11 Zusammenfassung und Ausblick - Ruhr

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Zusammenfassung und Ausblick
In der vorliegenden Arbeit wurde die photothermisch modulierte optische Reflexionsmikroskopie (PMOR) für Untersuchungen an Ionenstrahl-strukturierten Hableiterwafern und
Halbleiterbauelementen weiterentwickelt und eingesetzt. Dabei wurden verschiedene
Fragestellungen wie die Untersuchung von Implantationsprofilen in Halbleiterwafern und die
Analyse von Struktur und Lage der Implantationen in Halbleiterbauelementen bearbeitet. Die
Effekte wurden entweder mit der photothermisch modulierten optischen Reflexion bei
optischer Anregung untersucht oder konnten basierend auf der Kombination verschiedener
Anregungsmechanismen durch die Entwicklung neuartiger Messverfahren erschlossen
werden.
Als besonderer Vorteil der PMOR wurde die Sensitivität der Messmethode in Bezug auf
die thermischen und elektronischen Materialparameter von Halbleitern ausgenutzt. Die
gekoppelten Temperaturoszillationen (thermische Wellen) und Oszillationen der Ladungsträgerdichte (Plasma-Wellen), deren diffusive Ausbreitung von den thermischen und elektronischen Eigenschaften abhängt, wurden dabei durch intensitätsmodulierte Laserstrahlanregung
angeregt und mittels Änderungen im optischen Reflexionsvermögen detektiert.
Ortsaufgelöste Messungen ermöglichten es, Implantationsprofile in Ionenstrahlstrukturierten Halbleitern zu analysieren, wobei verschiedene Implantationseffekte wie z.B.
die Existenz eines Halos und von Seitendosen nachgewiesen werden konnten, die zusätzlich
zur eigentlichen fokussierten Implantation auftreten und ein mögliches Problem bei der
Strukturierung von Halbleiterbauelementen darstellen können. Durch Messungen an Ionenstrahl-strukturierten Proben bei systematischer Variation der Implantationsdosen konnten
darüber hinaus Abschätzungen über die Dosen im Halo und die prinzipielle Sensitivität der
Messmethode gewonnen werden.
Ausgehend von den ortsaufgelösten Messungen bei konstanter Anregungsfrequenz konnten
an ausgezeichneten Stellen der Implantationsprofile gezielt frequenzabhängige Messung der
photothermisch modulierten optischen Reflexion durchgeführt werden, die es ermöglichten
quantitative Informationen über die Modifikation des Materials durch die Ionenstrahlimplantation zu gewinnen. Die quantitative Interpretation erfolgte dabei durch Anpassen theoretischer Modellkurven an die photothermischen Signale.
Von entscheidender Bedeutung für die quantitative Interpretation der frequenzabhängigen
Messungen war das Verständnis der photothermischen Reflexionssignale, für das eine
umfassende theoretische Beschreibung der thermischen Wellen, der Plasma-Wellen und des
Signalentstehungsprozess entwickelt wurde. Anhand von Simulationsrechnungen der
photothermischen Reflexionssignale konnte damit der Einfluss verschiedener Materialparameter und apparativer Parameter auf die Signale untersucht werden.
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Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die Interpretation von frequenzabhängigen Messungen an unterschiedlich dotierten Wafermaterialien und bei systematischer Variation der
Laserstrahlradien durchgeführt, bevor die Anwendung zur Interpretation auf die Messungen
an Ionenstrahl-strukturierten Halbleiterwafern erfolgte. In allen Fällen wurde eine gute
Übereinstimmung der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Näherungen
gefunden.
Allerdings zeigte sich anhand der Simulationsrechnungen auch, dass verschiedene Parameter, wie z.B. Ladungsträgerlebensdauer τ und Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
s sur ähnliche Auswirkungen auf die theoretischen Modellkurven haben können, so dass in
vielen Fällen keine eindeutige Trennung der verschiedenen Effekte vorgenommen werden
kann. Es muss daher Aufgabe von zukünftigen Arbeiten auf diesem Gebiet sein, systematische Untersuchung über die Lösungsräume durchzuführen, die zu einer weiteren Verbesserung der quantitativen Interpretation der frequenzabhängigen Messungen führen können.
Obwohl die photothermisch modulierte optische Reflexion ein hervorragendes Mittel zur
Analyse thermischer und elektronischer Materialeigenschaften darstellt, zeigte es sich, dass in
einigen Fällen kein ausreichender Kontrast zwischen den implantierten und nichtimplantierten Gebieten zu erzielen war. Dies Problem tauchte vor allem bei der Analyse
Ionenstrahl-strukturierter Halbleiterbauelemente auf, bei denen die Schichtstruktur mit sehr
geringen Schichtdicken des Ausgangsmaterials die Ausbildung der Plasma-Welle verhinderte.
Um auch diese Proben hinsichtlich der Lage und Struktur der Implantation analysieren zu
können, wurden in dieser Arbeit neue Messtechniken entwickelt, basierend auf der Kopplung
optischer Anregung mit elektrischer Heizung der Bauelemente. Durch die Kopplung der
beiden Anregungsmechanismen gelang eine Auszeichnung des Bereiches der Implantation,
wodurch der Kontrast in Bezug auf die Implantationseffekte signifikant gesteigert werden
konnte. Auf der Grundlage dieses Konzeptes wurden verschiedene experimentelle Konfigurationen für die Kombination intensitätsmodulierter optischer Anregung mit äußeren Spannungen entwickelt.
