DE4019851A1

DE4019851A1 - Verfahren und messvorrichtung zur bestimmung der diffusionslaenge der minoritaetsladungstraeger zur zerstoerungsfreien dedektion von defekten und verunreinigungen in halbleiterkristallscheiben unterschiedlicher form und groesse

Info

Publication number: DE4019851A1
Application number: DE19904019851
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Lehmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1992-01-09

Description

Verfahren und Meßvorrichtung zur Bestimmung der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger zur zerstörungsfreien Dedektion von Defekten und Verunreinigungen in Halbleiterkristallscheiben unterschiedlicher Form und Größe.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung der Diffusionslänge von Minotitätsladungsträgern in Halbleiterkristallscheiben (sogenannte Wafer) unterschiedlicher Form und Größe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, mit welchem Defekte und Verunreinigungen zerstörungsfrei detektiert werden können.

Verunreinigungen und Defekte in einem Wafer stellen Rekombinationszentren für Minoritätsladungsträger dar. Die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger ist somit ein Maß für die Dichte von Defekten im Wafer.

Ein Verfahren zur Bestimmung von L ist aus EP-A-02 95 440 bekannt. Dabei werden Vorder- und Rückseite des Wafers mit je einer elektrolytgefüllten Meßhalbkammer in Kontakt gebracht. Mittels einer Spannungsquelle, deren einer Pol mit dem Wafer und deren anderer Pol mit dem rückseitigen Elektrolyten verbunden ist wird eine Raumladungszone auf der Waferrückseite erzeugt. Die Wafervorderseite wird mit sichtbarem Licht bestrahlt. Der Photostrom der erzeugten Minoritätsladungsträger wird an der Waferrückseite gemessen und auf den an der Wafervorderseite gemessenen normiert. Aus dem Quotienten wird die Diffusionslänge L mathematisch bestimmt.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß beide Seiten der Halbleiterscheibe mit dem Elektrolyten in Kontakt stehen müssen, dadurch ist es außerordentlich schwierig eine Anordnung zu entwerfen, die es ermöglicht Wafer unterschiedlicher Form und Größe zu messen. Weiterhin muß der vorderseitige Elektrolytkontakt transparent und optisch verzerrungsfrei sein.

Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung von L, welches nur einen elektrolytischen Kontakt benötigt ist aus (VPA 89 E 1158 DE) bekannt. Hierbeii wird die Vorderseite des Wafers mit einer elektrolytgefüllten Meßkammer in Kontakt gebracht. Mittels einer Spannungsquelle, deren einer Pol mit dem Wafer und deren anderer Pol mit dem Elektrolyten verbunden ist wird eine Raumladungszone auf der Wafervorderseite erzeugt. Die Wafervorderseite wird mit sichtbarem Licht bestrahlt. Der Photostrom der erzeugten Minoritätsladungsträger wird an der Wafervorderseite gemessen. Nach Eichung mit Hilfe einer Probe mit bekannter, sehr großer Diffusionslänge kann die Diffusionslänge L mathematisch bestimmt werden.

Das genannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, für Diffusionslängen L, die größer als 1/4 der Waferdicke D sind (L<1/4 D) ungenau zu werden. Darüber hinaus muß auch bei diesem Verfahren der vorderseitige Elektrolytkontakt transparent und optisch verzerrungsfrei sein, was wiederum die Möglichkeit, eine Anordnung zu entwerfen, die geeignet ist verschiedene Wafergrößen und Formen zu messen, erheblich erschwert.

Aufgabe ist es, die quantitative, ortsaufgelöste Bestimmung der Diffusionslänge mit Hilfe nur eines, nicht notwendigerweise transparenten Elektrolytkontakts dergestalt zu ermöglichen, daß ohne Änderung der Anordnung die Messung von Wafern beliebiger Form und Größe möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) mittels einer Spannung, die zwischen dem Wafer und einer an seiner Rückseite angebrachten elektrolytgetränkten Elektrode angelegt wird, auf der Rückseite des Wafers eine sperrende Raumladungszone erzeugt wird,
b) die Vorderseite des Wafers mittels einer geeichten Lichtquelle homogen oder punktförmig bestrahlt wird,
c) der Photostrom I der Minoritätsladungsträger auf der Rückseite gemessen wird,
d) die Diffusionslänge L mit Hilfe der mathematischen Gleichung I/(PAqσ) = -2α²L²/((1-α²L²) · (exp (-D/L) + exp (D/L)))mit
α = Absorptionskoeffizient des Halbleiters für die verwendete Lichtwellenlänge
D = Dicke des Wafers
P = Photonenfluß der Lichtquelle
A = beleuchtete Fläche
q = Elementarladung
σ = maximaler Quantenwirkungsgrad
bestimmt wird, wobei P mit Hilfe einer geeichten Photodiode bestimmt werden kann und σ für die verschiedenen Halbleitermaterialien und Waferoberflächenbeschaffenheiten bekannt ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch die verwendete Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 steht die Rückseite 6 des Wafers 1 mit einer elektrolytgetränkten Unterlage 2 in Kontakt. Eine elektrolytgefüllte Meßkammer kann die Unterlage 2 ersetzen, erschwert aber durch die nötigen Dichtungen die Anwendung des Verfahrens auf verschiedene Wafergrößen. Nach Entfernung eines eventuell vorhandenen rückseitigen Oxids kann jede elektrisch leitende Flüssigkeit (und damit auch nicht flußsäurehaltige Lösungen, zum Beispiel 5%ige Essigsäure) Verwendung finden. Der Wafer 1 ist über einen elektrischen Kontakt 3, der sich durch Graphitstifte, die auf dem Wafer aufliegen, herstellen läßt, mit einer Spannungsquelle 4 verbunden. Der andere Pol der Spannungsquelle steht mittels einer Elektrode 5 mit der elektrolytgetränkten Unterlage 2 in Kontakt. An der Spannungsquelle 4 wird eine Spannung (zum Beispiel 3 V) derart eingestellt, daß sich an der Waferrückseite 6 eine sperrende Raumladungszone bildet. Besteht der Wafer 1 beispielsweise aus p dotiertem Silicium, so wird er mit dem negativen Pol der Spannungsquelle mittels des Kontaktes 3 verbunden.

