DE3783022T2

DE3783022T2 - Verfahren zur messung von gitterfehlstellen in einem halbleiter.

Info

Publication number: DE3783022T2
Application number: DE8787119146T
Authority: DE
Inventors: Mori Haruhisa; Kaneta Hiroshi; Wada Kunihiko; Ogawa Tsutomu
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2007-12-24
Also published as: EP0273395B1; US4803884A; EP0273395A2; KR880008023A; KR900005247B1; EP0273395A3; JPS63165754A; DE3783022D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einen, Halbleiter und besonders ein Verfahren zur Messung der Konzentration oder Dichte von Gitterfehlstellen, die eine energiearme, anharmonische Erregung hervorrufen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Messung der Konzentration oder Dichte von interstitiellen (im Gitter eingelagerten) Sauerstoff-Verunreinigungen (Fremdatomen) und/oder Kristall-Defekten auf Grund der interstitiellen Sauerstoff-Fremdatome in einem Silicium-Kristall.
Es ist allgemein bekannt, daß Silicium-Kristalle in breitem Umfang als Substrate für Halbleiteranordnungen, wie Höchstintegrations-Schaltkreise (very large scale integrated circuit = (VLSI)) verwendet werden. Dabei wird das Silicium-Kristall so rein wie möglich eingesetzt. D.h., daß ein Silicium-Kristall mit möglichst wenigen Gitterfehlstellen erwünscht wird. Brauchbare Gitterfehlstellen hängen ab von der Art der Verunreinigungen oder Kristall-Defekte. So sind etwa interstitielle Sauerstoff- Verunreinigungen und/oder Kristall-Defekte durch die eingelagerten Sauerstoff- Fremdatome (anfänglich gefällte Kerne) typische Beispiele. Die interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder darauf beruhende Defekte werden gefällt und/oder wachsen durch eine Wärmebehandlung. Die Abscheidung der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder die darauf beruhenden Kristall-Defekte sind hilfreich für Eigen-Gettern (intrinsic gettering, häufig abgekürzt als IG), bei dem die eingelagerten Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder die darauf beruhenden Kristall- Defekte eine Funktion ausüben zum Anziehen von Schwermetall-Verunreinigungen bei der Herstellung der Silicium-Anordnungen. Bei dem Eigen-Gettern ist es notwendig, in geeigneter Weise die Konzentration (Dichte) der eingelagerten Sauerstoff- Verunreinigungen und/oder die darauf beruhenden Kristall-Defekte zu bestimmen und die korrespondierenden Arbeitsbedingungen zu optimieren. Auch ist eine genaue Validierung der Konzentration der ein gebauten Sauerstoff-Fremdatome und/oder der darauf beruhenden Kristall-Defekte auf die Herstellung der Silicium-Kristalle oder zur Qualitätskontrolle geboten. Für diese Zwecke ist es wichtig, die Konzentration der interstitiellen Sauerstoff Verunreinigungen und/oder der dadurch bedingten Kristall- Defekte zu messen und zu kennen.
Üblicherweise wird die Konzentration der eingelagerten Sauerstoff-Verunreinigungen im Silicium-Kristall, welche eine der Gitterfehlstellen ist, bestimmt mittels eines optischen Meßverfahrens, wie der Infrarot-Absorptions-Methode oder der Absorptionsmessung im fernen Infrarot. Diese Methoden verwenden ein physikalisches Phänomen, nämlich die Absorption von intrinsischen Wellenlängen durch die interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen. Demzufolge ist die Konzentration der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung erhältlich aus der proportionalen Umwandlung von der gemessenen Absorptions-Intensität.
Von den absorbierten intrinsischen Wellenlängen wird für die eingelagerten Sauerstoff- Verunreinigungen im Silicium-Kristall eine Absorptionsbande mit der Wellenlänge von 1106 cm&supmin;¹ häufig für die Infrarot-Absorptions-Methode verwendet. Bei einer niederen Temperatur von gleich oder unter 20 K erhält man die intrinsische Absorption in dem fernen Infrarotbereich (25 bis 60 m&supmin;¹). Die Genauigkeit der Bestimmungsmethode im fernen Infrarotbereich ist größer als die der Infrarot-Absorptions-Methode.
