DD243991A1

DD243991A1 - METHOD FOR LOCALIZING ROOMING ZONES IN SEMICONDUCTOR COMPONENTS

Info

Publication number: DD243991A1
Application number: DD28377785A
Authority: DD
Inventors: Frank Neubert; Gerald Dallmann
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1985-12-05
Filing date: 1985-12-05
Publication date: 1987-03-18

Abstract

Das Verfahren zur Lokalisierung von Raumladungszonen in Halbleiterbauelementen bezieht sich auf das Gebiet der Elektronenstrahldiagnostik elektronischer Bauelemente und Schaltkreise und ist anwendbar bei der Lokalisation und Untersuchung von Raumladungszonen in Halbleitermaterialien. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist eine Erhoehung des Informationsgehaltes sowie eine Erweiterung der Einsatzmoeglichkeiten von Verfahren zur Elektronenstrahldiagnostik elektronischer Bauelemente durch Verbesserung des raeumlichen Aufloesungsvermoegens von Verfahren zur Lokalisierung von Raumladungszonen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem die Induzierung des Stromes durch den Elektronenstrahl in Halbleiterbereichen mit einem elektrischen Feld erfolgt, dessen Feldlinien rechtwinklig zur Ablenkrichtung des Elektronenstrahles und rechtwinklig zu den Feldlinien des elektrischen Feldes der Raumladungszone ausgerichtet sind.The method for localization of space charge zones in semiconductor devices relates to the field of electron beam diagnostics of electronic components and circuits and is applicable to the localization and investigation of space charge zones in semiconductor materials. The aim and object of the invention is an increase in the information content and an extension of the application possibilities of methods for electron beam diagnostics of electronic components by improving the spatial Aufloesungsvermoegens of methods for the localization of space charge zones. According to the invention, the object is achieved by inducing the current through the electron beam in semiconductor regions with an electric field whose field lines are oriented at right angles to the deflection direction of the electron beam and at right angles to the field lines of the electric field of the space charge zone.

