DE2315795A1

DE2315795A1 - Verfahren zum kontaktlosen messen des spezifischen widerstandes von halbleitermaterialien

Info

Publication number: DE2315795A1
Application number: DE2315795A
Authority: DE
Inventors: John Whitney Philbrick; Charles Anthony Pillus; Michael Robert Poponiak; Christian Paul Schneider
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-04-25
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1973-11-08
Also published as: CA978257A; FR2181841B1; US3805160A; FR2181841A1; JPS4922863A; JPS538472B2

Description

Böblingen, den 28. März 1973 sa-sn

Anmelderin: · International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 971 080

Verfahren zum kontaktlosen Messen des spezifischen Widerstandes von Halb leitermaterialien ■ ^: -

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontaktlosen Messen des spezifischen Widerstandes von Halbleitermaterialien durch Absorption von Hochfrequenzenergie.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es häufig notwendig, den spezifischen Widerstand der Ausgangsmaterialien und der aus solchen Halbleitermaterialien wie Silicium, Germanium, III-IV Verbindungen gebildeten Einkristalle vor der weiteren Verarbeitung zu Transistoren, Dioden usw. zu bestimmen. Die herkömmlichen Meßmethoden bestehen darin, daß durch das Halbleiter*- material, auf das an bestimmten Punkten Metallkontakte aufgesetzt werden, ein Strom geleitet wird. Diese Widerstandsmessungen werden jedoch nur an ausgewählten Kontaktpunkten durchgeführt, und eine Messung des Widerstandes verschiedener Bereiche des Halbleitermaterials ist nur durch Aufbringen entsprechender Kontaktstellen möglich. Die Messung des spezifischen Widerstandes ist ein geeignetes Mittel zur Bestimmung der Dotierungskonzentrationen in Halbleitermaterialien, die verschiedenen Verfahrensschritten, wie Diffusion, unterworfen wurden. Ebenso ist die Messung des spezifischen Widerstandes wesentlich bei der Herstellung und Wertung von lichtemittierenden Dioden, die aus binären und tertiären Verbindungen aus der III., IV., und V. Gruppe

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ORlGHNAL INSPECTED

des periodischen Systems der Elemente hergestellt werden.

Es ist bekannt, Wirbelstromessungen zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes von Metallen zu verwenden; Dabei werden kapazitive und induktive Änkoppelungen sowie Mikrowellenenergie verwendet. Bei einem bekannten Verfahren, wie es beispielsweise in der Amerikanischen Patentschrift 2 859 407 beschrieben ist, wird der spezifische Widerstand dadurch bestimmt, daß die Spule eines Q-Messers belastet wird. Der Q-Wert einer Spule ist das Verhältnis der induktiven Impedanz der Spule bei einer bestimmten Frequenz zum Widerstand der Spule, und ein Q-Messer ist eine Anordnung zur Messung des Q-Wertes der Spule, Der Q-Messer enthält einen Oszillator mit einstellbarer Frequenz und ein RöhrenVoltmeter, dessen Skala.in Werten von Q geeicht ist. Der Oszillator ist mit der spule und mit einem veränderlichen Kondensator zu einem Serienstromkreis geschaltet, und das Voltmeter ist parallel zu dem Kondensator angeordnet. Der Kondensator wird so eingestellt, daß der Serienstromkreis bei der ausgewählten Frequenz in Resonanz gerät. Danach wird die Energie des Oszillators so eingestellt, daß das Voltmeter einen geeigneten Q-Wert anzeigt. Dies ist eine typische Anordnung unter Verwendung einer elektrisch erregten Spule, deren Strahlungsfeld axial durch die Spule hindurch gerichtet ist, mit einem vorgegebenen Q-Wert und einer Energiequelle für die Strahlung» Bisher wurde angenommen, daß eine solche Anordnung auf einen sehr engen Bereich des spezifischen Widerstandes beschränkt sei. in den meisten Fällen überdecken diese Methoden der Widerstandsmessung einen Bereich von 1 bis 1,5 Dekaden oberhalb und unterhalb eines bestimmten Widerstandswertes. Wegen derartiger Einschränkungen wurde dieses Meßverfahren für die automatische Herstellung bisher für ungeeignet gehalten, zumal der Widerstand von Halbleitermaterialien Über mindestens 4 Dekaden variiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Meßprinzip für die kontaktlose Bestimmung des spezifischen Widerstandes für Halbleitermaterialien brauchbar zu machen. Dieses Meßverfahren soll von der

