Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen charakterisierender Werte eines Wafers aus Halbleitermaterial der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und eine Verwendung dieser Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Solche Vorrichtungen eignen sich vorteilhaft zur Kontrolle der Dotierung von Wafern aus einem Halbleitermaterial, die z.B. das Ausgangsmaterial für integrierte Schaltungen bilden.
Die charakterisierende Werte eines Halbleiters sind der spezifische Widerstand und der HALL-Koeffizient, die durch die Konzentration und durch die Beweglichkeit von Ladungsträgern im Halbleitermaterial bestimmt und durch die Dotierung beeinflussbar sind.
Sorab K. Ghandhi beschreibt in "VLSI Fabrication Principles", eine Whiley-Interscience Publication 1983, Verlag John Wiley & Sons, New York NY, Seiten 285 bis 291, eine Anordnung zur Messung des spezifischen Widerstands von Halbleitermaterial mittels vier die gleiche Oberfläche eines Wafers kontaktierenden Elektroden, wobei die Kontakte in gleichen Abständen voneinander auf einer geraden Linie liegen.
In "A Method of Measuring Specific Resistivity and HALL-Effect of Disks of Arbitrary Shape" von L.J van der Pauw, Philips Research Reports Vol. 13, No.1, 1958, Seiten 1 bis 9, sind praktisch verwendbare Formen von Proben zur Messung der HALL-Spannung in einem homogenen Magnetfeld beschrieben. Die Probe ist auf vier, einander paarweise gegenüberliegenden Seitenflächen kontaktiert. Falls für die Probe der spezifische Schichtwiderstand bekannt ist, kann der HALL-Koeffizient berechnet werden.
Eine Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der US-PS 4 857 839 bekannt, bei der der spezifische Widerstand und der HALL-Koeffizient fast zerstörungsfrei am ganzen Wafer als Probe messbar ist. Der kreisförmige Wafer weist an seinem Umfang ohmsche Kontakte auf, die durch Anlöten von Messleitungen unter Verwendung von Indium als Lot entstanden sind. Ein Umschalter verbindet jeweils vier der Messleitungen mit einem Messgerät, wobei eine Zone des Wafers ausgemessen wird, die im Schnittpunkt der beiden gedachten, die vier Kontakte übers Kreuz verbindenden Linien liegt. Zwei dieser vier Kontakte des Wafers sind mit einem vorbestimmten Messstrom beaufschlagt, während über den beiden anderen eine resultierende Spannung gemessen wird.
M. Versnel zeigt in "Analysis of a Circular HALL Plate with Equal Finite Contacts", Solid State Electronics, Vol. 24 (1981), Seiten 63 bis 68, wie mit Hilfe der konformen Abbildung der Probe in eine Halbebene der Einfluss der Anschlussgeometrie auf die Messung des HALL-Koeffizienten zu berechnen ist, da praktisch verwendbare Anschlusskontakte eine endliche Ausdehnung aufweisen.
Zur Fabrikationskontrolle werden integrierte Schaltkreise auf dem Wafer mittels federbelasteten Nadeln kontaktiert. Die Schaltkreise auf dem Wafer weisen spezielle vorbestimmte Anschlussplatten zum Aufsetzen der Nadeln auf. Eine solche Vorrichtung ist z.B. aus US-PS 4 864 227 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen von ein Halbleitermaterial charakterisierenden Werten des spezifischen Widerstandes und des HALL-Koeffizienten in einem Wafer zu schaffen, wobei der Wafer als Probe dient und zur Vorbereitung der Messung nicht verändert werden muss, und eine Verwendung der Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruch 10 anzugeben.
Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1: eine Messvorrichtung für einen Waferabschnitt,
Fig. 2: einen Messkreis,
Fig. 3; den Waferabschnitt,
Fig. 4: ein Diagramm,
Fig. 5: eine Kontakteinrichtung im Querschnitt,
Fig. 6: einen Querschnitt durch die Messvorrichtung für ganze Wafer und
Fig. 7: den Wafer im Querschnitt.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen dünnen scheibenförmigen Wafer aus einem Halbleitermaterial, der als Probe für eine Messvorrichtung dient. Die seitlichen Randflächen sind wenigstens teilweise eine ebene Begrenzung 2 bei einer sonst beliebigen Berandung 3. Beispielsweise ist die Probe ein Stück eines Wafers 1 in Form eines Kreisabschnittes.
Wenigstens vier Nadeln 4 bis 7 sind zum Kontaktieren des Wafers 1 eingerichtet. Sie sind mit einer vorbestimmmten Stelle auf einer Oberfläche 8 des Wafers 1 unter einer Kontaktkraft aufsetzbar und bilden, z.B. mit ihren Spitzen, durch Berühren der Oberfläche 8 ohmsche Kontakte 9 bis 12. Die Oberfläche 8 und die Begrenzung 2 schneiden sich in einer Kante 2 min , in deren unmittelbaren Nähe die Nadeln 4 bis 7 aufgesetzt sind. Jede der Nadeln 4 bis 7 ist über eine Messleitung 13 mit einem Messgerät 14 elektrisch verbunden.
Ein Feld der Induktion B ist mittels eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten erzeugbar. Ein vorzugsweise U-förmiger Magnet 15 weist Polschuhe 16 und 17 auf und erzeugt in einem Messraum zwischen seinen Polflächen 16 min und 17 min das Feld der Induktion B, deren Richtung in der Zeichnung mit einem zu den Polflächen 16' und 17 min senkrechten Pfeil B angedeutet ist. Die Polflächen 16 min und 17 min sind so ausgebildet, dass die Induktion B homogen ist und einen vorbestimmten Wert der Feldstärke aufweist.
Beispielsweise ist der Magnet 15 so angeordnet, dass die Polflächen 16 min und 17 min seines magnetischen Systems zueinander parallel und horizontal ausgerichtet sind, wobei die beiden Polflächen 16 min und 17 min den höchstens 30 mm hohen Messraum nach oben und nach unten begrenzen. Die Höhe des Messraumes und die geforderten Homogenität des Feldes bestimmen die minimale Grösse der Polflächen 16 min und 17 min .
Die Induktion B für die Messvorrichtung ist auch mittels eines Elektromagneten ohne einen ferromagnetischen Magnetkern erzeugbar, z.B. mittels vorbestimmt geformter, von einem elektrischen Strom durchflossener Drahtschleifen.
Der Wafer 1 liegt mit seiner der Oberfläche 8 entgegengesetzten Fläche flach auf einer Isolierschicht 18 von höchstens 1 mm Dicke, die den Wafer 1 galvanisch von der darunterliegenden Polfläche 17 min trennt. Die Induktion B durchsetzt den Wafer 1 senkrecht zur Oberfläche 8 in einem vorbestimmten Bereich um die Kontakte 9 bis 12.
Das Messgerät 14 umfasst wenigstens einen Umschalter 19, eine Stromquelle 20 und ein Voltmeter 21. Der Umschalter 19 ist einerseits mittels der Messleitungen 13 mit den Nadeln 4 bis 7 und andererseits mittels Leitungen mit der Stromquelle 20 und mit dem Voltmeter 21 verbunden. Er weist zwei Schaltstellungen S1 und S2 auf und führt je eine isolierte Verbindung wenigstens von einer Leitung der Stromquelle 20 und von einer des Voltmeters 21 vertauschbar zu zwei der Messleitungen 13, so dass in der ersten Schaltstellung S1 unmittelbar benachbarte der Kontakte 9 bis 12 und in der zweiten nicht unmittelbar benachbarte mit der Stromquelle 20 und dem Voltmeter 21 verbunden sind. Die beiden äussersten Kontakte 9 und 12 sind als benachbarte zu betrachten.
Die Stromquelle 20 erzeugt einen vorbestimmten Messstrom I, der von der ersten Ausgangsklemme 22 durch den Wafer 1 zur zweiten Ausgangsklemmen 23 fliesst, wobei seine Richtung im Wafer 1 senkrecht zur Induktion B ist. Der Messstrom I ist beispielsweise im Bereich zwischen -200 mA und +200 mA vorbestimmt einstellbar.
