DE19915051C2

DE19915051C2 - Method and device for the spatially resolved characterization of electronic properties of semiconductor materials

Info

Publication number: DE19915051C2
Application number: DE19915051A
Authority: DE
Inventors: Michael Bail; Rolf Brendel; Thomas Hierl; Max Schulz; Juergen Zettner
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: DE19915051A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ortsaufgelösten Cha rakterisierung elektronischer Eigenschaften von Halbleitermate rialien, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration, Vertei lung und Lebensdauer der freien Ladungsträger in Halbleitern, z. B. in Form von Halbleiterwafern oder Halbleitervolumenmateri alien, und eine Vorrichtung zur Implementierung eines derarti gen Verfahrens.The invention relates to a method for spatially resolved cha Characterization of electronic properties of semiconductor mate rialien, especially for determining the concentration, distribution development and lifespan of free charge carriers in semiconductors, z. B. in the form of semiconductor wafers or semiconductor volume alien, and an apparatus for implementing such a procedure.

Von entscheidender Bedeutung für die Funktionalität von Halb leiterbauelementen sind deren Dotierungseigenschaften, zu denen insbesondere die Dotierungskonzentration und -verteilung zäh len, und die Festkörperstrukturen, die z. B. bei kristallinen Halbleitern für die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger von Bedeutung ist. Sowohl bei der Produktion elektronischer Schalt kreise als auch bei anderen Anwendungen von Halbleitermateria lien (z. B. für Solarzellen) besteht gegenwärtig eine Tendenz, die Halbleiterrohmaterialien mit immer größeren Dimensionen (z. B. Wafer mit größeren Durchmessern) herzustellen. Um zu prü fen, ob in den Halbleitermaterialien die Dotierstoffe homogen und mit der jeweils gewünschten Konzentration eingebracht sind, und um die Halbleiterherstellung zu optimieren, besteht ein In teresse an der Charakterisierung von Halbleitermaterialien wäh rend oder nach deren Herstellung.Crucial for the functionality of Half conductor components are their doping properties, to which especially the doping concentration and distribution is tough len, and the solid structures, the z. B. in crystalline Semiconductors for the lifetime of the minority charge carriers from Meaning is. Both in the production of electronic switching circles as well as in other applications of semiconductor materials lien (e.g. for solar cells) there is currently a tendency the semiconductor raw materials with ever larger dimensions (e.g. wafers with larger diameters). To check whether the dopants are homogeneous in the semiconductor materials and are introduced with the desired concentration, and to optimize semiconductor manufacturing, there is an In interest in the characterization of semiconductor materials rend or after their manufacture.

In der Halbleitertechnologie sind die folgenden Charakterisie rungsmethoden zur Bestimmung der Dotierung eines Halbleiters allgemein bekannt. Ein erstes Verfahren basiert auf dem Hall- Effekt (siehe "Philip's Technische Rundschau", 20. Jahrgang, Nr. 8, 1958/59, Seite 230-234). Die Zahl freier Ladungsträger wird durch die Messung einer Hall-Spannung bestimmt. Diese Messung setzt jedoch die Anbringung von elektrischen Kontakten am Halbleitermaterial voraus, was in der Regel für die weitere Verwendung des Materi als nachteilig ist. Außerdem ist eine örtliche Messung der Do tierungsverteilung nur beschränkt durch Aufteilung des zu cha rakterisierenden Bereichs in kleine Probenbereiche möglich. Ein weiteres Verfahren ist die sogenannte "Spreading Resistance"- Methode (siehe W. R. Runyan in "Semiconductor Measurements and Instrumentation", New York u. a., Mc Graw-Hill, 1975, S. 82/83 ISBN 0-07-054273-2), bei der ebenfalls Kontakte aufgebracht werden müssen. Damit er geben sich dieselben Nachteile wie bei der Hall-Messung. Dieses Verfahren ist ferner nachteilig, da für jeden Anwendungsfall gesonderte Kalibrierungsproben erforderlich sind. Außerdem muß das Halbleitermaterial einer bestimmten Vorbehandlung unterzo gen werden. Mit diesem Verfahren ist zwar eine örtliche Auflö sung bei der Dotierungserfassung durch ein Abrastern mit der Metallspitze möglich. Dies ist jedoch sehr zeitaufwendig und für Charakterisierungsaufgaben in der Halbleitertechnologie un praktikabel. Eine Abwandlung der "Spreading Resistance"-Methode ist die sogenannte 4-Spitzen-Messung (gemäß DIN-Norm 50431), die jedoch durch eine noch begrenztere örtliche Auflösung ge kennzeichnet ist.The following are characteristics in semiconductor technology methods for determining the doping of a semiconductor well known. A first method is based on the Hall Effect (see "Philip's Technische Rundschau", 20th year, No. 8, 1958/59, page 230-234). The number of free charge carriers is determined by the measurement a Hall voltage. However, this measurement sets the Attachment of electrical contacts to the semiconductor material advance what is usually for the further use of the materi is disadvantageous. In addition, a local measurement of the Do. Distribution only limited by dividing the too cha characterizing area into small sample areas possible. On Another method is the so-called "spreading resistance" - Method (see W. R. Runyan in "Semiconductor Measurements and Instrumentation ", New York et al., Mc Graw-Hill, 1975, pp. 82/83 ISBN 0-07-054273-2), where contacts must also be applied. So that he there are the same disadvantages as with Hall measurement. This The method is also disadvantageous since it is suitable for every application separate calibration samples are required. In addition, must subjecting the semiconductor material to a specific pretreatment be. With this procedure there is a local resolution solution for doping detection by scanning with the Metal tip possible. However, this is very time consuming and for characterization tasks in semiconductor technology un practical. A variation of the "Spreading Resistance" method is the so-called 4-peak measurement (according to DIN standard 50431), which, however, is due to an even more limited local resolution is marked.

Es sind ferner Charakterisierungsmethoden allgemein bekannt, die der Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer in Halbleitern dienen. Hierzu wird der Halbleiter beispielsweise lokal ange regt und die darauf geänderte Reflexion von Mikrowellenstrah lung detektiert. Dabei ist wiederum ein Abscannen der Halblei teroberfläche zur Erstellung eines Gesamtabbildes erforderlich.Characterization methods are also generally known that of determining the carrier lifetime in semiconductors serve. For this purpose, the semiconductor is supplied locally, for example stimulates and the changed reflection of the microwave beam lung detected. This again involves scanning the half lead Interface required to create an overall image.

Zur Ermittlung der elektronischen Eigenschaften des Halbleiter materials sind generell sehr empfindliche Meßverfahren erfor derlich, die bisher an die Messung an bestimmten Probenorten gebunden waren. Zur Ermittlung von Dotierungsverteilungen ist daher bei den herkömmlichen Verfahren grundsätzlich ein Abscan nen oder Abrastern des Halbleitermaterials erforderlich. Daher sind die herkömmlichen Techniken generell zeitaufwendig und nicht unmittelbar in der Prozeßkontrolle einsetzbar.To determine the electronic properties of the semiconductor materials are generally very sensitive measuring methods derlich, the previously to the measurement at certain sample locations were bound. To determine the doping distributions therefore basically a scan with the conventional methods NEN or scanning of the semiconductor material required. Therefore the conventional techniques are generally time consuming and cannot be used directly in process control.

