DE60123971T2

DE60123971T2 - Verfahren zur schnellen und genauen bestimmung der minoritätsträgerdiffusionslänge aus gleichzeitig gemessenen oberflächenfotospannungen

Info

Publication number: DE60123971T2
Application number: DE60123971T
Authority: DE
Inventors: Jacek Tampa LAGOWSKI; Vladimir Moscow FAIFER; Andrey Tampa ALEYNIKOV
Original assignee: Semiconductor Diagnostics Inc
Current assignee: Semiconductor Diagnostics Inc
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: TWI230262B; DE60123971D1; JP2004503100A; EP1311825A4; EP1311825B1; AU2001281291A1; EP1311825A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Bestimmung von Minoritätsträger-Diffusionslängen, und insbesondere eine schnelle und genaue Bestimmung von Minoritätsträger-Diffusionslängen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Betriebsverhalten und die Zuverlässigkeit von Halbleiter, elektronischen und optoelektronischen Vorrichtungen und den integrierten Schaltungen, in welchen sie enthalten sind, hängt von der Reinheit des Halbleiters ab, aus welchem die Vorrichtungen ausgeführt sind. Insbesondere verschlechtert der Pegel von Schwermetallverunreinigungen (z.B. Fe, Cr und andere Metalle), die in den Halbleiter während einer Herstellung und Verarbeitung eingeführt werden können, das Betriebsverhalten und verringert die Herstellungsausbeute.
Ein Maß einer Halbleiterverunreinigung ist die Minoritätsträger-Diffusionslänge L. Dieser Parameter ist der effektive Abstand, um den Überschuss-Minoritätsträger in einen Halbleiter während ihrer Lebensdauer diffundieren. Der Wert der Minoritätsträger-Diffusionslänge wird als ein Indikator für die Reinheit des Halbleitermaterials verwendet. L gibt ein Maß der Verunreinigungskonzentration in dem Halbleiter, weil Schwermetalle als Rekombinationszentren fungieren, die die Minoritätsträger-Lebensdauer verringern. Folglich verringern hohe Konzentrationen von Verunreinigungen die Minoritätsträger-Diffusionslänge. In typischer Weise wird die Diffusionslänge in Silizium-Wafern zu verschiedenen Stadien einer Fertigung von mikroelektronischen Chips gemessen, um die Konzentration von potenziell schädlichen Verunreinigungen zu messen, die versehentlich in den Wafer eingeführt worden sind. Ein häufiges Überwachen der Minoritätsträger-Diffusionslänge hilft dabei zu identifizieren, wann ein gege bener Prozess oder ein gegebenes Werkzeug beginnt, Wafers über einen zulässigen Pegel hinaus kontaminieren. Eine präventive Wartung von Verarbeitungsgerät oder ein Ersatz von Chemikalien, die in diesem Stadium ausgeführt werden, hilft, große Herstellungsverluste zu vermeiden.
Eine übliche Technik zum Messen von Diffusionslängen schließt ein Richten eines Lichtsignals auf einen Halbleiter ein, um eine Oberflächenphotospannung zu erzeugen. Eine Oberflächenphotospannung ergibt sich, wenn die Energie der einfallenden Photonen oberhalb der Halbleiterbanklücke ist, derart, dass sie Überschussträger (Löcher und Elektronen) erzeugt. Als Folge einer Photogeneration, Rekombination und Diffusion wird ein Konzentrationsprofil der Überschussladungsträger unterhalb der Oberfläche des Halbleiterwafers eingerichtet. Größere Überschussträgerkonzentrationen nahe der Oberfläche des Halbleiterwafers verringern das elektrische Feld des Oberflächen-Raumladungsbereichs und erzeugen dadurch größere Oberflächenphotospannungs-Signale.
Bei bestimmten Diffusionslängenmessungen erzeugt eine Intensitätsmodulation des Lichtsignals eine AC-Oberflächenphotospannung, die wiederum ein elektrisches AC-Signal in einem Kondensator erzeugt, der durch den Halbleiterwafer und durch eine Elektrode, die nahe der Oberfläche des Halbleiters platziert ist, gebildet wird. Das elektrische AC-Signal wird daraufhin unter Verwendung eines Lock-In-Verstärkers gemessen, der auf die Lichtmodulationsfrequenz abgestimmt ist, um die Oberflächenphotospannung zu bestimmen. Vorrichtungen zum Bestimmen einer Diffusionslänge über Oberflächenphotospannungs-Messungen sind in der US-Patentanmeldung Nrn. 5,025,145, 5,663,657, 5,804,981, 5,581,194, 6,081,127 und 5,471,293 beschrieben. In typischer Weise verwenden die Diffusionslängen-Messtechniken, die in kommerziellen Instrumenten implementiert sind, aufeinanderfolgende Beleuchtungen des Halbleiters mit monochromatischen Strahlen, die jeweils in der gleichen Frequenzintensität moduliert sind, aber unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Unterschiedliche Lichtwellenlängen erzeugen Minoritätsträger in Bereichen, die sich in unterschiedlichen Tiefen unterhalb der Waferoberfläche erstrecken. Die entsprechenden AC-Oberflächenphotospannungen, die durch die unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden, werden sequenziell gemessen, d.h. eine nach der anderen, und die resultierenden Daten der Oberflächenphotospannung V über der Anregungslänge z (d.h. der Lichteindringtiefe) werden dann verwendet, um die Minoritätsträger-Diffusionslänge zu berechnen.
Die American Society for Testing and Materials (ASTM) empfiehlt zwei Verfahren, um eine Diffusionslänge durch ein Einsetzen nacheinander gemessener Oberflächenphotospannungs-Signale zu bestimmen. Siehe beispielsweise ASTM F391-96. In beiden dieser Verfahren ist die Diffusionslängenberechnung auf der stationären Zustandsgleichung für eine Überschussminoritätsträger-Konzentration an der Oberfläche basiert und ist für niedrige Lichtmodulationsfrequenzen und für Minoritätsträger-Diffusionslängen gültig, die kurz im Vergleich zu der Halbleiterwaferdicke sind.
Diese stationäre Zustandsgleichung ist gegeben durch den Ausdruck:
wobei Δn die Überschussminoritätsträger-Konzentration ist; L die Diffusionslänge ist; z die Eindringtiefe ist; Φ der einfallende Photonenfluss ist; R die Reflektivität des Halblei ters ist; D die Minoritätstrigger-Diffusionskonstante ist, D = kT/qμ, wobei k die Botzmann-Konstante ist, T die Temperatur ist, q die Elementarladung ist, und μ die Minoritätsträger-Mobilität ist; und S die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der vorderen Oberfläche des Halbleiters ist. Dieser Ausdruck ist in Moss, Journal Electronics and Control, 1, 126 (1955) abgeleitet.
