DE19758348A1 - Depth profile measuring method for detecting impurity in semiconductors - Google Patents
Depth profile measuring method for detecting impurity in semiconductorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufnahme von Tiefenprofilen zum Nachweis von Verunreinigungen in Halbleitern.The invention relates to a method for recording depth profiles for Detection of contaminants in semiconductors.
Zur Kontrolle und Optimierung von Halbleitertechnologien, welche im allgemeinen Getter- und Temperschritte beinhalten, müssen metallische Verunreinigungen wie Eisen, Gold, Nickel, Kupfer usw. in Silicium charakterisiert werden.To control and optimize semiconductor technologies, which are generally getter and Tempering steps must include metallic contaminants such as iron, gold, Nickel, copper, etc. can be characterized in silicon.
Es sind bereits eine Reihe von Verfahren zum Nachweis von Metallverunreinigungen bekannt. Die Aufnahme von Tiefenprofilen ist mit konventionellen Analysemethoden nicht ausreichend empfindlich. Bei der Anwendung der Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS) beträgt die untere Nachweisgrenze für Metalle in Halbleitern ca. 1016 cm-3. Einschränkungen bei SIMS bestehen hinsichtlich der überstreichbaren Tiefe, die praktisch auf einige Mikrometer beschränkt ist. Eine ähnliche oder höhere Empfindlichkeit wird mit der Neutronen-Aktivierungsanalyse (NAA) erreicht, und durch schrittweises Abätzen der Probe kann ein großer Tiefenbereich untersucht werden. Nachteilig speziell bei diesem Verfahren sind die im Gegensatz zur Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie geringere Tiefenauflösung sowie der hohe Zeit-, und Kostenaufwand. Ein weiteres bekanntes Verfahren ist durch die Bestimmung der Diffusionslänge bzw. der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger charakterisiert. Dabei entstehen jedoch die Nachteile, daß in der Regel kein elementspezifischer Verunreinigungsnachweis möglich ist und keine Profilaufnahme stattfindet. Bei der Transientenspektroskopie tiefer Störstellen (Deep Level Transient Spectroscopy = DLTS) ist die Lage der Energieniveaus in der Bandlücke, den sogenannten tiefen Störstellenniveaus oder Deep Levels, von Verunreinigungen elementspezifisch. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine relativ gute Empfindlichkeit aus. Es sind mit diesem Verfahren Empfindlichkeiten erreichbar, die etwa fünf Zehnerpotenzen unter der Dotierstoffkonzentration liegen. Nachteilig sind der hohe Zeitaufwand und der große relative Fehler in der Konzentrationsbestimmung, da ein schrittweiser Tiefenabtrag mit jeweils neuer Kontaktpräparation erfolgen muß. Beim sogenannten Doppel-DLTS-Verfahren ist die maximale Tiefe für ein Profil auf die Ausdehnung der Raumladungszone und damit auf wenige Mikrometer begrenzt.A number of methods for the detection of metal contamination are already known. The recording of depth profiles is not sufficiently sensitive with conventional analysis methods. When using secondary ion mass spectrometry (SIMS), the lower detection limit for metals in semiconductors is approx. 10 16 cm -3 . SIMS has limitations with regard to the paintable depth, which is practically limited to a few micrometers. A similar or higher sensitivity is achieved with the neutron activation analysis (NAA), and a large depth range can be examined by gradually etching away the sample. A disadvantage of this method, in particular, is the lower depth resolution, in contrast to secondary ion mass spectroscopy, and the high expenditure of time and money. Another known method is characterized by determining the diffusion length or the lifetime of the minority charge carriers. However, this has the disadvantages that element-specific proof of contamination is generally not possible and no profile recording takes place. In deep-level transient spectroscopy (DLTS), the position of the energy levels in the band gap, the so-called deep level of impurities or deep levels, of elements is element-specific. This method is characterized by a relatively good sensitivity. Sensitivities can be achieved with this method which are approximately five orders of magnitude below the dopant concentration. Disadvantages are the high expenditure of time and the large relative error in the concentration determination, since a gradual depth removal with new contact preparation must take place. In the so-called double DLTS process, the maximum depth for a profile is limited to the extent of the space charge zone and thus to a few micrometers.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Aufnahme von Tiefenprofilen zum Nachweis von Verunreinigungen, insbesondere Übergangsmetallverunreinigungen in Halbleitern vorzuschlagen, bei dem die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden, wobei eine Nachweisgrenze kleiner als 1014 cm-3 bei gleichzeitig hoher Tiefenauflösung im Mikrometer- Bereich erreicht werden soll.The object of the invention is to propose a method for recording depth profiles for the detection of impurities, in particular transition metal impurities in semiconductors, in which the disadvantages of the prior art are eliminated, with a detection limit of less than 10 14 cm -3 with a simultaneously high depth resolution in the micrometer - Area to be reached.
