DE4115680A1 - Geraet zum bestimmen der elektrischen eigenschaften von halbleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Bestimmen der elektri­ schen Eigenschaften von Halbeitern, und insbesondere zur Bestimmung der Kenngrößen von Halbleiterplättchen mittels einer Quecksilbersäule als einen der Kontakte.

Die Verwendung einer Quecksilbersäule als Berührungskontakt für die Messung der elektrischen Kenngrößen eines Halbleiter­ plättchens ist bekannt. Damit können Messungen wie beispiels­ weise der Dotierungsdichte, Kapazität-Spannungs- und der Strom-Spannung-Messungen vorgenommen werden. Hierbei bildet der Quecksilbersäulen-Kontakt eine Alternative zur Verwendung eines ständig anliegenden Kontakts, denn die Herstellung letzterer ist zeitaufwendig und teuer.

In dem Werk "Silicon Epitaxial Wafer Profiling Using the Mercury-Silicon Schottky Diode Differential Capacitance Methods" von Philip S. Schaffer und Thomas R. Lally, April 1983, ist unter der Überschrift "Solid State Technology" auf den Seiten 229 bis 233 die Verwendung einer Quecksilbersäule bei der Herstellung einer Schottky-Quecksil­ berdiode zum Bestimmen von Dotierungsprofilen von Silizium- Epitaxialplättchen beschrieben. In einem Beitrag "C-V Plot­ ting, C-T Measuring and Dopant Profiling: Applications and Equipment", Oktober 1980, von Peter S. Burggraaf ist unter der Überschrift "Semiconductor International" auf den Seiten 29 bis 35 die Verwendung einer Quecksilbersäule mit unterem Kontakt für Messungen wie auch der Kapazität-Spannungs- und Kapazität-Zeit-Messungen beschrieben. In einem Beitrag "Vacuum Operated Mercury Probe for C-V Plotting and Profiling", August 1981, von Albert Lederman ist unter der Überschrift "Solid State Technology" auf den Seiten 123 bis 126 die Verwendung von unten angeordneten Quecksilberkontak­ ten zum Ersatz von Aluminium und für Kapazität-Spannungs- Meßverfahren zum Bestimmen von Halbleitereigenschaften be­ schrieben.

Die DE-PS 27 41 682 beschreibt ein Gerät für Kapazität- Spannnungs-Messungen mittels einer oben angeordneten Queck­ silbersäule, wobei das Quecksilber in einem sich senkrecht über dem Halbleiterplättchen befindenden Kapillar aufgenommen und der andere Kontakt eine polierte Oberfläche ist. Der un­ tere Meniskus der Quecksilbersäule ist durch einen am oberen Ende einwirkenden Unterdruck einstellbar.

Bei den gegenwärtig erhältlichen Quecksilbersonden, welche unterhalb des Plättchens angeordnet sind und mit einem großen Teil der Plättchenoberseite mechanischen Kontakt haben müssen, können aber Probleme auftreten. Infolge von Plättchenkontaminierung und Bewegung des Rückseitenkontakts ist ein Vermessen des Plättchens mit diesen Instrumenten als nicht praktisch anzusehen. Des weiteren weist die her­ kömmliche Quecksilbersonde einen großen Quecksilberbehälter auf, was in gesundheitlicher Hinsicht Probleme macht. Ebenso können durch den üblicherweise verwendeten Rückseitenkontakt mikroskopische Schäden am zu untersuchenden Halbleiter­ plättchen verursacht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Problemen abzuhelfen.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Gerät gelöst.

Dementsprechend findet eine oben angebrachte Quecksilbersäule Anwendung, welche zur Berührung der Oberseite des Plättchens, und zwar ohne Scheuern auf der Plättchenoberfläche, kinema­ tisch gesteuert ist, was verminderte Verlustströme und eine verbesserte Qualität der Schottky-Messungen durch verminderte Kontaminierung und Oberflächenbeschädigung bedeutet. Entspre­ chend der vorliegenden Erfindung wird das Plättchen durch ein Kapillarröhrchen mit sehr niedrigen mechanischen Spannungen, nämlich mit einem Druck von weniger als 70 mbar, berührt, oder das Kapillarröhrchen kann, falls erwünscht, mit gerin­ gem Abstand oberhalb der Plättchenoberfläche gehalten werden. Dadurch werden die durch Verlustströme verursachten Fehler weiter verringert. Durch den minimalen Oberflächenkontakt auf beiden Seiten des Plättchens wird bei der vorliegenden Er­ findung eine hohe Auflösung bei der Vermessung sowohl bei Metalloxyd-Halbleitern als auch bei Schottky-Plättchen er­ reicht.

