DD279952A1 - METHOD FOR DETERMINING ELECTRICAL AND OPTICAL KNOWLEDGE OF SEMICONDUCTOR MATERIALS - Google Patents

METHOD FOR DETERMINING ELECTRICAL AND OPTICAL KNOWLEDGE OF SEMICONDUCTOR MATERIALS Download PDF

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DD279952A1
DD279952A1 DD32571889A DD32571889A DD279952A1 DD 279952 A1 DD279952 A1 DD 279952A1 DD 32571889 A DD32571889 A DD 32571889A DD 32571889 A DD32571889 A DD 32571889A DD 279952 A1 DD279952 A1 DD 279952A1
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semiconductor
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DD32571889A
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Juergen Schreiber
Heinz-Ulrich Petsch
Werner Horak
Original Assignee
Univ Halle Wittenberg
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  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung elektrischer und optischer Kenngroessen von Halbleitermaterialien. Sie beinhaltet ein Pruefverfahren fuer Halbleiterbasismaterialien, insbesondere Verbindungshalbleiter und Bauelementestrukturen der Mikro- und Optoelektronik. Ziel ist eine beruehrungslose, ortsaufgeloeste Bestimmung der Majoritaetstraegerkonzentration, elektrischen Barrierenhoehe, Grenzflaechenladungs- und Zustandsdichte sowie der optischen Uebergangsenergien Ei, der Beziehung Ei(x) bzw. der Zusammensetzung x bei Mischverbindungen an Kompaktmaterial sowie Schichtstrukturen. Mittels Modulationsspektroskopie- und Lichtsondentechnik wird das Photoreflexionsspektrum ortsaufgeloest gemessen und als Elektroreflexionssignal ausgewertet. Aus der optischen Uebergangsenergie Ei, elektrooptischen Energie hV und Amplitude A werden die Materialparameterwerte bestimmt. Abb. 3The invention relates to a method for determining electrical and optical characteristics of semiconductor materials. It includes a test method for semiconductor base materials, in particular compound semiconductors and component structures of microelectronics and optoelectronics. The goal is a non-contact, spatially resolved determination of the majority of the analyzer concentration, electrical barrier height, Grenzflaechenladungs- and density of states and the optical transition energy Ei, the relationship Ei (x) or the composition x in mixed compounds of compact material and layer structures. By means of modulation spectroscopy and light probe technology, the photoreflectance spectrum is measured spatially resolved and evaluated as an electroreflection signal. From the optical transition energy Ei, electro-optical energy hV and amplitude A, the material parameter values are determined. Fig. 3

Description

Hierzu 4 Seiten ZeichnungenFor this 4 pages drawings

Anwendungsgebiete der ErfindungFields of application of the invention

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Bestimmung von elektrischen und optischen Materialparametern an Halbleitern, das geeignet ist zur Kontrolle im Fertigungsprozeß von Halbleiterbasismaterialien und Bauelementestrukturen der Mikro- und Optoelektronik. Es kann für eine Routineprüfung eingesetzt werden, um gezielt eingestellte elektrische und optische Materialparameter quantitativ zu erfassen und unerwünschte Abweichungen nachzuweisen.The invention includes a method for the determination of electrical and optical material parameters on semiconductors, which is suitable for controlling in the manufacturing process of semiconductor base materials and component structures of microelectronics and optoelectronics. It can be used for routine testing to quantify targeted electrical and optical material parameters and detect unwanted deviations.

