DE4328083A1

DE4328083A1 - Verfahren zur mikroskopischen Messung von Topographie und lateralen Potentialverteilungen an einer Oberfläche mit einer Feldeffektanordnung

Info

Publication number: DE4328083A1
Application number: DE19934328083
Authority: DE
Inventors: Ignaz Eisele; Bertrand Flietner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1994-03-31

Description

Vielfältige Verfahren zur Bestimmung der Topographie, der lateralen Verteilung der Austrittsarbeit, der Kontaktpotentialdifferenzen und verschiedener halbleiterspezifischer Oberflächenparameter (Grenzflächenzustandsdichte etc.) sind bekannt. Genannt seien aus der Vielfalt der Methoden das Raster- Tunnel Mikroskop, das Atom-Kraft Mikroskop und die Kelvinsonde. Mit derartigen Verfahren ist eine Bestimmung der genannten Parameter entweder mit einer Auflösung im atomaren Bereich oder aber im Millimeterbereich möglich. Der mögliche Scanbereich für eine interessierende Oberfläche ist dementsprechend stark unterschiedlich und damit auch die Zeit, um eine bestimmte gegebene Oberfläche mit einer gegebenen minimalen Auflösung untersuchen zu können. Man kann mit derartigen Verfahren im wesentlichen nur mit einem steuerbaren (vertikal und lateral) Meßkopf arbeiten und benötigt dementsprechend eine lange Zeit, um eine große Oberfläche abzuscannen, oder man hat, wie bei der gewöhnlichen Kelvinsonde, nur eine sehr grobe laterale Auflösung. Im besonderen ist es bisher nicht möglich, eine Fläche von ca. 100 cm² (etwa einem 4′′ Wafer entsprechend) innerhalb weniger Minuten mit einer Auflösung bis in den sub-µm Bereich hinunter auf Topographie und Kontaktpotentialdifferenz hin abzuscannen. Diese Lücke kann durch die oben angeführte Erfindung geschlossen werden.

Eine Struktur, die den genannten Ansprüchen genügt, ist in Bild 1 schematisch dargestellt. Hier ist eine lateral und vertikal bewegliche (1) Feldeffektstruktur in geringem Abstand oberhalb der zu untersuchenden Oberfläche (2) angeordnet. Die Feldeffektstruktur ist wie eine gewöhnliche MOSFET-Struktur aufgebaut.

In einem hochohmigen Siliziumsubstrat (3) befinden sich hochdotierte, niederohmige Source-Drain Gebiete (4). Eine weitere Implantation gewährleistet die Isolation der beiden Gebiete voneinander. Das Kanalgebiet (5) ist die einzige leitende Verbindung der beiden Gebiete (Transistor "normally on"). Passiviert wird die Halbleiteroberfläche durch thermisches Oxid (6) und ein LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) Nitrid (7). Substrat (3) und Source-Drain Gebiete (4) sind rückseitig kontaktiert (8). Das Substrat (3) wird elektrisch leitend mit der Oberfläche (2) verbunden, letztere bildet damit die Gateelektrode einer MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) Struktur. Ein Teil des Isolators wird durch den Luftspalt gebildet. Der Struktur fehlt im Vergleich zur gewöhnlichen MOSFET Struktur die Gatemetallisierung, bzw. diese Gatemetallisierung ist während der Messung nicht angeschlossen. Derartige Strukturen sind als ISFETs Stand der Technik.

Wenn eine derartige Feldeffektstruktur lateral über eine unterschiedlich strukturierte Oberfläche mit verschieden dotierten Bereichen (9), verschiedenen Metallbelegungen oder unterschiedlichen Schichtdicken (10) bewegt wird, ist es möglich, die Topographie (Unebenheiten der Oberfläche verändern bei gleichbleibendem Abstand die Luftspalthöhe) und die verschiedenen Kontaktpotentialdifferenzen an der Oberfläche nachzuweisen. Voraussetzung hierfür ist eine leitende Verbindung der zu untersuchenden Oberfläche (z. B. bei Wafern ein Rückseitenkontakt) mit dem Substrat der Feldeffektstruktur. Die Oberfläche darf nicht von einer zu dicken isolierenden Schicht bedeckt sein, da bei geringeren Kapazitäten zwischen Feldeffektstruktur und Oberfläche der Einfluß einer Austrittsarbeitsdifferenz oder einer topologischen Unebenheit der Oberfläche auf die elektrische Charakteristik des durch Feldeffektstruktur und Oberfläche gebildeten Feldeffekttransistors abnimmt (Bild 1).