Eine Messspannung U, die an den beiden anderen, nicht vom Messstrom I durchflossenen Kontakten am Wafer 1 abgreifbar ist, ist dem Voltmeter 21 über beide Eingangsklemmen 24 und 25 zuführbar. Der Messbereich des Voltmeters 21 erstreckt sich z.B. von -1000 mV bis +1000 mV bei einem Innenwiderstand vom mehr als 1 M OMEGA .
Mit Vorteil umfasst das Messgerät 14 zusätzlich eine programmierbare elektronische Steuereinrichtung 26 mit einem hier nicht gezeigten Speicher und ein Anzeigefeld 27, die eine Erleichterung der Messarbeit bewirken. Das Anzeigefeld 27 dient zur Darstellung von Werten des Messstroms I, der Messspannung U sowie von daraus berechenbaren Grössen. Auch können vorbestimmte im Speicher abgelegte Hinweise zum Messablauf angezeigt werden.
Die Steuereinrichtung 26 ist zum Steuern des Messablaufs eingerichtet. Sie weist wenigstens einen Dateneingang 28 und drei Ausgänge 29 bis 31 für digitale Signale auf. Der erste Ausgang 29 ist mit einem Steuereingang 32 des Umschalters 19 verbunden, damit der Umschalter 19 mittels eines Signals der Steuereinrichtung 26 in die vorbestimmte Schaltstellung S1 bzw. S2 umschaltbar ist. Der zweite Ausgang 30 ist mit der Stromquelle 20 verbunden, damit die Stromquelle 20 mittels eines vorbestimmten digitalen Sollwerts auf einen Messstrom I einstellbar ist, der auf den elektrischen Kreis zwischen Ausgangsklemmen 22 und 23 aufzuprägen ist. Eine Leitung verbindet einen Messwertausgang 33 des Voltmeters 21 mit dem Dateneingang 28 für eine digitale Übertragung der Messspannung U zur Steuereinrichtung 26.
Eine weitere Leitung führt vom dritten, dem Datenausgang 31, zu einen Anzeigeneingang 34 des Anzeigefeldes 27.
Im Speicher der Steuereinrichtung 26 ist beispielsweise die im Messraum zwischen den Polflächen 16 min und 17 min herrschende Feldstärke der Induktion B als vorbestimmter Wert speicherbar. Die Steuereinrichtung 26 ist zum Speichern von der Schaltstellung S1 bzw. S2 zugeordneten Wertepaaren der Messgrössen I und U sowie zum Berechnen und Speichern von Grössen, die aus diesen Wertepaaren und aus den gespeicherten Werten berechenbar sind, eingerichtet. Alle Werte sind aus dem Speicher abrufbar und über den Datenausgang 31 dem Anzeigeneingang 34 zur Darstellung auf dem Anzeigefeld 27 zuführbar.
Die Fig. 2 zeigt beispielhaft die Verbindungen zum Umschalter 19. Er verbindet z.B. die erste Ausgangsklemme 22 der Stromquelle 20 fest mit der ersten Nadel 4, ebenso die zweite Eingangsklemme 25 des Voltmeters 21 mit der vierten Nadel 7. In der ersten Schaltstellung S1 (Fig. 1) stellt der Umschalter 19 die beiden in der Zeichnung mit ausgezogenen Doppelstrichen gezeichneten Verbindungen zwischen der zweiten Ausgangsklemme 23 und der zweiten Nadel 5 sowie zwischen der dritten Nadel 6 und der zweiten Eingangsklemme 24 her. In der zweiten, mit gestrichelt gezeichneten Linien dargestellten Schaltstellung S2 (Fig. 1) verbindet der Umschalter 19 die zweite Anschlussklemme 33 mit der dritten Nadel 6 und die zweite Nadel 5 mit der zweiten Eingangsklemme 24.
In einer anderen, hier nicht gezeigten Ausführung sind die beiden Messleitungen 13 zu den Nadeln 6 und 7 vertauscht. Zudem sind zusätzlich zyklische Vertauschungen zwischen den Nadeln 4 bis 7 und den Messleitungen 13 möglich.
Die einen Enden der Nadeln 4 bis 7, die die Spitzen aufweisen, sind in einer Ebene angeordnet, die in der Fig. 2 aus darstellerischen Gründen die Zeichenebene ist, und in einem Isolierstück 35 eingebettet, damit beim Aufsetzen der Nadeln 4 bis 7 auf dem Wafer 1 die Kontakte 9 bis 12 möglichst in einer geraden Linie erzeugt werden und vorbestimmte Abstände a, b und c aufweisen. Der Abstand a bestimmt die Distanz zwischen dem ersten Kontakt 9 und dem zweiten Kontakt 10, der um den Abstand b vom dritten Kontakt 11 entfernt ist. Der dritte Kontakt 11 und der vierte Kontakt 12 weisen untereinander den Abstand c auf. Der Abstand b ist beispielsweise der kleinste der drei Abstände a, b und c. Die Nadeln 4 bis 7 können parallel oder mit einem gegen die Spitzen sich in Stufen oder kontinuierlich verjüngenden Abstand angeordnet sein.
Die Nadeln 4 bis 7 sind aus einem elektrisch gut leitenden nichtmagnetischen Material angefertigt, wie z.B. Federbronze. Die Spitzen bzw. die zum Aufsetzen vorbestimmten Stellen der Nadeln 4 bis 7 sind gefedert und erzeugen beim Aufsetzen auf der Oberfläche 8 die vorbestimmte Kontaktkraft gegen die Oberfläche 8, damit die ohmschen Kontakte 9 bis 12 gute elektrische Eigenschaften aufweisen. Jede Spitze berührt die Oberfläche 8 in einer durch die Kontaktkraft vorbestimmten scheinbaren Kontaktfläche, deren Abmessung von der Kontaktkraft abhängig ist. Die Kontaktkraft liegt vorzugweise im Bereich von 0,01 N bis 1 N.
Beispielsweise sind die Nadeln 4 bis 7 von aussen seitlich in den Messraum zwischen den Polflächen 16 min und 17 min (Fig. 1) eingeführt und unterhalb der oberen Polfläche 16 min angeordnet. Sie sind kurz hinter der Spitze um einen vorbestimmten Winkel gegen den Wafer 1 hin abgebogen, damit die Spitzen im engen Messraum zwischen den Polflächen 16 min und 17 min den Wafer 1 kontaktieren.
Die Dicke T des Wafers 1 beträgt typisch etwa 0,5 mm. Nach der Dotierung durch die Oberfläche 8 hindurch kann beispielsweise der Wafer 1 eine elektrisch gut leitende Schicht von der Dicke t aufweisen. Ist der Wafer 1 hingegen homogen dotiert, sind die beiden Dicken T und t identisch.
Die Fig. 3 ist das vom Magneten 15 (Fig. 1) erzeugte Feld der Induktion B senkrecht und durchsetzt homogen ein beliebig geformtes Gebiet 36, das in der Zeichnung mit einer gestrichelt gezeichneten rechteckförmigen Grenze 37 dargestellt ist. Die Richtung der Induktion B ist in die Zeichenebene hinein gerichtet, was in der bekannten Art durch ein in einem Kreis eingezeichnetes Kreuz angedeutet ist.
Im Gebiet 36 ist mit Vorteil ein Magnetfeldsensor 38 zum Messen der Feldstärke der Induktion B angeordnet, der mit einer Leitung mit dem Messgerät 14 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 26 ist zum Auswerten der Signale des Magnetfeldsensors 38 und zum Regeln der Feldstärke der Induktion B mittels dieser Signale auf einen vorbestimmten Wert eingerichtet. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 26 die Feldstärke der Induktion B mittels im Speicher abgelegter vorbestimmter Werte für jede Messreihe oder für eine einzelne Messung einstellen.
