DE69418842T2

DE69418842T2 - Apparat zur Messung der Oxidladung auf Halbleiterscheiben und Methode zur Herstellung einer Sonde für den vorerwähnten Apparat

Info

Publication number: DE69418842T2
Application number: DE69418842T
Authority: DE
Inventors: Roger Leonard Verkuil
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2014-11-25
Also published as: JPH07209376A; EP0660387A3; EP0660387B1; JP2587204B2; US5767691A; EP0660387A2; DE69418842D1; US5500607A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von elektrischen Eigenschaften in einem Halbleiterwafer und spezieller auf die Messung der elektrischen Eigenschaften einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleiterwafer.

Erörterung des Standes der Technik

Die Bestimmung von elektrischen Eigenschaften einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleiterwaferkörper ist ein kritischer Faktor bei der Herstellung derartiger Wafer, wie auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist. Messungen wie zum Beispiel Messungen der dielektrischen Bruchspannung, der Stärke des dielektrischen Feldes, des zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchs und der Oxidladung werden typischerweise dadurch ausgeführt, dass zuerst Metall-Mesas oder Mesas aus dotiertem Polysilicium über der dielektrischen Schicht hergestellt werden, die als elektrische Kontakte dienen, an welche Messsonden angelegt werden können. Die Metall-Mesas oder -punkte bilden zusammen mit der dielektrischen Schicht und dem Substrat eine Metalloxid-Halbleiter(MOS)-Struktur. Die Herstellung der Me tall-Mesas ist ein zeitaufwendiger und kostenintensiver Vorgang. Er beinhaltet typischerweise die selektive Aufdampfung von Aluminiummetallpunkten auf der dielektrischen oder Oxidschicht ebenso wie die Aufdampfung einer deckenden Aluminiumschicht auf der Rückseite des Wafers. Hinsichtlich der letzteren muss zuerst jegliches Oxid auf der Rückseite der Wafer vor der Aufdampfung des rückseitigen Aluminiums von der Rückseite des Wafers abgelöst werden. Im allgemeinen wird eine Metallmaske mit einem Feld von Öffnungen mit verschiedenen Abmessungen unmittelbar vor dem Wafer positioniert, um festzulegen, wo während der Aluminiumaufdampfung Punkte gebildet werden. Dann wird ein Sinter- und Legierungsprozess ausgeführt, um Grenzflächenzustandsladungen an der Oxid/Silicium-Grenzfläche zu reduzieren und um den Kontaktwiderstand zwischen dem rückseitigen Aluminium und dem Silicium zu reduzieren. Ein weiterer Nachteil dieser Technik besteht in ihrer Invasivität in die Waferstruktur, was zu Ungenauigkeiten führt, die in elektrische Messungen einfließen.
Zusätzlich zu dem obigen sind MOS-Kapazitäts-Spannungsmessungen (C-V) sehr nützlich für eine Charakterisierung von festen, beweglichen und Oberflächenzustandsladungen; für eine Vielzahl von Ladungsmessungsanforderungen kann jedoch das herkömmliche MOS-Verfahren unpraktikabel teuer und beschwerlich sein. Für MOS-Ladungsmessungen auf Monitorwafern beinhaltet die Probenherstellung typischerweise vorderseitige Aluminiumpunkte und rückseitiges deckendes Aluminium. Eine derartige Probenherstellung ist kostenintensiv, zeitaufwendig und zerstörend. Außerdem stellt für die MOS-Ladungsüberwachung auf Produktwafern eine äußerst erwünschte Eigenschaft, nämlich in der Lage zu sein, willkürliche Stellen in nahezu jeder beliebigen Prozessstufe zu testen, keine durchführbare Möglichkeit dar.
Im US-Patent 5 023 561 mit dem Titel "Apparatus and Method For Non-invasive Measurement of Electrical Properties of a Dielectric Layer in a Semiconductor Wafer", das auf Solid State Measurements, Inc. übertragen ist und am 11. Juni 1991 erteilt wurde, ist eine Vorrichtung offenbart, die eine Sondenspitze mit einem gleichmäßig ebenen Kontaktbereich beinhaltet. Die Metallsonde des '561 Patents wird zum Kontaktieren einer dielektrischen Schicht auf einem Wafer verwendet, um C-V-Messungen für Bestimmungen dielektrischer Ladungen zu erhalten. Um die Verwendung einer Sondenelektrode für "MOS-artige" Messungen bezüglich MOS zu vergleichen, jedoch noch zu unterscheiden, wird der Ausdruck Sonden-Oxid-Halbleiter (im folgenden "POS") im gesamten Text dieser Beschreibung verwendet. Die Geometrie und die Betriebsbedingungen der '561 Metall-POS- Sonde beinhalten eine extrem ebene Geometrie und einen vergleichsweise niedrigen, nicht deformierenden Druck in der Größenordnung von 10 psi (1 psi = 6.894 Pa), wobei der niedrige Druck ein geeigneter Druck zur Vermeidung einer Schädigung der Testprobenoberfläche ist. Die ebene Geometrie der '561 Metall- POS-Sonde weist eine scharfe Kante auf, die, wenn beim Kontaktieren des Dielektrikums eine übermäßige Kraft an die Sonde angelegt würde, die Wahrscheinlichkeit dafür erhöhen würde, dass in der dielektrischen Schicht eine Schädigung oder ein Brechen auftritt. Für einen zunehmend geringeren Dickenbereich der dielektrischen Schicht in der Größenordnung von 10 nm bis 50 nm (100 Å bis 500 Å), der gegenwärtig in CMOS-Technologien verwendet wird, ist die '561 Metall-POS-Sonde nicht gut geeignet. Zum Beispiel müsste im Fall eines 10 nm dicken Dielektrikums der effektive Luftspalt zwischen der '561 Sondenspitze und der Oberfläche des Dielektrikums für eine C-V-Charakteristik kleiner als 0,3 nm sein, um einen Fehler von weniger als 10% zu haben. Dies ist schwierig zu erreichen, selbst mit einer perfekt ebenen Sonde, da 0,3 nm in der Größenordnung der Oberflächenrauhigkeit der im Test befindlichen Oxid- oder dielektrischen Schicht liegen kann. Um jegliche Oberflächenrauhigkeit bei Verwendung der '561 Sonde zu kompensieren, kann ein höherer Druck angelegt werden, um jegliche kleinen Luftspalte zu schließen; die resultierende mechanische Spannung nahe der scharfen Kante der ebenen Sonde erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit einer Oberflächenschädigung der Testprobe beträchtlich. Außerdem beinhaltet die '561 POS-Testsonde einen Polierprozess, für den keine hohe Wiederholbarkeit gegeben ist, zur Verwendung bei der Herstellung derselben, was zu erhöhten Schwankungen zwischen Sonden führt.
