DE10221937A1

DE10221937A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in einer zu messenden Halbleiterprobe

Info

Publication number: DE10221937A1
Application number: DE10221937A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hermes
Original assignee: Individual
Current assignee: Hermes Uwe 72202 Nagold De
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-12-04
Also published as: US7026831B2; WO2003098197A1; US20050237080A1; AU2003236654A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Messung der Diffusionsgeschwindigkeit von Minoritätsladungsträgern zu schaffen. Speziell soll das Verfahren leicht durchführbar sein. Das Verfahren soll eine höhere Messgenauigkeit liefern. Die Auswertung der Messung soll einfach sein. Die Vorrichtung soll einfach handhabbar sein. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verfahrensschritte: Beaufschlagen der Halbleiterprobe (28) periodisch und phasenverschoben mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen (lambda¶1¶, lambda¶2¶), DOLLAR A Bestimmen der Modulation des durch das Licht hervorgerufenen Oberflächenpotentials, DOLLAR A Verändern wenigstens einer der Lichtintensitäten (I¶1¶), derart, daß die Modulation des Oberflächenpotentials verschwindet, und Bestimmen der Diffusionslänge (L) der Minoritätsladungsträger aus dem Verhältnis der dann erhaltenen Lichtintensitäten. Eine Vorrichtung enthält eine erste und eine zweite monochromatische Lichtquelle (10, 14), wobei die Wellenlängen (lambda¶1¶, lambda¶2¶) der beiden Lichtquellen (10, 14) unterschiedlich sind, Mittel (18, 20, 22) zum abwechselnden Beaufschlagen der Halbleiterprobe (28) mit Licht der ersten und der zweiten Lichtquelle (10, 14), Mittel (30) zum Bestimmen des Oberflächenpotentials der Halbleiterprobe (28), Mittel (32) zum Bestimmen der Modulation des Oberflächenpotentials, Mittel (34, 36) zum Verändern der auf die Halbleiterprobe (28) auftreffenden Intensität des Lichts von wenigstens einer der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in einer zu messenden Halbleiterprobe. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Messung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in Halbleitern kann dazu benutzt werden, Materialqualität und Verunreinigungen des Halbleiters zu bestimmen.
Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung besteht in der Entwicklung und dem Verkauf von Geräten zur Messung der Diffusionslänge einer Halbleiterprobe basierend auf dem vorgeschlagenem Verfahren.

Nach einem bekannten Verfahren (ASTM F 391-96 "Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-State Surface Photovoltage", Method A) wird der Halbleiter mit moduliertem Licht beaufschlagt. Die resultierende Modulation des Oberflächenpotentials des Halbleiters wird für eine größere Anzahl von Wellenlängen einfallenden Lichts gemessen. Dabei wird bei jeder Messung die Intensität der Photonenströme so angepaßt, daß sich jeweils die gleiche, vorgegebene Modulation des Oberflächenpotentials ergibt. Aus der Abhängigkeit der so erhaltenen Intensitäten von der Wellenlänge kann die Diffusionslänge des Minoritätsladungsträger bestimmt werden.

Bei einem anderen bekannten Verfahren (a. a. O Method B) wird die Modulation des Oberflächenpotentials mehrmals für Photonenströme bei einer größeren Anzahl von . Wellenlängen gemessen. Dabei wird jedoch die Intensität der Photonenströme konstant gehalten, und es wird die unterschiedlichen Modulation des Oberflächenpotentials gemessen. Aus der Abhängigkeit der Modulation des Oberflächenpotentials von der Wellenlänge wird die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger bestimmt.

Bei beiden Verfahren ist Voraussetzung, daß das Oberflächenpotential linear von der Intensität des Photonenstroms abhängt. Es muß in einem Bereich gearbeitet werden, in welchem diese Voraussetzung gegeben ist. Das begrenzt die Intensität der Photonenströme auf kleine Werte. Die linearen Bereiche müssen bestimmt werden. Die Auswertung ist aufwendig. Das Meßergebnis kann beeinflußt werden durch zeitliche Veränderungen von Materialparametern, die einen Einfluß auf den Zusammenhang zwischen Oberflächenpotential und Intensität haben, z. B. der Oberflächen- Rekombinationsgeschwindigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Messung der Diffusionsgeschwindigkeit von Minoritätsladungsträgern zu schaffen.