Mittels einer Meßvorrichtung wird ein elektrischer Strom durch das Halbleiterplättchen geschickt und die daraus re­ sultierenden elektrischen Eigenschaften des Plättchens ge­ messen. Diese Meßeinrichtung ist in Reihe mit den beiden elektrischen Kontakten geschaltet.

Um auch bei Halbleiterplättchen mit einer Boden-Isolations­ schicht eine Vermessung zu ermöglichen, weist die Vorrichtung vorzugsweise einen zweiten oberseitigen Kontakt auf, welcher zusammen mit dem ersten elektrischen Kontakt die Oberseite des Halbleiterplättchens berührt. Dieser zweite oberseitige Kontakt weist ein Kontaktelement mit flachem Boden und einer darin verlaufenden Ringnut auf. Zur Aufnahme des Kapillar­ röhrchens hat dieses Kontaktelement eine Öffnung. Durch eine Evakuierungsvorrichtung wird ein Unterdruck in der Ringnut erzeugt und somit ein guter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen der Bodenfläche des Kontaktelements und der oberen Fläche des Plättchens auf recht erhalten.

Vorzugsweise weist der zweite oberseitige Kontakt weiterhin Mittel zur Selbstnivellierung und Anhebung auf, um die Bodenfläche des Kontaktelements in Berührung mit der oberen Fläche des Plättchens zu bringen, und zwar, wenn erwünscht, bevor das Kapillarröhrchen in seine Endstellung bezüglich des Plättchens gelangt ist. Diese Nivellierungs- und Anhebungs­ vorrichtung weist einen am Kontaktelement in einer bestimmten Stellung befestigten Gewindestift auf, welcher gleitend durch eine Bohrung an einem am Kapillarröhrchen angebrachten Flansch führt, wobei die Achse der Bohrung zur Achse des Kapillarröhrchens parallel ist. Oberhalb des Flansches ist eine Einstellmutter auf den Gewindestift aufgeschraubt, wel­ che so eingestellt werden kann, daß je nach dem wie es gerade erwünscht ist, eine Berührung zwischen der Bodenfläche des Kontaktelements und der oberen Fläche des Plättchens zustande kommt oder nicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigt:

Fig. 1 das erfindungsgemäße Gerät in Vorderansicht,

Fig. 2 das Kontaktelement zusammen mit dem daran befestigten Gewindestift, in Vorderansicht

Fig. 3 eine Untersicht des in Fig. 2 dargestellten Kontaktelements, und

Fig. 4 eine Draufsicht des Flansches.

In Fig. 1 ist ein Gerät 10 zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaften eines Halbleiterplättchens 12 dargestellt. Das Halbleiterplättchen 12 liegt auf einem Tisch 14 auf, der es in einer bestimmten Position hält. Eine Quecksilbersonde 16 ist vorgesehen, um eine obere Fläche 18 des Halbleiter­ plättchens 12 mit einer Quecksilbersäule 20 von oben her zu berühren. Zur Aufnahme der Quecksilbersäule 20 weist die Quecksilbersonde 16 ein Kapillarröhrchen 22 auf. Mittels eines pneumatischen Druckgebers 24 wird die sich im Kapil­ larröhrchen 22 befindliche Quecksilbersäule 20 mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagt, wobei die Säule 20 in ihrer vom Plättchen 12 abgehobenen Position mit Unterdruck und in ihrer Meßposition mit einem Druck von beispielsweise 50 mbar beauf­ schlagt ist. Dabei wird in einem Kapillargefäß mit 1, 6 mm Fassungsvermögen nur etwa 0,8 g Quecksilber verwendet.

Zur Steuerung der Position des Kapillarröhrchens 22 bezüglich der oberen Fläche 18 des Halbleiterplättchens 12 findet eine im Handel erhältliche kinematisch stabile Positionierungsvor­ richtung 26 Anwendung. Eine solche Positionierungsvorrichtung ist beispielsweise auch in der US-PS 36 28 137 beschrieben.

Die Positionierungsvorrichtung 26 weist einen Arm 28 auf, an welchem die Quecksilbersonde 16 mittels Schrauben 30 und Muttern 32 befestigt ist. Der Arm 28 kann beispielsweise aus rostfreiem Nickelstahl bestehen. Der Arm 28 ist in einem Hebelstützpunkt 34 gelagert, wobei ein Hebelgewicht 36 zum Beschweren der Sonde dient. Der Hebelstützpunkt 34 ist auf einer Tragplatte 38 angeordnet, wobei zwischen dem Hebel­ stützpunkt 34 und der Tragplatte 38 Lagerkugeln 62 vorgesehen sind, welche in (nicht dargestellte) Vertiefungen im Hebel­ stützpunkt 34 eingreifen.