Somit wird ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung benötigt, die zur Erzielung von MOS-C-V-Messungen gut geeignet sind, ohne die Probleme, Schwierigkeiten und Beschränkungen, wie oben erörtert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten POS-Sonde und eines Verfahrens zur Herstellung derselben, um die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer POS-Sonde und eines Verfahrens zur Herstellung derselben für verbesserte POS-Messungen durch eine verbesserte Ankopplung an ein Dielektrikum, das gemessen wird. Gemäß der Erfindung werden eine Sonde sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitgestellt, wie in den Ansprüchen 1 und 3 definiert. Die Sonde ist für Sonden-Oxid-Halbleiter(POS) -Messungen elektrischer Eigenschaften einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat geeignet und wird aus einer elektrisch leitfähigen Sondennadel hergestellt, wobei die Nadel ein abgerundetes Spitzenende mit einem ersten Radius aufweist und das abgerundete Spitzenende des weiteren dazu geeignet ist, eine plastische Deformation zu erfahren. Die Nadel ist über der dielektrischen Schicht auf dem Halbleitersubstrat positioniert und die Nadelspitze wird in einer kontrollierten Weise auf die glatte Oberfläche der dielektrischen Schicht gedrückt, um zu bewirken, dass die Nadelspitze eine plastische Deformation erfährt, bei welcher ein äußerer Bereich des abgerundeten Spitzenendes bei dem ersten Radius gehalten wird und ein innerer Bereich des abgerundeten Spitzenendes auf einen zweiten Radius vergrößert wird, wobei der zweite Radius größer als der erste ist, um somit die Sondennadel der vorliegenden Erfindung zu bilden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehende und weitere Lehren der vorliegenden Erfindung werden durch eine detaillierte Beschreibung der besten Ausführungsform der Erfindung offensichtlicher, wie sie unten angegeben ist. In der folgenden Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Fig. 1 einen ersten Schritt bei der Herstellung einer Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 einen zweiten Schritt bei der Herstellung einer Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Präparation für eine C-V-Messung zeigt;
Fig. 4 eine Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung während einer C-V-Messung zeigt;
Fig. 5 eine C-V-Messung zeigt, die eine Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet; und
Fig. 6 illustrativ für Messergebnisse ist, die bei Verwenden einer Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden, im Vergleich zu Ergebnissen, die unter Verwendung eines herkömmlichen MOS-C-V-Verfahrens erzielt werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nunmehr bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2, beginnt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Sonde, die für POS-Messungen elektrischer Eigenschaften geeignet ist, mit der Bereitstellung einer elektrisch leitfähigen Sondennadel 10. Die Nadel 10 ist durch ein abgerundetes Spitzenende 12 mit einem ersten Krümmungsradius R1 charakterisiert, wobei das abgerundete Spitzenende 12 dazu geeignet ist, eine gewünschte plastische Deformation zu erfahren, d. h. eine permanente Deformation, wie im folgenden detaillierter erläutert wird. Die Nadel 10 beinhaltet vorzugsweise ein stabiles, korrosionsbeständiges Metall und weist des weiteren mechanische Eigenschaften auf, die für eine plastische Deformation sorgen. Eine derartige Nadel kann eine Sondennadel aus Wolfram umfas sen, wie sie von Moser Jewel Company, Perth Amboy, New Jersey, kommerziell erhältlich sind. Typische Abmessungen für die Nadel 10 können zum Beispiel eine Längenabmessung in der Größenordnung von einem (1) Inch (1 Inch = 2,54 cm), eine Querschnittsabmessung mit einem Durchmesser in der Größenordnung von achtundzwanzig (28) Milli-Inch (1 Milli-Inch = 25 um) entlang eines Hauptteiles derselben, einen sich verjüngenden Abschnitt mit einer Verjüngung in der Größenordnung von zehn (10) Grad und eine abgerundete Spitze mit einem Krümmungsradius in der Größenordnung von einem halben (0,5) Milli-Inch (oder, in Mikrometer ausgedrückt, 12,5 um) umfassen. Andere Abmessungen, die für die Anforderungen einer speziellen POS- Messanwendung geeignet sind, können nach Bedarf verwendet werden. Es ist zu erwähnen, dass gegenwärtig kommerziell erhältliche Sondennadeln aus Wolfram für die Zwecke der Durchführung von elektrischen POS-Charakterisierungsmessungen unzulänglich sind, das heißt, sie funktionieren aufgrund ihrer nicht optimalen Form ungenügend, wie nachfolgend erörtert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine optimale Form eine Nadelspitze mit einem Krümmungsradius, der über eine kurze Bogenlänge zuerst groß ist und sich dann mit zunehmender Bogenlänge rasch in einen kleinen Krümmungsradius ändert. Der Endbereich der Nadelspitze