Speziell soll das Verfahren leicht durchführbar sein. Das Verfahren soll eine verbesserte Meßgenauigkeit liefern. Die Auswertung der Messung soll einfach sein. Die Vorrichtung soll einfach handhabbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in einer zu messenden Halbleiterprobe, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Beaufschlagen der Halbleiterprobe periodisch abwechselnd mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen,
b) Bestimmen der Modulation des durch das Licht hervorgerufenen Oberflächenpotentials,
c) Verändern wenigstens einer der Lichtintensitäten derart, daß die Modulation des Oberflächenpotentials verschwindet, und
d) Bestimmen der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger aus dem Verhältnis der dann erhaltenen Lichtintensitäten.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält erfindungsgemäß eine erste und eine zweite monochromatische Lichtquelle, wobei die Wellenlängen (λ₁, λ₂) der beiden Lichtquellen unterschiedlich sind, Mittel zum abwechselnden Beaufschlagen der Halbleiterprobe mit Licht der ersten und der zweiten Lichtquelle, Mittel zum Bestimmen des Oberflächenpotentials der Halbleiterprobe, Mittel zum Bestimmen der Modulation des Oberflächenpotentials, Mittel zum Verändern der auf die Probe auftreffenden Intensität des Lichts von wenigstens einer der Lichtquellen so, daß die Modulation des Oberflächenpotentials verschwindet und Mittel zum Bestimmen der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger aus dem Verhältnis der so an der Halbleiterprobe erhaltenen Intensitäten.

Die Halbleiterprobe kann gegenphasig mit Licht zweier verschiedener Wellenlängen beaufschlagt werden. Die Halbleiterprobe kann aber auch periodisch und phasenverschoben mit Licht von mehr als zwei Wellenlängen beaufschlagt sein, z. B. mit einer Phasenverschiebung von jeweils 120° mit Licht von drei verschiedenen Wellenlängen.

Dabei kann die Lichtintensität jeder der Wellenlängen nach einer stetigen Funktion der Zeit verändert werden. Es ist aber auch möglich, dass die Lichtintensität jeder der Wellenlängen nach einer Rechteckfunktion der Zeit verändert wird.

Bei einem solchen Verfahren und einer solchen Vorrichtung hat eine Nichtlinearität des Zusammenhanges von Oberflächenpotential und Lichtintensität keinen Einfluss auf das Meßergebnis. Dadurch wird die Meßgenauigkeit erhöht.

Der Intensitätsbereich der Photonenströme kann nach oben hin größer gewählt werden als bei den bisher bekannten Verfahren. Dies hat ebenfalls eine Erhöhung der Messgenauigkeit, aber auch eine höhere Messgeschwindigkeit zur Folge. Mit einer höheren Photonenintensität können mit diesem Verfahren deshalb auch niederohmige Materialien vermessen werden, die mit den bekannten Verfahren derzeit nicht vermessen werden können.

