Institut für Angewandte Physik

Praktikum Halbleitertechnologie und Bauelemente

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E1: Kapazitäts-Spannungs-Messungen Dipl.-Ing. Alexander Schmid

1 Ziele Dieser Praktikumsversuch gilt der elektrischen Charakterisierung der zuvor im Reinraum prozessierten Wafer. Mit Hilfe von Kapazitäts(C)-Spannungs(V)-Messungen an MOS-Kondensatoren und deren iterativer Anpassung an die theoretische CV-Kurve sind folgende Kenngrößen zu ermitteln:

• Oxiddicke • effektive Oxidladung • durchschnittliche Dotierungskonzentration des Halbleiters • Grenzflächenzustandsdichte

Die Ergebnisse spiegeln sowohl den Erfolg des Herstellungsprozesses als auch die Eigenschaften der Bauelemente wider.

2 Literatur [1] BOLLMANN, J.: Grundlagen des MIS Überganges. Lehrbrief zum Praktikum [2] JOSEPH, Y.: Grundlagen der Elektronik- und Sensormaterialien I. Vorlesung [3] HEITMANN, J., SCHMID, A.: Halbleitertechnologie. Seminar [4] NICOLLIAN, E. H.; BREWS, J. R.: MOS (Metal Oxide Semiconductor): Physics and Technology.

New York, USA: John Wiley Sons, Inc., 1982. – ISBN 0-471-08500-6. [5] SZE, S. M..: Physics of Semiconductor Devices. Third Edition. Hoboken, New jersey, USA:

John Wiley Sons, Inc., 2007. – ISBN 0-471-14323-5. [6] SCHRODER, D. K.: Semiconductor material and device characterization. IEEE Press. Third

Edition. Hoboken, New Jersey, USA: John Wiley Sons, Inc., 2006.

3 Vorbereitung • Studieren Sie die theoretischen Grundlagen zur hochfrequenten Kapazitäts-Spannungs-

Kurve (HF-CV-Kurve) im Lehrbrief [1] und im entsprechenden Kapitel der Vorlesungen [2], [3]. Ausführliche englischsprachige Beschreibungen sind des Weiteren in [4], [5] und [6] zu finden.

• Wie ändern sich die Ladungsverhältnisse in einer MIS-Struktur für unterschiedliche Betriebszustände? Wie äußert sich dies im Ersatzschaltbild (Stichwort: Akkumulationskapazität)?

• Vergewissern Sie sich über den Algorithmus zur Ermittlung der Größen Oxiddicke dOx,

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Oxidladung Qeff und Dotierung des Substrats ND. • Welche Arten von Ladungen können im Oxid vorhanden sein und wie können diese

mittels CV-Messung unterschieden werden? • Welche reellen elektrischen Größen müssen zur eindeutigen Beschreibung des realen

(nichtidealen) Kondensators (Zweipols) gemessen werden? Zeichnen Sie zwei mögliche Ersatzschaltbilder und stellen Sie die Messgrößenpaare im Zeigerdiagramm dar.

• Inwiefern beeinflusst der Phasenwinkel das Ergebnis der Messung? • Welche Komponenten des Versuchsaufbaus müssen kalibriert werden und warum?

Welche elektrischen Größen werden bei der Kalibrierung bestimmt?

4 Durchführung

4.1 Messaufbau Die Einweisung in den Messaufbau erfolgt vor Ort. Es kommen folgende Komponenten zum Einsatz:

• S300 Probe Station von Cascade Microtech zur Kontaktierung der Teststrukturen, • E4980A Precision LCR Meter von Agilent Technologies zur Kapazitätsmessung, • 707A Switch Matrix von Keithley mit Low Leakage Karte zum Verschalten der Geräte, • Software LabVIEW 2012 von National Instruments zur Ansteuerung aller Messgeräte, • Software MatLab R2012a von MathWorks zur Auswertung der Daten.

