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Juni 2013 Vol. 25 Nr. 3 DOI:10.1002/vipr.201300520 © 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 26 ViP

Ladungsträger-Tiefenprofilierung an ultra-flachen pn-ÜbergängenAlternierende Messung des Schichtwiderstandes und anodische Oxidation ersetzen aufwändigere Ionenstrahltechnik Bernd Schmidt, Peter Philipp, Michael Zier, Lutz Zimmermann

Die Stufenweise Oxidations-profilierung (SWOP) wurde zur Ladungsträger tiefenprofilierung an Bor-implantierten Silizium eingesetzt. Das Messverfahren basiert auf einer alternierenden elektrischen Messung des Schichtwiderstandes mit van-der-Pauw (VDP)-Strukturen zwischen jeweils einem Si-Schichtabtrag durch

elektrochemische anodische Oxida-tion. Es konnte gezeigt werden, dass die SWOP-Profile sehr gut mit SIMS-Referenzprofilen übereinstimmen und eine Tiefenauflösung von ≤ 1 nm sowie eine Nachweisgrenze 1·1016 cm–3 er-reicht werden.

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SiO2

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stufenweisesSiO 2 Wachstum

insitu S Messunginsitu R

SiO2 (e

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tive)

1 EinleitungDie sich entsprechend der Internatio-nal Technology Roadmap for Semicon-ductors (ITRS) [1] stetig verkleinernden Bauelementestrukturen erfordern die Einführung neuer Techniken sowohl in der Prozesstechnologie als auch in der Metrologie zur Charakterisierung von ultra-flachen pn-Übergängen mit einer Tiefe von xj ≤ 50 nm. Derartig flache Dotierungsproflile sind von Bedeutung für die Herstellung von Source/Drain-Strukturen (SD), die Dotierung von SD-Extensions und die Kanaldotierung in MOSfET’s. Die Dotierungstiefenprofile werden üblicherweise mit Sekundär-Ionen-Massen-Spektrometrie (SIMS) gemessen [2]. Mittels SIMS wird die Tiefenverteilung der gesamten in den Halbleiter eingebrachten (ionenim-plantierten) Dotandenkonzentration über eine Sputter-Tiefenprofilierung bestimmt. SIMS liefert jedoch keine di-rekte Information über die elektrische aktivierung der Dotanden während der thermischen Behandlung nach Io-nenimplantation. für die Implantation im mittleren und hohen Energiebe-reich liefert SIMS hinreichend genaue Ergebnisse bei der Messung der Dot-andenprofile und der Bestimmung der Ionenfluenz durch Vergleich mit Eich-standards. Problembehaftet ist die Mes-sung von ultra-flachen Dotandenpro-filen aufgrund des Sputterprozesses, besonders an der Oberfläche, wo tran-siente SIMS-Effekte eine signifikante Variation der Sekundärionenausbeute verursachen. Weiterhin verursacht na-türliches SiO2 auf der Si-Oberfläche eine veränderte Sputterrate im Vergleich zum Si-Substrat, und somit eine falsche Tiefenskala in Oberflächennähe, wenn die Tiefenkalibrierung unter annahme einer konstanten Sputterrate vorge-nommen wird.

Der tiefenabhängige Schichtwi-derstandes Rs(x) wird meistens mittels Spreading Resistance Profiling (SRP) [3] und die Ladungsträgerkonzentration N(x) sowie Ladungsträgerbeweglich-keit µ(x) in der dotierten Schicht mit-tels differenzieller Hall-Effekt-Messung (DHE) [4] bestimmt. Eine komplette tiefenabhängige DHE-Messung mit z. B. 30 Tiefenpunkten erfordert 30 Messpro-ben mit unterschiedlichem Si-abtrag

durch anodische Oxidation, was einen relativ hohen Zeitaufwand bedeutet. Eine DHE-Messung beinhaltet für jede Probe zwei Messschritte – die Messung des Schichtwiderstandes Rs und die Messung der Hall-Beweglichkeit µH.