Das Verfahren kann angewendet werden auf Halbleitermaterialien mit geringen Ladungsträgerkonzentrationen, insbesondere auch bei der Untersuchung von Halbleiterschichten auf beliebigem Substrat. Ein besonders zweckmäßiges Anwendungsgebiet stellt die Charakterisierung von ternären und quarternären Mischkristallmaterialien des Typs „A, - XBXC" bzw. ,,A1 . ,,BxC, yD" insbesondere bei Vorliegen von Dünnschichten dar.The method can be applied to semiconductor materials with low carrier concentrations, in particular also when investigating semiconductor layers on any substrate. A particularly useful field of application is the characterization of ternary and quaternary mixed crystal materials of the type "A, - X B X C" or "A 1 , B x C, y D" in particular in the presence of thin layers.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Bei der Entwicklung neuer Halbleitermaterialien und Bauelementestrukturen der Mikro- und Optoelektronik als auch bei der technologischen Kontrolle des Fertigungsprozesses ist eine Charakterisierung von Basismaterialien, Waferstrukturen und Bauelemente-Chips betreffs der elektrischen und optischen Halbleiterparameter, wie der Ladungsträgerkonzentration, der optischen Gapenergien, entsprechend der eingestellten Mischkristallzusammensetzungen, sowie der Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften erforderlich, wobei i. a. auch eine ausreichend ortsaufgelöste Bestimmung angestrebt ist. Zur Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration im kompakten Material, epitaktischen Schichten und Schichtsystemen sind Methoden bekannt, die auf der Durchführung elektrischer Messungen beruhen (Hall-Messungen/1/, Analyse der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien/2/, Messung dese Oberflächenkontaktwiderstandes/3/, Messung der Durchb'uchsfeldstärkeM/). Diese Verfahren besitzen alle den Nachteil, daß ein oder mehrere elektrische Kontakte präpariert werden müssen. Im einfachsten Fall wird ein Kontakt durch Formieren einer Metallspitze hergestellt, was jedoch mit einer lokalen Materialschädigung verbunden ist. Eine Messung mit hoher Ortsauf lösung ist dabei i. a. nur bedingt möglich. Für die Untersuchung epitaktischer Dünnschichten besteht ein entsprechender Nachteil der elektrischen Verfahren darin, daß Substrateinflüsse eliminiert werden müssen. Dies setzt z. B. bei Hall-Messungen an epitaktischen Schichten ein isolierendes Substrat voraus; im Falle epitaktischer Schichtsysteme für Bauelementestrukturen kann diese Voraussetzung jedoch oft nicht eingehalten werden. Optische Verfahren zur Ladungsträgerkonzentrationsbestimmung sind die Photolumineszenz-, Raman- und Plasma-Reflexions-Spektroskopie/5,6/, sie sind in ihrem Anwendungsbereich jedoch auf höhere Ladungsträgerkonzentrationen beschränkt. Die Elektroreflexion/15/ benötigt als optisches Modulationsverfahren ein externes elektrisches Feld, das i.a. mittels einer Elektrolytelektrode eingebracht wird, die jedoch dann den Oberflächenzustand durch Grenzflächenreaktionen irreversibel beeinflußt.In the development of new semiconductor materials and device structures in microelectronics and optoelectronics, as well as in the technological control of the fabrication process, characterization of base materials, wafer structures and device chips in terms of electrical and optical semiconductor parameters such as carrier concentration, optical gap energies, according to the adjusted mixed crystal compositions , as well as the surface and interface properties, i. a. also a sufficiently spatially resolved determination is sought. To determine the charge carrier concentration in the compact material, epitaxial layers and layer systems methods are known which are based on the implementation of electrical measurements (Hall measurements / 1 /, analysis of the capacitance-voltage characteristics / 2 /, measurement dese surface contact resistance / 3 /, measurement the field strength M /). These methods all have the disadvantage that one or more electrical contacts must be prepared. In the simplest case, contact is made by forming a metal tip, but this is associated with local material damage. A measurement with high spatial resolution is i. a. only conditionally possible. For the investigation of epitaxial thin films, a corresponding disadvantage of the electrical processes is that substrate effects must be eliminated. This is z. B. in Hall measurements on epitaxial layers an insulating substrate ahead; However, in the case of epitaxial layer systems for device structures, this requirement can often not be met. Optical methods for charge carrier concentration determination are the photoluminescence, Raman and plasma reflection spectroscopy / 5,6 /, but they are limited in their scope to higher carrier concentrations. Electroreflection / 15 / requires as an optical modulation method an external electric field i.a. is introduced by means of an electrolyte electrode, which, however, then irreversibly influences the surface state by interfacial reactions.

Die Charakterisierung der Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften am Halbleitermaterial erfolgt u. a. durch die Ermittlung der Barrierenhöhen, Zustandsdichten und der Grenzflächenrekombinationsgeschwindigkeiten in den Randschichten und internen Übergangsbereichan. Als Verfahren dazu sind z. B. Katodolumineszenzuntersuchungen/7/ und eiektronenstrahlinduzierte Barrierenstrommessungen/8/ und Rasterelektronenmikroskop sowie die elektrischenThe characterization of the surface and interface properties of the semiconductor material is u. a. by determining barrier heights, state densities, and interface recombination rates in the surface layers and internal transition region. As a method to z. B. Katodolumineszenzuntersuchungen / 7 / and electron beam induced barrier current measurements / 8 / and scanning electron microscope and the electrical