Der Arm 28 wird pneumatisch über eine mit einer Gummimem­ bran 44 versehene Druckkammer 42 angehoben bzw. gesenkt, indem die Gummimembran 44 auf eine am hinteren Ende des Arms 28 angeordnete Druckfläche 46 einwirkt. Die Druck­ fläche 46 ist mit einem nicht dargestellten Drahtnetz ver­ sehen. Beim Anheben des Arms 28 wird mittels Druckluft die Membran 44 nach unten gegen das Drahtnetz der Druckfläche 46 gedrückt. Hierbei wird eine Hochleistungssteuerung des Arms 28 durch eine Steuerung der Gewichtsverhältnisse am Arm erreicht; siehe hierzu den Beitrag Inc. Technical Report "Spreading Resistance Profiles in GaAs", von ASTM-F525 and Solid State Measurements, Seite 7. Der Arm 28 wird insgesamt von einem Sondengestell 48 getragen, welches auch zur An­ passung der Höhe des Kapillarröhrchens 22 bezüglich des Halbleiterplättchens geeignet ist. Hierbei wird durch eine Feineinstellung 50 eine optimale Positionierung erreicht. Eine optimale Stellung ist dann gegeben, wenn sich das Kapillarröhrchen 22 auf gleicher Ebene wie das Halbleiterplättchen oder etwas darüber (wie oben schon erläutert) befindet.

Zur Drehung des Halbleiterplättchens bzw. zur horizontalen Bewegung desselben jeweils gegenüber dem Kapillarröhrchen 22 ist eine entsprechende Bewegungsvorrichtung 52 vorgesehen, welche einen Verdrehbereich 58 und einen Schlittenbereich 60 aufweist. Die Gestaltung des Drehbereichs 58, sowie des Schlittenbereichs 60 sind allgemein bekannt. Beide Berei­ che 58 und 62 sind mittels einer Montageplatte 62 aus Aluminium miteinander verbunden. Das Halbleiterplättchen 12 ist auf den Tisch 14 mittels einer Saughaltevorrichtung 54 gehaltert, wobei zum Halten des Halbleiterplättchens 12 die Haltevorrichtung 54 über einen Schlauch 56 evakuiert wird.

Eine erste elektrische Leitung 64 verbindet die Quecksilber­ säule 20 mit einer Meßeinrichtung 68. Zwei weitere elektri­ sche Leitungen 66a und 66b, von denen je nach Art des vor­ liegenden Plättchens 12 jeweils nur eine zum Einsatz kommt, führen vom Plättchen 12 zurück zur Meßeinrichtung 68, wodurch­ der Stromkreis geschlossen ist. Die Meßeinrichtung 68 schickt einen elektrischen Strom durch das Halbleiterplättchen 12 und mißt die daraus resultierenden elektrischen Kennwerte. Die Meßeinrichtung 68 kann hierbei in bekannter Weise ausgeführt sein, beispielsweise wie in dem oben erwähnten Beitrag von Peter S. Burggraf beschrieben.

Die Quecksilbersäule 20 wird durch den kinematisch gesteuer­ ten Arm 26 auf das Halbleiterplättchen 12 auf gesetzt. Das Kapillarröhrchen 22 ist mittels einer Rohrverschraubung durch eine gerändelte Schraube 72 an einem Sondenkopf 70 befestigt, durch welchen verhindert wird, daß das Quecksilber zum pneu­ matischen Druckgeber 24 hin abfließen kann. Der Sondenkopf 70 ist in ein Anschlußstück 74 eingespannt, welches am Arm­ ende 28 angeschraubt ist.

Im Falle, daß das Halbleiterplättchen 12 eine Isolations­ schicht aufweist, durch welche beispielsweise die elektrische Leitung 66a isoliert wird, kann die elektrische Leitung 66b den Stromkreis zwischen dem Kontaktelement 78 und der Meßein­ richtung 68 schließen. Hierbei wird durch einen bezüglich des Plättchen 12 oberseitigen Doppelkontakt 76 die Möglichkeit geschaffen, auch bei vorhandener unterseitiger Isolations­ schicht die erforderlichen Messungen am Halbleiterplättchen durchzuführen. Der oberseitige Doppelkontakt 76 wird nach­ folgend mehr im einzelnen beschrieben.

