DE1219584B - Anordnung zum Ermitteln des spezifischen Widerstandes oder der Dicke eines Halbleiterkoerpers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Mt. α.:

GOIr

GOId

Deutsche KL: 2Ie-29/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

W29871IXd/21e
26. April 1961
23.Juni 1966

Bei der Herstellung halbleitender Materialien für Halbleiterbauelemente ist die Messung des spezifischen Widerstandes des Materials eine wesentliche und kritische Maßnahme, da die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterbauelemente weitgehend durch diesen Parameter bestimmt sind.

Ein als Vierpunktsondenverfahren bekanntes Verfahren sowohl zur Messung des spezifischen Volumwiderstands als auch des spezifischen Flächenwiderstands besteht darin, zunächst vier Spitzen- oder Punktkontakte an einer Oberfläche des Prüflings mit vier in Abstand angeordneten Sonden herzustellen; dann wird ein Strom durch zwei der Sonden geschickt und die Spannung an den beiden restlichen Sonden abgelesen. Der funktionelle Zusammenhang zwischen Spannung und Strom für bestimmte geometrische Anordnungen des Halbleiters und der Sonden erlaubt die Feststellung des spezifischen Widerstandes.

Der wesentlichste Nachteil dieses Meßverfahrens besteht dabei darin, daß die Herstellung eines mechanischen und elektrischen Kontaktes zwischen dem Prüfling und den Sonden notwendig ist. Dieser Kontakt zerstört unvermeidlich in gewissem Ausmaß den Prüfling. Wie sich gezeigt hat, hinterlassen auch Druckkontakte metallische Spuren, die z.B. bei hochohmigem Silizium nicht mehr zu vernachlässigen sind. Eine andere Folge ist die mögliche Einführung von dotierenden Verunreinigungen durch die Sondenspitzen. Es können daher gleichrichtende Kontakte entstehen, wodurch die Messungen verfälscht werden. Die Nachteile werden vergrößert, wenn zahlreiche Messungen bei derselben Probe vorgenommen werden müssen. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Notwendigkeit, die Sonden örtlich genau anzuordnen. Auch ist hierbei eine genaue Dickenmessung am Prüfling erforderlich, die gleichfalls schwierig ist, da die Abmessungen häufig in der Größenordnung weniger tausendstel Zentimeter liegen. Häufig ist es erwünscht, den spezifischen Widerstand einer Oberflächenschicht unabhängig vom spezifischen Widerstand der tieferen Schichten des Materials zu bestimmen. Derartige Messungen des spezifischen Flächenwiderstands sind bei Verwendung von Punktsonden besonders schwierig; sie sind ferner infolge der Schwierigkeit der Bestimmung der Feldverteilung als weitgehend spekulativ zu betrachten.

Diese Nachteile haben zur Entwicklung von Hochfrequenzmeßverfahren geführt. Die Meßfrequenz liegt hierbei zumeist im Mikrowellenbereich. So ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Prüfung als Dämpfungsglied im Innern eines für MikrowellenAnordnung zum Ermitteln des spezifischen
Widerstandes oder der Dicke eines
Halbleiterkörpers

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohelohestr. 21

Als Erfinder benannt:

George Lincoln Allerton, Orefield, Pa.;

James Roger Seifert, Bethlehem, Pa.;

Leon Theodore Stark,

Elmhurst,N.Y.(V.St.A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. April 1960 (24 949),
vom 31. Mai 1960 (32 756)

energie bemessenen Rechteckhohlleiters angeordnet wird. Durch Vergleich des resultierenden Dämpfungswertes mit dem eines Dämpfungsnormals erhält man dann den spezifischen Widerstand. Bei diesem Verfahren müssen aber die Prüflinge sämtlich in einheitliche Form mit vorgeschriebenen Abmessungen gebracht werden, da sie im Innern des Hohlleiters angeordnet sind, somit auch die Geometrie des Prüflings in den Dämpfungswert eingeht. Dieses Erfordernis ist aber ersichtlich lästig, weil die Vorbereitung der Prüflinge zeitraubend, teuer und umständlich ist, sowie zu unnötigem Materialverbrauch führt, da ein gezüchteter Einkristall zumeist unregelmäßig begrenzt ist. Dieser Nachteil ist grundsätzlich sämtlichen bekannten HF-Meßverfahren eigen und soll durch die Erfindung vermieden werden.

