DE4412297C2 - Verfahren zur Rekombinationslebensdauermessung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rekombinationslebensdauer freier Ladungsträger in Halbleiterproben.

Die Lebensdauer freier Ladungsträger, wie Elektronen und Löcher in Halbleitern ist eine wichtige Größe für die Materialcharakterisierung und für potentielle Anwendungen, wie die Herstellung von Bauelementen. Bei einkristallinem Halbleitermaterial wird die Lebensdauer von Elektronen und Löchern durch Band-Band-Rekombination, Auger-Rekombination und Rekombination über Störstellen bestimmt. Sie liegt bei direkten Halbleitern größenordnungsmäßig im ns-Bereich, bei Halbleitern mit indirekter Bandlücke im µs-Bereich. Bei der Materialcharakterisierung ist man bestrebt, die Lebensdauer möglichst eindeutig zu bestimmen und mit anderen Material­ größen wie Ladungsträgerkonzentration, Störstellenkon­ zentration oder Bandabstand etc., in Beziehung zu setzen. In Bezug auf potentielle Anwendungen, also die Herstellung von Halbleiterbauelementen kommt es zumeist darauf an, die Rekombination nach Möglichkeit zu vermeiden, also die Lebensdauer freier Ladungsträger zu erhöhen, um die Eigen­ schaften eines Bauelements, z. B. den Wirkungsgrad einer Solarzelle zu steigern. Bei Solarzellen und Photodioden stellt die Rekombination optisch generierter Ladungsträger, ob direkt (Band-Band) oder über Rekombinationszentren einen Verlustfaktor dar, der den Wirkungsgrad des Bauelements erniedrigt.

In bestimmten Fällen, z. B. bei Hochfrequenzbauelementen, besteht andererseits das Bestreben, die Rekombination zu erhöhen. Wünschenswert sind deshalb insbesondere Verfahren, die es gestatten, Lebensdauern von Ladungsträgern einzu­ stellen, z. B. dadurch, daß die Rekombination an der Ober­ fläche kontrolliert und reversibel modifiziert wird.

Im Volumen des Halbleitermaterials ("bulk") ist je nach Material die Rekombinationszeit der Ladungsträger durch die strahlende Band-Band-Rekombination oder die Auger-Rekom­ bination nach oben begrenzt. Mit zunehmender Konzentration an Störstellen nimmt die Rekombination über die als Re­ kombinationszentren wirkenden Störstellen zu. An der Oberfläche selbst treten unabgesättigte Bindungen ("dangling bonds") auf. Bei einem Halbleiterelement mit freiliegender Oberfläche ist daher die Rekombinations-Lebensdauer in einer oberflächennahen Schicht erheblich niedriger als im Volumen und erreicht ein Minimum direkt an der Oberfläche.

Neben der bei Bauelementen wie Solarzellen abnehmenden Energieausbeute ist dies bei Lebensdauermessungen auch deshalb von Nachteil, da der gemessene zeitliche Abfall einer instantan, z. B. durch laseroptische kurzzeitige Anregung erzeugten Ladungsträgerkonzentration nicht nur die Volumenlebensdauer, sondern auch die Oberflächenlebensdauer enthält und die jeweils interessierende Lebensdauer wenn überhaupt dann nur durch aufwendige Anpassungsprogramme ermittelt werden kann.

Um diesem Problem zu begegnen, wird im Stand der Technik meist eine Oberflächenpassivierung durchgeführt. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß auf die Halbleiteroberfläche thermisch eine Oxidschicht aufgebracht wird, wie Silicium­ dioxid (SiO₂) auf Silicium. Hierbei gilt jedoch, daß im allgemeinen die Qualität der Oberflächenpassivierung bei höheren Prozeßtemperaturen des thermischen Aufwachsens zunimmt. Die Verwendung hoher Temperaturen ist jedoch bei der Prozessierung von vielen Halbleiterbauelementen uner­ wünscht. Ein anderes Verfahren ist die Wasserstoffpassi­ vierung, bei der die an der Oberfläche liegenden elektroni­ schen Defekte durch Aufbringen von Wasserstoff abgesättigt werden. Dieses Verfahren findet z. B. in der Solarzellen­ forschung breite Anwendung. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die Probe einer Flußsäure-(HF)Behandlung ausgesetzt wird, die zum einen sehr gefährlich und zum anderen nicht dauerhaft ist, da der Wasserstoff nur eine begrenzte Zeit an der Probenoberfläche haften bleibt.