Die elektrische aktivierung der Dot-anden kann weiterhin über die Mes-sung des Schichtwiderstandes Rs mit der 4-Point Probe (4PP) Technik [5] be-stimmt werden. Dieses Messverfahren

AbbIldung 1: Schematische Darstellung der Tiefenprofilierung des Schichtwiderstandes durch stu-fenweise anodische Oxidation

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OZ

PT

PM

PN

I-U Quelle

ElektrolytSi-AbtragSiO2

p+

a) b)

c)

Charge carrier depth profiling on ultra-shallow pn-junctions

The Stepwise Oxidation Profiling (SWOP) technique has been applied to charge carrier depth profiling on boron ion implanted silicon. The pro-cedure works by altering between electrical sheet resistance measu-rements on van-der-Pauw (VDP)-structures and Si layer removal by electrochemical anodic oxidation. It was shown that the SWOP profiles are matching well with SIMS reference measurements, and that a depth re-solution of ≤ 1  nm and a detection limit of 1·1016cm–3 was achieved.

SuMMaRy

liefert jedoch keine aussagen über die räumliche Verteilung der Ladungsträ-ger.

für ionenimplantierte Dotanden-profile werden nach der aktivierung (Temperung nach Implantation) große unterschiede zwischen den Ladungs-träger-Tiefenprofilen aus SRP Messun-gen und den Dotandenprofilen aus SIMS Messungen beobachtet. Beson-ders signifikant sind diese unterschiede nahe der Si-Oberfläche und für ultra-flache pn-Übergänge, die z. B. aus Mess-fehlern bei der Schrägschliffpräparation für SRP (mechanisches Schleifen und Polieren unter sehr kleinen Winkeln zur Si-Oberfläche) resultieren können. Wei-terhin liefert SRP fehlerhafte Ladungs-trägerprofile in Oberflächennähe mit Konzentrationen > 1020 cm–3 aufgrund nicht vollständig ausgeheilter implan-tationsbedingter Strahlenschäden bzw. Dotandensegregationen. Mittels SRP werden seriell Schichtwiderstände Rs(x) über den Schrägschliff gemessen, mit Standards für spezifische Wider-stände verglichen und ergeben somit das spezifische Widerstandsprofil ρ(x) von der Si-Oberfläche in die Tiefe. Die einzig verfügbare Korrelation zwischen spezifischem Widerstand ρ und La-dungsträgerkonzentration N liefert die Spezifikation f-723-99 der american Society for Testing and Materials (aSTM) für Ladungsträgerkonzentration im Bereich N = (1×1014 – 1×1020) cm–3 [6]. In die Berechnung der Ladungsträger-

konzentration N(x) aus den gemesse-nen Schichtwiderständen Rs(x) geht die Ladungsträgerbeweglichkeit µ= f(N(x)) ein, die ebenfalls von der Dotanden-konzentration (bzw. von ρ) abhängig ist. Es existieren mehrere Verfahren, um die Ladungsträgerbeweglichkeit aus dem spezifischen Widerstand zu ermitteln. In vielen fällen werden Standards he-rangezogen, bei denen µ für bekannte Werte von ρ gemessen und tabellarisch erfasst wurde. Durch die Verwendung von speziellen Berechnungsalgorith-men basierend auf der aSTM Spezifi-kation f-723-99 und den arbeiten von W.R. Thurber et al. [7] ist es möglich, die Ladungsträgerbeweglichkeit über den Vergleich von gemessenem spe-zifischem Widerstand mit tabellierten μ-Werten von Standardmessungen zu bestimmen.

2 Messprinzip der SWOP-Technik

Das in der vorliegenden arbeit be-schriebene Messverfahren der stufen-weisen Oxidationsprofilierung (SWOP – Step-Wise Oxidation Profiling) ist eine relativ neue, standardfreie, elek-trische Messtechnik zur verlässlichen Ladungsträgertiefenprofilierung, be-sonders an ultra-flachen Dotierprofilen mit pn-Übergangstiefen xj < 50 nm [8]. Zur Tiefenprofilierung wird die dotierte Silizium-Schicht durch anodische Oxi-dation stufenweise abgetragen und die Konzentration der aktiven Dotanden während der Tiefenprofilierung in-situ durch eine elektrische Messung nach der van-der-Pauw-Methode (VDP) [9] bestimmt.

