DE1094875B - Verfahren zur Messung und registrierenden Erfassung der Traegerlebensdauer in Halbleitern - Google Patents

Verfahren zur Messung und registrierenden Erfassung der Traegerlebensdauer in Halbleitern

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DE1094875B
DE1094875B DEW26499A DEW0026499A DE1094875B DE 1094875 B DE1094875 B DE 1094875B DE W26499 A DEW26499 A DE W26499A DE W0026499 A DEW0026499 A DE W0026499A DE 1094875 B DE1094875 B DE 1094875B
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DE
Germany
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pulses
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square
voltage
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DEW26499A
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Georg Degenhardt
Dipl-Phys Wolfgang Dietz
Hermann Helmberger
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Wacker Chemie AG
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Wacker Chemie AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2607Circuits therefor
    • G01R31/2637Circuits therefor for testing other individual devices

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Description

  • Verfahren zur Messung und registrierenden Erfassung der Trägerlebensdauer in Halbleitern Zur Charakterisierung des Ausgangsmaterials für Halbleiterbauelemente werden heute in der Hauptsache der spezifische Widerstand, das Vorzeichen der Majoritätsladungsträger (Leitungstyp) und die Lebensdauer der Ladungsträger angegeben. Hierbei wird unter Lebensdauer eine effektiver Wert T verstanden, der sich nach W. Shockley, Electrons and Holes in Semiconductors, D. van Nostrand Comp., New York, 1950, aus der Lebensdauer im Volumen TS und der Lebensdauer in der Oberfläche ro zusammensetzt: 111 1 1 - + Gleichung 1 r Zur Messung dieses Wertes sind verschiedene Methoden bekannt. (Halbleiterprobleme II, herausgegeben von W. Schott k y, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1955, Referat A. Hoffmann, § 3, S. 134ff.) Diese Meßmethoden sind entsprechend ihrer Entwicklung grundsätzlich auf Laborverhältnisse zugeschnitten und gestatten im günstigsten Falle die Ermittlung der Lebensdauer an einer Stelle des Prüflings durch einen Meßvorgang. Vielfach ist hierzu noch ein Nullabgleich oder z. B. die Auswertung eines Oszillogramms oder einer Kurve notwendig.
  • Bei der Produktion von Halbleitermaterial ist nun der Verlauf der Lebensdauer über die ganze Länge des in der Regel stabförmig vorliegenden Halbleiters von Interesse, und zwar einerseits zur Produktionsüberwachung, andererseits aber auch, um für die Weiterverarbeitung die an den einzelnen Stellen des Stabes vorhandenen Werte von v angeben zu können.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß die gesuchte Trägerlebensdauer ohne einen Nullabgleich als elektrische Meßgröße (Strom, Spannung Impulsfrequenz) vorliegt, wodurch relativ leicht in einer entsprechenden Anordnung eine registrierende Messung der Lebensdauer über die ganze Stablänge, z. B. punktweise digital oder kontinuierlich als Kurve, ermöglicht wird. Hierzu werden in bekannter Weise durch einen Meßimpulsgenerator an den einzelnen Meßstellen des Halbleiters, z. B. durch intermittierende Belichtung Leitwertsveränderungen erzeugt, die durch eine entsprechende Schaltung in Spannungsimpulse transformiert werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß einer der durch elektrische Differentiation daraus gewonnenen Impulse in verschiedene Kanäle eingespeist und dort an verschiedenen konstanten Spannungspegeln begrenzt wird und daß eine nachfolgende zweite elektrische Differentiation erfolgt, durch die zeitlich verschobene Impulse entstehen, durch die wiederum Rechteckimpulse ausgelöst werden, deren Länge gleich der zeitlichen Verschiebung ist und die zur direkt anzeigenden Messung und/oder kontinuierlichen bzw. punktweisen Registrierung der Trägerlebensdauer bei kontinuierlichem bzw. schrittweisem Vorschub des Prüflings verwendet werden.