Entsprechend der Fig. 3 hat der oberseitige Doppelkontakt 76 ein Kontaktelement 78, welches in seiner flachen Bodenflä­ che 82 eine Ringnut 80 aufweist. Eine erste Öffnung 84 im Kontaktelement 78 dient zur Aufnahme des Kapillarröhrchens 22. Durch eine Evakuiervorrichtung 86, welche in Strömungs­ verbindung mit der Ringnut 80 steht, wird ein guter mechani­ scher und elektrischer Kontakt zwischen der Bodenfläche 82 des Kontaktelements 78 und der oberen Fläche 18 des Halb­ leiterplättchens 12 erzeugt.

Vorzugsweise ist das Kontaktelement 78 mit einer Selbst­ nivellierungs- und Anhebvorrichtung 88 ausgestattet, um mit der oberen Fläche 18 des Halbleiterplättchens 12 in Berührung zu kommen, wenn das Kapillarröhrchen 22 in seine Endposition bezüglich des Halbleiterplättchens gelangt. Diese Vorrich­ tung 88 zur Selbstnivellierung und Anhebung weist einen in den Fig. 1 und 2 erkennbaren Gewindestift 90 auf, welcher mit dem Kontaktelement 78 verbunden ist. Desweiteren ist ein in den Fig. 1 und 4 dargestellter Flansch 92 vorgesehen, welcher zwei Bohrungen 94 und 95 hat. Hierbei verläuft die Achse 96 der Bohrung 94 parallel zur Achse 98 des Kapillar­ röhrchens 22, wobei die Öffnung 95 zur Aufnahme der Sonde 16 und die Öffnung 94 zur gleitenden Aufnahme des Gewinde­ stifts 90 dient. Oberhalb des Flansches 92 ist eine Stell­ mutter 100 auf den Gewindestift 90 auf geschraubt, wobei die Stellmutter 100 so eingestellt werden kann, daß ein Kontakt zwischen der Bodenfläche 82 des Kontaktelements 78 und der oberen Fläche 18 des Halbleiterplättchens 12 zustande kommt oder nicht.

Das Kapillarröhrchen 22 ist im Flansch 92 mittels einer Feststellschraube 102 befestigt.

Soll das Kontaktelement 78 mit dem Halbleiterplättchen in Berührung gebracht werden, so geschieht dies über die Eva­ kuierungseinrichtung 86. Die Kontaktfläche des Kontaktele­ ments 78 beträgt beispielsweise 0,024 cm². Wenn dieses Kon­ taktelement 78 zur Herstellung eines geschlossenen Strom­ kreises nicht benötigt wird, wird es durch entsprechende Einstellung der Stellschraube 100 oberhalb des Halbleiter­ plättchens 12 gehalten. Demnach bietet die Vorrichtung 10 die Wahlmöglichkeit, entweder den unterseitigen Kontakt mit der elektrischen Leitung 66a oder das Kontaktelement 78 mit der elektrischen Leitung 66b zu verwenden, und zwar je nach dem welcher Halbleitertyp gerade vorliegt.

Mit der durch die vorliegende Erfindung geschaffenen Vor­ richtung kann man Kapazitäts-Spannungs-Analyse an Metalloxyd- Halbleitern durchführen, um die Oxyddicke und die Diodendo­ tierung zu bestimmen. Auch eine vollständige Strom-Spannungs- Analyse der Schottky-Elemente kann zur vorherigen Bestimmung der Schottky-Kenngrößen durchgeführt werden. Ebenso können Dotierungsprofile, der Idealfaktor, die Sperrschichtdicke und Reihenwiderstände ermittelt werden. Desweiteren kann die Ka­ pazitätsspannung der Schottky-Elemente mittels einer Analyse nach jeweils ASTM-Verfahren, (Druckschrift 6B 42) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden. Mit den vom Prüfstück auf genommenen Daten können mittels dieser Analyse Kurven der Fläche über dem spezifischen elektrischen Wider­ stand oder von C_com über dem spezifischen Widerstand gewonnen werden. Der eigentliche spezifische elektrische Widerstand des Prüfstücks kann dann durch schrittweise Annäherung anhand der beiden Bezugskurven und durch Verarbeitung der Werte mit­ tels der im ASTM-Dokument angeführten Gleichungen ermittelt werden.

