DE3116611A1

DE3116611A1 - Vorrichtung zur messung von halbleitereigenschaften

Info

Publication number: DE3116611A1
Application number: DE19813116611
Authority: DE
Inventors: Teruaki Yamanashi Motooka; Chusuke Munakata; Kunihiro Tokyo Yagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-05-01
Filing date: 1981-04-27
Publication date: 1982-03-25
Also published as: US4464627A; DE3116611C2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften nach einer photovoltaischen Methode.

Die photovoltaische Methode wird seit langem auf dem Gebiet der Halbleitermessungen angewandt, weil sie als berührungsfreie Meßmethode Vorteile beispielsweise gegenüber der Vierpunktmethode zur Messung eines spezifischen Widerstands hat. Fig. 1 zeigt das Grundprinzip einer herkömmlichen Methode zur Messung der Widerstandsverteilung von Halbleiterproben unter Verwendung eines Photonenstrahls . .

Wenn auf eine Oberfläche 2" einer Halbleiterprobe 2, die sich zweidimensional erstreckt, ein Photonenstrahl 1 eingestrahlt wird, entstehen üblicherweise auf der Oberfläche 2' der Probe 2 aus Löchern 3 und Elektronen 4 bestehende Elektron-Lochpaare, die, wie durch Pfeile 3", 4' angedeutet, zur rückwärtigen Oberfläche 2" der Probe diffundieren. Im Falle des Siliziums haben jedoch bekanntlich die Elektronen 4 eine größere Beweglichkeit als die Löcher 3. Das heißt, daß sich die Elektronen 4 in größerer Anzahl als die Löcher 3 zur rückwärtigen Oberfläche 2" bewegen. Daher bleiben die Löcher 3 mit ihrer positiven Ladung in großen Mengen auf der Oberfläche 2" der Halbleiterprobe 2 zurück, so daß folglich die Oberfläche 2" der Probe 2 positiv aufgeladen wird. Diese Erscheinung wurde bereits 1931 durch H. Dember aus Deutschland berichtet und ist seitdem als Dember-Effekt bekannt. Die durch den Dember-Effekt erzeugte Spannung, d.h. die Dember-Spannung, ist jedoch sehr viel kleiner als die Spannung, die entsteht, wenn auf einen pn-übergang Licht eingestrahlt wird, und wurde bislang nicht für irgendwelche speziellen Zwecke verwendet.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß sich mit n-Wafern, etwa aus Silizium, das folgende Resultat ergibt

wobei V_ eine Dember-Spannung bezeichnet und die anderen Symbole die folgende Bedeutung haben:

b: Beweglichkeit der Elektronen/Beweglichkeit der Löcher S: Fläche der Wafer

J(O): Spezifischer Widerstand der Wafer-Oberflache e: Elektrische Ladung des Elektrons I: Intensität des Photonenstrahls (Photonenfluß/s) ot: Photonenstrahl-Absorptionskoeffizient L : Diffusionslänge für Minoritätsträger V : Diffusionsgeschwindigkeit für Minoritätsträger S₁-: Rekombinationsgeschwindigkeit von Trägern auf der Waferoberfläche.

Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, hängt die Dember-Spannung von vielen Faktoren ab. Wenn man die Faktoren mit Ausnahme des spezifischen Widerstands o(0) als konstant betrachtet, läßt sich obige Gleichung schreiben als 20

V_D = K- £(0) (2)

wobei K eine Konstante ist.

Das heißt, wenn man die Halbleiterprobe (Wafer) 2 ohne den Übergang durch Bündelung des Photonenstrahls 1 abtastet und dabei die Verteilung der Photospannung mißt, ist das Meßresultat eine Dember-Spannung, die im Endergebnis gleich der Messung einer Widerstandsverteilung auf der Oberfläche der Probe 2 ist.