Indessen ist es mit den vorstehend beschriebenen Meßverfahren dann zunehmend schwieriger, die Intensität der absorbierten Wellenlänge zu messen, wenn die Konzentration der Dotierungsmittel (P, B, As, Sb und dgl.) zunimmt. In dem Fall, daß der Silicium-Kristall einen niederen spezifischen Widerstand im Bereich von 0,05 bis 0,005 Ω·cm aufweist (also höher dotiert ist als 3 ppm), was für die praktische Anwendung von Vorteil ist, wird es unmöglich, die von der interstitiellen Sauerstoff- Verunreinigung ausgehende Absorptionsintensität zu messen, und zwar nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei der niederen Temperatur. Außerdem ist es häufig unmöglich, die Kristall-Defekte, wie die mit den interstitiellen Sauerstoff- Verunreinigungen zusammenhängenden, anfänglich gefällten Kerne festzustellen. Die Gründe für die Nachteile der üblichen optischen Bestimmung werden nachstehend dargelegt.
Bei der Infrarot-Absorption bei Raumtemperatur kaschieren die bei einigen freien Trägern durch die reichlich vorhandenen Dotierungsmittel hervorgerufene starke Absorption oder die hochkonzentrierten Dotierungsmittel die intrinsische Absorption der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder die darauf beruhenden Kristall- Defekte. Im Falle der Infrarot-Absorption bei der tieferen Temperatur (im wesentlichen gleich der Temperatur von flüssigem Helium) bestehen manche neutrale Donatoren und Akzeptoren auf Grund der vorhandenen Dotierungsmittel. Die starke Absorption, die bei der Ionisierung dieser Donatoren und Akzeptoren eintritt, kaschiert die intrinsische Absorption der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder der darauf beruhenden Kristall-Defekte.
Im Falle der Absorption im fernen Infrarot bei Raumtemperatur wird ein jede der Schwingungsanteile von den Sauerstoff-Verunreinigungen gleichmäßig angeregt durch Wärmeanwendung, unabhängig von der Konzentration der Dotierungsmittel. Infolgedessen sind die induzierte Absorption und Emission im wesentlichen gleich miteinander, so daß keine wahre Absorption eintritt. Bei der Absorption im fernen Infrarot bei der tieferen Temperatur bilden die Verunreinigungsanteile der Dotierungsmittel Banden, die aus den vorhandenen Dotierungsmittel resultieren. Dadurch verdeckt die starke Absorption im fernen Infrarot durch den optischen Bandübergang bei der Verunreinigungsbande die intrinsische Absorption der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder der darauf beruhenden Kristall- Defekte im fernen Infrarot.
Man kennt über die optischen Methoden hinaus auch noch andere übliche Bestimmungsverfahren für eine besondere Ermittlung der Konzentration an interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder der dadurch bedingten Kristall- Defekte in hochdotierten Silicium-Kristallen. Beispiele hierfür sind (i) die sekundäre Ionen-Massen-Spektroskopie (secondary ion mass spectroscopy, allgemein abgekürzt mit SIMS), (ii) die Aktivierungsanalyse, (iii) das Verfahren zur Durchführung der Infrarot-Absorptionsbestimmung nach der Kompensation der Akzeptoren mittels eines energiereichen Elektronenstrahls.
Bei den Methoden (i) und (ii) werden indessen alle im Silicium-Kristall eingelagerten Sauerstoffatome nur insgesamt erfaßt, also ungeachtet des Zustandes von den Sauerstoffatomen. Daher ist es möglich, die interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder darauf zurückgehende Kristall-Defekte von den anderen Sauerstoffatomen zu unterscheiden sowie die Konzentration oder Dichte zu ermitteln. Es ist anzumerken, daß die interstitiellen Verunreinigungen und/oder darauf zurückgehenden Kristall-Defekte den wichtigsten Faktor für die Bildung der Halbleiteranordnung ausmachen.
Die vorstehende Methode (iii) kann die interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder die darauf zurückgehenden Kristall-Defekte von anderen Defekten unterscheiden. Indessen besteht dabei die Möglichkeit, daß die Projektion des energiereichen Elektronenstrahls den Zustand des Silicium-Kristallkörpers für die Untersuchung verändert. In dieser Hinsicht kann die Methode (iii) als von einer Art der destruktiven Bestimmung bezeichnet werden. Darüberhinaus ist die Methode (iii) allein wirksam bei Kristallen vom p-Typ. Auch ist die Bestimmung beschwerlich.
Nach alledem ist ein allgemeiner Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer neuen und hilfreichen Arbeitsweise zur Bestimmung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter, die es erlaubt, die vorstehend geschilderten Nachteile zu vermeiden.