Das Kapillarröhrchen 22 kann so eingestellt werden, daß das Röhrchen 0,08 mm oberhalb des Halbleiterplättchens endigt, so daß das Halbleiterplättchen wirklich nur durch das Queck­ silber berührt wird. Dadurch wird jede durch einen Kapillar­ röhrchenkontakt verursache Kontaminierung oder Beschädigung des Halbleiterplättchens vermieden. Dadurch werden wirklich sämtliche Einschränkungen bezüglich der möglichen meßbaren Oxyddicke von Metalloxyd-Halbleitern beseitigt und die Ein­ heit der Oberfläche bei Schottky-Elementen wird aufrecht er­ halten. Messungen nach diesem Verfahren und mit dem erfin­ dungsgemäßen Gerät sind bis auf +/- 3% reproduzierbar.

Claims (5)

1. Gerät zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften von Halbleiterplättchen (12) mittels Quecksilberkontakt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät aufweist:
Mittel (14) zum Halten des Halbleiterplättchens in einer be­ stimmten Stellung,
eine oberhalb des Halbleiterplättchens (12) angeordnete Quecksilbersonde (16) zum wahlweisen Berühren der oberen Fläche (18) des Halbleiterplättchens mit einer Quecksilber­ säule (20), wobei die Quecksilbersäule in einem Kapillarröhr­ chen (22) auf genommen ist,
einen pneumatischen Druckgeber (24) zum Beaufschlagen der Quecksilbersäule mit einem Über- oder Unterdruck,
einen kinematisch stabilen Positionierarm (26), an welchem die Quecksilbersonde (16) befestigt ist, wobei der Posi­ tionierarm zur Steuerung der Stellung des Kapilarröhrchens bezüglich der oberen Fläche (18) des Halberleiter­ plättchens (12) dient,
eine Bewegungsvorrichtung (52) zum Drehen des Halberleiter­ plättchens (12) bzw. zum Verschieben des Halbleiter­ plättchens (12) bezüglich des Kapillarröhrchens,
eine Meßeinrichtung (68), welche einen elektrischen Strom durch das Halbleiterplättchen (12) schickt und die daraus resultieren elektrischen Werte des Halbleiterplättchens (12) mißt,
eine elektrische Leitung (64) zwischen der Quecksilber­ säule (22) und der Meßeinrichtung (68),
weitere elektrische Verbindungsmittel (66a, 66b) zur Ver­ bindung der Meßeinrichtung (68) mit dem Halbleiterplätt­ chen (12) wobei der Stromkreis über die Meßeinrichtung (68), die Leitung (64), das Halbleiterplättchen (12) und eines der weiteren Verbindungsmittel (66a, 66b) geschlossen ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ nes (66a) der weiteren Verbindungsmittel (66a, 66b) an den Mitteln (14) zum Halten des Halbleiterplättchens (12) ange­ bracht sind, und zwischen der Haltevorrichtung (14) und dem Halbleiterplättchen (12) eine leitende Verbindung besteht.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberseitiger Doppelkontakt (76) vorgesehen ist, welcher entsprechend mit der Meßeinrichtung (68) verbunden ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oberseitige Doppelkontakt (76) ein Kontaktelement (78) mit einer flachen Bodenfläche (82) aufweist, wobei das Kon­ taktelement (78) eine Öffnung zur Aufnahme des Kapillarröhr­ chens (22) und eine Ringnut (80) in ihrer flachen Bodenflä­ che (82) hat, wobei durch eine Evakuiervorrichtung (86), welche mit der Ringnut (80) in Strömungsverbindung steht, ein fester mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen der Bodenfläche (82) und der oberen Fläche (18) des Halbleiter­ plättchens (12) herstellbar ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (78) Mittel (88) zur Selbstnivellierung und Anhebung aufweist, um es wahlweise in Berührung mit der obe­ ren Fläche (18) des Halbleiterplättchens (12) zu bringen, wobei die Mittel (88) zur Selbstnivellierung und Anhebung einen am Kontaktelement (78) in bestimmter Stellung be­ festigten Gewindestift (90), einen am Kapillarröhrchen (22) befestigten Flansch (92) mit einer zur Achse des Kapillar­ röhrchens (22) parallelen Öffnung (94) aufweist, wobei der Gewindestift (90) gleitend durch die Öffnung (94) hindurch­ geführt ist, eine Stellmutter (100) oberhalb des Flan­ sches (92) auf dem Gewindestift (90) auf geschraubt ist, und wobei die Stellschraube (100) derart einstellbar ist, daß ein Kontakt zwischen dem Kontaktelement (78) und dem Halbleiter­ plättchen (12) wahlweise zustande kommt oder nicht.