DE3932572C2

DE3932572C2 -

Info

Publication number: DE3932572C2
Application number: DE3932572A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. Schinhaerl (Fh), 8440 Straubing, De
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1991-08-22
Also published as: JPH03125452A; US5097214A; DE3932572A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Charak terisierung einer Isolationsschicht, die mit ihrer einen Oberflächenseite mit einem Isolationsträger aus elektrisch leitendem Material verbunden ist, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Insbesondere in der Halbleiterfertigung ist es erforderlich und üblich, die Eigenschaften und dabei speziell das Durch bruchsverhalten von Isolationsschichten zu bestimmen. (Dr. R. Wolters, "On dielectric breakdown in oxidized silicon", Journal Vac. Sci. Technologie, A, Vol. 5, No. 4, S. 1563- 1568). Die entsprechenden Messungen werden an mit der entsprechenden Isolationsschicht versehenen Halbleiter- Kontrollscheiben durchgeführt. Das bisher übliche Verfahren besteht darin, daß zunächst auf die mit der Isolationsschicht versehenen Oberflächenseite der Kontrollscheibe eine Vielzahl von aus elektrisch leitendem Material bestehenden Kontakt flächen aufgebracht werden, welche galvanisch voneinander getrennt sind. Jede Kontaktfläche bildet mit einem elektrisch leitenden Isolationsträger, in diesem Fall mit der Halb leiterscheibe, einen Kondensator. Mittels eines gemeinsamen Anschlusses an den elektrisch leitenden Isolationsträger und einer Elektrode, mit der ein elektrischer Kontakt zu jeder einzelnen Kontaktfläche hergestellt werden kann, wird an jedem Kondensator die Durchbruchsfeldstärke ermittelt. Die statistische Verteilung der so gewonnenen Werte der Durch bruchsfeldstärken läßt dann auf das Durchbruchsverhalten der Isolationsschicht schließen. Dieses Verfahren ist sehr zeitaufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit welchem die Charakterisierung von Isolationsschichten kontaktlos und wesentlich schneller möglich ist. Außerdem soll eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens geschaffen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 9 ausgebildet.

Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches schnell und berührungslos die Charakterisierung der Eigenschaften von Isolationsschichten bzw. die Bestimmung des Durchbruchsver haltens solcher Schichten ermöglicht, besteht darin, daß kontinuierlich Ionen auf die freiliegende Oberflächenseite der jeweiligen Isolationsschicht abgelagert werden und dabei gleichzeitig das sich einstellende mittlere Oberflächen potential ermittelt wird. Solange kein Strom durch die Isolationsschicht fließt, steigt das Oberflächenpotential proportional mit der Zeit an. Mit wachsendem Stromfluß durch die Isolationsschicht wird dieser Anstieg geringer bzw. flacher, bis das Potential der Oberfläche einen Sättigungs wert annimmt. Aus diesem zeitlichen Verlauf ist das Durch bruchsverhalten der Isolationsschicht ersichtlich.

Die Ausgangs-Stromverteilung berücksichtigt bei der Erfindung im wesentlichen die Geometrie und Positionierung der wesent lichen Elemente der Meßanordnung. Bei Halbleiter-Isolations schichten ist der Isolationsträger das Halbleitersubstrat, auf dem die Isolierschicht ausgebildet bzw. erzeugt wurde.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2, die jeweils in schematischer Darstellung eine Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen, näher erläutert.

In den Figuren ist 1 ein elektrisch leitender Isolations träger in Form eines Halbleiterplättchens bzw. einer Halb leiterscheibe. An der in den Figuren oberen Oberflächenseite ist der Isolationsträger 1 mit einer Isolationsschicht 2 versehen, deren Eigenschaften bzw. Durchbruchsverhalten bestimmt werden soll.

Hierfür dient beispielsweise die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung, bei der über der Isolationsschicht 2 eine Elek trode 3 vorgesehen ist, die mit ihrem der Isolationsschicht 2 zugewendeten, spitz zulaufenden Ende 4 einen Abstand von der Oberseite der Isolationsschicht 2 aufweist. Zwischen dem Ende 4 und der Isolationsschicht ist eine aus einem geeigneten metallischen Material hergestellte Blende 5 vorgesehen, die einen vorgegebenen Abstand von der Oberseite der Isolations schicht 2 aufweist und eine Blendenöffnung 6 besitzt, deren Mittelachse senkrecht zur Oberseite der Isolationsschicht 2 und achsgleich mit der Achse der Elektrode 3 liegt.

