DE19731944B4

DE19731944B4 - Testmusterbereich bzw. eine Testelementgruppe zur Lebensdauerauswertung von Ladungsträgern in einem Halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE19731944B4
Application number: DE19731944A
Authority: DE
Inventors: Shinji Aono
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: JPH10178079A; JP3696352B2; DE19731944A1; US5850088A

Abstract

Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung, der auf einem Halbleitersubstrat (W, CH) mit einer oberen und unteren Hauptoberfläche ausgebildet ist, zur Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleitersubstrat,
wobei das Halbleitersubstrat umfaßt:
eine erste Leitungsschicht (Ba) einer ersten Leitungsart (N) mit einer relativ niedrigen Störstellenkonzentration, wobei die erste Leitungsschicht die obere Hauptoberfläche bildet,
eine zweite Leitungsschicht (Bu) des ersten Leitungstyps (N) mit einer relativ großen Störstellenkonzentration, und
eine dritte Leitungsschicht (A) einer zweiten Leitungsart (P), die unterschiedlich zur ersten Leitungsart (N) ist, und die untere Hauptoberfläche bildet, wobei ein Elektrodenbereich mit relativ großer Störstellenkonzentration selektiv in einem Oberflächenbereich (C) der ersten Leitungsschicht auf einer Seite der oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Testmusterbereich bzw. eine Testelementgruppe zur Lebensdauerauswertung von Ladungsträgern in einem Halbleitersubstrat.
Lebensdauerwerte von Ladungsträgern wie Elektronen oder Löcher bilden ein wichtiges Kriterium bezüglich der verschiedenen Kennlinien und Eigenschaften von Halbleitereinrichtungen, insbesondere von Leistungshalbleitern. Bekanntermaßen werden für eine Lebensdauerauswertung gesonderte Halbleiterscheiben (wafer) neben den Halbleiterscheiben für die Produktion hergestellt, womit eine Lebensdauerauswertung durchgeführt wird.

29 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleiterscheibe W mit Testelementgruppen (test element groups TEG) gemäß dem Stand der Technik. In 29 ist eine Vielzahl von auf der Halbleiterscheibe W ausgebildeten Testelementgruppen TEG in einem Testmusterbereich gezeigt.

30 zeigt eine Schnittansicht der in 29 gezeigten Testelementgruppe TEG. Die Testelementgruppen entsprechen Dioden bestehend aus einem Kathodenbereich C mit einer Dotierung N⁺, einer Basisschicht Ba mit N^- und einem Anodenbereich A mit P⁺, die jeweils übereinander angeordnet sind.

Bei dem bekannten Verfahren wird der Ladungsträgerlebensdauerwert ausgewertet durch Beobachten der Änderung des in einer Diode gemäß 30 fließenden Stroms in zeitlicher Abfolge. 31 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß dem bekannten Auswertungsverfahren. Ein Testmusterbereich bzw. eine Testelementgruppe TEG ist als Diode dargestellt und ein Lastwiderstand ist in Reihe mit einer Pulsleistungsquelle PS verbunden, die eine pulsierende Welle (pulsierende Spannung) bereitstellen. Eine Messung von Unterschieden in der Spannung zwischen beiden Anschlüssen des Lastwiderstands mittels eines Oszilloskops Os ergibt den in der Diode fließenden Strom, wodurch in zeitlicher Abfolge eine Änderung in der Kennlinie der Diode beobachtet werden kann, die sich auf den Ladungsträgerlebensdauerwert bezieht.

32 zeigt eine Schaltungsanordnung, und insbesondere Einzelheiten des Aufbaus der in 31 gezeigten Schaltung.

Ausgangssignale eines Funktionsgenerators FG und die positiven und negativen Anschlüsse der Leistungsversorgungen G1 und G2 werden einer Pulserzeugungsschaltung PGC über Koaxialkabel zugeführt. Der Pulserzeugungsschaltung PGC wird ein kleines Signal über die Koaxkabel für die Verstärkung auf eine ausreichende Amplitude zugeführt, die als Energiequelle erforderlich ist, und es wird das verstärkte Signal an den Ausgangsanschlüssen abgegeben. Ein nicht gezeigter und an einer Halteeinrichtung H befestigter Chip und ein Widerstand R sind in Reihe mit den positiven und negativen Anschlüssen der Pulserzeugungsschaltung PGC befestigt. Eine Prüfnadel PN ist mit beiden Anschlüssen des Widerstands R verbunden zur Erfassung der Spannung, die sodann zur Analyse mittels eines Computers CM dem Oszilloskop Os zugeführt wird.

33 zeigt einen Signalzeitverlauf eines in der Testelementgruppe in Form einer Diode fließenden Stroms, wie er mittels des Oszilloskops Os zur Anzeige gebracht wird. Die vertikalen und horizontalen Achsen zeigen jeweils den Stromwert und die Zeit. Ändert sich ein vorbestimmter Wert einer Pulsspannung von einem Vorwärtswert zu einem Rückwärtswert zu einer Zeit Ta in der in 31 gezeigten Schaltung, dann sinkt der Strom auf den kleinsten negativen Wert zu einem Zeitpunkt Tb ab und steigt sodann allmählich bis zum Wert von Null an. Werden 10% des Stromwerts zu einem Zeitpunkt Tc erhalten, wenn der kleinste negative Wert 100 beträgt, dann wird die für eine Verminderung um 90% erforderliche Zeit Tc-Tb als Sperrverzögerungszeit (Erholungszeit) Trr bestimmt.

Die Sperrverzögerungszeit Trr wird durch den Lebensdauerwert der Ladungsträger beeinflußt. Somit ist der Lebensdauerwert der Testelementgruppen durch die Bestimmung der Sperrverzögerungszeit Trr ableitbar. Die Ableitung des Lebensdauerwerts erfordert jedoch nicht nur die Messung der Sperrverzögerungszeit Trr, sondern ebenfalls eine Simulation derselben. Ein Vergleich zwischen Simulationsergebnissen und gemessenen Werten führt zu einer Ableitung des Lebensdauerwerts der Testelementgruppen.

Eine Simulation der in den Elektroden der Testelementgruppen herrschenden Stromdichte wird mittels der Lebensdauerwerte τn und τp der jeweiligen Elektronen und Löcher als Parameter durchgeführt. Eine Sperrverzögerungszeit Trr (Sim) wird als Ergebnis der Simulation erhalten, wobei das Bezugszeichen (Sim) angibt, daß es sich bei dem Wert um das Ergebnis einer Simulation handelt. Zur Vereinfachung der Simulation wird angenommen, daß die Lebensdauerwerte τn und τp gleich sind.

34 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erhalten des Lebensdauerwerts τ von realen Testelementgruppen TEG. Gemäß der Darstellung in dieser Figur, bei der die vertikalen und horizontalen Achsen jeweils die Sperrverzögerungszeit Trr (Sim) aus der Simulation und den Lebensdauerwert τ bezeichnen, sind die Simulationsergebnisse aufgetragen zur Bildung einer Kennlinie L einer spezifischen Stromdichte. Hierbei wird die durch eine tatsächliche Messung erhaltene Sperrverzögerungszeit Trr bei derselben Stromdichte erhalten, als wenn die Kennlinie L erhalten würde. Der Punkt auf der Kennlinie L bei der Sperrverzögerungszeit Trr ergibt einen Lebensdauerwert (in 34 mittels eines Pfeils angedeutet), der den Lebensdauerwert τ der in 29 gezeigten Halbleiterscheibe angibt.

