DE102004055181B3

DE102004055181B3 - Verfahren und Anordnung zur elektrischen Messung der Dicke von Halbleiterschichten

Info

Publication number: DE102004055181B3
Application number: DE102004055181A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Freywald; Gisbert Dr. Hölzer; Siegfried Hering; Uta Kuniss; Appo Van Der Wiel
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: EP1819982A1; DE112005003278A5; US20080100311A1; WO2006053543A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur elektrischen Messung der Dicke von Halbleiterschichten angegeben, z. B. zur Messung von aktiven Schichten auf SOI-Scheiben, von EPI-Schichten mit inversem Leitungstyp und zur Membrandickenmessung. DOLLAR A Dazu wird eine spezielle Teststruktur verwendet, die routinemäßig im Laufe eines Fertigungsprozesses ausgemessen werden kann. Die Gestaltung der Teststruktur erfolgt vorzugsweise ringförmig, damit ein hoher Grad an Symmetrie bei der Ausbreitung des Messstromes erfolgt und damit zu den umgegebenen Strukturen keine Wechselwirkungen entstehen können. Der Durchmesser der beispielsweise kreisförmigen Anordnung kann dem entsprechenden Dickenbereich der zu messenden Halbleiterschicht angepasst werden. Die vorgestellte Anordnung lässt sich unter Nutzung von herkömmlichen U-I Parameter-Testsystemen bewerten, die üblicherweise in einer Halbleiterfertigung eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Messung der Dicke von Halbleiterschichten und eine dazugehörige Anordnung, die als Teststruktur, hergestellt im normalen Bauelementeprozeß von Halbleiterstrukturen unter Nutzung herkömmlicher Testsysteme eingesetzt werden kann. Die als Teststruktur ausgebildete beispielsweise ringförmige Anordnung gewährleistet eine sichere Messung und Unterdrückung von störenden Wechselwirkungen mit benachbarten Strukturen.
Die bisher verwendeten Messverfahren erfüllen nicht die Anforderungen an eine einfache und sichere Routinemessung im Rahmen der elektrischen Prozesskontrolle als automatische Messung im laufenden Fertigungsbetrieb.

Herkömmliche elektrische Verfahren beruhen auf der 4-Spitzen-Messung zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes der Halbleiterschicht und der Messung des Ausbreitungswiderstandes mittels 2 Messspitzen. Daraus läßt sich dann der Schichtwiderstand und die Schichtdicke der Halbleiterschicht berechnen. Die im Patent JP 57 037 846 A angegebene Vorgehensweise nutzt diese Kombination beider Messverfahren mit einer 4-Spitzenanordnung, die die zu messende Halbleiterschicht für die Zeit der Messung mittels Messspitzen kontaktiert. Dieses Verfahren ist ein Laborverfahren und nicht für den Routinebetrieb einer Fertigung geeignet.

Im Patent JP 10 154 735 A wird ein spezielles Verfahren zur Messung von dünnen SOI-Schichten mittels silizierter Bereiche angegeben. Das Verfahren erfordert spezielle technologische Schritte und lässt sich nicht allgemein anwenden und ist für dickere Halbleiterschichten sowie für EPI-Schichten und Membranen nicht vorgesehen.

Aus der DE 196 19 686 A1 ist eine Anordnung aus zwei geometrisch verschiedenen nebeneinander angeordneten Vierpolanordnungen zur elektrischen Messung einer physikalischen Größe bekannt, die jedoch nicht für Schichtdickenmessungen an Halbleiterscheiben angewendet wurde.

Weitere Möglichkeiten zur Schichtdickenmessung bestehen im Einsatz anderer physikalischer Wirkprinzipien, die im Halbleiterfertigungsprozess als Routineverfahren im allgemeinen nicht zur Verfügung stehen und zusätzliche Kosten in der Halbleiterfertigung verursachen würden. Dafür seien beispielhaft folgende Patente genannt, die jedoch in keinem engeren Zusammenhang mit einem elektrischen Verfahren stehen:
Einsatz von Röntgenstrahlung und Ausnutzung der Röntgenstrahlenbeugung, z.B. JP 10 185 537 A ; Ausnutzung der Röntgenstrahlentransmission, z.B. US 6 434 217 B1 ; Ausnutzung der Röntgenfluoreszenz, z.B. GB 2 323 164 A und JP 2004 004 102 ; Nutzung der Interferometrie, z.B. JP 2003 065 724 A , JP 06 077 302 A und US 2003/0 218 758 A1 und Anwendung von Ultraschall, z.B. DE 4 414 030 C1 .