Die Vorderseite 7 des Wafers 1 wird mit einer Lichtquelle 8 beleuchtet, wobei der Lichtfleck auf einige mm² fokussiert wird und die Scheibenoberfläche abrastern kann. Als Lichtquelle 8 kann eine konventionelle, fokussierte Lampe, ein Laser oder eine Leuchtdiode dienen. Wegen der einfachen digitalen Ansteuerung erwies sich ein LED- Array (lineare Anordnung mehrerer Leuchtdioden) als vorteilhaft. Um die Rekombination der Minoritätsladungsträger an der Waferoberfläche 7 zu verringern, kann der Wafer 1 vor der Messung in Flußsäure geätzt werden.

Der Photostrom I der Minoritätsladungsträger wird mit einem Strommesser 9 gemessen. Der Photostrom I ist unter den gegebenen Voraussetzungen eine Funktion der Anzahl, der durch die Beleuchtung erzeugten Ladungsträger und der Diffusionslänge L. Verschiedene Ausführungen des beschriebenen Verfahrens sind möglich:

1. Geeignete Lichtquellen 8 sind neben Konventionellen mit entsprechenden Filtern und Fokussieroptiken auch einzelne oder mehrere Leuchtdioden, sowie Halbleiter- oder konventionelle Laser.
2. Der rückseitige, großflächige Elektrolytkontakt 6 kann mittels einer konventionellen Elektrolytmeßzelle erzielt werden. Geeigneter für unterschiedliche Waferformen und -größen ist jedoch die Verwendung einer elektrolytgetränkten Unterlage 2.
3. Bei der Messung von Wafern mit geringer Oberflächenrekombination (zum Beispiel, auf der Vorderseite 7 oxidierte Wafer) ist die Messung ohne Vorbehandlung möglich. Bei nicht definierten Oberflächenbedingungen wird durch vorheriges Ätzen der Scheibe in Flußsäure eine definierte, niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit eingestellt.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Diffusionslänge (L) von Minoritätsladungsträgern in einer Halbleiterkristallscheibe, bei welchem

i) eine elektrolytgetränkte Unterlage an der Rückseite der Halbleiterkristallscheibe angebracht wird, so daß ihre Rückseite mit dem Elektrolyten in Kontakt steht,
ii) die Halbleiterkristallscheibe über einen elektrischen Kontakt mit einer Spannungsquelle verbunden wird, mit welcher eine Spannung zwischen der Halbleiterkristallscheibe und einer sich im Elektrolyt befindlichen Elektrode angelegt wird,
iii) die Vorderseite der Halbleiterkristallscheibe mit Licht bestrahlt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) mittels der angelegten Spannung auf der Rückseite der Halbleiterkristallscheibe eine sperrende Raumladungszone erzeugt wird,
c) der durch Beleuchtung auf der Vorderseite der Halbleiterkristallscheibe generierte Photostrom (I) der Minoritätsladungsträger auf der Rückseite gemessen wird,
d) die Diffusionslänge (L) mit Hilfe der mathematischen Gleichung I/(PAqσ) = -2α²L²/((1-α²L²) · (exp (-D/L) + exp (D/L)))mit
α = Absorptionskoeffizient des Halbleiters für die verwendete Lichtwellenlänge
D = Dicke des Wafers
P = Photonenfluß der Lichtquelle
A = beleuchtete Fläche
q = Elementarladung
σ = maximaler Quantenwirkungsgrad

bestimmt wird, wobei P mit Hilfe einer geeichten Photodiode bestimmt werden kann und σ für die verschiedenen Halbleitermaterialien und Waferoberflächenbeschaffenheiten bekannt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrolytgetränkte Unterlae an der Rückseite der Halbleiterkristallscheibe verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrolytgefüllte Meßkammer an der Rückseite der Halbleiterkristallscheibe verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl auf die Vorderseite der Halbleiterkristallscheibe fokussiert wird und diese abrastert, so daß eine ortsaufgelöste Messung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine eine Leuchtdiode verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Anordnung mehrerer Leuchtdioden verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristallscheibe vor der Messung in Flußsäure geätzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Graphitstifte verwendet werden, um einen Kontakt zur Halbleiterkristallscheibe herzustellen.