4.2 Teststrukturen In diesem Praktikum sollen Kondensatoren unterschiedlicher Größe charakterisiert werden (s. Abb. 1). Die Flächenangaben aus der Dokumentation zur Lithographiemaske (s. Platzanleitung) werden für die Auswertung benötigt. Die Anordnung der einzelnen Testchips (Dies) auf dem Wafer ist im Anhang gezeigt (s. Abb. 5).

Abb. 1 Ausschnitt des Chiplayouts im Block -3A- mit den Kondensatoren 1 und 3

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4.3 Messung mit LabView LabVIEW ermöglicht es, über sogenannten virtuellen Instrumente (VI) unterschiedliche reale Geräte miteinander zu verbinden und verschiedene Messaufgaben und gegebenenfalls auch deren Auswertung zu automatisieren. Die Ansteuerung der Geräte ist über einen parallelen Datenbus (GPIB, General Purpose Interface Bus) realisiert. Die zur Aufnahme der Messungen benötigten Programme werden im Folgenden kurz erläutert.

CV Sweep Agilent E4980A – Live

Das Programm dient zur manuellen Aufnahme von CV-Messungen. Einer Gleichspannung (Bias) wird eine Wechselspannung mit definierter Amplitude und Frequenz überlagert. Die Biasspannung wird während der Messung schrittweise geändert und für jeden Punkt werden die Messgrößen graphisch ausgegeben. Die Ergebnisse und alle eingestellten Parameter können in Form einer ASCII-Textdatei gespeichert werden. Dazu müssen nach Abschluss der Messung Dateiname und Verzeichnis ausgewählt und der „Save“-Button betätigt werden. Alle Eingabeparameter sind in Tab. 1 aufgeführt und erläutert.

Tab. 1 Eingabeparameter für „CV Sweep Agilent E4980A – Live“

Parameter Bedeutung Parameter Bedeutung

PreSoak Bias während „Hold Time“ vor Beginn der Messung [V]

Measure Model Größen /Modell das ausgegeben wird

Start Startwert Bias [V] Measure Range Messbereich [Ω]

Stop Stoppwert Bias [V] Cable Length Kabellänge [m]

Step Schrittweite Bias [V] Speed Integrationszeit

Hysteresis Messung mit Hysterese aktivieren

Sweep Delay

Wartezeit zwischen Einstellen eines neuen Spannungswertes und Beginn der Messung Frequency

Frequenz der Wechselspannung [Hz]

Voltage Amplitude der Wechselspannung [V]

Hold Time

Einmalige Wartezeit nach Einstellen von „PreSoak“ vor Beginn der Messung

Compensation - Open

Open-Korrektur aktivieren

Compensation - Short

Short-Korrektur aktivieren

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Abb. 2 Graphische Benutzeroberfläche (GUI) des Programms „CV Sweep Agilent E4980A – Live“.

Conductance Messung

Das Programm ähnelt „CV Sweep Agilent E4980A – Live“. Hier wird jedoch zunächst eine Biasspannung eingestellt und dann die Frequenz der Wechselspannung durchgefahren. Diese Prozedur wird am nächsten Spannungswert wiederholt usw. Als Ergebnis erhält man eine frequenzabhängige Messung für jeden Arbeitspunkt (Bias). So lässt sich z.B. prüfen, ob die gemessen Kapazität in Akkumulation oder der Phasenwinkel frequenzabhängig sind. Die Eingabefelder entsprechen weitestgehend denen aus „CV Sweep Agilent E4980A – Live“, neu hinzugekommene Parameter sind in Tab. 2 aufgeführt.

Abb. 3 GUI des Programms „Conductance Messung“.