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Art des Halbleitermaterials und von dessen Oberflächenbeschaffenheit unabhängig sein. Das Verfahren soll ferner schnell und reproduzierbar arbeiten, ohne daß Kontakte an der Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht werden müssen, und es soll Widerst andsmessungen in einem weiten Bereich nach beiden Seiten von einer willkürlich angenommenen Mitte ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, däß die Meßobjekte in das Strahlungsfeld einer durch Hochfrequenz erregten Spule mit einer bestimmten Induktivität gebracht werden, deren Auswahl aus einer Reihe von verschiedenen Induktivitäten anhand einer mit bekannten Widerständen ermittelten Eichkurve vorgenommen wird, und daß die dabei durch das Meßobjekt absorbierte Energie geraessen und mit Hilfe der Eichkurve ausgewertet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß zur Erstellung der Eichkurve zunächst mit Hilfe einer Anzahl von bekannten Widerständen verschiedener Größe für eine Reihe von verschiedenen Induktivitäten Kurvenscharen der Abhängigkeit der Absorption vom Widerstandswert ermittelt werden, und daß sodann die Widerstandswerte der mittleren Absorption gegen die Werte der Induktivitäten aufgetragen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise so durchgeführt werden, daß das zu messende Halbleitermaterial nacheinander in das Feld von Spulen verschiedener Induktivität gebracht wird. Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens besteht darin, daß zur Erstellung der Eichkurve als bekannte Widerstände Halbleiterplättchen mit gleicher Dicke und verschiedenem spezifischen Widerstand verwendet werden. Eine andere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens besteht darin, daß zur Erstellung der Eichkurve wässrige NaCl-Lösungen verschiedener Konzentration verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht unter anderem eine π 971 080 309845/0811

bequeme Bestimmung von Dotierungskonzentrationen und der Lebensdauer der Minoritätsträger in diesen Materialien. Zu diesem Zwecke ist es vorteilhaft, daß die Spule entlang der Oberfläche eines Halbleiterkörpers geführt wird, und die Änderungen des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit von ihrem Ort aufgezeichnet werden.

Als Meßobjekte für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich monokristalline oder polykristalline Halbleitermaterialien aus Germanium, Silicium, Verbindungen der Gruppen I-VII, II-VI, III-V und Mischungen dieser Verbindungen.

Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Durchführung des er

findungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,

Fig. 2A ein Diagramm, in welchem im logarithmischem

Maßstab die Absorption verschiedener Proben bekannten Widerstandes in willkürlichen Einheiten aufgetragen ist,

Fig. 2B ein Diagramm mit einer Schar von Absorptionskurven bei verschiedenen Induktivitäten, wobei jede Kurve dem Bereich zwischen dem größten und dem kleinsten Widerstand der Fig. 2A entspricht, und

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem als Eichkurve die

mittleren Widerstandswerte der Absorption gegen die Induktivitäten der Spulen aufgetragen sind.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Hochfrequenzenergiequelle bezeichnete, die ein die ausgestrahlte Energie anzeigendes Meßinstrument 2< aufweist und die selektiv mit einer der auswechselbaren Spulen 3,

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4 oder 5 verbindbar ist. Das Meßobjekt 6 wird in die Nähe der jeweils erregten Spule gebracht. Das Meßverfahren besteht nun darin, daß die als Meßobjekte 6 dienenden Halbleiterplättchen dem von der Spule abgestrahlten Hochfrequenzfeld ausgesetzt werden und daß die durch das Meßobjekt verursachte Energie Absorption gemessen wird. Diese Energieabsorption wird in einer der Eichkurven, wie sie in Fig. 2B dargestellt sind, zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes ausgewertet.