Demgemäß ist die Erfindung gerichtet auf eine Anordnung zum Ermitteln des spezifischen Widerstandes eines wenigstens eine ebene Fläche aufweisenden Prüflings aus einem Halbleitermaterial, bei der der Prüfling als Dämpfungsglied eines im Querschnitt rechteckigen Hohlleiters für ultrahochfrequente

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Energie benutzt wird und die auf einem Vergleich Fig. ,3 eine, graphische Darstellung,, welche die

der durch den Prüfling bewirkten, mit der von einem Abhängigkeit der Überträgimg'seigeitischäiten Voffl

Vergleichsnormal bewirkten Energiedämptung be- spezifischen Widerstand der Probe für die Anordnung

ruht; die Erfindung besteht darin, daß der Hohlleiter nach F i g. 1 zeigt,

nur eine ebene seitliche Wandöffnung solcher Größe 5 Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche die

aufweist, daß der mit seiner ebenen Fläche auf die Äbhärigigkeü der Eiridringtiefe vom spezifischen

Öffnung gelegte Prüfling diese vollständig überdeckt. Widerstand 0ef Probe für verschiedene Frequenzen

Der Prüfling ist daher Bestandteil flef Höhlleiter- zeigt, und

begrenzungswandung. Hierdurch wird erreicht, daß ,.Fig: 5 eine graphische Darstellung, welche die der Prüfling, abgesehen von dem Erfordernis, eine io Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von den ebene Fläche zu Besitzen, beliebige Form besitzen Übertragungseigenschaften für Proben mit verschiekann. Eine ebene Fläche aber erhält ohnehin jeder dener Dicke zeigt, die mit Materialien von zwei ver-Halbleiterkörper im Verlauf der Fertigung. Diese schiedenen spezifischen Widerständen hinterlegt sind, ebene Fläche braucht auch nicht vorbestimmte Form Die Einrichtung der Fig. 1 ist insbesondere zur und Abmessung zu haben", da lediglich gefördert wird, 15 Überwachung der laufenden Produktion geeignet, es daß die seitliche Hohlleiteröffnung vollständig über- kann mit ihr ein weiter Bereich des spezifischen deckt wird. Ist überdies im Einzelfall die ebene Fläche Widerstands mit derselben Prüffrequenz gemessen kleiner als die Öffnung, so kann man sich eines den werden. Bei dieser Einrichtung wird ein; Signalgene-Abmessungen der Öffnung entsprechend reduzieren- rätdf dürfen einen ftesönanzhoniräurri 31 nut hohem den leitenden Einsatzes bedienen. Die Eichung der 20 Gütefaktor Mt einer KristäUdetektörbeiästühg 33 Anordnung erfolgt in der Weise, daß zunächst die löse gedoppelt. Zwisch'en dein Generator 32 und dem öffnung mit einem Material bekannten spezifischen Hohlraum 31 liegen ein Isolator 34 und ein I3amp-WidefStandes als Vergleichsnormal abgedeckt und die fungsglied 35 in Reihe, während zwischen dem Höhlresultierende Dämpfung ermittelt wird. räümäüsgähg uiid dein Öelästungskristall 33 ein

Im Rahmen von Untersuchungen über die Fort- 25 geeichtes Dämpfungsglied 36 Uüd ein Isolator 37 M

pflanzungseigenschäften der als einzigen Dämpfungs- Reihe liegen. Die Isolatoren 34 uüd 37 dienen dazu,

armen H₀₁-WeIIe im Höhlleiter mit Kreisqüerschnitt eine Rückkopplung von Reflexionen in deü Genefä-

sind als erster Schritt in die Schaltungstechnik dieser tor bzw. derh Hohlraum zu verhindern, währeüd die

Wellen Widerstandsmessungen und Vierpolmessungen Dämpungs.glieäer in der nachfolgend beschriebenen

mitgeteilt worden (vgl. Kurzreferat in FTZ, 1954, 30 Weise arbeiten.