Der Silizium-Tiefenabtrag mittels SWOP (siehe Abb. 1) erfolgt über eine elektrochemische Zelle, über die ein definierter Bereich der zu messenden, dotierten Siliziumschicht oxidiert wird. Der oxidierte Bereich liegt im Zent-rum einer VDP-Messstruktur, die von außen permanent mit Probernadeln kontaktiert werden kann. Nach Ende der Oxidation erfolgt die Messung des Schichtwiderstandes der VDP-Struktur. anschließend erfolgt ein erneuter Oxi-dationsschritt. Oxidation und elektri-sche Messung erfolgen alternierend, wodurch die erzeugte anodische SiO2-Schicht anwächst und daher die Schichtdicke des dotierten Si stufen-weise abnimmt. Die Tiefenprofilierung einer Probe kann somit vollautomatisch und mit geringem experimentellem aufwand, in einer abgeschlossenen apparatur erfolgen. Der umstand, dass das anodische Oxid die leitende Si-Schicht vom Elektrolyt der anodisa-tionszelle isoliert, erlaubt eine Sequenz von anodischen Oxidations- und elekt-rischen Messzyklen, während derer die Messprobe im ständigen Kontakt mit dem Elektrolyt ist. Somit entfällt nach jedem Oxidationsschritt die Entnahme der Probe zur Messung des Schichtwi-derstandes mit vorheriger Entfernung des Oxides, wie es z. B. in [4,10] vorge-schlagen wurde. Dadurch bietet das Messverfahren eine Reihe von Vortei-len: (1) automatisierung der Ladungs-trägertiefenprofilierung, (2) wesentlich kürzere Messzeiten, (3) hohe Tiefenauf-lösung (bis in den sub-nm Bereich) und Messgenauigkeit sowie (4) Möglichkeit der gleichzeitigen Messung des tiefen-

AbbIldung 2: SWOP Messplatz mit elektrochemischer Oxidationszelle (a), schematischer Darstellung der anodischen Oxidation (b) und Messprobe mit typischer VDP-Struktur (c) und mit Bereich des anodischen SiO2 (hellblau).

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abhängigen Schichtwiderstandes Rs(x) und der Ladungsträgerbeweglichkeit µ(x) (periodische Schichtwiderstands-messung ohne und mit angelegtem Magnetfeld).

3 SWOP-Messapparatur

Die im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelte SWOP-Mess-apparatur ist in Abb. 2 dargestellt. Die VDP-Messstruktur (Abb. 2c) wird in eine aussparung des Probentisches (PT) ein-gesetzt und kann in x- und y- Richtung mittig unter der Oxidationszelle (OZ) positioniert werden. Die Oxidations-zelle (Abb. 2b) wird zentrisch justierbar auf die Probe abgesenkt und mittels einer feder aufgedrückt. Hierbei wird der zu oxidierende Bereich durch ei-nen Dichtring vom Rest der Probe ab-gegrenzt. Nach Befüllen der Zelle mit dem Elektrolyt (Ethylenglycol/HNO3/H2O-gemisch) wird die Kathode ein-gesetzt und an die Stromversorgung angeschlossen. Die Kontaktierung für die elektrische VDP-Messung geschieht über vier, um die Oxidationszelle ange-ordnete Probernadeln (PN). Die Schicht-widerstandsmessungen können wahl-weise mit oder ohne Magnetfeld mittels eines unterhalb der Messprobe ein- und ausfahrbaren Permanentmagnet (PM) durchgeführt werden.

Die SWOP-Messapparatur wird über eine Software des Halbleitermesssys-tems Keithley 4200-SCS gesteuert. Die Strom-/Spannungsversorung Keithley 237-SMu der anodischen Oxidations-zelle ist mit dem 4200-SCS verbunden. um den Stromfluss während der anodi-schen Oxidation zu gewährleisten, wird die VDP-Messprobe über einen Rück-

kontakt elektrisch leitend mit der Masse des Messsystems verbunden.