Bei dem Konstantgrößenverfahren, eines der von ASTM empfohlenen Verfahren, wird der Photonenfluss Φ gemessen und wird eingestellt, um den gleichen Oberflächenphotospannungswert für jede Wellenlänge zu erhalten. Das Verfahren nimmt an, dass die Überschussträgerkonzentration Δn konstant ist, weil die Photospannung konstant ist. Die Diffusionslänge wird dann unter Verwendung der Gleichungen (1) für Δn = const. erhalten. Aus einem Plot des Photonenflusses Φ als eine Funktion der Lichteindringtiefe z wird die Diffusionslänge als der Schnittpunktwert bestimmt, L = –z_int at Φ = 0. Das Konstantgrößenverfahren ist beispielsweise weiter in Goodman, J. Appl. Phys. Band 32, S. 2550, 1961 und US-Patent Nr. 4,333,051 diskutiert.
Das zweite von ASTM empfohlene Verfahren, der lineare konstante Photonenfluss, beruht nur auf Messungen der Oberflächenphotospannung. Diese Messungen werden mit einer niedrigen Lichtintensität durchgeführt, so dass die sich ergebende Oberflächenphotospannung eine lineare Funktion des Photonenflusses ist. Unter diesen Bedingungen ist die Oberflächenphotospannung die direkt proportional zu der Minoritätsträger-Konzentration, oder V = const·Δn, wobei die Konstante von der Halbleiterdotierung und der Oberflächenladung abhängt, aber nicht von dem Photonenfluss abhängt. Bei diesem Verfahren ist die Messvorrichtung auf eine derartige weise aufgebaut, dass der effektive Photonenfluss, der in einen Halbleiter eintritt, Φ_eff = Φ(1 – R) für sämtliche Wellenlängen, und somit für sämtliche Eindringtiefen z konstant ist. Für kurze L-Werte wird die Diffusionslänge durch ein Plotten des Inversen des Photospannungssignals Φ_eff/V als eine Funktion der Eindringtiefe z erhalten. Ein Schnittpunktwert bei Φ_eff/V = 0 ergibt L = z_int. Dieses Verfahren ist weiter in den US-Patent Nrn. 5,025,145 und 5,177,351 und in Solid State Technology 35, 27 (1992) und in Semiconductor, Sci. Technology 7, A 185 (1992) diskutiert. Eine verbesserte Version dieses Verfahrens, die für eine lange Diffusionslänge geeignet ist, d.h. wenn die Minoritätstrigger-Diffusionslänge die Waferdicke überschreitet, ist auch in dem US-Patent Nr. 5,663,657 und in ASTM stock # STP1340, S. 125 (1998) von Lagowski et al., diskutiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Oberflächenphotospannungs-(SPV)-Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Minoritätstriggerdiffusionslänge L bereit, das schneller, z.B. zumindest doppelt so schnell als existierende Verfahren ist. Die Steigerung in der Geschwindigkeit wird durch ein Ersetzen einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Oberflächenphotospannungsmessungen durch eine einzelne gleichzeitige Messung sämtlicher Oberflächenphotospannungssignale (für sämtliche Eindringtiefen) in dem gleichen Zeitmoment ersetzt.
Die Vorrichtung der Erfindung verwendet ein Verfahren mit linearem konstantem Photonenfluss, das in dem voranstehenden Abschnitt beschrieben ist, um die Minoritätsträger-Diffusionslänge zu bestimmen. Die Vorrichtung beleuchtet alle Halbleiterwafer gleichzeitig mit einem Strahl, der einen Gesamtsatz von Wellenlängen enthält, anstelle mit aufeinander folgenden Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen. Jede Komponente des Strahls, d.h. jede monochromatische Wellenlänge in dem Satz ist mit einer unterschiedlichen Frequenz (d.h. λ₁ mit der Frequenz f₁, λ₂ mit der Frequenz f₂, etc.) anstelle mit der gleichen Frequenz moduliert. Amplituden und Phasen sämtlicher SPV-Signale, die durch jede unterschiedliche Wellenlänge erzeugt werden, werden unter Verwendung parallelen Lock-In-Verstärkereingängen gleichzeitig gemessen, die jeweils auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind. Beispielsweise werden die Photospannungsamplitude V_f1 und die Phase φ_f1 bei der Frequenz f₁ gemessen, und die Photospannung V_f2 und die Phase φ_f2 werden bei der Frequenz f₂ gemessen. Im Allgemeinen weist jede monochromatische Wellenlänge eine unterschiedliche Mittenwellenlänge und eine Linienbreite, volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) wie etwa gleich oder geringer als ungefähr 15 nm, 10 nm oder 5 nm auf.
In einem Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zum Analysieren von Halbleiterproben durch ein Bestimmen der Minoritätstriggerdiffusionslänge. Das Verfahren schließt ein gleichzeitiges Beleuchten eines Bereichs des Halbleiters mit einem Licht, das eine Mehrzahl von Wellenlängen einschließt, ein, wobei jede Wellenlänge innerhalb der Mehrzahl bei einer unterschiedlichen Frequenz moduliert wird, und wobei ein Lichtfluss für sämtliche Wellenlängen im Wesentlichen konstant und auf einem Pegel ist, um eine Oberflächenphotospannung als eine lineare Funktion des Flusses zu erzeugen; ein gleichzeitiges Erfassen einer Oberflächenphotospannung, die in dem Halbleiter für jede Wellenlänge der Mehrzahl von Lichtwellenlängen erzeugt wird; ein Korrigieren der Frequenzabhängigkeit der Oberflächenphotospannungen, um Frequenz-korrigierte Oberflächenspannungen zu erzeugen; und ein Be rechnen der Minoritätsträger-Diffusionslänge mit den Frequenz-korrigierten Oberflächenphotospannungen ein.
In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zum Analysieren von Halbleiterproben durch ein Bestimmen der Minoritätsträger-Diffusionslänge. Das Verfahren schließt ein gleichzeitiges Beleuchten eines Bereichs des Halbleiters mit Licht, das eine Mehrzahl von Wellenlängen einschließt, wobei jede Wellenlänge innerhalb der Mehrzahl von Wellenlängen bei einer unterschiedlichen Frequenz moduliert wird; und ein gleichzeitiges Erfassen einer Oberflächenphotospannung, die in dem Halbleiter durch zumindest zwei der Mehrzahl der Wellenlängen in dem Licht erzeugt wird, ein. Das Verfahren kann ferner einen Fluss jeder Wellenlänge in dem Licht einstellen, bis der Fluss für sämtliche Wellenlängen im Wesentlichen konstant und auf einem Pegel ist, wo eine Oberflächenphotospannung, die durch die Beleuchtung erzeugt wird, eine lineare Funktion des Flusses ist. Das Verfahren kann auch ein Korrigieren der Frequenzabhängigkeit der erfassten Photospannungen, um Frequenz-korrigierte Photospannungen zu erzeugen, und ein Berechnen der Minoritätsträger-Diffusionslänge mit den Frequenz-korrigierten Oberflächenphotospannungen einschließen.