Strom-Spannungs- bzw. Kapazitäts-Spannungs-Kennlinienuntersuchungen/i)/ bekannt. Während die Kennlinienmessungen die o. g. Nachteile elektrischer Verfahren besitzen, sind die rasterelektronenmikroskopischen Messungen sowie die Analyse ihrer Meßdaten zeitaufwendig und in ihrer Anwendbarkeit bei sich vermindernder Schichtdicke des Halbleitermaterials limitiert. Der für die Halbleitermischkristallmaterialien wichtige Zusammenhang zwischen den optischen Übergangsenergien und der Mischkristallzusammensetzung kann durch den Einsatz bekannter, komplementärer Verfahren, wie der Elektronenstrahlmikroanalyse/?/ und der üblichen optisch-spektroskopischen Verfahren/5,6/, ermittelt werdon. Einschränkungen dieser Verfahren ergeben sich für den Fall sehr geringer Schichtdicken einerseits bzw. durch die hohen Anforderungen an die Leistungsparameter der spektroskopischen Anordnungen andererseits.Current-voltage or capacitance-voltage characteristic investigations / i) / known. While the characteristic measurements are the o. G. Disadvantages of electrical methods, the scanning electron microscopy measurements and the analysis of their measurement data are time consuming and limited in their applicability with decreasing layer thickness of the semiconductor material. The connection between the optical transition energies and the mixed crystal composition, which is important for the semiconductor mixed crystal materials, can be determined by the use of known, complementary methods, such as the electron beam microanalysis / / / and the usual optical spectroscopic methods / 5, 6 /. Limitations of these methods arise for the case of very low layer thicknesses on the one hand or due to the high demands on the performance parameters of the spectroscopic arrangements on the other hand.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist, die für die Technologieoptimierung des Entwicklungs- und Fertigungsprozesses erforderliche Diagnose korrelierter elektrischer und optischer Materialparameter an Halbleiterbasismaterialien und kompletten Bauelementestrukturen in der Mikro- und Optoelektronik unter besonderer Berücksichtigung der sich aus dem Einsatz von Verbindungshalbleitern und Schichtstrukturen ergebenden Fragestellungen mittels eines Verfahrens, das sich durch einfache, zerstörungsfreie und zeitökonomische Anwendungsbedingungen, eine bisher nicht verfügbare komplexe Aussagefähigkeit, einen erweiterten Anwendungsbereich, der von anderen Methoden nicht erfaßt wird, sowie hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnet.The aim of the invention is the necessary for the technology optimization of the development and manufacturing process diagnosis of correlated electrical and optical material parameters of semiconductor base materials and complete device structures in microelectronics and optoelectronics with special consideration of arising from the use of compound semiconductors and layer structures issues by a method, characterized by simple, non-destructive and time-economic application conditions, a hitherto unavailable complexity, an extended range of application that is not covered by other methods, as well as high accuracy and reliability.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berühnmgslosen und ortsaufgelösten Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration, der elektrischen Barrierenhche und Zustandsdichten von Oberflächen- und Grenzflächenbereichen, sowie der optischen Übergangsenergien und im Falle von Mischverbindungshalbleitern des daraus abzuleitenden Mischkristallverhältnisses an Kompaktmaterialien, dünnen Schichten, HeteroStrukturen und Schichtsystemen mikro- und optoelektronischer Halbleiterbasismaterialien und Bauelementestrukturen anzugeben.The invention is based on the object, a method for berühnmgslosen and spatially resolved determination of the charge carrier concentration, the electrical Barrierenhche and state densities of surface and interface areas, and the optical transition energies and in the case of mixed compound semiconductors derived therefrom mixed crystal ratio of compact materials, thin films, hetero structures and layer systems microelectronic and optoelectronic semiconductor base materials and device structures.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mit Hilfe einer Lichtsondentechnik das Photoreflexions(PR)-Spektrum nach dem Prinzip der Modulationsspektroskopie/10/ in dem für das relevante Halbleitermaterial durch die Lage der optischen Übergänge am direkten Gap und an weiteren, nächsthöheren energetischen Übergängen bestimmten Spektralbereich gemessen wird. Aus den gemessenen Spektren werden die energetischen Lagen der optischen Übergänge, in bekannter Weise als E0. Ei,... usw. bezeichnet, sowie die Amplituden der Spektrenstrukturen, Verbreiterungsparameter und insbesondere die Perioden der Franz-Keldysh-Oszillationen/11/ abgeleitet.According to the invention the object is achieved in that determined by means of a light probe technique, the photoreflective (PR) spectrum according to the principle of modulation spectroscopy / 10 / in the relevant semiconductor material by the position of the optical transitions at the direct gap and at further, higher energy transitions Spectral range is measured. From the measured spectra, the energetic layers of the optical transitions, in a known manner as E 0 . Ei, ..., etc., as well as the amplitudes of the spectral structures, broadening parameters and in particular the periods of Franz Keldysh oscillations / 11 / derived.