Description

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Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronenstrahldiagnostik elektronischer Bauelemente und Schaltkreise und ist anwendbar bei der Lokalisierung und Untersuchung von Raumladungszonen in Halbleitermaterialien.The invention relates to the field of electron beam diagnostics of electronic components and circuits and is applicable to the localization and investigation of space charge zones in semiconductor materials.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannt ist ein Verfahren zur Lokalisierung und Untersuchung von Raumladungszonen in Halbleitermaterialien mit Hilfe elektronenstrahlinduzierter Ströme— EBIC (A.J.Gonzales, Scanning Electron Microscopy IITRI [1974] S. 941-947). Dabei wird eine Halbleiteroberfläche, an der sich lokal eine Raumladungszone befindet, mit einem fokussierten Elektronenstrahl abgetastet. Der Elektronenstrahl wird in einer Elektronenkanone erzeugt und über ein Elektronenlinsensystem so modifiziert, daß sein Durchmesser auf der Probe 5-20 ηm beträgt. Gleichzeitig erfolgt eine zeilenweise Ablenkung des Strahles auf der Probe und synchron dazu des Elektronenstrahles einer Kathodenstrahlröhre. Die Halbleiteroberfläche wird auf beiden Seiten der lokal angeordneten Raumladungszone mit elektrischen Kontakten versehen, die mit dem Eingang eines hochempfindlichen Verstärkers verbunden sind. Der Verstärker liefert ein Signal, mit dem die Helligkeit der Kathodenstrahlröhre moduliert wird. Der fokussierte Elektronenstrahl wird auf der Halbleiteroberfläche so gerastert, daß seine Ausbreitungsrichtung mit der Richtung des elektrischen Feldes der Raumladungszone übereinstimmt. Dieses elektrische Feld bewirkt eine räumliche Trennung der Ladungsträgerpaare — Elektronen und Löcher — und als Folge dessen einen Stromfluß über den äußeren Stromkreis. Der elektronenstrahlinduzierte Strom erreicht genau dann seinen maximalen Wert, wenn der fokussierte Elektronenstrahl auf die Raumladungszone trifft, wird dagegen hell, wenn der Elektronenstrahl weitab von der Raumladungszone in neutrales Halbleitermaterial eindringt. Auf Grund der Synchronisierung zwischen Strahlablenkung auf der Halbleiteroberfläche und auf dem Sichtschirm der Kathodenstrahlröhre ist eine Lokalisierung der Raumladungszone sowie ihre Untersuchung möglich. Eine Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, daß vom elektrischen Feld der Raumladungszone auch diejenigen Ladungsträger erfaßt werden, die auf Grund der Diffusion den Rand der Raumladuhgszone erreichen. Dadurch kommt es zur Entstehung elektronenstrahlinduzierter Ströme selbst dann, wenn der Elektronenstrahl nicht auf die Raumladungszone selbst, sondern in einer Entfernung von ihr auftrifft, die in der Größenordnung der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger liegt. Auf Grund dieser Tatsache hat das bekannte Verfahren ein begrenztes räumliches Auflösungsvermögen (>1 μπ\), das wesentlich unter dem Auflösungsvermögen liegt, das auf Grund des Elektronenstrahldurchmessers in Rasterelektronenmikroskopen erreicht wird. Darin besteht ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens. Es ist ein Verfahren zur Erhöhung des räumlichen Auflösungsvermögens bei EBIC-Untersuchungen bekannt (R. R. Passons et al.. Journal of Applied Physics, Vol. 50, Nr. 1,1979). Dabei wird der fokussierte Elektronenstrahl während seiner linearen Ablenkung auf der Probe zusätzlich in Richtung der linearen Ablenkung periodisch so abgelenkt, daß seine Lage um einen Punkt „pendelt". Das registrierte EBIC-Signal wird einem Stromverstärker zugeleitet, dessen Verstä—rker von der Phase der zusätzlichen Ablenkung abhängt. Damit ist es möglich, ein in der Ablenkrichtung differenziertes EBIC-Signal zu gewinnen (DEBIC), das sich durch ein besseres räumliches Auflösungsvermögen auszeichnet. Es ist möglich, Werte von 0,2 μπα zu erreichen. Der Nachteil des Verfahrens besteht in einem hohen zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand der Strahlablenkung und Signalverarbeitung.Known is a method for the localization and investigation of space charge zones in semiconductor materials by means of electron beam-induced currents - EBIC (AJ Gonzales, Scanning Electron Microscopy IITRI [1974] p 941-947). In this case, a semiconductor surface on which a space charge zone is located locally is scanned with a focused electron beam. The electron beam is generated in an electron gun and modified via an electron lens system so that its diameter on the sample is 5-20 ηm. At the same time, there is a line-by-line deflection of the beam on the sample and synchronously with the electron beam of a cathode ray tube. The semiconductor surface is provided on both sides of the locally arranged space charge zone with electrical contacts which are connected to the input of a high-sensitivity amplifier. The amplifier provides a signal that modulates the brightness of the CRT. The focused electron beam is scanned on the semiconductor surface so that its direction of propagation coincides with the direction of the electric field of the space charge zone. This electric field causes a spatial separation of the charge carrier pairs - electrons and holes - and as a result, a flow of current through the external circuit. The electron-beam-induced current reaches its maximum value precisely when the focused electron beam strikes the space charge zone, but becomes bright when the electron beam penetrates into neutral semiconductor material far away from the space charge zone. Due to the synchronization between beam deflection on the semiconductor surface and on the viewing screen of the cathode ray tube, a localization of the space charge zone and its investigation is possible. A special feature of this method is that the electric field of the space charge zone and those charge carriers are detected, which reach the edge of the Raumladuhgszone due to the diffusion. This results in the formation of electron-beam-induced currents even when the electron beam does not impinge on the space charge zone itself, but at a distance from it, which is of the order of magnitude of the diffusion length of the minority charge carriers. Due to this fact, the known method has a limited spatial resolving power (> 1 μπ \), which is substantially lower than the resolution, which is achieved due to the electron beam diameter in scanning electron microscopes. This is a significant disadvantage of the process. A method for increasing the spatial resolution in EBIC studies is known (RR Passons et al., Journal of Applied Physics, Vol. 50, No. 1,1799). In addition, during its linear deflection on the sample, the focused electron beam is periodically deflected in the direction of the linear deflection so that its position "swings" by one point The registered EBIC signal is fed to a current amplifier whose amplifier is in phase This makes it possible to obtain a deflection-differentiated EBIC signal (DEBIC), which is characterized by a better spatial resolving power, and it is possible to achieve values of 0.2 μπα in a high additional equipment expense of beam deflection and signal processing.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist eine Erhöhung des Informationsgehaltes sowie eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Verfahren zur Elektronenstrahldiagnostik elektronischer Bauelemente.The aim of the invention is an increase in the information content and an extension of the possible applications of methods for electron beam diagnostics of electronic components.