Ausführungsformen dieser Aspekte können eine oder mehrere der Folgenden einschließen. Die Oberflächenphotospannungen werden durch eine Elektrode, die in der Nähe der beleuchteten Seite auf dem Halbleiter platziert ist, gleichzeitig erfasst werden. Jede der Oberflächenphotospannungen wird durch ein Überwachen der Amplituden der Oberflächenphotospannungen, die über die Elektrode bei jeder der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen des Lichts erfasst werden, überwacht. Das Verfahren schließt ferner ein Überwachen der Phasen der Oberflächenphotospannungen bei jeder der unterschiedlichen Modulati onsfrequenzen des Lichts ein. Ein Korrigieren der Frequenzabhängigkeit schließt ein Verwenden von zumindest einer überwachten Phase ein, um die Amplitude von zumindest einer Oberflächenphotospannung einzustellen. Die Phase und die Amplitude, die einzustellen ist, werden bei der gleichen Modulationsfrequenz überwacht. Ein Berechnen der Minoritätsträger-Diffusionslängen schließt ein Analysieren der Frequenz-korrigierten Oberflächenphotospannungen als eine Funktion der Lichteindringtiefe ein. Die Lichteindringtiefe ist gegeben durch z = [84,732/λ + (0,110/λ – 0,068)(Tw, – 293) – 76,417]–2 wobei T_w die Wafertemperatur und λ die Lichtwellenlänge ist. Ein Bestimmen von L, der Minoritätsträger-Diffusionslänge, schließt ferner ein Anpassen der Oberflächenphotospannung für jede Lichteindringtiefe an V = const.·Φ_efff(z), wobei
S_b die Rekombinationsgeschwindigkeit der hinteren Oberfläche ist, und v = D/L die Minoritätsträgergeschwindigkeit ist. Die Minoritätsträger-Diffusionslänge wird über den Ausdruck L = (z₁ – r₂₁z₂)/(r₂₁ – 1) bestimmt, wobei r₂₁ das Verhältnis der beiden Oberflächenphotospannungen ist, die den Eindringtiefen z₁ und z₂ zugeordnet sind. Ein Korrigieren der Frequenzabhängigkeit der Oberflächenphotospannungen schließt ein Neuberechnen der Oberflächenphotospannung in eine Oberflächenphotospannung einer niedrigen Frequenzgrenze ein. Ein Korrigieren der Frequenzabhängigkeit der Oberflächenphotospannungen schließt ein Neuberechnen der Oberflächenphotospannungen in eine einzelne Modulationsfrequenz ein. Die einzelne Modulationsfrequenz entspricht einer der Modulationsfrequenzen des Lichts. Jede der individuellen Wellenlängen in dem Licht dringt in den Halbleiter in unterschiedliche Eindringtiefen unterhalb der Oberfläche des Halbleiters ein.
In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen der Minoritätsträger-Diffusionslänge in einer Halbleiterprobe. Die Vorrichtung schließt eine verschiebbare Befestigung zum Halten einer Halbleiterprobe; ein Beleuchtungssystem zum gleichzeitigen Richten einer Mehrzahl von Lichtwellenlängen, die jeweils bei einer unterschiedlichen Modulationsfrequenz moduliert sind, auf eine Halbleiterprobe; und ein Detektorsystem zum gleichzeitigen Überwachen einer Mehrzahl von Oberflächenphotospannungen bei den unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ein.
In einem weiteren Aspekt schließt die Vorrichtung eine SPV-Sonde zum Messen der Oberflächenphotospannung eines Halbleiterwafers ein, wie in US-Patent Nr. 5,663,657 beschrieben. Die Sonde empfängt einen Lichtstrahl, der eine Mehrzahl von Wellenlängen (zumindest zwei) enthält, und leitet diesen auf die Oberflächen eines Halbleiterwafers, um eine Photospannung zu induzieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sonde mit einem Ende eines faseroptischen Bündels verbunden. Ein zweites Ende des Bündels teilt sich in eine Reihe von Faserkabeln, die modulierte Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und auch einen konstanten Lichtstrahl von einem „Detrapper" empfangen.
In einem weiteren Aspekt schließt die Vorrichtung ein Beleuchtungssystem mit Lichtquellen mehrfacher Wellenlängen und Vorrichtungen zum Modulieren der Intensität von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen ein. Vorzugsweise sind die Lichtquellen derart voreingestellt, dass sämtliche Wellenlängen die gleiche Amplitude eines effektiven Photonenflusses, d. h. Φ 0 / eff = Φ⁰(1 – R) aufweisen. Zusätzlich sollte das Beleuchtungssystem ein Ändern von Φ 0 / eff zulassen, um eine SPV-lineare Bedingung zu erhalten, bei welcher die Oberflächenphotospannung direkt proportional zu Φ 0 / eff ist. Diese beiden Aspekte sind wichtig, um das lineare SPV-Verfahren mit konstantem Photonenfluss zum Berechnen der Minoritätsträger-Diffusionslänge aus Messwerten der Oberflächenspannung zu verwenden.
Vorteile der Erfindung schließen einen oder mehrere der Folgenden ein. Die neue Vorrichtung und das Verfahren zum Messen von SPV beseitigt Fehler, die mit vorherigen Verfahren einhergehen, die durch Änderungen in dem Oberflächenzustand des Wafers zwischen aufeinander folgenden Messungen herbeigeführt werden. Beispielsweise erzeugt in vorhergehenden Messungen die Zeitverzögerung zwischen aufeinander folgenden SPV-Messungen für unterschiedliche Lichteindringtiefen, d.h. unterschiedliche Lichtwellenlängen einen Fehler in der Minoritätsträger-Diffusionslänge. Somit ist das Verfahren dieser Erfindung genauer und es ermöglicht es, kleinere Konzentrationen von Metallverunreinigungen in wesentlich kürzeren Zeiten zu messen.