Aus JP 08037317 A ist ein Verfahren zur ortsaufgelösten Erfas sung von Defekten in Halbleiterbauelementen, wie z. B. Dünn filmsolarzellen, durch Aufnahme eines Wärmebildes bekannt.JP 08037317 A describes a method for spatially resolved detection solution of defects in semiconductor devices, such as. B. Thin film solar cells, known by taking a thermal image.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur schnellen, berührungslosen und zerstörungsfreien Bestimmung elektronischer Eigenschaften von Halbleitermaterialien anzugeben, das insbe sondere die Bestimmung der Dotierstoffkonzentration und -ver teilung und der Ladungsträgerlebensdauer und -verteilung im untersuchten Halbleitermaterial erlaubt. Die Aufgabe der Erfin dung ist es auch, eine Vorrichtung zur Implementierung eines derartigen Verfahrens anzugeben.The object of the invention is to provide a method for fast, non-contact and non-destructive determination of electronic Specify properties of semiconductor materials, in particular in particular the determination of the dopant concentration and ver division and charge carrier life and distribution in investigated semiconductor material allowed. The task of the inventor It is also a device for implementing a to specify such procedure.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These tasks are accomplished by a method and an apparatus with the features according to claims 1 and 15 solved. Advantageous embodiments and uses of the invention result from the dependent claims.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, am zu untersuchenden Halbleitermaterial eine ortsaufgelöste Infrarot-Absorptionsmes sung unter Verwendung einer zweidimensionalen Infrarot-Detek toranordnung zur Erzeugung eines Wärmebildes (Infrarotbild) vom untersuchten Probenbereich durchzuführen. Hierzu wird das Halb leitermaterial einer flächigen Infrarot-Bestrahlung ausgesetzt, die durch die Wechselwirkung mit freien Ladungsträgern im Halb leitermaterial geschwächt wird. Das Wärmebild des Infrarot- Detektors ermöglicht eine ortsaufgelöste Ermittlung der Infra rot-Absorption an den dotierungsbedingten oder intrinsischen freien Ladungsträgern und damit die Ableitung von Aussagen über deren Konzentration bzw. Verteilung.The basic idea of the invention is to be examined Semiconductor material a spatially resolved infrared absorption measurement solution using a two-dimensional infrared detector Gate arrangement for generating a thermal image (infrared image) from investigated sample area. For this, the half conductor material exposed to a flat infrared radiation, by the interaction with free charge carriers in the half conductor material is weakened. The thermal image of the infrared Detector enables a spatially resolved determination of the infra red absorption at the doping-related or intrinsic free charge carriers and thus the derivation of statements about their concentration or distribution.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften des Halbleitermaterials auch eine Ermittlung der Lebensdauer elek tronisch angeregter, freier Ladungsträger. Hierzu wird das Halbleitermaterial zusätzlich zur Infrarot-Bestrahlung einer Belichtung zur Generierung freier Ladungsträger ausgesetzt. Diese Zusatzbelichtung kann örtlich homogen oder inhomogen erfolgen, wobei die Auswertung des Wärmebildes des Infrarot- Detektors unmittelbar die Ableitung der effektiven Lebensdauer der Ladungsträger bzw. die Ableitung der effektiven Diffusions länge der Ladungsträger ermöglicht.According to a preferred embodiment of the invention the characterization of the electronic properties of the Semiconductor material also a determination of the lifespan elek tronically excited, free charge carrier. For this, the Semiconductor material in addition to infrared radiation Exposure to generation of free charge carriers exposed. This additional exposure can be locally homogeneous or inhomogeneous, the evaluation of the thermal image of the infrared Detector immediately derives the effective lifespan the charge carrier or the derivation of the effective diffusion length of the load carrier.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Bestim mung elektronischer Eigenschaften eines Halbleitermaterials, die eine Wärmequelle zur Infrarot-Bestrahlung des Halbleiterma terials und einer zweidimensionalen Infrarot-Detektoranordnung zur Erzeugung eines Wärmebildes mindestens einer Teilfläche des bestrahlten Halbleitermaterials umfaßt. Der Infrarot-Detektor ist vorzugsweise eine hochempfindliche Infrarot-Kamera mit ei ner Temperaturauflösung unterhalb von 50 mK, vorzugsweise un terhalb von 10 mK. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung mit einer zusätzlichen Beleuch tungseinrichtung zur Erzeugung zusätzlicher freier Ladungsträ ger im Halbleitermaterial durch optische Anregung ausgestattet.The invention also relates to a device for determining development of electronic properties of a semiconductor material, which is a heat source for infrared radiation of the semiconductor ma terials and a two-dimensional infrared detector arrangement to generate a thermal image of at least a partial area of the irradiated semiconductor material. The infrared detector is preferably a highly sensitive infrared camera with egg ner temperature resolution below 50 mK, preferably un above 10 mK. According to a preferred embodiment of the Invention is the device with additional lighting device for generating additional free charge carriers ger in the semiconductor material equipped by optical excitation.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Durch den Einsatz des hochempfindlichen, thermisch und örtlich hochauflösenden Infrarot-Detektors ist es erstmalig möglich, mit einer einzigen Messung (Bildaufnahme) die elektronischen Eigenschaften einer Halbleiterprobe vollständig zu charakterisieren. Damit wird eine schnelle Materialcharakterisierung realisiert, die für eine Anwendung in der Prozeßtechnologie bei der Herstellung von Halbleitern geeignet ist. Die Messung erfolgt berührungs- und zerstörungsfrei. Es bestehen keine Beschränkungen in bezug auf die Probengeometrie oder Probenstruktur. Es können alle Arten von Ladungsträgerdichteinhomogenitäten in Halbleitern ortsauf löst und flächenhaft abgebildet dargestellt werden. Hierzu zäh len insbesondere Dotierungsinhomogenitäten, Inhomogenitäten bei der Oberflächenpassivierung von Halbleiterschichten und/oder Strukturinhomogenitäten (z. B. Korngrenzen) im Halbleitermateri al. Die hohe Ortsauflösung bis in den µm-Bereich stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bisherigen Charakterisierungs verfahren dar.The invention has the following advantages. Because of the engagement the highly sensitive, thermally and locally high resolution For the first time, it is possible to use an infrared detector with just one Measurement (image acquisition) the electronic properties of a To fully characterize the semiconductor sample. So that will realized a quick material characterization, which for an application in process technology in the manufacture of Semiconductors is suitable. The measurement is done touch and destructively. There are no restrictions on the sample geometry or sample structure. It can do all kinds of charge carrier inhomogeneities in semiconductors locally solves and are depicted areal. To do this tough len in particular doping inhomogeneities, inhomogeneities the surface passivation of semiconductor layers and / or Structural inhomogeneities (e.g. grain boundaries) in the semiconductor material al. The high spatial resolution down to the µm range is one significant advantage over previous characterization procedure.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im fol genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Further details and advantages of the invention are described in the fol described with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung; Fig. 1 is a schematic overview of an embodiment of a measuring device according to the invention;

Fig. 2 Transmissions-Wärmebilder von zwei verschieden do tierten Silizium-Proben; Fig. 2 transmission thermal images of two differently doped silicon samples;

Fig. 3 eine Illustration der Ermittlung der effektiven Dif fusionslänge von Minoritätsladungsträgern bei inhomo gener Beleuchtung des Halbleitermaterials; Fig. 3 is an illustration of the calculation of the effective Dif fusion length of minority carriers in inhomo gener lighting of the semiconductor material;

Fig. 4 ein Transmissions-Wärmebild zur Illustration der "Le bensdauer"-Topographie eines p-dotierten Silizium- Wafers; und Fig. 4 is a transmission thermal imaging "Le service life" to illustrate the topography of a p-doped silicon wafer; and

Fig. 5 eine Illustration zur Anwendung der Erfindung in der Online-Prozeßkontrolle. Fig. 5 is an illustration of the application of the invention in online process control.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezug auf die Aufnahme von Transmissions-Wärmebildern an schichtförmigen Halbleiterproben beschrieben. Die Erfindung ist jedoch entspre chend auch bei Aufnahme von Reflexions-Wärmebildern anwendbar. Ferner kann die Erfindung auch bei Halbleiterschicht-Substrat- Systemen oder bei Volumenmaterialien (Bulk-Materialien) imple mentiert werden. Im folgenden wird zunächst der Zusammenhang zwischen der Infrarot-Absorption von Halbleitermaterialien mit der Konzentration freier Ladungsträger erläutert. Anschließend folgt die Beschreibung von Meßanwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. The invention will now be described by way of example with reference to the recording of transmission thermal images on layered Semiconductor samples described. However, the invention is corre sponding can also be used when taking reflection thermal images. Furthermore, the invention can also be used for semiconductor layer substrate Systems or with bulk materials (bulk materials) imple be mented. The following is the relationship first between using infrared absorption of semiconductor materials the concentration of free charge carriers explained. Subsequently follows the description of measurement applications of the invention Process.

