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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Messung elektrischer Eigenschaften einer Halbleiterscheibe.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
elektrische Kontakt kann die hintere Oberfläche der Halbleiterscheibe oder
die vordere Oberfläche
des Halbleitermaterials berühren.
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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.
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Ein
Inertgasstrom kann einem Kontaktbereich zwischen der leitfähigen Spitze,
der vorderen Oberfläche
der dielektri schen Schicht und der vorderen Oberfläche der
Halbleiterschicht zugeführt
werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ist
eine Draufsicht der in 1 gezeigten Vorrichtung;
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3 ist
eine schematische Seitenschnittansicht einer Sonde in Position über der
zu prüfenden Halbleiterscheibe
in einer Schaltung mit einer Meßeinrichtung;
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4 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
der in 3 gezeigten Sondenspitze in Position über der zu
prüfenden
Halbleiterscheibe;
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5 ist
eine isolierte Draufsicht eines kinematisch stabilen Sondenarms
der in 2 gezeigten Vorrichtung;
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6 ist
eine Seitenansicht des in 5 gezeigten
kinematisch stabilen Sondenarms;
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7 ist
eine Unteransicht des in 5 gezeigten kinematisch stabilen
Sondenarms; und
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8 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Vakuumheberkissen-Drahtgeflechts des in 5 gezeigten
kinematisch stabilen Sondenarms.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.