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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiefenaufgelösten Charakterisieren
einer Schicht eines Trägers.
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Mikroelektronische
Halbleiterbauelemente mit integrierten Schaltkreisen bilden heutzutage
die Grundlage für
elektronische Anwendungen aller Art. Diese Bauelemente bestehen
aus einer komplexen Anordnung elektronischer Strukturen, die in
mehreren übereinander
angeordneten Ebenen auf einem als Chip bezeichneten Trägersubstrat
miteinander verschaltet sind. Die gemeinsame Herstellung von Chips
auf einer Substratscheibe, auch als Wafer bezeichnet, ist gekennzeichnet
durch eine komplizierte Abfolge einer Vielzahl unterschiedlicher
Herstellungsschritte.
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Einen
wichtigen Herstellungsschritt stellt die sogenannte Implantationsdotierung
bzw. Dotierung („doping") eines Wafers dar.
Hierunter versteht man das gezielte Einbringen von Fremdstoffen
bzw. Fremdatomen in eine Schicht eines Wafers, um deren Eigenschaften,
beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit und den Leitfähigkeitstyp,
definiert zu verändern. Auf
diese Weise werden elektronische Eigenschaften für die späteren Halbleiterbauelemente
festgelegt.
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Eine
der Hauptzielsetzungen der Halbleiterindustrie ist die stetige Leistungssteigerung
durch immer schnellere Schaltkreise, welche verknüpft ist
mit einer kontinuierlichen Verkleinerung der elektronischen Strukturen.
Die Herstellung kleinerer Strukturen bei nahezu gleichbleibenden
elektrischen Eigenschaften stellt jedoch hohe Anforderungen an die Präzision und
die Zuverlässigkeit
der eingesetzten Herstellungs prozesse. Zugleich ist man auf exakte Kontrollverfahren
angewiesen, um die Herstellungsprozesse genau zu überwachen.
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Von
großer
Bedeutung sind hierbei Verfahren zum tiefenaufgelösten Charakterisieren
einer Schicht eines Wafers. Derartige Verfahren werden insbesondere
dazu eingesetzt, ein Tiefenprofil einer Dotierstoffkonzentration
zu ermitteln, um an einem Wafer durchgeführte Dotierungsprozesse nachträglich zu überprüfen.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Ermitteln eines Dotierprofils einer Schicht
eines Wafers basiert auf der Messung von Ausbreitungswiderständen einer
Oberfläche,
welches als „spreading
resistance profiling" (SRP)
bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird der Wafer in einem interessierenden Schichtbereich
zunächst
gebrochen und unter einem schrägen
Winkel zur Schichtoberfläche
angeschliffen, um eine die Schicht durchdringende schräge Schlifffläche herzustellen.
Anschließend
werden mittels zweier auf die Schlifffläche aufgesetzter Messspitzen
jeweils Ausbreitungswiderstände
zwischen linear angeordneten Messpunkten gemessen, welche einen
konstanten Abstand zueinander aufweisen. Die Ausbreitungswiderstände sind
dabei abhängig von
den Materialeigenschaften und damit von der jeweiligen Dotierstoffkonzentration.
Auf diese Weise ist es möglich,
ein Tiefenprofil einer Dotierstoffkonzentration aufzustellen.
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Durch
das erforderliche Brechen und Anschleifen des Wafers gestaltet sich
dieses Verfahren jedoch aufwändig
und langwierig. Des weiteren wird der Wafer hierdurch zerstört, wodurch
das Verfahren einerseits kostenintensiv ist, andererseits nur „offline" an wenigen Testwafern
und insbesondere nicht an Produktwafern angewendet werden kann.
Dies hat zur Folge, dass die Messergebnisse gegebenenfalls nicht
repräsentativ
sind. Darüber
hinaus weist das Verfahren eine relativ schlechte laterale Ortsauflösung im
mm- bis μm-Bereich
auf, da die Messung der Ausbreitungswiderstände entlang der schräg verlaufenden
Schlifffläche
erfolgt. Infolgedessen ist es nicht möglich, gezielt ein Dotierprofil
in einem Bereich eines einzelnen späteren Bauelements zu ermitteln.