Eine gleichartige Messung und Simulation gemäß der vorstehenden Beschreibung mit einer anderen Stromdichte kann die Verläßlichkeit des erhaltenen Lebensdauerwerts τ der Halbleiterscheibe W verbessern.

Da die Auswertung der Lebensdauerwerte durchgeführt wird entsprechend der Ausbildung von Testelementgruppen in einer Auswertungsscheibe (Halbleiterscheibe zur Auswertung), die gemäß der vorstehenden Beschreibung unabhängig von der eigentlichen Produktscheibe ist, kann der Lebensdauerwert der Ladungsträger eines tatsächlich für die Produktion verwendeten Chips nicht ausgewertet werden. Daher wird die Auswertung der Produkte nicht direkt, sondern lediglich indirekt durchgeführt.

Ferner erfordert das in 32 gezeigte bekannte Verfahren einen Funktionsgenerator FG, positive und negative Leistungsversorgungsquellen G1 und G2, die Pulserzeugungsschaltung PGC, die Halteeinrichtung H, den Widerstand R, die Prüfnadel PN und das Oszilloskop Os, so daß das Verfahren insgesamt sehr aufwendig ist.

Die Druckschrift DE 10 94 875 B offenbart ferner ein Verfahren zur Messung und registrierenden Erfassung der Trägerlebensdauer in Halbleitern, wobei die Anstiegs- oder Abfallkurven der von einem den Prüfling enthaltenden Messimpulsgenerator erzeugten Spannungsimpulse berücksichtigt werden. Ein Impuls, der durch elektrische Differenziation gewonnen wird, wird in verschiedene Kanäle eingespeist und dort an verschiedenen konstanten Spannungspegeln begrenzt, und es erfolgt eine nachfolgende zweite elektrische Differenziation, durch die zeitlich verschobene Impulse entstehen. Hierdurch werden Rechteckimpulse ausgelöst, deren Länge gleich der zeitlichen Verschiebung ist und die zur direkt anzeigenden Messung und/oder kontinuierlichen bzw. punktweisen Registrierung der Trägerlebensdauer bei kontinuierlichem oder schrittweisem Vorschub des Prüflings bei der Messung verwendet werden. Bei dem Verfahren mit kontinuierlicher Registrierung wird ein Messimpulsgenerator mit kontinuierlichem Vorschub des Prüflings verwendet. Nach Beendigung des Vorlaufs erfolgt ein automatischer Rücklauf. Für die Durchführung der punktweisen Registrierung wird ein Messimpulsgenerator mit schrittweisem Vorschub des Prüflings eingesetzt. Die erfassten Werte werden zur weiteren Auswertung aufgezeichnet.

Ferner offenbart die Druckschrift DE 20 37 089 B ein Verfahren zur Bestimmung der Trägerlebensdauer in Halbleiter-Bauelementscheiben mit mindestens 3 Zonen von abwechselndem Leitungstyp, einschließlich einer hochohmigen inneren Zone, wobei an zwei an je einer Hauptseite der Bauelementscheiben, die Hauptseite ganz oder nur zum Teil bedeckende Elektroden angeordnet sind und an die eine Gleichspannung mit derartiger Polarität angelegt ist, dass von allen pn-Übergängen der Scheiben nur ein eine hochohmige Basiszone begrenzender pn-Übergang in der Sperrrichtung gepolt ist. Die Bauelementscheibe wird dabei auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht und gehalten, und die Gleichspannung wird angelegt und kurzzeitig konstant gehalten, und von einem Zeitpunkt an exponentiell mit einer Zeitkonstanten in der Größenordnung von 100 ms auf Null vermindert. Hierbei wird der zeitliche Verlauf des durch diese Gleichspannung hervorgerufenen Stroms über den pn-Übergang gemessen, und es wird die Länge der Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, von dem an die Gleichspannung abfällt, und dem Zeitpunkt des Stromminimums (Ausschwingzeit) als Vergleichsgröße für die Trägerlebensdauer verwendet. Hierbei wird von einem an Bauelementscheiben des gleichen Typs zuvor ermittelten Zusammenhang zwischen der Ausschwingzeit und der aus den zeitlichen Verlauf der Injektionsfolgespannung in bekannter Weise gemessenen Trägerlebensdauer Gebrauch gemacht.

In der Druckschrift Schlangenotto, H., Gerlach, W.: ON THE POST-INJECTION VOLTAGE DECAY OF p-s-n RECTIFIERS AT HIGH INJECTION LEVELS, in Z.: Solid-State Electronics, 1972, H.4, S. 393 – 402, wird das Abklingen einer post-Injektion-Spannung an Gleichrichtern im Bereich hoher Injektion berechnet, wobei die Rekombination in dem hochdotierten Endgebieten wesentlich ist. Nach Unterbrechung des Stroms folgt dem Abfall der ohmschen Spannung ein sehr schneller anfänglicher Abfall der post-Injektion-Spannung, dessen Bedeutung mit steigender Injektion wächst. Dem langsamen Spannungsabfall kann eine Lebensdauer zugeordnet werden, sodass das post-Injektion-Spannungsverfahren sich zur Lebensdauerbestimmung von Ladungsträgern in Halbleitern auch bei hohen Injektionen eignet.

Aus der Druckschrift Hapke, M., Helms, G.: Eine Teststruktur zur Kontrolle des Herstellungsprozesses von MOS-Schaltkreisen, in Z.: Nachrichtentechnik Elektronik 23 (1973), H. 10, S. 393 – 394, ist eine Teststruktur zur Kontrolle des Herstellungsprozesses von MOS-Schaltkreisen bekannt, wobei die Teststruktur auf einem Chip mit Abmessungen im Bereich unter 2 mm ausgebildet ist. MOS-Transistoren unterschiedlicher Kanalabmessungen und Oxiddicken werden auf dieser Teststruktur ausgebildet, wobei verschiedene Parameter der MOS-Transistoren einzeln gemessen werden können, da die Bauelemente getrennt über kontaktierbare Anschlüsse zugänglich sind. Insbesondere kann zur Steuerung der Fertigung der Halbleiterbauelemente das Veralten der pn-Übergänge erfasst werden, wobei verschiede Diodenstrukturen und diffundierte Gebiete mit unterschiedlichen gegenseitigen Abständen auf dem Halbleiterchip in Verbindung mit der Teststruktur ausgebildet sind. Die Teststruktur auf dem Halbleiterchip enthält ferner Einrichtungen zur Kontrolle der fotolithographischen Positionierung und der einzelnen Bearbeitungsvorgänge.

Schließlich offenbart die Druckschrift CHING-YEU WEI, WOODBURY HUGH H.: Measurement of the Minority-Carrier Lifetime Using an MOS Capacitor, in Z.: IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, H. 32, Nr. 5, Mai 1985, S. 957–964, ein Messverfahren zur Messung der Lebensdauer von Minoritätsträgern unter Verwendung eines MOS-Kondensators, wobei der Kondensator als eine Ladungsinjektionseinrichtung dient. Insbesondere werden Minoritätsträger in einen MOS-Kondensator injiziert. Zur Auswertung der Messergebnisse wird ein Diffusionsmodell verwendet, aus dem die Rekombinations-Lebensdauer der Halbleitereinrichtung bestimmt werden kann. Eine positive Spannung wird an das Substrat angelegt, wobei ein Potentialtopf unterhalb eines MOS-Gatters gebildet wird. Diese Spannung wird für eine vorbestimmte Zeitdauer aufrechterhalten, die erheblich länger ist als die Aufladezeit des MOS-Kondensators. Ein negativer Spannungsimpuls wird am Ende der positiven Vorspannung verwendet zur Injektion von Ladungen in das Substrat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Testelementgruppe für eine Lebensdauerauswertung von Ladungsträgern der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß auf einfache Weise eine genaue Bestimmung des Lebensdauerwerts der Ladungsträger gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung mit den im Patentanspruch 1. angegebenen Mitteln. Alternativ wird diese Aufgabe gelöst durch einen Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung mit den im Patentanspruch 2 angegebenen Mitteln.