mit einem großen Krümmungsradius wird zur Herstellung eines engen, äußerst konformen Kontakts mit der interessierenden dielektrischen Schicht verwendet. Jenseits des zum großen Krümmungsradius gehörenden Bogens der Nadelspitze krümmt sich der viel kleinere Krümmungsradius der Nadelspitze schnell von der interessierenden dielektrischen Schicht (d. h. der Halbleiteroberfläche) weg, um ein gut definiertes enges Kontaktgebiet zu erzeugen und des weiteren für genaue POS-Messungen zu sorgen, wie oben erörtert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Nadel 10 vorteilhaft entsprechend dem Folgenden gestaltet. Die Nadel 10 ist über einem Halbleitersubstrat 14 positioniert. Das Substrat 14 kann irgendein geeignetes Substrat umfassen, das zu einer elastischen Deformation (d. h. einer nicht permanenten Deformation) in der Lage ist, wie ein Siliciumsubstrat. Auf einer Oberseite des Substrats 14 befindet sich eine dielektrische Schicht 16, wobei die dielektrische Schicht 16 zum Beispiel eine thermische Oxidschicht beinhaltet. Die dielektrische Schicht 16 ist des weiteren durch eine relativ glatte Oberseite 15 charakterisiert. Halbleitersubstrate und dielektrische Schichten sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und werden somit hierin nicht detailliert erörtert.
Wie oben gezeigt, ist die Nadel 10 über dem Substrat 14 derart positioniert, dass sich die abgerundete Spitze 12 nahe der Oberfläche 15 der dielektrischen Schicht 16 befindet. Danach wird die Nadel 10 in einer kontrollierten Weise nach unten auf die glatte Oberfläche 15 der dielektrischen Schicht 16 gedrückt, um zu bewirken, dass die Nadelspitze 12 eine gewünschte plastische Deformation (oder permanente Deformation) erfährt, bei welcher ein äußerer Bereich 18 des abgerundeten Spitzenendes 12 bei dem ersten Radius R1 gehalten wird und ein innerer Bereich 20 des abgerundeten Spitzenendes 12 auf einen zweiten Radius R&sub2; vergrößert wird, wobei der zweite Radius R&sub2; größer als der erste Radius R1 ist.
Spezieller ist die Nadel 10 im wesentlichen senkrecht zu der Oberseite 15 und dem Halbleitersubstrat 14 positioniert. Das Nadelspitzenende 12 wird langsam und behutsam abgesenkt und mit der dielektrischen Schicht 16 in Kontakt gebracht und da nach mit einer Kraft auf die dielektrische Schicht 16 hinuntergedrückt, die zur Entwicklung eines Konditionierungsdrucks (d. h. eines Drucks für eine plastische Deformation) ausreicht, um die gewünschte Konditionierung der Sondennadel 10 bereitzustellen (d. h. eine plastische Deformation). Der Konditionierungsdruck, der sich zwischen der Sondennadel 10 und der Strukturkombination von dielektrischer Schicht 16 und Substrat 14 entwickelt, muss ausreichend sein, um zu bewirken, dass die Nadelspitze 12 die gewünschte plastische Deformation erfährt, das heißt einem Druck entsprechen, um den inneren Bereich 20 der Sondenspitze 12 so zu formen, dass er einen gewünschten Radius aufweist, während der äußere Bereich 18 bei dem ersten Radius gehalten wird. Die Kraft, die zur Entwicklung des Konditionierungsdrucks ausreicht, wird in einer derartigen Weise angelegt, dass ein Brechen der Sondenspitze 12 vermieden wird, während das Auftreten der gewünschten plastischen Deformation derselben ermöglicht wird.
In einem ersten Beispiel wird eine Kraft F&sub1; an die Sonde 10 angelegt, wobei die Kraft F&sub1; ausreicht, dass sich der Konditionierungsdruck entwickelt, der einen Druck im Bereich zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck beinhaltet. Die Kraft F&sub1; beinhaltet zum Beispiel eine von einer ersten Kraft bis zu einer zweiten Kraft zunehmende Kraft, entsprechend einem Bereich in der Größenordnung von 0,001 Pfund bis 0,016 Pfund (d. h. 0,01 Gramm bis 7,3 Gramm, eine Kraft von 1 Gramm = 9,8 · 10&supmin;³ N). Die Kraft F&sub1; reicht aus, um einen Konditionierungsdruck im Bereich von einem ersten Druck in der Größenordnung von 0 psi bis 100 psi bis zu einem zweiten Druck in der Größenordnung von 100.000 psi bis 150.000 psi bereitzustellen. Der zweite Druck liegt bevorzugter in der Größenordnung von 130.000 psi.
Die Kraft F&sub1; wird bevorzugt in einer graduellen Weise angelegt, das heißt graduell von der ersten Kraft bis zu der zweiten Kraft, wodurch sich der Druck graduell entwickelt, beginnend von dem ersten Druck und zunehmend bis zu dem zweiten Druck mit einer kontrollierten Rate, um ein Brechen der Sondenspitze 12 zu vermeiden. Die Kraft F&sub1; kann entweder in einer kontinuierlichen Weise oder in einer inkrementalen Weise graduell erhöht werden. In der kontinuierlichen Weise wird die Kraft mit einer geringen Rate kontinuierlich erhöht. In der inkrementalen Weise wird die Kraft zum Beispiel in Inkrementen von ungefähr 0,0008 Pfund mit einer geringen Rate inkremental erhöht.
Eine graduelle Erhöhung der angelegten Kraft F&sub1; ist äußerst wünschenswert, da das Material, aus dem die Sondenspitze 12 besteht, den als Folge der Kraft F&sub1; angelegten Druck absorbieren und/oder abbauen muss und zudem mit der Rate, mit welcher die Kraft F&sub1; angelegt wird. Das heißt, das Material, aus dem die Sondenspitze 12 besteht, erfährt einen Material- oder Schmelzfluss, um den als Folge der Kraft F&sub1; angelegten Druck abzubauen. Wenn das Material, aus dem die Sondenspitze 12 besteht, über seine Fließfähigkeit hinaus unter mechanische Spannung gesetzt wird, kann ein Reißen oder Brechen der Sondenspitze 12 auftreten. Somit wird die Kraft F&sub1; so ausgewählt, dass jeglicher übermäßige Stoß auf das Material der Sondenspitze 12 wesentlich reduziert ist, wodurch ein Brechen des Materials der Sondenspitze 12 vermieden wird.
