DE4412202C2

DE4412202C2 - Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Leitungstyps von Halbleitermaterialien und Meßkopf zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4412202C2
Application number: DE4412202A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr Koester; Thomas Rapp; Stefan Dr Wurdack
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2014-04-09
Also published as: DE4412202A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Leitungstyps von Halbleitermaterialien, sowie einen nach diesem Verfahren arbeitenden Meßkopf mit integrierter Elektronik und einer davon getrennten Auswerteelektronik.

Bei der Entwicklung und Herstellung von Halbleitermaterialien kann aus der Kenntnis des Leitungstyps Rückschluß auf das als Donator oder Akzeptor elektrisch wirksame Dotierelement gezogen werden. Es existieren verschiedene berührende, daher den Halbleiter verunreinigende oder mechanisch beschädigende Verfahren zur Bestimmung des Leitungstyps, beschrieben z. B. in DIN 50432 oder in ASTM F42. Ein berührungslo ses Verfahren bietet diesen gegenüber den Vorteil, daß es zerstörungsfrei arbeitet.

Es ist bekannt, den Leitungstyp von Halbleitermaterialien aus dem Vorzeichen der bei Bestrahlung mit gepulstem Licht an der Oberfläche des Halbleiters entstehenden und mit Elektroden an derselben Oberfläche berührungslos abgegriffenen Spannung (Ober flächen-Photo-Spannung) zu ermitteln, siehe U.S.-Patent Nr. 4,551,674 sowie ein kom merzielles Meßgerät der Firma NAPSON. In diesem werden allerdings eine Vielzahl von Leuchtdioden (< 10) für eine hohe Beleuchtungs stärke ohne spezielle Maßnahme zur Bündelung des Lichts und sehr eng um die be leuchtete Fläche angeordnete Meßelektroden verwendet. Dies hat eine unpraktische Größe der Meßanordnung zur Folge. Im erwähnten U.S.-Patent wird zur Begrenzung der beleuchteten Fläche auf dem Halbleiter eine Lochblende verwendet, wodurch nur ein kleiner Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichts für die Erzeugung von Elek tron-Loch-Paaren genutzt wird.

In einer anderen Ausführung für die Messung des Leitungstyps von Halbleiterwafern geschieht die optische Bestrahlung des Wafers auf dessen Vorderseite und die Detekti on der Oberflächen-Photospannung auf der Rückseite des Wafers (NAPSON PN-30). Dies erfordert einen relativ großen Meßaufbau und hat außerdem beispielsweise den Nachteil, daß der Leitungstyp von epitaktischen Siliziumschichten auf im allgemeinen stark dotierten Siliziumsubstraten nicht erkannt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine handliche, kompakte Meßsonde mit kleinen Abmessungen zu realisieren, d. h. bei mög lichst kleiner beleuchteter Fläche auf dem Halbleiter eine möglichst hohe Beleuchtungsintensität zu erreichen und eine möglichst große elektrische Spannung berührungslos abzugreifen. Eine Meßsonde, die nach den Patentansprüchen aufge baut ist, kann nicht nur den Leitungstyp von Halbleiter-Wafern, sondern auch von epi taktischen Halbleiterschichten mit Dicken oberhalb von etwa 1 µm oder von willkürlich geformten Halbleiterproben messen, wenn diese eine ebene Oberfläche von etwa 5 cm² haben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale, näm lich durch die Verwendung einer einzigen Lichtquelle 1, speziell einer Halbleiter-Leucht diode oder -Laserdiode, durch Bündelung des Lichts mit einem Linsensystem 7 oder mit einem unmittelbar vor der Lichtquelle angebrachten Lichtleiter 6 sowie durch eine der Spannungsverteilung auf der Halbleiteroberfläche angepaßte Geometrie der Detek tor-Elektroden 2, 3 gelöst.

Durch Verwendung einer einzigen Lichtquelle 1 kann ein kompakter Meßkopf 4 mit ei nem Durchmesser von nur 3 cm und einer Länge von weniger als 10 cm realisiert wer den, der neben der Lichtquelle 1, dem Lichtleiter 6, einem Lichtsensor (nicht abgebil det) und den Meßelektroden 2, 3 auch die Elektronik für den gepulsten Betrieb der Lichtquelle, zur Verstärkung des detektierten Spannungssignals sowie zum Betrieb des Reflex-Lichtsensors enthält.

Die verstärkten elektrischen Signale können problemlos über ein mehrere Meter langes Verbindungskabel mit der eigentlichen Auswerteeinheit verbunden werden. Damit ist der Meßkopf vielseitiger einsetzbar, als wenn die gesamte Meßvorrichtung in einem einzigen, wesentlich größeren Gehäuse untergebracht wäre. In der Auswerteeinheit wird das Meßsignal phasensynchron zur Pulsfrequenz der Lichtquelle gleichgerichtet ("Lock-In"-Technik) und aus der Polarität der entstandenen Gleichspannung der Lei tungstyp des Halbleiters bestimmt. Die Auswerteeinheit enthält dafür neben einer kon ventionellen Spannungsversorgung einen Rechtecksignalgenerator mit einer vorteilhaf ten Frequenz von einigen Kilohertz, dessen Ausgangssignal als Referenz für die An steuerelektronik der Lichtquelle im Meßkopf und für den Synchrongleichrichter dient.