Darlegung des Wesens der Erfindung ' Explanation of the essence of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, das räumliche Auflösungsvermögen von Verfahren zur Lokalisierung von Raumiadungszonen in Halbleiterbauelementen ohne zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand bei der Strahlablenkung und Signalverarbeitung zu verbessern.It is an object of the invention to improve the spatial resolution of methods for the localization of Raumiadungszonen in semiconductor devices without additional equipment expense in the beam deflection and signal processing.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Induzierung des Stromes durch den Elektronenstrahl in Halbleiterbereichen mit einem elektrischen Feld erfolgt, dessen Feldlinien rechtwinklig zur Ablenkrichtung des Elektronenstrahles und rechtwinklig zu den Feldlinien des elektrischen Feldes der Raumladungszone ausgerichtet sind.According to the invention, the object is achieved by inducing the current through the electron beam in semiconductor regions with an electric field whose field lines are oriented at right angles to the deflection of the electron beam and perpendicular to the field lines of the electric field of the space charge zone.

Die Existenz eines zusätzlichen elektrischen Feldes in den Halbleiterbereichen, in die der Elektronenstrahl eindringt, bewirkt das Entstehen eines Driftstromes der Minoritätsladungsträger zusätzlich zum Diffusionsstrom. Wenn dabei die Feldlinien des zusätzlichen elektrischen Feldes rechtwinklig zur Ablenkrichtung des Elektronenstrahles angeordnet sind, so fließen die entstehenden Driftströme ebenfalls senkrecht zu dieser Ablenkrichtung. Das hat zur Folge, daß die Minoritätsladungsträger', dieThe existence of an additional electric field in the semiconductor regions into which the electron beam penetrates causes the generation of a drift current of the minority carriers in addition to the diffusion current. If the field lines of the additional electric field are arranged at right angles to the deflection direction of the electron beam, then the resulting drift currents also flow perpendicular to this deflection direction. This has the consequence that the minority carriers', the

im Halbleitermaterial vom Elektronenstrahl generiert werden und sich durch Diffusion in die Ablenkrichtung des Strahles bewegen, durch das elektrische Feld rechtwinklig zur Ablenkrichtung beschleunigt werden und so in Ablenkrichtung einen wesentlich kürzeren Weg zurücklegen.be generated in the semiconductor material from the electron beam and move by diffusion in the deflection of the beam, are accelerated by the electric field perpendicular to the deflection and thus cover a much shorter path in deflection.

Es tritt eine Verringerung der tatsächlichen Diffusionslänge L auf den effektiven Wert L_eff auf, der die Ausbreitung der M'inoritätsladungsträger unter Einfluß des zusätzlichen Feldes E in Ablenkrichtung des Elektronenstrahles beschreibt, wobei gilt (Uj — Temperaturspannung):A decrease in the actual diffusion length L to the effective value L _eff occurs, which describes the propagation of the minority carriers under the influence of the additional field E in the direction of deflection of the electron beam, where (Uj-temperature voltage):

L_eff = — 2 «. ' .L _ef f = - 2 «. '.

1 + (— ) 2U_T 1 + (-) 2U _T

Die geringere effektive Diffusionslänge gewährleistet eine bessere Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen und derauf dem Sichtschirm der Kathodenstrahlröhre durch den elektronenstrahlinduzierten Strom dargestellten Lage der Raumladungszone und damit eine Erhöhung des räumlichen Auflösungsvermögens des Verfahrens.The lower effective diffusion length ensures a better match between the actual and the position of the space charge zone shown on the cathode ray tube screen by the electron beam induced current and thus an increase in the spatial resolution of the method.

Damit das zusätzliche elektrische Feld keine Beeinflussung des Feldes der Raumladungszone bewirkt, sind erfindungsgemäß die Feldlinien beider Felder rechtwinklig zueinander angeordnet.So that the additional electric field does not affect the field of the space charge zone, according to the invention the field lines of both fields are arranged at right angles to one another.

embodiment

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen:The invention will be explained by an embodiment. Show it:

Fig. 1: die Ablenkung des Elektronenstrahls und die Vektoren der elektrischen Felder in der Probe und Fig. 2: die Abhängigkeit des elektronenstrahlinduzierten Stromes von der Ablenkung des Elektronenstrahles.Fig. 1: the deflection of the electron beam and the vectors of the electric fields in the sample and Fig. 2: the dependence of the electron beam induced current of the deflection of the electron beam.