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Ein
weiteres Verfahren, welches zum tiefenaufgelösten Charakterisieren einer
Schicht eines Wafers eingesetzt wird, ist die sogenannte Sekundärionen-Massenspektrometrie
(SIMS). Hierbei wird die Oberfläche
des Wafers in einem interessierenden Schichtbereich mit einem Primärionenstrahl
beschossen, wodurch eine Ausnehmung in der Oberfläche unter
Abtragen von Halbleitermaterial bzw. Teilchen erzeugt wird. Bis
zu etwa 10% der abgetragenen Teilchen sind dabei ionisiert und werden
als Sekundärionen
bezeichnet. Die Sekundärionen
werden während
des Abtragprozesses einem Massenspektrometer zugeführt und
dort einer Analyse unterzogen, wodurch insbesondere Dotierstoffkonzentrationen
zeitaufgelöst
ermittelt werden. Nach Durchführen
des Abtragprozesses wird die Endtiefe der Ausnehmung bestimmt, so
dass es unter Berücksichtigung
der gesamten Messzeit möglich
ist, den während
des Abtragprozesses aufgenommenen Dotierstoffkonzentrationen Schichttiefen
zuzuordnen. Auf diese Weise wird ein Tiefenprofil einer Dotierstoffkonzentration
aufgestellt.
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Gegenüber dem
oben beschriebenen Verfahren basierend auf der Messung von Ausbreitungswiderständen weist
die Sekundärionen-Massenspektrometrie
den Vorteil auf, dass der untersuchte Wafer nicht gänzlich,
sondern lediglich lokal in einem beschränkten Bereich zerstört wird
und folglich nach dem Abtragprozess weiter prozessiert werden kann. Die
Sekundärionen-Massenspektrometrie
ist daher auch zur „inline"-Messung von Produktwafern
geeignet.
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Problematisch
ist jedoch, dass die Geschwindigkeit des Materialabtrags von der
jeweiligen Dotierstoffkonzentration abhängt. Infolgedessen ist es möglich, dass
die auf einer im Wesentlichen konstanten Abtragsgeschwindigkeit
beruhende Zuordnung von Schichttiefen zu den jeweils aufgenommenen
Do tierstoffkonzentrationen ungenau und infolgedessen das erstellte
Tiefenprofil der Dotierstoff konzentration nicht exakt ist. Ein
auf diese Weise gewonnenes Dotierprofil ist daher gegebenenfalls
nur schlecht dazu geeignet, an einem Wafer durchgeführte Dotierungsprozesse
zu beurteilen. Ferner lässt sich
auch mithilfe der Sekundärionen-Massenspektrometrie
nur eine relativ geringe laterale Ortsauflösung im μm-Bereich erzielen.
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Zum
gänzlich
zerstörungsfreien
Ermitteln eines Dotierprofils einer Schicht eines Wafers kann das sogenannte
Wirbelstrommessverfahren eingesetzt werden. Hierbei wird mittels
einer Spule ein sich veränderndes
Magnetfeld erzeugt, welches in der Oberfläche des zu untersuchenden Wafers
Wirbelströme induziert.
Die Wirbelströme
erzeugen ihrerseits eigene Magnetfelder, welche mit dem (primären) Magnetfeld
der Spule wechselwirken. Durch Messen einer hieraus resultierenden
Widerstands- bzw. Induktivitätsänderung
der Spule können
Informationen über Materialeigenschaften
und damit über
die Dotierstoffkonzentration gewonnen werden.
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Von
Nachteil ist jedoch, dass das Wirbelstrommessverfahren nur eine
sehr ungenaue laterale Ortsauflösung
aufweist und daher gegebenenfalls mit einem der vorhergehend beschriebenen
Verfahren korreliert werden muss. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, dass die induzierten Wirbelströme nur in einer relativ geringen
Tiefe des Wafers fließen,
wodurch das Verfahren überdies
eine relativ geringe Informationstiefe aufweist.
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Aus
der
US 6 794 663 B2 gehen
unterschiedliche Verfahren zum Untersuchen von Bereichen eines Trägers hervor.
Zum tiefenaufgelösten
Charakterisieren einer Schicht des Trägers wird vorgeschlagen, eine
Ausnehmung mit einer schrägen
Seitenwand in der Schicht auszubilden, auf die Seitenwand einen
Elektronen- bzw. Ionenstrahl zu richten sowie die durch die entspre chenden
Strahlen erzeugten Wechselwirkungsprodukte (Augerelektronen bzw. Sekundärionen)
zu detektieren.