3.1 Kalibrierung des Silizium-Abtrag

für den elektrochemischen Vorgang der anodischen Oxidation kann grund-legend zwischen zwei Oxydationsmodi unterschieden werden: Oxidation mit konstanter Spannung und Oxidation mit konstantem Strom. für den defi-nierten Silizium-Schichtabtrag hat sich die Oxidation mit konstantem Strom als vorteilhaft erwiesen. Hierbei wird mit wachsender Oxiddicke eine an-wachsende Kathodenspannung her-vorgerufen, welche den wachsenden SiO2-Widerstand kompensiert. Von entscheidender Bedeutung ist das Ver-hältnis der Schichtdicken dSi/dSiO2 von verbrauchtem Si und gebildetem SiO2, das im vorliegenden fall für das ano-dische Oxid einen Wert von dSi/dSiO2 = 0,44 hat und somit vergleichbar mit thermisch gewachsenem SiO2 ist. für das SiO2-Wachstum mit Konstantstrom ist eine Dickenkalibrierung über die Oxi-dationsdauer möglich. Hierbei wird die eingestellte Stromstärke eine definierte Zeit durch die Zelle getrieben, wobei die hierfür notwendige Spannung durch die Stromquelle nachgeregelt wird. Die Stromdichte während des Oxidations-prozesses wird maßgeblich durch den Wert des Konstantstromes sowie durch die Silizium-Oxidationsflache auf der VDP-Messprobe innerhalb der Zellen-öffnung bestimmt. In der vorliegenden arbeit wurden anodische SiO2-Schich-ten mit verschiedenen Stromstärken für verschiedene Oxidationszeiten herge-stellt. Die SiO2-Schichtdicken wurden mittels afM- und interferometrischen Schichtdicken-Messungen bestimmt. Die gemessene Oxiddicke verhält sich linear zur Kathodenspannung uend, wel-che sich bei Oxidationsstop einstellt. Die Oxidationsrate bezogen auf den Span-nungsanstieg während des Oxidwachs-tums ist im untersuchten Strombereich unabhängig von der verwendeten Stromdichte. um eventuelle Verschie-bungen der Kalibriergeraden durch unterschiedliche Offset-Spannungen bei verschiedenen Stromstärken aus-zuschließen, wurde für die endgültige Kalibrierung der Wert der Differenz-spannung Δu verwendet. Die Differenz-spannung Δu eines Oxidationsschrittes

ergibt sich aus der Kathoden spannung uend, abzüglich der Offset-Spannung u0, welche bei Oxidationsbeginn an der Zelle anliegt. In Abb. 3 sind die SiO2-Schichtdicken sämtlicher Kalibrierpro-ben bezogen auf Δu aufgetragen.

aus der linearen abhängigkeit der SiO2-Schichtdicke von der Kathoden-spannung während der anodischen Oxidation mit beliebigem, konstantem Strom ergibt sich eine Oxidationsrate von 0,507 nm SiO2 pro Volt Spannungs-anstieg an der Oxidationszelle. unter Berücksichtigung des Verhältnisses dSi = 0,44×dSiO2 erhält man eine abtra-grate des Siliziums im sub-nm-Bereich von dSi = (0,223±0.024) nm/V. Somit ist die SWOP-Technik besonders zur Tie-fenprofilierung von ultra-flachen Do-tierprofilen mit hoher Tiefenauflösung im Tiefenbereich < 50 nm geeignet.

3.2 Messprobenpräparation

für die SWOP-Technik zur Ladungsträ-gertiefenprofilierung sind prinzipiell Messproben mit van-der-Pauw Struk-turen geeignet, die in Mesa-Technik oder in Planartechnik hergestellt wer-den können [11]. Die Messproben werden auf Waferlevel hergestellt und anschließend für die Messung in VDP-Chips mit typischen abmessungen von 10×10 mm2 vereinzelt. Im vorlie-genden fall wurden 100 mm (100)-ori-entierte n-Si-Wafer prozessiert. für die Mesa-Strukturen (Fig. 4a) wurden die Wafer ganzflächig implantiert (B+, 1 keV, 3×1014 cm–2). Die Bor-Konzentration im Maximum des implantierten Profils beträgt 1×1020 cm–3 und liegt somit im Bereich der Löslkichkeitsgrenze von B in Si während der nachfolgenden Tem-perung. anschließend wurde über eine lithografisch strukturierte Lackmaske eine Si-Tiefenätzung bis in das n-lei-tende Substrat durchgeführt, so dass die VDP-Struktur mit der p-leitenden Schicht 500 nm erhaben verbleibt. Im falle der planaren VdP-Strukturen (Fig. 4b) wird die p-leitende Schicht über eine lithografisch strukturierte SiO2-Maske mit den gleichen Implantationspara-metern dotiert. für alle Wafer wurde eine anschließende Kurzzeittemperung (RTa – Rapid Theraml annealing) bei 1000 °C für 10, 30 und 60 s durchgeführt (IMP+RTa VdP-Messproben).