Abb. 1 zeigt das physikalische Modell einer Oberflächenbarrierenstruktur für den Fall der Verarmungsrandschicht in einem η-Halbleiter. Das PR-Signal stammt maximal aus dem Gebiet der Raumladungsweite (df). Abb. 2 zeigt das Schema der Meßanordnung und veranschaulicht das Meßprinzip der optischen Modulationsreflexionsspektren. Von der ProbenoberflächeFigure 1 shows the physical model of a surface barrier structure in the case of the depletion boundary layer in an η-type semiconductor. The PR signal originates maximally from the area of the space charge width (d f ). Fig. 2 shows the scheme of the measuring arrangement and illustrates the measuring principle of the optical modulation reflection spectra. From the sample surface

(1) wird das Meßlicht (2), das "on der Lichtquelle (3) stammt und den Monochromator (4) passiert hat, reflektiert und mit dem Strahlungsempfänger (5) registriert. Die Aufzeichnung des Meßsignals erfolgt mit Hilfe eines Meßverstärkers (6), der für die Messung des Reflexionsspektrums R ein Gleicnlichtsignal, im Falle der Messung der modulierten Reflexion AR ein Wechsellichtsignal mit der Referenzfrequenz des Laserwechsellichtes (7) registriert und den Quotienten AR/R bildet.(1) the measuring light (2) originating at the light source (3) and passing through the monochromator (4) is reflected and registered with the radiation receiver (5). for the measurement of the reflection spectrum R a Gleicnlichtsignal, in the case of the measurement of the modulated reflection AR registers a alternating light signal with the reference frequency of the laser light change (7) and the quotient AR / R forms.

; ie Modulation bewirkt hier der periodisch auf die Probe auffallende Laserlichtstrahl, dessen Quantenenergie größer als die optische Gapenergie E0 sein muß.; The modulation here causes the periodically incident on the sample laser light beam whose quantum energy must be greater than the optical gap energy E 0 .

Durch Trennung der generierten Elektron-Loch-Paare im Ba; rierenfeld wird die elektrische Randfeldstärke variiert. Meßlicht und Modulationslicht werden im Sinne einer Lichtsondentechnik durch Einsatz eines Lichtmikroskops (8) und entsprechender Lichtoptik (9) optisch fokussiert.By separation of the generated electron-hole pairs in the Ba; ration field, the electrical edge field strength is varied. Measuring light and modulation light are optically focused in the sense of a light probe technique by using a light microscope (8) and corresponding light optics (9).

Abb. 3 veranschaulicht ein PR-Spbktrum am E0- und Ε,-Übergang. Das PR-Spektrum stellt im eigentlichen Sinne ein photoinduziertes Elektroreflexionss,iektrum dar und kann nach der Theorie der Elektroreflexion beschrieben werden/11/.Fig. 3 illustrates a PR spectrum at the E 0 and Ε, transition. The PR spectrum is in the true sense a photoinduced electro-reflection, ie spectrum and can be described according to the theory of electroreflection / 11 /.

Esgilt: —- = α · Δε, + β · ει RIt is: - = α · Δε, + β · ει R

Hierbei sind ε,, ει der Realteil und Imaginärteil der Dielektrizitätskonstanten ε und α, β stellen die Seraphin-Koeff izienten/12/ dar. Im Falle der PR-Spektren ist die Änderung der DielektrizitäiskonstantenHere ε ,, ει the real part and imaginary part of the dielectric constant ε and α, β represent the Seraphin coefficients / 12 /. In the case of PR spectra, the change in the dielectric constants

B'B '

S O) ,S O),

wobei h die Photonenenergie des Meßlichtes und J^ die elektrische Randfeldstärke sind, ξ, ergibt sich im Rahmen des physikalisch η Modells der Verarmungsrandschichtstruktur zuwhere h is the photon energy of the measuring light and J ^ is the electric fringe field strength, ξ, is given in the context of the physical η model of the depletion boundary layer structure

^=(2en"Vs/e80''/2 (1)^ = (2 "V s / e 8 0 '' / 2 (1)

Hier sind e die Elementarladung; n* ist die Differenz der ionisierten Donator- und Akzeptorkonzentrationen, die näherungsweise gleich der Majoritätsladungsträgerkonzentration gesetzt wird. Vs ist die elektrische Barrierenhöhe.Here, e is the elementary charge; n * is the difference of the ionized donor and acceptor concentrations, which is approximately equal to the majority charge carrier concentration. Vs is the electrical barrier height.

Die Spektren am E0- und E,-Übergang unterscheiden sich. Während das E0-Spektrum ein sogenanntes „high-field"-Spektrum ist, ist das E,-Spektrum ein sogenanntes „low-field"-Spektrum. Im ersten Fall giltfiii > τ/3, im zweiten Fallfiii < T/3.The spectra at the E 0 and E, transition differ. While the E 0 spectrum is a so-called "high-field" spectrum, the E, spectrum is a so-called "low-field" spectrum. In the first case we have> τ / 3, in the second case <T / 3.

