Studienarbeit. Thema: Bestimmung der Schichtdicke von Aluminium auf Siliziumoxid mit dem Vier-Spitzen-Messgerät VSM100

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1 Studienarbeit Thema: Betimmung der Schichtdicke von Aluminium auf Siliziumoxid mit dem Vier-Spitzen-Megerät VSM00 angefertigt von: Robert Uath Matrikelnummer: Betreuer: Prof. Dr.-Ing. B. K. Glück S. Schicketanz

2 Uath, Robert Studienarbeit Inhalt Aufgabentellung... Theorie der Vier-Spitzen Meung...3. Allgemeine...3. Berechnung de pezifichen Widertande Korrekturfaktoren beim Vierpitzenmeverfahren Korrektur aufgrund de Durchmeer Korrektur aufgrund der Dicke Korrektur aufgrund auftretender Randeffekte Meung der Schichtdicke von Al mit dem VSM Der Vier-Spitzen-Meplatz VSM Berechnung der Schichtdicke und Einflu der Korrekturfaktoren Meung de Schichtwidertand Proben und Meumgebung Mewerte Meung der Schichtdicke Mevorbereitung Meumgebung Mewerte Auwertung Berechnung der theoretichen Schichtdicke au der Widertandmeung Vergleich Korrekturbetimmung Zuammenfaung Literatur... 7 Anhang... Aufgabentellung Der betehende Vier-Spitzen-Meplatz VSM 00 wird zur Meung vom Schichtwidertand und der Leitfähigkeit von Halbleiterwafern genutzt. Die Meung der Schichtdicke von Aluminium auf nichtleitendem Untergrund it mit dieem Gerät auch möglich. Der Einatz zur Schichtdickenmeung it zur Zeit nicht innvoll, weil eine Differenz zwichen realen Wert und berechneten Wert auftritt. Ziel dieer Arbeit it e, eine Möglichkeit zur Betimmung der Schichtdicke zu finden. Auerdem oll die Arbeitplatzanweiung o ergänzt werden, da eine Angabe der Schichtdicke auch von nicht unterwieenen Peronen möglich it. - -

3 Uath, Robert Studienarbeit Theorie der Vier-Spitzen Meung. Allgemeine Bei der Vier-Spitzen Meung wird die zu meende Probe mit vier Nadeln kontaktiert. Dabei führen zwei Nadeln Strom, während gleichzeitig mit zwei weiteren Nadeln die vorhandene Spannungdifferenz gemeen wird. Der Vorteil diee Aufbau liegt darin, da zwar der Kontaktwidertand und der Streuwidertand bei den tromführenden Spitzen weiter anfällt für die Spannungmeung allerding unerheblich ind, da diee nun getrennt erfolgt und an den Spannungelektroden kein Strom fließt. Die vier Nadeln ind üblicherweie linear angeordnet. E ind aber auch weitere Anordnungen denkbar wie zum Beipiel quadratich oder mit fünf Spitzen. Im folgenden wird von einer linearen Konfiguration mit 4 Spitzen augegangen.. Berechnung de pezifichen Widertande Bei der Berechnung de pezifichen Widertande de Halbleitermaterial wird zunächt von einer Probe augegangen, die eine ebene Oberfläche aufweit und die bezüglich ihrer Fläche und Dicke von unendlichem Aumaß it. Die beiden äußeren Nadeln führen den Strom I bzw. I. An den beiden inneren Spitzen wird da Potential gemeen. Da Potential in einer Entfernung r von einer den Strom I führenden Elektrode ergibt ich zu ρ I ϕ =. Π r In einem Abtand r und r 4 von den tromführenden Spitzen und 4 ergibt ich omit ein Potential von ρ I ϕ =. Π r r4 In obiger Abbildung ind die Nadelabtände, und 3 aufgetragen. Für die Differenz de Potential zwichen den inneren Spitzen und 3 ergibt: ρ I ϕ = =,3 ϕ ϕ3. Π 3 3 Aufgrund dieer Potentialdifferenz der beiden inneren Nadeln lät ich der pezifiche Widertand an der Metelle berechnen. Mit U = ϕ, 3al die gemeene Spannung ergibt ich: - 3 -