Bislang wurde ein Schottky-Übergang zur Ermittlung der Verteilung des spezifischen Widerstands verwendet. Fig. 2 zeigt das zugehörige Grundprinzip. Eine ohmsche Elektrode 6 wird auf der rückseitigen Oberfläche 2" der Halbleiterprobe 2 angebracht, auf der vorderen Oberfläche der Probe 2 wird eine Metallsonde 5 errichtet, und auf die Umgebung der Sonde 5 wird ein Photonenstrahl 1 eingestrahlt. Be-

kanntlich entwickelt sich im Schottky-Übergang 5" eine Photospannung, die mit einem Voltmeter 7 gemessen wird. Üblicherweise hängt die Photospannung vom spezifischen Widerstand desjenigen Teils der Probe 2 ab, dem die Metallsonde 5 gegenübersteht. Daher ändert sich die Anzeige des; Voltmeters 7 proportional zum spezifischen Widerstand. Was die Oberfläche 2 einer ausgedehnten Wafer anbelangt, muß die Metallsonde 5 nur bewegt werden. Tatsächlich ist dieser Vorgang jedoch nicht praktikabel.·Deshalb werden, wie in Fig. 3 gezeigt, zur Ausbildung eines Schottky-Übergangs 8" auf der gesamten Oberfläche Maschenelektroden 8 an die Probe angedrückt. Durch Abtastung der Probe 2 mit einem Photonenstrahl 1 ist es möglich, die Widerstandsverteilung auf der Oberfläche 2" zu ermitteln.

Die in Fig. 3 gezeigte herkömmliche Methode hat jedoch Nachteile. Zum einen hängen die Eigenschaften des Schottky-übergangs 8" vom mechanischen Druck des Metalls, Oberflächenzuständen des Metalls (Rauhigkeit, Oxidschicht usw.) und Oberflächenzuständen des Halbleiters (Oxidschicht, Feuchtigkeit, Staub usw.) ab, was es schwierig macht, einen gleichförmigen Übergang über größere Bereiche herzustellen. Zum anderen sind Teile der Oberfläche durch die Maschenelektroden 8 abgedeckt, so daß nicht auf die gesamte Oberfläche der Probe 2 der Photonenstrahl 1 eingestrahlt wird.

Schließlich beschädigt die Anbringung der ohmschen Elektrode 6 die Probe 2 und macht es schwierig, eine einwandfreie zerstörungsfreie Untersuchung durchzuführen.

Über eine Messung der Eigenschaften der Probe 2 durch Ausbildung eines Schottky-übergangs unter Verwendung eines Elektrolyten 13 wie etwa von Na₃SO₄ als die eine Elektrode, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, und auf der Grundlage des Prinzips der Methode der Fig. 3 wurde ebenfalls berichtet. Der Elektrolyt 13 ist jedoch schwerfällig in der Handhabung, wenn man versucht, ihn als transparente Elektrode zu verwenden. Ferner muß die ohmsche Elektrode 6 auf der rück-

seitigen Oberfläche, wie bei der davor genannten Methode, angebracht werden. In Fig. 4 bezeichnet 12 eine Elektrode und 14 eine Seitenwand eines Gefäßes zur Speicherung des Elektrolyten.

Wie oben erwähnt, ist bislang keine Methode zur photovoltaischen Messung der Widerstandsverteilung der Oberfläche der Silizium-Wafer ohne Beschädigung der gemessenen Probe bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur photovoItaischen Messung der Verteilung von Eigenschaften in der Oberfläche einer Halbleiterprobe ohne Beschädigung derselben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Elektroden an beiden Oberflächen einer Halbleiterprobe, deren Eigenschaften gemessen werden sollen, unter Einhaltung eines Zwischenraums angebracht werden bzw. sind, wenigstens eine der Elektroden transparent ist, die Oberfläche der Halbleiterprobe mit einem engen gepulsten Photonenstrahl durch die transparente Elektrode hindurch abgetastet wird, und die zwischen den beiden Elektroden erzeugte Photospannung über die kapazitive Kopplung zur Bestimmung der Verteilung von Eigenschaften der Oberfläche der Halbleiterprobe gemessen wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind transparente Elektroden auf beiden Seiten der Probe angebracht und wird das durch die Halbleiterprobe durchgehende Licht ebenfalls nachgewiesen, um sowohl das Absorptionsvermögen als auch die Photospannung zu messen.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt bzw. zeigen

Fig. 1 das Grundprinzip zur Messung der Widerstandsverteilung einer Halbleiterprobe unter Verwendung 5 eines Lichtbündels,-

Fign. 2 Prinzipien herkömmlicher Vorrichtung^ zur Messung

bis 4

der Eigenschaften von Halbleiterproben unter Verwendung eines Lichtbündels,

Fig. 5 das Prinzip der Erfindung,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild zu Fig. 5, und

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften gemäß einer Ausführungs

form der Erfindung.

