Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Lösungen
L39: Untersuchung eines Defektes in einem HL-Bauelement
L39: Untersuchung eines
Defektes in einem Halbleiterbauelement
mit TEM, EFTEM
und EELS
Halbleiterbauelemente spielen in vielen Bereichen
des täglichen Lebens eine entscheidende
Rolle; integrierte Schaltkreise finden sich in nahezu
allen elektronischen Geräten (PC, Handy,
TV-Gerät, Stereoanlage, Auto, MP3-Player usw. ).
Durch Verkleinerung der Strukturen konnte die Arbeitsgeschwindigkeit
der Bauelemente signifikant
erhöht werden, sodass die Größe vieler Strukturen
nunmehr in den nm-Bereich gelangt ist. Gerade
diese Miniaturisierung hat in den letzten Jahren
zu einem verstärkten Einsatz der Transmissionselektronenmikroskopie
(TEM) zur Untersuchung
und Charakterisierung von Halbleiterbauelementen
geführt. Insbesondere in der Fehleranalyse kommen
die analytischen Fähigkeiten der TEM voll zum
Einsatz.
Das vorliegende Anwendungsbeispiel beschreibt
die Untersuchung eines Halbleiterbauelementes mit
TEM, Elektronenenergieverlustspektrometrie (EELS)
und Energiefilterungs-TEM (EFTEM). In Abb. 1a ist
ein typischer Querschnitt durch ein Bauelement zu
Z Al Ti N O Si
1 94 6 Al
sehen; deutlich sind die unterschiedlichen Schichten
zu erkennen. Mittels EFTEM wurden an dieser
Probenstelle Elementverteilungsbilder von Aluminium
(Al), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Silizium (Si)
und Titan (Ti) aufgenommen (Abb. 1b –f).
Weit deutlicher als im TEM-Bild sind in den
Elementverteilungsbildern Defekte erkennbar: In
Abb. 1e ist ein Si-Einschluss in der leitenden Al-
Schicht zu sehen (Pfeil); im Ti-Verteilungsbild sind
kleine Auswüchse der TiN-Schicht in das Al erkennbar
(siehe Abb. 1f, Pfeile). Diese Defekte wurden
im Folgenden näher „unter die Lupe“ genommen:
Abb. 2 zeigt einen Teil der TiN-Schicht bei höherer
Vergrößerung. An dieser Stelle wurden an sehr kleinen
Probenbereichen EELS-Spektren aufgenommen
(Abb. 3) und quantitativ ausgewertet (Tab.1).
Die Quantifizierungsergebnisse zeigen eine
mittlere Zusammensetzung von etwa 60% Ti und
40% N in der TiN-Schicht. Allerdings ist aus diesen
Ergebnissen auch ersichtlich, dass sich an
beiden Grenzflächen der TiN-Schicht (zum Al und
zum Si-Oxid) chemische Mischphasen bilden. Um
eine anschauliche Darstellung der Verteilung dieser
Grenzflächenphasen zu bekommen, wurde die Probenstelle
aus Abb. 2 mittels EFTEM analysiert und
Elementverteilungsbilder von Ti, N und O aufgenommen.
Eine farbliche Zusammenstellung dieser
Verteilungsbilder sieht man in Abb. 4.
2 79 14 7 Grenzfläche zwischen Al und TiN
3 59 38 3 TiN
Index Kontakte Institute Lösungen Methoden
4 13 60 27 Grenzfläche zwischen TiN und SiO 2
211
Tabelle 1: Quantifizierung der EELS-Spektren aus Abb. 3 (Konzentrationen in at %)
Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005