Diese Aufgabenstellung wird durch nachfolgende Erfindungsbeschreibung gelöst.This task is solved by the following description of the invention.
Erfindungsgemäß wird eine lokal strahlanregende Transientenspektroskopie zur Aufnahme von räumlichen Tiefenprofilen von tiefe Störstellenniveaus bildenden Verunreinigungen in Halbleitern angewandt. Die Verunreinigungen werden spektroskopisch anhand der energetischen Lage ihrer Niveaus in der Bandlücke nachgewiesen und in ihrer Konzentration quantifiziert. Dies geschieht mit Hilfe der Transientenspektroskopie, wobei zum Nachweis die Umladung mit einem Elektronenstrahl erfolgt. Dieses Verfahren wird Elektronensonden- Transientenspektroskopie bzw. Scanning-DLTS genannt.According to the invention, a locally beam-exciting transient spectroscopy is used for recording of spatial depth profiles of impurities forming deep impurity levels in Semiconductors applied. The impurities are spectroscopic based on the energetic position of their levels in the band gap and in their concentration quantified. This is done with the aid of transient spectroscopy Charging takes place with an electron beam. This procedure is called electron probe Transient spectroscopy or scanning DLTS called.
Die Aufnahme von Tiefenprofilen zum Nachweis von Verunreinigungen erfolgt
erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte
According to the invention, depth profiles for the detection of impurities are recorded by the method steps
- - Herstellung eines flachen Schrägschliffs,- production of a flat bevel cut,
- - Reinigung des Halbleiters,- cleaning the semiconductor,
- - Aufbringung eines elektronenstrahltransparenten Schottkykontakts auf den Schrägschliff;- Application of an electron beam transparent Schottky contact on the Bevel cut;
- - Umladung der tiefen Störstellenniveaus mittels Elektronensonde,- reloading of the deep impurity level using an electron probe,
- - Wahl des Verhältnisses zwischen Fläche des mittels Elektronensonde angeregten Teilgebiets und der Fläche des Schottkykontakts in Abhängigkeit der zu erreichenden Nachweisgrenze und der Tiefenauflösung und- Choice of the ratio between the area of the excited by means of an electron probe Sub-area and the area of the Schottky contact depending on the to be reached Detection limit and depth resolution and
- - Aufnahme des Tiefenprofils durch langsame, zeitlich angepaßte Verschiebung des Elektronensondengebiets über die Fläche des Schottkykontakts und gleichzeitige Elektronensonden-Transientenspektroskopie.- Recording the depth profile by slow, time-adjusted shift of the Electron probe area over the area of the Schottky contact and simultaneous Electron probe transient spectroscopy.
