DE2061420A1

DE2061420A1 - Verfahren zur Messung der Ladungs trager Konzentration in einem Halbleiter material

Info

Publication number: DE2061420A1
Application number: DE19702061420
Authority: DE
Inventors: Edward Eugene Shelburne Vt Keenan William Andrew Poughkeepsie Schumann jun Paul August Wappingers Falls N Y Gardner, (V St A ) GOIr 35 02
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-12-15
Filing date: 1970-12-14
Publication date: 1971-06-24
Also published as: US3623818A; FR2071789A5; CA924927A; GB1306850A; JPS4926743B1

Description

13. Dezember 1970 Dr.Schie/E

Docket FI 969 04-5

U.S.Serial Ho.885

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, New York 10504 (V. St. A.)

Vertreter: Patentanwalt Dr.-Ing. Rudolf Schiering, 703 Böblingen/Württ., Westerwaldweg 4·

Verfahren zur Messung der Ladungsträger-Konzentration in einem Halbleitermaterial

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien und kontaktlosen Messung der Trägerkonzentration eines Halbleiterkörpers ο Unter Trägerkonzentration ist hierbei die Konzentration an elektrischen Ladungsträgern in dem Material zu verstehen. Die Trägerkonzentration bestimmt bekanntlich die Eigenschaften eines Halbleiters.

Sie wird bisher gemessen durch eine Anzahl von Methoden, f die aber einen elektrischen Kontakt zum Halbleiter erfordern. Zu diesen bekannten Methoden gehört die Anwendung des Hall-Effektes, die Methode der Vierpunkt-Sonde,die Widerstand-Ausbreitungstechnik.

Der Hall-Effekt gilt bisher als ein besonders wichtiges Hilfsmittel, um sowohl die Polarität der Leitfähigkeitsträger als auch ihre Dichte zu messen. Ein quaderförmiges Stück des zu untersuchenden Materials wird zu diesem Zweck an seinen Stirnseiten möglichst großflächig kontaktiert. Diese Kontakte dienen als Stromzuführun^en. Auf zwei anderen Flächen werden einander genau gegenüberliegend zwei

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kleine Potentialkontakte angebracht. Diese Anordnung wird so zwischen die Pole eines Magneten gebracht, daß das Magnetfeld senkrecht zum dritten nicht kontaktierten Flächenpaar steht. Die Träger des Stromes werden in dem Magnetfeld, das senkrecht zur elektrischen Feldrichtung steht, gemäß der Lorenz-Kraft solange nach der Seite abgedrängt, bis die durch die oberflächliche Ladungsansammlung entstehen de Feldstärke die Ablenkung kompensiert (vgl. u. a. Karl Seiler "Physik und Technik der Halbleiter" 1964, S. 17, Abb. 2.14).

Bei einer bekannten kontaktlosen Methode zur Bestimmung der Trägerkonzentration, die unter dem Namen "Plasma-Hesonanz-Metliode" bekannt ist, wird infrarotes Licht auf die Oberfläche des Halbleitermaterial gerichtet. Der Einfallswinkel wird konstant gehalten und die Wellenlänge des Lichtes wird variiert.

Diese Methode hat gewisse Nachteile. Ein grundlegender Nachteil besteht darin, daß man ein sehr kostspieliges Spektral-Photometer für einen weiten Bereich infraroter Wellenlängen braucht und daß zweitens der wirksame Bereich der Trägerkonzentrationsmessung auf Konzentrati ger pro cmr und darüber begrenzt ist.

g konzentrationsmessung auf Konzentrationen von 5 x 10 Trä-

Die Beziehung der optischen Konstanten eines Halbleiters zu seiner Trägerkonzentration behandeln Schumann und Phillips in ihrer Veröffentlichung "Comparison of Classical Approximations To Free Carrier Absorption in Semiconductors", veröffentlicht in der Druckschrift 10 Solid State Electronics Nr. 9 (September 1967), Seiten 94-3-48.

