DE2727505A1

DE2727505A1 - Roentgenfluoreszenzanalyse zur untersuchung oberflaechennaher schichten

Info

Publication number: DE2727505A1
Application number: DE19772727505
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl Phys Bohg; Marian Dipl Ing Briska
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1977-06-18
Filing date: 1977-06-18
Publication date: 1979-01-04
Also published as: FR2394798A1; JPS547991A; US4169228A; FR2394798B1

Description

Böblingen, den 13. Juni 1977 bu-bm/bb

Anmelderin:

IBM DEUTSCHLAND GMBH Pascalstraße 100
7000 Stuttgart 80

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der
Anmelderin:

GE 977 005

Bezeichnung:

RÖNTGENFLUORESZENZANALYSE ZUR UNTERSUCHUNG OBERFLÄCHENNAHER SCHICHTEN

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-Λ -

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu entnehmen ist.

Zur Untersuchung von der Analysenoberfläche nahen Schichten sind die verschiedensten Verfahren bekannt geworden. Als erstes wäre eine Elektronenstrahl-Mikrosonde zu nennen, bei der ein Elektronenstrahl von typisch 30 keV zur Anregung charakteristischer Röntgenstrahlung ausgenutzt wird. Nachteilig hierbei ist aber die verhältnismäßig hohe Untergrundstrahlung, hervorgerufen durch Bremsstrahlung, so daß eine entsprechende Empfindlichkeitsminderung zu verzeichnen ist, wobei fernerhin die Bildung einer Kontaminationsschicht infolge Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Restgas in der Vakuumkammer nicht zu vermeiden ist, und die Analysentiefe nicht wesentlich unter 1 um unterhalb der bestrahlten Oberfläche zu verringern ist, da die hierbei auftretende starke Streuung der Elektronen keine klaren Ergebnisse mehr herbeiführen läßt.

Die Auger-Elektronen-Spektroskopie stellt ein Verfahren dar, das nur bei leichten Elementen eine empfindliche Anzeige zuläßt, wobei außerdem nur eine halbquantitative Aussage über die obersten Atomlagen in einer Dicke von etwa 5 S zu erhalten ist. Darunterliegende Schichtbereiche sind mit Hilfe dieses Verfahrens überhaupt nicht in zerstörungsfreier Weise einer Untersuchung zugänglich.

pie Sekundärionen-Massenspektrometrie hingegen bedient sich eines Ionenstrahls von typisch 15 keV, der Bruchstücke aus der zu untersuchenden Probe herausschlägt, um sie dann massenspektrometrisch analysieren zu können. Diese Methode ist offensichtlich nicht zerstörungsfrei. Hinzu kommt noch, daß die Zuordnung einzelner Bruchstücke einzelnen Bereichen des Spektrums im Hinblick auf die Probenzusammensetzung oft mehrdeutig, jedenfalls aber ziemlich kompliziert ist.

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Ein weiteres Verfahren zur Schichtuntersuchung stellt die Protonen- oder Helium-Rückstreuungsmethode dar, bei der ein hochenergetischer Strahl von H - oder He -Ionen auf die Probe gerichtet wird. Aus den Energieverlusten rückgestreuter Ionen lassen sich dann Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von oberflächennahen Schichtbereichen bis zu einer Tiefe von etwa 1 um ziehen. Bei Schichtmaterialzusammensetzungen aus mehr als drei Elementen und gleichzeitiger Erfassung führt die Durchführung der Methode als solche unter ganz bestimmten Voraussetzungen zwar zu quantitativen Ergebnissen, versagt jedoch bei Elementkonzentrationen in einer Schicht, die wesentlich unter 1 % liegen. Die geringe Eindringtiefe läßt dann ebenfalls keine störungsfreie Untersuchungsmethode zu, wenn größere Schichtdicken als 1 um zur Untersuchung anstehen.

Bei Verwendung von Röntgenfluoreszenz-Analyseverfahren sind zwar hohe Eindringtiefen für die primäre Röntgenstrahlung zu erzielen, jedoch ist gerade aus diesem Grunde die Analyse flacher Diffusionen in Halbleitern oder von Dünnfilmen nicht möglich, da hierzu das Verfahren zu unempfindlich ist. Außerdem kommt hinzu, daß bei geschichtetem Aufbau die Untergrundstrahlung anderer Schichten als der jeweils zu untersuchenden Schicht als Störfaktor in Erscheinung tritt, dem Rechnung getragen werden muß.

