DE60029483T2 - Nicht-invasive elektrische messung von halbleiterscheiben - Google Patents

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G. Robert Sewickley MAZUR
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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung elektrischer Eigenschaften einer Halbleiterscheibe.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Die Bestimmung von elektrischen Eigenschaften eines Dielektrikums auf einer Halbleiterscheibe und/oder eines Trägerdichteprofils in der Halbleiterscheibe ist ein problematischer Faktor bei der Herstellung solcher Scheiben. Messungen, die auf Kapazitäts-Spannungs-(CV-)Techniken beruhen, z. B. Messungen der Dicke des Dielektrikums, der Oxidladung, der Schwellspannung, der Implantierungsdosis und des Trägerprofils, und Messungen, die auf Strom-Spannungs-(IV-)Techniken beruhen, z. B. der Dielektrizitätsverluststrom und die Durchschlagspannung, erfolgen normalerweise dadurch, daß zuerst Metall- oder dotierte Polysilicium-Gates auf dem Dielektrikum hergestellt werden. Diese Gates werden Teil einer Metall-Oxid-Halbleiter-(MOS-)Struktur, die verwendet wird, um die entsprechende CV- oder IV-Messung durchzuführen.
  • Die Herstellung von Metall- oder Polysilicium-Gates ist zeitaufwendig und teuer. Sie erfordert normalerweise das Aufbringen und Ausbilden von Aluminiummetall- oder Polysilicium-Gates auf dem Dielektrikum auf bekannte Art und Weise.
  • Eine Alternative zu diesen hergestellten Gates ist in einem Artikel mit dem Titel "Vacuum Operated Mercury Probe for CV Plotting and Profiling" von Albert Lederman, Solid State Technology, August 1981, Seiten 123–126, beschrieben. Dieser Artikel offenbart die Nutzung von Quecksilberkontakten als Ersatz für die Aluminium- oder Polysilicium-Gates bei CV-Meßtechniken, die dafür bestimmt sind, dielektrische und Halb leitereigenschaften zu charakterisieren. Der Artikel von Lederman offenbart eine vakuumbetriebene Quecksilbersonde zur Durchführung von Messungen von Metalloxidhalbleitern, homogenen Halbleiterscheiben, inhomogenen Halbleiterscheiben und Halbleiterscheiben auf isolierenden Substraten. Probleme können bei Verwendung der Quecksilbersonde von Lederman insofern auftreten, als Quecksilber chemisch mit den Materialien der zu untersuchenden Scheibe reagieren kann. Quecksilber stellt auch ein erhebliches Sicherheitsproblem bei seiner Verwendung dar, und Quecksilber sublimiert bei erhöhten Temperaturen, wenn beschleunigte Temperaturtests der Halbleiterscheiben erwünscht sind. Daher hat eine Quecksilbersonde eingeschränkte Anwendungsmöglichkeiten.
  • Eine Alternative zu hergestellten Gates oder vakuumbetriebenen Quecksilbersonden ist im US-Patent 5 023 561 von Hillard offenbart, das am 11. Juni 1991 erteilt wurde.
  • Das Patent von Hillard offenbart einen kinematischen Sondenarm, der an seinem einen Ende eine Sonde mit einer Spitze mit einer gleichmäßig flachen Oberfläche vorbestimmter Abmessungen aufweist. Ein Sondenständer hält den kinematischen Arm, und eine Vakuumansaugeinrichtung hält die Halbleiterscheibe. Der Sondenständer, der kinematische Arm und die Vakuumansaugeinrichtung sind so konfiguriert, daß ein ebener Kontakt zwischen dem gleichmäßig flachen Abschnitt der Spitze und der vorderen Oberfläche der dielektrischen Schicht der Halbleiterscheibe realisiert werden kann.
  • Als das Patent von Hillard Anfang der 1990er Jahre angemeldet wurde, lag die typische Gate-Oxiddicke in der Halbleiterindustrie in der Größenordnung von Hunderten von Ångström. Die relativ kleine ebene Kontaktfläche zwischen der gleichmäßig flachen Spitze der Sonde und der äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht auf der Scheibe führte zu einem schlechten Kapazitätssignal-Rausch-Verhältnis, wenn sie an diese relativ dicken Oxide angelegt wurde. Obwohl die Sonde mit der gleichmäßig flachen Spitze zur Durchführung von CV-Messungen benutzt werden konnte, wurde diese Sonde daher vorzugsweise zur Durchführung von IV-Messungen benutzt.
  • Dagegen sind heute Gate-Oxide sehr dünn, in der Größenordnung von 3,5 nm. Bei diesen dünnen Oxiden ist das Kapazitätssignal-Rausch-Verhältnis erhöht, wodurch CV-Messungen, die mit leitfähigen Druckkontakten durchgeführt werden, effektiv benutzt werden können, um Gate-Oxide zu charakterisieren.