  • Wird ein Halbleiter durch rechteckförmige Lichtimpulse belichtet, so steigt der Leitwert bei Einsetzen der Belichtung nach der Funktion g (t) an = - g0) (1 - e ) Gleichung 2 an, während er bei Aussetzen der Belichtung nach der Funktion g (t)ab = - g0) e T Gleichung 3 abfällt (Fig. 1). Bei den Gleichungen 2 und 3 ist dabei neben exakt rechteckförmigen Lichtimpulsen Voraussetzung, daß keinerlei Oberflächeneffekte auftreten. Bei der praktischen Durchführung ist dies zwar nicht der Fall, jedoch entspricht der letzte Teil der ansteigenden bzw. abfallenden Kurve der durch Gleichung 2 bzw.
  • Gleichung 3 dargestellten Funktion (Heywang und Zerbst, Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 11 a [1956], Heft 3). Betrachtet man also nur diesen letzten Teil der Funktionen X = f(t), die in bekannter Weise (Halbleiterprobleme II, herausgegeben von W. Schottky, Friedr.
  • Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1955, Referat A. Hoffmann, § 3, S. 137ff.) durch Transformation der Leitwertsänderungen in Spannungsänderungen, welche diesen proportional sind, aus den Funktionen g = f (t) nach Gleichung 2 und Gleichung 3 erhalten werden, so ist zur Ermittlung der Trägerlebensdauer T lediglich die Bestimmung der Zeitkonstante von Spannungsfunktionen entsprechend Gleichung 4 bzw. Gleichung 5 erforderlich.
  • Gleichung 4 Gleichung 5 Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektronischen Auswertung dieser Spannungsfunktionen nach T beruht darauf, daß die Zeit t, die z. B. von der Funktion nach Gleichung 5 zum Durchlaufen zweier konstant gehaltener Spannungspegel ul und u2 (Fig. 2) benötigt wird, unabhängig von der Größe d U proportional t ist. Mit den Bezeichnungen der Fig. 2 läßt sich ableiten Z= dt Gleichung 6 In U1 U2 Die Ermittlung von ZIt t in Gleichung 6 erfolgt dabei beispielsweise durch Messung und/oder Registrierung des arithmetischen Mittelwertes von rechteckförmigen Spannungs- bzw. Stromimpulsen konstanter Höhe und der Länge J t (Impulsfolgefrequenz der Rechteckimpulse = Impulsfolgefrequenz der Lichtimpulse = konstant) oder durch Auszählen von Impulsen, die von einem Sinusgenerator mit konstanter Frequenz (z. B. 100 kHz) in Verbindung mit einem Impulsformer erzeugt werden, wobei die Sinusspannung nur während der Zeit n g J t an den Impulsformer gelangt (n = 1, 2, 3...). Der Impulsformer gibt bei jedem Nulldurchgang der Sinusspannung einen Impuls an ein Zählgerät, wobei das Meßergebnis am Zählgerät angezeigt und/oder von einem Wertedrucker registriert wird.
  • Die erstgenannte Methode ist zur Registrierung von 7 mit einem Schreiber bei kontinuierlichem Vorschub des Prüflings geeignet, während die letztgenannte die punktweise Erfassung des Meßergebnisses bei schrittweisem Vorschub des Prüflings ermöglicht.
  • In Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Zur Ermittlung der Trägerlebensdauer in Halbleitern wird ein Meßimpulsgenerator 1 in Verbindung mit einem Vorverstärker 2, einer Differenzierstufe 3, einem Verstärker 4, zweier oder mehrerer Begrenzungsstufen 5 verwendet. An jede Begrenzungsstufe ist ein Differenzierglied 6, ein Verstärker 7, ein Gleichrichter 8 angeschlossen. Je zwei der so gebildeten Kanäle sind mit einer bistabilen Kippstufe 9 verbunden.
  • Der arithmetische Mittelwert der von den bistabilen Kippstufen 9 abgegebenen Rechteckimpulse wird in einer Schaltung 10 gebildet und von einem Instrument 11 angezeigt und/oder von einem Schreiber 12 registriert (Fig. 4). Die bistabilen Kippstufen 9 können auch (Fig. 5) an eine Torschaltung 13 angeschlossen werden. Mit der Torschaltung 13 sind einerseits ein Sinusgenerator mit konstanter Frequenz 14 und eine Triggerschaltung 15, andererseits ein Impulsformer 16 und ein Zählgerät 17 mitlohne Wertedrucker 18 verbunden. An Stelle des Meßimpulsgenerators 1 (Fig. 3 bis 5) kann auch ein Meßimpulsgenerator 19 (Fig. 6) mit automatischem, kontinuierlichem Vorschub des Prüflings in Verbindung mit einem Steuergerät 20 verwendet werden. Gleichermaßen ist die Verwendung eines Meßimpulsgenerators 21 mit automatischem, von einem Steuergerät 22 gesteuertem, schrittweisem Vorschub des Prüflings möglich (Fig. 7).
  • Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: In einem Meßimpulsgenerator 1 werden Spannungsimpulse nach Fig. 8 a erzeugt. Von den hierzu bekannten Anordnungen sind für eine registrierende Messung nur kontaktlose verwendbar, um einen automatischen Vorschub des Prüflings zu ermöglichen. Die vom Meßimpulsgenerator 1 gelieferten Impulse werden im Verstärker 2 zunächst verstärkt. Nach Gleichung 6 muß das Verhältnis der Pegelspannungen ul: u2 konstant sein, damit Proportionalität zwischen T und d t besteht. Bei Verwendung von zwei konstanten Spannungen mit den Absolutgrößen ul und u2 setzt dies voraus, daß die Spannung U,i, (Fig. 8a) ebenfalls konstant ist bzw. daß die relative Größe von ul und u2, bezogen auf den Grenzwert der Funktion u (t) für t + co, konstant bleibt. Da die Gesamthöhe des Impulses nach Fig. 8 a in der Regel nicht konstant vorausgesetzt werden kann, wird der im Verstärker 2 verstärkte Impuls im CR-Glied 3 differenziert.
  • Wird die Belichtungszeit des Stabes gleich der Zeit ohne Belichtung gewählt, so sind Anstiegs- und Abfallkurve des Impulses nach Fig. 8 a gleich. Damit ergibt sich nach der Differentiation eine konstante relative Größe der Pegelspannungen ?sl und «2J unabhängig von der Größe j U. Zwar wird bei großem d U und kleinem z ein anderer Teil der Funktion u (t) zur Bestimmung von z verwendet, was aber, wie oben erläutert, ohne Einfluß auf das Meßergebnis ist, sofern dafür Sorge getragen wird, daß beim kleinsten Wert von d U und beim größten Wert vonr(DimensionierungderMeßanordnung) der untersuchte Abschnitt in dem Teil der Funktion liegt, der einer e-Funktion entspricht. Das Differenzierglied 3 ist außerdem so dimensioniert, daß R C C g Tmfn ist, wobei rmtn den kleinsten Wert der Lebensdauer darstellt, der mit der Meßanordnung erfaßt werden soll. Somit ist der Fehler infolge Verzerren des Impulses durch das CR-Glied zu vernachlässigen. Die differenzierten Impulse (Fig. 8b) gelangen über einen Verstärker 4 an die Begrenzungsstufen 5, an deren Ausgängen Impulse nach Fig. 8c bzw. 8d entstehen. Diese werden in den CR-Gliedern 6 differenziert und in den Verstärkern 7 verstärkt. Durch die Gleichrichter 8 wird erreicht, daß nur die negativen von den am Ausgang der Verstärker 7 vorhandenen Impulse (Fig. 8 e bzw. 8f) zur Steuerung an die bistabile Kippstufe 9 gelangen. Somit liefert die bistabile Kippstufe 9 Rechteckimpulse der Länge t (Fig.8g). Der arithmetische Mittelwert dieser Rechteckimpulse wird in einer Meßanordnung 10 erfaßt und gelangt dann an einen Schreiber 12 bzw. an ein anzeigendes Instrument 11.
  • Zur punktweisen Erfassung von T und Registrierung mit einem Wertedrucker 18 werden die Rechteckimpulse der bistabilen Kippstufe 9 an eine Torschaltung 13 geleitet. Dadurch gelangt die von einem Sinusgenerator 14 gelieferte konstante Frequenz (z. B. 100 kHz) während der Zeit dt t auf den Impulsformer 16. Der Impulsformer 16 liefert bei jedem Nulldurchgang der auf ihn gelangenden Sinusspannung einen Impuls an das Zählgerät 17.
  • Durch eine Triggerschaltung 15 wird die Anzahl n der zu zählenden Zeitintervalle S t bestimmt, durch den Wertedrucker 18 der vom Zählgerät 17 ermittelte Wert registriert.
  • Zur Durchführung des Verfahrens mit kontinuierlicher Registrierung wird ein Meßimpulsgenerator 19 mit kontinuierlichem Vorschub des Prüflings verwendet. Durch ein Steuergerät 20 wird der gleichzeitige Anlauf der Motoren für den Vorschub des Prüflings und den Papiervorschub des Schreibers 12 ermoglicht. Außerdem wird durch das Steuergerät 20 der automatische Rücklauf des Prüflings nach Beendigung des Vorlaufes ausgelöst. Für die Durchführung der punktweisen Registrierung wird ein Meßimpulsgenerator 21 mit schrittweisem Vorschub des Prüflings eingesetzt. Ein Steuergerät 22 steuert den automatischen Ablauf der Messung nach folgenden Arbeitsgängen: Zählung - Abdruck - Nullstellung von Zählgerät und Drucker - Vorschub des Stabes um einstellbare Länge - Zählung usw. Nach der letzten Zählung erfolgt der automatische Rücklauf des Prüflings.