Zweck der Erfindung ist die Realisierung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Dicke von Halbleiterschichten im Halbleiterfertigungsprozess unter Nutzung von automatischen Testsystemen. Das Verfahren soll allgemein anwendbar sein, zum Beispiel zur Dickenmessung von aktiven Halbleiterschichten von SOI -Scheiben, von EPI- Schichten mit inversem Leitungstyp und zur Membrandickenmessung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Verfahren zur Messung der Dicke von Halbleiterschichten anzugeben, bei dem die Messkontaktierung mittels einer gebräuchlichen Probecard erfolgt, da gebräuchliche Testsysteme nur elektrische Messwerte erfassen. Aus Gründen der Platzersparnis soll eine elektrische Separierung zu anderen in der Nähe liegenden Testelementen erfolgen. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, eine Lösung zu haben, die keine zusätzlichen technologischen Schritte zur Realisierung der Teststruktur benötigt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 und Anspruch 6 angegebenen Merkmalen.

Die Gegenstände der Ansprüche 1 und 6 weisen die Vorteile auf, dass für die Herstellung der zur Anwendung des Verfahrens notwendigen Kontakte auf der Halbleiterschicht keine zusätzlichen Arbeitsschritte benötigt werden und die spezielle Teststruktur in einem Testfeld zur Parametermessung mit Hilfe automatischer Testsysteme eingesetzt werden kann. Ferner werden für zwei notwendige separate Vierpolmessungen hier nur 6 Kontakte anstelle von 8 Kontakten benötigt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher erläutert werden.
Es bedeuten:
1 eine schematische Darstellung der ringförmigen Anordnung der sechs ineinander liegenden kreisförmigen Kontaktgebiete A1 bis F1,
2 eine schematische Darstellung der linearen Anordnung mit sechs geradlinigen Kontaktstreifen A2 bis F2 und einem umgebenden Schutzring,
3 eine schematische Darstellung der punktförmigen Anordnung mit sechs Kontaktpunkten A3 bis F3 angeordnet in einer Linie und mit einem umgebenden Schutzring.
In 1 liegen die 6 ringförmigen Kontaktgebiete A1 bis F1 konzentrisch ineinander. Bei einer Messung werden die beiden in der Mitte liegenden Kontaktgebiete C1 und D1 je zweimal benutzt, einmal zum Anlegen des Messstromes und einmal zur Potentialmessung. Die Messstrecken der beiden nacheinander auszuführenden Messungen sind B1C1 und D1E1. Gleiche Verhältnisse liegen bei den Kontaktgebieten in 2 und 3 vor. Die das Testfeld umgebenden Schutzringe sind mit S2 und S3 bezeichnet.
Der im folgenden Text verwendete Index "i" bezieht sich auf die drei verschiedenen Kontaktanordnungen und läuft für die Zeichen A bis F bezogen auf die drei verschiedenen Anordnungen der Kontaktgebiete.
Alle drei verschiedenen Anordnungen haben die Gemeinsamkeit, dass immer die Abstände zwischen Ai und Bi, Ci und Di, Ei und Fi minimal sind. Dagegen ist der Abstand zwischen den Kontakten Bi und Ci der größere Abstand im Vergleich zu dem kleineren Abstand Di und Ei.
Die Beschaltung der einzelnen Kontaktgebiete ist für alle drei Anordnungen gleich. Für die Vierpolmessung am größeren Abstand BiCi erfolgt die Stromeinspeisung in Ai und Di, während zwischen Bi und Ci das Potential gemessen wird. Für die Vierpolmessung am kleineren Abstand DiEi erfolgt die Stromeinspeisung in Ci und Fi, während zwischen Di und Ei das Potential gemessen wird.
Zur elektrischen Abschirmung zu anderen umliegenden Testelementen wird eine Umrahmung dieser Teststruktur vorgesehen. Die Ausführung der 6 Kontaktgebiete der doppelten Vierpolanordnung kann als Metall-Halbleiterkontakt oder als Diffusionsgebiet mit möglichst hoher Leitfähigkeit erfolgen, das dann auch über Metallkontakte angeschlossen wird.
Die geometrische Anordnung der 6 Kontaktgebiete soll vorzugsweise ringförmig erfolgen, in diesem Fall ist eine zusätzliche Abschirmung nicht erforderlich.
Das Verfahren zur elektrischen Messung der Dicke von Halbleiterschichten mittels der beiden verschachtelten Vierpolanordnungen erfolgt in zwei Schritten: Bei der einen Messung der Struktur mit dem größeren Kontaktabstand wird der Messwert vorrangig durch den Schichtwiderstand der zu messenden Halbleiterschicht bestimmt. Dagegen wird bei der anderen Messung der Vierpolanordnung mit dem kleineren Kontaktabstand vorrangig der spezifische Widerstand der zu messenden Halbleiterschicht ermittelt.
Je nach Schichtdicke der zu messenden Halbleiterschicht können die Abstände der Vierpolanordnungen angepasst werden, um eine möglichst hohe Auflösung und damit hohe Messgenauigkeit im betrachteten Schichtdickenbereich zu erzielen. Da beide Messungen die Einflüsse beider Parameter, nämlich des Schichtwiderstandes (und damit der Schichtdicke) und des spezifischen Widerstandes enthalten, entsteht für die Auswertung aufgrund bekannter Zusammenhänge eine komplexe mathematische Beziehung, die die Geometriefaktoren enthält. Aus diesem Grund ist eine mathematische Modellierung für eine konkrete Geometrie sinnvoll, und eine einmalige Kalibrierung von mindestens zwei Punkten zur weiteren Modellanpassung erforderlich.
Das Verfahren zur Messung der beiden Vierpolanordnungen läßt sich gleichermaßen für alle drei Arten von Kontaktgebieten anwenden, nämlich für die ringförmige Anordnung in Form von sechs ineinander liegenden kreisförmigen Kontaktgebieten, für sechs geradlinige parallele Kontaktstreifen und für sechs punktförmige Kontakte, die in einer Linie liegen.