  • Ein Problem bei der Benutzung der Sonde zur Durchführung von CV-Messungen, die im Patent von Hillard offenbart ist, ist die Notwendigkeit, die Spitze gleichmäßig flach zu schleifen. Ein weiteres Problem ist die Notwendigkeit, einen ebenen Kontakt zwischen der gleichmäßig flachen Spitze und der äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht der Scheibe herzustellen. Die Verwendung einer gleichmäßig flachen Spitze zur Ausbildung eines ebenen Kontakts innerhalb der äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht ist insbesondere ein Problem bei heutigen dünnen Oxidschichten, da eine mangelnde perfekte Parallelität zwischen der gleichmäßig flachen Spitze und der äußeren Oberfläche der dielektrischen Schicht dazu führen kann, daß die gleichmäßig flache Spitze von einer Kante umgeben ist, die die Oxidschicht beschädigt.
  • US 5 767 691 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Oxidladung in einer Halbleiterscheibe. Die Vorrichtung weist eine Sonde mit einer elektrisch leitfähigen Sondennadel auf. Die Nadel hat ein abgerundetes Spitzenende mit einem ersten Radius, wobei das Spitzenende geeignet ist, eine plastische Verformung während eines Kontakts des Spitzenendes mit der glatten Oberfläche der dielektrischen Schicht auf der Halbleiterscheibe zu erfahren.
  • EP 893 695 A2 offenbart eine Prüfsonde für Halbleitervorrichtungen und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Die Prüfsonde hat einen Spitzenabschnitt, der dafür angepaßt ist, gegen ein Prüffeld einer Halbleitervorrichtung gedrückt zu werden, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Spitzenabschnitt und dem Feld zum Prüfen des Betriebs der Halbleitervorrichtung herzustellen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Probleme und andere dadurch zu vermeiden oder zu überwinden, daß eine Sonde mit einer ungeprüften Spitzenkonfiguration bereitgestellt wird, die verbesserte CV- Messungen dielektrischer Schichten auf einer Halbleiterscheibe ermöglicht. Noch weitere Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann deutlich, wenn er die nachstehende ausführliche Beschreibung liest und versteht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Demzufolge haben wir eine Vorrichtung zur Messung mindestens einer elektrischen Eigenschaft einer Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1 erfunden. Die Vorrichtung weist eine Anordnung zum Halten einer Halbleiterscheibe und eine Sonde mit einer elastisch verformbaren leitfähigen Spitze zum Berühren einer vorderen Oberfläche der Halbleiterscheibe auf. Die vordere Oberfläche der Halbleiterscheibe kann sein: (i) ein Dielektrikum, das auf einer vorderen Oberfläche des Halbleitermaterials ausgebildet ist, das die Halbleiterscheibe bildet, oder (ii) das Halbleitermaterial. Außerdem sind ein elektrischer Kontakt zum Berühren der Halbleiterscheibe und eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Impulses zwischen die elektrisch verformbare leitfähige Spitze und den elektrischen Kontakt vorgesehen. Eine Einrichtung ist vorgesehen zum Messen einer Antwort auf den elektrischen Impuls und zum Bestimmen mindestens einer elektrischen Eigenschaft des Dielektrikums und/oder des Halbleitermaterials aus der Antwort.
  • Die Antwort auf den elektrischen Impuls zeigt sich in einem Grenzbereich des Dielektrikums und des Halbleitermaterials oder in einem Bereich angrenzend an die vordere Oberfläche des Halbleitermaterials.
  • Das Dielektrikum weist mindestens eine dielektrische Schicht auf. Die mindestens eine dielektrische Schicht kann eine natürliche dielektrische Schicht aufweisen, die als Antwort auf eine Einwirkung von Luft auf das Halbleitermaterial entsteht. Vorzugsweise ist die leitfähige Spitze aus Metall, z. B. Tantal, leitfähigem Elastomer oder leitfähigem Polymer.
  • Eine Oberfläche der leitfähigen Schicht zum Berühren der vorderen Oberfläche der Halbleiterscheibe hat die Form einer abgeflachten Kugel, z. B. einer Halbkugel, mit einem Krümmungsradius zwischen 10 μm und 100 cm. Wenn die leitfähige Spitze mit dem Dielektrikum in Kontakt ist, entsteht ein ef fektiver Luftspalt zwischen ihnen, der einen Isolierwert hat, der einem tatsächlichen Luftspalt von kleiner oder gleich 1 nm, 0,8 nm oder 0,2 nm äquivalent ist.
  • Eine elektrisch leitfähige Hülse kann die Sonde umgeben, und ein Isolator kann zwischen der Sonde und der Hülse angeordnet sein. Die Hülse kann mit einer elektrischen Erde verbunden sein oder kann verbunden sein, um ein elektrisches Signal zu empfangen, das die Hülse auf das gleiche Potential wie die leitfähige Spitze vorspannt.
  • Eine kinematische Sondenarmanordnung kann mit der Sonde zur Steuerung einer Kraft der leitfähigen Spitze auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe und der Rate, mit der diese Kraft auf die vordere Oberfläche aufgebracht wird, verbunden sein. Die kinematische Sondenarmanordnung kann auch das Scheuern der elektrisch verformbaren leitfähigen Spitze auf der vorderen Oberfläche der Halbleiterscheibe vermeiden, wenn die Spitze mit dieser in Kontakt kommt.
  • Der elektrische Kontakt kann die hintere Oberfläche der Halbleiterscheibe oder die vordere Oberfläche des Halbleitermaterials berühren.