Infrared absorption on free charge carriers

Zusätzliche freie Ladungsträger oder Überschußladungsträger sind im Halbleitermaterial aufgrund von dessen Dotierung oder nach elektronischer Anregung (z. B. durch Lichtabsorption) vor handen. Die freien Ladungsträger treten mit Infrarot-Strahlung, die das Halbleitermaterial durchsetzt, in Wechselwirkung. Die Absorption bzw. Schwächung der Infrarot-Strahlung kann in guter Näherung mit dem Beer'schen Gesetz beschrieben werden. Für eine planparallele Halbleiterschicht mit identischen Reflexions koeffizienten an beiden Oberflächen gilt der Zusammenhang gemäß Gleichung (1):
Additional free charge carriers or excess charge carriers are present in the semiconductor material due to its doping or after electronic excitation (e.g. through light absorption). The free charge carriers interact with infrared radiation that penetrates the semiconductor material. The absorption or weakening of the infrared radiation can be described in good approximation using Beer law. For a plane-parallel semiconductor layer with identical reflection coefficients on both surfaces, the relationship according to equation (1) applies:

I = [(1 - R)²I₀e^- ^κ ^d)]/(1 - R²e^-2 ^κ ^d) (1)I = [( 1 - R) ² I ₀ e ^- ^κ ^d )] / (1 - R ² e ^-2 ^κ ^d ) (1)

In Gleichung (1) sind I₀ die auf die Halbleiterschicht auftref fende Intensität der Infrarot-Strahlung, I die gemessene Inten sität der Strahlung nach dem Durchtritt durch den Halbleiter, d die Dicke der Halbleiterschicht, R die (literaturbekannten oder gemessenen) Reflexionskoeffizienten an den Oberflächen des Halbleiters und κ der Absorptionskoeffizient der Absorption an freien Ladungsträgern. Im Falle anderer Probengeometrien ist Gleichung (1) in an sich bekannter Weise zu modifizieren, wobei dann gegebenenfalls neben dem Absorptionskoeffizienten κ und der Dicke (oder Eindringtiefe) d weitere Materialeigenschaften, wie z. B. die Oberflächenbeschaffenheit oder die Oberflächengeo metrie oder weitere Zusatzschichten, zu berücksichtigen sind.In equation (1), I _{0 is} the intensity of the infrared radiation striking the semiconductor layer, I the measured intensity of the radiation after passing through the semiconductor, d the thickness of the semiconductor layer, R the (literature known or measured) reflection coefficients at the Surfaces of the semiconductor and κ the absorption coefficient of the absorption on free charge carriers. In the case of other sample geometries, equation (1) is to be modified in a manner known per se, in which case, in addition to the absorption coefficient κ and the thickness (or depth of penetration), d further material properties, such as, for. B. the surface quality or the surface geometry or other additional layers must be taken into account.

Der Absorptionskoeffizient κ der Absorption an den freien La dungsträgern kann gemäß D. K. Schroder et al. in "IEEE Trans actions on Electron Devices" (Bd. ED-25, Nr. 2, 1978, Seite 254-261) gemäß Gleichung (2) geschrieben werden:
The absorption coefficient κ of the absorption on the free charge carriers can be according to DK Schroder et al. in "IEEE Trans actions on Electron Devices" (Vol. ED-25, No. 2, 1978, pages 254-261) according to equation (2):

κ = (q³λ²N)/(4π²ε₀µc³nm^*2) (2)
κ = (q ³ λ ² N) / (4π ² ε ₀ µc ³ nm ^{* 2} ) (2)

Dabei sind N die Konzentration der freien Ladungsträger bzw. die Dotierstoffkonzentration, λ die mittlere Infrarot- Wellenlänge, n der Brechungsindex der Halbleiterschicht, m^* die effektive Masse, ε₀ die Dielektrizitätskonstante und µ die Gleichstrombeweglichkeit der Ladungsträger. Dementsprechend gilt für N gemäß Gleichung (3):
N is the concentration of the free charge carriers or the dopant concentration, λ the mean infrared wavelength, n the refractive index of the semiconductor layer, m ^* the effective mass, ε ₀ the dielectric constant and µ the DC mobility of the charge carriers. Accordingly, for N according to equation (3):

N = (κ4π²ε₀µc³nm^*2)/(q³λ²) (3)N = (κ4π ² ε ₀ µc ³ nm ^{* 2} ) / (q ³ λ ² ) (3)

Gleichung (3) enthält außer dem Absorptionskoeffizienten aus schließlich Konstanten. Der Absorptionskoeffizient läßt sich aus der Absorptionsmessung gemäß Gleichung (1) ermitteln.Equation (3) also contains the absorption coefficient finally constants. The absorption coefficient can be from the absorption measurement according to equation (1).

Falls die Ladungsträgerbeweglichkeit µ nicht bekannt oder stark von der Dotierstoffkonzentration abhängig ist, so wird zusätz lich der spezifische Widerstand der Halbleiterprobe ρ = 1/(qµN) berücksichtigt. Der spezifische Widerstand wird beispielsweise unmittelbar an der Halbleiterprobe gemessen oder als Tabellen wert eingesetzt. Es kann zur Erfassung der Dotierungskonzentra tion auch ein typischer Wert für µ angenommen werden. Damit wird lediglich ein geringer Fehler bei der Wärmebildauswertung verursacht, da die Beweglichkeit µ in Abhängigkeit vom Halblei termaterial und der Dotierung wesentlich weniger variabel ist als etwa die Lebensdauer der freien Ladungsträger. Bei der Be rücksichtigung des spezifischen Widerstandes ergibt sich die Dotierkonzentration N dann gemäß Gleichung (4):
If the charge carrier mobility µ is not known or strongly dependent on the dopant concentration, the specific resistance of the semiconductor sample ρ = 1 / (qµN) is also taken into account. The specific resistance is measured, for example, directly on the semiconductor sample or used as a table value. A typical value for µ can also be assumed to determine the doping concentration. This only causes a small error in the thermal image evaluation, since the mobility µ is much less variable depending on the semiconductor material and the doping than the life of the free charge carriers. When taking into account the specific resistance, the doping concentration N is then obtained according to equation (4):

N = [(κ4π²ε₀c³nm^*2)/(ρq⁴λ²)]^1/2 (4)N = [(κ4π ² ε ₀ c ³ nm ^{* 2} ) / (ρq ⁴ λ ² )] ^1/2 (4)

Gleichung (4) zeigt, daß die Absorption an den freien Ladungs trägern mit dem Quadrat der Wellenlänge λ wächst. Die Wellen länge λ der Infrarot-Bestrahlung wird daher anwendungsabhängig möglichst langwellig gewählt, wobei auch die Empfindlichkeit des Infrarot-Detektors zu berücksichtigen ist. Die Wellenlänge l liegt mindestens im Bereich von 3 bis 5 µm, vorzugsweise je doch darüber, z. B. bei 10 µm oder 25 µm.Equation (4) shows that absorption on the free charge carriers grows with the square of the wavelength λ. The waves The length λ of the infrared radiation is therefore dependent on the application chosen as long-wavelength as possible, including the sensitivity of the infrared detector must be taken into account. The wavelength l is at least in the range from 3 to 5 μm, preferably each but about it, e.g. B. at 10 microns or 25 microns.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Intensitäten I und I₀ orts aufgelöst für die gesamte Fläche einer betrachteten Probe si multan zu messen und daraus entsprechend den genannten Glei chungen (1) bis (4) die Konzentration der freien Ladungsträger bzw. die Dotierstoffkonzentration N ortsaufgelöst zu ermitteln und gegebenenfalls als Topographie darzustellen.The invention provides for the intensities I and I _{0 to be} measured locally for the entire area of a sample under consideration and to determine the concentration of the free charge carriers and the dopant concentration N locally in accordance with the equations (1) to (4) mentioned above and if necessary to present it as a topography.

Determination of the dopant concentration and distribution

Eine Vorrichtung zur Erfassung der Dotierstoffkonzentration und -verteilung ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt. Der Meßauf bau umfaßt eine Wärmequelle 10, eine Abbildungsoptik 20 und einen Infrarot-Detektor 30, der eine zweidimensionale Detekto ranordnung umfaßt. Die zu untersuchende Probe 40 ist zwischen der Wärmequelle 10 und der Abbildungsoptik 20 angeordnet. Fig. 1 zeigt ferner die Beleuchtungseinrichtung 50, die allerdings lediglich zur unten erläuterten Bestimmung der effektiven Dif fusionslänge bzw. der effektiven Lebensdauer von Minoritätsla dungsträgern von Bedeutung ist. Ein erfindungsgemäßer Meßaufbau umfaßt ferner optional Strahlungsabschirmungen, Filter und Küh leinrichtungen, die im einzelnen nicht dargestellt sind.A device for detecting the dopant concentration and distribution is shown by way of example in FIG. 1. The Meßauf construction includes a heat source 10 , an imaging optics 20 and an infrared detector 30 , which comprises a two-dimensional detector arrangement. The sample 40 to be examined is arranged between the heat source 10 and the imaging optics 20 . Fig. 1 also shows the lighting device 50 , which, however, is only of importance for determining the effective diffusion length or the effective life of minority charge carriers explained below. A measurement setup according to the invention also optionally includes radiation shields, filters and cooling devices, which are not shown in detail.