Dabei sind T der Verbreiterungsparameter für den entsprechenden Übergang undWhere T is the broadening parameter for the corresponding transition and

2 nz Ζ 2 n z Ζ

t2 Q nz/Q/xn t 2 Q n z / Q / x n

die elektrooptisch^ Energie.the electro-optical energy.

Außer den physikalischen Konstanten e und h geht hier noch die effektive Ladungsträgermasse parallel zur Feldrichtung μ,, ein. Durch Näherung erhält man für den spektralen Verlauf der Spektren:Apart from the physical constants e and h, the effective charge carrier mass is parallel to the field direction μ ,, here. By approximation one obtains for the spectral course of the spectra:

ARAR

„high-field"-Spektrum"High-field" spectrum

low-field"-Spektrum -jf = C s · ne L ° * B V^" ^ i ^ ^' ' J (4)low-field spectrum - jf = C s · ne L ° * BV ^ "^ i ^ ^ '' J (4)

C, Θ, k = const., Ei-Energie des entsprechenden elektronischer. Übergangs. Daraus ergeben sich für die halbleiterphysikalisch relevanten Größen folgende wichtige Beziehungen: Für die Extremwerte der Oszillationsstruktur des „high-field"-Spektrums giltC, Θ, k = const., Egg energy of the corresponding electronic. Transition. This results in the following important relationships for the semiconductors-relevant quantities: For the extreme values of the oscillation structure of the "high-field" spectrum applies

o + 3 Λ 52 (5) o + 3 Λ 52 (5)

Z = Nenner des Extremwertes (0,1,2,...) bzw. Nullstellen ('/2, 3h,...), woraus der Wert für hii zu ermitteln ist, der nach (2) die Oberflächenfeldstärke ξ, bestimmt. Ei wird durch die energetische Lage des Extremwertes für Z = 0 bestimmt. Die Beziehung (1) vermittelt die Relation von ξ, zur Ladungsträgerkonzentration π* und Barrierenhöhe Vs, andererseits ist ξ5 mit der Oberflächenladungsdichte Q5, korreliert:Z = denominator of the extreme value (0,1,2, ...) or zeros ('/ 2, 3 h, ... ), From which the value for hii is to be determined, which according to (2) the surface field strength ξ, certainly. Ei is determined by the energetic position of the extreme value for Z = 0. The relation (1) gives the relation of ξ, to the carrier concentration π * and barrier height V s , on the other hand ξ 5 is correlated with the surface charge density Q 5 :

Q» = -εε,,ξ, (6)Q »= -εε ,, ξ, (6)

Der Zusammenhang mit der Dichte von Oberflächen/Grenzflächenzuständen ist gegeben durchThe relationship with the density of surface / interface states is given by

Qss = e/lNS, + N?,)r dE] (7)Qss = e / lNS, + N?,) R dE] (7)

Nt;D- Dichte a'<zeptor- bzw. donatorartiger Oberflächenzuständent; D - Density a '<zeptor- or donator-like surface states

f" - Besetzungsfunktion für Elektronenf "- occupation function for electrons

E55 - energetische Lage von OberflächenzuständenE 55 - energetic position of surface states

Ef- FermienenergieEf-Fermienenergie

Im Falle der „low-field"-Spektren ergibt sich eine zum Quadrat der elektrischen Feldstärke proportionale „Amplitude":In the case of the "low-field" spectra there is an "amplitude" proportional to the square of the electric field strength:

Ä =Tk· (-^- JA · f(PA) =Tk· ( -^- )a · «PB> ~ S (8)Ä = T k · (- ^ - J A · f (P A ) = T k · (- ^ -) a · «P B > ~ S (8)

η ηη η

A und B bezeichnen in der Spektrenstruktur dominierende Extremwerte der energetischen Lagen EA und Eu. Die Übergangsenergie Ei und der Verbreitungsparameter τ werden mittels 3-Punkt-Verfahren /13/ gemäß (9) ermittelt.A and B denote dominant extreme values of the energetic layers E A and E u in the spectral structure. The transition energy Ei and the propagation parameter τ are determined by means of 3-point method / 13 / according to (9).

Ε, = EA + (Eb - EA) · f(p); T = (E8 - EA> · g (P) O)Ε, = E A + (Eb - E A ) · f (p); T = (E 8 -E A > G (P) O)

Dabei ist P der Asymmetrieparameter, und f(P) und g(P) sind für die verschiedenen Übergangstypen bekannteWhere P is the asymmetry parameter and f (P) and g (P) are known for the different transition types

Korrekturfunktionen/13/.Correction functions / 13 /.