  • Schließlich haben wir ein Verfahren zur Messung mindestens einer elektrischen Eigenschaft einer Halbleiterscheibe erfunden. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen einer Sonde mit einer elektrisch verformbaren leitfähigen Spitze und Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen der Spitze und (i) einer vorderen Oberfläche des Dielektrikums, das auf einer vorderen Oberfläche eines Halbleitermaterials ausgebildet ist, das die Halbleiterscheibe bildet oder (ii) einer vorderen Oberfläche des Halbleitermaterials. Ein zweiter elektrischer Kontakt wird mit der Halbleiterscheibe hergestellt, und ein elektrischer Impuls wird zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt angelegt. Eine Antwort auf den elektrischen Impuls wird gemessen und mindestens eine elektrische Eigenschaft des dielektrischen und/oder des Halbleitermaterials wird aus der Antwort bestimmt.
  • Ein Inertgasstrom kann einem Kontaktbereich zwischen der leitfähigen Spitze, der vorderen Oberfläche der dielektri schen Schicht und der vorderen Oberfläche der Halbleiterschicht zugeführt werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 ist eine Draufsicht der in 1 gezeigten Vorrichtung;
  • 3 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Sonde in Position über der zu prüfenden Halbleiterscheibe in einer Schaltung mit einer Meßeinrichtung;
  • 4 ist eine vergrößerte Seitenansicht der in 3 gezeigten Sondenspitze in Position über der zu prüfenden Halbleiterscheibe;
  • 5 ist eine isolierte Draufsicht eines kinematisch stabilen Sondenarms der in 2 gezeigten Vorrichtung;
  • 6 ist eine Seitenansicht des in 5 gezeigten kinematisch stabilen Sondenarms;
  • 7 ist eine Unteransicht des in 5 gezeigten kinematisch stabilen Sondenarms; und
  • 8 ist eine vergrößerte Ansicht eines Vakuumheberkissen-Drahtgeflechts des in 5 gezeigten kinematisch stabilen Sondenarms.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Mit Bezug auf 1 bis 3 weist eine Vorrichtung 10 zur Messung elektrischer Eigenschaften eines Dielektrikums 12 auf der vorderen Oberfläche 13 einer Halbleiterscheibe 14 oder in einem Bereich 16 des Halbleitermaterials angrenzend an die vordere Oberfläche 13 der Halbleiterscheibe 14 eine bewegliche Tischanordnung 18 auf. Die bewegliche Tischanordnung 18 weist einen Vakuumteller 20 auf, der die Halbleiterscheibe 14 mittels Vakuum hält. Vorzugsweise weist die bewegliche Tischanordnung 18 einen ersten oder Drehtisch 22 zum Drehen der Halbleiterscheibe 14 in einer X-Y-Ebene, einen zweiten oder Z-Tisch 24 zum Einstellen der vertikalen Position der Halbleiterscheibe 14 bzw. einen dritten oder X/X-Y-Tisch 26 zum Bewegen der Halbleiterscheibe 14 in einer X- oder X-Y-Richtung auf.
  • Die Vorrichtung 10 weist einen ersten elektrischen Kontakt 32 zum Berühren einer oberen oder vorderen Fläche 34 des Dielektrikums 12 auf. Der erste elektrische Kontakt 32 weist eine leitfähige Sonde 36 vorzugsweise mit einem zylindrisch geformten nichtrostenden Stahlschaft auf. Der Vakuumteller 20 weist eine obere oder vordere Oberfläche 28 auf, die einen zweiten elektrischen Kontakt zum Berühren der hinteren Oberfläche 30 der Halbleiterscheibe 14 definiert.
  • Mit Bezug auf 4 und mit weiterem Bezug auf 1 bis 3 weist ein distales Ende der leitfähigen Sonde 36 einen daran fest angebrachten Kontaktabschnitt oder Spitze 38 auf. Die Oberfläche der Spitze 38, die von der leitenden Sonde 36 abgewandt ist, hat vorzugsweise die Form einer abgeflachten Kugel, z. B. einer Halbkugel, mit einem Krümmungsradius vorzugsweise zwischen 10 μm und 100 cm. Die Spitze 38 ist aus einem elastisch verformbaren und leitfähigem Material, z. B. einem glatten hochpolierten Metall, z. B. Tantal, einem leitfähigem Elastomer oder einem leitfähigem Polymer ausgebildet.
  • Die Vorrichtung 10 weist eine kinematische Sondenarmanordnung 40 auf, die einen Sondenarm 42 mit einer mittels Schrauben 44 und isolierenden Scheiben 46 daran fest angebrachten leitfähigen Sonde 36 aufweist. Die leitfähige Sonde 36 ist elektrisch mit der leitfähigen Sondenhalterung 48 verbunden, die vom Sondenarm 42 durch einen dazwischen angeordneten Isolator 50 getrennt ist. Die kinematische Sondenarmanordnung 40 bestimmt die Absenkrate der leitfähigen Sonde 36 und verhindert, daß die Spitze 38 auf der vorderen Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 der Halbleiterscheibe 14 scheuert und eine Beschädigung der Spitze 38 oder des Dielektrikums 12 bewirkt. Außerdem steuert die kinematische Sondenarmanordnung 40 eine Kraft, mit der die Spitze 38 an die vordere Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 angelegt wird, und die Rate, mit der diese Kraft ausgeübt wird.