Die Wärmequelle 10 ist vorzugsweise ein Schwarzkörperstrahler, der im wesentlichen einen innen geschwärzten, temperierten Hohlraum mit einer Öffnung 11 umfaßt. Der Schwarzkörperstrahler wird konstant bei einer Temperatur zwischen 50°C und 200°C, vorzugsweise bei 100°C betrieben. Die Temperatur wird je nach der gewünschten Wellenlänge der Infrarotstrahlung zur Beleuch tung der Probe 40 ausgewählt. Als Wärmequelle 10 kann alterna tiv auch jeder andere temperierte Körper, vorzugsweise mit einer geschwärzten Oberfläche, wie z. B. eine Heizplatte, ver wendet werden. Die charakteristische Dimension der Öffnung 11 bzw. des temperierten Körpers wird anwendungsabhängig ausge wählt und an die Ausdehnung der Probe 40 angepaßt. Die Öffnung 11 kann beispielsweise einen Durchmesser von 10 cm besitzen. Die Wärmequelle 10 ist vorzugsweise so gestaltet, daß die In frarot-Strahlung, die auf die Probe 40 trifft, räumlich homogen verteilt ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da ohnehin eine Detektorkalibrierung zur Ermittlung der Intensität I₀ der Infrarot-Strahlung und zur Berücksichtigung des Um gebungslichtes erfolgt. Der Abstand der Wärmequelle 10 von der Probe 40 beträgt rd. 10 cm. Eine Heizplatte kann aber auch in unmittelbarer Nähe der Probe 40 angebracht sein.The heat source 10 is preferably a black body radiator which essentially comprises an internally blackened, tempered cavity with an opening 11 . The blackbody heater is operated constantly at a temperature between 50 ° C and 200 ° C, preferably at 100 ° C. The temperature is selected depending on the desired wavelength of the infrared radiation for illuminating the sample 40 . As a heat source 10 can alternatively any other tempered body, preferably with a blackened surface, such as. B. a hot plate, be used ver. The characteristic dimension of the opening 11 or the tempered body is selected depending on the application and adapted to the extent of the sample 40 . The opening 11 can have a diameter of 10 cm, for example. The heat source 10 is preferably designed so that the infrared radiation that strikes the sample 40 is spatially homogeneously distributed. However, this is not absolutely necessary, since a detector calibration to determine the intensity I _{0 of} the infrared radiation and to take account of the ambient light takes place anyway. The distance of the heat source 10 from the sample 40 is approx. 10 centimeters. A heating plate can also be attached in the immediate vicinity of the sample 40 .

Die Wärme- oder Infrarot-Strahlung 12 von der Wärmequelle 10 fällt auf die Probe 40, die im vorliegenden Fall durch eine Halbleiterscheibe gebildet wird. Die Halbleiterscheibe ist bei spielsweise ein Halbleiterwafer mit einem Durchmesser von rd. 10 cm und einer Dicke im Bereich von rd. 0.1 mm bis 3 mm.The heat or infrared radiation 12 from the heat source 10 falls on the sample 40 , which in the present case is formed by a semiconductor wafer. The semiconductor wafer is, for example, a semiconductor wafer with a diameter of approx. 10 cm and a thickness in the range of approx. 0.1 mm to 3 mm.

Die mit der Infrarot-Strahlung 12 beleuchtete Probe 40 ist im Schärfenbereich der Abbildungsoptik 20 angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Gestaltung des Meßaufbaus befindet sich auch die Wärmequelle 10 im Schärfenbereich der Abbildungsoptik 20. Dar aus ergeben sich Vorteile bei der Kalibrierung (siehe unten). Die Abbildungsoptik 20 umfaßt ein Infrarot-Linsensystem, das zur Abbildung der Probe 40 auf der lichtempfindlichten Detek tormatrix 31 des Infrarot-Detektors 30 eingerichtet ist. Die Abbildung erfolgt je nach Anwendungsfall ohne oder mit einer Vergrößerung, so daß mindestens eine bestimmte Teilfläche der Probe 40 (bis hin zur gesamten Fläche) auf der Detektormatrix 31 abgebildet wird. Zur vergrößernden Abbildung kann die Abbil dungsoptik 20 beispielsweise durch ein Infrarot-Mikroskop ge bildet werden. Die Abbildungsoptik 20 erlaubt auch eine Wahl der abgebildeten Teilfläche der Probe 40. The sample 40 illuminated with the infrared radiation 12 is arranged in the focus area of the imaging optics 20 . According to a preferred configuration of the measurement setup, the heat source 10 is also located in the focus area of the imaging optics 20 . This results in advantages in calibration (see below). The imaging optics 20 comprises an infrared lens system which is set up for imaging the sample 40 on the light-sensitive detector matrix 31 of the infrared detector 30 . Depending on the application, the imaging takes place without or with an enlargement, so that at least a certain partial area of the sample 40 (up to the entire area) is imaged on the detector matrix 31 . For magnifying imaging, the imaging optics 20 can be formed, for example, by an infrared microscope. The imaging optics 20 also allow a selection of the imaged partial area of the sample 40 .

Der Infrarot-Detektor 30 ist vorzugsweise eine Infrarot-Kamera mit der Detektormatrix 31, die ein 2D-Focal-Plane-Array (FPA) aus infrarotsensitiven Detektorelementen umfaßt. Das FPA ist ein an sich bekanntes, kommerziell verfügbares IR-Modul. Die Detektorelemente besitzen vorzugs weise eine Empfindlichkeit im Bereich oberhalb 3 µm, eine Tem peraturauflösung von rd. 10 mK und eine charakteristische Di mension von 10 µm. Es sind beispielsweise 640.486 infrarotsen sitive Platinsilizid-Dioden vorgesehen. Die spektrale Empfind lichkeit der Detektorelemente wird anwendungabhängig unter Be rücksichtigung der Emission der Wärmequelle gewählt und liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 µm oder 8 bis 12 µm. Der Infrarot-Detektor 30 enthält ferner eine Bildaufnahme- und Steuereinheit (nicht dargestellt) zum Auslesen der Signale sämtlicher Detektorelemente. Ein besonderer Vorteil der Erfin dung besteht in der schnellen, flächenhaften Datenerfassung mit dem Infrarot-Detektor 30. Die Bildaufnahme- und Steuereinheit ist beispielsweise für eine Bildaufnahmefrequenz von 50 Hz ein gerichtet. Die Bildaufnahme- und Steuereinheit ist mit einer (ebenfalls nicht dargestellten) peripheren Computersteuerung und Anzeigeeinheit verbunden.The infrared detector 30 is preferably an infrared camera with the detector matrix 31 , which comprises a 2D focal plane array (FPA) made of infrared-sensitive detector elements. The FPA is a known, commercially available IR module. The detector elements preferably have a sensitivity in the range above 3 µm, a temperature resolution of approx. 10 mK and a characteristic dimension of 10 µm. For example, 640,486 infrared-sensitive platinum silicide diodes are provided. The spectral sensitivity of the detector elements is selected depending on the application, taking into account the emission of the heat source, and is preferably in the range from 3 to 5 μm or 8 to 12 μm. The infrared detector 30 also contains an image recording and control unit (not shown) for reading out the signals of all detector elements. A particular advantage of the inven tion is the fast, extensive data acquisition with the infrared detector 30 . The image recording and control unit is set up, for example, for an image recording frequency of 50 Hz. The image recording and control unit is connected to a peripheral computer control and display unit (also not shown).

Die Leistung der Wärmequelle 10 wird in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Detektormatrix 31 und gegebenenfalls von der Ladungsträgerlebensdauer (unten beschriebenes Ausführungs beispiel) so ausgewählt, daß sich bei der Intensitätsmessung ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.The power of the heat source 10 is selected as a function of the sensitivity of the detector matrix 31 and, if appropriate, of the charge carrier life (execution example described below) in such a way that an optimal signal-to-noise ratio results in the intensity measurement.

