SIMS und ToF-SIMS in der Halbleiterindustrie: Stärken und ideale Einsatzbereiche

Die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) gehört zu den empfindlichsten Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung fester Materialien. Ihre Nachweisgrenzen reichen bis in den Bereich von Teilen pro Milliarde (ppb), in einigen Fällen sogar von Teilen pro Billion (ppt). Zudem erfasst SIMS alle Elemente und ihre Isotope, auch Wasserstoff, den die in der Halbleiteranalytik verbreiteten elektronen- und röntgenbasierten Verfahren nicht nachweisen können.

Je nach Fragestellung kommen unterschiedliche Geräte und Analysemodi zum Einsatz. Die dynamische SIMS, kurz SIMS, wird an einem Sektorfeld- oder Quadrupol-Massenspektrometer durchgeführt und erstellt mithilfe eines kontinuierlichen Ionenstrahls Tiefenprofile der Zusammensetzung. Die Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) arbeitet mit einem Flugzeitanalysator und einem gepulsten Ionenstrahl. Sie identifiziert neben Elementen auch molekulare Spezies, entweder aus den obersten Atomlagen oder über die Tiefe eines Films hinweg, wenn im Dual-Beam-Modus ein zweiter Ionenstrahl das Material abträgt.

In den folgenden Abschnitten werden die Stärken beider Verfahren und ihre idealen Einsatzbereiche in der Halbleiterindustrie beschrieben. Ebenfalls behandelt werden die Grenzen der Verfahren sowie alternative Methoden für Fälle, in denen weder SIMS noch ToF-SIMS die benötigten Informationen liefern.

Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen SIMS und ToF-SIMS

Bei beiden Verfahren wird die Probe im Vakuum mit einem fokussierten Primärionenstrahl beschossen. Dadurch werden Sekundärionen aus der Probe herausgelöst, nach ihrer Masse getrennt und gezählt. Beide Verfahren setzen feste, vakuumtaugliche Proben voraus und sind zerstörend, auch wenn die ToF-SIMS im Oberflächenmodus nur sehr wenig Material abträgt und daher als quasi zerstörungsfrei gilt.

Der bei der SIMS verwendete kontinuierliche Strahl besteht typischerweise aus Sauerstoffionen (O₂⁺) für elektropositive und aus Cäsiumionen (Cs⁺) für elektronegative Elemente. Er sputtert das Probenmaterial mit gleichmäßiger Rate ab. Die über die Sputterzeit aufgezeichnete Zusammensetzung lässt sich in ein Tiefenprofil umrechnen, das von wenigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern reicht und eine Tiefenauflösung im Nanometerbereich erreicht. Sektorfeld- und Quadrupolanalysatoren bieten den Dynamikbereich, der für die quantitative Spurenanalytik erforderlich ist, erfassen aber jeweils nur eine Masse zugleich. Die interessierenden Spezies müssen daher schon vor der Messung festgelegt werden. Quantitative Ergebnisse erhält man durch Kalibrierung mit Referenzmaterialien, deren Matrix der Probe entspricht.

Der Flugzeitanalysator der ToF-SIMS zeichnet an jedem Messpunkt das vollständige Massenspektrum auf, und zwar über einen deutlich größeren Massenbereich als die bei der SIMS verwendeten Analysatoren. Dadurch lassen sich neben den enthaltenen Elementen auch Molekülfragmente und Cluster identifizieren. Die Daten können zudem nachträglich auf Spezies ausgewertet werden, die bei der Planung der Analyse nicht erwartet wurden. Die laterale Auflösung im Submikrometerbereich ermöglicht außerdem die Erstellung chemischer Karten der Oberfläche. Dem steht eine Einschränkung bei der Quantifizierung gegenüber: Die Ergebnisse der ToF-SIMS sind qualitativ oder bestenfalls semiquantitativ.

Ideale Einsatzbereiche der SIMS

Die Kombination aus Tiefenauflösung im Nanometerbereich und Empfindlichkeit im ppb-Bereich macht die SIMS für eine Reihe von Anwendungen in der Halbleiterindustrie geeignet:

• Dotierstoff- und Implantationsprofile: Mit der SIMS lassen sich Implantationsdosis und -energie von Dotierstoffen wie Bor, Phosphor und Arsen in Silizium sowie Aluminium und Magnesium in SiC und GaN überprüfen. Durch den Vergleich von Tiefenprofilen vor und nach dem Ausheilen lässt sich zudem die Diffusion quantifizieren. Da die SIMS die Gesamtkonzentration der Dotierstoffatome misst und nicht den elektrisch aktiven Anteil, zeigt der Vergleich mit einem Ladungsträgerkonzentrationsprofil aus der Spreading-Resistance-Profilierung (SRP) oder der elektrochemischen Kapazitäts-Spannungs-Messung (ECV), welcher Anteil des implantierten Dotierstoffs elektrisch aktiv ist.

  • Weitere Informationen bietet dieses kurze Video von Senior Expert Kamal Mundoli darüber, wie die SIMS zur Dotierstoffverfolgung in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird (Video auf Englisch).

• Spurenverunreinigungsanalyse: Die SIMS quantifiziert Spurenverunreinigungen bis in den ppb-Bereich, was insbesondere für leichte Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff nur selten möglich ist. Auch der Untergrund durch Restgas im Vakuumsystem fällt geringer aus als bei Verfahren, die zwischen Sputtern und Analyse wechseln (z. B. XPS), da beim kontinuierlichen Sputtern kaum Zeit für die Adsorption von Gas an der Oberfläche bleibt.

