DE3116611C2

DE3116611C2 - Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften

Info

Publication number: DE3116611C2
Application number: DE3116611A
Authority: DE
Inventors: Teruaki Yamanashi Motooka; Chusuke Munakata; Kunihiro Tokio/Tokyo Yagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-05-01
Filing date: 1981-04-27
Publication date: 1985-05-15
Also published as: US4464627A; DE3116611A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften, bei welcher Elektroden (8, 8Δ; 8, 9) unter Einhaltung eines Zwischenraums an der Vorder- und Rückseite einer Halbleiterprobe (2), deren Eigenschaften gemessen werden sollen, angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Elektroden (8) transparent ist, die Oberfläche der Halbleiterprobe mit einem gepulsten engen Photonenstrahl (20) durch die transparente Elektrode hindurch abgetastet wird und eine zwischen der Vorder- und Rückseite der Halbleiterprobe erzeugte Photospannung an den beiden Elektroden über die kapazitive Kopplung abgenommen wird, um die Verteilung von Eigenschaften in der Oberfläche der Halbleiterprobe zu beobachten.

Description

einer ersten lichtdurchlässigen Elektrode (8) und einer zweiten Elektrode (9; 8'), die hintereinander auf dem optischen Weg des Photonenstrahls (20) liegen und zwischen denen die zu vermessende Halbleiterprobe (2) angeordnet ist, und
einer Signal-Verarbeitungseinrichtung (25), die die Ober den Elektroden (8,9; 8,8') abfallende Spannung abnimmt, t>:s mit dem Eingangssigna! der Strahlungsquelle (15,17,19) vergleicht und an ihren Ausgang nur die Signalkomponente der erzeugten Photospannung abgibt.

dadurch gekennzeichnet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal-Verarbeitungseinrichtung (25) einen phasenempfindlichen Demodulator aufweist

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung eine durch die abgegebenen Signalkomponenten helligkeitsmodulierte Kathodenstrahlröhre 26 aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung einer durch die abgegebenen Signalkomponenten amplitudenmodulierte Kathodenstrahlröhre 28 aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch die /weite Elektrode (8') lichtdurchlässig ist. daß im Strahlengang nach ihr eine Detektoreinrichtung (21,22) zum Nachweis der Intensität des aus dieser Elektrode (8') austretenden Photonenstrahls (20') angeordnet ist, und daß das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (21,22) statt der oder zusätzlich zu der über den Elektroden (8,8') abfallenden Spannung am Eingang der Signal-Verarbeitungseinrichtung (25) anliegt.

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daß beide Elektroden (8, 9; 8, 8') mit einem Zwischenraum zur Halbleiterprobe (2) angeordnet sind, über den eine kapazitive Kopplung erfolgt, und
daß die Strahlungsquelle (15,17, 19) den Photonenstrahl (20) abienkt und damit die Oberfläche (2') der Halbleiterprobe (2) ab; astet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang er Signal-Verarbeitungseinrichtung (25) eine Anzeigeeinrichtung (26, 28) verbunden ist. die die ausgegebenen Signalkomponenten in Abhängigkeit von der Ablenkung des Photonenstrahls (20) anzeigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (15,17,19) eine Kathodenstrahlröhre (17), eine mit der Kathodenstrahlröhre zur Helligkeitsmodulation verbundene Impulsquelle (15) und eine optische Linse (19) zur Bündelung des Photonenstrahls (20) aufweist, die zwischen der Kathodenstrahlröhre (17) und der Probe (2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathodenstrahlröhre (17) und der optischen Linse (19) zur Begrenzung des Wellenlängenbereichs des Photonenstrahls (20) ein optisches Filter(i3) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß statt der Kathodenstrahlröhre (17) ein Laser vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (15,17,19) einen schwenkbaren Spiegel aufweist, auf den der Photonenstrahl (20) auftrifft, und der diesen ablenkt und dann' die Oberfläche (2') der Probe (2) abtastet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Ablenkspule (16) der Kathodenstrahlröhre (17) eine Abtast-Spannungsqucllc (31) verbunden ist.

