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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines Halbleiterwafers gemäß Anspruch 1.
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Bei Halbleiterwafern, insbesondere mit dem Czochralski-Verfahren hergestellten Silizium (Cz-Si) Wafern, ist die Präsenz von thermischen Donatoren (TD) ein häufig auftreten des Problem. TD haben zwar auf die fertigen Solarzellen keinen Einfluss, da sie während der Emitterdiffusion aufgelöst werden, aber im as-cut Zustand, d.h. unmittelbar nach dem Sägevorgang zur Herstellung des Wafers, kann der Widerstand der Wafer nicht richtig bestimmt werden.
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Ist die Messung des Widerstandes und somit der Basisdotierkonzentration im Eingangstest nicht möglich, können die Wafer nicht dem dazu passenden Solarzellenprozess zugeführt werden. Werden Wafer mit einem für das jeweilige Solarzellenkonzept unpassenden Widerstand prozessiert, kann dies deutlich den Wirkungsgrad reduzieren. Die Bestimmung des Widerstands ist zudem industriell von großer Bedeutung, da der Widerstand kristallisationsbedingt innerhalb eines Ingots von einem hohen Anfangswert auf einen niedrigeren Endwert absinkt. Aus diesem Bereich muss der Hersteller die Wafer mit dem geforderten Widerstand entnehmen. Da aber oft die ersten 10 %–30 % eines Ingots von thermischen Donatoren unterschiedlicher Stärke betroffen sind, wird dort der Widerstand mit großem Messfehler gemessen und kann daher nicht zur Sortierung des Materials verwendet werden.
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Da einem Zellhersteller i.d.R. keine Informationen über den Kristallisationsprozess vorliegen, können lediglich Wafer mit sehr starken TD im Eingangstest detektiert werden, da solche Wafer mit unnormal, d.h. sehr stark überhöhten Werten auffallen. Sind die Werte nur leicht durch TD erhöht, sind diese nicht nachweisbar und die eigentlich fehlerhafte Messung wird zur Bewertung des Materials herangezogen und wirkt sich somit auch fehlerhaft auf die Bestimmung des Emitterwiderstandes aus.
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Dieser Zustand wird seitens der Industrie stark bemängelt aber mangels wirtschaftlicher Messverfahren hingenommen.
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Die Druckschrift
US 4 755 746 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Testen von Halbleiterwafern, um einen Schichtwiderstand des Halbleiterwafers mit einer hohen Genauigkeit auch in Randnähe des Halbleiterwafers zu messen.
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Die Druckschrift
US 2006 / 0 255 825 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Charakterisierung von Elementen, welche auf einem Substrat ausgebildet sind, wobei diese Elemente auch in Randnähe des Substrates angeordnet sein können. Um eine Messung durchzuführen, die nicht aufgrund von thermischen Donatoren verfälscht wird, ist es daher bekannt, die Wafer für ein vorgegebenes Zeitintervall bei einer vorgegebenen Temperatur zu erhitzen („Tempern“) und anschließend zu vermessen. Ein derartiges Verfahren ist jedoch unter Produktionsbedingungen wirtschaftlich nicht integrierbar. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass bei sägerauen Wafern, das heißt Wafern unmittelbar nach dem Sägeprozess („as-cut“), durch die Erwärmung Verunreinigungen eingetrieben werden, welche die elektrischen Eigenschaften und damit den Wirkungsgrad der herzustellenden Solarzelle verschlechtern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Charakterisierung eines Halbleiterwafers durch Bestimmung der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes zur Verfügung zu stellen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorzugsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 13.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung eines Halbleiterwafers umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Bereitstellen des Halbleiterwafers. In einem Verfahrensschritt B erfolgt das Bestimmen der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes des Halbleiterwafers.
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Wesentlich ist, dass in Verfahrensschritt B die Bestimmung an einem oder mehreren in einem Messbereich liegenden Messpunkt erfolgt, wobei der Messbereich innerhalb eines Randbereichs des Wafers liegt.