1

A1: Äußerer Kontaktring
B1: 1. innerer Kontaktring
B1C1: Größerer Abstand
C1: 2. innerer Kontaktring
D1: 3. innerer Kontaktring
D1E1: Kleinerer Abstand
E1: 4. innerer Kontaktring
F1: 5. innerer Kontaktring

2

A2: Äußerer Kontaktstreifen, eine Seite
B2: 1. innerer Kontakt
B2C2: Größerer Abstand; Messstrecke
C2: 2. innerer Kontakt
D2: 3. innerer Kontakt
D2E2: Kleinerer Abstand; Messstrecke
E2: 4. innerer Kontakt
F2: Äußerer Kontaktstreifen, andere Seite
S2: Schutzring

3

A3: Äußerer Kontaktpunkt, eine Seite
B3: 1. innerer Kontaktpunkt
B3C3: Größerer Abstand; Messstrecke
C3: 2. innerer Kontaktpunkt
D3: 3. innerer Kontaktpunkt
D3E3: Kleinerer Abstand; Messstrecke
E3: 4. innerer Kontaktpunkt
F3: Äußerer Kontaktpunkt, andere Seite
S3: Schutzring

Claims

Verfahren zur elektrischen Messung der Dicke von Halbleiterschichten durch Aufsetzen von Meßspitzen auf ausgebildete Kontaktgebiete an der Oberfläche der Halbleiterschicht, die Bestandteil einer Teststruktur sind und zwei geometrisch verschiedene, nebeneinander angeordnete Vierpolanordnungen bilden, so dass die Messung aus zwei aufeinander folgenden Vierpolmessungen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kontaktgebiete zueinander bei den beiden Vierpolmessungen unterschiedlich ist, die Teststruktur aus insgesamt 6 Kontaktgebieten besteht, wovon die zwei in der Mitte angeordneten Kontaktgebiete doppelt verwendet werden, derart, dass diese doppelt genutzten Kontakte einerseits zur ersten Vierpolanordnung und andererseits zur zweiten Vierpolanordnung gehören und bei der einen Messung der Vierpolstruktur mit dem größeren Kontaktabstand der Messwert vorrangig durch den Schichtwiderstand der zu messenden Halbleiterschicht bestimmt wird und bei der anderen Messung der Vierpolanordnung mit dem kleineren Kontaktabstand vorrangig der spezifische Widerstand der zu messenden Halbleiterschicht ermittelt wird und die Kontaktabstände der Vierpolanordnungen an die Schichtdicke der zu messenden Halbleiterschicht angepasst werden, um eine möglichst hohe Auflösung und damit hohe Messgenauigkeit im betrachteten Schichtdickenbereich zu erzielen und die Schichtdicke mittels einer an sich bekannten komplexen mathematischen Beziehung, welche die Geometriefaktoren enthält, aus den Messwerten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hinsichtlich der mathematischen Beziehung eine Modellierung für eine konkrete Geometrie vorgenommen wird und eine einmalige Kalibrierung von mindestens zwei Punkten zur weiteren Modellanpassung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aktive Halbleiterschichten von SOI-Scheiben gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Epitaxieschichten mit inversem Leitungstyp gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Membrandicken gemessen werden.