Die Länge der Begrenzung 2 (Fig. 1) und die Form der Berandung 3 sind unabhängig von der Grenze 37 wählbar. Die Nadeln 4 bis 7 (Fig. 1) sind zum Messen nur innerhalb des Gebiets 36 auf der Oberfläche 8 des Wafers 1 in unmittelbarer Nähe der Begrenzung 2 aufzusetzen. Die ebene Begrenzung 2 bildet im homogenen Feld der Induktion B für die Leitfähigkeit eine galvanische Diskontinuität, da auf der einen Seite der Begrenzung 2, im Wafer 1, die Leitfähigkeit der Ladungsträger verschieden von Null ist, während auf der anderen Seite, ausserhalb des Wafers 1, keine elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist. Beispielsweise ist diese Diskontinuität auch an der geraden Begrenzung 2 eines entsprechend begrenzten Feldes mittels Dotierung des Halbleiters auch innerhalb des Wafers 1 herstellbar.
Falls die Abstände a, b und c die Bedingungen
a = c [1]
b = a . tan(/8) = 0,414 214a [2]
erfüllen, gelten für beide aus zwei unabhängigen Messungen gewonnenen Werte, einen Widerstandswert Rw und eine HALL-Spannung V, die aus der oben zitierten Schrift von W. Versnel hergeleiteten, einfachen Beziehungen der weiter unten aufgeführten Gleichungen [4] und [5] bzw. [4 min ] und [5 min ].
Damit die Messungen ohne Störungen durch Randeffekte erfolgen, bzw. die dadurch bedingten Fehler möglichst klein sind, weisen die Kontakte 9 bis 12 von der Grenze 37 wenigstens einen vorbestimmten minimalen Grenzabstand g und von der Berandung 3 wenigstens eine vorbestimmte minimale Entfernung f auf. Ausserdem besitzen die scheinbaren Kontaktflächen der Kontakte 9 bis 12 eine vorbestimmte grösste Abmessung d. Die Kante 2 min weicht höchstens um eine vorbestimmte Distanz e von einer Geraden ab. Diese Abweichungen liegen auf der Oberfläche 8 innerhalb einer in der Darstellung schraffierten Kantenzone 39 der galvanischen Diskontinuität mit einer maximalen Breite, die gleich der Distanz e ist. Die Kontakte 9 bis 12 sind innerhalb der Kantenzone 39 angeordnet und sind daher von der Kante 2 min weniger als die Distanz e entfernt.
Die Ebene der Begrenzung 2 (Fig. 1) weicht weniger als die Distanz e von der idealen ebenen Fläche ab.
Die Werte d, g, e und f hängen unter den obigen Bedingungen der Gleichungen [1] und [2] auf einfache Weise von den Abständen a und b ab:
d < b/3; e < b/10; f >/= 2a und g >/= 3a [3]
In Worten, der maximale Wert der Abmessung d beträgt weniger als ein Drittel des Abstands b. Die Entfernung e ist kleiner als ein Zehntel des Abstands b. Gleichzeitig muss die Entfernung f für jeden der Kontakte 9 bis 12 wenigstens das Doppelte des Abstands a und der Grenzabstand g wenigstens das Dreifache des Abstands a sein. Ein minimaler Durchmesser des Gebietes 36 beträgt demnach 2 . (a + g) + b oder rund 8,4a, während die Begrenzung 2 eine minimale Länge von 2 . (a + f) + b oder rund 6, 4a aufweist.
In einem Beispiel betragen die Abmessungen für den Durchmesser der Nadeln 4 bis 7 etwa 0,35 mm, für den Abstand a bzw. c etwa 1,0 mm während die Abmessung b nach der Gleichung [2] berechenbar ist. Die Bedingung für die Distanz e für die Ebenheit der Begrenzung 2 ergibt sich aus der Gleichung [3] zu e = 0,041 mm, welche für übliche gerade Trennschnitte am Wafer 1 leicht erreichbar ist. Der minimale Durchmesser des Gebietes 36 muss grösser als 8,4 mm sein und die Länge der Begrenzung 2 mehr als 6,4 mm betragen.
Das Messverfahren wird anhand der Fig. 1 erläutert. Der Wafer 1 wird in den Messraum zwischen den Polflächen 16 min und 17 min geschoben und mit seiner der Oberfläche 8 entgegengesetzten Fläche auf die Isolierschicht 18 gelegt. Nach dem Ausrichten des Wafers 1 und dem Aufsetzen der Spitzen der Nadeln 4 bis 7 sind die beiden unabhängigen Messungen zur Bestimmung eines Wertes für den spezifischen Widerstand R und für den HALL-Koeffizienten H ausführbar.
Für die erste Messung, die zur Bestimmung des spezifischen Widerstands R dient, wird der Umschalter 19 in die Schaltstellung S1 gebracht und dem Wafer 1 über den ersten Kontakt 9 und den zweiten Kontakt 10 der vorbestimmte Messstrom I(12) aufgeprägt und die Messspannung U(34) zwischen dem dritten Kontakt 11 und dem vierten Kontakt 12 an der Oberfläche 8 abgenommen und mittels des Voltmeters 21 gemessen. Aus dem Verhältnis der Messspannung U(34) zum Messstrom I(12), dem Widerstand Rw, ist nach der Gleichung [4] der spezifische Widerstand R berechenbar.
EMI13.1
wobei t (Fig. 2) die Dicke der elektrisch leitenden Schicht im Wafer 1 bedeutet. In der Steuereinrichtung 26 ist der Wert für die Dicke t speicherbar, der als Parameter vorbestimmt eingebbar ist. Da der Widerstand Rw nicht von der Induktion B abhängt, kann die Messung vorzugsweise bei der Feldstärke Null der Induktion B erfolgen.
Für die zweite Messung zur Bestimmung des HALL-Koeffizienten H befindet sich der Umschalter 19 in der zweiten Schaltstellung S2. Der über den ersten Kontakt 9 und den dritten Kontakt 11 im Wafer 1 aufgeprägte vorbestimmte Messstrom I(13) erzeugt die zwischen dem zweiten Kontakt 10 und dem vierten Kontakt 12 gemessene Messspannung U(24). Sie ist die durch den HALL-Effekt verursachte HALL-Spannung V, die von der im Wafer 1 herrschenden Induktion B, der Dicke t, dem HALL-Koeffizienten H und dem Messstrom I(13) abhängt. Der HALL-Koeffizient H ist mittels der Gleichung [5] bestimmbar.
EMI13.2
Vorzugsweise ist der Ablauf dieser Messungen mittels der Steuereinrichtung 26 gesteuert, die ein einfaches Messprogramm abarbeitet. Der Ablauf des Messprogramms ist als Diagramm in der Fig. 4 dargestellt und ist auf einer Zeitachse Z beispielsweise in acht mit den Ziffern 1 bis 8 bezeichnete Takte eingeteilt, wobei in den ersten vier Takten der spezifische Widerstand R und in den verbleibenden vier der HALL-Koeffizient H bestimmt wird. Das anschliessende, neue Messprogramm beginnt mit dem Takt 1 min .
Die Funktion S zeigt die Schaltstellungen S1 und S2 des Umschalters 19 (Fig. 2) als Funktion der Zeit Z. Zu Beginn des ersten Taktes sendet die Steuereinrichtung 26 (Fig. 1) das Signal zum Stellen des Umschalters 19 in die Schaltstellung S1 und regelt gegebenenfalls die Induktion B auf einen neuen vorbestimmten Wert der Feldstärke ein. Anschliessend erhält die Stromquelle 20 (Fig. 1) über ihren Eingang den vorbestimmten digitalen Sollwert für den Messstrom I(12), der während der Takte zwei und drei dem Wafer 1 (Fig. 1) aufgeprägt ist. Während des Übergangs vom zweiten zum dritten Takt erfolgt die Messung der Messspannung U(24), deren Wert der Steuereinrichtung 26 übermittelt wird.
Bis zum Beginn des fünften Taktes berechnet die Steuereinrichtung 26 wenigstens den Widerstandswert Rw aus dem Verhältnis der Messspannung U(34) zum Messstrom I(12) nach der Gleichung [4], welcher zum spezifischen Widerstand R proportional ist.