Bei der Erfindung wird die Träger-ivonzentration eines Halbleitermaterials mit Hilfe monochromatischen Lichtes gemessen, das auf das Halbleitermaterial gerichtet wird. Das

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Licht wird mit seinem elektrischen Vektor in der Einfallsebene polarisiert. Der Einfallswinkel wird variiert "bis ein Minimum an Seflexionsfähigkeit auftritt. Der Winkel, "bei dem dieses Minimum erscheint, den man auch als den Pseudo-Brewster-Y/inkel θ-g bezeichnet, steht in Beziehung zur Trägerkonzentration. Die Träf^erkonzentration kann dabei durch Vergleich mit einer Reihe von Standards, bzw. Mustern, oder durch Berechnung bestimmt werden.

Für den aus der Optik bekannten Brewsterschen ;/inkel gilt bekanntlich folgendes: Erzeugt man z. B. linear polarisiertes Licht durch Reflexion natürlichen Lichtes an einer Glasplatte, wobei das unter dem lolarisationswinkel oder dem Brewsterschen '//inkel (Brewstersches Gesetz) reflektierte Licht linear polarisiert wird, so fällt hierbei die Polarisationsebene mit der Einfallsebene zusammen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine zerstörungsfreie, kontaktlose Technik zur Messung der Trägerkonzentration eines Halbleiters zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Erweiterung des Bereiches der Ladungsträger-Konzentration, die man mit I der optischen Methode noch messen kann.

anderes Ziel ist die Schaffung einer einfachen, nichtkosts.ieligen Technik für das ICessen der Ladungsträger-Konzentration eines Halbleiters.

Ein weiteres Ziel besteht darjii, daß diese iuessmethoOe 1· icht zu automatisieren ist.

Diese umi an· ι ere Ziele lassen sie'· τη j L der 'icthode nach der Erf '■ nui.irn; verwirklichen, bei der nych einer veranschaulichten iioöfiiw-un sform uio Vo!".v M-mn:-; "iiv-H¹ /uel3e iiiono-

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chromatischen Lichtes, eines Polarisators, eines Beugungsmessers und einer Anzeigevorrichtung vorgesehen ist. Das Licht wird auf das Material gerichtet, dessen 'Trägerkonzentration gemessen werden soll. Das Licht ist mit seinem elektrischen Vektor in der Einfallsebene polarisiert.

Der Einfallswirkel wird mit Hilfe des Beugungsmessers variiert "bis ein Minimum in der Reflexionsfähigkeit auftritt. Der Winkel, bei dem das Minimum erscheint und der als Pseudo-Brewster-Winkel bezeichnet wird, ist von der Ladungsträger-Konzentration abhängig. Die Irägerkonzentration läßt sich dann durch Vergleich mit einer Serie von Standards oder durch Rechnung ermitteln.

In manchen Fällen wird es zu zwei Werten der Ladungsträger-Konzentration für den gleichen Winkel θπ kommen, weshalb man zusätzliche Verfahrensschritte einsetzen muß, um zu bestimmen, welcher Wert von diesen beiden werten der korrekte Wert ist.

Diese Zusatz-Verfahrensschritte enthalten entweder eine Grobmessung des Betrages des reflektierten Lichts bei Θ_Β oder die Messung der Winkel oberhalb und unterhalb θ_β, bei denen die Reflexionsfähigkeit ein Maß für die Größe oder irgendeinen passenden Wert darstellt, der größer ist als der Wert der Reflexionsfähigkeit bei Q_R, oder durch Messung der Reflexionsfähigkeit bei θ-η des senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Lichtes.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen für eine besonders vorteilhafte Ausführun.-sform mit ihren Eigenschaften und Vorteilen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Technik zum !'■essen der Träger-Konzentration nach der Erfindung.

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Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der "berechneten Reflexionsfähigkeit als Funktion von Qj für infrarotes Licht und für zwei verschiedene Trager-Konzentrationen. .Der elektrische Vektor des Lichtes ist in der Ebene des Lichteinfalls polarisiert·

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung für θ_β in Abhängigkeit von der Tragerkonzentration und zwar für polarisiertes Licht verschiedener Infrarot-Wellenlängen.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der parallelen Heflexionsfähigkeit bei Q^ in Abhängigkeit von der Tragerkonzentration O

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Winkelbreite oder der Schärfe A far Werte der Reflexionsfähigkeit einer Größenordnung des Betrages, welcher größer ist als der Wert der Reflexionsfähigkeit bei θπ, in Abhängigkeit von der Träger-Konzentration.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Reflexionsfähigkeit bei θ-η in Abhängigkeit von der Konzentration, wobei der elektrische Vektor des einfallenden polarisierten Lichtes rechtwinklig zur Einfallsebene steht. Die Fig. enthält zudem eine graphische Darstellung von G^, in Abhängigkeit von der Trägerkonzentration.