• Isotopenmarkierung: Da die SIMS Isotope desselben Elements unterscheidet, lässt sich mit einem isotopenangereicherten Reagenz verfolgen, welche Atome ein bestimmter Prozessschritt einbringt. Wird beispielsweise ein Passivierungs- oder Ausheilschritt mit Deuterium statt Wasserstoff durchgeführt, zeigt sich unabhängig vom Untergrund, wie viel Wasserstoff dieser Schritt eingebracht hat.

• Schichtstapel und Grenzflächen: Ein einzelnes Tiefenprofil durch einen CVD-, ALD- oder PVD-Schichtstapel klärt die Dicke und Zusammensetzung jeder einzelnen Schicht sowie Interdiffusion und unbeabsichtigte Grenzflächenschichten. Bei High-k-Gate-Stapeln zeigt sich so beispielsweise die zwischen Dielektrikum und Substrat entstehende SiO₂- oder SiON-Grenzflächenschicht und ob Metall aus dem Dielektrikum in diese Schicht migriert ist.

• Fehleranalyse: Eine an einem bestimmten Prozessschritt eingebrachte Verunreinigung erscheint in einer charakteristischen Tiefe, sodass sich das Problem mithilfe eines SIMS-Profils im Prozessablauf zurückverfolgen lässt. Ein häufiges Ziel sind bewegliche Ionen wie Natrium und Kalium in dielektrischen Schichten, da sie die Schwellenspannung verschieben und bereits bei Spurenkonzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze der meisten anderen Verfahren zum Ausfall des Bauelements führen.

Ideale Einsatzbereiche der ToF-SIMS

Die Kombination aus chemischer Identifikation auf molekularer Ebene und Empfindlichkeit für einzelne Atomlagen an der Oberfläche macht die ToF-SIMS für eine andere Gruppe von Anwendungen in der Halbleiterindustrie geeignet:

• Organische Oberflächenkontamination: Rückstände von Photolack und Reinigungsprozessen, Weichmacher, Fettsäuren, Silikone und andere adsorbierte organische Stoffe werden anhand ihrer Fragmentmuster identifiziert und nicht nur anhand ihrer elementaren Zusammensetzung. Diese Art von Kontamination ist oft nur wenige Atomlagen dick, was sie außerhalb der Reichweite von Verfahren wie der FTIR-Spektroskopie liegen lässt.

• Luftgetragene molekulare Kontamination: Substanzen, die aus Wafer-Carriern, Reinraummaterialien und Prozesschemikalien ausgasen, lassen sich direkt auf der Waferoberfläche nachweisen, statt nur indirekt über die Überwachung der Reinraumluft erschlossen zu werden.

• Defekt- und Partikelidentifikation: Der mit rund 100 nm sehr kleine Strahlfleck der ToF-SIMS ermöglicht es, die chemische Identität einzelner Partikel und anderer Defekte im Submikrometerbereich zu bestimmen, die zuvor optisch oder mittels Elektronenmikroskopie lokalisiert wurden.

• Haftversagen und Delamination: Löst sich ein Film ab oder versagt eine Verbindung, trägt die Bruchfläche in der Regel eine dünne organische Schicht, die sich mit der ToF-SIMS identifizieren lässt, um das verantwortliche Material oder den verantwortlichen Prozessschritt zu bestimmen.

• Molekulare Tiefenprofilierung: Im Dual-Beam-Modus erhalten ToF-SIMS-Profile die molekulare Information in jeder Tiefe und erfordern keine vorherige Auswahl der Zielspezies, wodurch sich auch unbekannte Kontaminanten identifizieren lassen.

Grenzen und alternative Verfahren

Ohne matrixangepasste Referenzstandards liefert die SIMS keine quantitativen Informationen zur Zusammensetzung. In solchen Fällen kann die XPS für eine (semi-)quantitative Tiefenprofilierung eingesetzt werden, allerdings mit einigen Einschränkungen: einer deutlich höheren Nachweisgrenze (~0,1–1 At.-%) und der Unfähigkeit, Wasserstoff oder Helium nachzuweisen. Sind diese Einschränkungen akzeptabel, bietet die XPS den zusätzlichen Vorteil, Informationen zur chemischen Bindung zu liefern, was hilft, zwischen den Oxiden oder Legierungen der einzelnen Elemente zu unterscheiden.

Für die Analyse metallischer Spurenkontamination auf Waferoberflächen ist VPD-ICP-MS in der Regel praktikabler als SIMS oder ToF-SIMS, da sich damit Dutzende Elemente gleichzeitig über die gesamte Oberfläche quantifizieren lassen. Ebenso eignet sich GD-OES meist besser zur Tiefenprofilierung dicker Volumenmaterialien, da das Verfahren sehr schnell ist, große Tiefen abdeckt (bis zu ~150 µm) und keine Hochvakuumatmosphäre erfordert.

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Measurlabs bietet SIMS und ToF-SIMS für die hochauflösende Analyse der Zusammensetzung von Wafern, Dünnschichten und anderen festen Materialien an. Weitere Informationen zu Probenanforderungen, Bearbeitungszeit und Richtpreisen finden sich auf den Serviceseiten:

• SIMS-Messung

• ToF-SIMS-Messung

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