S. 261 und 262, über »Impedance Measurements on Durch einen Riehtköppier 3*8, der eine Abzweig-

a circular waveguide with TE₀₁ exitation« von L. S. verbindung ist, wird der Eingang des Hohlraums 31

Sheingold in »Convention Record Inst. Radio mit dem Meßkreis 4Ö gekoppelt. Der Kreis 4Ö besteht

Engrs.« [1953], National Convention, H. 10, S. 17 aus einer ÄusgleichsMlpedänz 41 auf der einen Seite

bis 26). Die Widerstandsmessung erfolgt dabei nach 35 des Köpplers uüd aus einem Diodenäetektör 42. auf

dem Resonähzkurvenverfahren, weil die üblichen ge- der anderen, Seite. Zwei Potentiometer 43 und 44

schlitzten Meßleitungen wegen der überall Vorhände- liegen parallel zu zwei Dioden 42 uM 43, um

nen zirkulären Ströme nicht brauchbar sind. Hierbei Unterschiede der Betriebseigenschäften der Dioden

ist gute Übereinstimmung zwischen Messung und auszugleichen: Die Ausgänge der Potentiometer 43

Theorie der Fortpflanzungseigenschaften der H₀₁- 40 und 44 sind zu einem Sehalter 45 geführt, der sie äb-

Welle bei einem in den freien Raum strahlenden wechselnd an den Oszillographen 46 anlegt.

Hohlrohrende sowie bei einer Kreislochblende und Fig. 2 zeigt einen Aufbau des" Resonanzhohi-

eineiri Ringschlitz im Hohlleiter als verlustfreie Vier- räüms für eirl System, bei dem effie Signälffeqüenz

pole festgestellt worden. Es ist daher auch hier von 9000 MHz benutzt Wird. Der Hohlraum 51 ist ein

wiederum erforderlich, daß diese ta die Überträpngs- 45 Teil eines Wellenleiters 52, dessen Querschnitt durch

strecke gestellten »Hindernisse« hinsichtlich Lage zwei MeSsüigplatten 53 und 54 begrenzt ist, die eiiien

und Form genau bemessen sein müssen. Auch haben Abstand von einer halben Wellenlänge haben. Def

diese' Untersuchungen einem völlig änderen Zweck Hohlraum ist mit den änderen Teilen des Welleü-

gedient, nämlich Aufschluß ,üte die eigenartigen leiters durch die Öffnungen 55 mit einem Durch-FöftpfläüzüügSeigehSehäfi_reü der H₀₁-WeIIe selbst zu 50 messer von etwa 0,48 cm M jeder der Plätten 53 und

erhalten: Denn äie H₀₁^eUe ist wegen ihrer kleinen 54 gekoppelt: In den äußeren Wänden mit der

Dämpfung als eliizige Welienforhi zur. Überbrückung kleineren Abmessung ist eine öffnung 72 von 0,59.·

großer Entfernungen geeipet; sie ist äBer leider nicht 1,016 'cm für die Proben vorgesehen. Die Flügel 56

söüdeflieli stabil und neigt sehr leicht dazu, unter diener! zur Halterung .der Anordnung, ferner halten Anregung anderer; mit großer Dämpfung behafteter 55 sie die Probe; die auf die Öffnung 72 gelegt wird.