Fig. 1 zeigt schematisch die zu untersuchende Probe, bestehend aus einem η-dotiertem Gebiet 1 des Siliciumkristalls mit einer Elektronenkonzentration von 10¹⁸cm~³, einem p-dotierten Gebiet 2 des Siliciumkristalls mit einer Elektronenkonzentration von 10¹⁴cm³, Aluminiumkontakten 3 zur elektrischen Kontaktierung, der metallurgischen Phasengrenze 4 des pn-Überganges und der Raumladungszone 5. Die Probe wird auf dem Probenträger eines Rasterelektronenmikroskopes befestigt und die Aluminiumkontakte 3 mit dem Eingang eines Stromverstärkers verbunden, dessen Empfindlichkeit bei etwa 10"¹⁰A liegt. Der Elektronenstrahl wird auf die Probe fokussiert und seine Ablenkrichtung 6 so eingestellt, daß sie rechtwinklig zur Probenoberfläche mit den Aluminiumkontakten 3 verläuft. In der Raumladungszone 5 des pn-Überganges bildet sich ein elektrisches Feld aus, dessen Feldstärkevektor 7 mit der Ablenkrichtung 6 des Elektronenstrahles übereinstimmt. Das Rasterelektronenmikroskop wird im line-scan-mode betrieben und der Wert des elektronenstrahlinduzierten Stromes nach Verstärkung in Abhängigkeit von der Ablenkung des Elektronenstrahles graphisch dargestellt (Fig. 2). Bei Durchführung des - Verfahrens wird eine EBIC-Kurve ohne Zusatzfeld 8 gemessen, wie sie qualitativ in Fig. 2 dargestellt ist. Jetzt werden am Probenhalter des Rasterelektronenmikroskopes zwei Elektroden 9 so angeordnet, daß sie in der Probe ein elektrisches Feld schaffen, dessen Feldstärkevektor des Zusatzfeldes 10 rechtwinklig zur Ablenkrichtung 6 des Elektronenstrahles und rechtwinklig hzum Feldstärkevektor 7 des Feldes der Raumladungszone ausgerichtet ist. Die Elektroden 9 haben einen Abstand von 10mm und weisen eine Potentialdifferenz von 50 V auf. Nun wird wiederum eine Ablenkung des Elektronenstrahles vorgenommen und der induzierte Strom graphisch dargestellt. Die erhaltene EBIC-Kurve mit Zusatzfeld 11 ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Deutlich ist eine schärfere Ausbildung des Maximums der EBIC-Kurve mit Zusatzfeld 11 gegenüber der EBIC-Kurve ohne Zusatzfeld 8 festzustellen. Es wird eine Verbesserung des räumlichen Auflösungsvermögens bei der Lokalisierung der Raumladungszone 5μιη einen Faktor von etwa 5-10 erreicht. Gleichzeitig wird eine ebensolche Verbesserung des räumlichen Auflösungsvermögens bei der Lokalisierung und Untersuchung von Kristallgitterdefekten in der Raumladungszone 5 möglich.Fig. 1 shows schematically the sample to be examined, consisting of an η-doped region 1 of the silicon crystal with an electron concentration of 10 ¹⁸ cm ~ ³ , a p-doped region 2 of the silicon crystal with an electron concentration of 10 ¹⁴ cm ³ , aluminum contacts 3 to electrical contact, the metallurgical phase boundary 4 of the pn junction and the space charge zone 5. The sample is mounted on the sample carrier of a scanning electron microscope and the aluminum contacts 3 connected to the input of a current amplifier whose sensitivity is about 10 " ¹⁰ A. The electron beam is on the sample is focused and its deflection direction 6 adjusted so that it is perpendicular to the sample surface with the aluminum contacts 3. In the space charge zone 5 of the pn junction, an electric field forms whose field strength vector 7 coincides with the deflection direction 6 of the electron beam in the operated line scan mode and the value of the electron beam induced current after amplification in dependence on the deflection of the electron beam is shown graphically (Fig. 2). In carrying out the method, an EBIC curve is measured without additional field 8, as shown qualitatively in FIG. Now two electrodes 9 are arranged on the sample holder of the scanning electron microscope so that they create an electric field in the sample, the field strength vector of the additional field 10 is perpendicular to the deflection 6 of the electron beam and perpendicular to the field intensity vector 7 of the field of the space charge zone aligned. The electrodes 9 are spaced 10 mm apart and have a potential difference of 50V. Now again a deflection of the electron beam is made and the induced current is displayed graphically. The resulting EBIC curve with additional field 11 is also shown in FIG. Clearly, a sharper formation of the maximum of the EBIC curve with additional field 11 compared to the EBIC curve without additional field 8 can be determined. An improvement of the spatial resolution in the localization of the space charge zone 5μιη a factor of about 5-10 is achieved. At the same time, a similar improvement in spatial resolution is possible in the localization and investigation of crystal lattice defects in the space charge zone 5.

Claims

Claim:

Anspruch [en] A method for locating space charge zones in semiconductor devices by deflecting a focused electron beam along the surface of the semiconductor device and registering the current induced in the electric field of the space charge zone, characterized in that the current is induced by the electron beam in semiconductor regions having an electric field Field lines at right angles to the deflection of the electron beam and perpendicular to the field lines of the electric field of the space charge zone (5) are aligned.