Claims (10)

  1. PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Messung und registrierenden Erfassung der Trägerlebensdauer in Halbleitern aus den Anstiegs- oder Abfallkurven der von einem den Prüfling enthaltenden Meßimpulsgenerator erzeugten Spannungsimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß einer der durch elektrische Differentiation daraus gewonnenen Impulse in verschiedene Kanäle eingespeist und dort an verschiedenen konstanten Spannungspegeln begrenzt wird und daß eine nachfolgende zweite elektrische Differentiation erfolgt, durch die zeitlich verschobene Impulse entstehen, durch die wiederum Rechteckimpulse ausgelöst werden, deren Länge gleich der zeitlichen Verschiebung ist und die zur direkt anzeigenden Messung und/oder kontinuierlichen bzw. punktweisen Registrierung der Trägerlebensdauer bei kontinuierlichem bzw. schrittweisem Vorschub des Prüflings verwendet werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßergebnis durch Messung und/ oder Registrierung des arithmetischen Mittelwertes der Rechteckimpulse gebildet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Meßergebnisses während der Dauer eines oder mehrerer Rechteckimpulse die Spannung eines Sinusgenerators konstanter Frequenz an einen Impulsformer gelangt, der bei jedem Nulldurchgang der Sinusspannung einen Impuls an ein Zählgerät abgibt, wobei das Meßergebnis am Zählgerät angezeigt und/oder von einem Wertedrucker registriert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling während des Meßvorganges kontinuierlich längs seiner Achse verschoben und der arithmetische Mittelwert der Rechteckimpulse mit einem Schreiber registriert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß derPrüfling schrittweise verschoben und die Trägerlebensdauer punktweise mit einem Wertedrucker registriert wird.
  6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Meßimpulsgenerators (1), eines Vorverstärkers (2), einer Differenzierstufe (3), eines Verstärkers (4), der Begrenzungsstufen (5), der Differenzierglieder (6), der Verstärker (7), der Gleichrichter (8) und der bistabilen Kippstufen (9).
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 6, gekennzeichnet durch eine Schaltung (10) zur Bildung des arithmetischen Mittelwertes, ein anzeigendes Instrument (11) und/oder einen Schreiber (12).
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 und 6, gekennzeichnet durch eine Torschaltung (13), einen Sinusgenerator mit konstanter Frequenz (14), eine Triggerschaltung (15), einen Impulsformer (16) und ein Zählgerät (17) mit/ ohne Wertedrucker (18).
  9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 und 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Meßimpulsgenerators (19), mit automatischem kontinuierlichem Vorschub des Prüflings sowie eines Steuergerätes (20).
  10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 und 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Meßimpulsgenerators (21), mit automatischem, von einem Steuergerät (22) gesteuerten, schrittweisen Vorschub des Prüflings.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19731944B4 (de) * 1996-12-17 2005-09-29 Mitsubishi Denki K.K. Testmusterbereich bzw. eine Testelementgruppe zur Lebensdauerauswertung von Ladungsträgern in einem Halbleitersubstrat

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19731944B4 (de) * 1996-12-17 2005-09-29 Mitsubishi Denki K.K. Testmusterbereich bzw. eine Testelementgruppe zur Lebensdauerauswertung von Ladungsträgern in einem Halbleitersubstrat

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