Ein zweiter VDP-Probensatz wurde

SiO2 SchichtdickeLin. Regression

dSiO2 (nm) = 0,507 . ΔU(V)

160140120100

80604020

050 100 150 200 250 3000

ΔU(V)

SiO2 Sc

hich

tdick

e

AbbIldung 3: SiO2-Schichtdicke in Abhängigkeit von der Differenzsspannung ΔU und Kalibriergerade für den Konstantstrom-Anodisationsmodus

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mittels Blitzlampen-Diffusion (fLD – flash lamp diffusion) hergestellt. Hierbei wurde zuerst über Elektronenstrahl-Ver-dampfung eine 10 nm dicke Borschicht auf Si abgeschieden. Eine nachfolgende Si+ Implantation (400 keV, 5×1015 cm–2) wurde mit dem Ziel durchgeführt, ein Vakanz-anreicherung im oberflächen-nahen Si-Bereich zu erzeugen (soge-nanntes Point Defect Engineering – PDE [12]), um die transient- beschleunigte Bor-Diffusion (Transient Enhanced Dif-fusion – TED [13]) zu unterdrücken. Die ultra-flache Diffusion fand während ei-ner Blitzlampenheizung (1300 °C, 3 ms) statt (fLD+PDE VdP Messproben).

3.3 Tiefeabhängiger Schichtwiderstand

Der tiefenabhängige Schichtwider-stand Rs wird aus den alternierenden elektrischen VdP-Mess- und anodischen Oxidationsschritten bestimmt. Das In-krement der Oxidationsspannung Δu betrug 5 V, was einer Si-Tiefenauflösung von ca. 1 nm entspricht. aus dem Mittel-wert der vier gemessenen VDP-Wider-stände R– kann der Schichtwiderstand Rs berechnet werden [9]:

RS = R– · π ___ ln 2 (1)

Abb. 5 zeigt die Rs-Tiefenprofile für drei verschiedenen Temperzeiten je-weils für a) planare VDP-Chips und b) Mesa VDP-Chips.

Die Vergrößerung des anstieges der gemessenen Rs-Profile zeigt die er-wartete abnehmende Leitfähigkeit der dotierten Schicht durch abnahme der akzeptorkonzentration mit zunehmen-der Tiefe. für längere RTa-Temperzeiten zeigen die Rs-Tiefenprofile einen etwas geringeren Rs-grundwiderstand (vor Oxidationsbeginn), sowie einen flache-ren anstieg der Kurven, bedingt durch eine höhere aktivierung der Dotanden sowie eine Profilverbreiterung bei län-geren Temper zeiten.

Obwohl die Mesa- und Planar-VDP-Chips mit den gleichen Prozesspara-

metern (Implantation, Temperung) her-gestellt wurden, zeigen sich deutliche unterschiede in den Rs-Tiefenprofilen. Die Mesa-VDP-Strukturen (Abb. 5b) erga-ben besonders für die Temperzeiten 30 und 60  s gegenüber den Planarstruk-turen (Abb. 5a) verbreiterte Profile. Die ursache hierfür kann im unterschiedli-chen Schichtaufbau der Wafer während der RTa-Temperung liegen. Die Ober-fläche der planaren Strukturen besteht – im gegensatz zu den Mesa-Wafern – zu einem großteil aus thermischem SiO2. Die Messung der Wafertemperatur erfolgt bei der RTa-Temperung auf der Waferrückseite durch ein Pyrometer, welches die Strahlungsemission der Oberfläche im infraroten Wellenlängen-bereich misst. Die Emission kann durch Oberflächenschichten sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite beeinflusst werden. untersuchungen von Nulman et al. haben gezeigt, dass die Emission der Waferrückseite durch eine SiO2-Schicht auf der Vorderseite steigt [14]. Dies bedeutet, dass die Tem-peraturmessung mittels Pyrometer auf den Wafern mit planaren Strukturen einen gegenüber den Mesa-Strukturen erhöhten Temperaturwert ergibt. Dies führt dazu, dass die resultierende Wa-fertemperatur für die RTa-Temperung von planar-strukturierten Wafern auf einen geringeren Wert geregelt wird als für mesa-strukturierte Wafer. Dies führt zu einer stärkeren Bor-Diffusion bei der Temperung in den mesa-strukturierte Wafern im Vergleich zu planar-struktu-rierten Wafern, wodurch die Profile um ca. 20 % verbreitert sind.