Die Vorrichtung und das Verfahren verbessert auch die Geschwindigkeit und Genauigkeit einer Diffusionslängen-Kartierung gesamter Halbleiterwafer durch ein Erzeugen eines Verteilungsmusters einer metallischen Verunreinigung in jedem Wafer, um dazu beizutragen, Verunreinigungswerkzeuge und – prozesse während einer Herstellung zu identifizieren. Bei vorherigen Kartierungen des gesamten Halbleiterwafers wurden Messungen entlang bestimmter Abtastzeilen (d.h. ein Ring in dem Fall eines sich drehenden Wafers) zunächst für eine Wellenlänge, gefolgt von Messungen mit einer zweiten Wellenlänge durchgeführt. Die Verzögerung, typischerweise durchgeführt. Die Verzögerung, typischerweise 6 Sekunden, zwischen einem sequenziellen Messen der ersten und zweiten SPV führt zu Änderungen in dem Oberflächenzustand des Wafers, z.B. einer statischen Ladung, die durch eine Waferbewegung erzeugt wird, einer Oberflächenrelaxation nach vorangehenden chemischen Behandlungen und einer Adsorption oder Desorption, die durch Umgebungsladungen herbeigeführt wird. Diese Änderungen ändern den SPV-Signalwert und erzeugen dadurch Fehler bei der Diffusionslängenmessung. Fehler und entsprechende Artefaktmuster bei einem vollständigen Wafer-Kartieren, die aus vorhergehenden Verfahren erzeugt werden, werden in der vorliegenden Erfindung durch ein Durchführen von Messungen der Oberflächenphotospannung für sämtliche Wellenlängen zu genau der gleichen Zeit beseitigt.
Wie hierin verwendet, entspricht der Ausdruck Oberflächenphotospannung einer Verringerung der Oberflächenraumladungs-Breite während einer Beleuchtung und ihrer Wiederherstellung in der Dunkelheit. Die SPV-Signalamplitude nimmt mit der zunehmenden Lichtmodulationsfrequenz aufgrund einer langen Oberflächenraumladungs-Wiederherstellungszeit τ_R zu. Diese Zeit kann Größenordnungen größer als die fiktive Minoritätsträger-Lebensdauer sein und dann die Zeit, die erforderlich ist, um ein Konzentrationsprofil Δn im stationären Zustand in dem Wafer unterhalb des Raumladungsbereichs einzurichten. Wie in dem US-Patent Nr. 5,977,788 diskutiert, kann die Oberflächenphotospannung ausgedrückt werden als
wobei ω die Winkelfrequenz ω = 2nf ist, und V⁰ die Oberflächenspannungsamplitude für f → 0 ist. Die Wiederherstellungszeit τ_R bezieht sich auf die SPV-Signalphasenverschiebung durch einen alt bekannten Beziehungsausdruck, der von NAKHMANSON in Solid State Electronics, Band 18, Seite 617 (1975) hergeleitet ist: ωτR = tan–1(Δφ) (3)wobei Δφ die Phasenverschiebung zwischen dem Licht, das mit einer Winkelfrequenz ω moduliert ist, und dem SPV-Signal ist. Das Verfahren verwendet die SPV-Signalphasenverschiebungen Δφ_fi, Δφ_f2 ... Δφ_fk, die von dem Lock-In-Verstärker gleichzeitig mit der der Amplitude des SPV-Signals gemessen werden.
Der korrigierte Satz von SPV-Signalamplituden, d.h. V₁, V₂, ... V_k, die für die gleiche Frequenz wieder berechnet sind (vorzugsweise für die niedrigste Lichtmodulationsfrequenz f₁), die jeweils Lichteindringtiefen entsprechen, d.h. z₁, z₂, ... z_k, werden verwendet, um die Minoritätsträger-Diffusionslänge aus den alt bekannten SPV-Gleichungen für den stationären Zustand zu berechnen, die in dem US-Patent Nr. 5,663,657 diskutiert sind.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen einer Minoritätsträger-Diffusionslänge;
2 ein schematisches Diagramm der Vorrichtung der 1;
3 ein schematisches Diagramm eines alternativen Beleuchtungssystems, das in der Vorrichtung der 2 verwendet wird.
4 ein schematisches Diagramm eines alternativen Beleuchtungssystems, das in der Vorrichtung der 2 verwendet wird;
5 einen Graphen, in dem das Oberflächenphotospannungssignal als eine Funktion einer Lichtmodulation aufgetragen ist; und
6 ein Flussdiagramm, das eine Sequenz eines Schrittes zum Messen einer Minoritätsträger-Diffusionslänge darstellt.
BESCHREIBUNG DES VERFAHRENS
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Blockdiagramm einer automatisierten Vorrichtung 100 zum Messen der Minoritätsträger-Diffusionslänge in einem Halbleiter-Wafer gezeigt. Die Vorrichtung 100 schließt eine motorisierte Wafer-Stufe 1 zum Halten eines Halbleiter-Wafers (nicht gezeigt) während Minoritätsträger-Diffusionslängenmessungen ein. Ein Beleuchtungssystem beleuchtet den Halbleiter-Wafer, um eine Oberflächenphotospannung zu erzeugen. Eine SPV-Sonde 2 erfasst und sendet ein elektronisches Signal, d.h. SPV, zu einem Signalmonitor 4. Der Signalmonitor 4 sendet wiederum ein elektronisches Signal zu einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 5, die auf der Grundlage des Wertes der elektronischen Signale, die von dem Signalmonitor 4 empfangen werden, die Minoritätsträger-Diffusionslänge berechnet.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 hält die motorisierte Wafer-Stufe 1 einen Halbleiter-Wafer 8 mittels einer Vakuumansaugung auf einer Wafer-Einspanneinheit 9. Die Wafer-Stufe 1 positioniert den Halbleiter-Wafer 8 unter der SPV-Sonde 2, und die CPU 5 steuert die Bewegung der Wafer-Stufe 1 über eine Zweiweg-Kommunikationsleitung A. Die Wafer- Einspanneinheit enthält einen Temperatursensor (nicht gezeigt), um die Temperatur T_w des Halbleiter-Wafers 8 während der Minoritätsträger-Diffusionslängenmessungen zu messen. Der Temperatursensor sendet ein elektronisches Signal proportional zu dem Wert von T_w zu der CPU 5. Die CPU 5 verwendet diesen wert, um korrekte werte der Lichteindringtiefe z für jede Wellenlänge zu berechnen, die bei der Messung verwendet wird. Diese Berechnung wird unter Verwendung der empirischen Formel: z = [84,732/λ + (0,110/λ – 0,068)(Tw – 293 – 76,417]–2 (4)ausgeführt, wobei z und λ in Einheiten von Mikrometern ausgedrückt werden, und T_w in Einheiten von Grad Kelvin ausgedrückt wird.