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Tab. 2 Zusätzliche Eingabeparameter für „Conductance Messung“

Parameter Bedeutung Parameter Bedeutung

Steps Anzahl der Frequenzschritte pro Dekade

V Sweep Delay Wartezeit zwischen Einstellen eines neuen Spannungswertes und Beginn der Messung [s]

f Sweep Delay Wartezeit zwischen Einstellen eines neuen Frequenzwertes und Beginn der Messung [s]

NaMLab Tool

Das Programm dient dem automatisierten Aufnehmen von CV- und IV-Messungen. Es kann Prober, LCR-Meter, HL-Parameteranalysator und Switch Matrix ansteuern, um komplexe Messaufgaben abzuarbeiten. Für dieses Praktikum werden lediglich der Wafer Prober und das LCR-Meter benötigt. Folgende Schritte müssen typischerweise durchgeführt werden:

• Generieren einer oder mehrerer Messroutinen (z.B. CV-Messung) • Laden der Wafer Map und der Koordinaten der Messpunkte • Auswahl der zu messenden Dies

Die einzelnen Kontakte werden anschließend automatisiert vermessen. So können binnen kurzer Zeit sehr viele Messungen durchgeführt werden, was z.B. eine statistische Auswertung der gesuchten Größen erleichtert. Eine detaillierte Anleitung zum Programm liegt am Platz aus.

Abb. 4 GUI des Programms „NaMLab Tool“.

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5 Aufgabenstellung Vorbereitung

• Machen Sie sich mit der Bedienung des Waferprobers (Chuck, Manipulatoren, Mikroskop, usw.) vertraut.

• Überprüfen Sie die Verkabelung zwischen Messgerät und Wafer Prober. Für die Messungen müssen die Verbindungen G31 und H25 an der Switch Matrix gesetzt sein.

• Führen Sie die Kalibrierung wie im Eingangstestat besprochen durch. Dazu muss der Wafer auf dem Chuck liegen und die Switch Matrix korrekt eingerichtet sein.

• Richten Sie den Wafer so aus, dass Sie Beschriftung lesen können und führen Sie ein Alignment an zwei Punkten durch. Fahren Sie dazu an den linken Rand des Wafers und Positionieren Sie die Nadel eines Manipulators über einem Sägegraben. Starten Sie dann die Alignment-Prozedur und folgen Sie den Anweisungen.

• Suchen und kontaktieren Sie den Kondensator 3A3 auf Chip B9. Machen Sie sich mit dem LCR-Meter vertraut. Starten Sie dazu das Programm „CV Sweep Agilent E4980A – Live“ und experimentieren Sie mit den Einstellungen (Frequenz, Bereich der Bias-Spannung, Richtung der Messung). Welchen Einfluss hat Licht auf die Kapazität in Inversion? Gibt es eine Hysterese, wenn die CV-Kurve zunächst von -5 nach +5 V und dann wieder nach -5 V durchlaufen wird? Wenn ja, notieren Sie die Werte.

Messung

1) Kontaktieren Sie nacheinander die Strukturen 1A1 (0,01 mm2), 3A1 (0,1 mm2) und 41 (1 mm2) auf Die B9. Bestimmen Sie in Akkumulation sowohl den Phasenwinkel φ als auch C und Z bei den Frequenzwerten f = 10 kHz, 100 kHz, 1 MHz. Nutzen Sie dazu das Programm „Conductance Messung“. Halten Sie die Ergebnisse fest.

2) Kontaktieren Sie nacheinander den Kondensator 3A3 auf 5 unterschiedlichen Chips (B10, J2, K10, K19 und S11). Sollten einzelne Dies für die Messungen ungeeignet sein (Kontaktproblem, schlechter Phasenwinkel), weichen Sie auf benachbarte Chips aus und vergessen Sie nicht, den entsprechenden Chipnamen in der Dokumentation zu ändern.

3) Nehmen Sie für alle 5 Kontakte CV-Messungen bei den Frequenzen f = 200 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz und 1 MHz auf und speichern Sie diese ab.

Zusatz: Nutzen Sie das Programm „NaMLab Tool“ um eine automatisierte Messung durchzuführen. Lassen Sie jeweils 10 Kontakte des Blocks 1 auf den Dies B10, J2, K10, K19 und S11 messen. Konvertieren Sie die Ergebnisse in eine ASCII-Datei.