Zu Beginn des fünften Taktes stellt das Signal den Umschalter 19 in die Schaltstellung S2 und regelt die Induktion B auf einen neuen vorbestimmten Wert der Feldstärke ein. Die Stromquelle 20, die über ihren Eingang im fünften Takt den vorbestimmten digitalen Sollwert erhalten hat, prägt dem Wafer 1 während des sechsten und siebten Taktes den vorbestimmten Messstrom I(13) auf. Am Übergang vom sechsten zum siebten Takt misst das Voltmeter 21 (Fig. 1) die Messspannung U(24) und übermittelt deren Wert der Steuereinrichtung 26. Bis zum Ende des achten Taktes berechnet die Steuereinrichtung 26 aus dem Messstrom I(13), der Messspannung U(24) und der Induktion B wenigstens den HALL-Koeffizienten H nach der Gleichung [5].
Diese Messvorrichtung nutzt mit Vorteil die Diskontinuität in der Leitfähigkeit in der Kantenzone 39 (Fig. 3) aus und ist durch vier auf der gleichen Oberfläche 8 in einer Linie ausgerichtete ohmsche Kontakte 9 bis 12 ausgezeichnet, die auf der Oberfläche 8 in der Kantenzone 39 dieser galvanischen Diskontinuität angebracht sind. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Verfügbarkeit des für die Messung benutzten Wafers 1 für weitere Fabrikationsschritte, da der Wafer 1 weder mechanisch verändert noch für das Anfertigen der Probe zerstört wird. Aus den mit der gleichen Kontaktierung messbaren Grössen ist der spezifische Widerstand R und der HALL-Koeffizient H im Halbleitermaterial berechenbar, die sich im allgemeinen beide bei der Dotierung des Halbleitermaterials ändern.
Eine Einschränkung der Verwendbarkeit der Messvorrichtung auf Wafer 1 mit der geraden Begrenzung 2 ist nicht vorhanden, da der leichteren Orientierung wegen bei jedem industriell verwendeten Wafer 1 üblicherweise ein kleiner Kreisabschnitt weggeschnitten ist.
Vorzugsweise wiederholt die Steuereinrichtung 26 das obige Messprogramm mehrmals, um die Messwerte einer statistisch auswertbaren Messreihe zu gewinnen. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 26 auch für solche Messprogramme eingerichtet, die die Induktion B nach jeder Messreihe oder gar nach jeder Messung vorbestimmt verändern. Beispielsweise kann die Feldstärke der Induktion B für die Messungen der HALL-Spannung V über den ganzen Bereich von -1,5 Tesla bis +1,5 Tesla in Schritten von 0,1 Tesla veränderbar sein oder einen konstanten vorbestimmten Betrag aufweisen, wobei nur das Vorzeichen bzw. die Richtung der Induktion B ändert.
In der Fig. 5 erfolgt eine mechanische Berührung des Wafers 1 vorteilhaft mittels der Mantelfläche der schräg gestellten Nadeln 4 bis 7 (Fig. 2), um die Oberfläche 8 mit kleinster Distanz e (Fig. 3) zur Kante 2 min zu kontaktieren.
Beispielsweise sind die Nadeln 4 bis 7 etwa 0,2 mm über der Isolierschicht 18 im Messraum zwischen den Polflächen 16 min und 17 min angeordnet, wobei das Isolierstück 35 die Nadeln 4 bis 7 so einspannt, dass ein Arm 40 jeder der Nadeln 4 bis 7 unabhängig federt. Der Arm 40 weist auf seiner vom Isolierstück 35 abgewandten Ende vorteilhaft eine abgewinkelte Kontaktzunge 41 auf, so dass die Spitzen der Kontaktzungen 41 in Richtung der oberen Polfläche 16 min weisen und damit sie leichtgängig auf die Kante 2 min aufschiebbar ist, ohne dabei die Kante 2 min zu beschädigen. Der Arm 40 wird dadurch um einen vorbestimmten Betrag angehoben und übt auf die Kante 2 min die vorbestimmte Kontaktkraft aus.
Vorzugsweise beträgt ein in der Zeichnungsebene zwischen einer Achse 42 der Kontaktzunge 41 und der Oberfläche 8 gemessener Winkel a etwa 30 bis 60 Grad. Die Kontaktzunge 41 ist z.B. durch Umbiegen des freien Endes des Arms 40 der Nadeln 4 bis 7 herstellbar. Beispielsweise beträgt die Länge der Kontaktzunge 41 etwa drei Millimeter und die des Armes 40 etwa 2 cm bis 10 cm. Der Querschnitt der Nadeln 4 bis 7 ist nicht auf eine Zylinderform beschränkt.
Der Wafer 1 wird auf der Isolierschicht 18 des unteren Polschuhs 17 in einer Vorschubrichtung 43 mit der Begrenzung 2 voran gegen die Kontaktzungen 41 geschoben, wobei diese auf der Kante 2' auflaufen und mit dem Wafer 1 die Kontakte 9 bis 12 (Fig. 3) bilden.
In der Fig. 6 weist die Messeinrichtung ein Magnetfeld mit einer vorbestimmten Inhomogenität auf und eignet sich daher vorteilhaft zur Messung des spezifischen Widerstands R und des HALL-Koeffizienten H im ganzen Wafer 1. Mittels einer Verschiebung des Wafers 1 auf der Isolierschicht 18 relativ zu dieser Inhomogenität ist bis auf eine schraffierte kreisringförmige Randzone 44, deren Breite den Betrag der Entfernung f aufweist, jede Zone der Oberfläche 8 mit den z. B. senkrecht zur Oberfläche 8 federnden Nadeln 4 bis 7 (Fig. 2) kontaktierbar und ohne Störungen durch Randeffekte ausmessbar. In der Zeichnung der Fig. 6 ist aus darstellerischen Gründen nur die dritte Nadel 6 sichtbar.
Das magnetische System des Magneten 15 (Fig. 1) umfasst neben den Polschuhen 16 und 17 eine weichmagnetische Platte 45 und weist zwischen den beiden, einander zugewandten Polflächen 16 min und 17 min einen vorbestimmten Luftspalt 46 auf, in dem die Induktion B herrscht. Aus an den Polflächen 16 min und 17 min angrenzenden Flächen der Polschuhe 16 und 17 tritt ein magnetischer Streufluss aus. Je eine dieser Fläche des Polschuhs 16 und des Polschuhs 17 liegen in derselben Ebene und sind als Seitenflächen 47 parallel gegenüber einer den Seitenflächen 47 zugewandten Grundfläche 48 der weichmagnetischen Platte 45 angeordnet. Die Seitenflächen 47 und die Grundfläche 48 begrenzen einen Messspalt 49 von der vorbestimmten Höhe h auf zwei gegenüberliegenden Seiten.
Die Platte 45 sammelt den aus den beiden Seitenflächen 47 austretenden magnetischen Streufluss und bildet einen Nebenschluss zum Luftspalt 46. Auf der Grundfläche 48 ist die Platte 45 mit der Isolierschicht 18 bedeckt. In der Richtung der Induktion B weist der Luftspalt 46 wenigstens in der unmittelbaren Nähe zu den Seitenflächen 47 eine vorbestimmte Weite w auf.
Ist beispielsweise die Induktion B des Magneten 15 so gerichtet, dass der erste Polschuh 16 den Nordpol und der zweite Polschuh 17 den Südpol bildet, weist sie im Luftspalt 46 vom ersten Polschuh 16 zum zweiten Polschuh 17. Im Messspalt 49 ist unter der Seitenfläche 47 des Nordpols eine Induktion B min homogen und senkrecht zur Platte 45 gerichtet. Der magnetische Fluss tritt in die Platte 45 ein und wird in ihr unter die Seitenfläche 47 des Südpols geleitet. Der Seitenfläche 47 des Südpols gegenüber tritt eine homogene Induktion B min min aus der Platte 45 aus. Die Richtung der Induktion B min min weist senkrecht zur Seitenfläche 47 des Südpols. Die beiden Induktionen B min und B min min haben etwa den gleichen Betrag der Feldstärke, jedoch sind ihre Richtungen zueinander entgegengesetzt.