Zur Messung der Dotierstoffkonzentration und -verteilung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zunächst eine (im Rah men der Stabilität der Wärmequelle 10) einmalige Kalibrierungs messung zur Erfassung der Intensität und räumlichen Verteilung der Infrarot-Strahlen 12 ohne eine absorbierende Probe. Hierzu wird die Probe 40 aus dem Strahlengang entnommen und die Abbil dungsoptik 20 nimmt die aus der Öffnung 11 der Wärmequelle 10 austretende Strahlung oder die Strahlung der Wärmequelle in Form einer Heizplatte auf. Falls sich die Wärmequelle und die Probe im Schärfebereich der Abbildungsoptik 20 befinden, müssen an dieser zur Kalibrierung keine Fokussierungsänderungen vorge nommen werden. Das Wärmebild der Emission der Wärmequelle 10 ergibt für die Detektorelemente (Reihe i, Spalte j) entspre chend einen bestimmten Wert der Intensität I₀(i, j).To measure the dopant concentration and distribution according to the method according to the invention, a one-time calibration measurement (in the context of the stability of the heat source 10 ) is first carried out to detect the intensity and spatial distribution of the infrared rays 12 without an absorbing sample. For this purpose, the sample 40 is removed from the beam path and the imaging optics 20 absorbs the radiation emerging from the opening 11 of the heat source 10 or the radiation from the heat source in the form of a heating plate. If the heat source and the sample are in the focus area of the imaging optics 20 , no focusing changes need to be made on the latter for calibration. The thermal image of the emission of the heat source 10 results for the detector elements (row i, column j) accordingly a certain value of the intensity I ₀ (i, j).

Anschließend erfolgt die eigentliche Absorptionsmessung. Die Probe 40 wird in den Strahlengang des Meßaufbaus gemäß Fig. 1 gebracht. Die Abbildungsoptik 20 wird auf die Probe 40 fokus siert. Die Infrarot-Strahlung 12 von der Wärmequelle 10 durch setzt die Probe 40 und wird dabei zumindest teilweise von den freien Ladungsträgern im Halbleitermaterial absorbiert. Je nach Dotierstoffkonzentration und -verteilung trifft nun eine redu zierte Intensität I(i, j) auf die Detektorelemente der Detektor matrix 31. Aus der flächenhaften Aufnahme der Werte I₀ und I werden Transmissionsabbildungen abgeleitet, ortsaufgelöst ent sprechend den oben genannten Gleichungen die Werte N ermittelt und gegebenenfalls als Dotierstoffverteilung dargestellt.The actual absorption measurement is then carried out. The sample 40 is brought into the beam path of the measurement setup according to FIG. 1. The imaging optics 20 is focused on the sample 40 . The infrared radiation 12 from the heat source 10 passes through the sample 40 and is at least partially absorbed by the free charge carriers in the semiconductor material. Depending on the dopant concentration and distribution, a reduced intensity I (i, j) strikes the detector elements of the detector matrix 31 . Transmission images are derived from the areal recording of the values I ₀ and I, the values N are determined in a spatially resolved manner in accordance with the abovementioned equations and, if appropriate, represented as a dopant distribution.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Infrarot-Transmissionsabbildung eines homogen mit Bor dotierten Siliziumwafers (Si : B, N = 5.10¹³ cm^-3) und eines inhomogen mit Indium dotierten Sili ziumwafers (Si : In, N = 1.10¹⁹ cm^-3). Es ist erkennbar, daß der höher dotierte Wafer (rechts) die Infrarot-Strahlung stärker schwächt als der weniger dotierte Wafer (links). Die Detektor signale für die einzelnen Probenorte können nach entsprechender Kalibrierung auch quantitativ ausgewertet werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht jedoch darin, daß bereits das Wärmebild des Halbleitermaterials Inhomogenitäten bei der Ver teilung der Dotierstoffe anzeigt. Damit können ohne aufwendige Datenverarbeitungsvorgänge im Rahmen der Online-Prozeßkontrolle bei Erkennen von Inhomogenitäten Maßnahmen zur Optimierung der Dotierung und zur Homogenisierung der Dotierstoffverteilung ergriffen werden. Fig. 2 shows an example of an infrared transmission image of a homogeneously doped with boron silicon wafer (Si: B, N = 5.10 ¹³ cm ^-3 ) and an inhomogeneous with indium-doped silicon wafer (Si: In, N = 1.10 ¹⁹ cm ^-3 ). It can be seen that the higher doped wafer (right) weakens the infrared radiation more than the less doped wafer (left). The detector signals for the individual sample locations can also be evaluated quantitatively after appropriate calibration. A particular advantage of the invention, however, is that the thermal image of the semiconductor material already indicates inhomogeneities in the distribution of the dopants. Measures for optimizing the doping and for homogenizing the dopant distribution can thus be taken without complex data processing operations in the context of the online process control upon detection of inhomogeneities.

Die erläuterte Erfassung der Dotierung wird anwendungsabhängig zur Charakterisierung des Halbleitermaterials allein durchge führt oder mit einer im folgenden erläuterten Diffusionslängen- oder Lebensdauererfassung kombiniert.The explained detection of the doping becomes application-dependent to characterize the semiconductor material alone leads or with a diffusion length explained below or combined lifetime measurement.

Determination of the effective diffusion length or the effective Lifetime of the free charge carriers

Bei Einstrahlung von Anregungslicht geeignet gewählter Wellen länge in das Halbleitermaterial werden durch den Photoeffekt zusätzliche freie Ladungsträger erzeugt. Die Wellenlänge λ_gen des Anregungslichtes wird möglichst nahe bei der Energiediffe renz des jeweils zu überwindenden Bandabstandes gewählt, um eine zusätzliche Erwärmung zu verhindern. Die Ladungsträger absorbieren ebenfalls in Abhängigkeit von ihrer Konzentration und Verteilung die Infrarot-Strahlung der Wärmequelle, die die Probe durchsetzt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Bestimmung der effektiven Diffusionslänge und/oder der effektiven Lebensdauer der zusätzlich angeregten freien Ladungsträger. Hierzu wird der oben erläuterte Meßaufbau wie folgt modifiziert.Upon irradiation of excitation light of suitably selected wavelengths in the semiconductor material, additional free charge carriers are generated by the photo effect. The wavelength λ _{gene of} the excitation light is chosen as close as possible to the energy difference of the band gap to be overcome in each case in order to prevent additional heating. Depending on their concentration and distribution, the charge carriers also absorb the infrared radiation from the heat source that penetrates the sample. According to this embodiment of the invention, the effective diffusion length and / or the effective lifespan of the additionally excited free charge carriers is determined. For this purpose, the measurement setup explained above is modified as follows.

Zur Realisierung der zweiten Ausführungsform des erfindungsge mäßen Verfahrens ist der Meßaufbau gemäß Fig. 1 mit einer zu sätzlichen Beleuchtungseinrichtung 50 zur Beleuchtung der Probe 40 ausgestattet. Die Beleuchtungseinrichtung 50 emittiert Licht mit einer charakteristischen Wellenlänge, die materialabhängig so ausgewählt wird, daß im Halbleitermaterial eine Absorption und elektronische Anregung von Ladungsträgern zur Erzeugung freier Ladungsträger erfolgt. Es wird vorzugsweise monochroma tisches Licht mit zeitlich konstanter Intensität verwendet. Hierzu wird die Beleuchtungseinrichtung 50 beispielsweise durch eine cw-Laserdiode gebildet. Bei der Untersuchung von dotierten Siliziumproben wird beispielsweise eine Wellenlänge von rd. 800 bis 1000 nm bevorzugt.To implement the second embodiment of the method according to the invention, the measurement setup according to FIG. 1 is equipped with an additional lighting device 50 for illuminating the sample 40 . The illuminating device 50 emits light with a characteristic wavelength, which is selected depending on the material in such a way that absorption and electronic excitation of charge carriers in order to generate free charge carriers takes place in the semiconductor material. It is preferably used monochromatic light with constant intensity over time. For this purpose, the lighting device 50 is formed, for example, by a cw laser diode. When examining doped silicon samples, for example, a wavelength of approx. 800 to 1000 nm preferred.