Nach dem Artikel "Meßtechnische und instrumenteile Probleme der Röntgenfluoreszenzanalyse" von Gerhard Lang, in "Zeitschrift für Instrumentenkunde", Bd. 70 (1962), Heft 12, ist das Funktionsprinzip einer typischen Apparatur für Röntgenfluoreszenzanalyse wie folgt gekennzeichnet: Die Röntgenröhre bestrahlt eine ebene Oberfläche der Probe und regt die hierin enthaltenen Atome zur Emission einer Röntgenfluoreszenzstrahlung - auch charakteristische Strahlung oder Eigenstrahlung genannt an, die von der Probe nach allen Seiten ausgeht. Die Fluoreszenzstrahlung wird über einen Kollimator einem Analysator-Kristall zugeführt, der je nach dem Winkel-Bragg'sche GE 977 005 ~ β Q 9881/02 08

Ref lexionsbedingung·; unter welchem die Strahlung seine Netzebenen trifft eine Strahlung anderer Wellenlänge auf einen Strahlendetektor reflektiert. Um einen größeren Bereich des Spektrums überstreichen zu können, wird der Analysatorkristall mittels eines Goniometers gleichzeitig mit dem Detektor so gedreht, daß die reflektierte Strahlung bei jedem Einfallswinkel in den Strahlendetektor gelangen kann. Dieses Grundprinzip findet vielseitige Verwendung.

In der USA-Patentschrift 3 525 863 z.B. wird eine Röntgenfluoreszenzanalysen-Apparatur beschrieben, mit deren Hilfe die Konzentration eines gesuchten Elementes in einer Probe ermittelt werden kann. Hierzu wird sich eines differentiellen Meßverfahrens bedient, indem zwei monochromatische Röntgenstrahlen, von denen einer eine Wellenlänge geringfügig oberhalb der Absorptionskante des gesuchten Elements und der andere eine Wellenlänge geringfügig unterhalb der Absorptionskante des gesuchten Elements aufweist, jeweils als parallelisierte Strahlen in unterschiedlichen Perioden auf die Probe zur Einwirkung gebracht werden. Sowohl die dabei entstehende rückgestreute als auch die hierbei entstehende charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung werden dann durch einen gemeinsamen Strahlendetektor erfaßt, dessen durch die Differenz in der einfallenden Strahlung moduliertes Ausgangssignal die Konzentration des gesuchten Elementes in der Probe anzeigt. Bedingt durch dieses Zweistrahlverfahren ist der Aufwand jedoch beträchtlich, ohne daß aber Analysen in oberflächennahen Bereichen einer Probe auf alle in ihr enthaltenen Elemente ohne weiteres durchge- j führt bzw. ausgedehnt werden können. j

Die USA-Patentschrift 3 963 922 beschreibt ebenfalls eine I Apparatur zur Röntgenfluoreszenzanalyse, bei dem Rontgenstrahlenquelle und Probe im gleichen Vakuumbehälter untergebracht sind, um so auch leichte Elemente in der Probe erfassen zu können, ohne eine Röntgenstrahlabsorption zwischen Rontgenstrahlenquelle und Probe in Kauf nehmen zu müssen. Das

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hier beschriebene Verfahren gestattet zwar dank der großen Eindringtiefe in die Probe theoretisch alle hierin enthaltenen Elementkonzentrationen zu erfassen, jedoch liegt hier die Schwierigkeit vor, daß charakteristische Fluoreszenzstrahlung eines Elementes durch die charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung eines anderen Elementes überdeckt werden kann, wie es z.B. bei eindiffundierten Fremdatomen in Halbleiterproben der Fall sein kann, oder daß oberflächennahe Schichten, beistehend aus einem bestimmten Material, nicht erfaßbar sind, wenn sie von einem Substrat gleichen Materials durch Schichten anderen Materials getrennt sind. In beiden Fällen ist eine Analyse praktisch überhaupt nicht durchführbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Röntgenfluoreszenzanalysen-Anordnung bereitzustellen, mit deren Hilfe eine !zerstörungsfreie Analyse einer Probe bis zu einer Tiefe von einigen um durchführbar ist und auch noch Schichten ohne Einfluß störender Untergrundstrahlung zu untersuchen sind, so daß das Ausgangssignal im gesamten Meßbereich immer ein zufriedenstellendes Signal-Rausch-Verhältnis beibehält.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, wie es im Kenn- |

zeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Diese Anordnung ist also so getroffen, daß die durch den einfallenden primären Röntgenstrahl ausgelöste charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung alleine zur Analyse der Probe heran gezogen wird, wohingegen die außerdem ausgelöste Streustrahlung entweder durch die Kammerwandung, in der die Anordnung untergebracht ist, aufgefangen wird oder durch einen hierfür speziell vorgesehenen Absorptionsschild wie z.B. eine Bleiplatte. Die effektive Analysentiefe kann erfindungsgemäß bis auf einige 8 dadurch reduziert werden, daß die parallele Primärstrahlung unter einem beliebig flachen Winkel in der Nähe oder unterhalb des Winkels der Totalreflexion auf die Probe trifft. Die Winkel