Das Feld der beiden Induktionen B min und B min min ist auch mit vorbestimmt geformten Drahtschleifen erzeugbar, die von elektrischem Strom durchflossen sind.
Der auf der Isolierschicht 18 liegende Wafer 1 weist drei Zonen auf, die durch das magnetische Feld im Wafer 1 bestimmt sind. Die unter der Seitenfläche 47 des Nordpols gelegene Zone ist von der Induktion B min und die unter der Seitenfläche 47 des Südpols befindliche Zone von der Induktion B min min durchdrungen. Diese beiden Zonen sind durch eine in der Darstellung gekreuzt schraffierte magnetische Diskontinuitätszone 50 genau unter dem Luftspalt 46 getrennt, in der die Richtung des magnetischen Feldes umkehrt. Die Breite k der magnetischen Diskontinuitätszone 50 ist durch die Weite w des Luftspalts 46, durch die Höhe h des Messspalts 49 sowie von der nach bekannten Verfahren berechenbaren Formgebung der magnetischen Teile 16, 17 und 45 vorbestimmt.
Der Luftspalt 46 eignet vorteilhaft zum Zuführen der Nadeln 4 bis 7, deren Ebene die Weite w teilt und senkrecht auf der Platte 45 steht. Die Nadeln 4 bis 7 sind in ihrer Längsrichtung verschiebbar und mit ihren gefederten Spitzen auf die Oberfläche 8 absetzbar, wo sie unter der vorbestimmten Kontaktkraft den Wafer 1 kontaktieren. Die Nadeln 4 bis 7 sind im Isolierstück 35 in den vorbestimmten Abständen a bis c (Fig. 2) gehaltert und elektrisch mittels der Messleitungen 13 mit dem Messgerät 14 (Fig. 1) verbunden. Beispielsweise füllt das Isolierstück 35 den Luftspalt 46 aus und weist Bohrungen zur Aufnahme der gefederten, verschiebbaren Nadeln 4 bis 7 auf.
Wie auch immer der Wafer 1 im Messspalt 49 ausgerichtet ist, kontaktieren die Spitzen der Nadeln 4 bis 7 die Oberfläche 8 in der halben Breite k der magnetischen Diskontinuitätszone 50, wobei die Kontakte 9 bis 12 (Fig. 2) in den vorbestimmten Abständen a bis c in einer Linie angeordnet sind.
Weisen die Abstände a, b und c die in den Gleichungen [1] und [2] festgelegten Verhältnisse auf, gelten die Bedingungen der Gleichungen [3]. Zusätzlich ist die Breite k der Diskontinuitätszone 50 kleiner als ein Fünftel des kleinsten Abstands b zu wählen.
k < b/5 [6]
Diese Beschränkung für die Breite k legt eine obere Limite für die Höhe h des Messspalts 49 und für die Weite w des Luftspalts 46 fest. Beispielsweise ist diese Limite gleich dem Abstand a.
Vorteilhaft überzieht die Isolierschicht 18 bzw. 18 min wenigstens die dem Wafer 1 zugewandten Flächen der Teile 16, 17 bzw. 16, 17 und 45 des magnetischen Systems, damit die Gefahr eines elektrischen Nebenschlusses zum Wafer 1 ausgeschlossen ist, welcher den Messstrom I verkleinert und die Messspannung U verfälscht.
Das Messverfahren ist mit dem oben beschriebenen Verfahren identisch, das den Wafer 1 in der Kantenzone 39 (Fig. 3) kontaktiert. In der Fig. 7a ist der homogene Wafer 1 von der Dicke t = T dargestellt, der auf dem einen durch die Diskontinuitatszone 50 abgetrennten Teil senkrecht von der Induktion B min und auf dem restlichen Teil in der entgegengesetzten Richtung von der Induktion B min min durchdrungen ist. Die Diskontinuitätszone 50 erstreckt sich quer über den Wafer 1. Es ist denkbar, die Diskontinuitätszone 50 als Scharnier zu betrachten. Der eine Teil des Wafers 1 mit der Induktion B min min ist um dieses Scharnier zurückklappbar und auf den andern Teil des Wafers 1 mit der Induktion B min ablegbar (Fig. 7b).
Der gedacht zusammengeklappte Wafer 1 ist mit dem Wafer 1 mit der ebenen Begrenzung 2 identisch bis auf seine doppelte Dicke von T . 2 im Vergleich zu jenem der Fig. 1. Ebenso ist im Wafer 1 die Induktion B min bzw. B min min anstelle der Induktion B wirksam.
Die Gleichungen [4] und [5] zur Berechnung des spezifischen Widerstands R und des HALL-Koeffizienten H sind entsprechend zu korrigieren und lauten daher:
EMI20.1
Die galvanische und die magnetische Diskontinuität sind gemäss der Fig. 7a bzw. 7b zueinander äquivalent und sind zusammen mit den Kontakten 9 bis 12 (Fig. 2), die in der Kantenzone 39 (Fig. 3) bzw. in der Diskontinuitätszone 50 auf der gleichen Oberfläche 8 in einer Linie angeordnet sind, für das Messverfahren kennzeichnend.
Sind vom Wafer 1 der spezifische Widerstand R und der HALL-Koeffizient H bekannt, ist mittels einer Messung der HALL-Spannung V die Induktion B bzw. B min und B min min bestimmbar. Der Wafer 1 kann als Sensor für die Induktion B bzw. B min und B min min verwendet werden, wobei der ganze Wafer 1 oder eine isolierte, genügend grosse und gutleitende Insel im Wafer 1 als Sensor dient. Die Insel im Wafer 1 ist an der Begrenzung 2 und der Berandung 3 z.B. nur durch die unterschiedliche Leitfähigkeit im Wafer 1 definiert und ist auf der Oberfläche 8 kontaktierbar. Solche Sensoren weisen anstelle der mittels der aufgesetzten Nadeln 4 bis 7 erzeugten ohmschen Kontakte 9 bis 12 vorzugsweise mechanisch fest verbundene ohmsche Kontaktstellen 51 auf, an denen die Messleitungen 13 angeschlossen sind und deren Herstellung in der IC-Technologie bekannt ist.
The invention relates to a device for measuring characteristic values of a wafer made of semiconductor material of the type mentioned in the preamble of claim 1 and a use of this device according to the preamble of claim 10.
Such devices are advantageously suitable for controlling the doping of wafers made of a semiconductor material, which e.g. form the starting material for integrated circuits.
The characteristic values of a semiconductor are the specific resistance and the HALL coefficient, which are determined by the concentration and by the mobility of charge carriers in the semiconductor material and can be influenced by the doping.
Sorab K. Ghandhi in "VLSI Fabrication Principles", a Whiley-Interscience Publication 1983, published by John Wiley & Sons, New York NY, pages 285 to 291, describes an arrangement for measuring the resistivity of semiconductor material using four of the same surface of a wafer contacting electrodes, the contacts being equally spaced from each other on a straight line.
In "A Method of Measuring Specific Resistivity and HALL-Effect of Disks of Arbitrary Shape" by LJ van der Pauw, Philips Research Reports Vol. 13, No.1, 1958, pages 1 to 9, there are practical forms of samples for measurement the HALL voltage in a homogeneous magnetic field. The sample is contacted on four side surfaces opposite each other in pairs. If the specific sheet resistance for the sample is known, the HALL coefficient can be calculated.
A measuring device of the type mentioned in the preamble of claim 1 is known from US Pat. No. 4,857,839, in which the specific resistance and the HALL coefficient can be measured as a sample almost without destruction on the entire wafer. The circumference of the circular wafer has ohmic contacts, which were created by soldering measuring lines using indium as solder. A changeover switch connects four of the measuring lines to a measuring device, whereby a zone of the wafer is measured which lies at the intersection of the two imaginary lines connecting the four contacts crosswise. A predetermined measurement current is applied to two of these four contacts of the wafer, while a resulting voltage is measured across the other two.
In "Analysis of a Circular HALL Plate with Equal Finite Contacts", Solid State Electronics, Vol. 24 (1981), pages 63 to 68, M. Versnel shows how the influence of the connection geometry is shown with the help of the conformal imaging of the sample in a half-plane the measurement of the HALL coefficient has to be calculated since connection contacts that can be used in practice have a finite extent.