  • Mit Bezug auf 5 bis 8 und mit weiterem Bezug auf 1 bis 4 weist die kinematische Sondenarmanordnung 40 eine Anordnung 54 zur drehbaren Lagerung des Sondenarms 42 und ein Sondenarmgewicht 56, das am Sondenarm 42 gleitfähig aufgenommen ist, zum Fixieren einer Last, vorzugsweise zwischen 5 und 200 g, an der Spitze 38 der leitfähigen Sonde 36 auf. Eine Unterlagerplatte 60 weist Lagerkugeln 62 auf, die in eine V-Nut 64 und einen dreiflächigen Hohlraum 66 der Anordnung 54 aufgenommen sind.
  • Der Sondenarm 42 wird durch einen pneumatischen Sondenheber 68, der eine Gummimembran 70 aufweist, angehoben und abgesenkt, um ein Armheberkissen 72 zu berühren, das mit einem Drahtgeflecht 74 überzogen ist, wie in 5 und 8 dargestellt. Das Drahtgeflecht 74 wird am Armheberkissen 72 durch Punktschweißungen 76 gehalten. Um das Ende des Sondenarms 42 mit der leitfähigen Sonde 36 darauf anzuheben, wird durch Luftdruck eine Membran 70 aufgeblasen, um das Drahtgeflecht 74 zu berühren.
  • Die hochqualitative Kontaktherstellung zwischen der Spitze 38 und der oberen Oberfläche 34 des Dielektrikums erfolgt durch Steuerung der Lastcharakteristik des Sondenarms 42, insbesondere durch Steuerung der Rate, mit der der pneumatische Sondenheber 68 die Spitze 38 der leitfähigen Sonde 36 Druck auf die obere Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 ausüben läßt. Ein Sondenständer 80 hält den Sondenarm 42 in einer gewünschten Position relativ zur Halbleiterscheibe 14.
  • Im Betrieb ist die Halbleiterscheibe 14 auf dem Vakuumteller 20 aufgenommen und wird durch ein Vakuum darauf gehalten. Die obere Oberfläche 28 des Vakuumtellers 20, die auch als erster elektrischer Kontakt fungiert, ist mit einer in 3 gezeigten Meßeinrichtung 82 zusammengeschaltet. Die Z-Tischebene 24 wird in einer bekannten Art und Weise reguliert, um die Halbleiterscheibe 14 vertikal zu bewegen. Die X/X-Y-Tischebene 26 steuert die Horizontalbewegung der Halbleiterscheibe 14, und die Drehtischebene 22 steuert die Drehbewegung der Halbleiterscheibe 14 in einer bekannten Art und Weise. Vorzugsweise ist der Vakuumteller 20 vom Rest der beweglichen Tischanordnung 18 elektrisch getrennt.
  • Wenn die hintere Oberfläche 30 der Halbleiterscheibe 14 auf der oberen Oberfläche 28 des Vakuumtellers 20 aufgenommen ist, wird die leitfähige Sonde 36 kinematisch von der kinematischen Sondenarmanordnung 40 gesteuert, um Kontakt zwischen der Spitze 38 und der oberen Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 herzustellen. Die Messung einer oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des Dielektrikums 12 und/oder des Bereichs 16 des Halbleitermaterials angrenzend an die vordere Oberfläche 13 der Halbleiterscheibe 14 erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Impulses, z. B. einer hochfrequenten Wechselspannung oder einer hochfrequenten Wechselspannung in Kombination mit einer Gleichvorspannung (CV), oder einer Belastungsgleichspannung oder eines Belastungsgleichstroms (IV) zwischen einem ersten elektrischen Kontakt 32 und dem zweiten elektrischen Kontakt, d. h. der oberen Oberfläche 28 des Vakuumtellers 20, und insbesondere zwischen der hinteren Oberfläche 30 der Halbleiterscheibe 14 und der oberen Oberfläche 34 des Dielektrikums 12. Die Meßeinrichtung 82 mißt dann die Antwort auf den angelegten elektrischen Impuls und bestimmt aus der Antwort eine oder mehrere elektrische Eigenschaften des Dielektrikums 12 und/oder des Bereichs 16 des Halbleitermaterials angrenzend an die vordere Oberfläche 13 der Halbleiterscheibe 14.