Als Schottkykontakt eignet sich für n-Silicium Gold oder Gold/Palladium, für p-Silicium eignet sich insbesondere Titan oder Titan mit einer überdeckenden Aluminiumschicht zum Schutz vor mechanischer Belastung und zur besseren Kontaktierung. Wichtig ist weiterhin, daß sogenannte Grenzflächen- oder auch Interface-Zustände zwischen der Halbleiteroberfläche und dem Metall durch die Art der Reinigung der Oberfläche und die Wahl des Metalls vermieden werden, da sie als Artefakte die eigentlichen Informationen aus den verunreinigungsbedingten tiefen Störstellenniveaus überlagern oder verdecken könnten. Der so präparierte Schottkykontakt weist eine Kapazität C auf, deren Wert von der Fläche des Schottkykontakts mitbestimmt wird. Bei der lokalen Umladung der tiefen Störstellenniveaus mittels Elektronensonde in einem bestimmten Teilgebiet des Schottkykontakts ergibt sich eine Änderung ΔC dieser Kapazität. Das Verhältnis zwischen der Kapazitätsänderung und der Kapazität entspricht der halben Spektrometerempfindlichkeit.A Schottky contact is suitable for n-silicon gold or gold / palladium, for p-silicon is particularly suitable for titanium or titanium with a covering aluminum layer Protection against mechanical stress and for better contacting. It is still important that so-called interface or interface states between the Semiconductor surface and the metal by the way of cleaning the surface and the Choosing the metal can be avoided as it artifacts the actual information could overlay or obscure the deep impurity level due to contamination. The Schottky contact thus prepared has a capacitance C, the value of which depends on the area of the Schottky contact is co-determined. When locally reloading the deep impurity level using an electron probe in a certain sub-area of the Schottky contact results in a Change ΔC of this capacity. The relationship between the change in capacity and the Capacity corresponds to half the spectrometer sensitivity.
Neben der Spektrometerempfindlichkeit werden die Nachweisgrenze und die Tiefenauflösung
durch das Verhältnis zwischen der Fläche Ae des mittels Elektronensonde angeregten
Teilgebiets und der Fläche A des Schottkykontakts bestimmt. Die Tiefenauflösung ist
proportional zum Verhältnis zwischen der Fläche A und der angeregten Fläche Ae. Durch
geeignete Wahl dieses Verhältnisses wird die Nachweisgrenze und die Tiefenauflösung
optimal an das konkrete Analyseproblem angepaßt. Des weiteren wird die minimal meßbare
Verunreinigungsdichte durch die Nettodotandenkonzentration NN bestimmt. Die minimal
meßbare Verunreinigungsdichte NT ergibt sich nach der Formel:
In addition to the spectrometer sensitivity, the detection limit and the depth resolution are determined by the ratio between the area A e of the area excited by the electron probe and the area A of the Schottky contact. The depth resolution is proportional to the ratio between the area A and the excited area A e . By a suitable choice of this ratio, the detection limit and the depth resolution are optimally adapted to the specific analysis problem. Furthermore, the minimum measurable impurity density is determined by the net dopant concentration N N. The minimum measurable impurity density N T results from the formula:
NT = 2.ΔC.A.NN.(C.Ae)-1.N T = 2.ΔC.AN N. (CA e ) -1 .
Die Ausformung des vorzugsweise rechteckförmigen Schottkykontakts erfolgt durch Aufdampfen mittels einer Bedampfungsmaske oder durch Nutzung eines lithographischen Verfahrens. Die Ausformung des Elektronenstrahls mit vorzugsweise rechteckförmiger Fläche des mittels Elektronensonde angeregten Teilgebiets erfolgt mit Hilfe eines Formstrahls durch spezielle Ausbildung der Elektronenoptik oder durch Mittelung über Abrastern der Analysefläche mit einer gebündelten Elektronensonde, wobei die Zeit zum Abrastern der Analysefläche mindestens um einen Faktor 10 kleiner als die Pulsperiode des Elektronenstrahls ist.The preferably rectangular Schottky contact is shaped by Evaporation using an evaporation mask or using a lithographic Procedure. The shaping of the electron beam, preferably with a rectangular surface of the partial area excited by means of an electron probe is carried out with the aid of a shaped beam special training in electron optics or by averaging over scanning Analysis area with a bundled electron probe, the time for scanning the Analysis area is at least a factor 10 smaller than the pulse period of the Electron beam.