S. Vorrichtung mich einem der Ansprüche I bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden (8, 9; 8, 8') und der Probe (2) lichtdurchlässige und elektrisch isolierende Elemente (39, 39') angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften, insbesondere zur Messung der Verteilung des spezifischen Widerstands und der Absorptions- bzw. Transmissionseigenschaften einer Halbleiterprobe. der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art.

Die photovoltaische Methode wird seit langem auf dem Gebiet der Halbleitermessung angewandt, weil sie als berührungsfreie Meßmethode beispielsweise gegenüber der Vierspilzenmethode zur Messung des spezifischen Widerstands Vorteile bietet. Fig. 1 zeigt das Grundprinzip einer herkömmlichen iMethode zur Messung der Widerstandsverteilung einer Halbleiterprobe unter Verwendung eines Phoionenstrahls.

Wird auf die Oberfläche 2' einer ebenen Halbleiterprobe 2 ein Photonenstrah! 1 eingestrahlt, entstehen an dieser Oberfläche 2' Elektron-Loch-Paare aus Löchern 3 und Elektronen 4. die, wie durch die Pfeile 3', 4' angedeutet, zur rückwärtigen Oberfläche 2" der Probe diffundieren. Im Falle des Siliziums haben die Elektronen 4 bekanntlich eine g-ößere Beweglichkeit als die Locher 3. Das heißi. die Elektronen 4 diffundieren in größerer Anzahl zur rückwärtigen Oberf ^he 2" als die Löcher 3. Daher erfolgt aufgrund der positiven Ladung der Löcner 3 eine positive Aufladung der Oberfläche 2' der Halbleiterprobe 2. Diese Erscheinung ist bereits seit 1931 als Dember-Effekt bekannt. Die durch den Dember-Effekt erzeugte Spannung, die sogenannte Dember-Spannung. ist jedoch sehr viel kleiner als die Spannung, die bei Einstrahlung von Licht auf einen pn-Ubergang entsteht.

Für n-Waifer. etwa aus Silizium, ergibt sich nach Untersuchungen der Erfinder folgender Zusammenhang;

wobei l'pdie Dcmber-Spannung bezeichnet und die anderen Symbole folgende Bedeutung haben:

b Beweglichkeit der Elektronen/Beweglichkeil der Löcher

5 Fläche der Wafer

p(Q) Spezifischer Widerstand der Wafer-Oberfläche

e Elektrische Ladung des Elektrons
/ Intensitäl des Photonenstrahls (Photonenfluß/ s)

a Photonenstrahl-Absorptionskoeffizient
Lp Diffusionslänge für Minoritätsträger
V_p Diffusionsgeschwindigkeit für Minoritätsträger

Si Rekombinationsgeschwindigkeit von Trägern auf der Waferoberfläche

Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, hängt die Dember-Spannung von mehreren Faktoren ab. Betrachtet man diese Faktoren mit Ausnahme des spezifischen Widerstands /5(0) als konstant, läßt sich obige Gleichung als

v_D=K

schreiben, wobei K eine Konstante ist.

Durch Abtastung der Oberfläche einer Halb!eiterprobe (Wafer) 2 ohne pn-übergang mit einem gebündelten Photonenstrahl 1 und Messung der Verteilung der erzeugxen Photospannung, d. h. der Dember-spannung, läßt sich daher die Widerstandsverteilung auf der Oberfläche der Probe 2 bestimmen.

Bislang wurde beispielsweise ein Schottky-Übergang zur Ermittlung der Verteilung des spezifischen Widerstands verwendet. F i g. 2 zeigt das entsprechende Meßprinzip. Eine Ohm'sche Elektrode 6 ist auf der rückseitigen Oberfläche 2" angebracht, eine Metallsonde 5 auf die frontseitige Oberfläche 2' der Probe 2 aufgesetzt. Auf die Umgebung der Sonde 5 wird ein Photonenstrahl 1 eingestrahlt. Bekanntlich entwickelt sich am Schottky-Übergang 5' eine Photospannung, die mit einem Voltmeter 7 gemessen wird. Die Photospannung hängt dabei vom spezifi'^hen Widerstand desjenigen Teils der Probe 2 ab. dem die Metallsonde 5 gegenübersteht. Daher ändert sich die Anzeige des Voltmeters 7 proportional zum Wert des spezifischen Widerstands. Zur Vermessung der Oberfläche 2' eines ausgedehnten Wafers muß die Metallsonde S theoretisch nur bewegt werden. Dieser Vorgang ist jedoch in der Praxir nicht durchführbar. Deshalb werden, wie in F i g. 3 gezeigt, zur Ausbildung eines Schottky-Übergangs 8" auf der gesamten Oberfläche der Probe 2 Maschenelektroden 8 aufgedrückt. Durch Abtastung der so Präparierten Probe 2 mit einem Photonenstrahl 1 ist es dann möglich, die Widerstandsverteilung auf der Oberfläche 2' zu ermitteln