Die Luftspalthöhen bzw. die Topographie und die verschiedenen Potentiale (Austrittsarbeiten) an der Oberfläche ergeben sich aus der elektrischen Charakteristik des aus Feldeffektstruktur und Oberfläche gebildeten Feldeffekttransistors mit Luftspalt. Aus der Steilheit des Transistors ergibt sich die Kapazität bzw. die Luftspalthöhe und bei konstant gehaltenem Abstand aus der Einsatzspannungsverschiebung die Austrittsarbeitsverteilung an der Oberfläche.

Laterale und vertikale Auflösung werden durch den gewählten Abstand zwischen Feldeffektstrukturoberfläche und zu untersuchender Oberfläche sowie die lateralen Abmessungen der Feldeffektstruktur (Breite des p-n-Überganges, Breite und Länge des Kanales) festgelegt und können im sub-µm Bereich liegen. Speziell ist es möglich, durch Differentiation der Meßkurven eine verbesserte laterale Auflösung zu erreichen, die dann wesentlich weniger von Breite und Länge des Kanalbereiches und mehr von der Verschmierung des p-n Überganges abhängt.

Ein wesentlicher Vorteil der Feldeffektstruktur besteht darin, daß diese miniaturisierbar sind (bis in den sub-µm Bereich) und mit einer on-Chip integrierten Verstärker- und Auswerteschaltung verknüpft werden können. Damit sind auch FET-Signale von sub-µm FETs noch auswertbar. Die Scangeschwindigkeit wird in diesem Fall durch die Mechanik und die on-Chip Elektronik beschränkt. Ein weiterer Vorteil dieser Methode besteht darin, daß es möglich ist, sehr viele dieser Feldeffektstrukturen samt Auswerteelektronik nebeneinander auf einer Fläche anzuordnen und somit nach Annäherung sehr viele Punkte gleichzeitig erfassen zu können (Bild 2). In Bild 2 ist ein Halbleiterchip (1) mit sehr vielen, wie zu Bild 1 beschriebenen Feldeffektstrukturen (2) auf der Oberfläche dargestellt. Gegenüber befindet sich die zu vermessende Oberfläche (3), die mit dem Substrat der Halbleiterstruktur über den Rückseitenkontakt (4) leitend verbunden ist. Die Kontaktierung der Feldeffektstrukturen bzw. der Auswerteelektronik erfolgt wiederum rückseitig (4). Auf der Oberfläche befinden sich Unebenheiten (5) und verschieden dotierte Gebiete (6), die mit den Feldeffektstrukturen erfaßt werden können.

Die für das Abscannen der Oberfläche notwendige Zeit verringert sich dann von der Zeit die mit einer Feldeffektstruktur benötigt wird um einen Faktor 1/N, mit N der Anzahl der Feldeffektstrukturen auf einem Meßkopfchip. Um eine sehr große Fläche, z. B. einen 5-Zoll Wafer, abzuscannen, kann man, abhängig von der Topologie und Welligkeit der verwendeten Substrate, entweder mehrere lateral versetzte, unabhängig voneinander bewegliche Meßköpfe auf die zu untersuchende Oberfläche absenken und dann auf dieser seitlich verfahren, oder aber einen Gesamtwafer in der gleichen Größe wie der zu untersuchende mit den entsprechenden Feldeffektstrukturen verwenden. Es ist damit entweder eine Stichprobenmessung oder die bildhafte Wiedergabe der Gesamtoberfläche möglich.

Dieses Verfahren kann sowohl kontaktlos verwendet werden, außer einem rückseitigen Kontaktieren der zu vermessenden Probe sind keine Kontakte notwendig, oder aber die Feldeffektstruktur kann zwischen dem seitlichen Verfahren immer wieder auf der Oberfläche abgesetzt werden. Damit werden auch Messungen in der Art einer C(U) Messung mit sehr guter lateraler Auflösung möglich. Eine Eichung der Meßkopffeldeffektstrukturen ist hierbei jedoch notwendig. Grenzflächenzustände an einer beliebigen präparierten Halbleiteroberfläche und Bias-Temperature-Streß Untersuchungen von Oxiden sind sowohl im Kontakt als auch mit geringerer Genauigkeit in einem geringen Abstand zur Oberfläche möglich.

