DE4217097A1 - Meßanordnung zur Bestimmung von Ladungsträgerdichten in Halbleitermaterial - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Ladungsträgern und Ladungsträgerdichten in Schichten von Halbleitermaterial unter Verwendung von Laserstrahlung.

In der Halbleitertechnologie, insbesondere bei neueren Speicherdesigns wird dazu übergegangen, Kontaktpads in der Mitte des Bausteins anzuordnen. Diese Vorgehensweise er­ möglicht eine einfachere Chipmontage, spart Chipfläche und erhöht den Durchsatz beim Funktionstest beträchtlich. Sie behindert aber die Schaltungsanalyse mit Elektronenstrahl- Meßgeräten, da sowohl Bonddrähte und Spider wie auch Kontaktnadeln der Bausteinansteuerung jetzt Teile der Oberfläche abschatten bzw. deren Streufelder eine elektronenmikroskopische Abbildung und Messung mit Hilfe des Potentialkontrasts erschweren. Ein weiteres Problem besteht darin, daß wegen der zunehmenden Anzahl von Ver­ drahtungsebenen in hochintegrierten Bauelementen nur noch die oberste Ebene einer Messung direkt zugänglich ist, während Signale in den unteren Ebenen in solchen Fällen nicht oder nur mit erheblichen Einschränkungen von der Vorderseite des Bauelementes her detektiert werden können.

In der US 4 758 092 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung von Ladungsträgerdichten beschrieben, bei der Laser­ strahlung mittels eines Nomarski-Phasenkontrastinter­ ferometers in zwei unterschiedlich polarisierte Teil­ strahlen aufgespalten wird. Diese Teilstrahlen werden auf das zu untersuchende Objekt fokussiert. Nach dem Durch­ tritt durch dieses Objekt werden die Strahlen an einer Metallschicht reflektiert und durch das Interferometer wieder zusammengeführt. Die Ladungsträger in einem aktiven Bereich des zu untersuchenden Halbleitermateriales ändern den Brechungsindex, so daß durch eine Modulation der Ladungsträgerdichte in diesem aktiven Bereich dem re­ flektierten Strahl diese Modulation eingeprägt werden kann. Die Modulation hat einen Einfluß auf die Phasenver­ schiebung dieses reflektierten Strahles gegenüber dem als Referenz dienenden zweiten Strahl, der von einem passiven Bereich des Halbleitermateriales reflektiert wird. Die zusammengeführten reflektierten Strahlen interferieren da­ her mit einer relativen Phasenmodulation, die eine Amplitudenmodulation des Gesamtstrahles hervorruft.

In der Veröffentlichung von R. L. Whitman und A. Korpel, "Probing of Acoustic Surface Perturbations by Coherent Light" in Appl. Optics 8, 1567 bis 1576 (1969) wird eine Anordnung beschrieben, mit deren Hilfe Oberflächen­ schwingungen auf einem zu untersuchenden Objekt gemessen werden können. Auf Seite 1572 dieser Veröffentlichung ist eine derartige Anordnung beschrieben, bei der Laser­ strahlung durch eine Bragg-Zelle und eine Linse auf die schwingende Oberfläche gerichtet ist. Ein sich durch Beugung der Strahlung in der Bragg-Zelle ergebender Teil­ strahl wird geradlinig durch die Bragg-Zelle reflektiert und dient als Referenzstrahl. Der von dem zu messenden Objekt reflektierte Meßstrahl tritt erneut durch die Bragg-Zelle und wird in der Richtung des Referenzstrahles gebeugt. Beide Strahlen können daher durch eine Fotodiode detektiert und das Ergebnis der Messung weiter verarbeitet werden.