4 Uath, Robert Studienarbeit U Π ρ =. I 3 3 Sind die Spitzen in gleichem Abtand angeordnet, gilt alo = = 3 =, vereinfacht ich zu: U Π ρ =. // I.3 Korrekturfaktoren beim Vierpitzenmeverfahren Bei der Herleitung de pezifichen Widertande it die Annahme getroffen worden, da die Probe eine unendliche Dicke und Fläche aufweit. Die zu meenden Proben ind aber in der Regel in keine der drei Achen von unendlichem Aumaß. Die obige Herleitung wird daher um drei Korrekturfaktoren ergänzt, die dieen Sachverhalt berückichtigen. U Π ρ = K K K 3 I.3. Korrektur aufgrund de Durchmeer Bei der Betimmung de Schichtwidertande an dünnen Schichten, it für den Fall relativ kleiner Oberflächen, ein Korrekturfaktor zu berückichtigen. Dieer berechnet ich auf der Bai der Überlegungen von Comb und Albert für eine runde Waferoberfläche wie folgt: ln( ) K =, ( D / ) 3 ( ) ln D / 3 wobei D den Durchmeer der Probe bezeichnet. Bei der Berechnung de Korrekturfaktor it davon augegangen worden, da die Meung im Mittelpunkt der Probe erfolgt. Da folgende Diagramm veranchaulicht den Zuammenhang zwichen Probengröße und Korrekturfaktor. Zur Berechnung wird hier ein Nadelabtand von,3 mm, der Nadelabtand der Meanordnung, angenommen. E zeigt ich deutlich, da der Korrekturfaktor bei der Meung großer Probengeometrien vernachläigbar wird ( bereit bei einem Probendurchmeer von 5 mm liegt der Korrekturfaktor bei etwa 0,98). Da der Meplatz für die Betimmung großflächiger Subtrate konzipiert it, pielt der Korrekturfaktor aufgrund der Probengeometrie eine untergeordnete Rolle. K 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0, Scheibendurchmeer / mm - 4 -

5 Uath, Robert Studienarbeit Korrektur aufgrund der Dicke Bei der Widertandmeung an einer dünnen Schicht auf nicht-leitenden Subtrat ergibt ich ein Korrekturfaktor K : ( ) ( ) 4 = = = n n n d n d d K. Für ehr dünne Schichten, für die der Quotient (/d) immer kleiner wird, vereinfacht ich der Korrekturfaktor K zu ( ) ln = d K und ρ zu ( ) d I U Π = ln ρ..3.3 Korrektur aufgrund auftretender Randeffekte Biher wurde eine unendlich große Oberfläche betrachtet. Da die Proben eitlich begrenzt ind, müen auftretende Randeffekte berückichtigt werden. Mit einer Annäherung der vier Spitzen an den Rand de Wafer ändert ich da elektriche Feld zwichen den tromführenden Elektroden, worau eine Potentialänderung an den inneren Elektroden reultiert. Unter Annahme imaginärer Stromquellen lät ich der Potentialunterchied berechnen. Je nachdem ob die Nadeln parallel oder enkrecht zu einem reflektierenden (nichtleitenden) geraden Rand aufetzen ergeben ich folgende Korrekturfaktoren (l entpricht dem Abtand zum Rand) für die parallele Anordnung: 3 = l l K für die enkrechte Anordnung: l l l l K =. //