  • Wie oben beschrieben, ist die Spitze 38 zu einer glatten Oberfläche poliert. Eine bevorzugte Technik zum Polieren der Spitze 38 ist das mechanische oder metallographische Polieren, um die Spitze 38 zu formen und zu glätten. Bei dieser Technik wird die Oberflächenrauhigkeit der unpolierten Spitze 38 zunehmend durch eine Serie von Polierschritten verringert, wobei jeder Schritt ein feineres Schleifmittel benutzt, um eine glattere Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen. Insbesondere wird die Spitze 38 zuerst unter Verwendung eines feinen fest angeordneten Schleifmittels geformt, z. B. ein rückseitig haftender Kunststoffilm mit einzementierten Schleifpartikeln, der mit einem geeigneten Schmierfluid geschmiert wird und auf einer drehbaren Polierscheibe angeordnet ist. Die Polierscheibe wird mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht, und die Spitze 38 wird mit dem Schleiffilm in Kontakt versetzt. Die Spitze 38 wird bewegt und gedreht, um den gewünschten Krümmungsradius zu erzeugen. Ein auf die Spitze 38 während des Polierens mit dem fest angeordneten Schleifmittel angelegter Druck kann reguliert werden, um Kratzer zu vermeiden, und die Spitze 38 kann in Bewegung gehalten werden, um die Erzeugung einer "Flachstelle" darauf zu vermeiden. Dieser Prozeß setzt sich solange fort, bis der Krümmungsradius akzeptabel ist. Als nächstes wird ein synthetisches oder natürliches Polierpad auf einer drehbaren Polierscheibe angeordnet, und eine Schmirgelbrühe mit Schleifpartikeln, die in einer Dispersionsflüssigkeit suspendiert sind, wird auf das Pad aufgebracht. Die Spitze 38 wird dann mit dem sich drehenden und mit Brühe getränkten Polierpad in Kontakt gebracht und darauf bewegt, um eine gleichmäßige beständige glatte Fläche auf der Oberfläche der Spitze 38 bereitzustellen. Die vorstehend beschriebene Poliertechnik ist bei Spitzen 38, die aus verschiedenen Materialien ausgebildet waren, erfolgreich benutzt worden. Es können jedoch bei Bedarf ebenfalls andere Poliertechniken benutzt werden.
  • Unabhängig davon, wie glatt die Spitze 38 poliert ist, hat die Oberfläche der Spitze 38 auf der Atomebene Berge und Täler. Im Gegensatz dazu ist die obere Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 auf der Atomebene lokal im wesentlichen glatt, d. h. atomar glatt. Wegen des Zusammenwirkens zwischen Bergen und Tälern der Oberfläche der Spitze 38 und der im wesentlichen flachen oberen Oberfläche 34 des Dielektrikums 12, wenn die Spitze 38 in Kontakt mit dem Dielektrikum 12 gebracht wird, ist die tatsächliche mikroskopische Kontaktfläche kleiner als die scheinbare makroskopische Kontaktfläche. Wegen des Zusammenwirkens zwischen den Bergen und Tälern der Oberfläche der Spitze 38 und der im wesentlichen glatten Oberfläche des Dielektrikums 12 entstehen insbesondere eine Vielzahl von mikroskopischen Kontakten und eine Vielzahl von mikroskopischen Zwischenräumen zwischen diesen. Die Vielzahl von mikroskopischen Zwischenräumen wirken zusammen, um einen effektiven Luftspalt zwischen der Spitze 38 und dem Dielektrikum 12 zu bilden. Dieser effektive Luftspalt zusammen mit der Spitze 38, dem Dielektrikum 12, der Halbleiterscheibe 14 und dem Vakuumteller 20, sie wirken zusammen, um einen Kondensator zu bilden, wobei die Spitze 38 eine Platte des Kondensators definiert; eine Oberflächenladung bzw. eine Raumladung auf der vorderen Oberfläche des Halbleitermaterials oder im Bereich 16 des Halbleitermaterials angrenzend an die vordere Oberfläche 13 der Halbleiterscheibe die andere Platte des Kondensators definiert; und der effektive Luftspalt in Reihe mit dem Dielektrikum 12 einen Isolator 50 zwischen der Spitze 38 und den Ladungen am oder im Halbleitermaterial definiert.
  • Vorzugsweise ist der Isolierwert des effektiven Luftspalts zu einem tatsächlichen Luftspalt von 1 nm oder weniger äquivalent. Dieser effektive Luftspalt zwischen der Spitze 38 und dem Dielektrikum 12 kann benutzt werden, um den Grad zu quantifizieren, in dem die Oberfläche der Spitze 38 glattpoliert ist. Insbesondere ist, wie oben beschrieben, die obere Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 auf der Atomebene im wesentlichen glatt. Änderungen des Ausmaßes des effektiven Luftspalts beruhen daher auf der Glattheit der Oberfläche der Spitze 38. Erfindungsgemäß wird die Spitze 38 so glatt poliert, daß, wenn die Spitze 38 die obere Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 berührt, der effektive Luftspalt zwischen diesen einen Isolierwert hat, der einem tatsächlichen Luftspalt von weniger oder gleich 1 nm, vorzugsweise weniger oder gleich 0,8 nm und besonders bevorzugt weniger oder gleich 0,2 nm, äquivalent ist.
  • Wie bereits ausgeführt, werden die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Schichten, z. B. Siliciumdioxid-Dünnfilme, gewöhnlich untersucht, indem der Film als das Dielektrikum in einem hergestellten MOS-Gate verwendet wird. Diese Methode ist zeitraubend, da sie zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordert, um die MOS-Gates herzustellen, wie bereits ausgeführt. Unter Verwendung der leitfähigen Sonde 36 mit einer elastisch verformbaren leitfähigen Spitze 38 in Kontakt mit dem Dielektrikum 12 ist es möglich, dünne dielektrische Filme, z. B. SiO2 auf Silicium, durch Ausbildung einer temporären kleinflächigen MOS-Diode schnell zu charakterisieren, wenn die Spitze 38 das Metall-Gate ist, das Dielektrikum 12 das Oxid ist und das Halbleitermaterial, das die Halbleiterscheibe 14 bildet, der Halbleiter ist.