Wellenfb'rrhen z"ü verschwinden; weshalb Besondere Äbstimrnschräüben 59 erlauben eine Einstellung der

VörsiehtsmäßnäHffien erforäetlieh sind. Die Verwen- Übergangsimpedanz zwischen dem Wellenleiter und

düng ühregelüiäßig geformter Hindernisse, die dem Hohlraum.

unweigerlich zur Anregung unerwünschter Wellen- Das zwischen den WellenleiterküpplUngsflänschen föinien fuhfen wurden; ist daher schön aus diesem 60 57 und 58 übertragene Signal ist dem Gütefaktor des

Grund vollständig unmöglich. Hohlraums 51 proportional. Ekle Änderung des Güte-

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- faktors tritt ein, wenn das zu prüfende Material,

nung beschrieben; es zeigt wem nötig mit einer geeigneten Aufläge, als Teil der

Fig. 1 das Schaltschema einer Ausführung der Wand des Resonanzhohlräums dient. Die Messungen Anordnung nach der Erfindung, 65 des Unterschieds des übertragenen Signärßegels

F i g: 2 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische zwischen einem guten Leiter₅ wie vergoldetes Messing,

Ansieht einfes Hehlraürhs, der sich für die Andrd- und der üicht hinterlegten Probe mit kleinerer Leit-

ilühg nach F i g. 1 Signet-, fähigkeit steheü m Beziehung zum spezifischen

Widerstand und zur Dicke, wie sie aus den Kurven der Fig. 3 hervorgeht, während Fig. 5 die Übertragungseigenschaften von hinterlegten Proben zeigt.

Die Einrichtung der F i g. 1 wird wie folgt benutzt: Eine Vergleichsnormal mit hoher Leitfähigkeit, das aus vergoldetem Messing bestehen kann, wird in die öffnung 72 (Fig. 2) des Hohlraums 31 eingesetzt. Die Frequenz des Signalgenerators 32 wird auf die Resonanzfrequenz des Hohlraums 31 eingestellt, was durch ein maximales Signal auf dem Oszillograph 46 angezeigt wird. In den Hohlraumkreis wird dann mit dem Dämpfungsglied 36 eine Dämpfung eingeschaltet, welche diejenige Dämpfung übersteigt, welche die gleiche Signalverringerung verursachen würde wie der mit der Probe belastete Hohlraum. Die Ausgleichspotentiometer 43 und 44 werden verstellt, bis das durch den Kreis 40 gehende Eingangssignal und das Signal des Hohlraums im Oszillogramm den gleichen Wert haben. Das Gerät ist nunmehr geeicht, so daß das Vergleichsnormal von dem Hohlraum entfernt wird. Dann wird die Probe, wenn nötig auf einer der Unterlagen montiert, eingesetzt. Das Dämpfungsglied 36 wird so verstellt, das die beiden Signale auf denselben Pegel gebracht werden. Der Wert der aus dem Kreis entfernten Dämpfung stellt die Änderung der Ubertragungsdämpfung dar. Anders ausgedrückt ist die Differenz nach der Eichung der Einstellungen des Dämpfungsglieds 36, wenn der Hohlraum zuerst durch das gut leitende Normal und dann durch die Probe belastet wird, die Änderung der Übertragungsdämpfung.

Die Abhängigkeit dieser Dämpfungsänderung vom spezifischen Widerstand für 9000 MHz ist in F i g. 3 durch die Kurve 62 dargestellt. Bei dieser Kurve überstieg die Dicke der Probe die Eindringtiefe des Signals erheblich.