Anordnung von Kontaktgebieten zur elektrischen Messung der Dicke von Halbleiterschichten durch Aufsetzen von Meßspitzen auf die ausgebildeten Kontaktgebiete an der Oberfläche der Halbleiterschicht, die Bestandteil einer Teststruktur sind, die aus zwei geometrisch verschiedenen nebeneinander angeordneten Vierpolanordnungen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kontaktgebiete zueinander bei den beiden Vierpolanordnungen unterschiedlich ist, die Teststruktur aus insgesamt 6 Kontaktgebieten besteht, wovon die zwei in der Mitte angeordneten Kontaktgebiete doppelt verwendet werden, derart, dass diese doppelt genutzten Kontakte einerseits zur ersten Vierpolanordnung und andererseits zur zweiten Vierpolanordnung gehören und bei einer Vierpolanordnung ein größerer Messkontaktabstand vorhanden ist, damit vorrangig der Messwert durch den Schichtwiderstand der zu messenden Halbleiterschicht bestimmt wird und bei der anderen Vierpolanordnung ein kleinerer Messkontaktabstand vorhanden ist, damit vorrangig der Messwert durch den spezifischen Widerstand der zu messenden Halbleiterschicht bestimmt ist.
Anordnung von Kontaktgebieten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Vierpolanordnungen an die Schichtdicke der zu messenden Halbleiterschicht angepasst sind, um eine möglichst hohe Auflösung und damit hohe Messgenauigkeit im betrachteten Schichtdickenbereich zu erzielen.
Anordnung von Kontaktgebieten nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die 6 elektrischen Kontaktgebiete der doppelten Vierpolanordnung ringförmig konzentrisch ineinander liegend angeordnet sind und damit gleichzeitig eine Abschirmung zu anderen benachbarten Testelementen erfolgt.
Anordnung von Kontaktgebieten nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die 6 elektrischen Kontaktgebiete der doppelten Vierpolanordnung streifenförmig parallel nebeneinander angeordnet und von einem Schutzring umgeben sind.
Anordnung von Kontaktgebieten nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die 6 elektrischen Kontaktgebiete der doppelten Vierpolanordnung punktförmig angeordnet und von einem Schutzring umgeben sind.
Anordnung von Kontaktgebieten nach Anspruch 6 oder 7 und einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die 6 elektrischen Kontaktgebiete der doppelten Vierpolanordnung als direkte Metall-Halbleiterkontakte ausgebildet sind.
Anordnung von Kontaktgebieten nach Anspruch 6 oder 7 und einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die 6 elektrischen Kontaktgebiete der doppelten Vierpolanordnung als hochdotierte Diffusionsgebiete ausgebildet sind, die ihrerseits an definierten Stellen mit Metall kontaktiert sind.
Anordnung von Kontaktgebieten nach Anspruch 6 oder 7 und einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die 6 elektrischen Kontaktgebiete der doppelten Vierpolanordnung Bestandteil eines größeren Testfeldes sind.