Falls die Charakterisierung des Halbleitermaterials lediglich auf die Diffusionslängen bzw. Lebensdauern der generierten freien Ladungsträger gerichtet ist, muß die obengenannte Kali brierungsmessung zur Ermittlung der Intensität I₀ ohne Probe nicht durchgeführt werden. Um den Relativeffekt der Absorption durch die zusätzlich generierten Ladungsträger zu erhalten, wird die Bezugsintensität I₀ entsprechend der Infrarot-Absorp tion ohne Beleuchtung und die Meßintensität I entsprechend der Infrarot-Absorption mit Beleuchtung der Beleuchtungseinrichtung 50 verwendet.If the characterization of the semiconductor material is directed only to the diffusion lengths or lifetimes of the generated free charge carriers, the above-mentioned calibration measurement to determine the intensity I ₀ need not be carried out without a sample. In order to obtain the relative effect of the absorption by the additionally generated charge carriers, the reference intensity I ₀ corresponding to the infrared absorption without illumination and the measurement intensity I corresponding to the infrared absorption with illumination of the illumination device 50 are used.

Die Beleuchtungseinrichtung 50 umfaßt neben der Lichtquelle vorzugsweise auch eine Beleuchtungsoptik. Die Beleuchtungsoptik ist zur Erzielung eines bestimmten Beleuchtungsmusters (siehe unten) und zur Optimierung der Beleuchtungsrichtung ausgebil det. Die Beleuchtungsrichtung weicht vorzugsweise vom Strahlen gang der Infrarot-Strahlen 12 ab, so daß Licht, das gegebenen falls durch die Probe hindurchtritt, nicht auf den Infrarot- Detektor 30 fällt. Diese Abweichung wird beispielsweise durch Verwendung einer Glasfaseroptik erzielt, wobei die Beleuchtung unter einem Winkel von z. B. 30° gegenüber der Normalen der Halbleiterscheibe erfolgt. Diese Schrägeinstrahlung besitzt die zusätzlichen Vorteile einer verbesserten Kompaktheit des Meß aufbaus und der Vermeidung einer Störung der Infrarot- Bestrahlung der Probe.In addition to the light source, the lighting device 50 preferably also comprises an optical lighting system. The lighting optics are designed to achieve a specific lighting pattern (see below) and to optimize the lighting direction. The direction of illumination preferably deviates from the beam path of the infrared rays 12 , so that light that passes through the sample, if applicable, does not fall on the infrared detector 30 . This deviation is achieved for example by using a glass fiber optic, the lighting at an angle of z. B. 30 ° relative to the normal to the semiconductor wafer. This oblique radiation has the additional advantages of an improved compactness of the measurement structure and the avoidance of interference with the infrared radiation of the sample.

Das durch die Beleuchtungsoptik erzielte Beleuchtungsmuster kann eine örtlich inhomogene oder eine homogene Beleuchtung des Halbleitermaterials bilden. Durch eine Variation der Intensität des Anregungslichtes können verschiedene Injektionsniveaus ein gestellt werden. Damit können die elektronischen Halbleiterei genschaften auch injektionsabhängig charakterisiert werden. The lighting pattern achieved by the lighting optics Can a locally inhomogeneous or homogeneous lighting of the Form semiconductor material. By varying the intensity of the excitation light can have different injection levels be put. So that the electronic semiconductor properties can also be characterized depending on the injection.

Typische effektive Lebensdauern, die erfindungsgemäß erfaßt werden können, liegen im Bereich von 1 ms (z. B. für kristalli nes Material) oder auch darunter im Bereich unterhalb 30 µs bis zu 200 ns (z. B. für multikristallines Material).Typical effective lifetimes recorded according to the invention can be in the range of 1 ms (e.g. for crystalline nes material) or below in the range below 30 µs to up to 200 ns (e.g. for multicrystalline material).

a) Inhomogeneous lighting

Die inhomogene Beleuchtung der Probe 40 mit der Beleuchtungs einrichtung 50 umfaßt die Aufbringung eines bestimmten Beleuch tungsmusters, das im einfachsten Fall einen einzelnen Punkt, auf den das Licht der Beleuchtungseinrichtung 50 fokussiert ist, oder auch ein Muster aus einer Vielzahl von Punkten oder vorbestimmten geometrischen Figuren (z. B. Quadraten) oder mit einer bestimmten Intensitätsmodulation (z. B. sinusmoduliert) umfaßt. Für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfah rens ist es bei dieser Gestaltung wichtig, daß eine inhomogene Beleuchtung realisiert wird und daß die Geometrie des Beleuch tungsmusters bekannt ist. Auf der Basis der Geometrie des Be leuchtungsmusters kann die effektive Diffusionslänge der gene rierten freien Ladungsträger dann unter Berücksichtigung der an sich bekannten Diffusionsgleichungen berechnet werden.The inhomogeneous illumination of the sample 40 with the illumination device 50 comprises the application of a certain illumination pattern, which in the simplest case is a single point on which the light of the illumination device 50 is focused, or a pattern of a plurality of points or predetermined geometric figures (e.g. squares) or with a certain intensity modulation (e.g. sinus modulated). For the implementation of the method according to the invention, it is important in this design that inhomogeneous lighting is realized and that the geometry of the lighting pattern is known. On the basis of the geometry of the illumination pattern, the effective diffusion length of the generated free charge carriers can then be calculated taking into account the diffusion equations known per se.

Für den Fall einer punktförmigen Beleuchtung oder Anregung er gibt sich das in Fig. 3 illustrierte Bild. Die in einem Fokus der Beleuchtungseinrichtung 50 in der Probe 40 erzeugten freien Ladungsträger diffundieren in alle Raumrichtungen in die Halb leiterschicht. Die erfindungsgemäße Infrarot-Absorptionsmessung ergibt demnach einen zweidimensional ausgedehnten Absorptions bereich mit zu den Rändern hin geringer werdender Absorption. Die Ausdehnung dieses Bereiches ist charakteristisch für die effektive Diffusionslänge L_eff der generierten Ladungsträger, die - bei literaturbekanntem Diffusionskoeffizienten D - ein direktes Maß für die effektive Lebensdauer τ_eff der Ladungsträ ger ist. Diese Parameter lassen sich somit erfindungsgemäß di rekt aus dem aufgenommenen Wärmebild ermitteln. Dabei wird im einzelnen wie folgt verfahren. In the case of point lighting or excitation, the image illustrated in FIG. 3 is obtained. The free charge carriers generated in a focus of the illumination device 50 in the sample 40 diffuse into the semiconductor layer in all spatial directions. The infrared absorption measurement according to the invention accordingly results in a two-dimensionally extended absorption region with absorption decreasing towards the edges. The extent of this area is characteristic of the effective diffusion _length L _{eff of} the charge carriers generated, which - given the diffusion coefficient D known from the literature - is a direct measure of the effective service life τ _{eff of} the charge carriers. According to the invention, these parameters can thus be determined directly from the recorded thermal image. The detailed procedure is as follows.

Zunächst erfolgt zur Kalibrierung eine Wärmebildaufnahme des Halbleitermaterials oder zumindest einer Teilfläche des Halb leitermaterials ohne die Zusatzbeleuchtung der Beleuchtungsein richtung 50. Die an den Detektorelementen der Detektormatrix 31 jeweils gemessene Intensität I₀(i, j) entspricht der Absorption der dotierungsbedingt im Halbleiter vorhandenen oder intrinsi schen freien Ladungsträger.First, thermal imaging of the semiconductor material or at least a partial area of the semiconductor material takes place for calibration without the additional illumination of the illuminating device 50 . The intensity I ₀ (i, j) measured at the detector elements of the detector matrix 31 corresponds to the absorption of the charge carriers present in the semiconductor or intrinsic free charge carriers.