Ein besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Methode zur Bestimmung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter, die es ermöglicht, die interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen und/oder die auf diese interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen zurückgehenden Kristall-Defekte selbst dann zu ermitteln, wenn die Konzentration der im Halbleiter eingebauten Dotierungsmittel hoch ist.
Der vorstehende Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird verwirklicht durch ein Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden, bei dem Halbleiter mit den Gitterfehlstellen und einem Halbleiter ohne Gitterfehlstellen angewendeten Stufen umfaßt:
Anlegen eines Ultraschallimpulses auf den Halbleiter (25);
Ermitteln der Temperatur des Halbleiters nach Hitzeanwendung;
Erfassen des Ultraschallimpulses nach dem Durchgang durch den Halbleiter;
Messen der Ultraschallgeschwindigkeit des durch den Halbleiter (25) durchgehenden Ultraschallimpulses hinsichtlich der ermittelten Temperatur zur Gewinnung einer Elastizitätskonstante des Halbleiters (25) entsprechend der Ultraschallgeschwindigkeit und Bestimmen der Konzentration oder Dichte der energiearme anharmonische Erregungen verursachenden Gitterfehlstellen aus einer Relation zwischen der Elastizitätskonstante von dem Halbleiter (25) und dem Vergleichshalbleiter.
Weitere Gesichtspunkte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden verdeutlicht durch die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen bedeuten:
Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Bewegung eines Lithium-Atoms als Verunreinigung in einem KCl:Li-System einer ionischen Kristall-Verunreinigung;
Fig. 2 eine graphische Darstellung zum Zeigen eines energiearmen Niveaus auf Grund einer anharmonischen Schwingung einer interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung in einem Silicium-Kristall;
Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Bewegung einer interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung in einem Silicium-Kristall mit interstitiellen Sauerstoff- Fremdatomen;
Fig. 4 eine Schnittansicht von einem Thermostat für tiefe Temperaturen, wie er verwendet wird bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 eine Schnittansicht zum Zeigen des Innenteils vom Probenraum gemäß Fig. 4 und
Fig. 6 die Elastizitätskonstante gegen die Temperatur zur Erläuterung eines experimentellen Ergebnisses, basierend auf der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wendet die nachstehende physikalische Gesetzmäßigkeit an, über die kürzlich berichtet wurde. Dies ist, daß in dem Fall, wo niedrige Energiequanten-Höhen (energiearme Anregungen), die anharmonisch und druckempfindlich (Gitterdehnungen) sind, bestehen, die Elastizitätskonstante von einem Kristall eine ungewöhnliche Veränderung im Temperaturbereich nahe der absoluten Temperatur zeigt, die im wesentlichen korrespondiert mit der Relation Δ/k der Energiespiegel-Separation Δ zwischen der obigen niedrigen Energiequanten-Höhe und der Boltzmann'schen Konstante k im Vergleich mit einem Kristall ohne eine anharmonische niedrige Energiequanten-Höhe. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, daß die obige physikalische Gesetzmäßigkeit anwendbar ist auf Halbleiter mit die anharmonische Anregung erzeugenden Gitter-Defekten und schufen die nachstehend im einzelnen beschriebene Erfindung.
Eines der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung ist die Messung der Konzentration oder Dichte von Gitterfehlstellen, die in einem Halbleiter eine anharmonische Erregung hervorrufen, und beruht auf der Bestimmung der Elastizitätskonstante des Halbleiters und Umrechnung der ermittelten Elastizitätskonstante in die Konzentration oder Dichte der Gitterfehlstellen.
