DE4300503C1 - Verfahren und Anordnung für das Ladungsträgerprofiling in Halbleiterstrukturen mittels AFM-Aufbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Ermittlung der vertikalen und la­ teralen Ladungsträgerverteilung bzw. der Dotierungsprofile in Halbleiterproben, allgemein als Profiling bezeichnet.

Für die Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es wichtig, die Ladungsträgerverteilung und die Verläufe von Dotierungskonzentrationen des Halbleitermaterials zu kennen. Dabei sind sowohl die Tiefenverläufe als auch das laterale Auflösungsvermögen von Interesse. Hierfür sind verschiedene Verfahren und Geräte bekannt geworden. Klassi­ sche Profilingmethoden sind z. B. SIMS (Secundary Ion Mass Spectrometry), SR (Spreading Resistance), SH (Stripping Hall) und CVM (Capacitance Voltage Method). Diese Methoden haben mit Ausnahme der SR-Methode den Nachteil, daß ihre laterale Auflösung im mm-Bereich liegt und damit sehr grob ist. Bei der SR-Methode, bei der die Messung über eine Ab­ tastnadel erfolgt, besteht der Nachteil, daß der Kontakt zwischen der Abtastnadel und dem zu untersuchenden Halblei­ ter sehr materialabhängig und stark von der Oberflächenbe­ schaffenheit abhängig ist. Die SR-Methode wird weitestge­ hend nur bei der Untersuchung von Siliziumproben beherrscht.

Bekannt sind weitere Mikroskopieverfahren, die mit feinen Nadeln arbeiten. Bekannt sind insbesondere STM (Scanning Tunneling Microscopy), AFM (Atomic Force Microscopy) und SCM (Scanning Capacitor Microscopy). Bei diesen sind bei ge­ eigneter Probenpräparation laterale sowie auch vertikale Auflösungen von einigen Zehntel Nanometern bis zu einigen 10 nm möglich. Diese Methoden haben jedoch die nachfolgend aufgeführten Nachteile.

Bei der STM wird im konstanten Abstand mit einer feinen Spitze über die Probe gerastert und die lokale Strom-Span­ nungskennlinie aufgenommen. Wird ein Schrägschliff oder eine Kante untersucht, so ist die Austrittsarbeit für Elektronen von der lokalen Bänderverbiegung an der Oberflä­ che abhängig, die wiederum in die Strom-Spannungscharakteri­ stik einfließt. Die wesentlichste Fehlerquelle dieser Methode besteht in der fehlenden direkten Information über den tatsächlichen Abstand zwischen der Spitze und der Probe, so daß Temperaturschwankungen und Unebenheiten die Strom-Spannungs-Kennlinien erheblich beeinflussen können.

Bei einer AFM-Anordnung ist an einem Abtastbalken eine Ab­ tastspitze vorhanden, die sich im Ruhezustand in einem bestimmten Abstand zur Probe befindet. Für die Messung wird der Abtastbalken mit einem seiner möglichen Resonanzfrequen­ zen in Schwingung versetzt. Die Bewegung der Spitze wird mit Hilfe eines Lasers, der auf den reflektierenden Abtast­ balken fokussiert ist, erfaßt. Verschiebungen der Resonanz­ frequenz aufgrund von Kraftgradienten zwischen der Spitze und der Probe verursachen Veränderungen der Amplitude der Schwingung, die in einer optischen Feedback-Schleife zur Konstanthaltung des Abstandes Spitze-Probe genutzt werden.

Zur Anwendung der AFM-Anordnung als Profiler, ist es be­ kannt, (M.P.O′ Boyle, et al, Advances in Dopant Profiling by Atomic Force Microscopy; Proceedings of the First International Workshop on the Measurement and Characterisation of Ul­ tra-Shallow Doping Profiles in Semiconductors (1991) und J. Vac. Sci. Technol. B, Bd. 9, 1991, Nr. 2, S. 703-706) an die Spitze eine kleine Gleichspannung von 1 bis 2 Volt zu legen, die fit einer Wechselspannung von einigen 100 Millivolt überlagert wird, um die Spitze in mechanische Schwingungen bei einer anderen Resonanzfrequenz des Abtast­ balkens zu versetzen. Die normalerweise stets vorhandene Oberflächenraumladungszone wird dadurch um ihren Gleichge­ wichtszustand herum moduliert und damit eine, differentielle Kapazität erzeugt.

Über die Messung dieser Größe läßt sich nur die oberflächen­ nahe Dotierung für weitestgehend homogen dotierte Halblei­ ter bestimmen. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten realisierten Lösung dieser Methode besteht darin, daß bisher keine geeigneten Auswertealgorithmen vorliegen. Die vereinfachten Annahmen eines Plattenkondensator führen zu erheblichen Fehlern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Ladungsträ­ gerprofiling mittels AFM-Aufbau eine laterale Auflösung von einigen 10 nm und eine Tiefenauflösung im Subnanometer-Bereich zu erzielen, wobei die Meßergebnisse ohne Schwierigkeiten auswertbar sein sollen.