Die genannten Verfahren haben darüber hinaus weitere Nachteile. Das Aufbringen einer thermischen Oxidschicht ist nur bei solchen Halbleitermaterialien möglich, die ein natürliches Oxid bilden, wie Silizium, nicht jedoch z. B. GaAs. Auch das Verfahren der Wasserstoffpassivierung eignet sich nicht bei allen Halbleitermaterialien. Zudem sind die genannten Verfahren auch nur in Bezug auf die in einer sehr dünnen, oberflächennahen Randschicht liegenden Defekte wirksam, während etwas tiefer im Material liegende Defekte meist unbeeinflußt bleiben. Durch die genannten Verfahren kann die Oberflächenrekombination somit nur unzureichend und unter unverhältnismäßig großem prozeßtechnischem Aufwand vermindert werden.

Aus der Patentanmeldung DD 84-3 03 835 ist ein Verfahren zur kapazitiven Messung der Volumengenerationsrate bzw. der Minoritätsträgerlebensdauer an MIS-Testkondensatoren bekannt, bei dem parasitäre Ladungsträgergenerationsräume außerhalb des Bereiches einer Testelektrode mittels einer Koronaentladung mit einer Polarität, die zu der Majoritätsträgerpolarität entgegengesetzt ist, beseitigt werden.

In der Publikation von R. Hezel (Solid State Electronics, 1981, Bd. 24, Nr. 9, S. 863 ff.) wird die chemische Passivierung von Halbleiteroberflächen mittels SiN-Schichten beschrieben, durch die die Zustandsdichte in Grenzflächennähe des Halbleiters verringerbar ist.

D. K. Schroder et al. (Solid State Electronics, 1970, Bd. 13, S. 577 ff.) beschreiben ein Verfahren zur Ermittlung von Volumengenerationsraten an MISFET-Strukturen, bei dem Oberflächenrekombinationseinflüsse rechnerisch korrigiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Rekombinationslebensdauer freier Ladungsträger in Halbleiterproben anzugeben, mit dem insbesondere Effekte der Oberflächenrekombination auf die Rekombinationslebensdauer reduzierbar sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wählt im Gegensatz zum Stand der Technik nicht den bisweilen aufwendigen und zumeist nicht sehr effektiven Weg einer strukturellen Veränderung der im oberflächennahen Bereich liegenden Defekte des Halbleiterelements. Gemäß der Erfindung können diese Defekte im Prinzip unverändert bleiben. Verhindert wird jedoch, daß im Halbleiter frei bewegliche Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) in die defektreiche, oberflächennahe Zone eindringen und dort bei den als Rekombinationszentren wirkenden Defekten rekombi­ nieren. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf der Oberfläche des Halbleiterelements eine Isolatorschicht abgeschieden wird und auf dieser dann elektrische Ladungen aufgebracht werden. Durch diese Maßnahmen wird die Dichte der Ladungsträger (wahlweise Elektronen oder Löcher) an den Orten einer hohen Zustandsdichte an Trap- oder Rekombi­ nationszentren verringert.

In Fig. 1 ist die Wirkungsweise der Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt.

Wie in Fig. 1A dargestellt ist, wird zunächst auf einer Halbleiterprobe 1, z. B. aus Silicium (Si) ein Oxid 2, in diesem Fall also Siliciumdioxid (SiO₂) abgeschieden. Die Abscheidung kann bei niedriger Temperatur durchgeführt werden. Dabei kann in Kauf genommen werden, daß an der Grenzfläche Si/SiO₂ eine höhere Dichte an Grenzflächen­ zuständen entsteht, als sie bei einer Prozeßführung mit hoher Temperatur erwartet werden würde. Es kann auch, ins­ besondere bei einem Halbleitermaterial, das kein natürliches Oxid bildet, wie GaAs, ein anderes Isolatormaterial (z. B. Glas, Photolack oder Kunststoffe) aufgebracht werden. Dies kann zum Beispiel auch dadurch geschehen, daß der Isolator nicht in einem Wachstumsprozeß auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, sondern zunächst davon gesondert her­ gestellt wird, mit elektrischen Ladungen beaufschlagt wird und erst dann auf die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht wird. Auf der Isolatorschicht 2 werden dann elektrische Ladungen 3, z. B. Elektronen, aufgebracht. Wie Fig. 1B schematisch zeigt, werden durch die negativen Ladungsträger das Leitungs- und Valenzband des Halbleiters nach oben gebogen. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld im Inneren des Halbleiterelements durch das im Leitungsband befind­ liche Elektronen aus dem oberflächennahen Bereich in das Innere der Probe gezogen werden. Die Oberflächenzone verarmt je nach dem Vorzeichen der elektrischen Ladungen und der Bandverbiegung an einem bestimmten Typ von Ladungsträgern Im vorliegenden Fall sind dies die Elektronen als Minori­ tätsträger in p-leitendem Si.

