Depth profiles of light elements in silicon wafers

Abstract

Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TRFA) ist ein etabliertes analytisches multielement Verfahren, welches heutzutage in der Halbleiterindustrie standardmäßig eingesetzt wird, um Spurenelemente auf Si Wafern zerstörungsfrei nachzuweisen. Es wird primär für den Nachweis von chemischen Elementen auf einem glattpoliertem Reflektormaterial als auch für die Analyse von Implantaten und von Schichten auf und in dem Substrat verwendet. Da es sich bei den dotierten Materialien vorwiegend um leichte Elemente handelt, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein spezielles TRFA Spektrometer eingesetzt, um den auftretenden Problemen bei diesbezüglichen Analysen Rechnung zu tragen. Es besteht aus einem energiedispersiven Si(Li) Halbleiterdetektor, welcher mit einem ultradünnen Fenster und einer Elektronenfalle ausgestattet ist, einer Röntgenröhre mit Cr Anode und einem Multilayer Monochromator als Primärstrahloptik.<br />Hauptaufgabenstellung war es, aus der Winkelabhängigkeit des Fluoreszenzsignals und der fundamentalen Theorie der Röntgentotalreflexion Tiefenprofile zu untersuchen und in Hinblick auf Art der Implantation (chemisches Element) als auch Form und Dicke des Profils zu charakterisieren. Theoretischen Überlegungen betreffend die Totalreflexion von Röntgenstrahlung wurden benutzt, um diverse Typen von Profilen, wie etwa Rechteckprofil, Gaußprofil und Dreieckprofil zu simulieren und den Einfluss von verschiedenen Parametern (cut-off Winkel und Strahldivergenz) zu studieren. Programme für die Simulationen und Berechnungen der Tiefenprofile als auch der fundamentalen Konzepte wurden in LabVIEW (NATIONAL INSTRUMENTS) und Maple (Waterloo Maple Inc.) erstellt. Um die selbstentwickelten Programme auf Richtigkeit zu überprüfen, wurden die erhaltenen Ergebnisse mit jenen aus anderen Software Paketen (WinGixa) verglichen und zeigten gute Übereinstimmung. Die Arbeit beschreibt die gesamte Analyseprozedur für Tiefenprofile leichter Elemente in Si Wafern mit konventioneller TRFA Laborinstrumentierung. Sie beinhaltet Winkelscans (sequenzielles Messen von Spektren bei verschiedenen Winkeln), Peak fitting mit Software-Paket AXIL, um Netto Intensitäten des dotierten Materials und jene des Substrats zu erhalten und schließlich den Vergleich von gemessenen und simulierten Daten. Nach Kalibrierung des Winkels unter Zuhilfenahme des Si Signals können aus dem Vergleich letztendlich die Eigenschaften der Profile bestimmt werden.<br />Die Verwendung von speziellen Anodenmaterialien (Al, Si), die einerseits Vorteile bei der Anregung der leichten Elemente bieten und andererseits Si nicht anregen, werden beschrieben.<br />

In the semiconductor industry there is an urgent demand to analyze trace elements on the Si wafer. Total reflection X-Ray Fluorescence analysis (TXRF) is a non-destructive, powerful and well established tool for multielement analysis in this field. It is applied for the determination of contaminations from chemical elements on the polished, smooth surfaces of Si wafers. Analysis of layers on the substrate, buried layer and implants are also possible and characterization of implants is the goal of this work.<br />The main doping materials are light elements. The special setup was used to cope the known problems associated with them. The setup is an energy dispersive spectrometer including Si(Li) detector with ultra-thin-window and electron trap, X-ray generator, X-ray tube with Cr-anode and a multilayer to monochromatize the beam. The task is to examine and to characterize the light elements depth profiles in the Si wafer by the angle dependent intensity (angle scan) of the X-ray fluorescence lines applying the fundamental theory of total reflection. Moreover, the doped element, the shape and the thickness of the profile are determined.<br />The theoretical studies about the behavior of X-rays in the angles range below and slightly above critical angle made it possible to simulate different types of profiles e.g. rectangular, Gaussian and triangular.<br />Theoretical considerations of Total Reflection (TR) concerning the angle dependence of the fluorescence signal and different parameters which affect the simulations were studied (like cut-off angle, divergence of the beam) in the work. All the simulations and calculations of depth implants were programmed with LabVIEW of NATIONAL INSTRUMENTS. Software program of Waterloo Maple Inc, Maple 6.01, is used as well for simulation of the fundamental concepts. A comparison was made to prove the accuracy of the self developed program with other developed software package (WinGixa) for a special case, with good agreement.<br />The work offers a complete procedure for analyzing depth profiles of light elements in Si wafer by conventional laboratory setup in the TXRF regime. It is based on a stepwise acquisition of spectra during the whole angle scan. The spectra are evaluated by the AXIL software package for the net counts of bulk and the doped element. The data are tabulated to be compared with the simulation respecting the complete theory. The Si-Ka fluorescence signal data were used to calibrate for the zero angle of the profile simulation. Results were compared with measurements and the characteristics of the profile were determined.<br />The use of special anodes like Al, or Si is suggested, which are appropriate to excite the low Z elements very efficiently in comparison to the Cr anode and in addition do not excite the bulk Si.<br />