Die Scangeschwindigkeit wird durch die Mechanik für laterale und vertikale Bewegung und die elektronische on-Chip Verarbeitung der Meßwerte begrenzt. Da durch viele nebeneinanderliegende Strukturen der gesamte laterale Versatz nur sehr gering sein muß, ist die Verarbeitung u. U. sogar durch die prinzipiell sehr schnelle elektronische Verarbeitung begrenzt. Die Auslesung der optional auf dem Meßchip vorverarbeitbaren Meßwerte kann seriell geschehen, wodurch nur einige wenige rückseitige Durchkontaktierungen, wie für ISFETs üblich, notwendig sind.

Daß derartige Feldeffektstrukturen mit Luftspalten gut zur Detektion von Austrittsarbeitsdifferenzen geeignet sind, ergibt sich aus Bild 3. Hier ist die Änderung der Austrittsarbeit bei einer Gasreaktion von Wasserstoff an einer Platinoberfläche, sowohl mit einem Feldeffekttransistor mit Luftspalt (HSGFET) (1) als auch mit einer Kelvinsonde (2) gemessen worden. Das Meßprogramm (3) war wie folgt: 5 mal 100 ppm Wasserstoff in synthetischer Luft (SL) gefolgt von Konzentrationsstufen 30, 50, 100, 170, 250 ppm Wasserstoff. Zwischen den Messungen wurde mit SL gespült. Auf der x-Achse (4) ist die Zeit in Minuten und auf der y-Achse die Austrittsarbeitsänderung in Elektronenvolt aufgetragen. Beide Signale zeigen übereinstimmende Ergebnisse. Die Luftspalthöhe des HSGFET betrug 1 µm. Es können, je nach Luftspalthöhe, Austrittsarbeitsänderungen bis hinunter zu 1. . .2 meV und Höhendifferenzen des Luftspaltes bis zu 20 nm nachgewiesen werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von Potentialverteilungen an einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialverteilungen mit Hilfe einer über der Oberfläche befindlichen Feldeffektanordnung bestimmt werden.

2. Verfahren zur Bestimmung von Halbleiteroberflächenparametern wie z. B. Lebensdauer, Zustandsdichte, Dotierung, ausgenommen Potentialdifferenzen, an einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter mit Hilfe einer über der Oberfläche befindlichen Feldeffektanordnung bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch (2), dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Verteilung der Parameter auf der Oberfläche durch eine über der Oberfläche befindliche Feldeffektstruktur bestimmt wird.

4. Verfahren zur Bestimmung des Höhenprofils einer Oberfläche, einschließlich der auf der Oberfläche befindlichen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstruktur durch eine über der Oberfläche befindliche Feldeffektstruktur bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch (1) bis (4) dadurch gekennzeichnet, daß eine laterale Verteilung der gemessenen Eigenschaften an der Oberfläche durch eine relative Bewegung von Feldeffektstruktur und Oberfläche zueinander ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch (1) bis (4) dadurch gekennzeichnet, daß eine laterale Verteilung der gemessenen Eigenschaften der Oberfläche durch viele lateral versetzt angeordnete Feldeffektanordnungen ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch (1) bis (6) dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche vermessen wird, indem die nebeneinander angeordneten Feldeffektstrukturen relativ zur Oberfläche bewegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch (1) bis (6) dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung der gewonnenen Daten gleich auf dem Halbleiterbauelement, welches auch die Feldeffektstruktur beinhaltet, erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch (1) bis (6) dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung des mit der Feldeffektstruktur verbundenen Halbleiterbauelementes rückseitig erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch (1) bis (6) dadurch gekennzeichnet, daß die Auslesung der auf dem Halbleiterbauelement gewonnenen Daten mehrerer Feldeffektanordnungen seriell erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch (1) bis (6) dadurch gekennzeichnet, daß das nach der Messung sich ergebende elektronische Bild mit einem vorgegebenen Muster verglichen wird und damit Unterschiede und Fehler auf der gemessenen Oberfläche festgestellt werden (Qualitätssicherung).