Die Fiff. 1 zeigt schematisch die zur Messung der Ladungsträger-Konzentration erfindungsgemäß benutzte Technik. Die zur Durchführung dieser Technik verwendete Apparatur enthält eine monochromatische Lichtquelle 11, insbesondere einen Laser 11, einen Polarisator 12 und weitere Vorrichtungen, Insbesondere einen nicht besonders dargestellten Beugungsmesser zur Variierung des Einfallswinkels Q. und des Reflexionswinkels 9 an einer Probe, deren Ladungs-

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träger-Konzentration zu messen int, so daß Θ. =0 »a.. Die Anordnung nach Fig. 1 enthält ferner eine Anzeigevorrichtung 13 und im Bedarfsfalle ein nicht besonders dargestelltes Aufzeichnungsgerät, das dem Anzeigegerät zugeordnet ist.

Von der Lichtquelle 11 wird infrarotes Licht mit einer Wellenlänge entsprechend dem Licht, dessen Energie kleiner ist als die Energie der Bandlücke des zu untersuchenden Materials, über den Polarisator 12 auf die Meßprobe in solcher v/eise gegeben, daß man einen einfallenden Strahl des Lichtes mit dem elektrischen Vektor in der Einfallsebene hat.

Das Licht fällt unter einem Einfallswinkel Θ. gleich θ auf die Meßprobe. Diese vV'inkel werden variiert, um den winkel zu ermitteln, bei dem die Reflexionsfähigkeit ein Llinimum erreicht. Das reflektierte Licht wird durch den Detektor 13 (Anzeigevorrichtung) gemessen.

Die Fig. 2 der Zeichnungen bringt die berechnete Reflexionsfähigkeit als Funktion von Θ. far infrarotes Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 3.391 Klikron, dessen polarisierter elektrischer Vektor in der i,infallsebene liegt. Die Fig. 2 enthält graphische Darstellungen für zwei verschiedene Trägerkonzentrstionen.

Beim. Vergleichen der beiden ivurven erkennt man, daß der Winkel, bei dem die Reflexionsfähigkeit ein Minimum erreicht, sich ändert, während man die Ladungsträger-Konzentration des Halbleiters ändert. Hinzukommt, daß sich die Schärfe ^ des Minimums und die Größe der Reflexionsfähigkeit mit der änderung der Konzentration ändern.

Der Winkel, bei dem die Reflexionsfähigkeit eir. Minimum erreichL, ist ein Maß der Trägerkonzentrafcion des Halbleiters.

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Die Fig. 3 enthält eine graphische Darstellung von θ-g, des Winkels, bei dem die polarisierte Reflexionsfähigkeit R ein Minimum erreicht, in Abhängigkeit von der Trägerkonzentration. Die Darstellungen in Fig. 3 zeigen fünf repräsentative Kurvenzüge, und zwar für 5> 10» 25, 50 und 100 Mikron der infraroten Wellenlänge des einfallenden Lichtes· Mit größeren Wellenlängen nimmt der Bereich der zu ermittelnden Trägerkonzentration zu.

In gewissen Bereichen ist die Trägerkonzentration für ein Θ-Q auch doppelwertig, d. h. es kann für ein gegebenes θ_β . zwei mögliche tferte der Trägerkonzentration geben. In Fig. 3» welche typische Kurven für Silicium vom N-Leitungstyp enthält, gibt es zwei mögliche werte der Trägerkonzentration, wenn Q₁-. gleich oder kleiner als 73° ist. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, kann man eine von drei Näherungen verwenden.