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Die Erfindung ist in folgender Erkenntnis des Inhabers begründet: Untersuchungen der Verteilung von thermischen Donatoren an Halbleiterwafern ergaben, dass für typische Halbleiterwafer, welche aus einem Ingot hergestellt werden, beispielsweise mittels eines Sägeverfahrens, die Effekte der thermischen Donatoren in etwa konzentrische Ringe ergeben. Beispielsweise sind bei Photolumineszaufnahmen von solchen Halbleiterwafern typischerweise konzentrische Ringe erkennbar. Die Untersuchungen ergaben jedoch, dass in Randbereichen des Halbleiterwafers keine oder nur geringe auf thermische Donatoren zurückzuführende Effekte ersichtlich sind und somit angenommen werden kann, dass die Konzentration von thermischen Donatoren in solchen Randbereichen zumindest sehr gering ist. Basierend auf dieser überraschenden Erkenntnis kann, da die Dotierkonzentration und/oder der Schichtwiderstand des Halbleiterwafers in etwa konstant bei einem Halbleiterwafer ist, durch Eingrenzung der Bestimmungsorte zur Bestimmung der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes auf die Randbereiche der negative Einfluss von thermischen Donatoren vermieden oder zumindest erheblich verringert werden.
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Es wird vermutet, dass thermische Donatoren bei der Herstellung eines Ingots während der Kristallisation bei einem langsamen Abkühlen und in etwa bei einer Temperatur von 500°C entstehen. Kühlt hingegen ein Bereich schneller aus, so entstehen keine thermischen Donatoren. Da der Randbereich des Halbleiterwafers einem Bereich entspricht, in welchem bei der Herstellung aufgrund der Randlage eine starke Abkühlung erfolgt, ergibt sich entsprechend zumindest nur eine sehr geringe Dichte von thermischen Donatoren in diesen Randbereichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet somit den verfälschenden Einfluss thermischer Donatoren auf das Messergebnis bei der Bestimmung der Dotierkonzentration, indem die Bestimmnung der Dotierkonzentration im Wesentlichen anhand mittels der Messdaten an einem oder mehreren in einem Randbereich des Wafers liegender Messpunkt erfolgt. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass auch an außerhalb des Randbereichs liegenden Messpunkten Messungen vorgenommen werden, beispielsiweise zu Eingrenzung des Randbereichs. Ebenso ist es möglich, durch eine stärkere Gewichtung eines oder mehrere Messpunkte im Randbereich gegenüber Messpunkten ausßerhalb von Randbereichen den verfälschenden Einfluss der thermischen Donatoren zu verringern. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Dotierkonzentration ausschließlich mittels der Messdaten an einem oder mehreren in einem Randbereich des Wafers liegenden Messpunkt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erstmals möglich, die Dotierkonzentration und/oder den Schichtwiderstand eines Halbleiterwafers zu bestimmen, ohne dass die Messung erhebliche Messfehler aufgrund von thermischen Donatoren aufweist und ohne dass für diese Messung aufwendige Präparationen, wie beispielsweise ein Tempern des Wafers notwendig ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher zur Integration in industrielle Herstellungsverfahren, insbesondere zur Herstellung von fotovoltaischen Solarzellen, bevorzugt Silizium-Solarzellen, insbesondere Silizium-Solarzellen basierend auf Cz-Siliziumwafer, geeignet. Insbesondere kann beispielsweise durch an sich bekannte inline-Messapparaturen eine Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in Linienprozesse erfolgen.
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Untersuchungen des Inhabers haben ergeben, dass vorzugsweise der Randbereich derart eingegrenzt wird, dass der Randbereich als Bereich des Wafers mit einem Abstand kleiner 4 cm, vorzugsweise kleiner 3 cm, insbesondere kleiner 2 cm zum Rand des Wafer ist definiert wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, den Randbereich bei runden oder in etwa runden Wafern als ringförmigen Randbereich mit einer Breite von 1 cm, vorzugsweise im Bereich von 2 cm zum Rand des Wafers zu definieren.
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Typische verwendete Wafer sind in etwa als Vieleck ausgebildet. Vorzugsweise erfolgt die Definition der Messbereiche in diesem Fall derart, dass der Messbereich die Summe der Bereiche mit Abstand kleiner 2 cm, vorzugsweise kleiner 1 cm zu jeweils einem Eck des Vielecks ist. Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass insbesondere in solchen Eck-Bereichen eine geringe Beeinträchtigung der Messung durch thermische Donatoren erfolgt, wohingegen in Randbereichen, welche außerhalb solcher Eck-Bereiche liegen, eine höhere Beeinträchtigung durch thermische Donatoren vorliegen kann.