For manufacturing control, integrated circuits on the wafer are contacted by means of spring-loaded needles. The circuits on the wafer have special predetermined connection plates for attaching the needles. Such a device is e.g. known from U.S. Patent 4,864,227.
The invention has for its object to provide a device for measuring values of the resistivity and the HALL coefficient characterizing a semiconductor material in a wafer, the wafer serving as a sample and not having to be changed in preparation for the measurement, and using the Specify device according to the preamble of claim 10.
According to the invention, the stated objects are achieved by the features of claims 1 and 9. Advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.
It shows:
1: a measuring device for a wafer section,
2: a measuring circuit,
Fig. 3; the wafer section,
4: a diagram,
5: a contact device in cross section,
6 shows a cross section through the measuring device for whole wafers and
Fig. 7: the wafer in cross section.
In FIG. 1, 1 means a thin disk-shaped wafer made of a semiconductor material, which serves as a sample for a measuring device. The lateral edge surfaces are at least partially a flat boundary 2 with any other boundary 3. For example, the sample is a piece of a wafer 1 in the form of a circular section.
At least four needles 4 to 7 are set up for contacting the wafer 1. They can be placed at a predetermined location on a surface 8 of the wafer 1 under a contact force and form, e.g. with their tips, by touching the surface 8 ohmic contacts 9 to 12. The surface 8 and the boundary 2 intersect in an edge 2 min, in the immediate vicinity of which the needles 4 to 7 are placed. Each of the needles 4 to 7 is electrically connected to a measuring device 14 via a measuring line 13.
A field of induction B can be generated by means of a permanent magnet or an electromagnet. A preferably U-shaped magnet 15 has pole shoes 16 and 17 and generates the field of induction B in a measuring space between its pole faces 16 min and 17 min, the direction of which in the drawing with an arrow B perpendicular to the pole faces 16 'and 17 min is indicated. The pole faces 16 min and 17 min are designed so that induction B is homogeneous and has a predetermined value of the field strength.
For example, the magnet 15 is arranged such that the pole faces 16 min and 17 min of its magnetic system are aligned parallel and horizontally to one another, the two pole faces 16 min and 17 min delimiting the measuring space, which is at most 30 mm high, upwards and downwards. The height of the measuring room and the required homogeneity of the field determine the minimum size of the pole faces 16 min and 17 min.
The induction B for the measuring device can also be generated by means of an electromagnet without a ferromagnetic magnetic core, e.g. by means of predetermined shaped wire loops through which an electric current flows.
The surface of the wafer 1, lying opposite the surface 8, lies flat on an insulating layer 18 of at most 1 mm thickness, which galvanically separates the wafer 1 from the underlying pole surface 17 minutes. The induction B passes through the wafer 1 perpendicular to the surface 8 in a predetermined area around the contacts 9 to 12.
The measuring device 14 comprises at least one changeover switch 19, a current source 20 and a voltmeter 21. The changeover switch 19 is connected on the one hand by means of the measuring lines 13 to the needles 4 to 7 and on the other hand by means of lines to the current source 20 and to the voltmeter 21. It has two switch positions S1 and S2 and each leads an insulated connection at least from one line of the current source 20 and one of the voltmeter 21 to two of the measurement lines 13, so that in the first switch position S1 immediately adjacent contacts 9 to 12 and in the second, not immediately adjacent, are connected to the current source 20 and the voltmeter 21. The two outermost contacts 9 and 12 are to be regarded as neighboring.
The current source 20 generates a predetermined measurement current I which flows from the first output terminal 22 through the wafer 1 to the second output terminals 23, its direction in the wafer 1 being perpendicular to the induction B. The measuring current I can be predetermined, for example, in the range between -200 mA and +200 mA.
A measuring voltage U, which can be tapped at the two other contacts on the wafer 1 which are not traversed by the measuring current I, can be supplied to the voltmeter 21 via both input terminals 24 and 25. The measuring range of the voltmeter 21 extends e.g. from -1000 mV to +1000 mV with an internal resistance of more than 1 M OMEGA.
Advantageously, the measuring device 14 additionally comprises a programmable electronic control device 26 with a memory (not shown here) and a display field 27, which facilitate the measuring work. The display field 27 is used to display values of the measuring current I, the measuring voltage U and the quantities that can be calculated therefrom. Predefined information on the measurement sequence stored in the memory can also be displayed.
The control device 26 is set up to control the measurement sequence. It has at least one data input 28 and three outputs 29 to 31 for digital signals. The first output 29 is connected to a control input 32 of the changeover switch 19, so that the changeover switch 19 can be switched over to the predetermined switching position S1 or S2 by means of a signal from the control device 26. The second output 30 is connected to the current source 20 so that the current source 20 can be set to a measurement current I by means of a predetermined digital setpoint value, which is to be impressed on the electrical circuit between output terminals 22 and 23. A line connects a measured value output 33 of the voltmeter 21 to the data input 28 for a digital transmission of the measured voltage U to the control device 26.
Another line leads from the third, data output 31, to a display input 34 of display field 27.
In the memory of the control device 26, for example, the field strength of the induction B prevailing in the measuring space between the pole faces 16 min and 17 min can be stored as a predetermined value. The control device 26 is set up for storing value pairs of the measured variables I and U assigned to the switching position S1 or S2 and for calculating and storing variables which can be calculated from these value pairs and from the stored values. All values can be called up from the memory and can be fed via the data output 31 to the display input 34 for display on the display field 27.
Fig. 2 shows an example of the connections to the switch 19. It connects e.g. the first output terminal 22 of the current source 20 fixed with the first needle 4, likewise the second input terminal 25 of the voltmeter 21 with the fourth needle 7. In the first switching position S1 (FIG. 1), the changeover switch 19 sets the two in the drawing with double dashes Drawn connections between the second output terminal 23 and the second needle 5 and between the third needle 6 and the second input terminal 24. In the second switching position S2 (FIG. 1), shown with dashed lines, the changeover switch 19 connects the second connection terminal 33 to the third needle 6 and the second needle 5 to the second input terminal 24.
In another embodiment, not shown here, the two measuring lines 13 to the needles 6 and 7 are interchanged. In addition, cyclical exchanges between the needles 4 to 7 and the measuring lines 13 are possible.
The one ends of the needles 4 to 7, which have the tips, are arranged in a plane which is the drawing plane in FIG. 2 for illustrative reasons, and embedded in an insulating piece 35, so that when the needles 4 to 7 are placed on the Wafer 1, the contacts 9 to 12 are generated as far as possible in a straight line and have predetermined distances a, b and c. The distance a determines the distance between the first contact 9 and the second contact 10, which is separated from the third contact 11 by the distance b. The third contact 11 and the fourth contact 12 are at a distance c from one another. The distance b is, for example, the smallest of the three distances a, b and c. The needles 4 to 7 can be arranged in parallel or at a distance that tapers in steps or continuously towards the tips.
The needles 4 to 7 are made of an electrically highly conductive non-magnetic material, e.g. Feather bronze. The tips or the places of the needles 4 to 7 predetermined for placement are spring-loaded and generate the predetermined contact force against the surface 8 when placed on the surface 8, so that the ohmic contacts 9 to 12 have good electrical properties. Each tip touches the surface 8 in an apparent contact area predetermined by the contact force, the dimension of which depends on the contact force. The contact force is preferably in the range from 0.01 N to 1 N.
For example, the needles 4 to 7 are inserted laterally from the outside into the measuring space between the pole faces 16 min and 17 min (FIG. 1) and arranged below the upper pole face 16 min. They are bent shortly behind the tip against the wafer 1 by a predetermined angle, so that the tips contact the wafer 1 in the narrow measuring space between the pole faces for 16 minutes and 17 minutes.
The thickness T of the wafer 1 is typically about 0.5 mm. After doping through the surface 8, for example the wafer 1 can have an electrically highly conductive layer with the thickness t. However, if the wafer 1 is doped homogeneously, the two thicknesses T and t are identical.