Fig. 5 zeigt das Prinzip der Meßmethode gemäß der Erfindung. Gemäß der Erfindung kann eine Dember-Spannung korrekt gemessen werden, wenn auf einen gegebenen Abschnitt der Probe 2 ein Photonenstrahl 1 eingestrahlt wird. Wie bereits erwähnt, entsteht die Dember-Spannung zwischen der vorderen Oberfläche 2¹ und der rückwärtigen Oberfläche 2" der Probe 2. Daher werden Elektroden 8,9 unter Einhaltung eines Zwischenraums an den beiden Oberflächen angebracht.

Wenn der Photonenstrahl 1 in Impulse umgewandelt wird, wird auch die Dember-Spannung in Form von Impulsen erzeugt. Dadurch ist es wegen der kapazitiven Kopplung, die sich durch die Luftspaltkapazitäten 10, 11 ergibt, auch bei getrennt von der Probe 2 liegenden Elektroden 8, 9 möglich, die DeiPber-Spannung zu ermitteln.

Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild zu Fig. 5. Die Kapazitäten 10 und 11 sind oberhalb und unterhalb der Probe 2, die bei Einstrahlung des Photonenstrahls 1 eine Spannung erzeugt, vorhanden, und ein Voltmeter 7 ist mit der spannung ser zeugenden Probe 2 über die Kapazitäten 10, 11 verbunden .

Die transparente Elektrode 8 gemäß Fig. 5 wird beispielsweise durch Beschichtung der Oberfläche von Glas mit Indiumoxid ausgebildet. Dank der Transparenz der Elektrode 8 kann der PhotonenstrahlT die Probe 2 ohne nennens-

werte Absorption erreichen. Die Elektrode 9 kann entweder transparent wie Elektrode 8 oder lichtundurchlässig sein. Im Grundsatz ist also die Halbleiterprobe 2 zwischen Elektrode 8 und Elektrode 9 angeordnet ohne in direkter Berührung mit ihnen zu stehen. Daher ist diese Methode vollständig zerstörungsfrei.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer die Erfindung ausnützenden Vorrichtung, bei welcher eine Kathodenstrahlröhre 17 als Lichtquelle für den Photonenstrahl 20 verwendet wird. Die Wellenlängen des Photonenstrahls 20 werden durch ein optisches Filter 18 auf einen geeigneten Bereich beschnitten, und der Photonenstrahl wird durch eine optische Linse.19 auf die Halbleiterprobe 2 fokussiert. Die Abtastbewegung des Photonenstrahls 20 kann durch die Abtastbewegung des (nicht gezeigten) Elektronenstrahls in der Kathodenstrahlröhre 17 erreicht werden. Die Abtastgeschwindigkeit und Abtastfläche werden durch geeignete Steuerung der Spannung einer AbtastSpannungsquelle 31 mittels einer Steuereinheit 32 und durch Zuführen eines aus der Spannung gewandelten Stromes an eine Ablenkspule "16 eingestellt. Die gleichen Abtastsignale werden den Ablenkspulen 27, 29 von Kathodenstrahlröhren 26, 28 zur Anzeige des Abtastbildes zugeführt. Im einzelnen werden in der Kathodenstrahlröhre 28 die von der Halbleiterprobe kommenden Signale durch einen Addierer 30 einem Ablenkstrom überlagert. Man erhält bekanntlich das amplitudenmodulierte Abtastbild, wenn von der Halbleiterprobe 2 kommende Signale zur Ablenkspule 29 addiert werden.