4 Dotanden- und Ladungsträgerprofile

Der tiefenabhängige Schichtwider-stand RS in Abb. 5 ist sowohl von der Dotandenverteilung als auch vom Tiefenabtrag des Si-Substrates abhän-gig. Da der Si Tiefenabtrag bekannt ist, können die gemessenen RS-Werte in eine tiefenabhängige Dotandenkon-zentration umgerechnet werden. Diese ermöglicht aussagen über die Tiefe des pn-Überganges, die tatsächliche Tiefen-verteilung der aktivierten akzeptoren (NA) und, im Vergleich mit SIMS-Refe-renzprofilen, den aktivierungsgrad der implantierten B+ Ionen.

4.1 Berechnung des Tiefenprofils der akti-ven Dotandenkonzentration

Die Berechnung von NA erfolgt über die Ermittlung des spezifischen Widerstan-des ρ der einzelnen Rs Messwerte. Dabei ist zu beachten, dass die VDP-Messung des Schichtwiderstandes in einer ge-wissen Tiefe x die gesamte, integrale Leitfähigkeit der verbleibenden dotier-ten p-Schicht darstellt. Daher ist es not-wendig, den differenziellen Schichtwi-derstand dRs zu bilden. Dies geschieht numerisch über die Differenzbildung von zwei aufeinanderfolgenden Rs-Messwerten:

dRs (xj) = 1 __________ 1 ______ Rs (xj–1) – 1 ____ Rs (xj)

(2)

Der erhaltende Wert dRS liefert den Schichtwiderstand, des durch den Oxi-dationsschritt j verbrauchten Si in der Tiefe xj. Der zugehörige Tiefenabtrag dSi ergibt sich ebenfalls durch Differenzbil-dung dSi(xj) – dSi(xj-1). Der differenzielle

n-Si

p+p +

SiO 2 SiO 2

n-Sin-Si

p+p +

SiO 2 SiO 2

n-Sin-Si

p+p +

SiO 2 SiO 2

n-Sin-Si

p+p +

SiO2 SiO 2

a

n-Si

b

AbbIldung 4: Schematischer Querschnitt der Mesa- a) und Planarstrukturen b)

10 s RTA30 s RTA60 s RTA

0 20 40 60 80 100Tiefe x (nm)

102

103

104

105

106

107

Schi

chtw

ider

stand

Rs (Ω

/sq)

10 s RTA30 s RTA60 s RTA

0 20 40 60 80 100Tiefe x (nm)

102

103

104

105

106

107

Schi

chtw

ider

stand

Rs (Ω

/sq)

AbbIldung 5: RS-Tiefenprofile für Bor Implantation (1 keV, 3∙1014 cm–2) nach RTA Temperung (1000 °C, 10, 30 und 60 s): a) planare VDP-Chips b) Mesa VDP-Chips

a) b)

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spezifische Widerstand dρ(xj) ergibt sich danach aus der Beziehung ρ= Rs×dSi:

dρ (xj) = (dSi(xj) – dSi(xj-1)

____________ ( 1 ______ Rs (xj–1) – 1 ____ Rs (xj)

)

(3)

wobei xj für die aktuelle Messung nach dem Si-Tiefenabtrag x und xj–1 für die vorangegangene Messung mit einem Si-Tiefenabtrag x-1nm (Inkrement der Oxydationsspannung Δu = 5 V) stehen.

Die Konzentration der in der Tiefe xj aktiven akzeptoren NA wird nach fol-gender gleichung berechnet:

NA (xj) = 1 _________ dρ(xj) · q · µ (4)

mit q der Elementarladung und µ = f(NA) der Ladungsträgerbeweglichkeit, die ebenfalls von der Dotandenkonzen-tration NA abhängt und für akzeptor-konzentrationen NA ≤ 1020 cm–3 nach Thurber et al. [7] berechnet werden kann. Der fehler des ermittelten Wertes für µ kann mit Bezug auf den fehler für die Berechnung von dSi auf 10 % abge-schätzt werden.