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6 Auswertung 1) Diskutieren Sie die Frequenzabhängigkeit des Phasenwinkels aus Ihren Messungen an

den Kontakten 1A1, 3A1 und 41 auf Die B9. Treffen Sie anhand von C und Z Aussagen zur Qualität der Kontaktierung (→ Serienwiderstand). Welchen Einfluss hat die Kontaktgröße auf die gemessene Flächenkapazität in Akkumulation und warum?

2) Stellen Sie für den ausgewählten Chip die Oxiddicke in Abhängigkeit von der Messfrequenz dar. Wie erklären Sie sich die Unterschiede? Ziehen Sie Schlussfolgerungen für die Kontaktauswahl und die Messkonfiguration!

3) Berechnen Sie aus den CV-Kurven der Kondensatoren 3A3 für 100 kHz jeweils die Oxiddicke. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Zielgrößen und der Schichtdickenmessungen aus dem Praktikumsversuch zur thermischen Oxidation. Erörtern Sie eventuell auftretende ortsabhängige Schwankungen auf dem Wafer.

4) Berechnen Sie aus einer beliebigen gemessenen CV-Kurve die effektive Oxidladung Qeff und die durchschnittliche Dotierungskonzentration ND. Schätzen Sie den Fehler der Rechnung durch die vorhandene Hysterese ein.

5) Bestimmen Sie für alle Kondensatoren 3A3 die Größen Oxiddicke, effektive Oxidladung, Dotierung und Grenzflächenzustandsdichte Dit mit Hilfe des MatLab-Programms „CVmod_stretch_out“. Anweisungen dazu finden Sie im Anhang (s. S. 9). Zusatz: Stellen Sie die Ergebnisse der automatisierten Messung graphisch dar. Wie homogen sind die Ergebnisse? Wie hoch ist der Anteil defekter Kontakte? Nennen Sie mögliche Ursachen für die Streuung der Ergebnisse und Ausfälle.

Im Protokoll müssen:

• die Messdaten eindeutig den Teststrukturen zuzuordnen sein, • einfache Fehlerabschätzungen angestellt werden, • der Rechenweg für dOx, Qeff und ND zumindest an einem Beispiel nachvollziehbar sein, • die Ergebnisse graphisch aufbereitet und diskutiert werden.

7 Anhang

7.1 Wafer Map Die Ausrichtung des Wafers wird durch eine Notch (Kerbe) oder eine Flat (Abflachung) vorgegeben. Die im Praktikum benutzten Wafer besitzen eine Flat. Ein Chip oder Die (Würfel) bezeichnet die nächstkleinere Einheit. In diesem Fall sind die Chips fortlaufend bezeichnet (s. Abb. 5). Normalerweise werden die Die-Koordinaten zur Identifizierung verwendet. Beachten Sie, dass die Koordinaten im Programm „NaMLab Tool“ numerisch angeben sind (z.B. 01,01 → A1, 11,15 → K15). Die einzelnen Dies wiederum sind in verschiedene Blocks untergliedert. Darin sind die Kontaktflächen (Pads) der einzelnen Bauelemente (Devices) zusammengefasst (s. Abb. 6).

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Abb. 5 Wafermap mit Bezeichnung der einzelnen Dies. Die zu untersuchenden Chips sind violett hervorgehoben (B10, J2, K10, K19 und S11).

Abb. 6 Layout eines Dies mit den im Praktikum hergestellten Strukturen.

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7.2 Simulationsprogramm unter MatLab Mit dem Programm „CVmod_stretch_out“ können viele relevante Parameter von MOS-Strukturen berechnet werden: ND, ρ, εr, dOx, EOT, Qeff, Dit usw.