Während eines Betriebs sendet die CPU 5 ein elektronisches Signal über eine Kommunikationsleitung B zu der SPV-Sonde 2, was die Sonde dazu veranlasst, sich abzusenken, bis eine transparente SPV-Aufnahmelektrode 6 einen Arbeitsabstand von der oberen Oberfläche des Wafers 8 erreicht. In typischer Weise beträgt der Arbeitsabstand ungefähr 250 μm oberhalb der Wafer-Oberfläche. Im Allgemeinen wird der Arbeitsabstand so eingestellt, dass die Vorrichtung 100 lange Diffusionslängen oder sehr niedrige Pegel einer Verunreinigung messen kann. Beispielsweise wird der Arbeitsabstand derart eingestellt, dass die Kapazität der Elektroden-Wafer-Anordnung groß genug ist, damit eine SPV-Elektrode von ungefähr 6 mm im Durchmesser Signale in dem Millivolt-Bereich mit einer Genauigkeit von ungefähr 1 Mikrovolt aufnimmt. Um ein SPV-Signal zu erzeugen, sendet ein Beleuchtungssystem 3 einen modulierten Lichtstrahl 7 über ein optisches Faserbündel 10 zu der SPV-Sonde 2. Der modulierte Lichtstrahl 7 läuft durch die transparente SPV-Aufnahme-Elektrode 6, die in der SPV-Sonde 2 an gebracht ist, und beleuchtet den Halbleiter-Wafer 8. Das Beleuchtungssystem 3 führt dem faseroptischen Bündel 10 über faseroptische Kabel 11, 20 und 23, die sich aus dem Bündel an dem der SPV-Sonde entgegengesetzten Ende abteilen, Licht zu.
Licht in einem faseroptischen Kabel 11 rührt von einer Halogenlichtquelle 14 her, das durch eine Iris 15 (die durch die CPU 5 gesteuert wird, um eine Strahlintensität einzustellen) läuft. Das Lichtsignal tritt aus der Iris 15 aus und breitet sich durch ein optisches Kabel 13 und einen Licht-Chopper 16 aus, der die Lichtamplitude mit einer Frequenz f₁ moduliert (beispielsweise 512 Hz). Das modulierte Licht breitet sich dann durch ein schmales Bandpassfilter 12 in einem optischen Rad 17 aus, um einen ersten modulierten monochromatischen Lichtstrahl zu erzeugen, der eine Wellenlänge λ₁ (beispielsweise 1,004 ± 0,005 μm) und eine Modulationsfrequenz f₁ aufweist, der durch das Faserkabel 11 und in das Faserbündel 10 läuft. Im Allgemeinen sollte die Linienbreite des Lichtsignals ungefähr 5 nm bei der vollen Halbwertsbreite bei halbem Maximum (FWHM, Full-Width at Half-Maximum) sein. Ein zweiter modulierter monochromatischer Lichtstrahl, der eine Wellenlänge λ₂ und eine Modulationsfrequenz f₂ hat, wird dem Faserbündel 10 über ein faseroptisches Kabel 23 zugeführt. Der zweite Lichtstrahl rührt von der Licht imitierenden Diode (LED) 21 her, die Licht bei der Wellenlänge λ₂ (beispielsweise eine GaAlAs-Diode, die bei 0,78 μm imitiert) imitiert. In typischer Weise werden die Wellenlängen des Lichtsignals so ausgewählt, dass sie einander nicht überlappen und dadurch in unterschiedliche Tiefen des Halbleiter-Wafers 8 eindringen. Licht von der LED 21 läuft durch einen schmalen Bandpassfilter 22 mit einer Transmission, die bei λ₂ zentriert ist, bevor sie in ein Kabel 23 eintritt. Der zweite Strahl wird bei einer Frequenz f₂, z.B. 572 Hz durch ein Modulieren der Energie moduliert, die von der LED-Energieversorgung 24 zu der LED 21 gesendet wird. Die Modulationsfrequenz wird durch die CPU 5 gesteuert.
Zusätzlich zu den ersten und zweiten modulierten Strahlen kann der Lichtstrahl 7 auch einen unmodulierten Lichtstrahl von einem Detrapper 18 enthalten. Der unmodulierte Lichtstrahl von dem Detrapper 18 läuft durch einen dicken Siliziumfilter 19, z.B. ungefähr 1 mm in der Dicke, um einen unmodulierten Lichtstrahl zu erzeugen, der verwendet werden kann, um eine gleichförmige Erzeugung von Überschussträgern einer typischen Dicke niedriger als 1 mm in Halbleiter-Wafern wie etwa Silizium zu erzeugen. Der unmodulierte Lichtstrahl von dem Detrapper 18 läuft durch ein faseroptisches Kabel 20 und in das faseroptische Bündel 10. Die unmodulierte Lichtkomponente erzeugt jedwedes AC-SPV-Signal nicht, wird stattdessen verwendet, um Minoritätsträger-Traps gleichförmig über der Dicke des Wafers zu sättigen. Oft sind Minoritätsträger-Traps in einem Silizium-Wafer vom p-Typ aus Barren, die durch das Czochralski-Verfahren aufgewachsen sind, vorhanden. Folglich können die Minoritätsträger-Traps, wenn sie nicht gesättigt sind, die Minoritätsträger-Diffusionslänge beträchtlich absenken, und dadurch eine zuverlässige Bestimmung der Metallverunreinigungen stören.
Der effektive Photonenfluss von Licht 7, das auf den Halbleiter-Wafer 8 fällt, weist eine Form: Φ = Φλ1cos(ω1t + φ10) + Φλ2cos(ω2t + Φ20) + ΦDet (5)auf, wobei ω die Winkelfrequenz der Lichtmodulation ist, ω₁ = 2πf₁ und ω₂ = 2πf₂, φ₀ die Phase des modulierten Lichts ist, Φ_λk (k = 1,2) die Photonenflussamplitude ist, bei welcher sich der Index 1 und 2 auf einen Lichtstrahl bezieht, der eine Wellenlänge von λ₁ und λ₂ aufweist; und Φ_Det der Photonenfluss des unmodulierten Lichtstrahls von dem Detrapper ist. In typischer Weise sind die Flüsse voreingestellt, um einen konstanten effektiven wert für reines Silizium aufzuweisen, wenn das Verfahren des linearen konstanten Photonenflusses zum Bestimmen der Minoritätsträger-Diffusionslänge verwendet wird.