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Häufig werden Halbleiter-Wafer verwendet, welche eine so genannte „pseudosquare“-Formen oder pseudoquadratische Form besitzen. Eine pseudosquare-Form entsteht, wenn ein Vieleck, typischerweise ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat, abgerundete oder abgeschrägte Ecken aufweist. Solche pseudoquadratische Formen ergeben sich beispielweise, wenn Wafer aus einem Siliziumingot scheibenweise beispielsweise durch Sägen erstellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhafterweise bei solchen typischerweise verwendeten pseudoquadratischen Wafern anwendbar. Vorzugsweise erfolgt hierbei in Verfahrensschritt B die Bestimmung mittels Messdaten an einem oder mehrerer in einem oder mehreren Eckmessbereichen der abgerundeten oder abgeflachten Ecken des pseudoquadratischen Wafers. In diesem Fall ist der Messbereich somit durch den Randbereich des pseudoquadratischen Wafers begrenzt und zusätzlich durch Eckbereiche der abgerundeten oder abgeflachten Ecken des pseudoquadratischen Wafers.
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Untersuchungen des Inhabers haben ergeben, dass eine einfache Definition eines Eck-Messbereiches zur Durchführung der Messung an pseudoquadratischen Wafern definiert wird, in dem alle Messpunkte, die bei senkrechter Projektion auf eine Pseudodiagonale innerhalb der randständigen 10% der Diagonale liegen als innerhalb des Messbereichs liegend definiert werden.
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Die Pseudodiagonale stellt eine Diagonale des Wafers dar, welche durch zwei gegeneinander überliegende Ecken des Wafers verlaufen würden, wenn die Ecken nicht abgeflacht oder abgerundet wären. Mann kann eine Pseudodiagonale somit dadurch erhalten, dass die Kanten des Wafers an einer abgeflachten oder abgerundeten Ecke verlängert werden, so dass der Schnittpunkt dieser Kanten einen theoretischen Eckpunkt des Wafers definiert, wenn der Wafer keine abgerundeten oder abgeflachten Ecken hätte und hierdurch durch zwei auf diese Weise gegenüberliegend bestimmte theoretische Eckpunkte eine Diagonale definiert wird, welche eine Pseudodiagonale des pseudoquadratischen Wafers darstellt.
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Untersuchungen des Inhabers haben weiterhin gezeigt, dass unmittelbar im Randbereich eines Halbleiterwafers häufig andere Störeffekte auftreten können, welche ebenfalls die Messung beeinträchtigen und somit zu Messfehlern führen. Vorzugsweise wird daher ein geringfügiger Abstand der Messpunkte zu dem Rand des Wafers gewahrt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Messpunkte einen Abstand von zumindest 1 mm, bevorzugt zumindest 2 mm, weiter bevorzugt zumindest 3 mm zum Rand des Wafers aufweisen.
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Wie zuvor ausgeführt, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine spezielle Präparation des Halbleiterwafers notwendig, insbesondere ist kein Tempern notwendig. Vorzugsweise ist der Halbleiterwafer daher ein sägerauer Halbleiterwafer, insbesondere bevorzugt ein Siliziumwafer, vorzugsweise ein aus einem Silizium-Ingot gewonnener Siliziumwafer, insbesondere ein FZ- oder Cz-Siliziumwafer.
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Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist es vorteilhaft, in Verfahrensschritt B die Bestimmung der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes für eine Mehrzahl von Messpunkten durchzuführen, wobei alle Messpunkte im Randbereich angeordnet sind. Die Auswertung kann in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch Mittelung der Messergebnisse, erfolgen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt alternativ oder zusätzlich in Verfahrensschritt B eine Messung an einer Mehrzahl von Messpunkten, wobei die Bestimmung der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes des Halbleiterwafers lediglich anhand einer Untergruppe dieser Messpunkte durchgeführt wird. Diese Untergruppe wird aus der Gesamtgruppe der Messpunkte gebildet, indem eine maximale absolute oder prozentuale Abweichung des Messwertes eines Messpunktes von einem maximalen Messwert der Gesamtgruppe vorgegeben wird.