Fig. 7 zeigt die Probe 2 zwischen den beiden transparenten Elektroden 8, 8¹ liegend,damit auch die Intensität und Wellenlängenverteilung des Photonenstrahls 20', der durch die Probe 2 gegangen ist, festgestellt werden können. Wenn nämlich das durchgegangene Licht 20' durch einen aus einer Photodiode bestehende Detektor 21 nachgewiesen und analysiert wird .und dessen Ausgangs signal mit

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einem Verstärker 22 verstärkt wird, ist es nach einem bekannten Prinzip möglich, die Fremdstoffkonzentration zu erhalten. Folglich kann zuverlässiger festgestellt werden, welcher der Faktoren der Dember-Spannung in Gleichung (1) den ausgeprägtesten Effekt ergibt, um so gesteigerte synergistische Effekte zu gewinnen. Wenn beispielsweise die Dember-Spannung stark schwankt, ohne daß Änderungen der Intensität des durchgegangenen Lichts 20" vorliegen, ist die Annahme gerechtfertigt, daß sich die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S^ rasch geändert hat, und nicht die Annahme, daß sich der spezifische Widerstand P(O) geändert hat.

Gemäß, der Erfindung wird, wie bereits erwähnt, die Dember-Spannung durch kapazitive Kopplung gemessen. Zu diesem Zweck wird der Photonenstrahl 20 in Impulse umgewandelt. Die Pulsierung geschieht durch Pulsen des Elektronenstrahls der Kathodenstrahlröhre 17 durch Modulieren der Helligkeit der Kathodenstrahlröhre 17 mit einer Impulsquelle 15. Die Impulsspannung wird auch zur phasenempfindlichen Demodulation der Signale verwendet. Anders ausgedrückt, wird die Impulsspannung als Referenzspannung für einen phasenempfindlichen Demodulator 25 verwendet, was das Signal-Rauschverhältnis der Signale merklich verbessert.

Die verstärkten und phasenempfindlich demodulierten Signale werden zur Modulation der Helligkeit der Kathodenstrahlröhre 26 und ebenso zur Modulation der Amplitude der Kathodenstrahlröhre 28 verwendet.

Fig. 7 zeigt ferner, daß Abstandsstücke 39, 39' zwisehen den Elektroden 8, 8¹ und der Probe 2 eingefügt sind, so daß die Probe ohne Beschädigung in die Nachbarschaft der Elektroden 8, 8' gebracht werden kann. Die Abstandsstücke 39, 39' bestehen aus einer lichtdurchlässigen isolierenden Folie bzw. Schicht aus Glimmer, Mylar, PoIyäthylen oder dergleichen undhabeneine Dicke von einigen

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zehn Mikron oder weniger.

Vorstehend wurde eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 7 erläutert. Gemäß der Erfindung beschränkt sich die Lichtquelle jedoch nicht auf eine Kathodenstrahlröhre 17, sondern kann auch eine andere Lichtquelle, beispielsweise ein Laser, sein. Ferner kann die Abtastbewegung des Photonenstrahls 20 durch einen beweglichen Spiegel erreicht werden.

Die vorstehende Beschreibung war allein mit dem Fall der Messung der Widerstandsverteilung befaßt, es ist aber auch möglich, irgendeine andere Eigenschaft aus Gleichung (1) zu messen. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Eigenschaften von Wafern verwendet werden, die einen durch Ionenimplantation ausgebildeten pn-übergang oder einen übergang aufweisen, der aus Bereichen des gleichen Leitungstyps aber unterschiedlicher Fremdstoffkonzentration besteht, oder von Wafern, die einen Oxidfilm oder einen Oxidfilm, der eine feste Ladung enthält, aufweisen, sowie von Wafern, die Oberflächen-(oder Zwischenflachen-)Zustände aufweisen. Im Falle von Wafern mit einem pn-übergang beispielsweise wird die Gleichförmigkeit des Übergangs auf der Wiedergaberöhre innerhalb kurzer Zeit wiedergegeben. Es läßt sich daher leicht entscheiden, ob die betreffende Wafer zur Herstellung von Festkörper-Schaltkreiselementen verwendet werden kann oder nicht, was aus industrieller Sicht hochgradig vorteilhaft ist.