Das einfachste Verfahren besteht in der Kombination der optischen Anregung mit einer
zusätzlichen DC-Spannung und der Detektion auf der Frequenz der optischen Anregung. Die
Implantationen erscheinen dabei als zusätzlicher Signalbeitrag auf dem konventionellen
PMOR-Signal. Da dabei der Kontrast insbesondere bei den FIB-Implantationen immer noch
gering war, wurden Doppelmodulationstechniken entwickelt, die es ermöglichen, Signale nur
aus dem Bereich der Implantation zu erhalten. Eine Variante besteht darin, die elektrische
Anregung auf der Frequenz der optischen Anregung und die Detektion auf einer höheren
Harmonischen der Anregungsfrequenz vorzunehmen. Durch dieses Verfahren konnte die
Sensitivität auf die Implantation noch einmal signifikant gesteigert werden.
Um andererseits die Beiträge höherer harmonischer thermischer Wellen oder direkter
elektrischer Heizung zu unterdrücken, wurden Messungen durchgeführt, bei denen die
elektrische und optische Anregung auf verschiedenen Frequenzen erfolgte und die Detektion
auf der Differenz- oder der Summenfrequenz vorgenommen wurde. Durch die Trennung der
Anregungsfrequenzen von den Detektionsfrequenzen konnte zudem das Rauschniveau bei der
Detektion reduziert werden.
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Der besondere Vorteil der kombinierten Messmethoden zeigte sich in dieser Arbeit darin,
dass die Implantation sowohl bei durchgezogenen isolierenden Linien als auch in der
Anwesenheit von elektrisch leitenden Kanälen visualisiert werden konnten. Dies war mit
alternativen Messmethoden wie der Thermoreflexion bei elektrischer Heizung oder der sog.
OBIC-Methode (Optical Beam Induced Current) nicht möglich, da die Existenz von elektrisch leitenden Kanälen immer zu ausgeprägten Signalspots führte, neben denen die
Implantationseffekte nicht mehr detektiert werden konnten.
Die Thermoreflexion bei elektrischer Heizung konnte im Rahmen dieser Arbeit zur Visualisierung und Lokalisierung der sog. „Hot-Spot“, sowie zur quantitativen Untersuchung der
Wärmediffusion und der gemessenen Signalamplituden, die mit den Temperaturoszillationen
verknüpft sind, eingesetzt werden.
Darüber hinaus konnten durch Einsatz der photomodulierten optischen Reflexion (PMOR)
bei kombinierter optischer und elektrischer Anregung und der Thermoreflexion bei elektrischer Heizung komplementäre Informationen über die Position der Implantation und der
elektrisch leitenden Kanäle gewonnen werden, so dass die Kombination der beiden Methoden
eine vollständige Charakterisierung der Bauelemente ermöglicht.
Alle systematischen Untersuchungen zu den gekoppelten Anregungs- und Doppelmodulationstechniken stehen mit der Hypothese in Einklang, dass die thermischen Effekte der
photoinduzierten Ladungsträger im äußeren elektrischen Feld maßgeblich zur Signalüberhöhung bzw. zum Doppelmodulationssignal beitragen, was durch die quadratische Abhängigkeit
von den zusätzlich angelegten Spannungen belegt wird. Die Annahme, dass thermische
Effekte photoinduzierter Ladungsträger eine maßgebliche Rolle spielen, wird zudem noch
von der Beobachtung gestützt, dass die Quellterme an den Rändern der isolierenden Linien,
d.h. am sperrenden pn-Übergang anfallen. Dieses Verhalten konnte sowohl bei den Doppelmodulationsmessungen als auch bei Thermoreflexion bei elektrischer Heizung beobachtet
werden.
Ungeklärt sind nur Detailfragen des Signalentstehungsprozesses bei den Doppelmodulationstechniken, wie z.B. die Einflüsse der Dotierung bzw. von Inhomogenitäten der Dotierung
auf die Signale, wie sie in dieser Arbeit experimentell beobachtet werden konnten, und die in
weiteren Untersuchungen noch genauer geklärt und quantifiziert werden müssen.
Das grundlegende Konzept der Auszeichnung der implantierten Bereiche durch äußere
Spannungen kann prinzipiell auch auf andere Messmethoden angewendet werden. Hier würde
es sich z.B. anbieten, die vorgestellten Verfahren auf die Scanning Thermoelastic Microscopy
anzuwenden, bei der neben der elektrischen Anregung auch eine Laserstrahleinkopplung
möglich ist. Dies würde zudem der fortschreitenden Miniaturisierung in der Halbleiterelektronik Rechnung zu tragen, die eine Verbesserung der Ortsauflösungen der Messmethoden
notwendig macht.
Eine weitere Verbesserung der Ortsauflösung des in dieser Arbeit verwendeten photothermischen Mikroskopes wäre durch einen Einsatz kurzbrennweitiger Mikroskopobjektive
prinzipiell auch noch möglich, was den besonderen Vorteil der kontaktlosen Detektion der
PMOR erhalten würde.
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Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen jedoch, dass bei der photothermisch modulierten
optischen Reflexion bei optischer Anregung eine maximale Fokussierung nicht unbedingt von
Vorteil sein muss. Zwar verbessert sich der frequenzabhängige Kontrast bezüglich thermischer und elektronischer Materialeigenschaften, aber der Übergang zwischen der Dominanz
der thermischen Welle und der Dominanz der Plasma-Welle verschiebt sich zu höheren
Frequenzen, was u.a. das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verschlechtert. Anhand der Simulationsrechnungen und der experimentellen Ergebnisse sollte das Optimum in Bezug auf die
Analyse physikalischer Effekte in Silizium und Halbleiterbauelementen auf Si-Basis bei
Laserstrahlradien von 5-15 µm liegen.