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einstellung und somit die Analysentiefe sind aber vom Probenmaterial abhängig. Um auch leichte Elemente In einer Probe erfassen zu können, 1st gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine evakuierte oder Helium-gefüllte Kammer vorgesehen, in der zumindest die auf einem ersten höhen-verstellbaren Goniometer befestigte Probe untergebracht i ist, wobei dieses Goniometer selbst auf einem in Richtung der zur Probenebene senkrechten Goniometerebene verschiebbaren Tisch angebracht ist und die Primärstrahlen in der Goniometerebene einfallen. Mit Hilfe einer derartigen Anordnung ist ^: gewährleistet, daß die gesamte Probenoberfläche der streng parallelen und, dank einer vorgeschalteten Blende, stark gebündelten Primärstrahlung in aufeinanderfolgenden Abtast- ■ zeitintervallen ausgesetzt werden kann. Die Röntgenstrahlenquelle kann dabei eine Röntgenröhre oder eine sonstige Strahlenquelle ! sein, wie z.B. das Target oder der entsprechende Wandungsbe- | reich eines Elektronenbeschleunigers_/oder Synchroton-Strahlung. In der Vakuum- oder Heliumkammer selbst ist jedenfalls aber lein Fenster für die einfallende Primärstrahlung vorzusehen.

für viele Arten von Messungen ist es vorteilhaft - hierunter fallen Halbleiterprofilbestimmungen -, wenn ein energiedispersiver Strahlendetektor in an sich bekannter Weise an einem Kühlfinger befestigt ist, dessen anderes Ende durch ein gegebenenfalls außerhalb der Vakuumkammer angeordnetes Dewar-Gefäß auf die Temperatur eines verflüssigten Gases gehalten wird.

Semäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung cann vorgesehen werden, daß eine als Strahlenquelle dienende Röntgenröhre in an sich bekannter Weise auf ein zweites innerlalb oder außerhalb der Kammer vorgesehenes Goniometer gerich- :et ist, auf dessen Befestigungstisch ein Kristall zur Röntgenitrahlparallelisierung unter Ausnutzung der Braggschen Reflecionsbedingung angebracht ist und daß im Strahlengang vom Kristall zur Probe eine verschiebbar eingerichtete Röntgenstrahl- >lende angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine völlig

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Integrierte Analysenmeßeinrichtung, wodurch die Analyse in vielen Fällen erleichtert wird. Eine Anordnung auch des zweiten Goniometers mit hierauf befestigtem Parallelisierungskristall und Röntgenstrahlquelle in einer Vakuum- bzw. Heliumkammer ist von Vorteil, wenn weiche Röntgenstrahlung zur Analyse verwendet werden soll.

!Der in der Anordnung gemäß der Erfindung verwendete Parallel!- sierungskristall für die Primärstrahlung kann entweder im üurchstrahlungsverfahren oder im Reflexionsverfahren Anwendung finden, wobei letzteres wegen geringerer Strahlungsverluste von Vorteil ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Parallelisierung der Primärstrahlen besteht darin, im Strahlengang zwischen Röntgenquelle und Probe einen an sich bekannten Kollimator vorzusehen, was z.B. zweckdienlich wäre, wenn als Strahlenquelle eine intensitäts-Jschwache Röntgenröhre mit polychromatischen Röntgenstrahlen

vorgesehen werden sollte. I

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet viele Anwendungsmöglichkeiten. So lassen sich z.B. bei Profilbestimmung von Halbleiter[-bauelementen zerstörungsfrei die einzelnen Difussionszonen hinsichtlich ihrer geometrischen und physikalischen Eigenschaften in einer Halbleiterscheibe oder in einem Halbleiterchip bestimmen, kuch Oberflächenverunreinigungen bei Halbleitern oder auch HaIb-Leiter-Bauelementen sind in vorteilhafter Weise dank der Erfiniung zu erfassen. Eine andere vorteilhafte Verwendungsmöglich⁴-ceit besteht in der Simultan-Bestimmung und -Analyse von düngen Multi-Schichtfilmen, wie z.B. von dünnen Siliciumschichten luf Metallisierungen, die sich ihrerseits auf Siliciumsubstra- :en befinden. Da hierbei dank der geringen einstellbaren Eindringtiefe der einfallenden, primären Strahlen das Substrat selbst nicht zur charakteristischen Röntgenfluoreszenzstrah-

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ΛΛ

- ys-

lung angeregt wird, läßt sich eine einwandfreie Analyse der oberen Siliciumschicht durchführen.

Zusammenfassend ergeben sich mit Hilfe der Erfindung nachstehend aufgeführte, mit Hilfe bisheriger Anordnungen nicht zu erzielende Vorteile:

Eine zerstörungsfreie Analyse von oberflächennahen Bereichen bis zu einer Tiefe von einigen um läßt sich bei zufriedenstel- ' lendem Signal-Rausch-Verhältnis durchführen. Die Analysentiefe ist dabei in weiten Grenzen wählbar. Bei der Analyse werden quantitative Ergebnisse erzielt. Unbekannte Elemente lassen sich aus ihren charakteristischen K- bzw. L-Linien des Spektrums eindeutig identifizieren, wobei eine einfache Auswertung der auftretenden Spektren wie bei der bisherigen Röntgenfluoreszenzanalyse möglich ist.