Die erste Näherung sei an Hand der Fig. 4· erörtert. Gemessen wird die tatsächliche Parallel-Reflexionsfähigkeit oder die Intensität des reflektierten Lichtes bei θ_β. Die Figur 4-bezieht sich auf den Wert dieser Reflexionsfähigkeit zur Trägerkonzentration. Sie zeigt, daß die Reflexionsfähigkeit I stark abhängig ist von der Konzentration bei Ö_R. Deshalb würde sof^:;ar eine Grob-Messung der Größenordnung des Betrages von R bestimmen, welcher der beiden Werte der Konzentration K der korrekte Wert ist.

Die zweite Näherung sei an Hand der Fig. 5 erläutert. Hierbei wird die Winkelbreite oder Schärfet bei solchen Werten der Reflexionsfähigkeit gemessen, deren Betrag eine Größenordnung größer ist als der Wert der Reflexionsfähigkeit bei Gg. Man kann wiederum ersehen, daßj^ in hohem Maße abhängig ist von der Trägerkonzentration.

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Eine weitere Näherung sei an Hand der Fig. 6 erörtert. Gemessen wird die Reflexionsfähigkeit R^ bei einem θ-η des rechtwinklig zur Sinf a.i lebene polarisierten Lichtes entweder durch Drehung des Polarisators 12 oder der Lichtquelle 11. Obgleich es deshalb zwei Trägerkonzentrationen für das gleiche θ_β geben kann, gibt es zwei ganz ungleiche Werte für die rechtwinklige Reflexionsfähigkeit. Diese beiden Werte sind in hohem Maße abhängig von der Trägerkonzentration.

Vorstehend wurde eine genaue, wohlfeile, unzerstörbare, kontaktlose Technik zum Messen der Trägerkonzentration eines Halbleiters beschrieben. Diese Technik nach der Erfindung kann über einen unteren Bereich von Trägerkonzentrationen benutzt werden, der bisher der Messung mit den bekannten Methoden nicht zugänglich war.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dab diese Technik nur das Aufsuchen eines Winkels verlangt, bei dem die Reflexionsfähigkeit ein Minimum hat. Sie ist daher unabhängig von Trifts der Lichtquelle oder des Anzeigegerätes.

Bei einer bekannten Anordnung nach der amerikanischen Patentschrift 3 109 932 bezieht sich die Konzentration auf die Wellenlänge, bei welcher eine Minimum-Reflexionsfähigkeit auftritt. Diese amerikanische Patentschrift erörtert die Plasma-Resonanz-Methode zur Messung der Störstellen-Konzentration.

Patentansprüche

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Claims

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Pat ent ansprüche

1,) Verfahren zur Messung der Ladungsträger-Konzentration in einem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Halbleitermaterial monochromatisches polarisiertes Licht im Infrarotbereich gerichtet wird, dessen elektrischer Vektor in der Lichteinfallsebene liegt, daß der Einfallswinkel des auf das Halbleitermaterial fallenden Lichtes änderbar ist und daß mit diesem Winkel das Minimum der ' Reflexionsfähigkeit dieses Lichtes als Maß für die Trägerkonzentration gemessen wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Intensität des reflektierten Strahles gemessen wird, um zu ermitteln, welcher Wert von zwei möglichen Werten der Trägerkonzentration für einen gegebenen Winkel zur Minimum-Reflexionsfähigkeit der korrekte Wert ist.

3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des reflektierten Strahles bei einem Wink- d kel oberhalb und bei einem Winkel unterhalb des Winkels zur Minimum-Reflexionsfähigkeit gemessen und die erforderliche Winkelausdehnung bestimmt wird, um den selben Betrag der Intensität bei einem Winkel über und unter dem Winkel der Minimum-Reflexionsfähigkeit zu erhalten.

4·.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichtes gemessen wird, welches rechtwinklig zur Einfallsebene polarisiert ist.

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5.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des Lichtes durch einen Beugungsmesser variiert wird, bis ein Minimum in der Reflexionsfähigkeit auftritt.

6.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle (11) eines monochromatischen Lichtes ein Laser dient.

7.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarotlicht eine Wellenlänge aufweist,, deren Energie kleiner ist als die Energie der Energiebandlücke des Halbleitermaterialsο

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