Spezielle Anwendungen der Transmissionselektronenmikroskopie in der Siliziumhalbleiterindustrie

Die außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 165The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 16