Die Erfindung betrifft somit einen Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung, der auf einem Halbleitersubstrat mit einer oberen und unteren Hauptoberfläche ausgebildet ist, zur Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleitersubstrat. Das Halbleitersubstrat umfaßt: eine erste Leitungsschicht einer ersten Leitungsart mit einer relativ niedrigen Störstellenkonzentration, wobei die erste Leitungsschicht die obere Hauptoberfläche bildet, eine zweite Leitungsschicht des ersten Leitungstyps mit einer relativ großen Störstellenkonzentration, und eine dritte Leitungsschicht einer zweiten Leitungsart, die unterschiedlich zur ersten Leitungsart ist, und die untere Hauptoberfläche bildet, wobei ein Elektrodenbereich mit relativ großer Störstellenkonzentration selektiv in einem Oberflächenbereich der ersten Leitungsschicht auf einer Seite der oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung, der auf einem Halbleitersubstrat mit einer oberen und unteren Hauptoberfläche ausgebildet ist, zur Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleitersubstrat, wobei eine erste Leitungsschicht eines ersten Leitungstyps und eine zweite Leitungsschicht eines zweiten Leitungstyps, der unterschiedlich zum ersten Leitungstyp ist, jeweils die obere und untere Hauptoberfläche bilden. Die erste Leitungsschicht umfaßt: einen Elektrodenbereich mit relativ großer Störstellenkonzentration, der in einem Oberflächenbereich auf einer Seite der oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist, und einen Verbindungsbereich mit einer relativ niedrigen Störstellenkonzentration zur Verbindung des Elektrodenbereichs und der zweiten Leitungsschicht, wobei der Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung bezüglich der Ladungsträgerlebensdauer ausgewertet wird durch Vergleichen eines Simulationsergebnisses, das eine Vielzahl von Bezugsspannungswerten aufweist, die erhalten werden bei Vorliegen vorbestimmter Bedingungen für die jeweilige Vielzahl diskreter Werte zur Angabe der Ladungsträgerlebensdauer als Parameter, mit einem gemessenen Spannungswert, wenn der Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung die vorbestimmten Bedingungen erfüllt, und ein Flächenverhältnis zwischen dem Elektrodenbereich auf der oberen Hauptoberfläche und einem Bereich auf der unteren Hauptoberfläche, der als Elektrodenbereich dient, derart bestimmt wird, daß die Vielzahl der Bezugsspannungswerte ausreichend voneinander isoliert wird.

Vorzugsweise wird erfindungsgemäß der Elektrodenbereich an einer Sollbruchkannte (eingeritzte Linie) des Halbleitersubstrats angeordnet.

Ferner wird vorzugsweise der Elektrodenbereich auf einem Chip ausgebildet, der für eine Auswertung des Halbleitersubstrats vorgesehen ist.

Ferner wird vorzugsweise der Elektrodenbereich in einem Chip angeordnet, der zur Verwendung als Produkt vorgesehen ist.

Mittels des erfindungsgemäßen Aufbaus des Testmusterbereichs bzw. der Testelementgruppe für eine Lebensdauerauswertung der Ladungsträger in einem Halbleitersubstrat ist es möglich, eine direkte Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer des Halbleitersubstrats durchzuführen, wobei das Halbleitersubstrat selbst als Halbleitereinrichtung mit integrierten Elementen dient. Im Vergleich zu dem Aufbau anderer Halbleitersubstrate, die für eine Auswertung vorgesehen sind, ermöglicht der Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung die Durchführung der Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer des Halbleitersubstrats mit großer Genauigkeit, wobei die Verläßlichkeit der Auswertung verbessert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Ort der gemessenen Werte des Testmusterbereichs auf einfache Weise durch Vergleichen mit den durch die Simulation erhaltenen Werte gefunden werden. Dies verbessert die Genauigkeit und ebenfalls die Verläßlichkeit der Auswertung.

Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Aufbau die Auswertung der Lebensdauer mit Elektrodenbereichen mit verschiedenen Flächen durchgeführt werden. Dies verbessert weiter die Verläßlichkeit der Auswertung.

Gemäß dem weiteren Aufbau der vorliegenden Erfindung ist kein Elektrodenbereich in dem Chip angeordnet, der als Produkt vorgesehen ist und tatsächlich als Halbleitereinrichtung auf dem Halbleitersubstrat dient. Daher kann der Einfluß auf den Chip durch die Ausbildung von zusätzlichen Elementen verhindert werden.

Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Auswertung der Chips, die für eine Auswertung oder für die Verwendung als Produkt vorgesehen sind, durchgeführt werden, auch wenn das Halbleitersubstrat aufgeteilt (d.h. geritzt und gebrochen) ist. Somit besteht keine Einschränkung auf den Zeitpunkt vor der Aufteilung des Halbleitersubstrats, da die Auswertung zu einem geeigneten Zeitpunkt durchgeführt werden kann. Insbesondere kann in der weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Auswertung durchgeführt werden, nachdem der Chip als Produkt verwendet wurde, so daß der erfindungsgemäße Aufbau somit die Anforderungen für eine Auswertung in zeitlicher Abfolge (Lebensdauer) erfüllt.