Veränderungen von Materialparametern (z. B. die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit) während der sequentiellen Anwendung von Photonenströmen unterschiedler Wellenlängen sind eine entscheidende Ursache für die Begrenzung der Messgenauigkeit bei den derzeitigen Verfahren. Diese Veränderungen haben keinen Einfluss bei dem vorgeschlagenen Verfahren, weil sie langsam im Vergleich zur Modulation der Lichtquellen. Deshalb wird eine deutlich verbesserten Genauigkeit in der Bestimmung der Diffusionslänge erreicht.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in einer zu messenden Halbleiterprobe
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Intensitäten zweier gegenphasiger Photonenströme im abgeglichenen Zustand der Vorrichtung, wobei die Photonenströme nach einer Rechteckfunktion der Zeit verändert werden.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der durch die beiden Photonenströme von Fig. 2 erzeugten Oberflächenladungsträgerkonzentrationen und deren Summe.
Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Intensitäten zweier gegenphasiger Photonenströme im abgeglichenen Zustand der Vorrichtung, wobei die Photonenströme nach einer Sinusquadrat Funktion der Zeit verändert werden.
Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der durch die beiden Photonenströme von Fig. 4 erzeugten Oberflächenladungsträgerkonzentrationen und deren Summe.
In Fig. 1 ist mit 10 eine erste monochromatische Lichtquelle bezeichnet. Die Lichtquelle 10 emittiert ein Lichtbündel 12 mit einer Wellenlänge λ₁. Mit 14 ist eine zweite monochromatische Lichtquelle bezeichnet. Die Lichtquelle 14 emittiert ein Lichtbündel 16 mit einer Wellenlänge λ₂. Die Lichtbündel 12 und 16 sind zueinander senkrecht. Im Schnittpunkt der beiden Lichtbündel 12 und 16 sitzt ein halbdurchlässiger Spiegel, der mit jedem der Lichtbündel 12 und 16 einen Winkel von 45° bildet. Durch den halbdurchlässigen Spiegel 18 werden die beiden Lichtbündel überlagert: Das Lichtbündel 12 geht zur Hälfte durch den halbdurchlässigen Spiegel 18 hindurch. Das Lichtbündel 16 wird zur Hälfte um 90° umgelenkt und dem durchgehenden Lichtbündel 16 überlagert.
Im Strahlengang des Lichtbündels 12 ist ein optischer Schalter 20 angeordnet. Der optische Schalter schwächt das Lichtbündel nach Maßgabe eines daran angelegten Signals. Solche optischen Schalter sind dem Fachmann geläufig und daher hier nicht im einzelnen beschrieben. Ein entsprechender optischer Schalter 22 sitzt im Strahlengang des zweiten Lichtbündels 16. Die beiden optischen Schalter 20 und 22 sind von einem Signalgenerator 24 gegensinnig angesteuert. Die Ansteuerung kann, wie in Fig. 1 angedeutet, mit einem Rechtecksignal 26 erfolgen. Die Ansteuerung kann aber auch mit einem Sinusquadrat-Signal erfolgen, was zu einem entsprechenden Intensitätsverlauf führt, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Der optische Schalter 20 wird von dem Signal des Signalgenerators 24 über einen Inverter 28 angesteuert. Der optische Schalter 22 wird von dem Signal des Signalgenerators 24 direkt angesteuert. Dementsprechend werden die beiden Lichtbündel 12 und 16 durch die optischen Schalter 20 bzw. 22 gegensinnig oder gegenphasig moduliert. Das ist in Fig. 2 und 4 zu sehen.
Jedes der Lichtbündel erzeugt eine entsprechend modulierte Oberflächenladungsträgerkonzentration und damit ein entsprechendes Oberflächenpotential. Die Oberflächenpotentiale überlagern sich. Dabei ist bei gleicher Intensität des Photonenstromes das durch das erste Lichtbündel der Wellenlänge λ₁ erzeugte Oberflächenpotential kleiner als das durch das zweite Lichtbündel der Wellenlänge λ₂ erzeugte Oberflächenpotential.
Das Oberflächenpotential im Auftreffpunkt der beiden Lichtbündel 12 und 16 auf eine Halbleiterprobe 29 wird mittels eines Detektors 30 gemessen. Das Oberflächenpotential ist infolge der unterschiedlichen Wirkungen des Lichts im ersten und im zweiten Lichtbündel 12 bzw. 16 zunächst moduliert. Das Oberflächenpotential ist z. B. höher, wenn das erste Lichtbündel 12 sein Maximum hat, und ist geringer, wenn das zweite Lichtbündel 16 sein Maximum hat. Bei sinusförmiger Modulation der Lichtbündel ergibt sich ein entsprechend sinusförmiger Verlauf des Oberflächenpotentials. Das Detektorsignal des Detektors 30 ist auf einen Lock-In-Verstärker 32 geschaltet. Der Lock- In-Verstärker 32 ist von dem Signal des Signalgenerators 24 gesteuert. Der Lock-In- Verstärker 32 liefert ein Regelsignal, dessen Vorzeichen von der Phase (0° oder 180°) des Detektorsignals abhängt. Das Regelsignal ist auf eine Rückführschleife 34 geschaltet. Die Rückführschleife steuert einen im Strahlengang des ersten Lichtbündels 12 angeordneten optischen Abschwächer 36. Dadurch wird die vom ersten Lichtbündel 12 herrührende Intensität I₁ des Photonenstroms verändert, und zwar so lange, bis die Modulation des Oberflächenpotentials verschwindet.
Es ergibt sich dann eine Situation, wie sie in Fig. 2 und Fig. 3 bzw. Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt ist:
In Fig. 2 ist die Modulation des ersten Lichtbündels durch eine Rechteckfunktion 40 dargestellt. Die Modulation des zweiten Lichtbündels ist durch eine Rechteckfunktion 42 dargestellt. Die beiden Rechteckfunktionen sind gegenphasig. Daraus ergibt sich daraus eine Moduluation des Photonenstroms an der Halbleiterprobe 29. Durch die Regelschleife 32, 34, 36 wird die Amplitude des ersten Lichtbündels 12 so verändert, daß sich eine konstante, nicht moduliertes Oberflächenladungsträgerkonzentration (und damit ein konstantes Oberflächenpotential) ergibt. Diese konstante Oberflächenladungsträgerkonzentration ist in Fig. 3 durch eine horizontale Linie 44 dargestellt.
In Fig. 4 ist die Amplitude der Modulation des ersten Lichtbündels 12, dargestellt durch eine Sinusquadratkurve 46, kleiner als die Amplitude der Modulation des zweiten Lichtbündels 16, welche durch eine zu der Sinusquadratkurve 46 gegenphasige Sinusquadratkurve 48 dargestellt ist. Die Modulation der Oberflächenladungsträgerkonzentration, welche auf das Lichtbündel 12 zurückgeht, dargestellt durch Kurve 50, ist aber gegenphasig gleich der Modulation des Oberflächenladungsträgerkonzentration, welche auf das Lichtbündel 16 zurückgeht und durch Kurve 52 dargestellt ist. Das Lichtbündel 12 ist "effektiver". Die Summe der beiden Oberflächenladungsträgerkonzentration ist dann konstant. Diese Summe ist durch die Linie 54 in Fig. 5 dargestellt.
Das ist der abgeglichene Zustand. In diesem Zustand stehen die Intensitäten I₁ und I₂ in einem bestimmten Verhältnis zueinander, das in geeigneter Weise gemessen werden kann. Die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger kann aus dem Verhältnis I₁/I₂ nach der Beziehung