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Aus
der
US 6 649 919 B2 ist
ein Verfahren zur Echtzeit-Verarbeitung
von Messdaten bekannt, welche von einer zu untersuchenden Oberfläche eines
Trägers
mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls oder eines Elektronenstrahls
gewonnen werden.
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Aus
P. Gnauck et al., "A
New CrossBeam Inspection Tool Combining an Ultrahigh Resolution Field
emission SEM and a High Resolution FIB", Proceedings of the SPIE – The International
Society for Optical Engineering, Vol. 4689, S. 883 – 840, März 2002,
geht eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Wafers hervor, welche
eine Einrichtung zum Erzeugen eines fokussierten Ionenstrahls und
ein Rasterelektronenmikroskop aufweist. In einer Betriebsweise der
Vorrichtung wird Halbleitermaterial in einem Bereich auf der Oberfläche des
Wafers mithilfe des fokussierten Ionenstrahls abgetragen sowie der
Abtragprozess gleichzeitig mit dem Rasterelektronenmikroskop beobachtet.
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Eine ähnliche
Vorrichtung zum Untersuchen eines Trägers ist aus der
US 6 414 307 B1 bekannt, welche
neben einer Einrichtung zum Erzeugen eines fokussierten Ionenstrahls
und einem Rasterelektronenmikroskop zusätzlich ein Massenspektrometer aufweist,
mit dessen Hilfe das durch den Ionenstrahl abgetragene Material
untersucht werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Verfahren bereitzustellen, welches ein tiefenaufgelöstes Charakterisieren einer
Schicht eines Trägers
mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum tiefenaufgelösten
Charakterisieren einer Schicht eines Trägers vorgeschlagen. Hierbei
wird zunächst eine
Ausnehmung in der Schicht des Trägers
mit einer Seitenwand hergestellt und nachfolgend mithilfe eines
Ionenstrahls Trägermaterial
angrenzend an die Seitenwand abgetragen. Während des Abtragprozesses werden
sowohl Abbilder der Seitenwand aufgenommen als auch Materialzusammensetzungen des
abgetragenen Trägermaterials
ermittelt. Ein tiefenaufgelöstes
Charakterisieren der Schicht des Trägers wird anhand einer Korrelation
der ermittelten Materialzusammensetzungen des abgetragenen Trägermaterials
mit den aufgenommenen Abbildern der Seitenwand durchgeführt, wobei
den Materialzusammensetzungen des abgetragenen Trägermaterials
mithilfe der Abbilder der Seitenwand Schichttiefen zugeordnet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet eine Möglichkeit,
eine Schicht eines Trägers
mit einer hohen Genauigkeit tiefenaufgelöst zu charakterisieren. Die
Genauigkeit des Verfahrens beruht hierbei darauf, während des
Abtragprozesses Abbilder der Seitenwand anzufertigen und somit Höhen- bzw.
Tiefeninformationen von einer an die Seitenwand angrenzenden und
aufgrund des Materialabtrags nach unten wandernden Kante zu erhalten.
Auf diese Weise können
den jeweils ermittelten Materialzusammensetzungen sehr präzise Schichttiefen
zugeordnet werden. Durch unterschiedliche Materialzusammensetzungen
in unterschiedlichen Tiefen hervorgerufene unterschiedliche Abtraggeschwindigkeiten
haben infolgedessen keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Charakterisierung.
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Darüber hinaus
wird der Träger
durch den Abtragprozess nur in einem beschränkten Bereich lokal zerstört. Sofern
es sich bei dem Träger
um einen Wafer handelt, kann dieser nach Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter prozessiert werden. Infolgedessen ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch zur „inline"-Messung von Produktwafern geeignet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
verläuft
die Seitenwand der Ausnehmung im Wesentlichen senkrecht zu einer
Oberfläche
des Trägers. Diese
Ausführungsform
ermöglicht
eine hohe laterale Ortsauflösung
des Verfahrens. Sofern der Ionenstrahl ebenfalls im Wesentlichen
senkrecht zur Trägeroberfläche orientiert
ist und daher Trägermaterial nur
in einem kleinen an die Seitenwand angrenzenden lateralen Bereich
abgetragen wird, wird die laterale Ortsauflösung des Verfahrens weiter
verbessert.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird das Trägermaterial
mithilfe eines gepulsten Ionenstrahls abgetragen. Hierdurch wird
der gesamte Abtragprozess in zeitlich voneinander getrennte „Abtragereignisse" unterteilt, wodurch
die Materialzusammensetzungen des abgetragenen Trägermaterials
sehr genau zeitaufgelöst
ermittelt werden können.
