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Development of decoration and preferential-etching methods for delineation of crystal defects in semiconductor materials

Author: Hanan Idrisi
Publisher: Frankfurt am Main Univ.-Bibliothek 2013
Dissertation: Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2013
Edition/Format:   Thesis/dissertation : Document : Thesis/dissertation : eBook   Computer File : EnglishView all editions and formats
Summary:
Silicon wafers such as Silicon on Insulator (SOI) and strained silicon on Insulator (sSOI) are the essential and basic materials of advanced microelectronic devices. However, they often show various kinds of crystal defects which impair the function of these devices. The most efficient method to date, for detecting such defects and for determining their density, is to delineate them by etching the wafers with a
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Details

Material Type: Document, Thesis/dissertation, Internet resource
Document Type: Internet Resource, Computer File
All Authors / Contributors: Hanan Idrisi
OCLC Number: 862366402
Description: Online-Ressource.
Responsibility: by Hanan Idrisi

Abstract:

Silicon wafers such as Silicon on Insulator (SOI) and strained silicon on Insulator (sSOI) are the essential and basic materials of advanced microelectronic devices. However, they often show various kinds of crystal defects which impair the function of these devices. The most efficient method to date, for detecting such defects and for determining their density, is to delineate them by etching the wafers with a suitable etching solution and characterise them via light optical microscopy. Etch pits are formed at defect sites which are etched at a faster rate than at the perfect lattice. The standard etching solution used for SOI and sSOI is a dilute version of Secco. As Secco contains carcinogenic and environmentally hazardous chromium (VI), the use of which is or will be restricted by law in many countries, suitable chromium (VI)-free etching solutions like Organic Peracid Etches (OPE), modified Chemical Polishing Etches (CP) like CP4 mod and mixtures with organic oxidizing agents like chloranil (CA) have been developed for the successful delineation of various types of crystal defects. However there are still nanometer-sized defects which are hard to detect or escape detection by this method. Copper decoration is a well known method to magnify these defects. It consists in applying a copper nitrate solution to the back of the SOI or sSOI wafer. On annealing, copper diffuses through the substrate and the BOX (buried oxide) to the SOI/sSOI film and on quenching to room temperature, copper precipitates as copper silicide, SiCu3, foremost at crystal defects where the lattice strain is greater than at perfect lattice sites. These silicides increase the volume in these parts of the crystal lattice and defect magnification occurs. A considerable disadvantage of this method is its tendency for artefact formation, when the copper concentration used is too high, with the copper precipitating at the film surface. The consequence is a higher density of etch pits whereby true defect etch pits cannot be differentiated from those caused by artefacts. The aim of this thesis is to show that the processes of decorating and etching can be combined successfully to delineate all crystal defects in SOI and sSOI. An ideal result would have been to find a copper decoration procedure that decorates all existing crystal defects at a copper concentration that avoids artefact formation.

Silizium Wafer wie Silicon on Insulator (SOI) und strained Silicon on Insulator (sSOI) stellen die Basismaterialien für die mikroelektronischen Bauteile dar. Jedoch weisen sie oft verschiedene Arten von Kristalldefekten auf, welche die Funktionalität dieser Bauteile beeinflussen. Die effizienteste und bekannteste Methode, zum Nachweis solcher Kristalldefekte und für die Bestimmung ihrer Defektdichte, ist ihre Sichtbarmachung mittels Ätzen des Wafers mit einer geeigneten Ätzlösung. Die anschließende Charakterisierung erfolgt zunächst mit Hilfe der Lichtmikroskopie. Die Bildung von Ätzfiguren ("etch pits") an Defektstellen wird bedingt durch die schnellere Ätzrate am Defekt im Vergleich zum perfekten Kristallgitter. Die Standardätzlösung für SOI und sSOI ist eine verdünnte Version der Secco Lösung. Da die Secco krebserregendes und umweltschädigendes Chrom (VI) enthält, ist oder wird ihr Einsatz als Ätzlösung in immer mehr Ländern verboten. Geeignete Chrom (VI)-freie Ätzlösungen, wie die Organic Peracid Etches (OPE), modified Chemical Polishing Etches (CP) wie CP4 mod und Lösungen mit organischen oxidierenden Verbindungen wie Chloranil (CA), wurden für die erfolgreiche Sichtbarmachung verschiedener Arten an Kristalldefekten entwickelt. Dennoch gibt es immer noch Kristalldefekt, welche eine Größe im nm-Bereich aufweisen, welche mit den erwähnten Ätzmethoden kaum oder nicht nachgewiesen werden können. Das bekannte Verfahren der Kupferdekoration wird für die Vergrößerung derartige Defekte eingesetzt. Dabei wird eine definierte Menge an Kupfernitrat auf die Rückseite des SOI bzw. sSOI Wafers aufgebracht. Anschließend erfolgt das Tempern im Rohrofen. Dabei diffundiert das Kupfer durch das Substrat und die BOX (buried oxide) in den SOI/sSOI-Film und präzipitiert als Kupfersilizid (Cu3Si) beim Quenschen auf Raumtemperatur hauptsächlich an Kristalldefekten, in denen die Kristallgitterverspannung größer als im perfekten Kristallgitter ist. Diese Silizide dehnen das Volumen am Kristallgitter an der Stelle des Defektes aus, was zur Vergrößerung der Defekte führt. Ein bedenklicher Nachteil dieser Methode ist die Tendenz der Artefaktbildung, wenn die eingesetzte Kupferkonzentration zu hoch ist. Dabei präzipitiert das Kupfer auf der Siliziumoberfläche. Daraus resultiert eine höhere Defektdichte an Ätzfiguren, wodurch echte Ätzfiguren, die ihren Ursprung in Kristalldefekten haben, nicht von den durch Artefakte erhaltenen Ätzfiguren unterschieden werden können. Ziel dieser Dissertation ist es zu zeigen, dass die beiden Prozesse Dekoration und Ätzung miteinander für einen erfolgreichen Nachweis aller Kristalldefekte in SOI und sSOI kombiniert werden können. Ein ideales Ergebnis wäre die Entwicklung einer Dekorationsmethode, in der die Dekoration aller vorliegenden Kristalldefekte bei einer Kupferkonzentration erfolgt, welche keine Artefakte induziert.

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