Die Erfindung wird anschließend mit Hilfe einer Ausführungsbeispielsbeschreibung anhand der unten aufgeführten Zeichnungen j

näher erläutert. \

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung nach Art eines Blockschemas der erfindungsgemäßen Röntgenfluoreszenzanalysen-Anordnung,

Fig. 2 in schematischer Darstellung bei geöffneter

Untersuchungskammer eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung

in schematischer Draufsicht bei geöffneter Untersuchungskammer,

Fign. 4 bis 7 unter verschiedenen Auftreffwinkeln von

einer Probe aus mit Aluminium und Silicium

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Al

bedampftem Galliumphosphid erzielte Spektrograrame·

Aus der von einer Röntgenquelle 1 (Fig. 1) emittierten primären Strahlung 2 (z.B. Mo-K ) wird beispielsweise durch einen versetzungsfreien Si-Einkristall 3, der, wie durch den Pfeil angedeutet, um seinen Mittelpunkt in Zeichenebene drehbar angeordnet ist, in Durchstrahlung ein paralleler Strahl mit einer ι " '

Restdivergenz von ca. 3 geformt, der über eine Blende 4, die,

wie ebenfalls durch die Pfeile angedeutet, verschiebbar angeordnet sein kann, auf die Oberfläche einer Probe 6 gelenkt wird, und zwar unter einem Auftreffwinkel, der den Totalre- , flexionsbedingungen der einfallenden Primärstrahlen 2 entspricht. Von dieser Probe 6 wird also der größte Teil der einfallenden Primärstrahlen 2 in Form der Streustrahlung 5 reflektiert, um auf das absorbierende Medium 8, das z.B. eine Bleiplatte sein kann, einzufallen. Der Auftreffwinkel der einfallenden Primärstrahlen 2 kann dabei zwischen einigen Sekunden' Lind 1 bis 2 eingestellt werden, was durch Befestigung der _: Probe 6 auf dem Goniometer 22 erreicht wird.

Jm den Auftreffpunkt auf der Probenoberfläche in jeweils gewünschter Lage einstellen zu können, ist der Probentisch 7, wie lurch die Pfeile angedeutet, nach links und rechts verschiebbar desgleichen, wie hier jedoch nicht angedeutet, läßt sich der Pro sentisch 7 auch in Richtung senkrecht zur Zeichenebene verschieben. Die Primärstrahlen 2 werden aber nicht an der Prosenoberfläche selbst reflektiert, sondern dringen je nach Einstellung des Auftreffwinkels mehr oder weniger tief in die »robe 6 ein. Die Eindringtiefe ist hierbei durch die Abweichung les Auftreffwinkels vom Winkel der Totalreflexion bei vorgejebenem Probenmaterial bestimmt. Die hierdurch ausgelöste, rharakteristische Runtgenfluoreszenzstrahlung 9 wird durch »inen geeigneten Weitwinkel-Strahlendetektor 10 erfaßt, um Ln eine elektrische Größe umgesetzt zu werden, die ihrerseits, lurch einen Verstärker 11 verstärkt der Auswerteeinrichtung 12

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zugeführt wird. Hierbei ist es zweckmäßig und vorteilhaft, wenn der Strahlendetektor 10 als energiedispersiver Weitwinkeldetektor ausgebildet ist, der einen möglichst großen Raumwinkel zu überstreichen vermag, sofern nicht leichte Elemente, wie Bor, zu analysieren sind.

Die Praxis hat gezeigt, daß sich die Analysentiefe typisch um ; zwei Zehnerpotenzen je nach Anwendung variieren läßt, indem j der Auftreffwinkel der Primärstrahlung 2 entsprechend geringfügig geändert wird. !

■ I

^: j

Zur Erzielung von auf die Probe 6 gerichteter stark paralleli- , sierter, primärer Röntgenstrahlen 2 ist zwar in der Zeichnung die Anwendung eines drehbaren Kristalls 3 gezeigt, den die primären Röntgenstrahlen 2 durchstrahlen, und die Anwendung j eines Kristalls nahegelegt, an dem die primären Röntgenstrahlen 2 unter Braggschen Reflexionsbedingungen reflektiert werden, um dann anschließend durch die Blende 4 in scharfer Bündelung auf die Probe 6 gerichtet zu werden, doch läßt sich !anstatt dieser Methode zur Parallelisierung auch die primäre !Röntgenstrahlung 2 über einen zwischen Röntgenstrahlenguelle 1 !und Probe 6 eingefügten Kollimator leiten, wie es im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 weiter unten noch näher erläutert wird.

3er Weitwinkel-Strahlendetektor 10 ist in Fig. 1 als Lithiumgedrifteter Siliciumdetektor dargestellt. Ebensogut lassen sich auch, je nach Verwendungszweck, andere Strahlendetektoren einsetzen, die dann dem jeweiligen Meßverfahren angepaßt sein nüssen.

Pernerhin ist es für die Untersuchung von Proben, enthaltend Slemente mit niedrigen Ordnungszahlen Z, zweckmäßig, Röntgenjuelle und Probe gemeinsam in einer evakuierten oder mit ielium gefüllten Kammer unterzubringen, um so vor allem eine

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Röntgenstrahlenabsorption zwischen Detektor und Probe auszuschalten .