In der deutschen Patentanmeldung P 41 39 438.0 sind ein Verfahren zur optischen Bestimmung von Ladungsträgerdichte­ unterschieden in Halbleiterbauelementen und eine An­ ordnung zu dessen Durchführung beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein von einer Laserquelle kommender Laser­ strahl in einen Sondenstrahl und einen Referenzstrahl mittels einer Bragg-Zelle aufgespalten. Wie in der US 4 758 092 wird ein Strahl als Meß- oder Sondenstrahl und der andere Strahl als Referenzstrahl verwendet. Die reflektierten Strahlen werden durch die Bragg-Zelle zu einem gemeinsamen Strahl zusammengeführt und mit Hilfe einer Fotodetektoreinrichtung zu einem Meßsignal verar­ beitet. Aus diesem Meßsignal läßt sich der Ladungsträger­ dichteunterschied zwischen dem Zielgebiet, das vermessen wird, und dem Referenzgebiet bestimmen. Ein die Bragg- Zelle geradlinig passierender Strahl dient dabei als Sondenstrahl und ein durch Beugung im Winkel abgestrahlter Teilstrahl als Referenzstrahl. Dieser Referenzstrahl wird in die Bragg-Zelle reflektiert und mit dem ebenfalls durch Beugung in der Bragg-Zelle abgelenkten reflektierten Sondenstrahl zusammen in den Detektor geleitet. Bei dieser Anordnung ist es schwierig, die Separation der beiden Teilstrahlen, d. h. des Sondenstrahles und des Referenz­ strahles, beliebig klein einzustellen. Es sind daher keine beliebig kleinen Winkel zwischen diesen Teilstrahlen ein­ stellbar. Es ist zwar möglich, den Winkel zwischen den Teilstrahlen durch eine Änderung der die Bragg-Zelle be­ treibenden Signalfrequenz zu verändern, bei abnehmender Separation nimmt allerdings auch die mögliche prozentuale Variation der Separation der Teilstrahlen stark ab. Die genaue Einstellung der Separation der Teilstrahlen ist da­ her für dicht benachbarte Ziel- und Referenzgebiete in dem zu untersuchenden Halbleitermaterial stark erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßan­ ordnung für die interferometrische Detektion von Ladungs­ trägern in Halbleitern anzugeben, bei der die für die Messung erforderlichen Teilstrahlen mit geringer Separation beliebig genau eingestellt werden können.

Diese Aufgabe wird mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es folgt eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung anhand der Fig. 1 und 2, die zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung im Schema verdeutlichen.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird Licht einer Frequenz f0 von einem Laser 1 ausgesandt. Dieses Licht tritt in eine Bragg-Zelle 2, die von Signalquellen 5, 6 mit zwei ver­ schiedenen Frequenzen f1 und f2, die in der Bragg-Zelle 2 ohne gegenseitige Beeinflussung superponieren, betrieben wird. Zur Bündelung der austretenden Strahlung ist eine optische Einrichtung 3, z. B. eine Linse, vorhanden. Die auf die Bragg-Zelle 2 treffende Laserstrahlung wird entsprechend den beiden sich in der Bragg-Zelle 2 aus­ breitenden Frequenzen f1 und f2 gebeugt. Als Sonden- und Referenzstrahl dienen die durch die beiden Frequenzen erzeugten gebeugten Strahlen erster Ordnung, wohingegen der Strahl nullter Ordnung ausgeblendet wird. Der Sonden- und der Referenzstrahl bilden daher mit der Ausbrei­ tungsrichtung der ursprünglichen Laserstrahlung zwei verschiedene Winkel. Während bei Betrieb dieser An­ ordnungen die Frequenz f1 zweckmäßigerweise konstant bleibt, kann durch Variation der anderen Frequenz f2 die räumliche Separation der gebeugten Teilstrahlen über einen sehr weiten Bereich variiert werden, und zwar stufenlos und unter Verwendung nur eines Modulators von 0° bis zu einem praktisch beliebig wählbaren Maximalwinkel, der sich aus der Frequenz f1 und dem maximal möglichen Wert der zweiten Frequenz f2 ergibt. Dieser Maximalwert von f₂ ist bedingt durch die Bandbreite (Anpassung) der piezoelek­ trischen Wandler und die Materialdämpfung. Die für die Messung vorgesehenen Teilstrahlen werden von dem zu un­ tersuchenden Halbleitermaterial 4 reflektiert. Die re­ flektierten Strahlen sind in Fig. 1 mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Die reflektierten Strahlen treten durch die optische Einrichtung 3 zurück in die Bragg-Zelle 2. Dort werden sie erneut in die ursprüngliche Richtung gebeugt, so daß sie gemeinsam in Richtung zum Laser 1 weiterlaufen. Die Beugungsstrahlen nullter Ordnung dieser reflektierten Strahlen werden ebenso wie der hinlaufende Strahl nullter Ordnung an Abschirmeinheiten 9 (beam blocker) abgeschirmt. Die reflektierten Strahlen besitzen aufgrund der Beugung in der Bragg-Zelle 2 unterschiedliche Frequenzen f0 + 2 f1 bzw. f0 + 2 f2. Zwischen dem Laser 1 und der Bragg-Zelle 2 ist ein polarisierender Strahlteiler 8 vorhanden. Dieser Strahlteiler 8 ist für die hinlaufende Laserstrahlung praktisch vollständig durchlässig, während er die reflektierte Laserstrahlung seitlich in einen De­ tektor 7 ablenkt. Ein solcher polarisierender Strahlteiler 8 kann z. B. aus einem Faraday-Rotator zwischen zwei Pola­ risatoren aufgebaut sein. Es genügt im Prinzip die Ver­ wendung nur eines Polarisators, der für Strahlung mit gegenüber der Reflexionsebene des Strahlteilers um 45° gedrehten Polarisationsrichtung maximal durchlässig ist.