Somit ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels der des Testmusterbereichs bzw. der Testelementgruppen für eine Lebensdauerauswertung möglich, eine direkte Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer bezüglich der für das Produkt vorgesehenen Halbleiterscheibe durchzuführen. Ferner weisen die Testelementgruppen für eine Lebensdauerauswertung einen derartigen Aufbau auf, daß eine verbesserte Genauigkeit bei der Auswertung im Verhältnis zu einem Verfahren zur Vereinfachung der Lebensdauerauswertung möglich ist.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Aufbau einer Halbleiterscheibe mit Testmusterbereichen bzw. mit Testelementgruppen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Testelementgruppe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Halbleiterscheibe mit einer Testelementgruppe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 eine graphische Darstellung eines Profils der Störstellenkonzentration der in 3 gezeigten Testelementgruppe,
5 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung eines Aufbaus eines Meßsystems für die Kennlinien der Testelementgruppe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
6 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung der Einrichtungen des in 5 gezeigten Aufbaus,
7 eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus der in 6 gezeigten Halteeinrichtung,
8 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Erhalten der Kennlinien der Testelementgruppe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
9 eine graphische Darstellung eines Verlaufs der I-V-Kennlinie,
10 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Simulationsablaufs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
11 eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Schnittaufbaus einer modellierten Testelementgruppe für Simulationen,
12 eine Draufsicht zur Veranschaulichung der Korrelation zwischen einer realen Testelementgruppe und der modellierten Testelementgruppe gemäß 11,
13 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung jeweiliger Ergebnisse, die mittels einer tatsächlichen Messung und durch Simulation erhalten wurden,
14 eine Draufsicht zur Veranschaulichung der Anordnung der Chips auf der Halbleiterscheibe,
15 eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der Testelementgruppen, die an einer geritzten Linie (Sollbruchkante) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel angeordnet sind,
16 eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der in dem für Testzwecke vorgesehenen Chip ausgebildeten Testelementgruppe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
17 eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der in dem für Produktzwecke vorgesehenen Chip ausgebildeten Testelementgruppen gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
18 eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Vielzahl von Testelementgruppen, die gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel entlang der geritzten Linie ausgebildet sind,
19 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus entlang einer Linie XIX-XIX gemäß 18,
20 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Analyse bezüglich der Testelementgruppen gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
21 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung von Ergebnissen, die mittels des bekannten Verfahrens durch Tests der erfindungsgemäßen Testelementgruppen erhalten wurden,
22 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Analyse der in 21 veranschaulichten Ergebnisse,
23 eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus mit einer Vielzahl von Testelementgruppen, die sowohl in den jeweiligen für einen Test oder eine Verwendung als Produkt vorgesehenen Chips gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ausgebildet sind,
24 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Ablaufs zum Erhalten von Kennlinien der Vielzahl von Testelementgruppen gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
25 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,
26 eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Testelementgruppe gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
27 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
28 eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
29 eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Anordnung einer bekannten Testelementgruppe zur Lebensdauerauswertung,
30 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Aufbaus einer bekannten Testelementgruppe für Lebensdauerauswertung,
31 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des Schaltungsaufbaus für das bekannte Auswerteverfahren, das bei der bekannten Testelementgruppe für eine Lebensdauerauswertung angewendet wird,
32 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von Einrichtungen des in 31 gezeigten Schaltungsaufbaus,
33 ein Signalzeitverlauf zur Veranschaulichung der Sperrverzögerungszeit Trr, und
34 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des bekannten Verfahrens der Lebensdauerauswertung.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Das vorliegende Ausführungsbeispiel betrifft Testmusterbereiche, nachstehend als Testelementgruppen TEG bezeichnet, zur Lebensdauerauswertung, bei denen eine direkte Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer einer für eine Produktverwendung vorgesehenen Halbleiterscheibe möglich ist. Hierbei werden die gleichen Bezugszeichen und Symbole zur Bezeichnung gleicher oder gleichartiger Bauelemente wie bei dem Stand der Technik verwendet.
1 zeigt in der Draufsicht den Aufbau einer für die Verwendung als Produkt vorgesehenen Halbleiterscheibe W mit entsprechenden Testelementgruppen TEG. Die Testelementgruppen sind in Form von Quadraten in der in 1 gezeigten Ebene angeordnet. Die Halbleiterscheibe W umfaßt die bipolaren IG-Transistoren (insulated gate bipolar transistor IGBT) als nicht gezeigte integrierte Elemente.
2 zeigt in einer Schnittansicht den Aufbau der in 1 gezeigten Testelementgruppe. Die Testelementgruppe weist einen Schichtenaufbau auf und entspricht einer Diode. Ferner ist ein Kathodenbereich C mit der Dotierung N⁺ teilweise im Oberflächenbereich des Basisbereichs Ba ausgebildet.
3 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus der Halbleiterscheibe W. Die Halbleiterscheibe W umfaßt einen Bereich mit IGBT-Elementen und in Nachbarschaft zu diesen IGBT-Elementen entsprechende Testelementgruppen. Eine Kathodenelektrode ist im Kathodenbereich C der Testelementgruppe ausgebildet. Eine Kollektorelektrode der IGBT-Elemente ist an der unteren Oberfläche der Halbleiterscheibe W ausgebildet und dient als Anodenelektrode der Testelementgruppe. Gemäß 3 wird die in 2 gezeigte Testelementgruppe gleichzeitig ausgebildet, wenn die IGBT-Elemente in der Halbleiterscheibe W ausgebildet werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Störstellenkonzentration in der Testelementgruppe bezüglich der Tiefe entsprechend dem in 3 gezeigten Pfeil. Die vertikale und horizontale Achse bezeichnen jeweils die Störstellenkonzentration C (imp) und die Tiefe D. Als Profil der Störstellenkonzentration C (imp) der Testelementgruppe in dieser Figur entspricht eine durchgezogene Linie dem Fall, daß die Testelementgruppe einen Pufferbereich Bu gemäß 3 aufweist, und eine als Bezugslinie dienende gestrichelte Linie bezeichnet den Fall, daß die Testelementgruppe keinen Pufferbereich aufweist.
Gemäß 4 zeigt das Profil der Störstellenkonzentration der Testelementgruppe ohne Pufferbereich Bu einen symmetrischen Verlauf vom Kathodenbereich C zum Anodenbereich A, der hohe Werte an beiden Enden des Kathoden- und Anodenbereichs C und A und niedrige Werte in einem dazwischenliegenden Bereich aufweist.
Ferner zeigt das Profil (der Verlauf) der Störstellenkonzentration der Testelementgruppe gemäß 3 einen unsymmetrischen Verlauf infolge des Vorhandenseins des Pufferbereichs Bu.
Zum Abschluß der Beschreibung des Aufbaus der Testelementgruppe wird nun ein Verfahren zur Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer der mit den Testelementgruppen ausgestatteten Halbleiterscheibe gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei dem Auswertungsverfahren werden EIN-Spannungswerte, die durch tatsächliche Messung einer realen Testelementgruppe erhalten werden, und diejenigen, die durch Simulation erhalten werden, jeweils miteinander verglichen. Nachstehend werden zuerst die für die Auswertung erforderlichen Einrichtungen beschrieben. 5 zeigt eine Schaltungsanordung der Meßschaltung bezüglich des Auswertungsverfahrens gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Einrichtungen zur Bildung der in 5 gezeigten Meßschaltung.