6 Uath, Robert Studienarbeit ,00 0,90 K3 0,80 0,70 K3enkrecht K3waagerecht 0,60 0, Randabtand in mm Wenn die Meanordnung Aufchlu über die Homogenität de Schichtwidertande über die geamte Waferoberfläche geben oll, pielt der Einflu von Randeffekten eine weentliche Rolle. 3 Meung der Schichtdicke von Al mit dem VSM00 3. Der Vier-Spitzen-Meplatz VSM00 Der Vierpitzenmeplatz VSM00 beteht au zwei von einander getrennten aber kompatiblen Teilen, dem eigentlichen Megerät VSM00-M und der Kontaktiereinrichtung VSM00-K. Zuätzlich kann eine externe Abaugeinrichtung, in dieem Fall eine Vakuumpumpe, an da Gerät angechloen werden. Da Megerät VSM00-M arbeitet im Prinzip nach der klaichen Methode der Vier-pitzen- Gleichtrommeung. Mit ihm kann owohl der Schichtwidertand, al auch der pezifiche Widertand von Halbleitermaterialien gemeen werden. E it möglich, den einprogrammierten Geometriefaktor K zu ändern. Die kann notwendig werden, wenn Mepitzen getaucht oder Randeinflüe betrachtet werden. Die Kontaktiereinrichtung VSM00-K it die zweite wichtige Komponente de Meplatze. Ihre Aufgabe it e, die Scheibenproben mit maximal 50mm Durchmeer (6 ) zur Meung aufzunehmen. Über ein gechirmte Start- bzw. Mekabel it die Kontaktiereinrichtung mit dem Megerät verbunden. Außerdem it hier der Anchlu für die Luftabaugvorrichtung vorgeehen. Eine weitergehende Bechreibung der Bedienung it in der Betriebdokumentation und der Arbeitplatzanweiung enthalten. //, /3/ - 6 -

7 Uath, Robert Studienarbeit Berechnung der Schichtdicke und Einflu der Korrekturfaktoren Durch umtellen der Gleichung U Π ρ = K K K 3 I und Multiplikation mit dem Korrekturfaktor K K = d ln( ) erhält man ln() I d = ρ, Π U 9 wenn ρ der Oberfläche bekannt it (z.b. ρ Alu min ium = 7,8 0 Ωm ) kann die Schichtdicke berechnet werden. Der Korrekturfaktor aufgrund de Waferdurchmeer K wurde vernachläigt, weil die Wafer einen Durchmeer von 75 mm haben und omit K = 0,998 einen ehr geringen Einflu hat. Der Korrekturfaktor aufgrund auftretender Randeffekte K 3 kann ebenfall vernachläigt werden, wenn die Meung mehr al 0 mm von Waferrand durchgeführt wird (K 3 = 0,999). Die Korrektur aufgrund der Dicke K wird voll berückichtigt. 3.3 Meung de Schichtwidertand 3.3. Proben und Meumgebung E wurden 5 Siliziumwafer im einem Hochtemperaturchritt oxidiert. Anchließend wurde unterchiedlich oft Aluminium aufgedampft. Eine Hälfte de Wafer wurde dabei abgedeckt, damit der Übergang vom Siliziumdioxid zu Aluminium auch augewertet werden kann. Wafer Anzahl der Bedampfung Kurz vor der Meung wurde verucht die Wafer in einen möglicht partikelfreien Zutand zu bekommen. Dazu wurde mit den Rinerdryer eine Spülung mit DI-Waer bei 300 U/min, 60 Sekunden durchgeführt. Danach Trocknung in der Schleuder. Vor der Meung wurden außerdem die vier Spitzen der Kontaktiereinrichtung VSM00-K mit Alkohol gereinigt Mewerte E wurde je Wafer an mindeten 3 verchieden Stellen im Zentrum der Aluminiumchicht 0 Meungen durchgeführt. Au dieen Werten wurde der Mittelwert gebildet und die Standartabweichung berechnet. E wurden folgende Werte gemeen. Wafer Anzahl der Bedampfung Schichtwidertand R,557 ± 0,09 Ohm =,557 Ohm ± 0,75 %,79 ± 0,035 Ohm =,79 Ohm ±,6 % 3 4,8 ± 0,07 Ohm =,8 Ohm ± 5,60 % 4 6 nicht mebar 5 4,044 ± 0,059 Ohm =,044 Ohm ± 5,69 % - 7 -