Für ternäre Mischkristallmaterialien AxB, _ XC ist durch die ermittelten Übergangsenergien aufgrund bekannter bzw. durchFor ternary mixed crystal materials A x B, X C is due to the known transition energies due to known or by

Eichmessungen zu ermittelnder ZusammenhängeCalibration measurements to determine correlations

E1(X) = Ei(BC) + X[E1(AC) - Ei(BC)] - X2E13, (10)E 1 (X) = Ei (BC) + X [E 1 (AC) - Ei (BC)] - X 2 E 13 , (10)

EB-„bowing"-ParameterE B - "bowing" parameter

der y-Wert verfügbar. Die Bestimmung der Mischkristallzusammensetzung ist auch auf quarternäre Mischkristalle anwendbar. Die 'iestimmung der Halbleiterparameter basiert auf der quantitativen Analyse der PR-Spektren gemäß (1) und (10). Hinzuweisen istfiarauf, daß wegen ξ2 ~ n* Vs gemäß (1) beider Bestimmung der absoluten Werte für n* bzw. V1 die Kenntnis der jeweils anderen Größe erforderlich ist, wobei für die Annahme der Größe für Vs das bei vielen Halbleitern bekannte Ferminiveaupinning ar Oberflächen und Grenzflächen genutzt werden kann. Relative Änderungen werden mit hoher Empfindlichkeit direkt erfaßt. PH-Spektren erfordern eine i.a. nur mi'.tlere spektrale Auflösung und können mit hoher Lateralauflösung (~ 10pm) gemessen werden. Als wesentliches Merkmal djs Verfahrens ist die nur geringe Informationstiefe anzusehen, die durch das Minimum von Eindringtiefe des Meßlichtes im Bereich der jeweiligen Übergangsenergien und Eindringtiefe des elektrischen Randfeldes bestimmt ist. Sie kann bis herab zu 10nm(z.B. Ε,-Übergang an GaAs) betragen. Damit sind auch Schichten im Submikrometerdickenbereich zu erfassen.the y-value available. The determination of the mixed crystal composition is also applicable to quaternary mixed crystals. The determination of the semiconductor parameters is based on the quantitative analysis of the PR spectra according to (1) and (10). It should be pointed out that because of ξ 2 ~ n * V s according to (1) the absolute values for n * and V 1, respectively, require the knowledge of the other variable, and for the assumption of the magnitude for V s this is the case for many semiconductors known Ferminiveaupinning ar surfaces and interfaces can be used. Relative changes are detected directly with high sensitivity. PH spectra generally require only lower spectral resolution and can be measured with high lateral resolution (~ 10pm). An essential feature of the method is the low level of information, which is determined by the minimum penetration depth of the measuring light in the region of the respective transition energies and penetration depth of the electrical fringe field. It can be down to 10nm (eg, Ε, transition to GaAs). This also covers layers in the submicrometer thickness range.

Eine optisch transparente Deckschicht erlaubt PR-Messungen an der Halbleitergrenzfläche, so daß Mischkristallzusammensetzungen und Ladungsträgerkonzentrationen oder Barrierenhöhe im Halbleitermaterial eines Halbleiter-Metall- oder Halbleiter-Isolator-Systems bzw. in einer Halbleiter-Heterostruktur bestimmt werden können, üie Meßmethode gestattet eine günstige Kopplung mit Schrägschliff- oder Schichtabtragsmethoden.An optically transparent cover layer allows PR measurements at the semiconductor interface, so that mixed crystal compositions and charge carrier concentrations or barrier height can be determined in the semiconductor material of a semiconductor-metal or semiconductor-insulator system or in a semiconductor heterostructure, the measurement method allows a favorable coupling with Slope grinding or layer removal methods.

Ausführungsbeispielembodiment

Gegeben sei a) eine Halbleiterprobe bestehend aus einem Substrat und einer oder mehreren Homo- bzw. Heteroepitaxieschichten sowie bj eine Halbleiterprobe mit teilweise freier Oberfläche sowie einem semitransparenten Metallkontakt bzw. einer transparenten Isolatorschicht bzw. MOS/MIS-Struktur, wobei die Oberfläche b) auch an der Probe a) lokalisiert sein könnte (Abb.4 zeigt Skizzen für konkrete Beispiele).Given is a) a semiconductor sample consisting of a substrate and one or more homo- or heteroepitaxial layers and bj a semiconductor sample with partially free surface and a semitransparent metal contact or a transparent insulator layer or MOS / MIS structure, the surface b) also on the sample a) could be located (Fig.4 shows sketches for concrete examples).