In 5 sind eine Spannungsquelle 10, ein Strommeßgerät und die Testelementgruppe mit einer Diodenstruktur in Reihe zueinander geschaltet. Ein Signalverlaufsaufnehmer 20 gemäß 6 stellt eine gewünschte Spannung bereit und zeichnet den Strom auf, und dient damit als Spannungsquelle 10 und als Strommeßgerät gemäß der Darstellung in 5. An einer Halteeinrichtung H ist ein mit den Testelementgruppen ausgestatteter Chip befestigt.
7 zeigt eine perspektivische Darstellung der Einzelheiten des Aufbaus der Halteeinrichtung H mit dem daran angebrachten Chip. Die Halteeinrichtung H umfaßt Ausgabeelektroden 30 und 40, die jeweils mit der Anode und der Kathode der Testelementgruppe verbunden sind. Die Ausgabeelektrode 30 ist mit der Anodenelektrode der Testelementgruppe mittels Druckbonden und die Ausgabeelektrode 40 ist mit der Kathodenelektrode der Testelementgruppe über eine Leitung verbunden. Die Messung der I-V-Kennlinien (Strom-Spannungs-Kennlinien) mittels des Signalverlaufaufnehmers 20 gemäß 6 wird mit der an der Halteeinrichtung H befestigten Testelementgruppe durchgeführt.
Bei dem jeweiligen Vergleich des Aufbaus der Einrichtungen gemäß den 6 und 32 ist erkennbar, daß weniger Einrichtungen für das erfindungsgemäße Auswertungsverfahren gemäß 6 erfoderlich sind, als gemäß 32 bei dem bekannten Auswertungsverfahren benötigt werden. Dies ist möglich, da das bekannte Auswertungsverfahren sich in zeitlicher Abfolge ändernde Kennlinien (dynamische Kennlinien) verarbeitet, während das vorliegende Auswertungsverfahren Kennlinien verarbeitet, die keine Beziehung zu einer zeitlichen Änderung aufweisen (statische Kennlinien), wie es im einzelnen nachstehend noch beschrieben wird.
Nachfolgend wird nun ein Ablauf des vorliegenden Auswertungsverfahrens beschrieben. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs zum Erhalten der EIN-Spannungswerte Vf durch tatsächliche Messung von realen Testelementgruppen.
Zuerst nimmt eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung der automatischen Messung die Steuerung auf (Schritt SAO). Die Steuerungseinrichtung mißt die Testelementgruppe zur Erzielung des Profils einer I-V-Kennlinie gemäß 9 (Schritt SA1). Im einzelnen bildet die Steuerungseinrichtung eine Korrelation zwischen den an der Kathodenelektrode und Anodenelektrode der Testelementgruppe angelegten Spannungen, und dem zwischen diesen beiden Elektroden fließenden Strom.
Gemäß 9 erhält die Steuerungseinrichtung die EIN-Spannungswerte Vf bei einem Referenzstromwert I_O auf der Basis des erhaltenen Profils (Kennlinie) (Schritt SA2). Der Referenzstromwert I_O kann mittels eines Benutzers in der Steuerungseinrichtung beliebig eingestellt werden. Die Steuerung endet mit einem Schritt SA3.
Nachstehend wird nun ein Simulationsablauf beschrieben. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Simulationsablaufs. Der Ablauf beginnt mit einem Schritt SB0. Ein Benutzer gibt vorbestimmte Bedingungen bezüglich des Aufbaus der Testelementgruppe wie Größe, Störstellenkonzentration in die Simulationseinrichtung gemäß Schritt SBl ein. In Schritt SB2 stellt der Benutzer eine Vielzahl von Ladungsträgerlebensdauerwerten als Parameter der Simulation ein.
In Schritt SB3 führt die Simulationseinrichtung eine Simulation der I-V-Kennlinien der Testelementgruppe durch. Im einzelnen wird ein innerer Zustand der Testelementgruppe unter den vorbestimmten Bedingungen für einen der durch den Benutzer eingegebenen Ladungsträgerlebensdauerwerte simuliert. Die Simulation führt zu Verläufen von I-V-Kennlinien (Profile), wie es in 9 gezeigt ist, die jeweils nur für den verwendeten Lebensdauerwert gelten. In Schritt SB4 wird eine Abfrage durchgeführt, ob sämtliche Simulationen für alle Lebensdauerwerte von Schritt SB2 gemäß Schritt SB3 vollendet sind, d.h. ob die Simulation als Ganzes vollendet ist oder nicht. Ist die Antwort "JA", dann geht der Ablauf zu einem Schritt SB5 über. Ist die Antwort "NEIN", dann kehrt der Ablauf zu dem Schritt SB3 zur weiteren Durchführung für einen der verbleibenden Lebensdauerwerte zurück.
In Schritt SB5 werden EIN-Spannungswerte Vf (Sim) entsprechend dem Referenzstromwert I_O in Bezug zu einer Vielzahl von Verläufen der I-V-Kennlinien erhalten, die wiederum für jeweilige Lebensdauerwerte gemäß Schritt SB3 erhalten wurden. Wurden alle EIN-Spannungswerte Vf(Sim) erhalten, dann wird der Ablauf mit Schritt SB6 beendet.
Bei der Simulation wird die modellierte Testelementgruppe mit zylindrischem Aufbau gemäß 11 anstelle einer realen Testelementgruppe in Form eines Quadrats verwendet. 12 zeigt in einer Draufsicht die Beziehung zwischen der realen Testelementgruppe und der modellierten Testelementgruppe. Gemäß der Darstellung in dieser Figur ist der Außenrand jeder Komponente der modellierten Testelementgruppe durch einen Kreis innerhalb der jeweils entsprechenden Komponente der realen Testelementgruppe bestimmt. Der Kathodenbereich C der modellierten Testelementgruppe umfaßt beispielsweise einen Außenrand, der tangential und intern zu dem Kathodenbereich C der realen Testelementgruppe angeordnet ist. Umfaßt somit eine Komponente der realen Testelementgruppe ein Quadrat mit einer jeweiligen Seitenlänge von 2r, dann Umfaßt die entsprechende Komponente der modellierten Testelementgruppe einen Kreis mit dem Radius r.
Die modellierte Testelementgruppe mit zylindrischem Aufbau ist symmetrisch in einem Abschnitt parallel zu ihrer unteren Oberfläche in Bezug auf ihren Mittelpunkt. Daher ist es möglich, eine der Koordinaten in der Simulation zu vermindern, wodurch sich eine schnelle Simulation ergibt. Ferner werden die jeweiligen Lebensdauerwerte τe und τp der Elektronen und Löcher bei der Simulation als gleich angenommen, obwohl die realen Werte derselben unterschiedlich zueinander sind. Ein Fehler infolge dieser Annahme ist jedoch klein und daher vernachlässigbar.
Da die EIN-Spannungswerte Vf (Sim) erhalten werden durch Erhalten von Verläufen der I-V-Kennlinien, sind einige Anpassungen erforderlich bezüglich des Unterschieds in der Fläche jeder Komponente zwischen der realen und der modellierten Testelementgruppe gemäß der Darstellung in 12. Bei der Simulation wird der Stromwert daher durch 4/π in Schritt SB5 gemäß 10 multipliziert zum Erhalten der EIN-Spannungswerte Vf (Sim). Der Wert 4/π ist abgeleitet von einem Flächenverhältnis 4:π eines Quadrats zu einem innerhalb des Quadrats mit maximaler Größe angeordneten Kreises.
13 zeigt eine graphische Darstellung von Verläufen (Profilen) der I-V-Kennlinien bezüglich der gemessenen Werte und der Simulationsergebnisse der Testelementgruppen. In der Figur ist der Stromwert der Simulation nach einer Multiplikation mit dem Wert 4/π ausgedruckt. Weiße Kreise bezeichnen die gemessenen Werte der Testelementgruppen und schwarze Symbole wie Kreise und Dreiecke bezeichnen die Simulationsergebnisse für jeweilige Lebensdauerwerte. Die Korrelation zwischen diesen Markierungen und Lebensdauerwerten ist in der Figur angegeben. Die reale Testelementgruppe in dieser Figur umfaßt einen Kathodenbereich in Form eines Quadrats mit der jeweiligen Seitenlänge von 100 μm.
Es wird nun angenommen, daß der Referenzstromwert I_O den Wert von 6 mA annimmt. Gemäß 13 kennzeichnen die Schnittpunkte der Verläufe der I-V-Kennlinien und der horizontalen Achse mit dem Stromwert von 6 mA die EIN-Spannungswerte Vf und Vf (Sim). Die Figur zeigt in diesem Punkt, daß die EIN-Spannungswerte Vf, die durch die weißen Kreise angedeutet sind (gemessene Werte) zwischen den EIN-Spannungswerten Vf (Sim) mit einem Lebensdauerwert von 20 μs, angezeigt durch schwarze Quadrate, und denjenigen mit einem Lebensdauerwert von 10 μs, angezeigt durch schwarze Kreise, die beide durch Simulation erhalten wurden, ausgedruckt sind. Somit kann der Ladungsträger-Lebensdauerwert innerhalb der realen Testelementgruppe einem Bereich von 10 bis 20 μs zugeordnet werden.
Ein weiterer detaillierter Vergleich ist ebenfalls möglich. Da beide EIN-Spannungswerte, die mittels der weißen und schwarzen Kreise angegeben sind, jeweils bei 1.2 V und nahe beeinander liegen, kann der Ladungsträger-Lebensdauerwert innerhalb der realen Testelementgruppe zu 10 μs angenommen werden.
Zur Klarstellung der nachfolgenden Beschreibung wird eine derartige Schlußfolgerung bezüglich des Lebensdauerwerts durch Vergleichen der EIN-Spannungen nachstehend als "Schlußfolgerung" bezeichnet.