8 Uath, Robert Studienarbeit Der Schichtwidertand von Wafer 4 liegt außerhalb de Mebereich vom Megerät. Wie in // und /3/ bechrieben wird, teigt der in die äußeren Mepitzen eingepeite Strom o lange an, bi ich an den inneren Mepitzen eine Spannung von 9mV eintellt. Bei Wafer 4 it der Widertand o gering, da der Metrom in die eingebaute Begrenzung geht. Die kompletten Mewerte ind in Anhang zu finden. 3.4 Meung der Schichtdicke 3.4. Mevorbereitung Meumgebung Die Schichtdickenbetimmung erfolgte mit dem Raterelektronenmikrokop (REM). Dazu wurden die Wafer in ca. 8mm breite Streifen gechnitten. Um den Übergang zum Aluminium zu eparieren wurde durch anritzen der gewünchte Bereich augebrochen. Meung von oben Wafer Siliziumoxid Probe Aluminium 3.4. Mewerte E wurden folgende Werte gemeen. Wafer Anzahl der Bedampfung Schichtdicke D 6 nm ± 4 nm = 6 nm ±, % 95 nm ± 35 nm = 95 nm ±,8 % nm ± 4 nm = 5 nm ±,7 % nm ± 4 nm = 036 nm ±,3 % nm ± 3 nm = 593 nm ± 5,3 % Die Werte ließen ich mit dem in der Anteueroftware vom REM integrierten Vermeungwerkzeug ermitteln. Die den Mewerten zugrunde liegenden Bilder ind dem Anhang beigefügt. Der Wert von Wafer 5 wurde betimmt durch Abmeungen mit einem Lineal von den Audrucken der REM-Bilder. Durch den lang gezogenen, fließenden Übergang konnte keine genaue Grenze fetgetellt werden. Der Wert kann dehalb je nach ubjektiven Eindruck de Übergang und dem anetzen de Mewerkzeug chwanken. E wurden auch in Harz eingebettete Proben angefertigt und mit dem REM unterucht. Die hellen Kanten in dem Bildern der Anlage werden durch Streueffekte aufgrund unterchiedlicher Winkel zum Sekundärelektronendetektor erzeugt. Wie die Bilder zeigen kann man mit dieen Proben keine oder nur begrenzt nachvollziehbare Meungen durchführen

9 Uath, Robert Studienarbeit Auwertung 4. Berechnung der theoretichen Schichtdicke au der Widertandmeung ln() I d = ρ Π U U Π R = K M mit K M = 4,53 I ln( ) K M it der am Megerät eingetellte Korrekturfaktor. Wenn man mit R S weiterrechnen möchte mu man dieen berückichtigen. Hier wurde K M heraugerechnet: ρ d = R nach dieer Formel lät ich au den ermittelten Widertandwerten R S und 9 ρ = 7,8 Ωm die Schichtdicke betimmen: Alu min ium 0 Wafer Bedampft Schichtwidertand Berechnete Schichtdicke x,557 Ohm 08,8 nm x,79 Ohm 7,5 nm 3 4x,8 Ohm 6,9 nm 4 6x Nicht mebar - 5 4x,044 Ohm 66,0 nm 4. Vergleich Au dem Vergleich ergibt ich eine Abweichung der errechneten von den gemeenen Werten: Wafer Bedampft Berechnete Schichtdicke Gemeene Schichtdicke Differenz x 08,8 nm 6 nm 7, nm x 7,5 nm 95 nm 67,5 nm 3 4x 6,9 nm 5 nm 305, nm 4 6x nm - 5 4x 66,0 nm 593 nm 37,0 nm 4.3 Korrekturbetimmung Um dem gemeenen Widertandwert eine hinreichend genaue Schichtdicke zuzuordnen, it e notwendig die Mewerte um eine Korrektur zu erweitern. Dazu wurden die gemeenen Werte in einem Diagramm gegeneinander aufgetragen. Die Annäherung de Verlauf durch eine Gerade it möglich, da der Korrekturfaktor K hier annähernd kontant bleibt und omit der Widertand proportional zu Dicke it (iehe Punkt.3.). Da Megerät VSM 00 kann ab ca. R S = 0,9 Ohm (entpricht ca. 640nm) nicht mehr meen, dehalb wird der K einen Einflu nicht ändern