Die in Fig. 1B eingezeichneten Pfeile deuten schematisch an, wie durch Lichtabsorption Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angeregt werden, wobei der Einfachheit halber nur die Absorption nahe der Bandkanten dargestellt ist. Je nach der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe des Lichts werden die Ladungsträger bei frontalem Lichteinfall teilweise in der bandverbogenen Oberflächenschicht des Halbleiters erzeugt. Diese Ladungsträger driften dann unter dem Einfluß des elektrischen Feldes sehr schnell in Bereiche fern der Oberfläche des Halbleiters, in denen die Dichte an Re­ kombinationszentren niedrig ist. Teilweise werden die Ladungsträger auch in tiefer liegenden Bereichen des Halb­ leiters mit nichtverbogener Bandstruktur generiert. Die Bandverbiegung hindert diese Ladungsträger von vornherein daran, in oberflächennahe Bereiche zu diffundieren. Bei Lebensdauermessungen wird somit im wesentlichen nur noch die Ladungsträgerlebensdauer des Volumenhalbleiters gemessen. Die Oberflächenrekombination wird durch dieses Verfahren wirkungsvoll unterdrückt, ohne daß die oberflächennahen Defekte selbst strukturell verändert werden müssen. Die Oxidschicht 2 kann daher auch bei niedrigen Temperaturen aufgewachsen werden. Auch können andere Passivierschichten (z. B. Nitride) als Oxide eingesetzt werden.

Wie Experimente gezeigt haben, können die Ladungsträger sehr wirkungsvoll durch eine Koronaentladung aufgebracht werden. Bei derartigen Koronaentladungen wird eine auf negativem oder positivem Potential liegende Spitze in einem Abstand zu der Oberfläche der Probe positioniert, so daß geladene Luftmoleküle auf die Oxidoberfläche aufgesprüht werden. Hierbei ist zum Beispiel auch vorstellbar, daß andere Elemente oder Verbindungen in ionisierter Form auf die Isolatoroberfläche aufgebracht werden, wenn das Verfahren in der Atmosphäre einer gewünschten Spezies durchgeführt wird. Bei den Experimenten wurden p-leitende Si-Wafer mit einer Dicke von 280 um und einem spezifischen Widerstand von etwa 1 Ωcm verwendet, auf die ein thermisches Oxid in einem Temperaturbereich um 1000° aufgebracht wurde. Dieses Oxid wurde jedoch anschließend nicht weiter optimiert hinsicht­ lich der Qualität der Grenzfläche Si/SiO₂. Jedoch konnten durch negative wie positive Aufladung der Isolatorschicht mit Hilfe der Koronaentladung elektrische Felder von mehr als 1 MV/cm in der Nähe der Oberflächenzone des Halbleiters erzeugt werden. Die gemessene effektive Ladungsträgerlebens­ dauer (Anregungswellenlänge 1,046 µm) stieg dabei von 17 µs (mit auf beiden Seiten des Wafers ungeladenen Oberflächen) auf 833 µs (mit auf beiden Seiten geladenen Oberflächen). Der letztgenannte Wert stellt wahrscheinlich in guter Näherung die Volumenlebensdauer von Ladungsträgern in der verwendeten Probe dar.

Es können also auch positive Ladungen aufgebracht werden, wobei die elektronischen Bänder sich dann natürlich in umgekehrter Richtung verbiegen.

Für Lebensdauermessungen kann das beschriebene Verfahren dafür verwendet werden, bei einer beliebigen Halbleiter­ materialprobe zunächst die Volumenlebensdauer sehr genau zu bestimmen und dann bei ein und derselben Probe mit Hilfe der bekannten Volumenlebensdauer die Oberflächenlebensdauer der Ladungsträger an einer auf der Probe abgeschiedenen Metall- oder Isolatorschicht zu bestimmen. Hierfür wird der Wafer zunächst beidseitig mit einer Isolator- oder Oxidschicht versehen, auf die dann, wie schon beschrieben, elektrische Ladungen aufgebracht werden. Dann wird eine Lebensdauer­ messung durchgeführt, die im wesentlichen die Volumenlebens­ dauer liefert. Soll nun beispielsweise die Oberflächen­ lebensdauer an einer der schon vorhandenen Oxidschichten gemessen werden, so müssen lediglich die dort vorhandenen elektrischen Ladungen wieder entfernt werden, worauf eine neue Lebensdauermessung durchgeführt wird. Diese Messung liefert dann eine effektive Lebensdauer, aus der über die bekannte Volumenlebensdauer verhältnismäßig einfach die Oberflächenlebensdauer an der betreffenden Oxidschicht bestimmt werden kann. Wenn hingegen die Rekombinationseigen­ schaften an einer gänzlich neuen, noch aufzubringenden Schicht ermittelt werden sollen, so muß auf einer Seite der Probe die Oxidschicht abgeätzt werden, worauf anstelle der Oxidschicht je nach Wahl beispielsweise eine Metallschicht oder eine andere Isolatorschicht aufgebracht wird. Wenn nun wieder eine Lebensdauermessung durchgeführt wird, kann aus der effektiven Lebensdauer und der bekannten Volumenlebens­ dauer, wie schon oben beschrieben, auch die Oberflächen­ lebensdauer an der neu aufgebrachten Schicht relativ einfach ermittelt werden.