Die Oberflächenphotospannung, die zwischen dem Wafer 8 und der Elektrode 6 durch den Fluss VΦ_eff erzeugt wird, ist unter Verwendung der Gleichung 5: V(t) = Vλ1cos(ω1t + φ1) + Vλ2cos(ω2t + φ2) (6)wobei V_λ1 und V_λ2 Amplituden von Signalkomponenten sind, und φ₁ und φ₂ Signalphasen sind. Die Elektrode 6 sendet ein elektronisches Signal proportional zu dem SPV-Signal über ein elektronisches Kabel 28 zu einem Vorverstärker 27 mit einem hohen Eingangswiderstand, der wiederum ein verstärktes elektronisches Signal zu zwei Eingängen in einem Lock-In-Verstärker 30 in dem Signalmonitor 4 (1) über ein elektronisches Kabel 29 sendet. Lock-In-Verstärker sind alt bekannt und werden häufig für eine präzise Messung von elektrischen AC-Signalen verwendet. Ein Beispiel eines Lock-In-Verstärkers mit zwei Eingängen ist das Modell 7265 DSP Lock-In-Verstärker, hergestellt durch EG&G Instruments, ansässig in Princeton, NJ. Der Lock-In-Verstärker 30 empfängt ein Referenzsignal 26 proportional zu der Modulationsfrequenz f₁ des Choppers 16 und ein Referenzsignal 25 proportional zu der Modulationsfrequenz f₂, bei welcher die LED-Energieversorgung 24 die LED 21 moduliert. Unter Verwendung der Modulationsfrequenzen f₁ und f₂ misst der Lock-In-Verstärker zwei SPV-Signalamplituden und -Phasen, wie obenstehend in Gleichung (6) beschrieben, z.B. eine, die von dem Teil des Lichts 7 erzeugt wird, das eine Wellenlänge λ₁ aufweist, die mit f₁ mo duliert ist, und eine andere, die aus dem Teil des Lichts 7 erzeugt wird, das eine Wellenlänge λ₂ aufweist, die bei f₂ moduliert ist. Der Lock-In-Verstärker 30 sendet elektronische Signale proportional zu den Amplituden und den Phasen beider SPV-Signalkomponenten zu der CPU 5 über elektronische Leitungen 31 und 32.
Ein Anfangsschritt bei Diffusionslängenmessungen bringt ein Verifizieren und Einstellen der Linearität der Oberflächenphotospannung durch ein Messen der Amplitude, die dem SPV-Signal V_λ2 mit der kürzeren Wellenlänge in dem oben beschriebenen Fall für zwei Werte des Photonenflusses φ_λ2 mit einem voreingestellten Verhältnis, z.B. einem Verhältnis von ungefähr 2,00 mit sich. In dem linearen Regime wird das Verhältnis des gemessenen SPV ungefähr gleich dem Photonenflussverhältnis. In der Praxis tritt eine akzeptable Linearität auf, wenn das SPV-Signalverhältnis innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs von dem idealen Verhältnis ist. Beispielsweise würde es ein typisches Linearitätskriterium erfordern, dass das SPV-Signalverhältnis gleich oder um ungefähr 1,975 größer ist, wenn das Photonenflussverhältnis auf ungefähr 2,00 gesetzt wird. In typischer Weise sind, wenn das beobachtete Verhältnis niedriger als das ideale Verhältnis ist, die Photonenflüsse zu hoch. Folglich verursachen die höheren Photonenflüsse unproportional höhere SPV-Signale. In diesem Fall ist ein Linearitätseinstellschritt erforderlich. Der Linearitätseinstellschritt bringt ein Einstellen des Photonenflusses mit sich, um ein lineares SPV zu erhalten. Im Allgemeinen erzeugt das Licht der kürzesten Wellenlänge das größte SPV-Signal und die größte Nichtlinearität. Folglich wird der Photonenfluss des Signals V_λ2 der kürzesten Wellenlänge eingestellt, um einen linearen SPV-Bereich zu erhalten. Wenn das Linearitäts-SPV-Kriterium für die kürzeste Wellenlänge erfüllt ist, ist es in typischer Weise auch für längere Wellen längen des Lichtstrahls, der den gleichen effektiven Photonenfluss aufweist, erfüllt. Folglich sind Linearitätseinstellungen für längere Wellenlängen nicht notwendig.
Für die oben beschriebene Vorrichtung schließt der Linearitätseinstellschritt ein Einstellen der Intensität des Lichts der kürzeren Wellenlänge, d.h. der LED-Emission oder des Photonenflusses Φ_λ2 ein, bis das Linearitätskriterium erfüllt ist. Die CPU 5 steuert den LED-Photonenfluss durch ein Einstellen der LED-Energieversorgung 24 derart, dass sie die Größe der Spannung ändert, die der LED 21 zugeführt wird. Die CPU 5 bestimmt, wie die Spannung einzustellen ist, indem eine Nachschlagtabelle einer LED-Ausgangsintensität über einer Versorgungsspannung, die in ihrem Speicher gespeichert ist, verwendet wird. Die CPU 5 kann auch den Photonenfluss Φ_λ1 des Lichts steuern, das eine Wellenlänge λ₁ aufweist, indem die Iris 15 eingestellt wird.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 sind andere zweckmäßige automatisierte Vorrichtungen zum Messen einer Minoritätsträger-Diffusionslänge gezeigt. Zur Vereinfachung zeigen die 3 und 4 nur das Beleuchtungssystem für jede Vorrichtung. In 3 breitet sich Licht von einer halogenen Lichtquelle 114 durch zwei faseroptische Kabel 136a, 136b in zwei Licht-Chopper 116 und 134 aus, die die beiden Lichtsignale bei unterschiedlichen Frequenzen f₁ bzw. f₂ modulieren. Die modulierten Lichtsignale von den Choppern 116 und 134 laufen durch getrennte schmale Bandpassfilter 135 und 112, die bei λ₁ und λ₂ zentriert sind, über optische Kabel 123 und 111 und in das faseroptische Bündel 110. In 4 imitiert eine lichtimitierende Diode 138 Licht bei einer Wellenlänge λ₁, das eine Modulation bei der Frequenz f₁ aufweist, und eine lichtimitierende Diode 121 imitiert Licht bei einer Wellenlänge λ₂, das eine Modulation bei einer Frequenz f₂ auf weist. Jedes Lichtsignal wird von schmalen Bandpassfiltern 139 bzw. 122 gefiltert, bevor es in das faseroptische Bündel 110 über faseroptische Kabel 111 und 123 übergeht. Energieversorgungen 124 und 137 für die lichtimitierenden Dioden 138 und 121 sind kalibriert und werden von der CPU (nicht gezeigt) für präzise Einstellungen der Photonenflüsse gesteuert.
