,,Secondary Ion Mass Spectrometry`` (SIMS)

 

SIMS [Ben87] ist eine weltweit anerkannte und häufig verwendete Meßmethode in der Halbleiterindustrie. Sie dient unter anderem zur Bestimmung von Dotierstoffprofilen. Dabei wird die Probe in einer Vakuumkammer mit einem Strahl aus primären -Ionen bombardiert, deren Energie von einigen keV möglichst einheitlich sein muß. Dadurch werden aus den ersten paar Atomlagen der Probe positiv oder negativ geladene sekundäre Teilchen herausgeschlagen. Diese werden anschließend auf Grund ihres Verhältnisses von Masse zu Ladung getrennt und mittels eines Teilchendetektors registriert.

In Tabelle 6.1 sind einige typische Kenndaten für SIMS Analysen zusammengestellt.

  
Tabelle 6.1: Charakteristische Kenndaten fuer die SIMS Analyse.

Prozeßingenieure, Technologen und natürlich auch TCAD Entwickler sind auf die Zuverlässigkeit und Vorhersagekraft dieses Analyseverfahrens angewiesen, denn seine Ergebnisse tragen maßgeblich zur Optimierung eines Bauteilentwurfes und der Prozeßgrößen bei. Die Kalibrierung der physikalischen Modelle im Simulator wurde bereits angesprochen. Aus Tabelle 6.1 ist jedoch zu entnehmen, daß die Auflösung in lateraler Richtung alles andere als befriedigend ist, wenn man die heute gängigen Strukturen in der Größe von einigen hundert Nanometern bedenkt. Anders ausgedrückt kann mit den heute üblichen Geräten nur ein eindimensionales Dotierstoffprofil ermittelt werden.

Der industrielle Einsatz von Meßmethoden für die Bestimmung von mehrdimensionalen Konzentrationsprofilen ist noch nicht in Sicht, obwohl bereits zwei verschiedene Lösungsansätze publiziert wurden. In [vC94] wird versucht, die Dosisverteilung in lateraler Richtung zu ermitteln (,,Lateral-SIMS``), und in [Coo96] wird eine direkte zweidimensionale Quantifizierung der Dotierstoffprofile angestrebt (2-D SIMS). Die Ergebnisse der Monte Carlo Simulationen stimmen, wie in [Sim95a] gezeigt wird, gut mit einer Lateral-SIMS Messung überein. Voraussetzung ist allerdings, daß die exakte Implantationsgeometrie z.B. mit Hilfe einer TEM Messung ermittelt wurde.

Bei Verwendung von SIMS Daten sind folgende Punkte zu beachten:

• Die Konzentrationswerte nahe an der Wafer-Oberfläche (bis ca.\ 5nm)
  können durch SIMS Analysen nicht richtig wiedergegeben werden.
• Durch den Beschuß des Probenmaterials mit den primären Ionen wird thermische Energie zugeführt -- es kommt oftmals zu erheblichen Umverteilungsvorgängen durch Diffusion. Dabei wird das Maximum näher zur Oberfläche hin verschoben, und der Profilverlauf verflacht sich.
• Die Auflösungsgrenze für das ,,Sputtern`` mit -Ionen liegt nur bei etwa
  , bei -Ionen findet man hingegen die Rauschgrenze bei ca.
  .
• Da die Ausbreitung der Ionen in den Kristallkanälen sehr sensitiv bezüglich des Wafer-Kippwinkels ist, hat der Meßpunkt bei einem elektrostatischen Scanning-System des Implanters einen nicht zu vernachlässigenden Einfluß auf das Ergebnis (siehe Abbildung 2.3).
• Man kann die Konzentration des Dotierstoffes auf ca. 5% genau bestimmen.