Bis jetzt wurden nur einige Beispiele über die oben beschriebene Elastizitätsanomalie in einem Kristallsystem mit Verunreinigungen (also die ungewöhnliche Temperaturbeeinflussung im Vergleich zu der normalen bei einem Kristall ohne Verunreinigung) beschrieben. Es ist dabei anzumerken, daß die berichtete Elastizitätsanomalie im wesentlichen auf Ionenkristall oder geringen Wasserstoff- Verunreinigungen in einem Metall basierte. Die berichtete Elastizitätsanomalie bei der Kristallverunreinigung beruht auf dem folgenden physikalischen Phänomen. In dem breiten freien Abstand eines Wirtskristalls (Abstand zwischen den Grundkristallionen im Falle einer wesentlichen Verunreinigung) liegen die locker gebundenen Verunreinigungen (Fremdatome) mit relativ kleinen Atom(oder Ionen)-Radien. Infolgedessen bewegen sich die Fremdatome im verunreinigten Kristall gemäß der "Tunnel"-Bewegung, bei der die Atome durch stabile Positionen schwirren, oder gemäß der anharmonischen Bewegung, bei der sich die Atome in einem größeren Bereich bewegen. Diese Bewegungen der Fremdatome verursachen die energiearme Anregung, die eng zusammenhängt mit der Elastizitätsanomalie.
Das Verhalten der Verunreinigungsatome wird beispielhaft mit Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die die Bewegung des Verunreinigungsatoms Li in einem KCl:Li-System für ein ionisches Kristall zeigt. Wie daraus ersehen werden kann, ist das Li&spplus;-Ion 12 locker gebunden in dem freien Raum 11, der von den durch schraffierte Kreise gekennzeichneten K&spplus;-Ionen umgeben ist. Das Li&spplus;-Ion 12 bewegt sich durch Tunneln in mehreren stabilen Positionen, dargestellt durch die kleinen schwarzen Kreise in dem Hohlraum 11.
Man kennt andererseits den Bezug auf die die anharmonische Erregung verursachenden Gitter-Defekte die interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigungen in einem Silicium (Si)- Kristall.
Die Höhe der Quantenenergie auf Grund der anharmonischen Schwingung einer interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung wird in Fig. 2 dargestellt. Die horizontale Achse entspricht dem Abstand zwischen den Atomen und die vertikale Achse gibt die Energie-Höhe an. Die gebogene Linie ist die charakteristische Linie des anharmonischen Potentials einer interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung. Das Symbol Δ bedeutet einen Energiespalt zwischen niedrigen Energiequanten-Höhen. Es wird angemerkt, daß das physikalische Phänomen für die Hervorrufung der energieschwachen Erregung durch die interstitielle Sauerstoff-Verunreinigung vollig verschieden ist von dem bei den oben angeführten ionisch verunreinigten Kristallen, was nachstehend beschrieben wird.
Es kann nicht gesagt werden, daß das oben abgehandelte physikalische Phänomen über die lockere Bindung der Sauerstoff-Verunreinigungs-Atome in dem Wirtskristall nicht übertragen werden kann auf die Silicium-Kristalle, weil die die anharmonische Erregung hervorrufenden Sauerstoff-Fremdatome vom interstitiellen Typ sind. Darüberhinaus kann nicht gesagt werden, daß der Atomradius in der kovalenten Bindung des Sauerstoff-Fremdatoms gegenüber den benachbarten Siliciumatomen wesentlich kleiner ist. Es ist besser zu sagen, daß die Sauerstoff-Verunreinigung an einer intermediären Stelle der kovalenten Si-Si-Bindungsachse positioniert sind, welche der kleinste Raum in dem Wirtskristall ist.
Die Sauerstoff-Verunreinigung bildet die kovalenten Bindungen zusammen mit zwei Siliciumatomen an dessen zwei Seiten. Auch besteht ein empfindliches Gleichgewicht zwischen einer anziehenden Kraft und einer abstoßenden Kraft des interatomen Potentials oder eine Art des Quasi-Jahn-Teller-Effekts. In diesem Fall ist die abstoßende Kraft etwas größer als die anziehende Kraft. Daher wird die Sauerstoff-Verunreinigung plaziert an einer außermittigen Position etwas entfernt von der originären kovalenten Si- Si-Bindungsachse. Hieraus ergibt sich - wie in Fig. 3 gezeigt - für die Sauerstoff- Verunreinigung eine anharmonische Schwingungs-Bewegung einschließlich der Rotationsbewegung um die kovalente Bindungsachse.
Demzufolge kann gesagt werden, daß im Falle einer interstitiellen Sauerstoff- Verunreinigung in einem Silicium-Kristall das Auftreten der energiearmen Erregung oder des physikalischen Verhaltens derselben nicht abgeleitet werden kann aus der Betrachtung von den oben beschriebenen ionischen Kristallen oder den Verunreinigungen im Metall. Tatsächlich ist die energiearme Erregung klar ausgeprägt zwischen den ionischen Kristall- und Metall-Systemen und den Silicium-Kristallen. So beträgt beispielsweise der Energiehöhenabstand Δ zwischen den Quantenhöhen im ionischen Kristall-System oder dem Metall-System etwa 0,1 bis 0,3 meV. Dagegen liegt der Energieabstand zwischen den Quantenhöhen bei interstitiellen Sauerstoff- Verunreinigungen im Silicium Kristall (vgl. Fig. 2) um eine Größenordnung höher als im vorhergehenden Fall.