Der Detektor 7 (z. B. eine Fotodiode) detektiert ein Signal mit der Schwebefrequenz der Differenz der beiden Teilstrahlen 2 f2-2 f1. Beide Teilstrahlen tragen noch die Phasenmodulationen entsprechend den jeweils im zu untersuchenden Halbleitermaterial 4 durchlaufenen La­ dungsträgerdichten (es wird über die gesamte durchlaufene Ladungsträgerdichte integriert), und diese Phasenmodula­ tionen können dann phasengenau durch einen Empfänger, der auf die Schwebefrequenz eingestellt ist, detektiert wer­ den. Dafür ist z. B. ein Lock-in-Empfänger (LIR) 10 vorgesehen, dem als Referenz auch die doppelte Differenz der Frequenzen f2 und f1 von den Signalquellen 5, 6 zu­ geführt wird. In dem Lock-in-Empfänger 10 wird dieses Referenzsignal mit dem Meßsignal aus den Detektor 7 mul­ tipliziert und zeitlich integriert.

Entsprechend wird ein um 90° phasenverschobenes Referenz­ signal mit dem Signal aus dem Detektor multipliziert und zeitlich integriert. Der Lock-in-Empfänger 10 bildet zwei orthogonale Komponenten, die zu einer Gesamtamplitude überlagert werden können und das Ausgangssignal bilden. Die Schwebungsfrequenz 2 f2-2 f1 wird vorzugsweise so gewählt, daß das 1/f-Rauschen der Laserquelle und andere Komponenten vernachlässigbar sind, wodurch die Empfindlich­ keit der Anordnung wesentlich erhöht werden kann. Je mehr auszumessende Zielgebiete der Sondenstrahl pro Zeit ab­ tastet oder je mehr Amplitudenproben einer zeitlich ver­ änderlichen Ladungsträgerdichte desselben Zielgebiets ge­ nommen werden, desto geringer muß die Integrationszeit des Lock-in-Empfängers sein, wodurch das Signal/Rausch-Ver­ hältnis abnimmt. Für Messungen von hochfrequenten Änderungen der Ladungsträgerdichte sind zweckmäßig ge­ pulste Laserquellen zu verwenden, um mit Hilfe eines Sampling-Verfahrens die zeitlichen Signalverläufe ab zu­ tasten. Sampling-Verfahren wie beispielsweise Multisampling oder Coincidence-Sampling gehören zum Stand der Technik. Als gepulste Laser kommen in Abhängigkeit von der Band­ kante des zu untersuchenden Halbleitermateriales vor­ nehmlich Laser des infraroten Wellenlängenbereiches in Be­ tracht. Für Silizium sind das z. B. Laserdioden mit Wellenlängen von etwa 1300 nm bis etwa 1500 nm oder moden­ gekoppelte Nd:YAG und Nd:YLF-Festkörperlaser von 1300 nm Wellenlänge.

Bei einer akustooptischen Bragg-Zelle mit v als Aus­ breitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle und der Wellenlänge L des Laserlichtes ergibt sich für die Winkel­ separation der beiden Teilstrahlen erster Beugungsordnung L (f2-f1)/v.

