DE19725679A1

DE19725679A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Inhomogenität von Halbleitern

Info

Publication number: DE19725679A1
Application number: DE19725679A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Luedge; Thomas Dr Schurig; Dietmar Dr Drung; Hartmut Dipl Ing Matz; Helge Dr Riemann; Anke Dr Luedge
Original assignee: INNOMESS ELEKTRONIK GmbH; Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: INNOMESS ELEKTRONIK GmbH; Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1999-01-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung der elektrischen Inhomogenität von Halbleitern, vorwiegend von Si-Halbleitern.

Die bisher zur Bestimmung der elektrischen Inhomogenität eingesetzten und bekannten Verfahren sind:

- Spreading resistance Methode, wobei zwei Kontaktspitzen auf die Halbleiterprobe gedrückt werden und der ohmsche Widerstand zwischen den Spitzen gemessen wird,
- 4-Spitzen-Methode, wobei zwischen zwei Spitzen ein Strom eingespeist wird und zwischen zwei anderen Spitzen die Spannung gemessen wird,
- Photovoltaische Methode, wobei durch optische Anregung Ladungsträgerpaare im Halbleiter erzeugt werden und die daraus resultierende Potentialänderung an Randkontakten aufgezeichnet wird.

Diese Verfahren sind sämtlich dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterprobe durch die aufgebrachten Kontakte verändert wird und dadurch für die Bauelementeherstellung nicht mehr eingesetzt werden kann. Deshalb können mit diesen bekannten Verfahren nur Stichproben durchgeführt werden. Eine lückenlose Prozeßüberwachung ist nicht möglich.

Ziel der Erfindung ist die Erfassung der elektrischen Inhomogenitäten von Halbleitern vorwiegend von Si-Halbleitern in einer Weise, daß keine Veränderungen an der Halbleiterprobe entstehen und auf diese Weise die Halbleiterprobe auch nach dieser Inhomogenitätserfassung für die Bauelementeherstellung verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrischen Inhomogenitäten von Halbleitern ohne Kontaktberührung zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Probenoberfläche ortsaufgelöst mit Licht bestrahlt wird und der dabei entstehende elektrische Strom im Halbleiter mit einem Magnetfeldsensor nachgewiesen wird. Die auf diese Weise ermittelte Magnetfeldstärke charakterisiert in Abhängigkeit vom Ort der Lichteinstrahlung die elektrische Inhomogenität des Halbleiters. Der Nachteil der bekannten Verfahren, daß der Halbleiter mit elektrischen Kontakten berührt werden muß, wird dadurch vollständig vermieden.

Es ist zweckmäßig, daß die ortsaufgelöste Lichteinstrahlung durch einen Laser vorgenommen wird, dessen Laserstrahl auf der Probenoberfläche einen Lichtfleck erzeugt, dessen Durchmesser der Ortsauflösung der zu messenden elektrischen Inhomogenität angepaßt wird, also möglichst sehr viel kleiner als die typischen charakteristischen Abmessungen der Dotierungsinhomogenitäten ist. Es ist weiterhin zweckmäßig, daß der bei diesem Anregungsprozeß entstehende elektrische Volumenstrom durch einen Magnetfeldsensor erfaßt wird. Die Feldaufnahmefläche des Magnetfeldsensors, die z. B. durch die effektive Fläche einer zum Sensor gehörigen Feldaufnahmespule gegeben sein kann, sollte größer als die Fläche der optischen Anregung sein, um einen möglichst großen Teil des erzeugten Magnetfeldes zur Signalverarbeitung nutzen zu können und damit einen möglichst großen Signal-Rausch-Abstand zu gewährleisten. Geeignete Magnetfeldsensoren sind z. B. Gradiometer erster oder höherer Ordnung mit einer der gewünschten Auflösung angepaßten Basislinie, wobei die Gradiometer elektronisch aus mehreren Sensoren oder hardwaremäßig aus einem Sensor gebildet sein können.

Um einen ausreichenden Signal-Rausch-Abstand bei der Detektion des vom Volumenstrom erzeugten Magnetfeldes zu erhalten, ist es weiterhin zweckmäßig, eine aktive Störsignalunterdrückung durchzuführen. Das geschieht zweckmäßigerweise dadurch, daß die Intensität der Laserstrahlung moduliert und der Magnetfeldnachweis über eine phasenempfindliche Gleichrichtung und/oder eine Schmalbandverstärkung des Detektorsignals in Bezug auf die Modulationsfrequenz der Laserstrahlintensität durchgeführt wird.