Nichtsdestoweniger haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, daß die vorstehend beschriebene Gesetzmäßigkeit anwendbar ist auf interstitielle Sauerstoff- Verunreinigungen im Silicium-Kristall. Darüberhinaus ist die physikalische Gesetzmäßigkeit auch anwendbar auf Kristall-Defekte, die auf die anharmonische Schwingungen hervorrufenden Sauerstoff-Verunreinigungen zurückgehen. Die berichteten Kristall-Defekte erscheinen entweder zusammen mit der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung oder unabhängig davon. Das Ergebnis der von den Erfindern durchgeführten Versuche zeigt, daß die Temperaturabhängigkeit der Elastizitätskonstante wesentlich verschieden ist bei Silicium-Kristallen mit einer interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung und bei Silicium-Kristallen ohne eine interstitielle Sauerstoff-Verunreinigung. Dieses später beschriebene Versuchsergebnis stützt die oben formulierte theoretische Betrachtung in Bezug auf eine Sauerstoff- Verunreinigung und/oder die darauf zurückgehenden Kristall-Defekte in einem Silicium-Kristall.
Die niedrige Energiequanten-Höhe, die aus der anharmonischen Rotationsschwingung der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung resultiert, liegt bei etwa Δ 4 meV und zeigt daher eine sensitive Druckabhängigkeit. Infolgedessen ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die akustische Geschwindigkeit bei der Durchdringung von Ultraschallschwellen durch ein Silicium-Kristall zu messen und daraus die Elastizitätskonstante zu erhalten.
Eine geeignete Apparatur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens wird nachstehend beschrieben.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht von einem Kryostat für tiefe Temperaturen. Der Krystat 15 hat drei Räume 16, 17 und 18. Der erste davon, 16, ist wärmeisoliert und evakuiert auf einen Unterdruck von maximal etwa 1,3 · 10&supmin;&sup4; mbar (10&supmin;&sup4; Torr). Der zweite Raum, 17, ist ein Kühlraum, in dem flüssiger Stickstoff eingeschlossen ist. Der dritte, 18, ist ein Kühlraum, in dem flüssiges Helium eingeschlossen ist.
Ein Meßstab 20 sowie ein am unteren Ende desselben angeordneter Probenraum 19 befinden sich im inneren Zentralteil des Niedertemperatur-Kryostaten 15. Am anderen Ende des Kryostaten sind die Leitungen 21 und 22 für den Anschluß an ein elektrisches System zur Erzeugung und Feststellung eines Ultraschallimpulses angebracht. Die Leitungen 23 dienen zum Anschluß an einen (nicht gezeigten) Wärmeregler zur Regulierung der Temperatur im Probenraum 19 und der Anschluß 24 führt mit einem Ende an ein Potentiometer sowie mit dem anderen an ein Thermoelement.
Ein Abschnitt vom inneren Teil des Probenraums 19 ist wie in Fig. 5 dargestellt ausgebildet. In dem Innenteil des Probenraums 19 befindet sich die Probe 25 eines Silicium-Kristalls (5 mm · 5 mm im rechteckigen Querschnitt, Länge 15 mm). Piezo- Ultraschallimpuls-Übermittler 26 und 27 sind am oberen und unteren Ende der Probe 25 angebracht. Die Ultraschallimpuls-Übermittler 26 und 27 werden getragen und elektrisch mit den Elektroden 30 und 31 mittels der Messing-Stäbe 32 und 33 verbunden. Die in Fig. 4 gezeigten Leitungen 21 und 22 sind mit den Elektroden 30 und 31 verbunden. Die Elektrode 31 wird getragen von der Grundplatte 33, die auf der Bodenplatte 34 montiert ist; die Elektrode 30 ist an der Grundplatte 35 befestigt, die der Feder 36 gehorcht. Eine Metallhülse 37 umgibt die Probe 25 zur Gleichhaltung der Temperaturverteilung von der Probe 25. Die Hülse 37 ist nicht unbedingt erforderlich. Das Thermoelement (nicht gezeigt) zur Feststellung von Temperaturschwankungen der Probe 25 ist an der Metallhülse 37 befestigt. Das Thermoelement ist elektrisch verbunden mit dem Anschluß 24 (vgl. Fig. 4). Ein Widerstandsthermometer kann anstelle von oder zusammen mit dem Thermoelement eingesetzt werden. Die oben angeführten Elemente sind eingepaßt in ein Hohlzylinder-Solenoid 29.