Die in F i g. 3 dargestellten Methode hat jedoch folgende Nachteile: Zum einen hängen die Eigenschaften des Schottky Übergangs 8" vom mechanischen Andruck des Metalls und von Oberflächen-Zuständen des Metalls (Rauhigkeit. Oxidschicht usw.) sowie des Halbleiters (Oxidschicht. Feuchtigkeit. Staub usw.) ab. wodurch die Herstellung eines gleichförmigen Übergangs über größere Bereiche erschwert wird. Zum anderen sind Teile der Oberfläche durch die Masehenelektroden 8 abgedeckt, so daß nicht die gesamte Oberfläche der Probe 2 mit dem Photonenstrahl 1 bestrahlt wird. Schließlich beschädigt die Anbringung einer Ohm'schen Elektrode 6 die Probe 2 und erschwert eine einwandfreie und zerstörungsfreie Untersuchung.

Weiterhin ist bekanu', zur Vermessung der Eigenschaften einer Halbleiterprobe 2 nach dem in Fig.3 dargestellten Prinzip einen Schottky-Übergang unter Verwendung eines E.i'urolyten 13, beispielsweise NajSO-t, Eis der einen Elektrode auszubilden, wie diej rn F i g. 4 gezeigt ist In F i g. 4 bezeichnet Bezugsziffer 12 eine Elektrode und Bezugsziffer 14 eine Seitenwand des Gefäßes, das den Elektrolyten 13 aufnimmt. Der Elektrolyt 13 ist jedoch schwierig zu handhaben, wenn er als eine transparente Elektrode dienen soll. Ferner ist es, wie im vorher beschriebenen Verfahren, auch bei dieser Meßmethode erforderlich, auf der rückseitigen Probenoberfläche eine Ohm'sche Elektrode 6 aufzubringen.

Eine Meßanordnung zur Bestimmung von Halbleitereigenschaften nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist aus S. Pfüller, »Halbleitermeßtechnik«, Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg. 1977, Seiten 173 und 174 bekannt Danach wird ein Lichtstrahl über einen von einem NF-Generator gespeisten Lichtmodulator sinusförmig moduliert und durch eine lichtdurchlässige Feldelektrode auf die Oberfläche der zu vermessenden Halbleiterprobe eingestrahlt. Die über den auf der Vorder- bzw. Rückseite der Probe vc^ esehenen Elektroden abfallende Spannung wird abgenr minen und mit dem Eingangssignal des NF-Generators korreliert, wodurch eine genaue Messung der Oberflächen-Photospannung erfolgt.

Aue'· in dieser Meßanordnung ist jedoch zumindest die rückseitige Meßelektrode als ein herkömmlicher Ohm'scher Kontakt ausgeführt, d. h. direkt auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht, was wiederum zu den oben beschriebenen Problemen führt Zur Erzielung eines Ohm'schen Kontaktverhaltens muß darüberhinaus bekanntermaßen der Dotierstoffpegel der entsprechenden Halbleiteroberfläche stark angehoben werden, was zu einer Verfälschung der Meßwerte führen kann. In der genannten Literaturstelle ist ein Meßaufbau dargestellt, bei dem ein divergierender Photonenstrahl auf einen bestimmten Bereich der Probenoberfläche auftrifft Mit einer derartigen Anordnung ist jedoch nur die Messung von über die Bestrahlungsfläche auf der Probe gemittelten Werten, nicht aber die Bestimmung der ortsabhängigen Verteilung von Halbleitereigenschaften möglich.