Hierbei muß dann natürlich auch das zweite Goniometer 14 innerhalb der Kammer 30 liegen. Bei Proben mit hierin enthaltenen Elementen höherer Ordnungszahl Z ist natürlich keine solche Kammer 30 erforderlich. Wenn ein Elektronensynchroton als Quelle hoher Röntgenstrahlenintensität dient, wird auch bei Verwendung des Einkristalls 3 zum Parallelisieren des Primärstrahls 2 eine extrem hohe Nachweisempfindlichkeit erreicht; andererseits kann in diesem Fall jedoch von der Verwendung dieses Kristalls 3 abgesehen werden.

Wie aus der Veröffentlichung "Service Studies of Solids by Total Reflection of X-Rays" von L. G. Parratt, in der Zeitjschrift "Physical Revue" Bd. 95, Nr. 2, Seiten 359 bis 369 (1954) in Fig. 5 auf Seite 361 hervorgeht, beträgt die Eindringjtiefe eines primären Röntgenstrahl von λ = 1,39 A in eine Cu-Probe beim Glanzwinkel etwa 15Ο Ä*. Es wird also die charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung nur innerhalb von 150 A unter der Oberfläche angeregt, die dann gemäß der Erfindung durch den Strahlendetektor 10 erfaßbar ist, um über einen Verstärker 11 in der Auswerteeinrichtung 12 registriert und identifiziert zu werden. Läßt man in diesem Beispiel den Primärstrahl 2 unter dem halben Glanzwinkel auftreffen, dann beträgt die Informationstiefe nur 20 8; hingegen bei einem Auftreffwinkel mit dem 1,5fachen Betrag des Glanzwinkels ergeben sich 2000 R. Damit ist gezeigt, daß sich die Analysentiefe je nach Anwendungsfall um zwei Zehnerpotenzen variieren läßt, indem der Auftreffwinkel der primären Röntgenstrahlung entsprechend geringfügig geändert wird.

Damit ergeben sich aber vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten für die verschiedensten Messungen. So ist z.B. eine Dotierungsprofilbestimmung bei Halbleitern in zerstörungsfreier Weise ¹ 9

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möglich. Hiermit wird dann auch dank der Erfindung eine Zwischenmessung bei Halbleiterbauelementfertigung mit der Möglichkeit zum direkten Eingreifen in die Fertigungsparameter je nach Meßergebnis der Zwischenmessungen möglich. Bei einer solchen Anwendungsart der Erfindung braucht also nicht mehr entweder die Halbleiterbauelementfertigung unterbrochen zu werden oder die weitere Fertigung fehlerhafter Halbleiterbauelemente vor entsprechender Abänderung der Prozeßparameter in Kauf genommen zu werden, so daß die Fertigung wesentlich erleichtert und beschleunigt werden kann.

Als weitere Möglichkeit sei die Untersuchung von Proben erwähnt, bei denen ein Substrat mit hierin enthaltenen Elementen von einer Schicht abgedeckt wird, die ihrerseits einen Dünnfilm trägt, der aus im Substrat enthaltenen Elementen besteht. Da die Eindringtiefe in die zu untersuchende Probe sich dank der Erfindung, wie gewünscht, einschränken läßt, ist auch ] eine durch Untergrundstrahlung ungestörte Oberflächenanalyse

durchführbar, was bisher nicht möglich war, da die Untergrundstrahlung des Substrats keine eindeutigen Bestimmungen der Dünnfilmzusammensetzung an der Oberfläche zugelassen hätte. Eine derartige Möglichkeit, die sich dank der Erfindung eröffnet, ist ebenfalls bei Halbleiterbauelementfertigung von besonderer Bedeutung, wenn berücksichtigt wird, daß Siliciumsubstrate bzw. integrierte Halbleiterschaltungen im Silicium im allgemeinen mit einer Aluminiummetallisierung an ihrer Oberfläche versehen sind, um die erforderlichen Zuleitungen zu den hierin enthaltenen Halbleiterbauelementen bereitzustellen. Diese Aluminiummetallisierung erhält im allgemeinen einen Siliciumdünnfilmüberzug. Die Untersuchung und Prüfung derartiger überzüge gestaltete sich bisher überaus kompliziert iind sehr aufwendig. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch lassen sich die charakteristischen Eigenschaften dieses pünnfilmüberzuges in äußerst einfacher Weise ermitteln. Schließlich ist es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung

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möglich, auch Oberflächenverunreinigungen auf Halbleiterbauelementen zu erfassen und zu bestimmen, was z.B. bei Feldeffekttransistoren, ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen und dergleichen, sowie bei Ihrer Fertigung von Vorteil 1st.