Die Verläßlichkeit der mittels des vorstehend angegebenen Verfahrens erhaltenen Lebensdauerwerte kann durch einen Vergleich mit denjenigen Werten, die mittels des bekannten Verfahrens und der erfindungsgemäßen Testelementgruppe erhalten werden, überprüft werden. Das Ergebnis des Vergleichs wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein fünftes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die Testelementgruppen zur Lebensdauerauswertung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in einem Halbleitersubstrat angeordnet, das zur Verwendung als Produkt vorgesehen ist. Dies führt zu einer direkten Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer und zu einer hohen Verläßlichkeit der Lebensdauerauswertung. Ferner sind weniger Einrichtungen erforderlich für die Lebensdauerauswertung gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren des ersten Ausführungsbeispiels im Vergleich zu dem bekannten Verfahren.
Obwohl lediglich Testelementgruppen in Form eines Quadrats bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel zur Klarstellung der Simulation verwendet wurden, kann jede Form wie Dreiecke und dergleichen bei den Testelementgruppen des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet werden.
Zweites Ausführungsbeispiel:
Die gleichen Komponenten und Elemente entsprechend der vorstehenden Beschreibung werden nachstehend mit den gleichen Symbolen und Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals erläutert.
14 zeigt in einer Draufsicht die Halbleiterscheibe W mit den Halbleiterchips CH. Im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels sind die Testelementgruppen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel an einer geritzten Linie (Sägelinie, Sollbruchkante) zwischen den Chips CH ausgebildet. 15 zeigt in einer vergrößerten Draufsicht einen mit einer gestrichelten Linie bezeichneten Teil von 14. Zur Vereinfachung der Darstellung werden die Bezugszeichen "Ch1" bis "CH4" den jeweiligen Chips (rechts oben beginnend) im Uhrzeigersinn zugeordnet.
Es ist zu beachten, daß die Ladungsträgerlebensdauerwerte in Abhängigkeit von ihrer Position auf der Halbleiterscheibe W veränderlich sind. Daher ist eine Vielzahl von Testelementgruppen an vielen Stellen angeordnet, so daß eine Schlußfolgerung auf die Lebendsdauerwerte in genauerer Weise erfolgen kann. Mittels einer an der oberen Seite in 15 angeordneten Testelementgruppe können die Ladungsträger-Lebensdauerwerte bezüglich der Chips CH1 und CH4 ermittelt werden. In gleicher Weise kann mittels einer Testelementgruppe an der unteren Seite in 15 auf die Ladungsträger-Lebensdauerwerte der Chips CH2 und CH3 geschlossen werden.
Wird die in 14 gezeigte Halbleiterscheibe W in die entsprechenden Chips CH zur Verwendung als Produkt aufgeteilt, dann verbleibt keine Spur der an der geritzten Linie ausgebildeten Testelementgruppen in den Chips CH. Daher treten bei integrierten Schaltungen keine Einflüsse der Testelementgruppen auf die Verwendung der Chips CH auf. Es ist ferner nicht erforderlich, für die Testelementgruppen innerhalb der Chips CH, die als Produkt vorgesehen sind, eine Fläche zu reservieren.
Drittes Ausführungsbeispiel:
Während gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Testelementgruppen entlang einer geritzten Linie angeordnet sind, können die Testelementgruppen auch in einem Chip für Testzwecke angeordnet werden. 16 zeigt in einer Draufsicht die Halbleiterscheibe W mit den in dem Chip für Testzwecke (Testchip) ausgebildeten Testelementgruppen, die als Ersatz für die in 15 gezeigte Anordnung dient.
Ein Chip CH4 gemäß der Darstellung in 16 wird nicht als Produkt sondern als Testchip für die Chips CH1 bis CH3 verwendet. Mit der Anordnung der Testelementgruppe in dem Chip CH4 für Testzwecke ist es möglich, auf die Ladungsträgerlebensdauer der Chips CH1 bis CH3 zu schließen. In gleicher Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel treten bei den als Produkt zu verwendenden Chips CH1 bis CH3 keine Spuren der Testelementgruppen auf.
Ferner verbleibt die Testelementgruppe im Chip CH4, nachdem die Chips CH1 bis CH3 entnommen worden sind. Im Unterschied zu dem Fall des zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem die entlang der geritzten Linie angeordneten Testelementgruppen verloren sind, ist es beim dritten Ausführungsbeispiel möglich, eine Auswertung der Lebensdauer auch dann vorzunehmen, nachdem die Chips zu einem Produkt geworden sind.
Viertes Ausführungsbeispiel:
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Testelementgruppen in dem als Produkt vorgesehenen Chip angeordnet. 17 zeigt in einer Draufsicht den Aufbau eines derartigen Chips, bei dem die Testelementgruppen innerhalb des als Produkt vorgesehenen Chips CH1 angeordnet sind. Die Testelementgruppe ist in einem Bereich mit Ausnahme eines Bereichs RG, der als ein Element dient, angeordnet.
Zusätzlich zu einer direkten Auswertung der Ladungsträger-Lebensdauerwerte des Chips CH1, der zur Produktverwendung vorgesehen ist, besteht ein weiterer Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels darin, daß die Auswertung zu jedem Zeitpunkt durchgeführt werden kann, unabhängig, ob dieser Zeitpunkt vor oder nach der Aufteilung der Halbleiterscheibe liegt. Die Testelementgruppe kann ebenfalls in den Chips CH2 bis CH4 angeordnet sein. Die jeweiligen Verfahren zur Ausführung der Testelementgruppen gemäß dem zweiten bis vierten Ausführungsbeispiel sind jedoch nicht ausschließlich zu sehen. Es ist beispielsweise möglich, die Testelementgruppen sowohl in dem Chip CH4, der für Testzwecke vorgesehen ist, als auch entlang der geritzten Linie anzuordnen.
Fünftes Ausführungsbeispiel:
18 zeigt in einer Draufsicht den Aufbau einer Vielzahl von Testelementgruppen mit unterschiedlichen Flächen, die entlang einer geritzten Linie angeordnet sind. 19 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie XIX-XIX gemäß 18. Gemäß 19 ist eine Vielzahl von Kathodenbereichen C zur Bereitstellung der Vielzahl der Testelementgruppen vorgesehen.
Die Auswertung auf der Basis der Vielzahl der Testelementgruppen mit unterschiedlichen Flächen bezieht durch die Flächen der Kathodenbereiche C in den Testelementgruppen eine weitere Änderung ein im Vergleich zu der Schlußfolgerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
20 zeigt eine graphische Darstellung mit der vertikalen Achse zur Angabe der EIN-Spannungswerte Vf und der horizontalen Achse zur Angabe der Länge L bezüglich der Kathodenbereiche C. Die Länge L bezüglich der Kathodenbereiche C entspricht der halben Länge einer Seite eines Quadrats der realen Testelementgruppe, oder dem Radius eines Kreises der modellierten Testelementgruppe. Da eine Fläche proporional zu einem Quadrat der Länge ist, zeigt diese Figur eine Korrelation zwischen den Lebensdauerwerten, den Flächen der Kathodenbereiche C und den EIN-Spannungswerten Vf.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel lag keine Änderung der Fläche der Testelementgruppen bei der Schlußfolgerung vor. Das vorliegende Ausführungsbeispiel umfaßt demgegenüber geänderte Flächen, so daß gemäß der Darstellung in 20 Daten nicht durch Punkte sondern durch Linien dargestellt sind. Dies verbessert die Verläßlichkeit der Schlußfolgerung im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel.
Bei der graphischen Darstellung gemäß 20 liegt der Ladungsträger-Lebensdauerwert der realen Testelementgruppe, angezeigt durch weiße Kreise, sehr nahe bei dem Simulationsergebnis mit dem Ladungsträger-Lebensdauerwert von 10 μs, der durch schwarze Kreise angeordnet ist. Somit kann der Ladungsträger-Lebensdauerwert der realen Testelementgruppe zu etwa 10 μs angenommen werden.
Die Arbeitsbelastung bei einer Analyse kann vermindert werden durch Anwenden einer Anzeigeeinrichtung zur Eingabe jeweiliger Daten für die reale und die modellierte Testelementgruppe, die durch die Abläufe gemäß den 8 und 10 jeweils erhalten werden (Lebensdauerwert τ, Länge L und EIN-Spannungswert Vf als Parameter), und zum automatischen Ausdrucken dieser Daten für eine Anzeige gemäß 20.
Gemäß der Beschreibung im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels kann der mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens erhaltene Lebensdauerwert überprüft werden durch Vergleiche desselben mit dem Lebensdauerwert, der mittels des bekannten Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Testelementgruppe erhalten wurde.