Damit ist bislang keine Methode zur photovoltaischen Messung der Verteilung des spezifischen Widerstands und anderer Halbleitereigenschafter, insbesondere des Absorptions- bzw. Transmrsionsverhaltens, ohne Beschädigung oder Veränderung der Eigenschaften des Meßobjekts bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine genaue und zerstörungsfreie Messung der ortsabhängigen Verteilung von Halbleitereigenschaften, wie z. B. des spezifischen Widerstands und des Absorptions- bzw. Transmissioiisverhaltens. möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Danach 'st im Strahlengang vor und nach der zu vermessenden Halbleiterprobe mit einem Zwischenraum zu dieser jeweils eine Elektrode vorgesehen. Der gepulste und gebündelte Photonenstrah¹ fällt durch die frontseitige, transparente Elektrode auf die Oberfläche der Probe und wird über diese abgelenkt. Die dadurch entsprechend dem Dember-Effekt erzeugte Photospannung wird über die kapazitiv gekoppelten Elektroden abgenommen und einer Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt. Die abgenommene Spanuing ist ein Maß für die Verteilung verschiedener Halbleitereigenschaften über die abgetastete Probenoberfläche.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin-

dung sind auf beiden Seiten der Probe transparente Elektroden vorgesehen, wodurch das durch die Halbleiterprobe durchgehende Licht ebenfalls nachgewiesen wird, um neben der Photospannung auch das Absorptionsvermögen zu messen.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen

F i g. 1 das Grundprinzip zur Messung der Widerstandsverteilung einer Halbleiterprobe unter Verwendung eines gebündelten Photonenstrahls,

F i g. 2 bis 4 herkömmliche Vorrichtungen zur Messung der Eigenschaften von Halbleiterproben unter Verwendung eines gebündelten Photonenstrahls,

F i g. 5 das Prinzip des erfindungsgemäßen Meßaufbaus.

F i g. 6 ein Ersatzschaltbild zu F i g. 5, und

F i g. 7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 5 zeigt das Prinzip der Meßmethode gemäß der Erfindung. Danach wird eine Dember-Spannung korrekt gemessen, wenn auf einen gegebenen Abschnitt der Probe 2 ein Photonenstrahl 1 eingestrahlt wird Wie bereits erwähnt, entsteht die Dember-Spannung zwischen der vorderen Oberfläche 2' und der rückwärtigen Oberfläche 2" der Probe 2. Daher sind Elektroden 8, 9 unter Einhaltung eines Zwischenraums über den beiden Oberflächen vorge^'hen. Wird der Photonenstrahl 1 gepulst, 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 Dember-Spannung zu ermitteln.

F i g. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild zu F i g. 5. Die Kapazitäten 10 und 11 liegen oberhalb und unterhalb der Probe 2, über der bei Einstrahlung der Photonenstrahls 1 eine Spannung abfällt. Ein Voltmeter 7 ist mit der zu vermessenden Probe 2 über die Kapazitäten 10,11 verbunden.

Die transparente Elektrode 8 gemäß F i g. 5 wird beispielsweise durch Beschichtung der Oberfläche von Glas mit Indiumoxid ausgebildet Dank der Transparenz der Elektrode 8 kann der Photonenstrahl 1 die Probe 2 ohne nennenswerte Absorption erreichen. Die Elektrode 9 kann entweder transparent wie die Elektrode 8 oder lichtundurchlüssig 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.

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher eine Kathodenstrahlröhre 17 als Quelle für den Photonenstrahl 20 verwendet wird. Die Wellenlängen des Photonenstrahls 20 werden durch ein optisches Filter 18 auf einen geeigneten Bereich eingegrenzt der Photonenstrahi wird durch eine optische Linse 19 auf die Halbleiterprobe 2 fokussiert. Die Abtastbewegung des Photonenstrahls 20 kann durch die Ablenkung des (nicht gezeigten) Elektronenstrahls in der Kathodenstrahlröhre 17 erreicht werden. Die Abtastgeschwindigkeit und Abtastfläche werden durch geeignete Steuerung der Spannung einer Abtast-Spannungsquelle 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 Ablastbildes zugeführt. Im einzelnen werden in der Kathodenstrahlröhre 28 die von der Halbleiterprobe 2 kommenden Signale durch einen Addierer 30 einem Ablenkstrom überlagert. Man erhält dadurch bekanntlich das amplitudenmodulierte Abtastbild.