Dies macht eine besonders exakte Korrelation der ermittelten Materialzusammensetzungen
mit den aufgenommenen Abbildern der Seitenwand möglich, wodurch sich die Tiefenauflösung des
Verfahrens weiter verbessern lässt.
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Das
durch den Ionenstrahl abgetragene Trägermaterial enthält neben
neutralen Teilchen zu einem gewissen Anteil auch ionisierte Teilchen.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform wird
zum Ermitteln der Materialzusammensetzungen des abgetragenen Trägermaterials
ein Massenspektrometer eingesetzt, welchem die ionisierten Teilchen mithilfe
eines elektrischen Feldes zugeführt
werden. Der Einsatz eines Massenspektrometers ermöglicht hierbei
eine genaue Analyse der Materialzusammensetzungen des Trägermaterials.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird zum Aufnehmen der Abbilder der Seitenwand ein Rasterelektronenmikroskop
eingesetzt. Hierbei wird auf die Seitenwand insbesondere im Bereich
der an die Seitenwand angrenzenden und durch das Abtragen von Trägermaterial
nach unten wandernden Kante ein Primärelektronenstrahl gerichtet,
sowie die durch die Elektronen des Primärelektronenstrahls erzeugten
Wechselwirkungsprodukte (Sekundärelektronen,
Röntgenstrahlen,
etc.) mithilfe eines Detektors zur Bildgebung erfasst. Die auf diese
Weise aufgenommenen Abbilder der Seitenwand weisen eine hohe Genauigkeit
auf, wodurch sich die den Materialzusammensetzungen des abgetragenen
Trägermaterials
zuzuordnenden Schichttiefen genau bestimmen lassen.
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Ein
positiver Nebeneffekt des Einsatzes eines Rasterelektronenmikroskops
besteht darin, dass der Primärelektronenstrahl
eine zusätzliche
Ionisation des abgetragenen Trägermaterials
hervorruft. Infolgedessen wird ein Großteil bzw. gegebenenfalls im Wesentlichen
das gesamte Trägermaterial
ionisiert und ist daher einer massenspektrometrischen Analyse zugänglich.
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Das
Verfahren lässt
sich, wie oben beschrieben, zum tiefenaufgelösten Charakterisieren einer Schicht
eines Wafers einsetzen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird dabei ein Profil einer Dotierstoffkonzentration aufgestellt.
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Eine
nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung
zum tiefenaufgelösten
Charakterisieren einer Schicht eines Trägers weist eine Einrichtung
zum Herstellen einer Ausnehmung in der Schicht des Trägers mit
einer Seitenwand, eine Einrichtung zum Abtragen von Trägermaterial
angrenzend an die Seitenwand mithilfe eines Ionenstrahls, eine Aufnahmeeinrichtung
zum Aufnehmen von Abbildern der Seitenwand und eine Einrichtung
zum Ermitteln von Materialzusammensetzungen des abgetragenen Trägermaterials
während
des Abtragprozesses auf. Des weiteren ist eine Aus werteeinrichtung
zum tiefenaufgelösten
Charakterisieren der Schicht des Trägers anhand einer Korrelation
der ermittelten Materialzusammensetzungen des abgetragenen Trägermaterials
mit den aufgenommenen Abbildern der Seitenwand vorgesehen, wobei
den Materialzusammensetzungen des abgetragenen Trägermaterials
mithilfe der Abbilder der Seitenwand Schichttiefen zugeordnet werden.
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In
entsprechender Weise ermöglicht
eine derartige Vorrichtung ein tiefenaufgelöstes Charakterisieren einer
Schicht eines Trägers
mit einer hohen Genauigkeit und ist insbesondere zur „inline"-Charakterisierung
einer Schicht eines Produktwafers geeignet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 3 schematische
seitliche Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines Wafers, an
welchem eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Aufstellen eines Profils einer Dotierstoffkonzentration durchgeführt wird;
und
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4 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Durchführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 bis 3 zeigen
schematische seitliche Schnittdarstellungen eines Ausschnitts eines
Wafers 1, an welchem eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird.