Anschließend erfolgt eine Bildaufnahme mit inhomogener Beleuch tung (siehe Fig. 3, linkes Bild). Das Wärmebild wird in ein Transmissions- oder Absorptionsbild umgerechnet. Eine Linien- Abtastung durch den Fokus der Zusatzbeleuchtung entsprechend der gestrichelten Linie ergibt einen Transmissionsverlauf, wie er beispielhaft im rechten Bild von Fig. 3 illustriert ist. Im Fokus der Zusatzbeleuchtung besitzt die Transmission ein Mini mum, d. h. an diesem Ort sind die meisten freien Ladungsträger generiert worden, wodurch die Bezugsintensität I_gen definiert wird. Mit Abstand vom Fokus wird die Transmission größer. Die effektive Diffusionslänge L_eff wird als der Abstand vom Fokus definiert, bei dem die Transmission auf einen Grenzwert ent sprechend einer vorbestimmten Intensität I_diff angestiegen ist. Dieser Grenzwert kann beispielsweise bei punktförmiger Anre gungs-Beleuchtung aus der Anpassung einer Besselfunktion abge leitet werden. Unter Berücksichtigung der geometrischen Ver hältnisse (Berücksichtigung der Lösung der Diffusionsgleichung in zwei bzw. drei Dimensionen) läßt sich ein absoluter Wert für die effektive Diffusionslänge und damit über dem Zusammenhang τ_eff = L_eff ²/D die effektive Lebensdauer am Ort der Anregung bestimmen.This is followed by an image recording with inhomogeneous lighting (see FIG. 3, left image). The thermal image is converted into a transmission or absorption image. A line scan through the focus of the additional lighting in accordance with the dashed line results in a transmission curve as exemplified in the right image of FIG. 3. In the focus of the additional lighting, the transmission has a mini mum, ie most free charge carriers have been generated at this location, whereby the reference intensity I _{gen is} defined. The distance increases from the focus. The effective diffusion _length L _eff is defined as the distance from the focus at which the transmission has risen to a limit value corresponding to a predetermined intensity I _diff . This limit value can be derived, for example, in the case of punctiform excitation lighting from the adaptation of a Bessel function. Taking into account the geometric conditions (taking into account the solution of the diffusion equation in two or three dimensions), an absolute value for the effective diffusion length and thus the effective life at the excitation location can be determined using the relationship τ _eff = L _eff ² / D.

Durch ein entsprechendes Beleuchtungsmuster kann diese Diffu sionslängenbestimmung für eine Vielzahl von Orten und/oder eine Vielzahl von Bezugsrichtungen der Probe simultan ausgeführt werden. By means of an appropriate lighting pattern, this diffusion sionslength determination for a variety of locations and / or one Multiple reference directions of the sample executed simultaneously become.

b) Homogeneous lighting

In einer mit Licht geeigneter Wellenlänge zur Erzeugung freier Ladungsträger und zeitlich konstanter Intensität homogen und flächenhaft beleuchteten Halbleiterprobe stellt sich innerhalb einer Zeit, die mit der effektiven Lebensdauer der erzeugten freien Ladungsträger identisch ist, ein Gleichgewicht zwischen der Generation (erzeugte Elektron-Loch-Paare pro Volumen und Zeit) und der Rekombination (vernichtete Elektro-Loch-Paare pro Volumen und Zeit) ein. Die innerhalb dieser Zeit erreichte Dichte an Überschußladungsträgern Δn ist zeitlich konstant. Bei der Implementierung einer homogenen Probenbeleuchtung wird die se Dichte an Überschußladungsträgern mit der oben erläuterten Infrarot-Absorptionsmessung ortsaufgelöst aus der Differenz der Absorption der ohne Beleuchtung vorhandenen Ladungsträger N₀ und der Absorption der bei Beleuchtung vorhandenen Ladungsträ ger N ermittelt: Δn = N - N₀.In a wavelength suitable for the generation of free charge carriers with a suitable wavelength for the generation of free charge carriers, the semiconductor sample illuminated homogeneously and areally within a period of time that is identical to the effective lifespan of the generated free charge carriers, there is a balance between the generation (generated electron-hole pairs per Volume and time) and recombination (destroyed electric hole pairs per volume and time). The density of excess charge carriers Δn reached within this time is constant over time. When implementing homogeneous sample illumination, the density of excess charge carriers is determined with the infrared absorption measurement explained above from the difference between the absorption of the charge carriers N ₀ present without illumination and the absorption of the charge carriers N present under illumination: Δn = N - N ₀ ,

Bei einer von räumlichen Inhomogenitäten geprägten Materialqua lität oder Oberflächenstruktur des untersuchten Halbleiters mit lokal unterschiedlichem zeitlichen Rekombinationsverhalten der Ladungsträger erhält man dementsprechend eine lokal stark variierende Infrarot-Absorption, die erfindungsgemäß ortsaufge löst aufgenommen und flächenhaft sichtbar gemacht werden kann. Der jeweils betrachtete Bildausschnitt und die Pixelzahl der Detektormatrix 31 bestimmen die räumliche Auflösung des Systems. Die in dem Wärmebild bei homogener Beleuchtung gebil deten Topographien (verschiedene Graustufen entsprechen ver schiedenen Überschußladungsträgerdichten bzw. Lebensdauern) können nach entsprechender Kalibrierung zur Ermittlung effekti ver Lebensdauern direkt ausgewertet werden. Diese Kalibrierung umfaßt beispielsweise die Verwendung von mehreren Eich-Wafern mit bekannten Ladungsträgerlebensdauern oder von absoluten Lebensdauerwerten, die mit der unten erläuterten Gestaltung mit inhomogener Beleuchtung ermittelt wurden.In the case of a material quality or surface structure of the semiconductor under investigation, which is characterized by spatial inhomogeneities, with locally different temporal recombination behavior of the charge carriers, correspondingly a locally strongly varying infrared absorption is obtained, which according to the invention can be recorded locally and made visible over a wide area. The image section viewed in each case and the number of pixels of the detector matrix 31 determine the spatial resolution of the system. The topographies formed in the thermal image with homogeneous illumination (different grayscale correspond to different excess charge carrier densities or lifetimes) can be evaluated directly after appropriate calibration to determine effective lifetimes. This calibration includes, for example, the use of several calibration wafers with known charge carrier lifetimes or of absolute lifespan values which were determined using the design with inhomogeneous illumination explained below.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäß ermittelte Le bensdauer-Topographie eines Si-FZ-Wafer (p-dotiert, 1 . . . 2 Ωcm). Aus Übersichtlichkeitsgründen erfolgte bei der Darstellung eine Grauwertinvertierung. Die dunklen Flecken stellen demgemäß Bereiche niedriger effektiver Lebensdauer dar. Der Wafer würde entsprechend dem niedrig dotierten Wafer in Fig. 2 im Durchlicht ohne die zusätzliche Anregung von Ladungs trägern völlig homogen erscheinen. Fig. 4 shows an example of a Le according to the invention determined service life topography of a Si FZ wafer (p-doped, 1... 2 ohm-cm). For reasons of clarity, a gray value inversion was carried out in the display. The dark spots accordingly represent areas of low effective lifespan. The wafer would appear completely homogeneous in accordance with the lightly doped wafer in FIG. 2 in transmitted light without the additional excitation of charge carriers.

Die Aufnahme der Lebensdauertopographie gemäß Fig. 4, die einem Bildausschnitt von etwa 2.2 cm entspricht, dauerte lediglich rd. 20 s. Das Abscannen eines entsprechenden Bildausschnittes mit einem herkömmlichen Verfahren würde rd. zwei Stunden dauern. Dies zeigt die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Meß technik, insbesondere im Rahmen der Online-Prozeßkontrolle.The recording of the lifespan topography according to FIG. 4, which corresponds to an image section of approximately 2.2 cm, only took approx. 20 s. The scanning of a corresponding image section using a conventional method would take approx. take two hours. This shows the superiority of the measurement technology according to the invention, especially in the context of online process control.

Falls Halbleitermaterialien mit verhältnismäßig niedrigen ef fektiven Lebensdauern (im Bereich von rd. 1 µs) charakterisiert werden, so ist die Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 50 zur Erzeugung der freien Ladungsträger vorzugsweise für hohe optische Ausgangsleistungen im Bereich oberhalb 100 W (cw- Betrieb) ausgelegt.If semiconductor materials with comparatively low effective lifetimes (in the range of approximately 1 μs) are characterized, the light source of the illumination device 50 for generating the free charge carriers is preferably designed for high optical output powers in the range above 100 W (cw operation).