Die 21 und 22 zeigen graphische Darstellungen entsprechend den jeweiligen 33 und 34. In 21 bezeichnen die vertikalen Achsen auf der linken und rechten Seite jeweils einen Stromwert I in der Testelementgruppe und eine Stromdichte, und die horizontale Achse bezeichnet die Zeit bezüglich des Anlegens einer Pulsspannung. Bei dieser graphischen Darstellung bezeichnen weiße Kreise Werte der realen Testelementgruppe, bei denen jede Seite eines Quadrats des Emitterbereichs E 100 μm beträgt und schwarze Dreiecke bezeichnen Simulationsergebnisse, bei denen der Lebensdauerwert τ bei 8 μs liegt, zum Erhalten einer Relation gemäß der Darstellung in 22. 22 ist eine graphische Darstellung, die erhalten wird durch Bilden von Linien zwischen Simulationsergebnissen für jeden Stromwert bei jedem vorbestimmten Wert des Lastwiderstands. Die vertikale und horizontale Achse zeigt jeweils die Sperrverzögerungszeit Trr und den Lebensdauerwert τ. Die Sperrverzögerungszeit Trr der realen Testelementgruppe kann zu 5.85 μs aus 21 gelesen werden. In 22 entsprechen schwarze Quadrate dem Fall, bei dem der Stromwert bei dem vorbestimmten Wert der Pulsspannung ±10 mA beträgt. Der Lebensdauerwert am Schnittpunkt der zwischen den schwarzen Quadraten und der Sperrverzögerungszeit von 5.85 μs gezogenen Linien beträgt 8 μs.
Somit betragen jeweils die Lebensdauerwerte, die mittels dem vorliegenden und dem bekannten Verfahren erzielt wurden, 10 μs und 8 μs. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß lediglich Probelebensdauerwerte mittels des bekannten Verfahrens erhalten werden können, ist gewährleistet, daß auf die Lebensdauerwerte mittels des vorliegenden Verfahrens geschlossen werden kann. 22 zeigt ferner den Fall, bei dem die Stromwerte bei dem vorbestimmten Wert des Lastwiderstands jeweils ±20 mA und ±100 mA betragen. Die Sperrverzögerungszeit Trr für die Stromwerte von ±20 mA und ±100 mA betragen jeweils 4.17 μs und 2.29 μs.
Obwohl gemäß der vorstehenden Beschreibung die Testelementgruppen entlang der geritzten Linie angeordnet sind, ist die Vielzahl der Testelementgruppen nicht nur entlang der geritzten Linie angeordnet. 23 zeigt in einer Draufsicht den Aufbau einer Vielzahl von Testelementegruppen, von Chips CH1 und CH2, die für Produktzwecke vorgesehen sind, und Chips CH3 und CH4, die zur Auswertung der Chips CH1 und CH2 vorgesehen sind.
In dem Chip CH1 ist eine Vielzahl von Testelementgruppen mit unterschiedlichen Flächen ausgebildet. Der Chip CH4 umfaßt eine Vielzahl von zufällig verteilten Testelementgruppen. Der Chip CH3 ist nahezu vollständig mit einer Testelementgruppe belegt zur Vergrößerung der Variation der Fläche der Kathodenbereiche C.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Schritt SB7 zu dem Ablauf gemäß 10 in Folge der Ausbildung der Vielzahl der Testelementgruppen hinzugefügt. 24 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Simulationsablaufs einschließlich des Schritts SB7. Der Schritt SB7 ist zwischen die Schritte SB4 und SB5 gemäß 10 zur Überprüfung eingefügt, ob die Simulation für alle Flächen der Testelementgruppen durchgeführt wurde. Ergibt die Antwort in Schritt SB7 "JA", dann geht der Ablauf als nächstes zu dem Schritt SB5 über. Ist hingegen die Antwort "NEIN", dann kehrt der Ablauf zu Schritt SB3 zurück zur Durchführung einer Simulation der verbleibenden Flächen der Testelementgruppen. Bezüglich des in 8 gezeigten Ablaufs ist für jede Fläche die Verarbeitung der Schritte SA0 bis SA3 erforderlich.
Die Ausbildung der Vielzahl der Testelementgruppen mit den Kathodenbereichen C in unterschiedlichen Flächen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verbessert die Verläßlichkeit der Ladungsträger-Lebensdauerauswertung.
Sechstes Ausführungsbeispiel:
Unter Bezugnahme auf 20 werden die EIN-Spannungswerte Vf in der Simulation für jeden Lebensdauerwert voneinander isoliert, da die Fläche (Länge) des Kathodenbereichs C kleiner ist. Ist andererseits die Fläche des Kathodenbereichs C groß, und ist beispielsweise die Länge L etwa 3 × 10³ μm, dann liegen die Simulationsergebnisse nahe beieinander.
Liegen die Simulationsergebnisse nahe beieinander und ist der gemessene Wert der realen Testelementgruppe zwischen diesen Simulationsergebnissen angeordnet, dann ist es schwierig, herauszufinden, welches Ergebnis nahe bei dem gemessenen Wert liegt. Es ist jedoch sehr einfach, wenn die Simulationsergebnisse jeweils voneinander isoliert sind. Es ist daher wünschenswert, die Flächen der Kathodenbereiche C klein vorzusehen, so daß die Simulationsergebnisse jeweils voneinander isoliert sind. Hierbei bedeutet die Aussage "Die Fläche des Kathodenbereichs C ist klein", daß der Kathodenbereich C klein ist im Vergleich zum Anodenbereich A. Es wird nachstehend noch beschrieben, wie die Abmessungen des Kathodenbereichs C einzustellen sind, zur Verminderung eines Flächenverhältnisses zwischen der Fläche des Kathodenbereichs und derjenigen des Anodenbereichs A. Zur Beschreibung eines Flächenverhältnisses ist es erforderlich, daß eine Standardfläche zur Klarstellung bestimmt werden muß. Daher wird die Fläche der Komponenten auf der Halbleiterscheibe zuerst beschrieben.
25 zeigt in einer Schnittansicht die Halbleiterscheibe W mittels einer strichpunktierten Linie und den von der Halbleiterscheibe W getrennten Chip CH mit einer ausgezogenen Linie. Wie es aus der Figur erkennbar ist, ändert sich die Fläche des Anodenbereichs A zur Bildung eines Paars mit dem Kathodenbereich C von einem Zustand vor zu einem Zustand nach der Aufteilung, wenn der Chip CH von der Halbleiterscheibe W getrennt wird. Es ist daher wichtig, jeweilige Flächen klar zu definieren als einen Kathoden- und Anodenbereich C und A zur Bildung eines zusammengehörigen Paars.
Gemäß der Darstellung in 26 umfassen sowohl der Kathoden- als auch der Anodenbereich C und A im Chip CH sechs Oberflächen einschließlich der oberen und unteren Oberflächen und der Seitenflächen. Die Fläche des Kathodenbereichs C wird als Fläche angesehen, die der oberen Oberfläche des diese Oberflächen aufweisenden Chips CH bildet. In gleicher Weise wird der Anodenbereich A als eine Fläche angesehen, die die untere Fläche des die sechs Oberflächen aufweisenden Chips CH bildet.
27 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Ausmaßes, in welchem der Anodenbereich A einem Kathodenbereich C entspricht. Der Schnittpunkt der Mittellinie, die die Mitte des Kathodenbereichs C und den Anodenbereich A durchläuft, zeigt an, daß eine Fläche 5h fünfmal so lang wie die Höhe h der Halbleiterscheibe W (Chip CH) im Anodenbereich A (mit einer Breite von 10h einschließlich der rechten und linken Seiten) ein Paar mit dem Kathodenbereich C bildet. Die Fläche innerhalb dieses Bereichs dient tatsächlich als Anodenbereich für den Kathodenbereich C, und der Strom fließt vom Anodenbereich A zum Kathodenbereich C, wie es in der Figur mittels der Pfeile dargestellt ist.
Die tatsächlich als Anodenbereich A dienende Fläche wird nachstehend als Funktionsbereich WT bezeichnet. Ferner wird auf das Verhältnis der Flächen zwischen dem Emitterbereich E und dem Funktionsbereich WT als ein Flächenbereich Ra (eine Fläche des Kathodenbereichs C zu derjenigen des Funktionsbereichs WT) Bezug genommen. 28 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kathodenbereichs C und des Funktionsbereichs WT.
Nachstehend wird nun beschrieben, wie die Fläche des Kathodenbereichs C klein eingestellt wird, so daß die Simultionsergebnisse in der vorstehend beschriebenen Weise jeweils voneinander abweichen. Unter Bezugnahme auf 20 werden die rechts außen liegenden Daten mit der Länge L von etwa 3 × 10³ μm erhalten, wenn das Verhältnis Ra gleich 1 ist. Gemäß der Figur ist ein ausreichender Abstand aufrechterhalten zwischen den jeweiligen Daten des Bereichs der Länge L unterhalb von 10² μm. Da eine Fläche proportional dem Quadrat der Länge ist, ist es ausreichend, den Emitterbereich E in der Weise auszubilden, daß das Flächenverhältnis Ra in einem Bereich von etwa 1/1750000 bis 1/4500 liegt.
Die Verminderung im Flächenverhältnis ermöglicht es, auf einfache Weise die Korrelation zwischen der tatsächlichen Messung und der Simulation zu überwachen. Ferner wird die Genauigkeit der Auswertung verbessert, wodurch ebenfalls eine Verbesserung der Verläßlichkeit des Ergebnisses erzielt wird.
Somit betrifft die Erfindung Testelementgruppen zur Verbesserung der Genauigkeit der Auswertung von Ladungsträger-Lebensdauerwerten. Die Testelementgruppen umfassen einen Basisbereich, der selektiv einen Kathodenbereich in einem Oberflächenteil desselben aufweist, sowie einen Anodenbereich. Der Schnittpunkt einer Mittellinie des Kathodenbereichs und des Anodenbereichs bildet einen Funktionsbereich, der innerhalb einer Spanne von 5h liegt, d.h. dem fünffachen der Höhe h einer Halbleiterscheibe. Der Funktionsbereich bildet ein Paar mit dem Kathodenbereich und dient als gegenwärtiger Anodenbereich für den Kathodenbereich. Da ein Flächenverhältnis des Kathodenbereichs zu dem Funktionsbereich kleiner ist, können EIN-Spannungswerte Vf bezüglich jeweiliger Lebensdauerwerte voneinander isoliert werden. Daher ist der Kathodenbereich in der Weise ausgebildet, daß das Flächenverhältnis der Fläche des Kathodenbereichs zu derjenigen des Funktionsbereichs etwa zwischen 1/1750000 und 1/4500 liegt.