Das Verfahren wird zum Ermitteln eines (Tiefen-)Profils einer Dotierstoff
konzentration des Wafers 1 eingesetzt, um an dem Wafer 1 durchgeführte Dotierungsprozesse
nachträglich
zu kontrollieren. Aufgrund der Dotierungsprozesse weist der Wafer 1 eine
sich von der Oberfläche
in die Tiefe erstreckende dotierte Schicht 2 auf, welche
sich beispielsweise in zwei übereinander
angeordnete Teilbereiche mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen
aufteilt. Die Teilbereiche der Schicht 2 sind in den 1 bis 3 durch
unterschiedliche Schraffierungen gekennzeichnet.
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Zu
Beginn des Verfahrens wird, wie in 1 gezeigt,
mithilfe eines fokussierten und in einem schrägen Einfallswinkel auf die
Oberfläche
des Wafers 1 bzw. der Schicht 2 gerichteten Ionenstrahls 6 eine
vorzugsweise keil- bzw. V-förmige
Ausnehmung 3 in der Schicht 2 des Wafers 1 hergestellt.
Die Ausnehmung 3 weist eine Seitenwand 4 auf,
welche vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des
Wafers 1 verläuft.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit,
eine anders geformte Ausnehmung herzustellen. Wahlweise kann auch
eine schräg
zur Waferoberfläche
verlaufende Seitenkante realisiert werden.
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Nachfolgend
wird, wie in den 2 und 3 dargestellt,
angrenzend an die Seitenwand 4 Halbleitermaterial 5 mithilfe
eines vorzugsweise gepulsten Ionenstrahls 7 abgetragen.
Durch den Materialabtrag wird die Seitenwand 4 stufenweise
von oben nach unten abgetragen, während eine an der Seitenwand 4 gebildete
Kante sukzessive nach unten wandert. Die Pulse des Ionenstrahls 7 weisen vorzugsweise
eine Zeitdauer von ungefähr
500 ns auf. Alternativ ist die Möglichkeit
gegeben, zum Abtragen von Halbleitermaterial einen kontinuierlichen Ionenstrahl
einzusetzen.
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Der
gepulste Ionenstrahl 7 ist entsprechend der Seitenwand 4 im
Wesentlichen senkrecht zur Waferoberfläche orientiert. Infolgedessen
wird das Halbleitermaterial 5 lediglich in einem an die
Seitenwand 4 angrenzenden, beschränkten lateralen Bereich abgetragen.
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Das
abgetragene Halbleitermaterial 5 wird während des Abtragprozesses auf
seine Materialzusammensetzung hin untersucht, um Dotierstoffkonzentrationen
zu bestimmen. Hierzu wird ein in den 1 bis 3 nicht
dargestelltes Massenspektrometer eingesetzt, welches eine genaue
Analyse der Teilchen des Halbleitermaterials 5 und damit
der jeweiligen Materialzusammensetzungen ermöglicht. Aufgrund des gepulsten
Ionenstrahls 7 sind die Teilchen des Halbleitermaterials 5 zu
einem gewissen Anteil ionisiert. Diese ionisierten Teilchen werden
mithilfe eines elektrischen Feldes dem Massenspektrometer zugeführt und
dort nach dem Quotienten aus Masse und Ladung separiert und detektiert.
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Gleichzeitig
werden während
des Abtragprozesses Abbilder der Seitenwand 4 unter einem
Betrachtungswinkel in einem Winkelbereich zwischen 30° und 60°, vorzugsweise
unter einem Betrachtungswinkel von 45°, aufgenommen. Diesen Abbildern
kann jeweils die Höhe
der an die Seitenwand 4 angrenzenden sowie durch den Materialabtrag
nach unten „wandernden" Kante entnommen
werden. Auf diese Weise lässt
sich ermitteln, aus welcher Schichttiefe das jeweils abgetragene
Halbleitermaterial 5 stammt.
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Zum
Aufnehmen der Abbilder der Seitenwand 4 wird ein in den 2 und 3 nicht
dargestelltes Rasterelektronenmikroskop eingesetzt. Mittels des
Rasterelektronenmikroskops wird auf die Seitenwand 4 insbesondere
im Bereich der an die Seitenwand 4 angrenzenden Kante ein
(Primär-)Elektronenstrahl 8 gerichtet,
sowie die in dem bestrahlten Bereich erzeugten Wechselwirkungsprodukte,
insbesondere herausgeschlagene Sekundärelektronen, mit einem Detektor
zur Bildgebung erfasst (nicht dargestellt). Auf diese Weise ist
es möglich,
genaue Abbilder der Seitenwand 4 während des Abtragprozesses,
insbesondere bei jedem durch einen Puls des Ionenstrahls 7 hervorgerufenen „Abtragereignis" zu gewinnen und
entsprechend die den Abtragereignissen zugehörigen Schichttiefen sehr exakt zu
bestimmen.