Der Isolationsträger 1 ist mit seiner unteren Oberflächen seite auf der Oberseite einer elektrisch leitend ausge bildeten plattenförmigen Aufnahme 7 (Meßtisch) gehalten. Die Aufnahme 7 und ein nicht näher dargestellter Halter für die Elektrode 3 und die Blende 5 sind relativ zueinander derart bewegbar, daß zumindest alle interessierenden Bereiche der Isolationsschicht 2 unter der Elektrode 3 bzw. Blende 5 positioniert werden können. Leitungen 8 und 9 verbinden die Blende 5 bzw. die elektrischleitende Oberseite der Aufnahme 7 mit einer Regel- und Meßeinrichtung 10.

Die Elektrode 3 dient als Ionenquelle und wird für den Meßvorgang bzw. für die Bestimmung der Isolationseigen schaften der Isolationsschicht 2 mit einer Hochspannung, beispielsweise mit einer Spannung in der Größenordnung von ca. 5-8 KV derart beaufschlagt, daß diese Elektrode 3 zu einer Koronaentladung angeregt wird. Der hierbei fließende und in seiner Größe durch Änderung des Abstandes des Endes 4 von der Oberseite der Isolationsschicht 2 einstellbare Koronastrom teilt sich auf die beiden Ströme I1 in der Leitung 8 und I2 in der Leitung 9 auf. Die Regel- und Meß einrichtung 10 besitzt u.a. Mittel, um zwischen den beiden Leitungen 9 und 8 eine Spannung U zu erzeugen, deren Größe in der nachfolgend noch näher beschriebenen Weise in Abhängig keit von den Strömen I1 und I2 geregelt wird.

Vor dem Messen der Isolationsschicht 2 wird zunächst anstelle des diese Isolationsschicht aufweisenden Isolationsträgers 1 eine die Isolationsschicht 2 nicht aufweisende, ansonsten jedoch dem Isolationsträger 1 entsprechende Probe auf der Aufnahme 7 plaziert. Nach dem Einschalten der Hochspannungs quelle werden die beiden Ströme I1 und I2 bzw. deren Ver hältnis als Ausgangsstromverhältnis ermittelt.

Bei der anschließenden Charakterisierung bzw. Messung der Isolationsschicht 2 wird die Spannung U von der Regel- und Meßeinrichtung 10 so eingeregelt, daß das ursprüngliche Ausgangsstromverhältnis I1/I2 erhalten bleibt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung U kann dann das Durchbruchs verhalten der Isolationsschicht 2 bestimmt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der von der Regel- bzw. Meßeinrichtung 10′ lediglich der in der Leitung 8 fließende Strom I1 gemessen bzw. erfaßt und in Abhängigkeit hiervon die Spannung U so geregelt wird, daß das ursprüngliche Ausgangs stromverhältnis I1/I2 beibehalten wird. In der zur Masse führenden Leitung 8 ist eine Strommeßeinrichtung 11 vorge sehen, die mit ihrem Ausgang über einen Widerstand 12 einerseits mit einer Kompensationseinrichtung 13 und anderer seits mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 14 verbunden ist, der mit seinem positiven Eingang an Masse liegt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Kompen sationseinrichtung 13 von einem Einstellpotentiometer gebildet, das zwischen Masse und einer konstanten Vorspannung liegt und mit dessen Schleifer der Ausgang der Einrichtung 11 über den Widerstand 12 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 14 ist mit der elektrisch leitenden Aufnahme 7 verbunden.

Für die Einstellung des Ausgangsstromverhältnisses werden die Kompensationseinrichtung 13 bzw. der Schleifer des ent sprechenden Potentiometers so eingestellt, daß der gesamte, von der Einrichtung 11 am Ausgang gelieferte Strom in die Kompensationseinrichtung 13 fließt. Damit ist die durch die Geometrie der Elektrode 3, der Blende 5 sowie der Anordnung dieser Elemente bedingte Stromverteilung auf die beiden Leitungen 8 und 9 berücksichtigt.

Während der Messung der Isolationsschicht 2 wird durch die Einrichtung 11, die Kompensationseinrichtung 13 sowie den Operationsverstärker 14 umfassenden Regelkreis die Spannung U derart nachgeregelt, daß das ursprüngliche Stromverhältnis erhalten bleibt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung U ist wiederum das Durchbruchsverhalten der Isolationsschicht 2 ersichtlich.

Das Verfahren wird bei beiden vorbeschriebenen Anordnungen jeweils in Luft, bevorzugt in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwand lungen möglich sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle der mit der Hoch spannung beaufschlagten Elektrode 3 eine andere, geeignete Ionenquelle, beispielsweise eine solche zu verwenden, bei der die Luft bzw. das Gas der Atmosphäre, in der die Messung durchgeführt wird, mittels einer radioaktiven Strahlung ionisiert wird.