  • Erfindungsgemäß lassen sich CV-Messungen ebenfalls leicht durchführen, um die Mobilionendichte zu bestimmen. Anders als bei der Herstellung von Metallen oder Polysilicium-Gates sind keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte erforder lich. Die Messungen können unmittelbar nach einem kritischen Prozeßschritt, z. B. der Gate-Oxidation, durchgeführt werden.
  • Die Verwendung einer kinematischen Sondenarmanordnung 40 zur Steuerung der leitfähigen Sonde 36 beseitigt das Scheuern der Spitze 38 auf dem Dielektrikum 12. Außerdem verhindern der Radius und die Elastizität der Spitze 38 ihr Eindringen in das Dielektrikum 12, wodurch Messungen auf dünnen Oxiden durchgeführt werden können. Die kinematische Sondenarmanordnung 40 in Kombination mit dem Radius und der Elastizität der Spitze 38 ermöglicht Messungen von Halbleiterscheiben 14 ohne Zerstörung oder Kontamination des Dielektrikums 12 oder des darunter liegenden Halbleitermaterials. Ferner ermöglicht die kinematische Sondenarmanordnung 40 eine genauere Positionierung und Plazierung der leitfähigen Sonde 36 und stellt sicher, daß der Kontakt, der zwischen dem Dielektrikum 12 und der Spitze 38 hergestellt wird, wiederholbar ist.
  • Da die Spitze 38 der leitfähigen Sonde 36 elastisch verformbar ist, kann die Kontaktfläche zwischen der Spitze 38 und dem Dielektrikum 12 innerhalb der elastischen Grenzen der Spitze 38 dadurch reguliert werden, daß die Last, die durch die kinematische Sondenarmanordnung 40 auf die Spitze 38 ausgeübt wird, verändert wird.
  • Die mechanische Kontaktfläche zwischen der Spitze 38 der leitfähigen Sonde 36 und dem Dielektrikum 12 kann durch die bekannte Hertzsche Formel bestimmt werden, die sich auf elektrische Kontakte zwischen kugelförmigen und flachen Körpern bezieht. Die effektive Kontaktfläche zwischen der Spitze 38 und dem Dielektrikum 12 ist die Summe aus dem mechanischen Kontaktabschnitt und dem Bereich angrenzend an den mechanischen Kontaktabschnitt, wo eine kapazitive Kopplung für die CV-Messung erheblich ist. Vorzugsweise werden der Radius und die Glattheit der Spitze 38 so gewählt, daß der mechanische Kontaktabschnitt und der Bereich der kapazitiven Kopplung zwischen der Spitze 38 und dem Dielektrikum 12 maximiert werden.
  • Wie bereits ausgeführt, erforderten die dicken dielektrischen Schichten auf Halbleiterscheiben in den frühen 1990er Jahren die Verwendung von Sonden mit gleichmäßig flachen Spitzen des Typs und der Größe, wie sie in dem oben er wähnten Patent von Hillard offenbart sind, um zu versuchen, CV-Messungen mit einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis durchzuführen, um eine Charakterisierung der Eigenschaften der dielektrischen Schicht zu ermöglichen. Zu diesem Zweck setzte die gleichmäßig flache Spitze der Sonde, die im Patent von Hillard offenbart ist, die Ausbildung einer relativ großen Kontaktfläche voraus. Jedoch waren selbst diese relativ großen Kontaktflächen unzureichend für genaue CV-Messungen.
  • Zur Zeit des Patents von Hillard hätte man nicht erwogen, eine leitfähige Sonde 36 mit einer Spitze 38 mit dem oben beschriebenen Radius bei der Herstellung von CV-Messungen zu verwenden, aufgrund ihrer reduzierten Kontaktfläche im Vergleich zur Kontaktfläche, die durch die gleichmäßig flache Spitze der im Patent von Hillard offenbarten Sonde ausgebildet ist. Daher konnte erst mit der jüngsten Einführung relativ dünner Dielektrika auf Halbleiterscheiben die Verwendung einer elastisch verformbaren und leitfähigen Spitze 38 mit einer halbkugelförmigen oder abgeflachten Kugelform in Erwägung gezogen oder für leitfähige CV-Messungen genutzt werden.
  • Um die Meßqualität zu verbessern, kann ein Trockengasstrom zur Kontaktfläche zwischen der Spitze 38 und der oberen Fläche 34 des Dielektrikums 12 geleitet werden, um die Feuchtigkeit auf diesen zu beseitigen. Vorzugsweise ist das Gas ein Inertgas, z. B. Stickstoff.
  • Mitunter wird bevorzugt, einen elektrischen Impuls durch einen vorderen Kontakt an das Halbleitermaterial anstatt durch eine hintere Oberfläche 30 der Halbleiterscheibe 14 anzulegen. In diesen Fällen stellt eine zweite kinematische Sonde, die der oben beschriebenen leitfähigen Sonde 36 gleicht, den Kontakt über ein "Fenster" im Dielektrikum 12 her, wodurch die elektrischen Funktionen eines Vakuumtellers 20 ersetzt werden.