Durch Verwendung eines Lichtleiters 6 oder eines Linsensystems 7 kann die Lichtquelle mit geringen Verlusten weit entfernt vom Halbleiter und von den Meßelek troden angeordnet werden, was bei gepulstem Betrieb der Lichtquelle das elektroma gnetische Einkoppeln vom Erregerstromkreis in den Meßstromkreis verringert und somit die Meßempfindlichkeit erhöht. Da bei Betrieb mit einer Laserdiode der für gleiche Lichtleistung wie bei einer Leuchtdi ode benötigte el. Strom nur etwa 10% beträgt, kann die Laserdiode in unmittelbarer Nähe zum Loch 5 in der inneren Elektrode nahe am Halbleiter ohne Fokussierungsein richtung angeordnet werden, ohne daß das beschriebene elektromagnetische Einkop peln besonders störend wird. Werden die Ansteuerelektronik der Lichtquelle sowie die Verstärkungs- und Frequenzfilterelektronik des Detektorkreises im Meßkopf 4 und in unmittelbarer Nähe zur Lichtquelle 1 bzw. zu den Elektroden 2, 3 angeordnet, kann der Meßkopf über ein Kabel mit der Auswerte- und Stromversorgungselektronik verbunden werden, ohne daß sich Verluste oder elektrisches Übersprechen in den Zuleitungen störend bemerkbar machen.

Durch eine spezielle elektronische Schaltung zur Ansteuerung der Lichtquelle, wie sie in Fig. 4 aufgeführt ist, können störende Strompulse auf den Leitungen weiter reduziert werden. Durch Parallelschaltung des Schalttransistors T, der über eine an die Basis gelegte Wechselspannung geschaltet wird, mit der Lichtquelle LD kann der Be triebsstrom entweder durch die Lichtquelle (Transistor offen) oder durch den Transistor fließen. Dadurch fließt durch den Vorwiderstand R_v und die Versorgungsleitungen ein nahezu konstanter Strom mit nur geringem Wechselstromanteil im Rhythmus der Pulsfrequenz.

Eine weitere Verbesserung der Meßempfindlichkeit wird durch den Aufbau und die ge eignete Dimensionierung der Durchmesser der Meßelektroden 2 und 3 erreicht. So muß der Durchmesser der inneren, flächig ausgebildeten Elektrode 2 den Durchmesser der beleuchteten Fläche des Halbleiters um 10 mm bis 15 mm übertreffen. Diese Elek trode hat in ihrem Zentrum ein Loch 5, durch welches das gepulste Licht der Lichtquelle 1 auf den Halbleiter trifft. Diese Elektrode ist im Vergleich zu dem im US-Patent 4,551,674 beschriebenen Elektrodentyp wesentlich einfacher aufgebaut. Sie besteht aus einer kleinen Metallplatte und nicht, wie im obengenannten US-Patent, aus einer für das Licht der verwendeten Lichtquelle transparenten Trägerplatte, mit einer zusätz lich aufgebrachten, elektrisch leitenden, ebenfalls lichtdurchlässigen Schicht zum kapa zitiven Abgreifen des el. Feldes über dem Halbleiter. Die innere Elektrode 2 ist im Abstand von 1 bis 2 mm von der zweiten, ringförmigen und ebenfalls flächigen Elektro de 3 umgeben, die das Potential des neutralen Halbleiters erfaßt. Sie kann Teil des metallischen Gehäuses des Meßkopfes 4 sein. Aus der durch die an die elektrische Feldverteilung auf dem Halbleiter angepaßte Elektrodengeometrie erhöhten Meßsignal stärke ergeben sich zwei Vorteile:

1. Bei der Bestimmung des Leitungstyps kann ein größerer Abstand vom Meßkopf zum Halbleiter eingehalten werden (bis zu mehrere mm), was eine wesentliche Verbesse rung gegenüber dem Stand der Technik (empfohlener Abstand bei NAPSON PN-30: 0.3 mm) bedeutet.
2. Da mit steigender Dotierstoffkonzentration im Halbleiter die Größe des Meßsignals abnimmt, kann durch die verbesserte Empfindlichkeit der Leitungstyp von stärker do tiertem Material an polierter Oberfläche bis zu einem spezifischem Widerstand von un gefähr 20 mΩcm gemessen werden.

Durch Anordnung eines Reflex-Lichtsensors in einem Loch in der inneren Elektrode 2 kann von der Halbleiteroberfläche reflektiertes Licht, das von der Lichtquelle stammt, aufgefangen werden und so die Annäherung einer zu untersuchenden Halbleiterprobe erkannt werden. Damit kann die Messung des Leitungstyps gestartet werden oder über einen Signalausgang der Zeitpunkt der Messung an eine externe Einheit zur weiteren Verarbeitung der ausgegebenen Signale, beispielsweise ein Personal Computer, mit geteilt werden (Anspruch 8).