Für Lebensdauermessungen ist das bis hierhin beschriebene Verfahren also bereits jetzt voll einsetzbar. Bei Anwendun­ gen auf dem Bereich Solarzellen muß noch dafür gesorgt werden, daß die aufgesprühten Ladungen auch für längere Zeit an der Oberfläche des Oxids haften bleiben. Dies kann zum Beispiel durch Aufbringen einer zusätzlichen Deckschicht 4, wie in Fig. 1A dargestellt, gewährleistet werden. Die Deck­ schicht 4 kann z. B. thermisch aufgewachsen werden. Sie kann auch aus einer Isolatorplatte bestehen, die auf die Iso­ latorschicht 2 aufgebracht wird und mit ihr z. B. durch Bonden verbunden wird. Die Deckschicht 4 kann aber zum Beispiel auch eine Kunststoff-Folie sein. Weiterhin kann die Deckschicht 4 auch aus einem Material mit großer Bandlücke bestehen, wie SiC oder Diamant.

Das beschriebene Verfahren ist jedoch nicht nur für Solar­ zellen wichtig, sondern allgemein für alle Bauelemente, deren Funktion durch Einstellung der Oberflächenrekombi­ nation verbessert werden kann, z. B. Photodioden oder Hoch­ frequenzbauelemente.

Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens ist, daß die Halb­ leiterprobe bei der Passivierung mechanisch nicht beein­ trächtigt wird und die Oberflächenrekombination zugleich wirkungsvoll unterdrückt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Rekombinationslebensdauerbestimmung an freien Ladungsträgern in einer Halbleiterprobe, deren Ober­ fläche mindestens zum Teil eine elektrische Isolatorschicht (2) trägt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

• a) Aufladen der Isolatorschicht (12) durch Aufbringen von elektrischen Ladungen (3) auf die Oberfläche der Isolator­ schicht (2) derart, daß freie Ladungsträger eines Ladungs­ trägertyps in der Halbleiterprobe von einem oberflächen­ nahen Bereich in einen Volumenbereich verschoben werden; und
• b) Messung einer Rekombinationslebensdauer der Ladungsträger in dem Volumenbereich der Halbleiterprobe, der von der geladenen Isolatorschicht (2) bedeckt ist, mit einem an sich bekannten Verfahren, wobei die gemessene Rekombi­ nationslebensdauer eine Volumen-Rekombinationslebensdauer ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ladungen (3) durch eine Koronaentladung aufgebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ladungen (3) ionisierte Gasmoleküle sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (2) ein Oxid des Halbleitermaterials ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium und die Isolatorschicht (2) Siliciumdioxid ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiterprobe das Oxid in einem Temperatur­ bereich 0° bis 1200°C aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolatorschicht (2) aus Glas besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Verfahrensschritt, in dem auf die Isolatorschicht (2) und auf die auf ihrer Oberfläche befindlichen elektrischen Ladungen (3) eine Deckschicht (4) aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:

• c) Messung einer effektiven Rekombinationslebensdauer freier Ladungsträger in einem Bereich der Halbleiterprobe, der Beschichtung in einem ladungsfreien Zustand trägt; und
• d) Ermittlung einer Oberflächen-Rekombinationslebensdauer aus der effektiven Rekombinationslebensdauer und der Volumen-Re­ kombinationslebensdauer.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung die Isolatorschicht (2) ist und vor Schritt c) elektrische Ladungen von der Isolatorschicht (2) entfernt werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die enthält:
eine Koronaentladungs-Einrichtung zum Aufbringen von elektri­ schen Ladungen (3) auf die Isolatorschicht (2);
eine Einrichtung zur laseroptischen Messung der Ladungs­ träger-Lebensdauer.