10 Uath, Robert Studienarbeit ,8,6,4 R Linear (R) Schichtwidertand in Ohm,,8,6,4, Schichtdicke in nm Der Antieg dieer Gerade wurde ermittelt owie darau eine Formel zur Betimmung der Schichtdicke (in µm): d µ m = 0,3 Rgemeen 0, 9µ [ ] m Bei der Meung von Wafer (x Aluminium bechichtet) gibt e die größte Abweichung von der Gerade. Sie beträgt in dieem Punkt 35 nm entpricht 4%. Da keine weiteren Proben zu Verfügung tehen, it eine weitere Abicherung durch tatitiche Maßnahmen nicht möglich. Auerdem mu angenommen werden da der Fehler auch negativ ein kann. 5 Zuammenfaung Mit der aufgetellten Formel lät ich die Schichtdicke aufgedampfter Aluminiumchichten bi ca. 640 nm betimmen. Der Fehler bei dieer Betimmung wird auf ca. ±0% gechätzt. Dieer hohe Wert kommt zutande durch die ungüntige Vermeung der Schichtdicke mit dem REM, der Schwankung der Schichtdicke vom Aluminium und den Kontaktwidertänden der 4 Spitzen. Die Erkennung und Vermeung der Übergänge Siliziumdioxid zu Aluminium it mit dem REM recht chwierig. Diee ind kontratarm, fließend und liegen auf Grund ihrer Größe an der Auflöunggrenze (0nm) vom REM. Beim Aufdampfen von Metallen mit einer Punktquelle ergibt ich eine radiale Verteilung de Metall auf dem Wafer d.h. in der Mitte it die Metallchicht dicker al am Außenrand. Die it auch hier der Fall. Durch Meung der Schichtdicke an einem Ort, wo nicht elektrich der Schichtwidertand gemeen wurde, kann e auch zu Fehlern kommen. Diee Abweichungen wurden bedacht konnten aber nicht augechloen werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen wäre e notwendig eine Referenzmeung mit einem anderen Verfahren durchzuführen. Dafür eignet ich z.b. die Meung mit einem Ellipometer oder online mit einem Schwingquarz /4/. Nach dem ätzen einer Stufe in da Aluminium it der Einatz eine Tatchnittmegerät möglich /4/. Zuätzlich it e innvoll mehrere Proben zu präparieren um zu kontrollieren, in wie weit die erreichten Ergebnie der Statitik genügen

11 Uath, Robert Studienarbeit Literatur // w/up_opr/diplom/zerre/kapitel_.html // Uwe Krüger, Diplomarbeit, Unteruchungen zur Weiterentwicklung und Einatz eine Vierpitzenmeplatze /3/ Betriebdokumentation VSM00, Halbleiterwerk Frankfurt/O., 984 /4/ Glück, B.K.: Vorleungreihe MST, FHL Senftenberg 00 7 Anhang - Mewerttabelle der Schichtwidertandmeung - REM - Bilder zur Ermittlung der Schichtdicken (die Bilder ind auf dem Anteuercomputer de REM gepeichert) - REM Bilder eingebetteter Probe - Erweiterung der Arbeitplatzanweiung - -

12 Schichtdickenmeung von Aluminium mit dem VSM00 Die Schichtdicke kann berechnet werden nach dieer Formel ln() I d = ρ Π U U Π R = K M mit K M = 4,53 I ln( ) K M it der am Megerät eingetellte Korrekturfaktor. Wenn man mit R S weiterrechnen möchte mu man dieen berückichtigen. Hier wurde K M heraugerechnet: ρ d = R 9 mit bekannten ρ Alu min ium = 7,8 0 Ωm und gemeenen Schichtwidertand R. Auf Grund von Ungenauigkeiten it diee theoretiche Berechnung mit den Schichtwidertandwerten de VSM00 nicht anwendbar. Durch experimentelle Unteruchungen wurde ein Zuammenhang zwichen dem Schichtwidertand und der Schichtdicke ermittelt:,8,6,4 R Linear (R) Schichtwidertand in Ohm,,8,6,4, Schichtdicke in nm Der Antieg dieer Gerade wurde ermittelt und darau eine Formel zur Betimmung der Schichtdicke in µm: [ µ m] = 0,3 R 0, 9 m d gemeen µ d[µm]...aluminiumchichtdicke in µm R gemeen...mit dem VSM00 ermittelter Schichtwidertand E it mit einem Fehler von maximal ±0 % zu rechnen.

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