Korrektur für Frequenzdifferenzen
Die Minoritätsträger-Diffusionslänge wird aus einer Abhängigkeit der Amplitude der AC-Oberflächenphotospannung von der Lichteindringtiefe berechnet. Wie in 5 gezeigt, neigen die SPV-Signalamplituden dazu, mit einer zunehmenden Lichtmodulationsfrequenz abzunehmen. Beispielsweise weist V_λ2|f = f₂, gemessen bei der Modulationsfrequenz f₂ einen niedrigeren Wert auf als V₂ = V_λ2|f = f₁ (d.h. hätte einen Wert V_λ2, wenn sie bei einer Frequenz f₁ gemessen würde). Folglich müssen die gemessenen SPV-Amplituden nicht erneut berechnet werden, um korrigierte Amplituden zu erhalten, die jeweils einer SPV-Amplitude entsprechen, die bei der gleichen Modulationsfrequenz aufgenommen ist. Vorzugsweise werden die Amplituden auf neue Amplituden erneut kalibriert, die bei einer vorausgewählten Modulationsfrequenz aufgetreten werden, die niedrig genug sind, um die Bedingung des stationären Zustands zu erfüllen. In typischer Weise werden die Amplituden auf jene Werte erneut kalibriert, die bei der kleinsten Modulationsfrequenz, die verwendet wird, aufgetreten wären. Die SPV-Amplituden werden unter Verwendung der Phasen des SPV-Signals erneut berechnet, die gleichzeitig mit den SPV-Amplituden gemessen werden. Es sind zwei Verfahren zum Neukalibrieren der SPV-Signalamplituden vorhanden.
Die erste Frequenzkorrektur ist ausgelegt, den Wert von V₂ aus dem Messwert von V_λ2|f = f₂ zu berechnen (d.h. wäre ein Wert V_λ2, wenn er bei einer Frequenz f₁ gemessen würde). Dann werden die Werte von V₂ und V_λ1, die bei der gleichen Frequenz f₁ entsprechen, für eine Berechnung der Diffusionslänge verwendet. Die zweite Frequenzkorrektur berechnet die SPV-Werte bei einer niedrigen Modulationsfrequenz für sämtliche SPV-Signale, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, d.h.
V 0 / λ1, V 0 / λ2 ... V 0 / λ. Die unteren Frequenzgrenzen können auch zum Berechnen der Diffusionslänge verwendet werden.
Die erste Frequenzkorrektur:
In typischer Weise wird die erste Frequenzkorrektur für den SPV-Wert durchgeführt, der der kürzesten Wellenlänge (kürzeste Eindringtiefe) entspricht, weil für eine lange Wellenlänge (lange Eindringtiefe) die SPV-Abhängigkeit von der Frequenz komplexer sein kann, als sie durch die Gleichung (2) und (3) beschrieben ist. Beispielsweise kann, wie in 5 gezeigt, für höhere Frequenzen die SPV, die durch einen Strahl induziert wird, der eine längere Eindringtiefe aufweist, bei einer höheren Rate als V ~ 1/f-Abnahmecharakteristik für einen Strahl abnehmen, der eine kleinere Eindringtiefen-SPV aufweist. Die Prozedur von V₂ aus dem beobachteten V_λ2-Wert verwendet eine Beziehung, die aus der Gleichung (2) erhalten wird, und einen τ_R-Wert, der aus der Gleichung (3) berechnet wird. Der Phasenverschiebungswert Δφ₂ = φ₂₀ – φ₂, der in Gleichung (3) benötigt wurde, um τ_R zu berechnen, wird durch den Lock-In-Verstärker für eine Modulationsfrequenz f₂ gemessen. Die Frequenzkorrekturformel zum Korrigieren von V_λ2 aus f₂ auf V₂ bei f₁ ist: V2 = C21·Vλ2 (7a) wobei der Korrekturkoeffizient C₂₁ durch den Ausdruck gegeben ist. C21 = [1 + tan–2Δφ2]1 2/[1 + (f1/f2)2tan–2Δφ2]1 2 (7b)
Beispielsweise führte die Frequenzkorrektur für eine SPV-Messung mit zwei Strahlen, die Wellenlängen λ₁ = 1,004 μm und λ₂ = 0,780 μm und entsprechende Lichtmodulationsfrequenzen f₁ = 512 Hz bzw. f₂ = 572 Hz aufweisen, zu SPV-Werten von V_λ1 = 2,063 mV und V_λ2 = 2,741 mV. Der Phasenverschiebungswert für die kürzere Wellenlänge betrug Δφ₂ = –59,5°. Nur ein Phasenverschiebungswert wird zum Berechnen der Frequenzkorrektur benötigt. Dies gilt auch, wenn mehr als zwei monochromatische Lichtstrahlen verwendet werden. Unter Verwendung von Gleichung (7b) wird C₂₁ berechnet, ungefähr 1,0246 zu sein. Durch ein Einsetzen dieses Werts von C₂₁ in Gleichung (7a) wird V₂ berechnet, ungefähr 2,808 mV zu sein. Die Werte von V_λ1 = 2,063 mV und V₂ = 2,808 mV werden dann verwendet, um die Diffusionslänge wie oben beschrieben zu berechnen.
Die zweite Frequenzkorrektur:
Die SPV-Signale können auch neu berechnet werden, um die Niedrigfrequenz-Grenzwerte, beispielsweise die Werte V 0 / λ1 und V 0 / λ2 für die in 5 gegebenen Daten zu erhalten, die wiederum verwendet werden können, um die Minoritätsträger-Diffusionslänge zu berechnen. Die Korrekturformeln zum Erhalten der Niedrigfrequenz-Grenzwerte, die aus den Gleichungen (2) und (3) abgeleitet sind, lauten: V0λ1 = Vλ1[1 + (f1/f2)2tan–2Δφ2]1 2 (8a) V0λ1 = Vλ2[1 + tan–2Δφ2]1 2 (8b) unter Verwendung der gleichen beispielhaften Daten, die oben bereitgestellt sind, sind V 0 / λ1 = 2,063 × 1,131 = 2,3333 mV (Gleichung (8a)), und V 0 / λ2 = 2,741 × 1,61 = 3,182 mV (Gleichung (8b)).
Die ersten und zweiten Frequenzkorrekturen erzeugen ähnliche Verhältnisse der SPV-Signale, d.h. V₂/V_λ1 = 1,361 und V 0 / λ2/V 0 / λ1 = 1,364. Da die Minoritätsträger-Diffusionslänge durch einen wert der SPV-Signalverhältnisse bestimmt wird, würden beide Frequenzkorrekturen praktisch den gleichen L-wert ergeben. Im Allgemeinen zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Frequenzkorrekturen an, dass die Frequenz f₁ ausreichend niedrig ist, derart, dass die SPV-Werte, die aus einer längeren Eindringtiefe herrühren, nicht durch einen stärkeren als einen 1/f-Abfall in dem SPV-Wert beeinflußt werden. Wenn die beiden Verhältnisse des frequenz-korrigierten SPV-Signals nicht ähnlich sind, können die Modulationsfrequenzen so eingestellt werden, dass der Lichtstrahl, der eine längere Eindringtiefe aufweist, ein SPV-Signal erzeugt, das eine angenäherte 1/f-Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz aufweist.