3 is the field of induction B generated by the magnet 15 (FIG. 1) perpendicularly and homogeneously penetrates an arbitrarily shaped region 36, which is shown in the drawing with a dashed rectangular border 37. The direction of induction B is directed into the plane of the drawing, which is indicated in the known manner by a cross drawn in a circle.
A magnetic field sensor 38 for measuring the field strength of the induction B, which is connected to the measuring device 14 by a line, is advantageously arranged in the region 36. The control device 26 is set up to evaluate the signals of the magnetic field sensor 38 and to regulate the field strength of the induction B by means of these signals to a predetermined value. For example, the control device 26 can set the field strength of the induction B by means of predetermined values stored in the memory for each series of measurements or for an individual measurement.
The length of the boundary 2 (FIG. 1) and the shape of the boundary 3 can be selected independently of the boundary 37. The needles 4 to 7 (FIG. 1) are to be placed for measurement only within the area 36 on the surface 8 of the wafer 1 in the immediate vicinity of the boundary 2. The flat boundary 2 forms a galvanic discontinuity in the homogeneous field of induction B for the conductivity, since on one side of the boundary 2, in the wafer 1, the conductivity of the charge carriers is different from zero, while on the other side, outside the wafer 1 , there is no electrical conductivity. For example, this discontinuity can also be produced at the straight boundary 2 of a correspondingly limited field by doping the semiconductor also within the wafer 1.
If the distances a, b and c the conditions
a = c [1]
b = a. tan (/ 8) = 0.414 214a [2]
for both values obtained from two independent measurements, a resistance value Rw and a HALL voltage V, the simple relationships derived from equations [4] and [5] or [4 min] and [5 min].
So that the measurements are carried out without interference from edge effects, or the errors caused by them are as small as possible, the contacts 9 to 12 have at least a predetermined minimum distance g from the boundary 37 and at least a predetermined minimum distance f from the boundary 3. In addition, the apparent contact surfaces of the contacts 9 to 12 have a predetermined largest dimension d. The edge 2 min deviates from a straight line at most by a predetermined distance e. These deviations lie on the surface 8 within an edge zone 39 of the galvanic discontinuity hatched in the illustration with a maximum width which is equal to the distance e. The contacts 9 to 12 are arranged within the edge zone 39 and are therefore 2 minutes less from the edge than the distance e.
The plane of the boundary 2 (FIG. 1) deviates less than the distance e from the ideal flat surface.
The values d, g, e and f simply depend on the distances a and b under the above conditions of equations [1] and [2]:
d <b / 3; e <b / 10; f> / = 2a and g> / = 3a [3]
In words, the maximum value of dimension d is less than a third of the distance b. The distance e is less than one tenth of the distance b. At the same time, the distance f for each of the contacts 9 to 12 must be at least twice the distance a and the limit distance g must be at least three times the distance a. A minimum diameter of the region 36 is therefore 2. (a + g) + b or around 8.4a, while boundary 2 is a minimum length of 2. (a + f) + b or around 6, 4a.
In one example, the dimensions for the diameter of the needles 4 to 7 are approximately 0.35 mm, for the distance a or c approximately 1.0 mm, while the dimension b can be calculated according to equation [2]. The condition for the distance e for the flatness of the boundary 2 results from the equation [3] for e = 0.041 mm, which is easily achievable for conventional straight cutting cuts on the wafer 1. The minimum diameter of the area 36 must be greater than 8.4 mm and the length of the boundary 2 must be more than 6.4 mm.
The measuring method is explained with reference to FIG. 1. The wafer 1 is pushed into the measuring space between the pole faces for 16 minutes and 17 minutes and placed on the insulating layer 18 with its surface opposite the surface 8. After aligning the wafer 1 and fitting the tips of the needles 4 to 7, the two independent measurements for determining a value for the specific resistance R and for the HALL coefficient H can be carried out.
For the first measurement, which is used to determine the specific resistance R, the changeover switch 19 is brought into the switching position S1 and the predetermined measuring current I (12) is impressed on the wafer 1 via the first contact 9 and the second contact 10, and the measuring voltage U ( 34) between the third contact 11 and the fourth contact 12 on the surface 8 and measured by means of the voltmeter 21. The specific resistance R can be calculated from the ratio of the measuring voltage U (34) to the measuring current I (12), the resistance Rw, according to equation [4].
EMI13.1
where t (FIG. 2) means the thickness of the electrically conductive layer in the wafer 1. The value for the thickness t, which can be predetermined as a parameter, can be stored in the control device 26. Since the resistance Rw does not depend on the induction B, the measurement can preferably take place at the field strength zero of the induction B.
For the second measurement to determine the HALL coefficient H, the switch 19 is in the second switching position S2. The predetermined measurement current I (13) impressed via the first contact 9 and the third contact 11 in the wafer 1 generates the measurement voltage U (24) measured between the second contact 10 and the fourth contact 12. It is the HALL voltage V caused by the HALL effect, which depends on the induction B prevailing in the wafer 1, the thickness t, the HALL coefficient H and the measurement current I (13). The HALL coefficient H can be determined using equation [5].
EMI13.2
The sequence of these measurements is preferably controlled by the control device 26, which processes a simple measurement program. The course of the measurement program is shown as a diagram in FIG. 4 and is divided on a time axis Z, for example, into eight cycles designated with the numbers 1 to 8, the specific resistance R in the first four cycles and the Hall 4 in the remaining four. Coefficient H is determined. The subsequent new measuring program begins with the cycle of 1 min.
The function S shows the switch positions S1 and S2 of the switch 19 (FIG. 2) as a function of the time Z. At the beginning of the first cycle, the control device 26 (FIG. 1) sends the signal for setting the switch 19 to the switch position S1 and regulates it if necessary, induction B to a new predetermined value of the field strength. The current source 20 (FIG. 1) then receives, via its input, the predetermined digital setpoint for the measurement current I (12), which is impressed on the wafer 1 (FIG. 1) during cycles two and three. During the transition from the second to the third cycle, the measurement voltage U (24) is measured, the value of which is transmitted to the control device 26.
Up to the beginning of the fifth cycle, the control device 26 calculates at least the resistance value Rw from the ratio of the measurement voltage U (34) to the measurement current I (12) according to equation [4], which is proportional to the specific resistance R.
At the beginning of the fifth cycle, the signal switches the switch 19 to the switch position S2 and regulates the induction B to a new predetermined value of the field strength. The current source 20, which has received the predetermined digital target value via its input in the fifth cycle, impresses the predetermined measurement current I (13) on the wafer 1 during the sixth and seventh cycle. At the transition from the sixth to the seventh cycle, the voltmeter 21 (FIG. 1) measures the measurement voltage U (24) and transmits its value to the control device 26. Until the end of the eighth cycle, the control device 26 calculates the measurement voltage from the measurement current I (13) U (24) and induction B at least the HALL coefficient H according to equation [5].
This measuring device advantageously takes advantage of the discontinuity in the conductivity in the edge zone 39 (FIG. 3) and is distinguished by four ohmic contacts 9 to 12 aligned in a line on the same surface 8, that on the surface 8 in the edge zone 39 thereof galvanic discontinuity are appropriate. The availability of the wafer 1 used for the measurement for further manufacturing steps proves to be particularly advantageous, since the wafer 1 is neither mechanically modified nor destroyed for the preparation of the sample. The resistivity R and the HALL coefficient H in the semiconductor material can be calculated from the variables that can be measured with the same contact, both of which generally change when the semiconductor material is doped.
There is no restriction on the usability of the measuring device on wafer 1 with straight boundary 2, since for easy orientation, a small circular segment is usually cut away for each industrially used wafer 1.
The control device 26 preferably repeats the above measurement program several times in order to obtain the measurement values of a statistically evaluable measurement series. For example, the control device 26 is also set up for those measurement programs which change the induction B in a predetermined manner after each series of measurements or even after each measurement. For example, the field strength of the induction B for the measurements of the HALL voltage V can be changed over the entire range from -1.5 Tesla to +1.5 Tesla in steps of 0.1 Tesla or have a constant predetermined amount, only that Sign or the direction of induction B changes.