Die effektive Ladungsträgerlebensdauer kann auch absolut be stimmt werden, indem das zeitliche Abklingen der Infrarot- Absorption ortsaufgelöst mit einer Infrarot-Kamera abgenommen wird, die für eine Hochgeschwindigkeits-Datenaufnahme einge richtet ist. Die weitere Datenauswertung basiert auf einem an sich bekannten Verfahren (z. B. Boxcar-Verfahren).The effective charge carrier life can also be absolute be corrected by the temporal decay of the infrared Absorption removed with an infrared camera is used for high-speed data acquisition is aimed. The further data evaluation is based on an known methods (e.g. boxcar method).

Anwendungsabhängig kann vorgesehen sein, daß die Beleuchtungs einrichtung 50 und die Wärmequelle 10 (siehe Fig. 1) durch eine gemeinsame Vorrichtung gebildet werden, die in den interessie renden Wellenlängenbereichen emittiert. In diesem Fall ist die Abbildungsoptik 20 vorzugsweise mit zusätzlichen Filtern zur Trennung der Wellenlängenbereiche versehen.Depending on the application, it can be provided that the lighting device 50 and the heat source 10 (see FIG. 1) are formed by a common device which emits in the wavelength ranges of interest. In this case, the imaging optics 20 are preferably provided with additional filters for separating the wavelength ranges.

Applications of the invention

Die Erfindung ist bei allen Aufgaben der Charakterisierung von Halbleitern in Scheiben-, Schicht- oder Volumenform anwendbar.The invention is useful in all the tasks of characterizing Semiconductors in disc, layer or volume form applicable.

Weitere Anwendungen der Erfindung im Bereich der Prozeßkontrol le sind in Fig. 5 illustriert. Halbleiterrohmaterial, das z. B. mit dem Float-Zone-Verfahren oder dem Czochralski-Verfahren hergestellt worden ist, wird axial mit Infrarot-Strahlung 12' durchsetzt. Mit der Beleuchtungseinrichtung 50' wird das Halb leiterrohmaterial senkrecht zu dessen axialer Ausrichtung durchstrahlt. Der beleuchtete Bereich 40' entspricht der Probe gemäß Fig. 1. Die Infrarot-Strahlung 12' tritt durch den be leuchteten Bereich 40' hindurch und wird von der Infrarot- Kamera 30' erfaßt. Durch die Abbildung des Bereiches 40' kann die Homogenität des Halbleiterrohmaterials, z. B. in Bezug auf die Dotierung und deren Verteilung oder auch andere Struktur merkmale, überwacht und der Prozeß entsprechend optimiert wer den.Further applications of the invention in the field of process control are illustrated in FIG. 5. Semiconductor raw material, the z. B. with the float zone process or the Czochralski process is axially penetrated with infrared radiation 12 '. With the lighting device 50 ', the semi-conductor raw material is irradiated perpendicular to its axial alignment. The illuminated area 40 'corresponds to the sample according to FIG. 1. The infrared radiation 12 ' passes through the illuminated area 40 'and is detected by the infrared camera 30 '. By mapping the area 40 ', the homogeneity of the semiconductor raw material, e.g. B. in terms of doping and its distribution or other structure features, monitored and the process optimized accordingly who the.

Eine weitere interessierende Anwendung ist die Online-Prozeß kontrolle bei der Oberflächenpassivierung in der Solarzellen produktion. Es kann ferner, insbesondere bei Materialien mit hohen Volumen-Lebensdauern im ms-Bereich, aus den 2- dimensionalen Diffusionsgleichungen die Oberflächenrekombinati onsgeschwindigkeit absolut bestimmt werden.Another application of interest is the online process control of surface passivation in solar cells production. It can also, especially with materials high volume lifetimes in the ms range, from the 2- dimensional diffusion equations the surface recombinations absolute speed can be determined.

Die Erfindung ist mit allen im Infrarotbereich transparenten Halbleitern implementierbar. Vorzugsweise wird die Messung an dotiertem Siliziummaterial durchgeführt. Eine Implementierung der Erfindung ist auch an anderen indirekten Halbleitern, z. B. auf Ge-Basis, möglich. An die Gestalt des Halbleiters werden keine besonderen Anforderungen gestellt. So ist die Charakteri sierung insbesondere an monokristallinen oder polykristallinen Materialien oder an Schichten auf Substraten möglich.The invention is transparent with all in the infrared range Semiconductors can be implemented. Preferably the measurement is on doped silicon material performed. An implementation the invention is also applicable to other indirect semiconductors, e.g. B. Ge-based, possible. Be on the shape of the semiconductor no special requirements. That's the character sation especially on monocrystalline or polycrystalline Materials or layers on substrates possible.

Claims

1. A method for determining the electronic properties of a semiconductor material, comprising the steps:

- area infrared radiation of the semiconductor material,
- Recording a thermal image of at least a partial area of the semiconductor material with a 2-dimensional infrared detector arrangement, and
- Locally resolved detection of the interaction of the infrared rays with free charge carriers in the semiconductor material by evaluating and / or displaying the thermal image.

2. The method according to claim 1, wherein from the heat The infrared absorption in the semiconductor is spatially resolved material determined and from the absorption values accordingly a variety of sample locations in the semiconductor material respective doping-related or intrinsic concentration free charge carriers and their distribution are derived.

3. The method according to claim 1, wherein the semiconductor material in addition to excitation radiation to the generation free charge carriers are exposed by optical excitation and the infrared absorption is spatially resolved from the thermal image the generated load carrier is determined and from the distribution the absorption values the effective diffusion length and / or the effective lifespan of the generated charge carriers in the Semiconductor material can be derived in a spatially resolved manner.

4. The method according to claim 3, wherein the additional Excitation radiation with spatially inhomogeneous radiation a predetermined exposure pattern.

5. The method according to claim 4, wherein the pattern of inhomogeneous radiation a single lighting focus or comprises a grid-shaped lighting pattern.

6. The method according to claim 3, wherein the excitation Irradiation comprises and consists of spatially homogeneous irradiation the thermal image a lifetime topography of the depicted Partial area is derived.

7. The method according to any one of the preceding claims, where the thermal image is a transmission or reflection image is the detected partial area of the semiconductor material.

8. The method according to any one of the preceding claims, in which the semiconductor material has a semiconductor layer a substrate, a semiconductor wafer or a semiconductor Volume material includes.

9. The method according to any one of the preceding claims, in which an infrared camera with a detector matrix ( 31 ) is used as the infrared detector arrangement ( 30 ), the detector elements of which detect temperature differences below 50 mK.

10. The method according to any one of the preceding claims, in which with the infrared detector arrangement ( 30 ) in wavelength ranges from 3 to 5 µm or 8 to 12 µm is detected.

11. The method according to claim 3, wherein a time-resolved First recording of the thermal image to determine the service life follows.

12. The method according to any one of the preceding claims, where the electronic properties during or immediately telbar determined after the manufacture of the semiconductor material become.

13. The method according to any one of the preceding claims, in which a determination of the electronic properties of a Surface of the semiconductor material to determine the surface Chen recombination rate of free charge carriers in the area of the surface.

14. The method according to any one of claims 3 to 12, in which infrared radiation and excitation radiation from egg ner common light source are generated.

15. An apparatus for performing the method according to any one of the preceding claims, comprising:

- A heat source ( 10 ) for infrared radiation ( 12 ) of the semiconductor material ( 40 ), and
- A two-dimensional infrared detector arrangement ( 30 ) for generating a thermal image of at least a partial area of an irradiated semiconductor material.

16. The apparatus of claim 15, wherein an imaging optics ( 20 ) for imaging the partial area of the semiconductor material is provided on the infrared detector arrangement ( 30 ).

17. The apparatus of claim 15 or 16, wherein the infrared detector arrangement ( 30 ) comprises an infrared camera with a detector matrix ( 17 ), the detector elements are designed for infrared detection with a temperature resolution below 50 mK.

18. The method according to any one of claims 15 to 17, wherein the infrared detector arrangement ( 30 ) in wavelength ranges from 3 to 5 µm or 8 to 12 µm is sensitive.

19. Device according to one of claims 15 to 18, in which an illumination device ( 50 ) for generating free charge carriers in the semiconductor material by optical excitation is seen before.

20. The apparatus of claim 19, wherein the lighting device ( 50 ) for spatially homogeneous or spatially homogeneous illumination of the semiconductor material ( 40 ) is formed.

21. Device according to one of claims 15 to 19, in which a display device for visualizing the thermal image recorded by the infrared detector arrangement ( 30 ) is provided as a topography of the dopant concentration or the life of free charge carriers.