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Der
Einsatz des Rasterelektronenmikroskops hat des weiteren zur Folge,
dass die Teilchen des abgetragenen Halbleitermate rials 5 durch
den Elektronenstrahl 8 zusätzlich ionisiert werden. Infolgedessen
ist ein Großteil
bzw. im Wesentlichen das gesamte Halbleitermaterial 5 ionisiert
und kann dem Massenspektrometer zur Analyse zugeführt werden.
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Zum
Aufstellen eines Profils einer Dotierstoffkonzentration der Schicht 2 des
Wafers 1 werden die bei jedem Puls bzw. zu jedem Abtragereignis
ermittelten Materialzusammensetzungen bzw. Dotierstoffkonzentrationen
des abgetragenen Halbleitermaterials 5 mit den jeweils
aufgenommenen Abbildern der Seitenwand 4 korreliert. Hierbei
werden den ermittelten Dotierstoffkonzentrationen wie oben beschrieben
mithilfe der Abbilder der Seitenwand 4 Schichttiefen zugeordnet.
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Da
das Halbleitermaterial 5 in einem begrenzten lateralen
Bereich abgetragen wird, zeichnet sich das Verfahren durch eine
hohe laterale Ortsauflösung
aus. Die laterale Ortsauflösung
wird hierbei im Wesentlichen durch die in dem Abtragbereich vorliegende
geometrische Ausdehnung des Ionenstrahls 7 vorgegeben und
beträgt
vorzugsweise etwa 50 nm.
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Infolgedessen
besteht die Möglichkeit,
gezielt ein Dotierprofil oder auch ein Tiefenprofil einer Materialzusammensetzung
in einem begrenzten Bereich zu ermitteln, in welchem lediglich ein
einzelnes mikroelektronisches Halbleiterbauelement realisiert wird.
Auch hierbei erweist sich der Einsatz des Rasterelektronenmikroskops
als besonders günstig,
um einerseits einen derartigen Bereich vor Durchführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
exakt zu lokalisieren und andererseits die Ionenstrahlen 6, 7 präzise auf
einen solchen Bereich zu richten.
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Im
Hinblick auf lateral begrenzte Halbleiterbauelemente oder auch in
einer Oberflächenschicht des
Wafers 1 ausgebildete Strukturen, deren Strukturelemente
eine gegenüber
der geometrischen Ausdehnung des Ionenstrahls 7 kleinere
laterale Ausdehnung aufweisen, ist es vorzuziehen, der Korrelation
der ermittelten Materialzusammensetzungen des abgetragenen Halbleitermaterials 5 mit
den aufgenommenen Abbildern der Seitenwand 4 ein geometrisches
Modell des Halbleiterbauelements bzw. der Struktur zugrunde zu legen.
Auf diese Weise wird eine präzise
laterale Zuordnung der ermittelten Materialzusammensetzungen zu
den einzelnen Strukturelementen ermöglicht.
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Darüber hinaus
zeichnet sich das Verfahren aufgrund des durch den gepulsten Ionenstrahl 7 hervorgerufenen
zeitaufgelösten
Materialabtrags und dessen Korrelation mit den rasterelektronisch
aufgenommenen Abbildern der Seitenwand 4 durch eine sehr
hohe Tiefenauflösung
aus, welche vorzugsweise etwa 1 bis 5 nm beträgt. Das Verfahren ist des weiteren
dazu einsetzbar, ein Profil einer Dotierstoffkonzentration des Wafers 1 bis
zu einer Tiefe von mehreren μm
aufzustellen, sofern eine entsprechend tiefe Ausnehmung 3 in
dem Wafer 1 hergestellt wird.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens werden als Ionenstrahlen 6, 7 vorzugsweise
Galiumionenstrahlen eingesetzt. Alternativ besteht auch die Möglichkeit,
beispielsweise Cäsium-
oder Argonionen zu verwenden.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung 10,
mittels derer das anhand der 1 bis 3 erläuterte Verfahren
zum Ermitteln eines Profils einer Dotierstoffkonzentration über die
Schichttiefe einer Schicht 2 eines Wafers 1 durchgeführt werden
kann.