Die dielektrische Schicht 16 und das Substrat 14 erfahren ein begrenztes Ausmaß an elastischer oder temporärer Deformation während der Konditionierung der Sonde 10 und spezieller der Konditionierung der Sondenspitze 12, wie in Fig. 2 gezeigt. Dies liegt teilweise an der etwas elastischen Natur der dielektrischen Schicht 16 und des Substrats 14. Die begrenzte temporäre Deformation beruht hauptsächlich auf dem Hochdruckkontakt (d. h. über eine kleine Kontaktfläche hinweg) mit der vergleichsweise steiferen Nadelspitze 12. Wenn elastische Körper unter hohem Druck in Kontakt gebracht werden, tritt nahe den Kontaktpunkten eine temporäre elastische Deformation auf. Feste Materialien bestehen aus Atomen, die durch Bindungen zusammengehalten werden, die sich wie mikroskopische Federn verhalten. Das elastische Verhalten verschiedener Materialien kann durch Materialkonstanten beschrieben werden, welche die mechanische Spannung (angewendeter Druck) zur elastischen Verformung (Änderung der physikalischen Abmessungen aufgrund einer mechanischen Spannung) in Beziehung setzen. Der Elastizitätsmodul Y ist eine derartige Konstante. Die Sondenspitze, die Wolfram beinhaltet, ist vergleichsweise viel steifer als das Siliciumsubstrat (d. h. die Sondenspitze aus Wolfram weist einen etwa dreimal größeren Elastizitätsmodul als Silicium auf).
Als Folge der kontrollierten plastischen Deformation der Sondenspitze 12 gemäß der Erfindung beinhaltet die Sondenspitze 12 eine optimale Form für elektrische POS-Charakterisierungsmessungen. Das heißt, die Spitze 12 besitzt einen viel größeren Krümmungsradius zum Beispiel in der Größenordnung von 135 Milli-Inch (oder, ausgedrückt in Mikrometer, 3.500 um) und ist zwecks erhöhter mechanischer Stabilität teilweise kaltgehärtet. Somit stellt die konditionierte Sonde 10 einen guten Kompromiss zwischen 1) der kleinen Fläche, die für einen engen Kontakt unter hohem Druck benötigt wird und 2) einer ausreichend großen Fläche bereit, die zur Minimierung von elektrischem Rauschen in POS-Messungen notwendig ist.
Nunmehr wird eine POS-Vorrichtung 100 zur Herstellung einer POS-Sonde gemäß dem oben beschriebenen Verfahren unter Bezugnahme auf Figur S und des weiteren gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die POS-Vorrichtung 100 ermöglicht des weiteren elektrische Charakterisierungsmessungen einer dielektrischen Schicht 16 auf einem Halbleitersubstrat 14 unter Verwendung der POS-Sonde der vorliegenden Erfindung. Die POS-Vorrichtung 100 beinhaltet ein Mittel 110 zum Tragen des Halbleitersubstrats in einer vorgegebenen Position, wie einen beliebigen, allgemein bekannten, geeigneten, leitfähigen Halbleiterwafer-Saughalter. Ein erstes geeignetes Kontaktierungsmittel 112 kontaktiert elektrisch das Substrat 14 und das Substratträgermittel 110. Ein geeignetes Mittel 114, wie eine nicht-leitfähige Klammer, ist zur Aufnahme der elektrisch leitfähigen Sondennadel 10 und vorzugsweise zur Positionierung der Sondennadel 10 im wesentlichen senkrecht zu dem Halbleitersubstrat 14 vorgesehen. Die Sondennadel 10 beinhaltet, wenn sie nicht konditioniert ist, eine Nadel mit einem abgerundeten Spitzenende mit einem ersten Radius, wobei das abgerundete Spitzenende des weiteren dazu geeignet ist, eine plastische Deformation zu erfahren, wie hierin oben erörtert.
Ein Mittel 116 ist elektrisch zwischen das erste Kontaktierungsmittel 112 und die Sondennadel 10 eingeschleift. Das Mittel 116 liefert eine elektrische Charakterisierungsmessung, die für eine elektrische Eigenschaft der dielektrischen Schicht 16 repräsentativ ist, wie eine Kapazitäts-Spannungsmessung, wenn die Sondennadel 10 in elektrischem Kontakt mit der dielektrischen Schicht ist, wie im folgenden weiter erörtert wird. Das Mittel 116 für elektrische Charakterisierungsmessungen beinhaltet einen Wechselstromgenerator 118, um dem Wafersaughalter 110 und dem Substrat 14 über das elektrische Kontaktmittel 112 ein Wechselstromausgangssignal zuzuführen. Der Wechselstromgenerator kann irgendeinen geeigneten, bekannten Generator umfassen. Der Wechselstromgenerator 118 ist des weiteren mit einem Lock-in-Verstärker 120 verbunden, um einem Synchroneingang des Lock-in-Verstärkers 120 ein synchrones Wechselstromausgangssignal von dem Wechselstromgenerator 118 zuzuführen. Der Lock-in-Verstärker 120 kann irgendeinen geeigneten, bekannten Lock-in-Verstärker umfassen. Das elektrische Charakterisierungsmittel 116 beinhaltet des weiteren ein Schaltkreisnetzwerk aus einem Widerstand R2, einem Kondensator C und einem Widerstand R2, die an einem der Sondenspitze 12 entgegengesetzten Ende mit der Sonde 10 elektrisch verbunden sind. Ein Puffer 122 mit hoher Impedanz ist des weiteren mit einem Ende desselben an einem Knoten zwischen dem Kondensator C und dem Widerstand R2 eingeschleift und ist außerdem an einem zweiten Ende desselben mit dem Lock-in-Verstärker 120 verbunden. Der Puffer 122 mit hoher Impedanz ist dicht bei der Sondennadel 10 angeordnet, um gute Signal-Rausch-Aufzeichnungen im Hinblick auf die relativ kleinen zu messenden POS-Kapazitätswerte bereitzustellen. Der Puffer 122 ist mit einem Signaleingang des Lock-in-Verstärkers 120 elektrisch verbunden, um das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zu verbessern. Ein Gleichstrom-Rampengenerator 124 ist mit einem entgegengesetzten Ende des Widerstands R1 elektrisch verbunden und ist des weiteren mit einem X-Eingang eines X-Y-Plotters 126 verbunden. Der Gleichstrom-Rampengenerator 124 und der X-Y-Plotter 126 können irgendeinen geeigneten Gleichstrom-Rampengenerator beziehungsweise X-Y-Plotter umfassen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. Der Signalausgang des Lock-in-Verstärkers 120 ist mit dem Y-Eingang des X-Y-Plotters 126 verbunden.