Die gemessenen Ladungsträger-profile wurden mit SIMS-Profilen ver-glichen, die die tiefenabhängige Kon-zentration der implantierten B+ Ionen angeben.

4.2 Ladungsträgertiefenprofile und Vergleich mit SIMS-Profilen

für die Ladungsträgertiefenprofile NA(x) wurde die Konzentration der be-rechneten aktiven akzeptoren NA über die Tiefe x des Si aufgetragen und mit Bor-Tiefenprofilen aus SIMS-Messun-gen verglichen. Abb. 6 zeigt die Ergeb-nisse für „IMP+RTa“-Proben die sowohl in Planar- (Fig. 6a) als auch in Mesatech-nologie (Fig. 6b) hergestellt wurden.

Bor-dotierte p+-Schichten, die mit fLD hergestellt wurden, zeigen we-sentlich flachere Ladungsträgertiefen-profile im Vergleich zu den „IMP+RTa“-Proben. Abb. 7 zeigt ein gemessenes fLD-Borprofil im Vergleich zu einer B+ implantierten Probe, die bei 1000 °C für 10 s getempert wurde.

Mit den Ergebnissen in Abb. 7 konnte nachgewiesen werden, dass mit der SWOP Technik ultra-flache Dotierprofile mit pn-Übergängen von < 50 nm ver-lässlich und mit hoher Tiefenauflösung gemessen werden können. Die Nach-weisgrenze der SWOP-Technik liegt für Bor in Silizium bei 1016–1017 cm–3 und erfüllt die anforderungen der moder-nen CMOS Technologie. Sie ist durch Effekte limitiert, welche die elektrische VDP-Messung beeinflussen (z. B. Leck-strom, Elektrolytleitfähigkeit usw.).

Die Ladungsträgerprofile für un-terschiedliche VDP-Strukturen und Temperparameter sind in guter Über-

einstimmung mit den SIMS-Referenz-profilen. alle SWOP-Profile folgen in ihrem Verlauf erwartungsgemäß den zugehörigen SIMS-Profilen bis in eine gewisse Tiefe. Bis zu diesem Tiefenbe-reich liegt die aktivierung der Dotan-den bei ca. 80–90 %. Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit anderen publizierten arbeiten. Ergebnisse von Scalase et al. [15] zeigen für Dotierpro-file mit ähnlichen Implantations- und Temperparametern unterhalb einer Konzentration von 1∙1020 cm–3 ver-gleichbare Konzentrationsverläufe von elektrisch aktivem (gemessen mit SRP) und gesamt implantiertem Bor (ge-messen mit SIMS). für die SWOP-Profile zeigt sich mit zunehmender Tiefe ein stärkerer Konzentrationsabfall im Ver-gleich zu den SIMS-Profilen. Der Punkt der Konzentrationsgleichheit der ein-gebrachten akzeptoren mit den im Substrat befindlichen Donatoren (im vorliegenden fall 1∙1016 cm–3) liegt für eine SIMS Messung in der Tiefe des me-tallurgischen pn-Überganges. Mittels SWOP-Messung wird jedoch der elek-trische pn-Übergang bestimmt, wel-cher bei Konzentrationsgleicheit der elektrisch aktiven Dotanden liegt und durch die sich in das p+-gebiet (Bor-Profil) ausdehnende Verarmungszone gegeben ist, was zu einer geringeren Tiefe des gemessenen elektrischen pn-Überganges führt. Weiterhin können durch die Sputterwirkung der Primäri-onen bei SIMS (Stoßkaskaden, Ionen-strahlmischen) in größeren Tiefen die implantierten Dotanden in das Substrat gemischt werden, womit sich der Profil-ausläufer in eine größere Tiefe verschie-ben kann.

SIMS 10s RTASWOP 10s RTASIMS 30s RTASWOP 30s RTASIMS 60s RTASWOP 60s RTA

0 20 40 60 80 100Tiefe x (nm)

1201016

1017

1018

1019

1020

1021

Bor-K

onze

ntra

tion N

A (cm

–3)

SIMS 10s RTASWOP 10s RTASIMS 30s RTASWOP 30s RTASIMS 60s RTASWOP 60s RTA

0 20 40 60 80 100Tiefe x (nm)

1201016

1017

1018

1019

1020

1021

Bor-K

onze

ntra

tion N

A (cm

–3)

AbbIldung 6: Ladungsträgertiefenprofile B+ implantierter (1 keV, 3×1014 cm-2) und RTA (1000 °C, 10, 30 und 60 s) getemperter Proben im Vergleich zu gemessenen SIMS-Referenzprofilen: a) Planarstrukturen, b) Mesastrukturen.