5, the wafer 1 is mechanically contacted advantageously by means of the lateral surface of the inclined needles 4 to 7 (FIG. 2) in order to contact the surface 8 with the smallest distance e (FIG. 3) to the edge 2 min.
For example, the needles 4 to 7 are arranged approximately 0.2 mm above the insulating layer 18 in the measuring space between the pole faces 16 minutes and 17 minutes, the insulating piece 35 clamping the needles 4 to 7 in such a way that an arm 40 of each of the needles 4 to 7 springs independently. The arm 40 advantageously has an angled contact tongue 41 on its end facing away from the insulating piece 35, so that the tips of the contact tongues 41 point in the direction of the upper pole face for 16 minutes and so that they can be easily pushed onto the edge for 2 minutes, without the edge 2 min damage. The arm 40 is thereby raised by a predetermined amount and exerts the predetermined contact force on the edge for 2 minutes.
An angle a measured in the plane of the drawing between an axis 42 of the contact tongue 41 and the surface 8 is approximately 30 to 60 degrees. The contact tongue 41 is e.g. can be produced by bending the free end of the arm 40 of the needles 4 to 7. For example, the length of the contact tongue 41 is approximately three millimeters and that of the arm 40 is approximately 2 cm to 10 cm. The cross section of the needles 4 to 7 is not limited to a cylindrical shape.
The wafer 1 is pushed on the insulating layer 18 of the lower pole piece 17 in a feed direction 43 with the boundary 2 ahead against the contact tongues 41, these contacting on the edge 2 ′ and with the wafer 1 the contacts 9 to 12 (FIG. 3) form.
In FIG. 6, the measuring device has a magnetic field with a predetermined inhomogeneity and is therefore advantageously suitable for measuring the specific resistance R and the HALL coefficient H in the entire wafer 1. By means of a displacement of the wafer 1 on the insulating layer 18 relative to the latter Inhomogeneity is except for a hatched circular edge zone 44, the width of which has the amount of the distance f, each zone of the surface 8 with the z. B. perpendicular to the surface 8 resilient needles 4 to 7 (Fig. 2) can be contacted and measured without interference from edge effects. In the drawing of FIG. 6, only the third needle 6 is visible for illustrative reasons.
The magnetic system of the magnet 15 (FIG. 1) comprises, in addition to the pole shoes 16 and 17, a soft magnetic plate 45 and has a predetermined air gap 46 in which the induction B prevails between the two facing pole faces 16 min and 17 min. A magnetic stray flux emerges from surfaces of the pole shoes 16 and 17 adjacent to the pole faces 16 min and 17 min. Each of these surfaces of the pole shoe 16 and the pole shoe 17 lie in the same plane and are arranged as side surfaces 47 parallel to a base surface 48 of the soft magnetic plate 45 facing the side surfaces 47. The side surfaces 47 and the base surface 48 delimit a measuring gap 49 from the predetermined height h on two opposite sides.
The plate 45 collects the magnetic stray flux emerging from the two side surfaces 47 and forms a shunt to the air gap 46. The plate 45 is covered with the insulating layer 18 on the base surface 48. In the direction of induction B, the air gap 46 has a predetermined width w at least in the immediate vicinity of the side surfaces 47.
If, for example, the induction B of the magnet 15 is directed such that the first pole shoe 16 forms the north pole and the second pole shoe 17 forms the south pole, it points from the first pole shoe 16 to the second pole shoe 17 in the air gap 46 North pole an induction B min directed homogeneously and perpendicular to the plate 45. The magnetic flux enters the plate 45 and is conducted under the side surface 47 of the south pole. A homogeneous induction B min min emerges from the plate 45 opposite the side face 47 of the south pole. The direction of the induction B min min is perpendicular to the side surface 47 of the south pole. The two induction B min and B min min have approximately the same amount of field strength, but their directions are opposite to each other.
The field of the two induction B min and B min min can also be generated with predetermined shaped wire loops through which electrical current flows.
The wafer 1 lying on the insulating layer 18 has three zones which are determined by the magnetic field in the wafer 1. The zone located below the side surface 47 of the north pole is penetrated by the induction B min and the zone located below the side surface 47 of the south pole by the induction B min min. These two zones are separated by a cross-hatched magnetic discontinuity zone 50 just below the air gap 46, in which the direction of the magnetic field reverses. The width k of the magnetic discontinuity zone 50 is predetermined by the width w of the air gap 46, by the height h of the measuring gap 49 and by the shape of the magnetic parts 16, 17 and 45 which can be calculated by known methods.
The air gap 46 is advantageously suitable for feeding the needles 4 to 7, the plane of which divides the width w and is perpendicular to the plate 45. The needles 4 to 7 are displaceable in their longitudinal direction and, with their spring-loaded tips, can be placed on the surface 8, where they contact the wafer 1 under the predetermined contact force. The needles 4 to 7 are held in the insulating piece 35 at the predetermined intervals a to c (FIG. 2) and are electrically connected to the measuring device 14 (FIG. 1) by means of the measuring lines 13. For example, the insulating piece 35 fills the air gap 46 and has bores for receiving the spring-loaded, displaceable needles 4 to 7.
However the wafer 1 is aligned in the measuring gap 49, the tips of the needles 4 to 7 contact the surface 8 in half the width k of the magnetic discontinuity zone 50, the contacts 9 to 12 (FIG. 2) at the predetermined intervals a to c are arranged in a line.
If the distances a, b and c have the ratios defined in equations [1] and [2], the conditions of equations [3] apply. In addition, the width k of the discontinuity zone 50 is to be selected to be less than one fifth of the smallest distance b.
k <b / 5 [6]
This restriction for the width k defines an upper limit for the height h of the measuring gap 49 and for the width w of the air gap 46. For example, this limit is equal to the distance a.
The insulating layer 18 or 18 min advantageously covers at least the surfaces of the parts 16, 17 or 16, 17 and 45 of the magnetic system facing the wafer 1, so that the risk of an electrical shunt to the wafer 1 is eliminated, which reduces the measuring current I and the measurement voltage U falsified.
The measuring method is identical to the method described above, which contacts the wafer 1 in the edge zone 39 (FIG. 3). FIG. 7a shows the homogeneous wafer 1 with the thickness t = T, which is perpendicularly penetrated by the induction B min on one part separated by the discontinuity zone 50 and induction B min min on the remaining part in the opposite direction is. The discontinuity zone 50 extends across the wafer 1. It is conceivable to consider the discontinuity zone 50 as a hinge. One part of the wafer 1 with the induction B min min can be folded back around this hinge and placed on the other part of the wafer 1 with the induction B min (FIG. 7b).
The wafer 1, which is thought to be folded, is identical to the wafer 1 with the flat boundary 2, except for its double thickness of T. 2 compared to that of FIG. 1. Likewise, the induction B min or B min min instead of the induction B is effective in the wafer 1.
Equations [4] and [5] for calculating the specific resistance R and the HALL coefficient H must be corrected accordingly and are therefore:
EMI20.1
The galvanic and the magnetic discontinuity are equivalent to each other according to FIGS. 7a and 7b and together with the contacts 9 to 12 (FIG. 2), which are in the edge zone 39 (FIG. 3) and in the discontinuity zone 50 respectively same surface 8 are arranged in a line, characteristic of the measuring method.
If the specific resistance R and the HALL coefficient H are known from the wafer 1, the induction B or B min and B min min can be determined by measuring the HALL voltage V. The wafer 1 can be used as a sensor for induction B or B min and B min min, the entire wafer 1 or an isolated, sufficiently large and well-conducting island in the wafer 1 serving as a sensor. The island in the wafer 1 is at the boundary 2 and the boundary 3 e.g. only defined by the different conductivity in the wafer 1 and can be contacted on the surface 8. Instead of the ohmic contacts 9 to 12 generated by means of the attached needles 4 to 7, such sensors preferably have mechanically firmly connected ohmic contact points 51 to which the measuring lines 13 are connected and whose manufacture is known in IC technology.