Ein Positionierungsmittel 128 ist mechanisch mit dem Aufnahmemittel 114 verbunden, um das Aufnahmemittel 114 derart zu positionieren, dass eine darin aufgenommene Sondennadel 10 über der dielektrischen Schicht 16 auf dem Halbleitersubstrat 14 positioniert ist. Das Positionierungsmittel 128 kann zum Beispiel irgendein geeignetes mechanisches Mittel beinhalten, wie eine lineare Translationsvorrichtung mit daran angebrachten Biegearmen 130 oder flachen Federn. Das Positionierungsmittel 128 ist vorzugsweise elektrisch steuerbar. Eine Translation der Biegearme 130 in einer Aufwärts-/Abwärtsbewegung, wie durch einen Pfeil 132 in Fig. 5 angezeigt, hebt/senkt effektiv die Nadel 10. Eine fortgesetzte Translation der Biegearme 130 nach unten, nachdem die Nadel 10 die dielektrische Schicht 16 kontaktiert hat, resultiert in einer Kraft, die auf die Nadel 10 angewendet wird. Das Maß an Biegung der Biegearme 130 ist proportional zum Betrag der Kraft, die auf die Nadel 10 auf der dielektrischen Schicht 16 angewendet wird, womit ein Hinweis auf den Betrag der Kraft bereitgestellt wird, die auf die Nadel 10 angewendet wird. Zur Messung des Maßes an Biegung der Biegearme 130 kann ein beliebiges geeignetes Mittel verwendet werden, wie ein Auslenkungs-Messwandler und ein geeigneter elektronischer Schaltungsaufbau.
Ein Steuermittel 134 ist mit dem Positionierungsmittel 128 elektrisch verbunden, um das Positionierungsmittel 128 so zu steuern, dass es i) in einem ersten Betriebsmodus zur Konditionierung der Sondennadel 10 arbeitet und ii) in einem zweiten Betriebsmodus zur Erzielung einer elektrischen Charakterisierungsmessung von dem elektrischen Charakterisierungsmessmittel 116 arbeitet. Das Steuermittel 134 ist des weiteren mit dem Lock-in-Verstärker 120 elektrisch verbunden, um das Ausgangssignal desselben zu empfangen. Das Steuermittel 134 kann eine beliebige geeignete Steuereinheit beinhalten, wie einen Computer oder dergleichen, wobei die Steuereinheit durch bekannte Techniken programmiert wird, um die gewünschten Funktionen durchzuführen, wie hierin beschrieben.
In weiterer Erörterung desselben steuert das Steuermittel 134 das Positionierungsmittel 128, um eine gewünschte, nach unten gerichtete Kraft bereitzustellen. Insbesondere wird das Positionierungsmittel 128 von dem Steuermittel 134 so gesteuert, dass es in dem ersten und dem zweiten Modus wie folgt arbeiten kann. In dem ersten Modus drückt das Positionierungsmittel 128 die Nadelspitze 12 in einer ersten gesteuerten Weise nach unten auf die glatte Oberfläche der dielektrischen Schicht 16, um zu bewirken, dass die Nadelspitze 12 eine plastische Deformation erfährt, bei der ein äußerer Bereich 18 des abgerundeten Spitzenendes 12 bei dem ersten Radius R1 gehalten wird und ein innerer Bereich 20 des abgerundeten Spitzenendes 12 auf einen zweiten Radius R&sub2; vergrößert wird, wobei der zweite Radius größer als der erste ist. In dem zweiten Modus drückt das Positionierungsmittel 128 die Nadelspitze 12 in einer zweiten gesteuerten Weise nach unten auf die glatte Oberfläche der dielektrischen Schicht 16 zwecks einer engen und elektrischen Kontaktierung mit der dielektrischen Schicht 16 innerhalb eines Kontaktierungsdurchmessers D&sub2;, wobei der Kontaktierungsdurchmesser D&sub2; im wesentlichen in der Größenordnung des inneren Bereichs 20 (d. h. des Durchmessers D&sub1;) des abgerundeten Spitzenendes 12 liegt.
Im Betrieb arbeitet die POS-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zur. Konditionierung einer POS-Sonde 10 und zur Ausführung Von elektrischen POS-Charakterisierungsmessungen wie folgt. Für die Konditionierung einer POS-Sonde 10 wird eine nicht konditionierte Sondennadel in das Aufnahmemittel 114 eingesetzt. Das Steuermittel 134 steuert das Positionierungsmittel 128, um die Nadelspitze 12 behutsam in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 16 zu bringen, und drückt danach die Nadelspitze 12 nach unten auf die dielektrische Schicht 16 mit einer Kraft, die ausreicht, dass sich ein Druck über einen Bereich von einem ersten Druck bis zu einem zweiten Druck entwickelt, wodurch die Nadelspitze eine gewünschte plastische Deformation erfährt und des weiteren dadurch kaltgehärtet wird. Der Druck umfasst vorzugsweise einen Bereich von einem ersten Druck in der Größenordnung von 0 psi bis 100 psi bis zu einem zweiten Druck in der Größenordnung zwischen 100.000 psi bis 150.000 psi. Spezieller liegt der zweite Druck in der Größenordnung von 130.000 psi.
Die angelegte Kraft F&sub1; ist ausreichend, damit sich der Druck graduell von dem ersten Druck zu dem zweiten Druck entwickelt, wobei der zweite Druck größer als der erste ist. Die angelegte Kraft F&sub1; kann entweder i) eine kontinuierlich ansteigende Kraft, d. h. kontinuierlich ansteigend von einer ersten Kraft bis zu einer zweiten Kraft, ausreichend zur graduellen Entwicklung des Drucks kontinuierlich von dem ersten Druck zu dem zweiten Druck, oder ii) eine inkremental ansteigende Kraft sein, d. h. inkremental ansteigend von einer ersten Kraft bis zu einer zweiten Kraft, ausreichend zur graduellen Entwicklung des Drucks inkremental (in Inkrementen in der Größenordnung von zum Beispiel 5.000 psi bis 10.000 psi) von dem ersten Druck zu dem zweiten Druck.