Um die Ortsauflösung zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Probe oder die optische Anregungsquelle über den Ortsbereich der zu bestimmenden elektrischen Inhomogenität zu verschieben und zu vorgegebenen Ortskoordinaten das vom Magnetfeldsensor detektierte Signal als Integralwert einer phasenempfindlichen Gleichrichtung zu den Ortskoordinaten des Lichtflecks auf der Probenoberfläche in Bezug zu setzen. Auf diese Weise erhält man eine ortsaufgelöste Verteilung für die Intensität des vom Volumenstrom erzeugten Magnetfeldes. Diese ortsaufgelöste Intensitätsverteilung der detektierten Magnetfelder charakterisiert die elektrische Inhomogenität in den von der optischen Anregungsquelle getroffenen Ortskoordinaten.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält Mittel zur optischen Anregung, Mittel zur Ortsveränderung des Lichtflecks der optischen Anregung auf der Probenoberfläche und Mittel zur Detektion des Magnetfeldes vom optisch angeregten Volumenstrom.

Als Mittel zur optischen Anregung ist ein Laser vorgesehen. Als Mittel zur Ortsveränderung des Lichtflecks der optischen Anregungsquelle auf der Probenoberfläche ist ein XY-Versteller vorgesehen, auf dem die Halbleiterprobe oder die optische Anregungsquelle befestigt wird. Der Verstelltisch ist so beschaffen, daß der Laserstrahl die Probenoberfläche beleuchten kann und eine ausreichende Positioniergenauigkeit der Probe gewährleistet wird. Vom Verstelltisch dürfen dabei nur geringfügige magnetische Störsignale ausgehen. Das wird dadurch gewährleistet, daß der Verstelltisch aus Materialien gefertigt wird, die einen möglichst geringfügige Magnetisierung aufweisen und mechanische Vibrationen weitestgehend vermieden werden, da diese in Magnetfeldsensoren aufgrund der Restmagnetisierung des Materials magnetische Störfelder erzeugen können. Diese Maßnahmen zur passiven Störsignalunterdrückung durch geeignete Beschaffenheit des X-Y-Verstelltisches werden dadurch unterstützt, daß keine mechanischen Resonanzen im Bereich der Meßbandbreite des Sensorsystems liegen. Das kann gegebenenfalls durch Anpassung der Anregungsfrequenz und der Detektionsbandbreite geschehen. Ähnliches gilt sinngemäß für andere Umgebungsstörungen.

Als Mittel zur Detektion des Magnetfeldes vom angeregten Volumenstrom ist ein Magnetfeldsensor vorgesehen, der ein SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) enthält und sehr empfindliche Magnetfeldmessungen ermöglicht. Insbesondere bei der Anwendung von hochempfindlichen Magnetfeldsensoren ist eine passive elektromagnetische Schirmung des Systems hilfreich. Aktive Maßnahmen zur Störkompensation, wie z. B. Verwendung von Gradiometern erster und höherer Ordnungen sowie aktive Fernfeldkompensationsmethoden, die sowohl hardwaremäßig als auch computergesteuert durchgeführt werden können, sind ebenso einsetzbar. Die jeweilige Störunterdrückungsmaßnahme sollte den örtlichen Gegebenheiten angepaßt werden.

Es ist zweckmäßig, den Magnetfeldsensor so anzuordnen, daß die zu messenden Magnetfeldkomponenten und deren Richtungen in Bezug auf die Probenoberfläche optimal vermessen werden können. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß mindestens zwei Sensoren eingesetzt werden, die sowohl in x- als auch in y-Richtung entlang der Probenoberfläche, die in der x-y-Ebene liegt, empfindlich sind. Kommt ein Sensor zum Einsatz, der nur in einer dieser Richtungen empfindlich ist, können nur die Richtungsanteile der Dotierungsgradienten in dieser Richtung detektiert werden, und die Probe muß gegebenenfalls einer zweiten Messung unterzogen werden, wobei sie gegenüber dem Sensor zweckmäßigerweise um 90 in der x-y-Ebene gedreht wird. Durch diese zweite Messung ist die Lage aller Dotierungsgradienten in der x-y-Ebene bestimmt.