Zu bestimmen ist die Mischkristallzusammensetzung der Heteroepitaxieschichten sowie die Ladungsträgerkonzentration aller Schichten, untersucht werden -eil weiterhin die Barrierenhöhe an den Grenzflächen der HeteroStruktur.To be determined is the mixed crystal composition of the heteroepitaxial layers as well as the charge carrier concentration of all layers; in addition, the barrier height at the interfaces of the heterostructure is investigated.

Im Falle b) so1 3arrierenhöh ? des Metall-Halbleiter-Kontaktes sowie die Bandverbiegung unter der Isolatorschicht ermittelt werden, fer. -oil der Einfluß verschiedener Oberflächenpräparationen auf die Oberflächenzustandsdichte erfaßt werden. Zur Untersuchung einer Schichtfolge ist der Schrägschliff in Politurqualität als Meßoberfläche zu benutzen, um die inneren Schichten den PR-Messungen zugänglich zu machen. Alternative Wege sind schrittweiser Schichtabtrag z. B. durch elektrolytische Oxydation oder Sputtern.In the case b) so 1 3arrierenhöh? the metal-semiconductor contact and the band bending are determined under the insulator layer, fer. -oil the influence of different surface preparations on the surface state density can be detected. To investigate a sequence of layers, the polish-grade bevel is to be used as the measurement surface in order to make the inner layers accessible to the PR measurements. Alternative ways are gradual layer removal z. B. by electrolytic oxidation or sputtering.

Die Lösung der Aufgabenstellung erfolgt dadurch, daß die PR-Spektren im spektralen Bereich der zu erwartenden Übergänge an den Meßorten 1 bis 4 gemessen werden. Aus jedem Spektrum können die Werte Ej und die elektrooptische Energie hil bzw. die Amplitude Ä ermittelt werden; dazu sind die Beziehungen (5), (8), (9) zu benutzen.The task is solved by measuring the PR spectra in the spectral range of the expected transitions at the measurement locations 1 to 4. From each spectrum, the values Ej and the electro-optical energy hil or the amplitude Ä can be determined; For this, use relations (5), (8), (9).

Die Bestimmung der Mischkristallzusammensetzung erfolgt nach (10) aus den Übergangsenergien E1. Die Ladungsträgerkonzentration wird mit Hilfe der Beziehungen (2) und (1) direkt bzw. mit (8) und (1) unter Verwendung von Eichmessungen ermittelt. Die dabei benötigte Kenntnis der Oberflächenbandverbiegung ist für viele Halbleitermaterialien mit für diese Zwecke hinreichender Genauigkeit gegeben bzw. kann durch Standardpräparation eingestellt oder durch unabhängige Messungen ermittelt werden.The determination of the mixed crystal composition takes place according to (10) from the transition energies E 1 . The carrier concentration is determined by means of the relationships (2) and (1) directly or with (8) and (1) using calibration measurements. The required knowledge of Oberflächenbandverbiegung is given for many semiconductor materials with sufficient accuracy for these purposes or can be set by standard preparation or determined by independent measurements.

Durch Linienscan 3 -> 4 unter Messung der PeakhöheBy line scan 3 -> 4 under measurement of the peak height

( ) ' bei fester Wellenlänge kann der Gradient der Ladungsträgerkonzentration ermittelt werden. In gleicherweise können() 'at fixed wavelength, the gradient of the carrier concentration can be determined. In the same way you can

relative Dotierungsinhomogenitäten lateral untersucht werden.relative doping inhomogeneities are examined laterally.

Vollständige Spektren müssen nur an ausgewählten Stellen gemessen werden.Full spectra only need to be measured at selected locations.

An den Punkten 2,3 sowie bei geringer Deckschichtdicke bei 1 können E0-PR-Spektren auch durch teilweise Reflexion an der nächsttieferliegenden Grenzfläche von der tieferliegenden Schicht gemessen werden. Daraus und mit der zuvor ermittelten Ladungsträgerkonzentration der entsprechenden Schicht wird die Bandverbiegung an der inneren Grenzfläche ermittelt.At the points 2, 3 as well as at low cover layer thickness at 1, E 0 -PR-spectra can also be measured by partial reflection at the next lower boundary surface of the deeper layer. From this and with the previously determined charge carrier concentration of the corresponding layer, the band bending at the inner boundary surface is determined.

Ebenso ist die Barrierenhöhe von 2 und 3 im Beispiel b zu ermitteln, wobei E0-PR-Messungen günstiger sind, da hier die Linienform gegenüber der Amplitude an höheren Übergängen, welche bei vorhandenen Deckschichten korrigiert werden muß, ausgewertet wird.Similarly, the barrier height of 2 and 3 is to be determined in Example b, E 0 -PR measurements are more favorable, since the line shape is compared to the amplitude at higher transitions, which must be corrected in existing cover layers evaluated.