Es kann erwünscht sein, den spezifischen Widerstand von Proben zu messen, deren Dicke geringer als die Eindringtiefe des Signals ist. Die Dämpfung des Signals durch die Probe kann vermieden werden, indem sie mit gut leitendem Material hinterlegt wird. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist in Fig. 3 durch die Kurven 63 und 64 dargestellt. Die Kurve 63 gilt für eine Probe von 0,015 cm Dicke, während die Kurve 64 für eine Probe von 0,046 cm Dicke gilt, wobei beide Proben mit Messing hinterlegt sind. Wenn die Dicke der Proben nicht bekannt ist, so daß es ungewiß ist, ob das Signal die Probe vollständig durchdringt oder nicht, lassen die Kurven 63 und 64 eine Zweideutigkeit erkennen. Wenn z. B. die Übertragungsdämpfung mit 4 Dezibel festgestellt ist, ergibt der Punkt 67 für die dicke Scheibe einen spezifischen Widerstand von 0,035 Ohm · cm, während der Punkt 68 einen spezifischen Widerstand von 7,3 Ohm · cm ergibt. Es wurde festgestellt, daß diese Zweideutigkeit vermieden werden kann, indem sämtliche Proben zuerst mit einem Material mit hohem spezifischem Widerstand und dann ohne die Auflage geprüft werden. Wenn eine Änderung der Dämpfung auftritt, ist die Probe weniger dick als die Eindringtiefe, und es wird die Dicke gemessen, so daß die richtige Kurve herangezogen werden kann. Die Kurven 65 und 66 zeigen die Ergebnisse dieses Verfahrens. Die Kurve 65 gilt für ein Probematerial mit einer Dicke von 0,015 cm, während die Kurve 66 für eine Probe mit einer Dicke von 0,046 cm gilt, wobei beide Proben mit einem Material von 100 Ohm · cm hinterlegt sind und die Kurven unzweideutig sind.

Wenn von sämtlichen Proben bekannt ist, daß sie innerhalb eines gegebenen Bereichs, z. B. 0,015 cm ± lO°/o liegen, ist es außerdem möglich, eine Messung der Dicke ganz zu vermeiden. Dies tritt ein, wenn die zulässige Abweichung vom richtigen spezifische Widerstand, z. B. ±1 % Ohm · cm größer als die Differenz des spezifischen Widerstand zwischen einer Kurve für 0,015 cm und Kurven für 0,015 cm sowie Kurven für 0,015 cm + 10% plus dem der

jo Messung anhaftenden Fehler ist. Die Kurve für 0,015 cm wird dann für jede Probe ohne Messen der Dicke herangezogen, und der spezifische Widerstand wird stets innerhalb des zulässigen Fehlers liegen. Der Dickenbereich der Probe, der auf diese Weise beherrscht werden kann, wird größer, wenn der spezifische Widerstand abnimmt.

Die bei verschiedenen Auflagen vorgenommenen Ablesungen der Dämpfung von Proben, deren Dicke geringer als die Eindringtiefe des Prüfsignals ist, werden benutzt, um unter Heranziehung von graphischen Darstellungen, ähnlich der in F i g. 5 gezeigten, die Werte für den spezifischen Widerstand und die Dicke der Probe zu bestimmen. Jeder bei diesen Messungen benutzte Wellenleiter oder Hohlraum kann seine eigene derartige graphische Darstellung haben, um jede Berechnung zu vermeiden, und damit selbstverständlich auch die Berücksichtigung der großen Anzahl von Umgebungsfaktoren unnötig zu machen, die das Ergebnis beeinflussen. Die Angaben der Fig. 5 gelten für einen Resonanzhohlraum der bei dem Meßsystem der Fig. 1 und einer Prüffrequenz von 9000 MHz benutzt wird. Der spezifische Widerstand der Probe in Ohm · cm ist auf der Ordinate dargestellt, während die infolge der Probe in der Hohlraumöffnung auftretende Übertragungsdämpfung in Dezibel, bezogen auf die Übertragungseigenschaften eines vollkommenen Leiters, auf der Abszisse dargestellt sind.
Die Linie 100 stellt die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von der Dämpfung für Proben dar, deren Dicke die Eindringtiefe des Signals übersteigt. Die Kurven 101 sind eine Kurvenschar für Proben von verschiedener Dicke, die mit Material mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohm · cm unterlegt sind. Die Kurven 102 sind eine Kurvenschar für Proben von verschiedener Dicke, die mit Messing einem »vollkommenen« Leiter hinterlegt sind. Die Buchstaben A bis / an den Kurven geben die Dicke der Proben in Millimeter wie folgt an:

A = 0,127 mm E = 0,305 mm

B = 0,152 mm F = 0,356 mm

C = 0,178 mm G = 0,406 mm

D = 0,254 mm H = 0,458 mm

/ = 0,508 mm

Die Linien 103 und 104 stellen die Ablesungen der Dämpfung einer Probe dar, die mit dem Material von 100 Ohm · cm bzw. mit Messing hinterlegt sind. Die Bestimmung eines der Dickenwerte für den spezifischen Widerstand und die Dicke der Probe erfolgt auf Grund der Erkenntnis, daß die Linien 103 und 104 die Kurven für das Material mit derselben Dicke in den beiden Kurvenscharen 101 und 102 bei derselben (waagerechten) Linie für den spezifischen Widerstand schneiden müssen. Dieser eindeutige Schnittpunkt tritt bei der Widerstandslinie 105 ein, welche die Dämpfungslinien 103 und 104 an den Punkten 106 und 107 trifft, wo die Kurven E der

Kurvenscharen 101 und 102 ebenfalls geschnitten werden. Der richtige spezifische Widerstand der Probe ist daher 0,41 Ohm · cm und ihre Dicke 0,305 mm. Sämtliche anderen Schnittpunkte weisen dieses Zusammentreffen nicht auf, z. B. die Schnittpunkte der Widerstandslinie 108. Der Punkt 109 an der Kreuzung von 103 und 108 berührt eine Kurve B für ein Material mit einer Dicke von 0,152 mm in der Kurvenschar 101, während der Punkt 110 an der Kreuzung von 104 und 108 die Kurve D in der Kurvenschar 102 für ein Material mit der Dicke 0,254 mm berührt, so daß eine nicht eindeutige Dicke und ein nicht richtiger spezifischer Widerstand angegeben wird.

Man erkennt, daß die beschriebenen Anordnungen genaue und schnelle Messungen des spezifischen Widerstands ermöglichen, ohne körperliche Kontakte an die Prüffläche anzulegen, wobei die Prüffläche viel kleiner als bei dem Vierpunktsondenverfahren sein kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Ermitteln des spezifischen Widerstands eines wenigstens eine ebene Fläche aufweisenden Prüflings aus einem Halbleitermaterial, bei der der Prüfling als Dämpfungsglied eines im Querschnitt rechteckigen Hohlleiters für ultrahochfrequente Energie benutzt wird und die auf einem Vergleich der durch den Prüfling bewirkten, mit der von einem Vergleichsnormal bewirkten Energiedämpfung beruht, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter nur eine ebene seitliche Wandöffnung solcher Größe aufweist, daß der mit seiner ebenen Fläche auf die Öffnung gelegte Prüfling diese vollständig überdeckt.

2. Anordnung nach Anspruch 1 für einen Prüfling, dessen Dicke nicht ausreicht, um einen Energieaustritt aus dem Prüfling zu verhindern, gekennzeichnet durch die Anwendung eines auf der der Hohlleiteröffnung abgekehrten Seite des Prüflings aufgelegten plattenförmigen Huf skörpers bekannten spezifischen Widerstands und solcher Dicke, daß ein Energieaustritt aus dem Prüfling vermieden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung mit einem Schieber solcher Ausgestaltung zum Anbringen des plattenförmigen Hilfskörpers, daß dieser ohne seitliches Verschieben des Prüflings auswechselbar ist.

4. Verwendung der Anordnung nach Anspruch2 oder 3, in der Weise, daß ein zweiter plattenförmiger Hilfskörper mit zum ersten Hilfskörper unterschiedlichem spezifischem Widerstand als Vergleichsnormal dient.

5. Verwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bestimmen der Dicke plattenförmiger Prüflinge bei bekanntem spezifischem Widerstand derselben.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2477347, 2595 675,
613 251,2746 015;

britische Patentschriften Nr. 590 651, 697 892;
»FTZ«, 7 (1954), S. 261 und 262;
»Z: angew. Phys.«, XI (1959), S. 346 bis 350;
»Proc. I. E. E.«, 107, B (1960), S. 522 bis 530;
»Proc. I. R. E.«, 48 (1960), S. 229 bis 233;
»Brit. J. of appl. Phys.«, 7 (1956), S. 36 bis 38.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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