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Bei dieser Ausführungsform wird somit das Maximum aller Messungen bestimmt. Als Messergebnis wird jedoch lediglich der Messpunkt des Maximums oder Messpunkte mit einem vorgegebenen Maximalabstand zu diesem Maximum verwendet. Dies ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass durch thermische Donatoren typischerweise ein zu niedriger Wert für die Dotierkonzentration ermittelt wird. Ein Messwert, für den das Maximum der Dotierkonzentration bestimmt wurde sowie Messpunkte, deren Messwerte nur geringfügig von diesem Maximum abweichen, sind somit nicht durch die thermischen Donatoren beeinflusst und befinden sich im Randbereich des Halbleiterwafers. Die vorhergehende Beschreibung bezieht sich auf die Bestimmung der Dotierkonzentration. Sofern der Schichtwiderstand bestimmt wird, ist entsprechend „Maximum“ durch „Minimum“ zu ersetzen, da mit steigender Dotierkonzentration der Schichtwiderstand abnimmt.
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In einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Verfahrensschritt B eine Messung an einer Mehrzahl von Messpunkten, welche Messpunkte auf mindestens eine von einem Rand des Wafers zu einem gegenüberliegenden Rand des Wafers reichenden Linie angeordnet sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass zumindest eine Untergruppe der Messpunkte im Randbereich angeordnet ist, sodass beispielsweise mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens, eine Aufwertung dieser Messpunkte in einfacher Weise erfolgen kann.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich hierbei, indem zur Bestimmung in Verfahrensschritt B für die mindestens eine Linie, vorzugsweise für alle Linien, zwei Untergruppen von Messpunkten gebildet werden, indem für die zu der ersten Hälfte der Linie gehörigen Messpunkte und für die zu der zweiten Hälfte der Linie gehörigen Messpunkte jeweils ein maximaler Messwert bestimmt wird und diese beiden Maxima zur Bestimmung der Dotierkonzentration verwendet werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass zusätzlich eine vorgegebene Anzahl von um die zwei zu den maximal gehörenden Messpunkten liegenden Messpunkten für die Bestimmung verwendet wird. Hierbei kann die Auswertung in an sich bekannter Weise beispielsweise durch Mittelung erfolgen. Analog gilt auch bei der hier beschriebenen Vorgehensweise, dass bei der Bestimmung des Schichtwiderstandes „Maximum“ entsprechend durch „Minimum“ zu ersetzen ist.
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Das Bestimmen der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes in Verfahrensschritt B kann in an sich bekannter Weise erfolgen, insbesondere durch Mehrspitzenmessung oder induktive Messung. Besonders vorteilhaft ist die Messung von in dem Halbleiterwafer erzeugter Lumineszenzstrahlung. Die Bestimmung der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes anhand von erzeugter Lumineszenzstrahlung ist an sich bekannt und beispielsweise in T. Trupke et al., Applied Physics Letters, 89, 044107 (2006) beschrieben. Ebenso ist die Messung der Mikrowellenresonanz möglich, um die Dotierkonzentration und/oder den Schichtwiderstand zu bestimmen.
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Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass die Bestimmung mittels Lumineszenzmessung in besonders einfacher Weise vorteilhaft erfolgt, indem ein linearer Zusammenhang zwischen gemessener Lumineszenzintensität und Dotierkonzentration verwendet wird, vorzugsweise gemäß Formel 1 NDot(x, y) = a·IPL(x. y) + b (Formel 1), mit der Dotierkonzentration NDot[cm–3] für den Messpunkt am Ort (x, y), der Intensität der gemessenen Lumineszenzstrahlung IPL(x, y) [1/s] am Ort (x, y) und den Kalibrierungskoeffizienten a[s cm–3] und b[cm–3] oder gemäß einer analogen Formel für den Schichtwiderstand in Abhängigkeit der Intensität des gemessenen Lumineszenzsignals.
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Untersuchungen des Inhabers haben ergeben, dass in sehr guter Näherung die Dotierkonzentration abhängig von der gemessenen Intensität des Photolumineszenzsignals bestimmt werden kann. Vorzugsweise werden die Kalibrierungskoeffizienten a und b empirisch bestimmt. Insbesondere mittels Durchführung von Kalibriermessungen an Probewafern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit erstmals eine genaue und gleichzeitig kostengünstige Bestimmung der Dotierkonzentration und/oder des Schichtwiderstandes eines Halbleiterwafers. Insbesondere ist es daher vorteilhaft, die Halbleiterwafer ohne weitere Vorbehandlung im as-cut-Zustand zu vermessen.