Ki/s

Claims

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHA MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 01 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 HITACHI, LTD. 27. April 1981 DEA-25 456 Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften PATENTANSPRÜCHE

1.J Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften, gekennzeichnet durch eine Photonenstrahleinstrahlungseinrichtung, welche die Oberfläche einer Halbleiterprobe (2) mit einem gepulsten und gebündelten Photonenstrahl (20) abtastet und bestrahlt; an den Seiten der Vorder- und Rückseite der Probe unter Einhaltung eines Zwischenraums angebrachte Elektroden (8, 8'; 8, 9) zur Abnahme der zwischen der Vorder- und Rückseite der Probe durch die Einstrahlung des Photonenstrahls erzeugten Photospannung über die kapazitive Kupplung, wobei wenigstens

die eine auf der Seite der Einstrahlung des Photonenstrahls liegende Elektrode (8) lichtdurchlässig ist; eine Signalherauszieheinrichtung zur Abnahme allein der Signalkomponenten der Photospannung durch Vergleich der über die Elektroden abgenommenen Aus gangs signale mit den gepulsten Signalen des Photonenstrahls; und eine Beobachtungseinrichtung, welche diese Signalkomponenten in Bezug zu Einstrahlungslagen des Photonenstrahls wiedergibt, so daß Änderungen im Ausgangssignal· der Signalherauszieheinrichtung beobachtet werden können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Photonenstrahleinstrahlungseinrichtung aus einer Kathodenstrahlröhre (17), einer mit der Kathodenstrahlröhre zur Helligkeitsmodulation verbundenen Impulsquelle (15) , einer mit einerAblenkspule (16) der Kathodenstrahlröhre zur Bewirkung der Ablenkung verbunden Abtastquelle (31) und einer optischen Linse (19):, die zwischen der Kathodenstrahlröhre und der Probe (2) zur Bündelung des Photonenstrahls angeordnet ist, besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein optisches Filter (18) zwischen der Kathodenstrahlröhre (17) und der optischen Linse (19) zur Beschneidung der Wellenlängen des Photonenstrahls (20)' vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (8, 8') an der Probe (2) über lichtdurchlässige und elektrisch isolierende Platten (39, 39') angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalherauszieheinrichtung

. ein phasenempfindlicher Demodulator (25) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Beobachungseinrichtung eine durch die Signalkomponenten helligkeitsitiodulierte Kathodenstrahlröhre (26) ist.

T5 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachungseinrichtung eine durch die Signalkomponenten amplitudenmodulierte Kathodenstrahlröhre (28) ist.

8. Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften, gekennzeichnet durch eine Photonenstrahleinstrahlungseinrichtung, welche die Oberfläche einer Halbleiterprobe (2) mit einem gepulsten und gebündelten Photonenstrahl (20) abtastet und bestrahlt; an den Seiten der Vorder- und Rückseite der Probe unter Einhaltung eines Zwischenraums angeordnete Elektroden (8, 8') zur Abnahme der zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Probe

durch die Einstrahlung des Photonenstrahls erzeugten Photospannung über die kapazitive Kopplung; eine an der Rückseite der Probe angeordnete Nachweiseinrichtung zum Nachweis der Intensität des bei Einstrahlung des Photonenstrahls durch die Probe gegangenen Lichts; eine Signalherauszieheinrichtung zur Abnahme nur der Signalkomponenten der Photospannung oder der Signalkomponenten des durchgegan- · genen Lichts durch Vergleich der durch die Elektroden abgenommenen AusgangsSignale oder der Ausgangssignale der Lichtnachweiseinrichtung mit gepulsten Signalen des Photonenstrahls; und eine Beobachtungseinrichtung, welche diese Signalkomponenten in Bezug zu Einstrahlungslagen des Photonenstrahls wiedergibt, so daß Änderungen im Ausgangsignal der Signalherauszieheinrichtung beobachtet werden können.