Claims

Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung, der auf einem Halbleitersubstrat (W, CH) mit einer oberen und unteren Hauptoberfläche ausgebildet ist, zur Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleitersubstrat, wobei das Halbleitersubstrat umfaßt: eine erste Leitungsschicht (Ba) einer ersten Leitungsart (N) mit einer relativ niedrigen Störstellenkonzentration, wobei die erste Leitungsschicht die obere Hauptoberfläche bildet, eine zweite Leitungsschicht (Bu) des ersten Leitungstyps (N) mit einer relativ großen Störstellenkonzentration, und eine dritte Leitungsschicht (A) einer zweiten Leitungsart (P), die unterschiedlich zur ersten Leitungsart (N) ist, und die untere Hauptoberfläche bildet, wobei ein Elektrodenbereich mit relativ großer Störstellenkonzentration selektiv in einem Oberflächenbereich (C) der ersten Leitungsschicht auf einer Seite der oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung, der auf einem Halbleitersubstrat (W, CH) mit einer oberen und unteren Hauptoberfläche ausgebildet ist, zur Auswertung der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleitersubstrat, wobei eine erste Leitungsschicht (Ba, C) eines ersten Leitungstyps und eine zweite Leitungsschicht (A) eines zweiten Leitungstyps, der unterschiedlich zum ersten Leitungstyp ist, jeweils die obere und untere Hauptoberfläche bilden, und die erste Leitungsschicht umfaßt: einen Elektrodenbereich (C) mit relativ großer Störstellenkonzentration, der in einem Oberflächenbereich auf einer Seite der oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist, und einen Verbindungsbereich (Ba) mit einer relativ niedrigen Störstellenkonzentration zur Verbindung des Elektrodenbereichs und der zweiten Leitungsschicht, wobei der Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung bezüglich der Ladungsträgerlebensdauer ausgewertet wird durch Vergleichen eines Simulationsergebnisses, das eine Vielzahl von Bezugsspannungswerten aufweist, die erhalten werden bei Vorliegen vorbestimmter Bedingungen für die jeweilige Vielzahl diskreter Werte zur Angabe der Ladungsträgerlebensdauer als Parameter, mit einem gemessenen Spannungswert, wenn der Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung die vorbestimmten Bedingungen erfüllt, und ein Flächenverhältnis zwischen dem Elektrodenbereich auf der oberen Hauptoberfläche und einem Bereich auf der unteren Hauptoberfläche, der als Elektrodenbereich dient, derart bestimmt wird, daß die Vielzahl der Bezugsspannungswerte ausreichend voneinander isoliert wird.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung gemäß Anspruch 2, wobei der Elektrodenbereich (C) eine Vielzahl von Elektrodenbereichen mit unterschiedlichen Flächen aufweist.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenbereich (C) entlang einer geritzten Linie auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl der Elektrodenbereiche entlang einer geritzten Linie auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenbereich (C) auf dem Halbleitersubstrat in einem für die Auswertung vorgesehenen Chip angeordnet ist.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl der Elektrodenbereiche auf dem Halbleitersubstrat in einem Chip angeordnet sind, der zur Auswertung vorgesehen ist.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenbereich (C) auf dem Halbleitersubstrat in einem Chip angeordnet ist, der zur Verwendung als Produkt vorgesehen ist.
Testmusterbereich zur Lebensdauerauswertung nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl der Elektrodenbereiche auf dem Halbleitersubstrat in einem Chip angeordnet sind, der zur Verwendung als Produkt vorgesehen ist.