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Weitere Vorteile und vorzugsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel der empirischen Bestimmung der vorgenannten Kalibrierungskoeffizienten a und b gemäß Formel 1;
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2 eine Lumineszenzmessung an einem Cz-Siliziumwafer, wobei die Messbreiche und die Randbereiche markiert sind, welche zur Bestimmung der Dotierkonzentration verwendet werden und
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3 eine schematische Darstellung eines Messbereiches eines pseudosquare Wafers.
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1 zeigt für mehrere Wafer, deren Dotierkonzentration nach Tempern mittels induktiver Widerstandsmessung bestimmt würde, das jeweils korrespondierende Messsignal bei Photolumineszenzmessung. Auf der X-Achse ist das Photolumineszenzsignal in [1/s] und auf der Y-Achse die Dotierkonzentration („Dotierung“) in [cm–3] aufgetragen. Wie aus 1 ersichtlich ist, ergeben die Messpunkte in guter Näherung eine Gerade und können somit durch Formel 1 angenähert werden, wobei es sich für den Kalibrierungskoeffizient a empirisch etwa 2,92·10–13 s cm–3 und für den Kalibrierungskoeffizient b etwa –4,44·1015 cm–3 ergibt.
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Die Bestimmung der Kalibrierungskoeffizienten kann mit an sich bekannten linearen Fitmethoden erfolgen.
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In 2 ist für einen as-cut-Zustand Cz-Siliziumwafer ortsaufgelöst das Lumineszenzsignal aufgetragen. Deutlich sind die eingangs beschriebenen konzentrischen Ringe ersichtlich. Die dunklen Bereiche an jeder Ecke, wobei exemplarisch ein (dreieckiger) Bereich A oben links dargestellt ist, stellen die Randbereiche dar, an welchen das Lumineszenzsignal gemäß Formel 1 und dem zuvor beschriebenen Kalibrierungskoeffizienten zur Bestimmung der Dotierkonzentration des Halbleiterwafers verwendet wird.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei welchem ein Messbereich gestrichelt exemplarisch in einem Eckbereich dargestellt ist. Der gestrichelt dargestellte Messbereich ist wie folgt definiert:
Der Messbereich liegt in einem Randbereich des Halbleiterwafers, welcher vorliegend durch die als durchgezogene Linien dargestellten Kanten begrenzt wird und somit eine Pseudosquare-Form aufweist. Die Verlängerung der Kanten K1 bis K4 des Halbleiterwafers (gestrichelt dargestellt) definieren an den jeweiligen Schnittpunkten theoretische Eckpunkte E1 bis E4. Diese wären somit Eckpunkte des Wafers, wenn er statt der pseudoquadratischen Form eine quadratische Form hätte.
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Verbindet man nun zwei gegenüberliegende Ecken, beispielsweise die Ecke E1 und E3 mit einer Linie, so erhält man die (gestrichelt dargestellte) Pseudodiagonale D.
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Der Messbereich ist nun weiterhin dadurch eingeschränkt, dass alle Messpunkte innerhalb der randständigen 10% der Diagonale D liegen. Diese Begrenzung ergibt sich somit dadurch, dass die Strecke zwischen den Punkten A und B 10% der Strecke zwischen den Punkten A und C auf der Diagonale D beträgt. Die Begrenzungslinie dieses randständigen Bereiches ergibt sich durch eine Linie, welche durch den Punkt B führt und senkrecht zu der Pseudodiagonalen D steht.
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Um weiterhin eine Verfälschung von Messergebnissen durch Störeffekte unmittelbar am Rand des Wafers zu vermeiden, ist der gestrichelte Messbereich weiterhin dadurch begrenzt, dass gemäß der Linie R, welche ebenfalls senkrecht zur pseudodiagonalen D steht, eine weitere Begrenzungslinie definiert wird, welche einen Abstand von 1 mm aufweist.
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Vorzugsweise wird analog zu dem der Ecke E1 zugeordnetem gestrichelt dargestellten Messbereich ein den Ecken E2, E3 und E4 zugeordneter Messbereich definiert, so dass der Messbereich zur Anwendung dieser vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Vereinigung dieser vier Messbereiche ist.