Bei der Elektronensonden-Transientenspektroskopie wird die Umladung, d. h. die Erzeugung eines Nichtgleichgewichtszustandes des zu analysierenden tiefen Störstellenniveaus mit einer Elektronensonde vorgenommen. Nur von den umgeladenen tiefen Störstellenniveaus werden Informationen ausgelesen, und zwar aus dem Verlauf der Transienten, nach denen sie dem Gleichgewichtszustand zustreben. Dadurch läßt sich dann auch eine lokale Analyse durchführen, während man z. B. bei Anwendung der Standard-DLTS die Information über die gesamte Meß-Diodenstruktur mittelt. Ein weiterer Vorteil der Elektronensonden- Transientenspektroskopie ist, daß sowohl Majoritäts- als auch Minoritätsstörstellen an ein und derselben Stelle analysiert werden können. Damit erhöht sich die Flexibilität und Analysensicherheit bei Anwendung der Elektronensonden-Transientenspektroskopie.In electron probe transient spectroscopy, the charge reversal, i. H. the production a non-equilibrium state of the deep impurity level to be analyzed with a Electron probe made. Only from the reloaded deep impurity levels Information read out, namely from the course of the transients, according to which it Strive for equilibrium. This also enables local analysis perform while z. B. when using the standard DLTS the information on the entire measuring diode structure averaged. Another advantage of the electron probe Transient spectroscopy is that both majority and minority defects at one and can be analyzed in the same place. This increases flexibility and Analysis reliability when using electron probe transient spectroscopy.
Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert.The features of the invention go beyond the claims also from the description and of the drawing, the individual features each individually or in groups represent protective versions in the form of sub-combinations, for which protection here is claimed. An embodiment of the invention is explained in more detail below.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Halbleiterprobe. Es wird eine lokal strahlanregende Transientenspektroskopie zur Aufnahme von räumlichen Tiefenprofilen von tiefe Störstellenniveaus bildenden Verunreinigungen im Halbleiter 1 angewandt. Die Verunreinigungen werden spektroskopisch anhand der energetischen Lage ihrer Niveaus in der Bandlücke nachgewiesen und in ihrer Konzentration quantifiziert. Dies geschieht mit Hilfe der Transientenspektroskopie, wobei zum Nachweis die Umladung mit einem Elektronenstrahl 2 erfolgt. Zuerst wird ein flacher Schrägschliff 3 hergestellt, z. B. durch Schleifen auf einer Glasplatte. Der Schrägschliffwinkel 4 beträgt etwa 1°. Dann wird der Halbleiter 1 einer Reinigung unterzogen. Die Reinigung erfolgt nach der bekannten Standard- RCA-Prozedur. Danach wird eine eventuell vorhandene Oxidschicht durch Eintauchen in Flußsäure, dem sogenannten HF-Dip, entfernt und die Probe sofort in einen Hochvakuumpumpstand zum Aufdampfen des Metalls eingeschleust. Dieser Ablauf unterdrückt die Entstehung eines sogenannten Luftoxids, und damit läßt sich die Grenzflächen-/Interface-Zustandsdichte wesentlich reduzieren. Anschließend erfolgt die Aufbringung eines elektronenstrahltransparenten, rechteckförmigen Gold-Schottkykontakts 5 mittels Aufdampfen unter Verwendung einer Bedampfungsmaske. Die Länge des Schottkykontakts 5 beträgt 5000 µm. Bei einer Breite bs des Schottkykontakts 5 von 200 µm ergibt sich somit eine Fläche A des Schottkykontakts 5 von 106 µm2. Der so präparierte Schottkykontakt 5 weist eine Kapazität C auf, deren Wert von der Fläche A des Schottkykontakts mitbestimmt wird. Bei der folgenden lokalen Umladung der tiefen Störstellenniveaus mittels Elektronensonde in einem bestimmten Teilgebiet des Schottkykontakts 5 ergibt sich eine Änderung ΔC dieser Kapazität C. Fig. 1 shows a section of a semiconductor sample. A locally beam-exciting transient spectroscopy is used to record spatial depth profiles of impurities forming deep levels of impurities in the semiconductor 1 . The impurities are detected spectroscopically on the basis of the energetic position of their levels in the band gap and their concentration is quantified. This is done with the aid of transient spectroscopy, the charge being transferred with an electron beam 2 for detection. First, a flat bevel 3 is made, for. B. by grinding on a glass plate. The bevel angle 4 is approximately 1 °. Then the semiconductor 1 is subjected to cleaning. The cleaning is carried out according to the well-known standard RCA procedure. Any oxide layer that may be present is then removed by immersion in hydrofluoric acid, the so-called HF dip, and the sample is immediately introduced into a high-vacuum pumping station for evaporating the metal. This process suppresses the formation of a so-called aerial oxide, and the interface / interface density of states can thus be significantly reduced. Then an electron beam transparent, rectangular gold Schottky contact 5 is applied by means of vapor deposition using a vapor deposition mask. The length of the Schottky contact 5 is 5000 µm. With a width b s of the Schottky contact 5 of 200 μm, this results in an area A of the Schottky contact 5 of 10 6 μm 2 . The Schottky contact 5 thus prepared has a capacitance C, the value of which is also determined by the area A of the Schottky contact. During the subsequent local recharging of the deep impurity level by means of an electron probe in a specific sub-region of the Schottky contact 5 , there is a change ΔC in this capacitance C.