  • Das Dielektrikum 12 kann einen oder mehrere dielektrische Schichten aufweisen, die durch Verarbeitungsschritte während der Herstellung der Hableiterscheibe 14 auf dem Halbleitermaterial der Halbleiterscheibe 14 ausgebildet werden. Als Alternative kann das Dielektrikum 12 eine natürliche dielektrische Schicht aufweisen, die auf dem Halbleitermaterial der Halbleiterscheibe 14 als Antwort auf die Einwirkung von Luft auf das Halbleitermaterial ausgebildet wird. Kombinationen aus der natürlichen dielektrischen Schicht und einer oder mehrerer dielektrischer Schichten, die durch Verarbeitungsschritte ausgebildet werden, sind ebenso denkbar.
  • Dem Fachmann ist bekannt, daß bestimmte Halbleitermaterialien die Ausbildung einer natürlichen dielektrischen Schicht auf diesem nicht fördern, wenn Luft einwirkt. Wegen der Anwendung dieser Halbleitermaterialien ist es außerdem erwünscht, während der Verarbeitung des Halbleitermaterials Dielektrika darauf auszubilden. Erfindungsgemäß kann die elastisch verformbare leitfähige Spitze 38 der leitfähigen Sonde 36 benutzt werden, um Messungen der elektrischen Eigenschaften solcher Halbleiterscheiben 14 durchzuführen. Insbesondere kann die Spitze 38 der leitfähigen Sonde 36 mit der oberen Oberfläche 34 der Halbleiterscheibe 14 in Kontakt gebracht werden, um eine Schottky-Diode auszubilden. Die Messung einer oder mehrerer elektrischer Eigenschaften einer Halbleiterscheibe 14 ohne Dielektrikum 12 kann durch Anlegen eines elektrischen Impulses, z. B. einer hochfrequenten Wechselspannung oder einer hochfrequenten Wechselspannung in Kombination mit einer Gleichvorspannung (CV), oder einer Belastungsgleichspannung oder einem Belastungsgleichstrom (IV) zwischen der Halbleiterscheibe 14 und der Spitze 38 erfolgen. Meßprozeduren und -analysen sind einfach und dem Fachmann bekannt.
  • Vorzugsweise wird das elastisch verformbare und leitfähige Material, das die Spitze 38 bildet, danach ausgewählt, ob die Spitze 38 das Dielektrikum 12 oder die Oberfläche 13 der Halbleiterscheibe 14 berühren soll. Insbesondere wenn die Spitze 38 dafür konfiguriert ist, die vordere Oberfläche 34 des Dielektrikums 12 zu berühren, ist die Spitze 38 aus einem Material mit einer Austrittsarbeit eines ersten Kontaktpotentials ausgebildet. Im Gegensatz dazu ist die Spitze 38 aus einem Material mit einer Austrittsarbeit eines zweiten Kontaktpotentials ausgebildet, wenn die Spitze 38 dafür konfiguriert ist, die vordere Oberfläche 13 der Halbleiterscheibe 14 zu berühren.
  • Schließlich kann die leitfähige Sonde 36 in einer elektrisch leitfähigen Sondenhülse 102, die in 4 gestrichelt dargestellt ist, aufgenommen werden, und ein Isolator 104, in 4 auch gestrichelt dargestellt, kann sandwichartig zwischen der Hülse 102 und der leitfähigen Sonde 36 angeordnet sein. Wie in 4 gezeigt, erstreckt sich die Sondenhülse 102 vorzugsweise entlang der Länge der leitfähigen Sonde 36 und endet vor dem distalen Ende der Spitze 38. Die Hülse 102 kann mit einer elektrischen Erde 106 der Meßeinrichtung 82 verbunden sein, um die leitfähige Sonde 36 vor der Aufnahme elektrischer Störungen von externen Quellen abzuschirmen. Als Alternative kann die Hülse 102 mit einem elektrischen Signal verbunden werden, um die Auswirkungen von Streukapazität zu minimieren. Insbesondere kann die Sondenhülse 102 mit einer Vorspannungsschaltung 108 verbunden sein, die der Sondenhülse 102 ein elektrisches Signal zuführt, das die Sondenhülse 102 während des Anlegens des elektrischen Impulses zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 32 und dem zweiten elektrischen Kontakt, der von der oberen Oberfläche 28 des Vakuumtellers 20 definiert wird, auf das gleiche Potential wie die Spitze 38 vorspannt.