Die niedrigste Temperatur, die mit dem vorstehend beschriebenen Meßsystem erhalten werden kann, beträgt etwa 6 K, sofern der Kühlraum 18 nicht unter Vakuum steht. Sofern der Raum 18 unter Vakuum gehalten wird, beträgt die niedrigste erreichbare Temperatur 2 K. Die Frequenz des Ultraschallimpulses kann im Bereich von 100 kHz bis 1 GHz liegen.
Das Versuchsergebnis, das unter Anwendung des vorbeschriebenen Meßsystems erhalten wird, wird nachstehend erläutert. Bei dem Versuch wurde als Probe 25 ein Silicium-Kristall mit einer interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung von 30 ppm verwendet. Die Frequenz des Ultraschallimpulses betrug 10 MHz. Auf die Probe 25 wurde variierend Wärme zur Anwendung gebracht. Unter diesen Bedingungen wurden auf die Probe 25 über den Übermittler 26 und den gegenüber dem Übermittler 26 angeordneten aufnehmenden Übermittler 27 die Ultraschallimpulse gerichtet. Alsdann wurde die sich durch die Probe 25 fortpflanzende Ultraschallgeschwindigkeit gemessen als Funktion von der Temperatur. Die relative Änderung der Elastizitätskonstante des Silicium-Kristalls ((c&sub1;&sub1;- c&sub1;&sub2;)/2) wurde im Temperaturbereich von 100 K bis 2 K gemessen.
Das Versuchsergebnis ist durch die Kurve I in Fig. 6 wiedergegeben, in der die Temperatur gegen das Verhalten der Elastizitätskonstante aufgetragen ist. In dieser Figur ist die Elastizitätskonstante als ein relativer Wert dargestellt, der von einer Elastizitätskonstante von "1" bei 4 K ausgeht.
Die Kurve II zeigt den charakteristischen Verlauf im Falle eines Silicium-Kristalls ohne eine interstitielle Sauerstoff-Verunreinigung. Gemäß der oben dargelegten physikalischen Gesetzmäßigkeit liegt die Temperatur Δ/k eines Silicium-Kristalls bei etwa 25 K. wie aus der Fig. 6 eindeutig ersichtlich ist, zeigt die Elastizitätskonstante des Silicium-Kristalls mit der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung eine ungewöhnliche Änderung bei der Temperatur uni 25 K im Vergleich zu dem Silicium- Kristall ohne die interstitielle Sauerstoff-Verunreinigung. Der relative Wert δ für die ungewöhnliche Änderung in der Elastizitätskonstante (oder Ultraschallgeschwindigkeit) liegt in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4;. Andererseits kann von einer relativen Genauigkeit der Messung von der Ultraschallgeschwindigkeit in der Größenordnung von 10 W6 ausgegangen werden. Infolgedessen können die Messungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Meßgenauigkeit im Bereich von 2 Dezimalstellen durchgeführt werden und sind daher zuverlässig.
Im allgemeinen kann gesagt werden, daß die Konzentration (Dichte) der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung und/oder die darauf zurückgehenden Kristall-Defekte im wesentlichen proportional zu dem Wert δ der ungewöhnlichen Änderung der Elastizitätskonstante (oder Ultraschall-Geschwindigkeit) ist. Demzufolge ist es möglich, die Konzentration der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung und/oder der darauf zurückgehenden Kristall-Defekte durch Messung des Wertes δ von der ungewöhnlichen Änderung in der Elastizitätskonstante zu ermitteln.
Wie im Vorstehenden erörtert, macht es die vorliegende Erfindung möglich, die Konzentration der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung und/oder der darauf zurückgehenden Kristall-Defekte in sattdotierten Silicium-Kristallen (einschließlich Donator- oder Akzeptorgehalten von 0,1 ppm oder höher) durch Verwendung von Ultraschallimpulsen festzustellen. Es ist anzumerken, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Konzentration der interstitiellen Sauerstoff-Verunreinigung und/oder darauf zurückgehenden Kristall-Defekte ohne Zerstörung des Kristalls gemessen wird. Darüberhinaus ist die vorliegende Erfindung nicht nur anwendbar bei Halbleitern vom p-Typ, sondern auch bei Halbleitern vom n-Typ, auch ist die vorliegende Erfindung anwendbar bei anderen Halbleitern als aus Silicium-Kristallen, wie solchen aus GaAs.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden, bei einem Halbleiter mit den Gitterfehlstellen und einem Halbleiter ohne Gitterfehlstellen angewendeten Stufen umfaßt:

Anlegen eines Ultraschallimpulses auf den Halbleiter (25);

Ermitteln der Temperatur des Halbleiters nach Hitzeanwendung;

Erfassen des Ultraschallimpulses nach dem Durchgang durch den Halbleiter;

Messen der Ultraschallgeschwindigkeit des durch den Halbleiter (25) durchgehenden Ultraschallimpulses hinsichtlich der ermittelten Temperatur zur Gewinnung einer Elastizitätskonstante des Halbleiters (25) entsprechend der Ultraschallgeschwindigkeit und Bestimmen der Konzentration oder Dichte der energiearme anharmonische Erregungen verursachenden Gitterfehlstellen aus einer Relation zwischen der Elastizitätskonstante von dem Halbleiter (25) und dem Vergleichshalbleiter.

2. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (25) ein Siliziumkristall ist.

3. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterfehlstellen interstitielle Sauerstoffverunreinigungen und auf die interstitiellen Sauerstoffverunreinigungen zurückgehende Kristalldefekte sind.

4. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß einem jeden der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (25) ein Siliziumkristall mit einem Donator-Verunreinigungsgehalt von 0,1 ppm oder mehr ist.

5. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (25) ein Siliziumkristall mit einem Akzeptor-Verunreinigungsgehalt von 0,1 ppm oder mehr ist.

6. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß einem jeden der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Halbleiters (25) auf 150 K oder darunter gebracht wird.

7. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß einem jeden der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ultraschallimpulses im Bereich von 100 kHz bis 1 GHz liegt.

8. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß einem jeden der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder Dichte der Fehlstellen proportional auf die Elastizitätskonstante bezogen wird.

9. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß einem jeden der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Halbleiters (25) unter Verwendung eines Thermoelements bestimmt wird.

10. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß einem jeden der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Halbleiters (25) unter Verwendung eines Widerstands-Thermometers bestimmt wird.

11. Verfahren zur Messung von Gitterfehlstellen in einem Halbleiter gemäß einem jeden der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen und die Bestimmung des Ultraschallimpulses unter Verwendung der Ultraschall-Wandler (26, 27) durchgeführt werden.