Vorgehensweise:

1) Starten Sie MatLab und machen Sie sich mit der Benutzeroberfläche vertraut. 2) Wählen Sie den Ordner mit der Datei „CVmod_stretch_out.m“ als Arbeitsverzeichnis aus. 3) Rufen Sie das Programm „CVmod_stretch_out“ mit der Kommandozeile auf:

[output]=CVmod_stretch_out (Eingabeparameter);

Eingabeparameter ist hierbei eine Anzahl an Parameterpaaren (s. Tab. 3), welche die Randbedingungen und die zu berechnenden Werte definieren. Zwingend erforderlich sind Leitungstyp ('type') und Kontaktfläche ('area'). Vergessen Sie nicht die Anführungsstriche bei der Eingabe der Parameter und verwenden Sie als Dezimaltrennzeichen stets einen Punkt!

4) Folgen Sie etwaigen Anweisungen während der Programmausführung und wählen Sie nach Abschluss der Berechnung einen Pfad zum Speichern der Ergebnisse.

Die Ergebnisse werden sowohl in der Ausgabedatei gespeichert (als ASCII-Textdatei), als auch im Cluster output hinterlegt. Sie können die Graphen als Bild oder als später noch bearbeitbare MatLab Figure speichern. MatLab ist übrigens auf allen Rechnern des studentischen Arbeitszimmers EG20 im Gellertbau installiert und als Campus-Lizenz verfügbar.

Abb. 7 Oberfläche von MatLab nach Aufruf des Programms „CVmod_stretch_out“.

Kommandozeile+

Meldungen

VariablenArbeitsverzeichnis

Ausgabewerte

Plots

Verlauf

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Tab. 3 Auswahl an Eingabeparametern für das Programm „CVmod_stretch_out“.

Parameter Bedeutung Wert/Einheit

'type' Leitungstyp 'n', 'p'

'area' Kontaktfläche [m2]

'ND' Dotierungskonzentration [m-3]

'rho' spez. Widerstand des Substrats [Ω·m]

'phi_M' Austrittsarbeit der Elektrode [eV]

'T' Temperatur [K]

'fit_data' Fitten der Daten 'true', 'false'

'calc_dit' Berücksichtigung von Grenzflächenzuständen 'true', 'false'

'D0_it' Startwert der Grenzflächenzustandsdichte für Fit [m-2·eV]

'norm' Normieren der Ausgabewerte auf die Kontaktfläche 'true', 'false'

Beispiel 1: Berechnung von Oxiddicke, Oxidladung und Dotierung ohne Anpassung (Fit).

[output]=CVmod_stretch_out ('type', 'p', 'area', '0.1e-6','phi_M', '4.2', 'T', '293.15', 'norm', 'true');

Beispiel 2: Berechnung von Oxiddicke und Oxidladung bei bekannter Dotierung ohne Anpassung (Fit).

[output]=CVmod_stretch_out ('type', 'p', 'area', '0.1e-6', 'ND', '3e21', 'phi_M', '4.2', 'T', '293.15', 'norm', 'true');

Beispiel 3: Berechnung von Oxiddicke, Oxidladung und Dotierung mit Anpassung (Fit) aber ohne Berücksichtigung von Grenzflächenzuständen.

[output]=CVmod_stretch_out ('type', 'p', 'area', '0.1e-6', 'phi_M', '4.2', 'T', '293.15', 'fit_data', 'true', 'norm', 'true');

Beispiel 4: Berechnung von Oxiddicke, Oxidladung und Dotierung mit Anpassung (Fit) und unter Berücksichtigung von Grenzflächenzuständen.

[output]=CVmod_stretch_out ('type', 'p', 'area', '0.1e-6', 'phi_M', '4.2', 'T', '293.15', 'fit_data', 'true', 'calc_dit', 'true', 'D0_it', '3e16', 'norm', 'true');

Wichtig: Grenzflächenzustände tragen nur bei niedrigen Frequenzen zur Kapazität bei! Sinnvolle Ergebnisse sind deshalb lediglich bei Messungen mit f ≤1 kHz zu erwarten.