Das Verhältnis zwischen der Kapazitätsänderung ΔC und der Kapazität C entspricht der halben Spektrometerempfindlichkeit. Die Fläche Ae des mittels Elektronensonde angeregten, rechteckförmigen Teilgebiets beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 103 µm2. Bei gleicher Breite bs des Schottkykontakts 5 und Breite bt der Fläche Ae des mittels Elektronensonde angeregten Teilgebiets ergibt sich somit eine Länge lt des Teilgebiets von 5 µm. Das Verhältnis zwischen der Fläche Ae des mittels Elektronensonde angeregten Teilgebiets und der Fläche A des Schottkykontakts beträgt damit 10-3. Dies ergibt bei einer Spektrometerempfindlichkeit von 10-6 relativ zur Nettodotandenkonzentration von z. B. 1015 cm-3 eine minimal meßbare Verunreinigungsdichte von 1012 cm-3. Es erfolgt die Aufnahme des Tiefenprofils durch langsame, zeitlich angepaßte Verschiebung des Elektronensondengebiets über die Fläche A des Schottkykontakts und gleichzeitige Elektronensonden-Transientenspektroskopie. The ratio between the change in capacitance ΔC and the capacitance C corresponds to half the spectrometer sensitivity. The area A e of the rectangular partial area excited by means of an electron probe is 10 3 μm 2 in this exemplary embodiment. With the same width b s of the Schottky contact 5 and width b t of the area A e of the partial area excited by means of an electron probe, this results in a length l t of the partial area of 5 μm. The ratio between the area A e of the partial area excited by means of an electron probe and the area A of the Schottky contact is thus 10 -3 . This results in a spectrometer sensitivity of 10 -6 relative to the net dopant concentration of z. B. 10 15 cm -3 a minimally measurable contamination density of 10 12 cm -3 . The depth profile is recorded by slowly, temporally adjusted shifting of the electron probe area over the area A of the Schottky contact and simultaneous electron probe transient spectroscopy.