Erfindungsgemäß wird das entsprechend dem Anspruchs 1 bei einem Verfahren für das Ladungsträgerprofiling in Halbleiterstrukturen, bei dem wie bei der AFM(Atomic Force Microscopy) eine an einem Abtastbalken befindliche Abtastna­ del, die beide das Abtastsystem bilden, zunächst auf einen vorbestimmten Abstand zu einer zu untersuchenden Probe ein­ justiert wird, bei dem das Abtastsystem elektrisch leitend ist und die Balkenverbiegung mit einer optischen Anordnung gemessen wird, dadurch erreicht, daß das für Hochfrequenzansteuerung ausgestaltete Abtastsystem durch elektri­ sche Impulse, die so kurz sind, daß eine Berührung zwischen Abtastnadel und Probe vermieden wird, mit in einem weiten Bereich einstellbarer und variabler Amplitude in Schwingung versetzt wird, und daß zur Erzeugung von in weiten Grenzen unterschiedlich gestalteter Raumladungszonen in den Halbleiterstrukturen Impuls­ amplitude und -form variiert werden.

Die hinreichend kurzen Impulse liegen im Bereich von eini­ gen Nanosekunden bis zu einigen 10 Mikrosekunden. Durch die Anwendung derart kurzer Impulse wird das unterschiedliche Zeitverhalten des Abtastsystems und der Raumladungszone für die Bestimmung des Ladungsträgerprofils ausgenutzt. Die charakteristischen Zeitkonstanten für das dynamische Verhal­ ten der Raumladungszone und des Abtastsystems sind sehr unterschiedlich. Der Bereich der maximalen Impulsamplitude kann sich deshalb in Abhängigkeit von der Impulsdauer von einigen Volt bis in den 100 Volt-Bereich erstrecken. Auch bei einer so hohen Spannung schwingt das Abtastsystem nur kurz an, ohne daß die Gefahr der Berührung zwischen Abtast­ spitze und der zu untersuchenden Probe besteht. Anderer­ seits erstreckt sich die Raumladungszone wesentlich tiefer als bei niedrigeren Spannungen.

Die Schwingamplituden stehen in direktem Zusammenhang mit den auf die Abtastnadel wirkenden elektrischen Kräften, die sich ihrerseits aus den durch die Ansteuerimpulse induzier­ ten Raumladungszonen im Halbleiter ergeben. Durch die unterschiedlich gestalteten Raumladungszonen kann ein vertikales Dotierungsprofil bis zu einigen 100 nm Tiefe ermittelt werden.

Die Impulsform kann beliebig sein. Durch unterschiedliche Impulsformen läßt sich gezielt ein bestimmtes Bewegungsspek­ trum der Abtastnadel erzeugen.

Es ist zweckmäßig, daß die Impulse im Nulldurchgang der Ab­ tastnadel angelegt werden. Der Nulldurchgang entspricht der vorher eingestellten Ruhelage der Abtastnadel. Dadurch wird die Auswertung der Messung erleichtert.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, lateral das Dotierungs­ profil einer Halbleiterprobe bis zu einigen 100 nm Tiefe ab­ zuscannen. Die laterale Auflösung liegt hierbei zwischen einigen 10 nm und maximal 300 nm. Damit ist es möglich, moderne Wafer mit selektiv ionenimplantierten Inseln zu charakterisieren. Liegen pn- oder Heteroübergänge in der Tiefe, so müssen diese durch Schrägschliff freigelegt werden.

Das Verfahren ist mit einer Anordnung durchführbar, die einen AFM-Aufbau hat, dem ein Im­ pulsgenerator zugeordnet ist, und der AFM-Aufbau hat ein für elektrische Hochfrequenzansteuerung modifiziertes Abtastsystem.

Die Modifizierung des Abtastsystems besteht im wesentlichen darin, daß es für die Hochfrequenzansteuerung mit einer ka­ pazitäts- und induktivitätsarmen Koaxial- oder Streifenlei­ tung mit definiertem Abschluß versehen ist.

Da ein AFM-Aufbau benutzt wird, ist mit dieser Anordnung grundsätzlich auch ein Oberflächenprofiling wie mit einem bekannten Atomic Force Microscope möglich.

Claims (7)

1. Verfahren für das Ladungsträgerprofiling in Halbleiter­ strukturen, bei dem wie bei der AFM (Atomic Force Micros­ copy) eine an einem Abtastbalken befindliche Abtastnadel, die beide das Abtastsystem bilden, zunächst auf einen vorbestimmten Abstand zu einer zu untersuchenden Probe einjustiert wird, bei dem das Abtastsystem elektrisch leitend ist und die Balkenverbiegung mit einer optischen Anordnung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das für Hochfrequenzansteuerung ausgestaltete Abtastsy­ stem durch elektrische Impulse, die so kurz sind, daß eine Berührung zwischen Abstastnadel und Probe vermieden wird, mit in einem weiten Bereich einstellbarer und variabler Amplitude in Schwingung versetzt wird, und daß zur Erzeu­ gung von in weiten Grenzen unterschiedlich gestalteter Raumladungszonen in den Halbleiterstrukturen Impulsamplitu­ de und -form variiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hinreichend kurzen Impulse im Bereich von einigen Nanosekunden bis zu einigen 10 Mikrosekunden liegen.

3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bereich der maximalen Impulsamplitude von einigen Volt bis in den 100 Volt-Be­ reich erstreckt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer bestimmten Bewegungscharakteristik der Abtastnadel die Impulsform verändert wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse im Nulldurchgang der Nadel angelegt werden.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach minde­ stens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, AFM-Aufbau benutzt wird, dem ein Impulsgenerator zugeordnet ist, und daß der AFM-Aufbau ein für elektrische Hochfrequenzansteuerung modifiziertes Abtastsystem hat.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastsystem für die Hochfrequenzansteuerung mit einer kapazitäts- und induktivitätsarmen Koaxial- oder Streifen­ leitung mit definiertem Abschluß versehen ist.