Fig. 2 zeigt in schematischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Hierbei ist die Apparatur in einer Untersuchungskammer 30 eingebaut, dessen Wandung 15 einen Evakuierungsstutzen 31 aufweist. Außerhalb der Kammer 30 befindet sich ein zweites Goniometer 14, an dessen Rand eine Röntgenröhre 1 befestigt ist, und zwar so, daß ein primärer Röntgenstrahl 2 unter vorgegebenem Winkel auf den Parallelisierungskristall 3 einfallen kann. Dieser Parallelieierungskristall 3 ist mit seiner Hauptfläche senkrecht zur Goniometerebene mittels des Probenhalters 13 auf dem Probentisch 27 befestigt. Weiterhin befindet sich auf dem zweiten Goniometer 14 die Blende 4, deren Befestigungslasche ein Langloch aufweist und hierüber mittels einer Schraube am Goniometer verschiebbar befestigt ist. Falls erforderlich, kann eine Blende 4 Anwendung finden, deren Schlitzbreite veränderbar ist. Jedenfalls läßt sich die Lage der Blende 4 jeweils so fixieren, laß der gewünschte Anteil der primären Röntgenstrahlung 2 ausgeblendet werden kann. Durch ein Fenster 32 in der Unterluchungskammer 30 fällt der Röntgenstrahl 2 auf das erste Goniometer 22, das auf einem, wie durch die Pfeile angedeutet, verschiebbaren Tisch 16 befestigt ist. Das erste Goniometer 22 :rägt einen Probentisch 17, dessen Höhe durch Drehen der hieran ingebrachten Mittelsäule, die hier nicht gezeigt ist, veränderbar ist. Das Fenster 32 für den Durchlaß der Röntgenstrahlung 2 icann aus einem hierfür geeigneten Material, wie Beryllium, bestehen .

Der Probentisch 17 trägt den Probenhalter 7, an dem die Probe > mit ihrer Hauptfläche senkrecht zur Ebene des Probentiiiches 17 gehaltert wird. Durch die Verschiebungsmöglichkeit

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des Goniometertisches 16 und die Höhenverstellbarkeit des Probentisches 17 ist es möglich, die primäre Röntgenstrahlung auf jeden gewünschten Oberflächenpunkt der Probe 6 einfallen zu lassen. Durch die Goniometerdrehung läßt sich außerdem ider Auftreffwinkel variieren. Die Strahlausrichtung auf die Probe ist in zweckmäßiger Weise zuverlässig gewährleistet, !wenn z.B. die evakuierte bzw. mit Helium gefüllte Kammer 30 !und das zweite Goniometer 14 mit der hieran befestigten jRöntgenstrahlquelle 1 und dem hierauf angebrachten Parallel!- sierungskristall 3 sowie der Blende 4 mittels an sich bekann-

ter Maßnahmen auf einer gemeinsamen hier allerdings nicht gezeigten Unterlage befestigt ist.

Die von der Probe 6 abgestrahlte charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung 9 wird vom in der Halterung 19 angebrachte^ Strahlendetektor, vorzugsweise einem Lithium-gedrifteten SiIiiciumkristall, erfaßt und in eine elektrische Größe umgesetzt.

Die Strahlendetektorhalterung 19 ist an einem durch die [Jntersuchungskammerwandung 15 hindurchragenden Kühlfinger 18 befestigt, der seinerseits in ein Dewar-Gefäß ragt, um auf iie Temperatur eines flüssigen Stickstoffes abgekühlt werden BU können.

)er Kühlfinger 18 trägt außerhalb der Untersuchungskammer 30 len Vorverstärker 20, der mittels der Befestigungselemente im Kühlfinger 18 befestigt ist. Dieser Vorverstärker 20 ist mit leinen Eingang über durch den Kühlfinger 18 hindurchgeführte elektrische Leitungen mit dem Ausgang des Strahlendetektors verbunden. Der Ausgang des Vorverstärkers 20 ist mit einer tier nicht gezeigten Auswerteeinrichtung verbunden. Die hier gezeigte Anordnung dient vorzugsweise zur Untersuchung von Proben, die Elemente höherer Ordnungszahl, nämlich Z > 11 mthalten; wobei die Röntgenröhre 1 z.B. eine Mo-K_a-Strahlung

mlttiert.

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Die zum Betrieb der Röntgenröhre 1 benötigten elektrischen Zuleitungen sind durch den Fuß der Mittelsäule des Goniometers 14, durch die Goniometerscheibe bis zum Befestigungselement der Röntgenröhre 1 und durch dieses hindurch geführt. Da die Goniometersäule mit dem Untersuchungskammerboden vakuumdicht verbunden ist, ist eine einwandfreie Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anordnung auch bei Evakuierung der Untersuchungskammer 30 betriebssicher gewährleistet, wenn auch das zweite Goniometer 14 in der Kammer 30 untergebracht ist. :

Eine einfachere Möglichkeit zur Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt, da hier ein Kollimator 32 anstelle des im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verwendeten Parallelisierungskristalls 3 mit nachgeschalteter Röntgenstrahlblende 4 Verwendung findet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Röntgenröhre 1 in die Kammerwandung 15 der Untersuchungskammer 30 eingelassen und dort vakuumdicht befestigt. Hierdurch ergeben sich zudem vorteilhafte Möglichkeiten zur Bereitstel- \ lung der elektrischen Betriebsleitungen, da dank der Zugänglichjkeit der Röntgenröhre 1 von außen, außerhalb der Untersuchungen kammer 30 keine besonderen Maßnahmen mehr zur Abdichtung der j

Untersuchungskammer 30 erforderlich sind.