0 5 10 15 40 55Tiefe x (nm)

1018

1019

1020

1021

Bor-K

onze

ntra

tion N

A (cm

–3)

20 25 30 35 50 6045

B+, 1 keV, 3×1014 cm–2, RTA 1000 °C, 10sBoron FLD, Xe-Lamp Flash, 1300 °C, 3ms

AbbIldung 7: Vergleich der Ladungsträgerprofile von „IMP+RTA“- und FLD-Proben.

a) b)

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5 Zusammenfassung und Ausblick

Die SWOP Technik ist geeignet, um ultra-flache Ladungsträgerprofile aller üblichen Dotanden (B, P, as, ...) in Sili-zium mit einer Tiefe des pn-Übergangs von ≤ 30 nm zuverlässig und standard-frei zu messen. Mit einer Tiefenauflö-sung von ≈ 1nm liegt die Nachweis-grenze bei ≤1016 Ladungsträgern pro cm–3, was den anforderungen nano-metrischer Messverfahren in der mo-dernen CMOS-Technologie entspricht. für hohe Dotandenkonzentrationen (N > 1020 cm–3) ist eine gleichzeitige Hall-Messung zur Bestimmung der Ladungsträgerbeweglichkeit µ er-forderlich, die problemlos mit einem Magnetfeld von 0,5 T in der gleichen Messapparatur durchführbar ist. Mit der gleichzeitigen Bestimmung der Ladungsträgerbeweglichkeit kann die Messgenauigkeit des Verfahrens bei der Ermittlung der Dotandenprofile sowie die aussagekraft der gewonnen Ergeb-nisse verbessert wird.

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Dr. rer. nat. Bernd SchmidtJahrgang 1948, studierte Physik an der Universität in St. Peters-burg und promovierte 1976 auf dem Gebiet der optischen Atom-spektroskopie. Seit 1977 arbeitet er im Institut für Ionenstrahl-physik und Materialforschung des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf auf dem Gebiet der Sensor- und De-tektorentwicklung wobei Halbleiterprozesstechnologie, Io-nenimplantation sowie Ionenstrahl-basierte Synthese von Nanostrukturen im Mittelpunkt seines Interesses stehen.

Dipl.-Ing. Peter PhilippJahrgang 1985, studierte Mikrotechnologie an der Fach-hochschule Zwickau und diplomierte 2010 zum Thema Tiefenprofilierung elektrischer Ladungsträger mittels stu-fenweiser Oxidationsprofilierung. Seit 2010 ist er Promoti-onsstudent im Institut für Ionenstrahlphysik und Material-forschung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, wo er sich mit der Ionstrahl-induzierten Phasenumwand-lung in ta-C-Schichten beschäftigt.

Dr. rer. nat. Michael ZierJahrgang 1976, studierte Physik an der TU Dresden und promovierte 2007 auf dem Gebiet winkelaufgelösten XPS an dünnen Schichten. Von 2002-2005 arbeitete er als wis-senschaftlicher Mitarbeiter am Liebniz-Institut für Festkör-per- und Werkstoff-forschung Dresden und von 2005-2011 im Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des Helmholtz-Zentrums Dresden Rossendorf. Seit 2011 ist er bei Global Foundries Dresden tätig.

Dipl.-Ing. Lutz ZimmermannJahrgang 1957, studierte Industrieelle Elektronik an der Hochschule Zittau/Görlitz und arbeitete bis 1990 an der TU-Dresden am Institut für Hochspannungstechnik als Forschungsingenieur. Ab 1991 war er in verschiedenen Positionen in Industrie und Forschung auf dem Gebiet der Entwicklung und Fertigung mechatronischer Komponen-ten und Systeme tätig. Seit 2006 arbeitet er im Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

auTOREN

Dr. Bernd Schmidt, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Postfach 510119, 01314 Dresden, bernd.schmidt@hzdr.de

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