  • Die Erfindung ist mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden. Offensichtliche Modifikationen und Änderungen sind für Dritte nach Lektüre und Verständnis der vorausgegangenen ausführlichen Beschreibung erkennbar. Es ist beabsichtigt, daß die Erfindung so aufgefaßt wird, daß sie alle diese Modifikationen und Änderungen einschließt, sofern sie im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum Messen mindestens einer elektrischen Eigenschaft einer Halbleiterscheibe, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Anordnung zum Tragen einer Halbleiterscheibe; eine Sonde mit einer elastisch verformbaren leitfähigen Spitze zum Berühren einer vorderen Oberfläche der Halbleiterscheibe, wobei die vordere Oberfläche besteht aus: i) einem Dielektrikum, das auf einer vorderen Oberfläche eines Halbleitermaterials ausgebildet ist, das die Halbleiterscheibe bildet, oder ii) dem Halbleitermaterial; einen elektrischen Kontakt zum Berühren der Halbleiterscheibe; eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Impulses zwischen die elastisch verformbare leitfähige Spitze und den elektrischen Kontakt; und eine Einrichtung zum Messen einer Antwort auf den elektrischen Impuls und zum Bestimmen mindestens einer elektrischen Eigenschaft des Dielektrikums und/oder des Halbleitermaterials aus der Antwort, wobei, wenn die elastisch verformbare leitfähige Spitze und der elektrische Kontakt mit dem Halbleitermaterial in Kontakt sind, die Anlegeeinrichtung einen elektrischen Impuls vom Typ Kapazität-Spannung "CV" oder vom Typ Strom-Spannung "IV" anlegt und die Meßeinrichtung die CV- bzw. IV-Antwort des Halbleitermaterials auf den elektrischen Impuls mißt, wobei die elastisch verformbare leitfähige Spitze eine Oberfläche hat, die die Form einer abgeflachten Kugel hat.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antwort auf den elektrischen Impuls sich in einem Grenzbereich des Dielektrikums und des Halbleitermaterials oder angrenzend an die vordere Oberfläche des Halbleitermaterials zeigt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Dielektrikum mindestens eine dielektrische Schicht aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine dielektrische Schicht eine natürliche dielektrische Schicht ist, die als Antwort auf eine Einwirkung von Luft auf das Halbleitermaterial entsteht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Spitze aus Metall, leitfähigem Elastomer oder leitfähigem Polymer ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche der leitfähigen Spitze zum Berühren der vorderen Oberfläche der Halbleiterscheibe einen Krümmungsradius zwischen 10 μm und 100 cm hat.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn die leitfähige Spitze mit dem Dielektrikum in Kontakt ist, ein effektiver Luftspalt zwischen beiden entsteht, der einen Isolierwert hat, der einem tatsächlichen Luftspalt von kleiner oder gleich i) 1 nm, ii) 0,8 nm oder iii) 0,2 nm äquivalent ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einer elektrisch leitfähigen Hülse, die die Sonde umgibt; und einem Isolator zwischen der Sonde und der Hülse, wobei die Hülse verbunden ist: i) mit einer elektrischen Erde oder ii) um ein elektrisches Signal zu empfangen, das die Hülse auf das gleiche Potential wie die leitfähige Spitze vorspannt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer kinematischen Sondenarmanordnung, die mit der Sonde verbunden ist, zum: i) Steuern einer Kraft der leitfähigen Spitze auf der vorderen Oberfläche der Halbleiterscheibe und der Rate, mit der diese Kraft auf die vordere Oberfläche aufgebracht wird; und/oder ii) Vermeiden des Scheuerns der elastisch verformbaren leitfähigen Spitze auf der vorderen Oberfläche der Halbleiterscheibe, wenn die Spitze mit dieser in Kontakt kommt.
  10. Verfahren zum Messen mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Halbleiterscheibe, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Sonde mit einer elastisch verformbaren leitfähigen Spitze, wobei die elastisch verformbare leitfähige Spitze eine Oberfläche hat, die die Form einer abgeflachten Kugel hat; b) Herstellen eines ersten elektrischen Kontakts zwischen der Spitze und i) einer vorderen Oberfläche eines Dielektrikums, das auf einer vorderen Halbleitermaterialfläche ausgebildet ist, die die Halbleiterscheibe bildet, oder ii) einer vorderen Oberfläche des Halbleitermaterials; c) Herstellen eines zweiten elektrischen Kontakts mit der Halbleiterfläche; d) Anlegen eines elektrischen Impulses vom Typ Kapazität-Spannung "CV" oder Strom-Spannung "IV" zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt; e) Messen der CV- oder IV-Antwort des Halbleitermaterials auf den elektrischen Impuls; und f) Bestimmen mindestens einer elektrischen Eigenschaft des Dielektrikums und/oder des Halbleitermaterials aus der Antwort.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit mindestens einem der Schritte: Polieren einer Oberfläche der leitfähigen Spitze, so daß, wenn sie mit dem Dielektrikum in Kontakt ist, ein effektiver Luftspalt zwischen diesen entsteht, der einen Isolierwert hat, der einem tatsächlichen Luftspalt, der nicht größer als 1 nm ist, äquivalent ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die leitfähige Spitze aus Metall, leitfähigem Elastomer oder leitfähigem Polymer ausgebildet ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit dem Schritt: Zuführen eines Inertgasstroms zu einem Kontaktbereich zwischen der leitfähigen Spitze, der vordere Oberfläche des Dielektrikums und der vorderen Oberfläche des Halbleitermaterials.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der zweite elektrische Kontakt hergestellt wird mit: i) der hinteren Oberfläche der Halbleiterscheibe oder ii) der vorderen Oberfläche des Halbleitermaterials.
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