Die Spulen 3, 4 und 5 haben jeweils denselben Durchmesser und dieselbe Länge aber verschiedene Induktivitäten. Mit jeweils einer Spule mit einer bestimmten Induktivität kann ein spezifischer Widerstand in einem bestimmten Bereich oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Mittelwertes ermittelt werden. Mit Spulen verschiedener Induktivitäten können somit Widerstandsmessungen über einen weiten Bereich vorgenommen werden. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden Ausführungsbeispiele beschrieben.

Beispiel I

Ein Satz von 6 Spulen, jeweils mit einem Durchmesser und einer Länge von ungefähr 64 mm und mit einem Induktivitätenbereich^;von 0,28 ^uH bis 80 /LtH konnten wahlweise mit der Hochfrequenz-Energiequelle und dem Meßinstrument verbunden werden. Zunächst wurde eine Spule bestimmter Induktivität an das System angeschlossen und die Absorption von 28 Proben von Halbleiterplättchen konstanter Dicke aber verschiedener spezifischer Widerstände im Bereich von 125 Ohm · cm bis 2,5 * 10 Ohm · cm wurde gemessen und auf doppelt logarithmischem Papier aufgetragen. Dadurch wurde eine Kurve entsprechend der Darstellung in Fig. 2A erhalten. Dieselben Meßreihen wurden nun für verschiedene Induktivitäten durchgeführt. Dies ergab eine Kurvenschar entsprechend der Darstellung in Fig. 2B. Die den mittleren Werten der Absorption entsprechenden Widerstandswerte R_M dieser Kurven sodann zur Erstellung der Eichkurve gegen die Werte der Induktivitäten aufgetragen. Die so erhalte'ne Eichkurve ist in Fig. 3 dargestellt.

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Nunmehr wurde eine Spule mit einer Induktivität von 0,8 jiH mit der Hochfrequenz-Energiequelle verbunden und eine Probe von Halbleitermaterial unbekannten Widerstandes mit einer Dicke von etwa 10 mm in dichte Nähe der Spüle gebracht. Aus der gemessenen Absorption konnte der Flächenwiderstand der Probe mit Hilfe der beschriebenen Eichkurven zu 0,31 Ohm bestimmt werden. Der spezifische Widerstand wurde sodann durch Multiplikation des Flächenwiderstandes mit-der Schichtdicke ermittelt.

Beispiel II

Eine Probe aus Galliumarsenid mit einer Dicke von ungefähr 0,25 mm wurde in die Nähe einer Spule mit einer Induktivität von 0,28 gebracht. Aus der gemessenen Absorption wurde der Flächenwider—

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stand der Probe zu 3,5 * 10 0hm bestimmt und der spezifische

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Widerstand berechnet zu 8,7 · 10 0hm · cm durch Multiplikation des Flächenwiderstandes mit der Dicke der Probe.

Beispiel III ·

Zur Messung von Halbleitermaterial mit einem Flächenwiderstand von mehr als 500 Ohm wurde anhand einer Eichkurve ähnlich der Fig. 3 zunächst eine Spule mit etwa 0,1 uH ausgewählt. Die Spule wurde mit der Hochfrequenz-Energiequelle und dem Meßinstrument verbunden. Eichwiderstände verschiedener Größe wurden dadurch hergestellt, daß auf die Spule ein Gefäß mit Wasser gestellt wurde, dem verschiedene Konzentrationen von Salz zugefügt wurden* Auf diese Weise wurden Eichkurven entsprechend den in Fig* 2 dargestellten Kurvenscharen gewonnen. Sodann wurde ein großer Zylinder von polykristallinem Silicium auf die Spule gebracht und die Absorption des polykristallinen Siliciums gemessen. Der Widerstand des polykristallinen Siliciums wurde daraufhin durch Auswertung der Eichkurven bestimmt. Unter Nutzbarmachung der bekannten Änderung des Ansprechbereichs mit der Induktivität der Spule war es somit möglich, den spezifischen Widerstand von polykristallinem Silicium zu ermitteln.