Geeignete Anordnungen zur richtungsabhängigen Messung der durch die Halbleiter-Volumenströme erzeugten Magnetfeldkomponenten sind z. B. Gradiometer erster oder höherer Ordnungen mit einer der gewünschten Auflösung angepaßten Basislinie, wobei die Gradiometer elektronisch aus mehreren Sensoren oder hardwaremäßig aus einem Sensor gebildet sein können.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 ist beispielhaft das Prinzipdiagramm einer möglichen erfindungsgemäßen Gerätekonfiguration dargestellt.

Im einzelnen ist in Fig. 1 ein SQUID-Magnetfeldsensor 1 dargestellt, der sich in einem üblicherweise für SQUID-Sensoren verwendeten Dewar 2 befindet. Auf dem Kopfteil des Dewar befindet sich die SQUID-Ausleseelektronik 3, deren Signalausgang mit einer Kontrolleinheit 12 verbunden ist. Die zu untersuchende Halbleiterprobe 4 ist unter dem Dewar mit dem SQUID Magnetfeldsensor so angeordnet, daß die Probe einen möglichst geringen Abstand zur Feldaufnahmespule des SQUID-Sensors hat. Dieser Abstand wird im wesentlichen durch den Kalt-Warm-Abstand des Dewars bestimmt. Die Ausrichtung der Feldaufnahmespule erfolgt derart, daß eine maximale Meßempfindlichkeit erreicht wird. Als Mittel zur optischen Anregung wird eine Halbleiterlaserdiode 14 mit zugehöriger Kontrolleinheit 15 verwendet. Das Laserlicht wird über einen Lichtleiter 7 zur dem SQUID-Sensor abgewandten Seite der Halbleiterprobe 4 geführt und durch einen Kollimator 6 auf die Probenoberfläche fokussiert. Das Gerät ist so justiert, daß sich das Gebiet der optischen Anregung in der Halbleiterprobe unmittelbar unter dem Magnetfeldsensor befindet. Das Laserlicht wird mit einer geeigneten Frequenz (z. B. 127 Hz) amplitudenmoduliert (z. B. Rechteckmodulation mit einem Tastverhältnis von 1 : 1), um eine schmalbandige Signalverarbeitung mittels Lock-In-Technik durchführen zu können. Die Signalverarbeitung wird von einem Signalprozessorboard 11 übernommen.

Um eine Messung an verschiedenen Punkten auf der Probenoberfläche vornehmen zu können, befindet sich die Probe auf einem elektromechanischen XY-Verstelltisch 8, der über eine Kontrolleinheit 13 angesteuert wird. Der Verstelltisch wird z. B. aus Hartpapier oder Acrylglas gefertigt. Die Steuerung des Meßablaufes, bei dem das Magnetfeld der angeregten Photoströme bei den gewünschten XY-Koordinaten der Probe gemessen wird, wird von einem Computer 10 vorgenommen, der mit einer adäquaten Software versehen ist.

Der Dewar mit Magnetfeldsensor, der Verstelltisch mit Probe und der Kollimator sind vorzugsweise in einer magnetisch geschirmten Box 9 angeordnet, um das Meßsystem möglichst unempfindlich gegenüber äußeren magnetischen Störungen zu machen.

Ein möglicher Meßablauf geschieht wie folgt:
Die zu untersuchende Probe wird auf den XY-Verstelltisch gelegt. Das zu untersuchende Gebiet wird bezüglich seiner Koordinaten in das Computerprogramm, das den Meßablauf steuert, eingegeben und die Messung gestartet. Die gepulste Laserstrahlung wird eingeschaltet. Der Verstelltisch fährt daraufhin den ersten Meßpunkt bezogen auf die Probenoberfläche an. Mit dem SQUID-Sensor wird das Signal der Magnetfelder der von der Laserstrahlung induzierten Photoströme an diesem Meßpunkt aufgenommen und gespeichert. Daraufhin wird vom Verstelltisch der nächste Meßpunkt angefahren und an diesem Punkt eine Messung vorgenommen und so fort. Nach Beendigung des Meßablaufes wird die Probe vom Verstelltisch entnommen. Die einzelnen gespeicherten Meßwerte werden von der Software entsprechend weiterverarbeitet (Darstellung als Linienscan, Mapping o. ä.).