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Die
Vorrichtung 10 weist eine Einrichtung 17 zum Aussenden
eines kontinuierlichen Ionenstrahls 6 und eines gepulsten
Ionenstrahls 7 auf. Mithilfe des Ionenstrahls 6,
welcher schräg
auf eine Oberfläche des
Wafers 1 gerichtet wird (in 4 nicht
dargestellt), wird eine V-förmigen
Ausnehmung 3 in der Schicht 2 des Wafers 1 mit
einer im Wesentlichen senkrecht zur Waferoberfläche verlaufenden Seitenwand 4 hergestellt.
Der gepulste Ionenstrahl 7, welcher im Wesentlichen senkrecht zur
Waferoberfläche orientiert
wird, wird zum Abtragen von Trägermaterial 5 angrenzend
an die Seitenwand 4 herangezogen. Um diese aus unterschiedlichen
Richtungen relativ zur Waferoberfläche ausgeführten Abtragprozesse durchzuführen, wird
entweder der Wafer 1 selbst oder die Einrichtung 17 um
den Wafer 1 gedreht.
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Die
Vorrichtung 10 weist weiter eine Einrichtung 18 zum
Aussenden eines (Primär-)Elektronenstrahls 8 auf
die Seitenwand 4 sowie einen Detektor 19 zum Erfassen
der durch die Elektronen des Elektronenstrahls 8 erzeugten
Wechselwirkungsprodukte, insbesondere herausgeschlagene Sekundärelektronen 9,
auf. Die Einrichtung 18 und der Detektor 19 stellen
die wesentlichen Komponenten eines Rasterelektronenmikroskops dar,
welches zum Aufnehmen von Abbildern der Seitenwand 4 während des
mithilfe des gepulsten Ionenstrahls 7 durchgeführten Abtragprozesses
eingesetzt wird.
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Des
weiteren weist die Vorrichtung 10 ein Massenspektrometer 15 auf,
mit dessen Hilfe die Materialzusammensetzungen und insbesondere
die Dotierstoffkonzentrationen des abgetragenen Halbleitermaterials 5 während des
Abtragprozesses ermittelt werden. Hierbei wird mithilfe eines elektrischen Feldes
der durch den Ionenstrahl 7 und den Elektronenstrahl 8 ionisierte
Anteil des Halbleitermaterials 5 dem Massenspektrometer 15 zugeführt und
dort einer Analyse unterzogen.
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Ferner
ist eine Auswerteeinrichtung 11 vorgesehen, welche zur
Korrelation der massenspektrometrisch ermittelten Materialzusammensetzungen des
abgetragenen Trägermaterials 5 mit
den rasterelektronisch aufgenommenen Abbildern der Seitenwand 4 und
damit zur tiefenaufgelösten
Charakterisierung der Schicht 2 des Wafers 1 eingesetzt
wird. Hierbei werden den Materialzusammensetzungen des Trägermaterials 5 mithilfe
der Abbilder der Seitenwand 4 Schichttiefen zugeordnet.
Auf diese Weise wird insbesondere ein Profil einer Dotierstoffkonzentration der
Schicht 2 des Wafers 1 mit einer hohen lateralen
Orts- und einer
hohen Tiefenauflösung
ermittelt.
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Das
anhand der Figuren erläuterte
erfindungsgemäße Verfahren
ist nicht nur zum Ermitteln eines Profils einer Dotierstoffkonzentration
eines Wafers geeignet. Das Verfahren lässt sich generell dazu einsetzen,
ein Tiefenprofil der Materialzusammensetzungen einer Schicht eines
Trägers
aufzustellen und den Träger
hierdurch tiefenaufgelöst
zu charakterisieren.
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- 1
- Wafer
- 2
- Schicht
- 3
- Ausnehmung
- 4
- Seitenwand
- 5
- Halbleitermaterial
- 6,
7
- Ionenstrahl
- 8
- Elektronenstrahl
- 9
- Sekundärelektronen
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Auswerteeinrichtung
- 15
- Massenspektrometer
- 17
- Einrichtung
- 18
- Einrichtung
- 19
- Detektor