Anwendung

Das beschriebene Meßverfahren dient in der Produktion und Entwicklung von Halblei termaterialien dazu, den Leitungstyp berührungslos, d. h. ohne mechanische Beschädi gung und Verunreinigung mit Fremdstoffen zu ermitteln und dadurch Aufschlüsse über das elektrisch aktive Dotierelement zu erhalten. Es hilft außerdem, Verwechslungen von Halbleitermaterialien zu vermeiden.

Ausführungsbeispiele

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und im fol genden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch eine Ausführung der Meßsonde mit Linsensystem 7 zur Lichtbündelung. Durch das Loch 5 in der inneren ringförmigen Meßelektrode 2 trifft das gepulste Licht der Lichtquelle 1 auf die zu messende Halbleiterprobe.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit Lichtleiter 6 zur Lichtbündelung. Der Lichtleiter ragt bis zu dem Loch 5 in der inneren Meßelektrode 2. Er beginnt unmittelbar vor der Lichtquel le 1, um möglichst viel Licht aufzufangen.

In Fig. 3 wird als Lichtquelle eine Laserdiode verwendet, die, von der Metallplatte gehal ten, sehr nahe über dem Loch der inneren Meßelektrode 2 angeordnet ist. Da das emit tierte Licht der Laserdiode sich durch geringe Divergenz auszeichnet, kann auf eine Vorrichtung zur Lichtbündelung verzichtet werden. Ansteuer- und Detektorelektronik sind durch eine Metallplatte getrennt.

Fig. 4 zeigt den letzten Teil der Ansteuerelektrode für die Laserdiode LD. Liegt an der Basis von Transistor T ein positiver Steuerpuls, so fließt ein Großteil des Stroms durch die vorgeschaltete Diode und den Transistor T, so daß der Reststrom durch die Laserdi ode unterhalb des Schwellwertes für die Lasertätigkeit liegt. Bei offenem Transistor T ist der Strom durch die Laserdiode von der Betriebsspannung U_B und vom Vorwider stand R_v begrenzt. Durch das Hin- und Herschalten des Stromes zwischen beiden Zweigen sind die Stromschwankungen auf den Zuleitungen stark reduziert.

Claims

1. Optisch-elektrisches Meßverfahren zur berührungslosen Bestimmung des Leitungstyps von Halbleitermaterialien, bei dem zur optischen Anregung von Ladungsträgern im Halbleiter Licht einer einzigen Lichtquelle (1) auf der Oberfläche des Halbleiters gebündelt und die da durch entstehende elektrische Spannung an derselben Oberfläche durch zwei ringförmige, um das Lichtbündel konzentrisch angeordnete Elektroden (2, 3) abgegriffen wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle gepulstes Licht sendet.

3. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Polarität der abgegriffenen Spannung der Leitungstyp des Halbleitermaterials bestimmt wird.

4. Opto-elektrischer Meßkopf für die Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer einzigen, in einem Gehäuse angeordneten Licht quelle (1), deren Licht zu einer Austrittsöffnung (5) hin gebündelt ist, und mit zwei ringförmigen, kon zentrisch zu der Austrittsöffnung (5) angeordneten Elektroden (2, 3).

5. Meßkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere der beiden Elektroden (2) flächig ausgebildet ist und in ihrem Zentrum ein Loch als Lichtaustriftsöffnung (5) auf weist.

6. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Leuchtdiode ist.

7. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Laserdiode ist.

8. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unter einem Loch in der inneren Elektrode ein Lichtsensor angebracht ist, der von der Halbleiteroberflä che reflektiertes Licht der Lichtquelle detektiert.

9. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bündelung des Lichts unmittelbar vor der Lichtquelle ein Lichtleiter (6) angeordnet ist.

10. Meßkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (6) eine Glasfaser ist.

11. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bündelung des Lichts zur Austrittsöffnung hin ein Linsensystem (7) vorhanden ist.

12. Meßkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (1) direkt in der Austrittsöffnung (5) oder in unmittelbarer Nähe dazu angeordnet ist.

13. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse Elektronikeinrichtungen für den gepulsten Betrieb der Lichtquelle, für die Verstärkung und Frequenzfilterung des detektierten Spannungssignals und für den Betrieb des elektrischen Lichtsensors vorhanden sind.

14. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch messer der inneren Elektrode (2) so bemessen ist, daß er den Durchmesser der auf dem Halbleiter beleuchteten Fläche um 10-15 mm übertrifft.

15. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (3) die innere (2) im Abstand von 1-2 mm umgibt.

16. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (3) flächig ausgebildet ist.

17. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (3) Teil des metallischen Gehäuses (4) des Meßkopfes ist.

18. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Durchmesser von etwa 3 cm und eine Länge von etwa 10 cm aufweist.

19. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß er über ein Kabel mit einer Auswerteelektronik verbindbar ist.

20. Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß für den gepul sten Betrieb der Lichtquelle ein Transistor (T) zur Lichtquelle (LD) parallel geschaltet ist, wo durch ein Großteil des Betriebsstroms der Lichtquelle im Rhythmus der Pulsfrequenz ab wechselnd durch die Lichtquelle (LD) oder durch den Schalttransistor (T) fließt.