Eine derartige Messung ist an einem Meßbeispiel in Fig. 2 demonstriert. Fig. 2 zeigt die ortsabhängige Magnetfeldamplitude eines 50 Ωcm Czochralski-Silizium-Wafers, die mit einem SQUID-Sensorsystem mit folgenden Parametern gemessen wurde:
SQUID-Sensor: Magnetometer, dc-SQUID PTB-W7A, Feldaufnahmespule horizontal zum Gebiet der optischen Anregung ausgerichtet, Laserstrahlinzidenz normal zum Wafer und zur Feldaufnahmespule
Magnetische Feldempfindlichkeit: 0,47 nT/Φ₀
Systemrauschen: 4 fT/√Hz bei einer Frequenz von 100 Hz
Abschirmung: Magnetische Abschirmkabine Schirmfaktor 10⁴ bei einer Frequenz von 100 Hz
Abstand SQUID zu Wafer: ca. 11 mm
Abstand Laseroptik zu Wafer 74 mm
Laserfokus: ca. 100 µm
Laserpulsfrequenz: 127,5 Hz
Meßbandbreite: 100 Hz

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Inhomogenität von Halbleitern durch optische Anregung der Ladungsträgerpaare an vorgegebenen Ortskoordinaten, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die optische Anregung erzeugten Volumenströme über ihr Magnetfeld gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anregung mittels Laserstrahlung auf einer ebenen Oberfläche des Halbleiters erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Halbleiteroberfläche zur optischen Anregung ein Lichtfleck als Meßpunkt erzeugt wird, dessen Durchmesser kleiner ist als die typischen charakteristischen Abmessungen der Dotierungsinhomogenitäten.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Probe ein Lichtfleck von 10 µm erzeugt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Störsignalunterdrückung durchgeführt wird, indem die Intensität der Laserstrahlung moduliert wird und der Magnetfeldnachweis über eine phasenempfindliche Gleichrichtung und/oder eine Schmalbandverstärkung des Detektorsignals bezüglich der Modulationsfrequenz der Laserstrahlintensität durchgeführt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe oder die optische Anregungsquelle über den Ortsbereich der zu bestimmenden elektrischen Inhomogenität verschoben wird und daß das zu vorgegebenen Ortskoordinaten detektierte Magnetfeldsignal als Integralwert einer phasenempfindlichen Gleichrichtung zu den Ortskoordinaten des Lichtflecks in Bezug gesetzt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Probe verwendet wird, die von einer Seite mittels der optischen Anregungsquelle bestrahlt wird und bei der von der anderen Seite das durch die Bestrahlung erzeugte Magnetfeld gemessen wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine pulsartige Strahlung verwendet wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine richtungsabhängige Magnetfeldmessung durchgeführt wird.

10. Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Inhomogenität von Halbleitern durch optische Anregung der Ladungsträgerpaare an vorgegebenen Ortskoordinaten, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zur ortsaufgelösten optischen Anregung, Mittel zur örtlichen Verschiebung des Einfallortes der optischen Anregung, Mittel zur Messung der Intensität des Magnetfeldes und Mittel zur Meßablaufsteuerung enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Messung der Intensität des Magnetfeldes mindestens ein SQUID-Sensor vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur örtlichen Verschiebung des Einfallortes der optischen Anregung ein elektromechanischer XY-Verstelltisch vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstelltisch aus Material besteht, das eine geringfügige Magnetisierung aufweist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur ortsaufgelösten optischen Anregung ein Laser vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Meßablaufsteuerung ein Computer vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur richtungsabhängigen Messung der Volumenströme Magnetfeldsensoren vorgesehen sind, die sowohl in x- als auch in y-Richtung entlang der in der x-y-Ebene liegenden Probenoberfläche empfindlich sind.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwei um 90 Grad zueinander verdrehte Magnetfeldsensoren angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldaufnahmefläche des Magnetfeldsensors größer als die Fläche der optischen Anregung ist.