Mittels eines Befestigungselementes 33 ist der Kollimator 32 am Ausgangsstutzen der Röntgenröhre 1 angebracht. Der Kollinator 32 selbst kann aus mehreren dünnen, parallel angeordneten Plättchen in ca. 0,1 mm Abstand bestehen, die in Längsricht{ung zum primären Röntgenstrahl verlaufend angeordnet sind. Auch

ier wiederum ist ein Goniometer 22 auf dem Goniometertisch 16 festigt, der nach allen Richtungen verschiebbar angeordnet st. Am Goniometer 22 ist wiederum ein höhen-verstellbarer Probentisch 17 befestigt, der den Probenhalter 7 trägt, um äie Proben 6 mit ihrer Hauptfläche senkrecht zur Probentischsbene zu halten. Die Tischverschiebung ist durch entsprechende feile angedeutet. Auch hier dient ein im Strahlendetektor-

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charakteristischen Röntgenfluoreszenzstrahlung. Die Strahlendetektorhalterung 19 am Kühlungsfinger 18 befestigt, der durch die Kammerwandung 15 hindurch zu einem hier nicht gezeigten Dewar-Gefäß ragt. Der Strahlendetektor 19 steht über durch den Kühlfinger 18 hindurch laufende elektrische Leitungen mit einem hier ebenfalls nicht gezeigten Vorverstärker und Auswerteteil in Verbindung. Durch Drehen der Probe mittels des Goniometers 22 wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 läßt sich der Auftreffwinkel der primären Röntgenstrahlung auf die Probenoberfläche einstellen. Dank der Höhenverstellbarkeit des Probentisches 17 und der Verschiebungsmöglichkeit des Goniometertisches 16 läßt sich jeder Punkt der Probenoberfläche durch den primären Röntgenstrahl abtasten. Wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, läßt sich der Abstand zwischen Kollimator 32 und Probe 6 bis auf die durch die entsprechenden Bauelemente vorgegebenen Möglichkeiten verringern. Hier ebenfalls wird die Untersuchungskammer 30 über den an die Kammerwandung 15 angebrachten Stutzen 31 evakuiert.

Anhand der Spektrogramme gemäß den Fign. 4 bis 7 sollen die Ergebnisse einer mit Hilfe der Erfindung praktisch durchgeführten Probenuntersuchung diskutiert werden. Als Probe dient hierbei ein Galliumphosphidsubstrat, das mit einer 80OO & dicken Aluminiumschicht überzogen ist, die ihrerseits einen 100 A* dicken Siliciumüberzug trägt. Als Röntgenstrahlenquelle dient eine Molybdän-Röhre mit einer Betriebsspannung von 40 kV und einem Betriebsstrom von 20 mA. Mit Hilfe entsprechen der Blenden ist dabei die Parallelität der primären Röntgenstrahlen nicht geringer als etwa 6'. Die charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung wird mit einem Si- (Li)-Detektor mit einer Energieauflösung von 170 eV unter den oben erwähnten Kühlbedingungen erfaßt, wobei jedoch nicht unter Vakuumbedingungen sondern bei Atmosphärendruck in Luft gemessen wird, per Abstand zwischen Probe und Detektor beträgt 25 mm.

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!Das Spektrogramm gemäß Fig. 4 ist bei einem Auftreffwinkel !von 0,02° aufgenommen. Hieraus ergibt sich, daß sich eine Oberflächenanalyse mittels der Erfindung ohne weiteres auf die oberen 100 8 der Probe begrenzen läßt, da der aufgedampfte Siliciumbelag in einer Dicke von 100 S gegenüber den anderen Spektrallinien überragend in Erscheinung tritt.

Das Spektrogramm nach Fig. 5 ist unter einem Auftreffwinkel on 0,10° aufgenommen. Hierbei zeigen sich fast gleich starke Al- und Si-Spektrallinien, obwohl die Aluminiumschichtdicke zur Siliciumschichtdicke im Verhältnis 80:1 steht. Das zeigt deutlich, daß sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung dünne Oberflächenfilme unabhängig vom Substrat analysieren lassen. Die Gallium- und Phosphorlinien der Substratelemente treten hierbei überhaupt nicht in Erscheinung.

ig. 6 zeigt das Spektrum der charakteristischen Röntgenfluoreszenzstrahlung in der Nähe des Einfallswinkels unter Totalreflektionsbedingungen. Die Spektrallinien von Gallium und hosphor, als Elemente des Substrats, sind hier bereits schwach EU sehen, aber die Spektrallinien von Aluminium und Silicium leben sich noch deutlich hiervon ab.

as Spektrogramm nach Fig. 7 schließlich zeigt das Ergebnis >ei konventioneller Röntgenfluoreszenzanalyse. Am stärksten ragen hier die P-Spektrallinien des Galliumphosphidsubstrats lervor, ebenso wie die Al-Spektrallinien. Während sich außerlem noch die Galliumlinien deutlich abheben, sind die Siliciumipektrallinien überhaupt nicht mehr zu erkennen. Sie gehen ielmehr vollständig im ausklingenden Teil der Phosphorspektral Linien unter.