Eine Spüle mit einer bestimmten Impedanz, die mit dem in Fig. i ^{FI 971 08}° 309845/0811

dargestellten System verbunden wird, ist geeignet, Widerstände von Proben zu bestimmen, die ungefähr eine Größenordnung oberhalb oder unterhalb eines für diese Spule spezifischen mittleren Widerstandswertes R^ liegen.

Mit diesem Verfahren lassen sich die spezifischen Widerstände von Halbleitermaterialien wie Silicium, Germanium, I-VII, II-VI, Ill-V-Verbindungen des periodischen Systems und Mischungen dieser Verbindungen sowie anderer Materialien mit Halbleitereigenschaf ten bestimmen.

Bei der Herstellung von einkristallinen HaIbleitersubstraten aus Silicium ist es erwünscht, Defekte in der Struktur des polykristallinen Rohmaterials festzustellen, das zur Herstellung der monokristallinen Siliciumhalbleiterkristalle verwendet wird. Beispielsweise kann polykristallines Silicium Bereiche mit Verunreinigungen enthalten. Diese Verunreinigungen treten gewöhnlich in der Nähendes zentralen Bereiches auf und können das schließlich erhaltene einkristalline Material nachteilig dotieren. Gewöhnlich werden derartige Defekte dadurch festgestellt, daß Proben senkrecht zu der Längsachse des polykristallinen Materials geschnitten werden und daß an den aus diesen Proben hergestellten Einkristallen elektrische Messungen vorgenommen werden.

Derartige Bereiche mit Verunreinigungen können durch das beschriebene Verfahren entdeckt werden. Zu diesem Zweck wird eine anhand der Eichkurven ausgewählte Spule langsam dicht über das Halbleitermaterial bewegt und die Absorption gemessen. Die Werte können in einem Koordinatenschreiber aufgezeichnet werden, dessen Ordinate die Absorption und dessen Abszisse die jeweilige Lage angibt.

Dieses Verfahren ist auch geeignet für vergleichende Widerstandsmessungen als Funktion des Orts auf der Oberfläche oder dem Durchmesser einer einkristallinen Halbleiterscheibe.

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Claims

P A T E N T A N S P R U C H E

1.7 Verfahren zum kontaktlosen Messen des spezifischen Wider-"""" Standes von Halbleitermaterialien durch Absorption von Hochfrequenzenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßobjekte in das Strahlungsfeld einer durch Hochfrequenz erregten Spule mit einer bestimmten Induktivität gebracht werden, deren Auswahl.aus einer Reihe von verschiedenen Induktivitäten anhand einer mit bekannten Widerständen ermittelten Eichkurve vorgenommen wird, und daß die dabei durch das Meßobjekt absorbierte Energie gemessen und mit Hilfe der Eichkurve ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung der Eichkurve zunächst mit Hilfe einer Anzahl von bekannten Widerständen verschiedener Größe für eine Reihe von verschiedenen Induktivitäten Kurvenscharen der Abhängigkeit der Absorption vom Widerstandswert ermittelt werden, und daß sodann die Widerstandswerte der mittleren Absorption gegen die Werte der Induktivitäten aufgetragen werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Halbleitermaterial nacheinander in das Feld von Spulen verschiedener Induktivität gebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung der Eichkurve als bekannte Widerstände Halbleiterplättchen mit gleicher Dicke und verschiedenem spezifischen Widerstand verwendet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung der Eichkurve wässrige NaCl-Lösungen verschiedener Konzentration verwendet werden.

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6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule entlang der Oberfläche eines Halbleiterkörpers geführt wird und die Änderungen des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit von ihrem Ort aufgezeichnet werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß monokristalline oder polykristalline Halbleitermaterialien aus Germanium, Silicium Verbindungen der Gruppen I-VII, II-VI, HI-V des periodischen Systems und Mischungen dieser Verbindungen als Meßobjekte verwendet werden.

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