Wichtig ist weiterhin, daß sogenannte Grenzflächen-Zustände zwischen der Halbleiteroberfläche und dem Metall vermieden werden, da sie als Artefakte die eigentlichen Informationen aus den verunreinigungsbedingten tiefen Störstellenniveaus überlagern oder verdecken könnten. Die Ausformung des rechteckförmigen Schottkykontakts 5 erfolgt durch Aufdampfen mittels einer Bedampfungsmaske. Die Ausformung des Elektronenstrahls 2 mit rechteckförmiger Fläche Ae des mittels Elektronensonde angeregten Teilgebiets erfolgt mit Hilfe eines Formstrahls durch spezielle Ausbildung der Elektronenoptik. Bei der Elektronensonden-Transientenspektroskopie wird die Umladung, d. h. die Erzeugung eines Nichtgleichgewichtszustandes des zu analysierenden tiefen Störstellenniveaus mit einer Elektronensonde vorgenommen. Nur von den umgeladenen tiefen Störstellenniveaus werden Informationen ausgelesen, und zwar aus dem Verlauf der Transienten, nach denen sie dem Gleichgewichtszustand zustreben. Dadurch läßt sich dann auch eine lokale Analyse durchführen, während man z. B. bei Anwendung der Standard-DLTS die Information über die gesamte Meß-Diodenstruktur mittelt. Ein weiterer Vorteil der Elektronensonden- Transientenspektroskopie ist, daß Majoritäts- und Minoritätstraps an ein und derselben Stelle analysiert werden. Damit erhöht sich die Flexibilität und Analysensicherheit bei Anwendung der Elektronensonden-Transientenspektroskopie.It is also important that so-called interface states between the semiconductor surface and the metal are avoided, since they could cover or obscure the actual information from the contamination-related deep impurity levels as artifacts. The rectangular Schottky contact 5 is formed by vapor deposition using an evaporation mask. The shaping of the electron beam 2 with a rectangular surface A e of the sub-region excited by means of an electron probe is carried out with the aid of a shaping beam by special design of the electron optics. In electron probe transient spectroscopy, the recharge, ie the generation of a non-equilibrium state of the deep impurity level to be analyzed, is carried out with an electron probe. Information is only read from the reloaded deep impurity levels, specifically from the course of the transients, towards which they strive for equilibrium. This allows a local analysis to be carried out while z. B. using the standard DLTS averages the information about the entire measuring diode structure. Another advantage of electron probe transient spectroscopy is that majority and minority traps are analyzed in the same place. This increases flexibility and analytical reliability when using electron probe transient spectroscopy.
In der vorliegenden Erfindung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels ein Verfahren zur Aufnahme von Tiefenprofilen zum Nachweis von Verunreinigungen in Halbleitern erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung im Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist, da im Rahmen der Patentansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.In the present invention, a concrete exemplary embodiment was used Method for recording depth profiles for the detection of impurities in Semiconductors explained. However, it should be noted that the present invention is not limited to Details of the description in the exemplary embodiment is restricted, since within the scope of Changes and modifications are claimed.
Claims (12)
- - Herstellung eines flachen Schrägschliffs (3),
- - Reinigung des Halbleiters (1),
- - Aufbringung eines elektronenstrahltransparenten Schottkykontakts (5) auf den Schräg schliff (3),
- - Umladung der tiefen Störstellenniveaus mittels Elektronensonde,
- - Wahl des Verhältnisses zwischen Fläche (Ae) des mittels Elektronensonde angeregten Teilgebiets und der Fläche (A) des Schottkykontakts (5) in Abhängigkeit der zu erreichenden Nachweisgrenze und der Tiefenauflösung und
- - Aufnahme des Tiefenprofils durch langsame, zeitlich angepaßte Verschiebung der Fläche (Ae) des mittels Elektronensonde angeregten Teilgebiets über die Fläche (A) des Schottkykontakts (5) und gleichzeitige Elektronensonden-Transientenspektroskopie.
- - producing a flat bevel cut ( 3 ),
- - cleaning of the semiconductor ( 1 ),
- - Application of an electron beam transparent Schottky contact ( 5 ) to the bevel ( 3 ),
- - reloading of the deep impurity level using an electron probe,
- - Choice of the ratio between the area (A e ) of the area excited by means of an electron probe and the area (A) of the Schottky contact ( 5 ) depending on the detection limit to be achieved and the depth resolution and
- - Recording the depth profile by slowly shifting the area (A e ) of the area excited by means of an electron probe over the surface (A) of the Schottky contact ( 5 ) and simultaneous electron probe transient spectroscopy.
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|---|---|
| DE (1) | DE19758348A1 (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114252583A (en) * | 2021-12-30 | 2022-03-29 | 王同华 | Good device that is used for karst geological environment monitoring of stability |
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| US4912052A (en) * | 1987-09-26 | 1990-03-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method of testing semiconductor elements |
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1997
- 1997-12-22 DE DE1997158348 patent/DE19758348A1/en not_active Withdrawn
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