Ie Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfiniungsgemäßen Anordnung lassen sich also ohne weiteres den gezeigten praktisch erhaltenen Röntgenspektrogrammen nach Fign. -

4 bis

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!entnehmen. Wenn berücksichtigt wird, daß die Parallelität der primären Röntgenstrahlung, wie sie zur beschriebenen Probenuntersuchung zugrunde lag, mit ca. 6' nicht gerade eine besondere Qualität aufwies, sich jedoch bereits die Eindringtiefe auf ca. 100 A im Oberflächenbereich der Probe beschränken ließ, dann dürfte ohne weiteres einleuchtend sein, daß bei stärkerer Parallelität der auf die Probe einfallenden primären Röntgenstrahlen, wie es z.B. durch Anwenden eines Parallelitätskristalls möglich ist, sich jedenfalls noch bessere Ergebnisse erzielen lassen dürften. Würde so z.B. die Parallelität der primären Röntgenstrahlen auf einen Wert von 0,01' gebracht, dann läßt sich ohne weiteres abschätzen, daß die Analysentiefe im Oberflächenbereich auf 10 bis 20 8 reduziert werden kann, so daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung bisher nicht zu erhaltende Ergebnisse zu erzielen sind.

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Claims

272750S PATENTANSPRÜCHE

1. Röntgenfluoreszenzanalysen-Anordnung, bei der stark parallelisierte Röntgenstrahlen als Primärstrahlen unter einem vorgebbaren Winkel auf eine Probe zur Anregung charakteristischer Röntgenfluoreszenzstrahlen richtbar sind, die ihrerseits von einem Strahlendetektor zur Ermittlung von Informationen über Zusammensetzung bzw. Elemente der jeweils angeregten Schichtdicke der Probe erfaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Röntgenstrahlen (2) unter Totalreflektionsbedingungen auf die Probe (6) bei einem zwischen einigen Sekunden und etwa 1° bis 2° wahlweise veränderbaren äußerst flachen Auftreffwinkel richtbar sind, und daß unter Außerachtlassen der unter dem gleichen Wert wie dem des Auftreffwinkels reflektierten Streustrahlung ausschließlich die von der Probe (6) abgestrahlte charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung (9) durch ; einen Strahlungsdetektor (10) erfaßbar ist. j

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß \

eine evakuierte oder mit Helium gefüllte Kammer (30) j

ι ! vorgesehen ist, in der zumindest die auf einem ersten

höhen-verstellbaren Goniometer (22) befestigte Probe (6) . untergebracht ist, wobei das erste Goniometer (22) selbst auf einem in Richtung der zur Probenebene senkrechten Goniometerebene verschiebbaren Tisch (16) angebracht ist und die primären Röntgenstrahlen (2) in der Ebene der Scheibe des Goniometers (22) einfallen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein energiedispersiver Weitwinkel-Strahlendetektor (10) in an sich bekannter Weise an einem Finger (18) befestigt ist, dessen freies Ende

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INSPECTED

durch die Kanunerwandung (15) hindurch in eine mit verflüssigtem Gas gefüllten Dewar-Behälter (21) ragt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Strahlenquelle dienende Röntgenröhre (1) in an sich bekannter Weise auf einem zweiten, in der Kammer (30) oder außerhalb der Kammer angebrachten Goniometer (14) befestigt ist, auf dessen Befestigungstisch (27) ein Kristall (3) zur Röntgenstrahlparallelisierung unter Ausnutzung der Bragg'sehen Reflektionsbedingung angebracht ist und daß im Strahlengang (2) vom Kristall (3) zur Probe (6) eine verschiebbar eingerichtete Röntgenstrahlblende (4) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Parallelisieren der primären Röntgenstrahlen (2) ein Kollimator (32) diant.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise als Strahlendetektor (10) ein Lithium-gedrifteter Siliciumkristall dient.

7. Anordnung nach Anspruch 1, 4 oder 5, gekennzeichnet

durch die Verwendung zur Profilbestimmung und/oder Erfassung von Oberflächenverunreinigungen bei Halbleitern, insbesondere Halbleiterbauelementen in Halbleiterscheiben .

8. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Simultanbestimmung und -analyse von Materialeigenschaften dünner Multi-Schichtfilme.

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9. Verfahren und Verwendung einer Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß extrem dünne Oberflächenschichten oder Oberflächenschichtbereiche selektiv analysiert werden.

10. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 3, 6, 8, dadurch gekennzeichnet, daß als primäre Röntgenstrahlen (2) Synchrotronstrahlung dient.

11. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Analyse der Röntgenfluoreszenzstrahlung (9), insbesondere der von leichten Elementen, ein Kristallspektrometer dient.

GE 977 005

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