Die Überwachung eines Betrags der angelegten Kraft an die Sondennadel 10 kann durch Überwachen eines Maßes an Biegung der Biegearme 130 durchgeführt werden, wie oben erörtert, wobei das Maß an Biegung proportional zu dem Betrag der angewendeten Kraft ist. Die überwachte angelegte Kraft stellt eine Rückkopplung zur Verwendung durch das Steuermittel 134 zur Steuerung der Positionierung des Positionierungsmittels 128 bereit.
Um elektrische POS-Charakterisierungsmessungen durchzuführen, arbeitet die Vorrichtung 100 wie folgt. Eine konditionierte POS-Sonde 10, die gemäß dem obigen konditioniert ist, wird in das Aufnahmemittel 114 eingesetzt. Das Steuermittel 134 steuert das Positionierungsmittel 128 so, daß es in einem Messmodus betreibbar ist, um die Nadelspitze 12 in einer gesteuerten Weise nach unten auf die glatte Oberfläche der dielektrischen Schicht 16 zu drücken. Die Nadelspitze 12 wird nach unten auf die glatte Oberfläche der dielektrischen Schicht gedrückt, um die dielektrische Schicht innerhalb eines Kontaktierungsdurchmessers D&sub2; eng und elektrisch zu kontaktieren, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Kontaktierungsdurchmesser D&sub2; liegt in der Größenordnung des inneren Bereichs 20 des abgerundeten Spitzenendes 12.
Detaillierter wird das Positionierungsmittel 128 durch das Steuermittel 134 so gesteuert, dass es die Nadelspitze 12 behutsam mit der dielektrischen Schicht 16 in Kontakt bringt und danach die Nadelspitze 12 mit einer Kraft F&sub2; nach unten auf die dielektrische Schicht 16 drückt, die ausreicht, dass sich ein Druck in der Größenordnung von 20.000 psi entwickelt. Auf diese Weise wird die Nadelspitze 12 in die dielektrische Schicht 16 und die Oberfläche des Halbleitersubstrats 14 innerhalb des Kontaktierungsdurchmessers D&sub2; vergraben. Aufgrund der elastischen Natur der dielektrischen Schicht 16 und des darunterliegenden Substrats 14 kehren die dielektrische Schicht und das Substrat bei Zurückziehen der Sondenspitze 12 von der Oberflä che der dielektrischen Schicht 16 wieder in ihre entsprechenden normalen Formen zurück. Das heißt, die elastische Deformationsgrenze der dielektrischen Schicht und des Halbleiterwafers werden während des Messmodus nicht überschritten. Somit wird unter Verwendung der konditionierten Sondennadel 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ein optimaler Kontakt für Kapazitätsmessungen erzielt. Des weiteren wird die konditionierte Sondennadel 10 kaltgehärtet und erfährt somit während der Kapazitätsmessungen keine nennenswerte Deformation, vielmehr erfahren die dielektrische Schicht und das darunterliegende Substrat die Deformation. Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung aufgenommene Messungen sind somit gut wiederholbar. Außerdem stellt eine konditionierte Sondennadel gemäß der vorliegenden Erfindung eine verlängerte Gebrauchsdauer bereit.
Wenn die Positionierung der Nadelspitze 12 auf der dielektrischen Schicht 16 erreicht ist, wie oben für den Messmodus erörtert wurde, kann eine elektrische Charakterisierungsmessung durchgeführt werden, wobei die Messung ähnlich jener ist, die das herkömmliche MOS-Messverfahren verwendet. Eine graphische Darstellung von POS-Messungen im Vergleich zu MOS-Messungen, die unter Verwendung des gleichen Substrats aufgenommen wurden, ist in Fig. 6 gezeigt, wobei die POS-Messung ungefähr 0,5 mm von einem MOS-Punkt entfernt durchgeführt wurde.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung 100 so arbeiten, dass eine Sondennadel 10 in Reaktion auf eine elektrische Charakterisierungsmessung oder -messungen konditioniert wird. Das heißt, das Steuermittel 134 kann eine gemessene Kapazität zwischen der Sondenspitze 12 und dem Substrat 14 während der Konditionierung der Sondenspitze überwachen. In diesem Fall wird die gemessene Kapazität mit einer gewünschten Kapazität verglichen, wobei die gewünschte Kapazität einer bekannten Kapazität für eine spezielle verwendete dielektrische Schicht entspricht. In Reaktion auf die gemessene Kapazität kann somit das Steuermittel 134 das Positionierungsmittel 128 vorteilhaft steuern, um eine Kraft F&sub1; zur Konditionierung der Sondennadel 10 bereitzustellen, wie oben erörtert.
Es wurde somit ein Verfahren zur Herstellung einer POS-Sondennadel gezeigt. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind gut geeignet, um eine gewünschte elektrische Charakterisierungsmessung einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung stellt des weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur vorteilhaften Bereitstellung eines äußerst konformen, gut definierten, engen Kontakts für elektrische Charakterisierungsmessungen bereit.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Sonde zur Durchführung von MOS-artigen elektrischen Charakterisierungsmessungen einer dielektrischen Schicht (16), die auf einem Halbleitersubstrat (14) gebildet ist, wobei die dielektrische Schicht eine glatte Oberfläche (15) aufweist; wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Sondennadel (10), wobei die Nadel ein abgerundetes Spitzenende (12) mit einem ersten Radius (R1) aufweist, wobei das abgerundete Spitzenende des weiteren dafür geeignet ist, eine plastische Deformation zu erfahren;