Bei der Untersuchung des Einflusses von Oberflächenpräparationen oder Oberflächenreaktionen auf den Oberflächenzustand werden entsprechend die Änderung der gesamten PR-Spektren bzw. deren Peakhöhe bei fester Wellenlänge verfolgt. Daraus werden die entsprechenden Veränderungen von Q5, und V5 ermittelt und unter Zuhilfenahme von Modellen für die energetische Lage von Oberflächenzuständen ES5/14/ deren Dichte N5, mit (7). Temperaturabhängige PR-Messungen liefern Q55(T) und Vs(T), womit unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Besetzungsfunktion f "(E55, EF) solche Energielagen ermittelt bzw. präzisiert werden können.In the investigation of the influence of surface preparations or surface reactions on the surface state, the change in the total PR spectra or their peak height at a fixed wavelength is monitored accordingly. From this the corresponding changes of Q 5 , and V 5 are determined and with the help of models for the energetic position of surface states E S5 / 14 / their density N 5 , with (7). Temperature-dependent PR measurements yield Q 55 (T) and Vs (T), so that such energy levels can be determined or specified taking into account the temperature dependence of the population function f "(E 55 , E F ).

Durch gatespannungsabhängige Photoreflexions- oder Elektroreflexionsmessungen V5(Ug) sind Untersuchungen zum Spektrum der Oberflächenzustände N55(E) entsprechend der Auswertung von C-V-Messungen möglich.Gate voltage-dependent photoreflective or electroreflectance measurements V 5 (Ug) allow investigations of the spectrum of surface states N 55 (E) according to the evaluation of CV measurements.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung elektrischer und optischer Kenngrößen von Halbleitermaterialien, gekennzeichnet dadurch, daß mit Hilfe der Lichtsondentechnik durch Messung der Photoreflexionsspektren nach dem Prinzip der Modulationsspektroskopie am Halbleitermaterial, insbesondere an Verbindungshalbleilern, die optischen Übergangsenergien Ej und aus der Analyse der Spektrenstruktur der Wert der elektrischen Randfeldstärke ξ3 ermittelt werden, aus denen auf der Basis eines bekannten Zusammenhanges E,(x) das Mischkristallverhältnis „x" abgeleitet wird, sowie unter Voraussetzung der Kenntnis der Barrierenhöhe im Oberflächen- bzw. Grenzflächenbereich die Volumenladungsträgerkonzentration bestimmt wird bzw. bei gegebener Ladungsträgerdichte auf den Wert der Barrierenhöhe und die dam.t korrelierte Grenzflächenzustandsdichte geschlossen wird.1. A method for determining electrical and optical characteristics of semiconductor materials, characterized in that with the aid of the Lichtsondentechnik by measuring the photoreflective spectra according to the principle of modulation spectroscopy on the semiconductor material, in particular on Verbindungshalbleilern, the optical transition energies Ej and from the analysis of the spectral structure of the value of the electric Randfeldstärke ξ 3 are determined from which on the basis of a known relationship E, (x) the mixed crystal ratio "x" is derived, and assuming the knowledge of the barrier height in the surface or interface area, the volume carrier concentration is determined or at a given charge carrier density the value of the barrier height and the dam.t correlated interface state density is concluded. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, daß es als berührungslose und damit zerstörungsfreie sowie ortsauflösende Methode zur Bestimmung der elektrischen bzw. optischen Materialparameter in einem erweiterten Anwendungsbereich eingesetzt wird sowohl an Halbleiter-Basismaterialien als auch an kompletten Bauelementestrukturen in Form von Wafer und Chips, wobei eine Weiterverwendung des untersuchten Materials gewährleistet werden kann.2. The method according to claim 1, characterized in that it is used as a non-contact and thus non-destructive and spatially resolving method for determining the electrical or optical material parameters in a broader scope both of semiconductor base materials as well as complete device structures in the form of wafers and Chips, whereby further use of the material under investigation can be ensured. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß es an kompaktem Halbleitermaterial, insbesondere an Mischkristallverbindu/igen, epitaktischen Schichten ggf. unter Einbeziehung der Schrägschlifftechnik oder eines elektroiytischen Schichtabtrages angewendet wird.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that it is applied to compact semiconductor material, in particular to Mischkristallverbindu / igen, epitaxial layers, possibly incorporating the Schrägschlifftechnik or a elektroiytischen Schichtabtrages. 4. Verfahren gemäß Anspruch 1. bis 3., gekennzeichnet dadurch, daß es zur Erfassung der lokalen und zeitlichen Eigenschaftsänderungen an Basismaterialien und Bauelementen eingesetzt wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that it is used to detect the local and temporal changes in properties of base materials and components.
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