Claims

1. Verfahren zur Charakterisierung einer Isolationsschicht (2), die mit ihrer einen Oberflächenseite mit einem Isolationsträger (1) aus elektrisch leitendem Material verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Oberflächenseite der Isolationsschicht (2) mit Hilfe einer dieser Ober flächenseite gegenüberliegend angeordneten Ionenquelle (3, 4) über eine Zeitperiode in wenigstens einem vorge gebenen Meßbereich mit Ionen beaufschlagt wird, daß eine Spannung (U) zwischen dem Isolationsträger (1) und einer Elektrode (5) , die an dem Meßbereich in einem vorge gebenen Abstand von der anderen Oberflächenseite der Isolationsschicht (2) angeordnet ist, so geregelt wird, daß eine Ausgangs-Stromverteilung (I1/I2) zwischen dem Strom der Elektrode (5) und des Isolationsträgers (1) erhalten bleibt, und daß aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung (U) die Eigenschaften der Isolationsschicht (2) bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der gesamten Isolationsschicht (2) oder eines größeren Bereiches dieser Isolationsschicht (2) der Meßbereich relativ zur Isolationsschicht (2) bewegbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (3, 4) sowie die Elektrode (5), einer seits, und die Isolationsschicht (2) sowie der Isola tionsträger (1), andererseits, relativ zueinander bewegt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet daß es in Luft oder in einer Schutz gasatmosphäre durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrode eine Blende (5) mit Öffnung (6) verwendet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionenquelle wenigstens eine mittels einer Hochspannung zu einer Koronaentladung angeregte Elektrode (3, 4) verwendet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Elektrode (5) und dem Isolationsträger (1) anliegende Spannung (U) von einer Regel- und Meßeinrichtung (10, 10′) selbsttätig zur Aufrechterhaltung der Ausgangs-Stromverteilung (I1/I2) nachgeregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangs-Stromverteilung (I1/I2) diejenige Stromverteilung verwendet wird, die bei einer Messung ermittelt wird, bei welcher anstelle der Isola tionsschicht (2) eine Schicht aus elektrisch leitendem Material verwendet ist.

9. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Aufnahme (7) für einen die Isolationsschicht (2) aufweisenden Isolationsträger (1), mit einer Meßein richtung (10, 10′) sowie mit einer mit dieser Meßein richtung (10, 10′) verbundenen Elektrode (5), dadurch gekennzeichnet, daß in einem vorgegebenen Abstand der Aufnahme (7) bzw. der dieser Aufnahme (7) abgewandten Oberflächenseite der Isolationsschicht (2) gegenüber liegend eine Ionenquelle (3, 4) vorgesehen ist, daß die Elektrode (5) mit vorgegebenem Abstand von der der Aufnahme (7) abgewandten Oberflächenseite der Isolationsschicht (2) zwischen dieser und der Ionenquelle (3, 4) angeordnet ist, und daß die Meßeinrichtung eine Regel- und Meß einrichtung (10, 10′) ist und Mittel (11, 12, 13, 14) aufweist, um zwischen der Elektrode (5) und der Aufnahme (7) eine Spannung (U) zu erzeugen und diese so zu regeln, daß eine Ausgangs-Stromverteilung (I1/I2) zwischen einem von der Elektrode (5) an die Meßeinrichtung (10, 10′) fließenden Strom und einem von der Aufnahme (7) an die Meßeinrichtung (10, 10′) fließenden Strom erhalten bleibt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (3, 4) sowie die Elektrode (5), einer seits und die Aufnahme (7), andererseits relativ zuein ander bewegbar sind.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, daß die Elektrode eine Blende (5) mit Öffnung (6) ist.

12. Anordnung nach einem der Anordnung 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle von wenigstens einer mittels einer Hochspannung zu einer Koronaentladung anregbaren Elektrode (3, 4) gebildet ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (10′) eine Spannungsquelle (14) aufweist, die die Spannung (U) zwischen der Aufnahme (7) und einem Bezugspotential, bevorzugt der Gerätemasse erzeugt, und daß die Meßein richtung (10′) in einem von der Blende (5) zu diesem Bezugspotential führenden Leitungsweg (8) eine Strommeß einrichtung (11) zur Messung des in diesem Leitungsweg (8) fließenden Stromes aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (14) von einer Verstärkereinrichtung, vorzugsweise von einem Operationsverstärker (14) gebildet ist, dessen Eingang an den Ausgang der Strommeßein richtung (11) sowie an den Ausgang einer Kompensations einrichtung (13) zur Einstellung der Ausgangsstromver teilung angeschlossen ist.