bestimmt werden, wobei d₁ die Eindringtiefe des Lichts bei der ersten Wellenlänge λ₁ und d₂ die Eindringtiefe bei der zweiten Wellenlänge λ₂ ist.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Diffusionslänge (L) von Minoritätsladungsträgern in einer zu messenden Halbleiterprobe, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Beaufschlagen der Halbleiterprobe periodisch abwechselnd mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen,

b) Bestimmen der Modulation des durch das Licht hervorgerufenen Oberflächenpotentials der Halbleiterprobe,

c) Verändern wenigstens einer der Lichtintensitäten derart, daß die Modulation des Oberflächenpotentials verschwindet, und

d) Bestimmen der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger aus den dann erhaltenen Lichtintensitäten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt (a) die Halbleiterprobe abwechselnd mit Licht zweier verschiedener Wellenlängen (λ₁λ₂) beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt (a) bei der Beaufschlagung der Halbleiterprobe die Lichtintensitäten der Wellenlängen nach stetigen Funktionen der Zeit verändert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt (a) bei der Beaufschlagung der Halbleiterprobe die Lichtintensitäten der Wellenlängen nach einer Rechteckfunktion der Zeit verändert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionslänge (L) der Minoritätsladungsträger aus dem Verhältnis von je zwei im abgeglichenen Zustand erhaltenen Lichtintensitäten I_j und I_k nach der Beziehung

gewonnen wird, wobei d_j die Eindringtiefe des Lichts bei einer ersten Wellenlänge λ_j und d_k die Eindringtiefe bei einer zweiten Wellenlänge λ_k ist.

6. Vorrichtung zur Messung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in einer zu messenden Halbleiterprobe (28) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite monochromatische Lichtquelle (10, 14), wobei die Wellenlängen (λ₁, λ₂) der beiden Lichtquellen (10, 14) unterschiedlich sind, Mittel (18, 20, 22) zum abwechselnden Beaufschlagen der Halbleiterprobe (28) mit Licht der ersten und der zweiten Lichtquelle (10 bzw. 14), Mittel (30) zum Bestimmen des Oberflächenpotentials der Halbleiterprobe (28), Mittel (32) zum Bestimmen der Modulation des Oberflächenpotentials, Mittel (34, 36) zum Verändern der auf die Halbleiterprobe (28) auftreffenden Intensität des Lichts von wenigstens einer der Lichtquellen (10) so, daß die Modulation des Oberflächenpotentials verschwindet und Mittel zum Bestimmen der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger aus den so an der Halbleiterprobe erhaltenen Intensitäten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die beiden Lichtquellen (10 ,14) je ein Lichtbündel (12, 16) aussenden und die Strahlengänge dieser Lichtbündel (12, 16) mittels eines Strahlenteilers (18) zur Beaufschlagung der Halbleiterprobe (28) überlagert sind und

b) jeder dieser Strahlengänge einen optischen Schalter (20, 22) enthält, wobei die optischen Schalter (20, 22) durch ein Signal eines Signalgenerators (24) periodisch gegensinnig ansteuerbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Mittel zum Bestimmen des Oberflächenpotentials der Probe von einem im Bereich der Lichtbündel angeordneten, auf das Oberflächenpotential ansprechenden Detektor (30) gebildet sind,

b) das Signal des Detektors (30) auf einen Lock-In-Verstärker (32) geschaltet ist, der ebenfalls von dem Signal des Signalgenerators (24) gesteuert ist, und

c) der Lock-In-Verstärker (32) über eine Rückführschleife (34) einen im Strahlengang der ersten Lichtquelle (10) angeordneten Abschwächer (36) im Sinne eines Nullabgleichs der Modulation ansteuert.