Für v = 4260 m/s, L = 1300 nm, f1 = 100 MHz und einer Variationsbreite von 100 MHz bis 150 MHz für f2 läßt sich die Winkelseparation zwischen 0 und 12 mrad einstellen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist es nicht er­ forderlich, daß Sonden- und Referenzstrahl unterschied­ lich polarisiert sind. Die in der Bragg-Zelle gebeugten Strahlen werden in ihrer Frequenz verschoben. Die Separation der beiden Teilstrahlen läßt sich den unter­ schiedlichen Anforderungen des Untersuchungsobjektes leicht anpassen, indem die Frequenzen f1 und f2 ent­ sprechend eingestellt werden. Das ist mit rein optischen Mitteln nicht möglich. Bei Verwendung nur einer Frequenz läßt sich die Separation, bedingt durch die endliche Band­ breite einer gewöhnlichen Bragg-Zelle, nur sehr begrenzt verändern. Strahlseparationen unter 10 mrad sind kaum möglich. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung fallen diese Einschränkungen weg. Durch geeignete Wahl der Frequenz f1 kann auf einfache Weise-durch Variation der Frequenz f2 die Separation der Teilstrahlen auch in kleinen Winkelbe­ reichen genau und effizient eingestellt werden.

Die Anordnung nach Fig. 2 verdeutlicht, daß im Prinzip auf eine Polarisierung des Laserlichtes bei der erfindungsge­ mäßen Anordnung verzichtet werden kann. Es werden hierbei nicht die gebeugten Strahlen der reflektierten Strahlen für die Messung verwendet, sondern die in nullter Ordnung durch die Bragg-Zelle 2 hindurchtretenden reflektierten Strahlen. Um diese Strahlen parallel zu machen, ist eine weitere optische Einrichtung vorgesehen. In Fig. 2 ist das die zwischen der Bragg-Zelle 2 und dem Detektor 7 ange­ ordnete Linse. Als Schwebungsfrequenz ergibt sich hier f2-f1, die dem Lock-in-Empfänger 10 zugeführt wird.

Vorteilhaft ist die Verwendung von Signalquellen 5, 6, deren Frequenzen beide stufenlos durchgestimmt werden können, so daß die erfindungsgemäße Anordnung leicht ver­ schiedenen Anwendungsbereichen angepaßt werden kann.

Claims (4)

1. Anordnung zur interferometrischen Detektion von Ladungsträgerdichten in Halbleitermaterial, bei der ein Laser (1) als Strahlungsquelle, eine Bragg- Zelle (2) als Strahlteiler, eine optische Einrichtung (3) zur Strahlungsbündelung, Signalquellen (5, 6) zur akustischen Ansteuerung der Bragg-Zelle (2) und ein Detektor (7) zur Auswertung vorhanden sind, bei der die Signalquellen (5, 6) zwei unterschiedliche Frequenzen (f1, f2) gleichzeitig erzeugen und bei der die Bragg-Zelle (2) und die optische Einrichtung (3) so ausgerichtet werden können, daß von dem Laser (1) ausgesandte Strahlung durch die Bragg-Zelle (2) hindurch­ tritt und so gebeugt wird, daß zwei durch jeweils eine der Frequenzen (f1, f2) gebeugte Teilstrahlen höherer als nullter Ordnung durch die optische Einrichtung (3) auf das zu untersuchende Halbleitermaterial gerichtet werden können.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der zwischen dem Laser (1) und der Bragg-Zelle (2) ein polarisierender Strahlteiler (8) angeordnet ist, der für die von dem Laser (1) unmittelbar ausgesandte Strahlung im wesentlichen durchlässig ist und der die aus der Bragg- Zelle (2) gebeugten, am zu untersuchenden Halbleiter­ material reflektierten und bei erneutem Durchtritt durch die Bragg-Zelle (2) erneut gebeugten Teilstrahlen unter­ schiedlicher Frequenz in den Detektor (7) ablenkt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der Abschirmeinrichtungen (9) (beam blocker) vor­ handen sind, die diejenigen Teilstrahlen, die aus der Bragg-Zelle (2) gebeugt werden und nicht zur Messung be­ nötigt werden, jeweils abschirmen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der beide von den Signalquellen (5, 6) erzeugten Frequenzen (f1, f2) stufenlos durchstimmbar sind.