denen die Infrarot-Strahlung auch durch die der Grenzfläche 7 des Halbleiter-Substratkörpers gegenüberliegende Fläche 9 hindurchgeht. Störende Einflüsse ergeben sich nämlich insbesondere dann, wenn diese Fläche 9 nur geläppt ist und ihr Rauhigkeitsgrad die Meßwerte beeinflußt.
Eine Meßkurve wie Kurve 11 erhält man z.B. an einer phosphordotierten Isolatorschicht aus Siliziumdioxid auf einem Siliziumsubstrat. Die dotierte Siliziumdioxid-Schicht ist dabei beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase von Silan und Phosphin in Sauerstoff-Atmosphäre hergestellt, wobei das Silan zu Sauerstoff-Verhältnis beispielsweise 1:10 beträgt. Für die Abscheidung wird eine Temperatur von 350 bis 5000C bevorzugt.
Insbesondere erfolgt die Abscheidung mit einer Abscheidungsrate von 40 bis 100 nm pro Minute.
7 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche Untersuchungsverfahren zur zerstörungsfreien Meßwertbestimmung an einer auf einem Halbleiter-Substratkörper befindlichen Isolatorschicht, wobei bei dem Verfahren Infrarot-Strahlung abweichend von senkrechtem Einfall in die Schicht eingestrahlt wird und von der Grenzfläche zwischen Substrat und Isolatorschicht reflektierte Strahlung von einem Infrarot-Detektor aufgefangen wird, dadurch g e k e n n s e i c h -n e t , daß zur zerstörungafreien quantitativen Bestimmung eines Dotierungsgehaltes der Isolatorschicht (6) das Verhältnis (R1-R2) / (R3-R4) oder Q*=log (R1/R2)/log (R3/R4) ermittelt wird, worin R1 die bei derjenigen Frequenz f1 der Strahlung gemessene Reflexionsintensität ist, die einem auf den Dotierungagehalt zurückzuführenden relativen Reflexionsmaximum entspricht, R2 der einem Reflexionswert entsprechende Wert auf der Basislinie des Reflexionsmaximums für R1 bei der Frequenz f1 ist, R3 die Reflexionsintensität des Reflexionsmaximums für das Grundmaterial der Isolatorschicht (6) bei der Frequenz f2 ist und R4 der einem Reflexionswert entsprechende Wert auf der Basislinie des Reflexionsmaximums für R3 bei der Frequenz f2 ist.
2. Untersuchungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß mit Infrarot-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 4 und 15/um gearbeitet wird.
3. Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 für die Bestimmung des Dotierungsgehaltes in einer Schicht (6) aus Oxyd oder Nitrid.
4. Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 für die Bestimmung des Dotierungsgehaltes in einer Schicht (6) aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
5. Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 oder nach Anspruch 3 oder 4 für die Eestimmung eines Dotierungsgehaltes eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Bor, Phosphor und Arsen.
6. Anwendung nach Anspruch 5 für einen Dotierungsgehalt zwischen 1 und15 Gew.-% des Dotierungselementes, gerechnet auf das Grundmaterial der Schicht.
7. Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 6 bei einer Schicht (6), die sich auf einem Halbleitersubstrat (8) mit höchstens geläppter Rückseite (9) befindet.