b) Positionieren der Nadel über der dielektrischen Schicht im wesentlichen senkrecht zu dem Halbleitersubstrat, daraufhin Inkontaktbringen des abgerundeten Spitzenendes der Nadel mit der glatten Oberfläche der dielektrischen Schicht und anschließend weiteres Drücken des Spitzenendes, um einen graduell ansteigenden Druck auszuüben, der graduell von einem ersten Druck auf einen zweiten Druck erhöht wird, um zu bewirken, dass die Nadelspitze eine plastische Deformation erfährt, bei welcher der äußere Bereich des abgerundeten Spitzenendes bei dem ersten Radius gehalten wird und der innere Bereich des abgerundeten Spitzenendes auf einen zweiten Radius (R&sub2;) vergrößert wird, wobei der zweite Radius größer als der erste ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Nadel aus Wolfram besteht und ein abgerundetes Spitzenende mit einem Radius von 0,0127 mm (0,5 Milliinch) aufweist und wobei der erste Druck und der zweite Druck in den Bereichen zwischen 0 Pa und 7 Pa (0 psi und 100 psi) beziehungsweise 7 · 10³ Pa und 10,5 · 10³ Pa (100.000 psi und 150.000 psi) liegen.

3. Vorrichtung (100) zur Durchführung von MOS-artigen elektrischen Charakterisierungsmessungen einer dielektrischen Schicht (16), die auf einem Halbleitersubstrat (14) gebildet ist, wobei die dielektrische Schicht eine glatte Oberfläche (15) aufweist; wobei die Vorrichtung beinhaltet:

