In modernen Halbleiteranwendungen können selbst geringe Ultraspurenkonzentrationen von Verunreinigungen (<1 ppm) den Betrieb eines Bauteils beeinträchtigen. Dies macht die Spurenelementanalyse (TEA) für die Qualitätssicherung sowie die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien unverzichtbar.
Die Wahl der geeignetsten Technik zur Spurenelementanalyse
Zur Detektion elementarer Verunreinigungen auf Spur- und Ultraspurenebene können verschiedene Analysetechniken eingesetzt werden. Es bestehen jedoch entscheidende Unterschiede hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und der Zielelemente, die bei der Auswahl einer geeigneten Analysemethode berücksichtigt werden müssen. Zu den Faktoren, die bei der Methodenauswahl zu berücksichtigen sind, gehören:
Interessierende Elemente: Die meisten TEA-Techniken können metallische Elemente nachweisen. Für die Analyse leichter Elemente oder organischer Verunreinigungen stehen weniger Methoden zur Verfügung.
Erforderliche Empfindlichkeit: Während ppm-Werte mit einer größeren Anzahl von Techniken erreicht werden können, sind die Möglichkeiten bei erforderlicher ppb-Nachweisgrenze erheblich eingeschränkter.
Interessengebiet: Einige Techniken untersuchen die Oberfläche des Materials als Ganzes, während andere Spurenelemente an bestimmten Stellen der Oberfläche oder in Abhängigkeit von der Tiefe kartieren können.
Tabelle 1 fasst vier gängige Analysetechniken zur Spurenelementdetektion zusammen. Weitere Informationen zu den einzelnen Methoden finden sich im weiteren Verlauf.
Tabelle 1: Vergleich ausgewählter Techniken zur Spurenelementanalyse
Technik | Empfindlichkeit | Anwendungen | Nachweisfähigkeiten |
ICP-MS-basierte Methoden | ppm - ppb 107–109 at/cm2 | Vollständige Wafer-Oberflächenanalyse | Die meisten Elemente außer H, C, N, O, F |
TXRF (oder VPD-TXRF) | 109–1011 at/cm2 | Oberflächenanalyse (Mapping) | Na bis U |
SIMS und ToF-SIMS | ppm – ppb | Oberflächenanalyse & Tiefenprofilierung | Alle Elemente |
ATD GC-MS | pg/cm2 | Vollständige Wafer-Analyse | Organische Verunreinigungen: C7-C30-Kettenchemikalien |
ICP-MS für die Analyse von Oberflächenkontaminanten im ppb-Bereich
Die VPD-ICP-MS (Gasphasendekomposition-induktiv gekoppeltes Plasma-Massenspektrometrie) ist eine Variante der ICP-MS-Methode und ideal für den Nachweis metallischer Verunreinigungen im Ultraspurenbereich auf den Oberflächen von Siliziumwafern und Dünnschichten geeignet. Die Methode basiert auf dem Einsatz von Säure (üblicherweise HF) zum Auflösen der oberste Schicht des Films für die Analyse mittels ICP-MS und wird hauptsächlich für Si-Wafer und oxidische Dünnschichten verwendet.
Andere auf ICP-MS basierende Techniken, wie die Oberflächenrasterung oder das Schichtabtragen, können ähnliche Nachweisgrenzen erreichen und sind besser für die Analyse dünner Schichten geeignet.
Eine Standard-ICP-MS-Messung umfasst in der Regel ein Paket metallischer Elemente. Die Nachweisgrenzen variieren je nach Metall und liegen zwischen etwa 107 at/cm2 und 109 at/cm2. Darüber hinaus sind Optionen zur Edelmetallanalyse verfügbar, wobei die gängigsten Zielmetalle Pd, Ag, Pt und Au sind.
Im Vergleich zu anderen TEA-Techniken für Halbleiter ist die VPD-ICP-MS eine relativ kostengünstige Lösung zur Ermittlung der durchschnittlichen Spurenkontaminationsniveaus auf der gesamten Oberfläche eines Wafers.
TXRF für die Spurenelementkartierung
TXRF (Totalreflexions-Röntgenfluoreszenz) ist eine hochempfindliche Variante der RFA-Methode, die die meisten Metalle mit einer Empfindlichkeit im Bereich von 1010 bis 1011 at/cm2 nachweisen kann. Da die Analyse unter streifendem Einfall durchgeführt wird, konzentriert sie sich auf die äußerste Oberfläche der Probe. In der Regel werden drei verschiedene Röntgenenergien verwendet, um die meisten Elemente abzudecken.
Die TXRF-Analyse kann an ganzen Halbleiterwafern mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm durchgeführt werden. Dabei ist es möglich, die Positionen von Verunreinigungen über die gesamte Waferoberfläche zu kartieren. Ein wesentlicher Vorteil der TXRF bei der Spurenelementanalyse ist die Minimierung von Matrixeffekten. Zu den Einschränkungen zählen die fehlende Möglichkeit, Elemente mit einer Ordnungszahl unter 11 zuverlässig nachzuweisen, sowie eine geringe Empfindlichkeit für Na, Mg und Al. Darüber hinaus muss die Oberfläche des analysierten Films glatt sein.
Die Kombination aus VPD und TXRF kann die Nachweisgrenze der TXRF verbessern und ist in sehr spezifischen Fällen nützlich, in denen ICP-MS keine Option darstellt.
Die Preisgestaltung für TXRF-Messungen hängt von mehreren Faktoren ab. Bei der Spurenelement-Kartierung steigt der Preis mit der Anzahl der kartierten Punkte und der Anzahl der Strahlen, die zur Detektion der Zielelemente benötigt werden.
SIMS für die Tiefenprofilierung von Spurenelementen
SIMS (Sekundärionen-Massenspektrometrie) oder dynamische SIMS ist eine Tiefenprofilierungsmethode, die alle Elemente von Wasserstoff bis Uran bis auf ppm- bis ppb-Niveau messen kann. Nicht alle Elemente können gleichzeitig gemessen werden, und für quantitative Ergebnisse sind matrixspezifische Referenzstandards erforderlich. In den meisten Fällen wird die Methode zur Quantifizierung von Dotierstoffen oder Spurenverunreinigungen eingesetzt.
ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie), auch als statische SIMS bezeichnet, ist eine weitere geeignete Methode zur Messung von Spurenverunreinigungen. Sie bietet den Vorteil einer Messtiefe im Sub-nm-Bereich, was eine sehr präzise Tiefenprofilierung ermöglicht.
ATD GC-MS zur Analyse organischer Verunreinigungen
Die ATD GC-MS (automatisierte Thermodesorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie) ist eine Technik zur Messung organischer Verbindungen. Sie ermöglicht sowohl die Identifizierung von Verbindungen als auch die Bestimmung ihrer Konzentrationen im Pikogramm-Bereich. Die Technik eignet sich besonders zur Identifizierung organischer Kontaminanten, die auf Wafern adsorbiert sind, sowie von Dämpfen, die aus Beschichtungen ausgasen.
Alle Spurenelementanalysen an einem Ort
Measurlabs bietet Spurenelementanalysedienste für Dünnschichten, Siliziumwafer und andere Halbleiterkomponenten mit den oben beschriebenen und weiteren Techniken an. Unsere Experten helfen auch bei der Methodenauswahl – zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, wenn Sie Fragen haben oder ein Angebot anfordern möchten.