F i g. 7 zeigt die Probe 2 zwischen zwei transparenten Elektroden 8, 8'. Damit kann auch die Intensität und Wellenlängenverteilung des Photonenstrahls 20', der die

to Probe 2 durchlaufen hat. festgestellt werden. Wird der austretende Strahl 20' durch einen aus einer Photodiode bestehenden Detektor 21 nachgewiesen und analysiert, und dessen Ausgangssignal mit einem Verstärker 22 verstärkt, 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 ausgeprag testen Effekt ergibt, wodurch eine verbesserte ün'crsu chung synergistischer Effekte möglich ist. Wenn beispielsweise die Dember-Spannung stark schwankt, ohne daß Änderungen der Intensität des transmittierten Lichts 20' auftreten, ist eher die Annahme gerechtfertigt, daß sich die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S/ rasch geändert hat, als die, daß sich der spezifisehe Widerstand p{0) geändert hat.

Wie bereits erwähnt, wird die Dember-Spannung durch kapazitive Kopplung gemessen. Zu diesem Zweck wird der Photonenstrahl 20 impulsförmig erzeugt. Das erfolgt über Pulsen des Elektronenstrahls der Kathodenstrahlröhre 17 durch Modulieren der Helligkeit dieser Röhre mit einer Impuisquelle 15. Die Impulsspannung wird auch zur phasenempfindlichen Demodulation der Signale verwendet, d. h. als Referenzspannung für einen phasenempfindlichen Demodulator, wodurch das Signal-Rauschverhältnis der Signale merklich verbessert wird.

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

Nach F i g. 7 sind ferner Elemente 39, 39' zwischen den Elektroden 8, 8' und der Probe 2 eingefügt, so daß die Probe ohne Beschädigung nahe an die Elektroden 8, 8' gebracht werden kann. Die Elemente 39,39' bestehen

aus einer lichtdurchlässigen isolierenden Folie bzw. Schicht aus Glimmer, Mylar, Polyäthylen oder dergleichen und haben eine Dicke von einigen zehn Mikrometer oder weniger.
Vorstehend wurde eine Ausführungsform der Erfindung anhand der F i g. 7 erläutert Die Strahlungsquelle ist jedoch nicht auf eine Kathodenstrahlröhre 17 beschränkt sondern kann auch eine andere Lichtquelle, beispielsweise einen Laser, aufweisen. Ferner kann die Abtastbewegung des Photonenstrahls 20 durch einen beweglichen Spiegel erreicht werden.

Die vorstehende Beschreibung behandelte allein den Fall der Messung der Widerstandverteilung, es ist aber auch möglich, irgendeinen anderen Parameter aus Gleichung (1) zu messen. Ferner kann die erfindungsgemäße

Vorrichtung zur Messung der Eigenschaften von Wafern, die einen durch Ionenimplantation ausgebildeten pn-übergang oder einen Obergang aufweisen, der aus Bereichen des gleichen Leitungstyps, aber unterschiedlicher Fremdstoffkonzentration besteht von Wafem, die einen Oxidfilm (oder einen Oxidfilm mit einer festen Ladung) aufweisen, sowie von Wafern verwendet werden, die Oberflächen- (oder Zwischenflächen-JZustände aufweisen. Im Falle von Wafern mit einem pn-Obergang

wird die Gleichförmigkeit des Übergangs auf der Anzeigeröhre innerhalb kurzer Zeit wiedergegeben. Es läßt sich daher leicht entscheiden, ob der betreffende Wafer zur Herstellung von Festkörper-Schaltkreiselcmcnten verwendei werden kann oder nicht, was aus iiuliisiricllcr Sicht .«?hr vorteilhaft ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung von Halbleitereigenschaften, insbesondere zur Messung der Verteilung des spezifischen Widerstands und der Absorptionsbzw. Transmissions-Eigenschaften einer Halbleiterprobe (2) mit

einer Strahlungsquelle (15, 17, 19) zur Erzeugung eines gepulsten und gebündelten Photonenstrahls