Mittel (110) zum Halten des Halbleitersubstrats in einer vorgegebenen Position;

erste Kontaktmittel (112) für eine elektrische Kontaktierung des Substrats;

eine elektrisch leitfähige Sondennadel (10) zum Kontaktieren der dielektrischen Schicht zur Durchführung der elektrischen Charakterisierungsmessungen;

Mittel (114) zum Aufnehmen der elektrisch leitfähigen Sondennadel;

Mittel (116), die elektrisch zwischen den ersten Kontaktmitteln und der Sondennadel eingeschleift sind, um eine elektrische Charakterisierungsmessung bereitzustellen, die repräsentativ für eine elektrische Eigenschaft der dielektrischen Schicht ist, wenn die Sondennadel in elektrischem Kontakt mit dieser ist;

Mittel (128) zum Positionieren der Aufnahmemittel derart, dass die darin aufgenommene Sondennadel über der dielektrischen Schicht auf dem Halbleitersubstrat positioniert ist;

Mittel zum Steuern der Positionierungsmittel;

dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel ein abgerundetes Spitzenende aufweist, das aus einem plastisch deformierbaren Material in der Form einer abgeflachten Halbkugel besteht, wobei die Seitenbereiche derselben einen Krümmungsradius R1 aufweisen und der abgeflachte Bereich einen Krümmungsradius R2 aufweist, wobei R2 größer als R1 ist, und wobei die Positionierungsmittel des weiteren derart betätigbar sind, dass die Sondennadel in Kontakt mit der dielektrischen Schicht gebracht wird und ein graduell zunehmender Druck in einer gesteuerten Weise bis zu jenem Druckwert angewendet wird, der notwendig ist, um zu bewirken, dass die Sondenspitze eine plastische Deformation erfährt.