Berechnung der Minoritätsträger-Diffusionslänge (L)
Angenäherte Prozedur
Ein angenäherter Minoritätsträger-Diffusionslängenwert kann unter Verwendung einer angenäherten Beziehung für L berechnet werden, wenn L kleiner als ungefähr 60% der Dicke T des gemessenen Halbleiter-Wafers ist. Die Näherung ist: L = (z1 – rz2)/(r – 1) (9) wobei r das SPV-Signalverhältnis ist und z_k die Lichteindringtiefen sind, die bei der Messtemperatur T_w unter Verwendung der Gleichung (4) berechnet sind. Für T_w = 28,4°C, λ₁ = 1, 004 μm und λ₂ = 0,780 μm ist z₁ = 144,9 μm und z₂ = 9,3 μm. Unter Verwendung des SPV-Verhältnisses aus der beispielhaften ersten Frequenzkorrektur V₁/V_λ1 = 1, 361 ist L ungefähr 366 μm, was ungefähr 50% der Wafer-Dicke entspricht. Unter Verwendung der beispielhaften zweiten Frequenzkorrektur V 0 / λ2/V 0 / λ1 = 1,364 ist L ungefähr 363 μm. Die beiden Frequenzkorrekturprozeduren ergeben L-Werte, die sich um weniger als 1% unterscheiden.
Exakte Prozedur
Eine exaktere Prozedur relativ zu der angenäherten Prozedur, die oben stehend beschrieben ist, berücksichtigt die Wafer-Dicke und bringt ein Lösen der Gleichungen mit sich, die in dem US-Patent Nr. 5,663,657 und in einem Artikel von Lagowski et al., mit dem Titel „Present Status of the Surface Photovoltage Method (SPV) for Measuring Minority Carrier Diffusion Length and Related Parameters" diskutiert sind. In diesem Zugang werden die Oberflächenphotospannungssignale, die bei einem konstanten Photonenfluss für eine unterschiedliche Lichteindringtiefe z gemessen werden, an die Ausdrücke angepasst: V = const.·Φefff(z) (10)wobei
S_b die Rekombinationsgeschwindigkeit der hinteren Oberfläche ist und v ≡ D/L die Minoritätsträger-Diffusionsgeschwindigkeit ist. In Silizium einer hohen Reinheit ist D 33 cm²/s für Elektronen und 13 cm²/s für Löcher. Das Anpassen, d.h. die Berechnung von L aus den Gleichungen (10-12) wird unter Verwendung einer iterativen Prozedur ausgeführt, wobei L als der Parameter der besten Anpassung behandelt wird. Da der Wert von L empfindlich auf den S_b-Wert ist, kann der Benutzer einen vorbesetzten Wert von S_b = 10⁴cm/s, der geeignet für reine Silizium-Wafer ist, oder einen niedrigen Wert S_b = 10⁴ cm/s, der geeignet für Silizium-Wafer mit einer oxidierten hinteren Oberfläche ist, verwenden. Für eine konstante Photonenflussmessung mit nur zwei Strahlen führen die Gleichungen (10) und (11) zu
Unter Verwendung des gemessenen r-Werts wird die Diffusionslänge L durch Lösen der Gleichung (13) bestimmt. Die Lösung kann zweckmäßig unter Verwendung einer iterativen Prozedur erhalten werden. Die Minoritätsträger-Diffusionslänge L, die über diese Prozedur bestimmt wird, beträgt 404 μm und 401 μm unter Verwendung der Werte, die oben stehend für die beispielhaften ersten und zweiten Frequenzkorrektur-Prozeduren bereitgestellt sind. Der Rekombinationswert der hinteren Oberfläche S_b = 10000 cm/s wurde verwendet, was ein typischer Wert für einen nicht-oxidierten reinen Silizium-Wafer, der in dieser Messung verwendet wird, ist.
Messung von oxidierten Wafern
Das Vorhandensein eines Oxidfilms auf einer oberen Oberfläche des Wafers ändert die effektiven Photonenflüsse, die in den Halbleiter eintreten. wenn die Oxiddicke bekannt ist, können entsprechende Korrekturen unter Verwendung einer standardisierten Dünnfilm-Reflektivitätsformel berechnet werden. Die Prozedur ist in dem US-Patent Nr. 5,663,657 diskutiert. Die Diffusionslänge für oxidiertes Silizium wird durch ein Ersetzen von r durch r^* = r(Φ 1 / eff1/Φ 1 / eff2 berechnet; wobei Φ 1 / eff1 und Φ 1 / eff2 effektive Photonenflüsse für die Wellenlänge λ₁ und λ₂ sind, wobei ein Effekt einer Dünnfilm-Reflektivität berücksichtigt wird. Unter Verwendung von r^* anstelle von r kann dann L über das approximierte Verfahren, d.h. mit Gleichung (9) oder aus dem exakten Verfahren, d.h. mit Gleichung (13) berechnet werden.
SEQUENZ DER MESSUNG
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine schematische Darstellung der Messsequenz gezeigt. Ein Schritt 100 erfordert es, dass ein Benutzer bestimmte Parameter, die den Wafer charakterisieren, z.B. eine Wafer-Dicke D, eine Oxiddicke Tox und einen Leitfähigkeitstyp eingibt. Die Wafer-Dicke T ist in einem Schritt 116 erforderlich, um L zu berechnen, wenn L T/2 überschreitet. Die Oxiddicke ist in einem Schritt 102 für Oxidfilme dicker als 100 Å (1Å = 10^–10 m), und wird verwendet, um effektive Photonenflüsse für sämtliche Wellenlängen zu berechnen. Die elektrische Leitfähigkeit, p-Typ oder n-Typ, ist in einem Schritt 104 erforderlich, um zu bestimmen, ob der Detrapper einzuschalten ist oder nicht. Die elektrische Leitfähigkeit wird auch verwendet, um einen D-Wert auszuwählen, wenn L aus der Gleichung (13) berechnet wird. Nach einem Eingeben des Wafer-Parameters startet die Messsequenz und die Vorrichtung stellt den Photonenfluss ein, um einen linearen SPV-Bereich zu erreichen (Schritt 106). Der Schritt 106 wird typischerweise nur an einem Wafer-Ort (beispielsweise in der Mitte) durchgeführt. In dem Schritt 110 misst ein Temperatur sensor in der Wafer-Einspannung die Temperatur des Wafers. Die Wafer-Temperatur T_w wird einem Schritt 114 verwendet, um die Lichteindringtiefe für jede Wellenlänge λ_k zu berechnen, die bei der Bestimmung der Minoritätsträger-Diffusionslänge verwendet wird. In einem Schritt 108 misst die Vorrichtung gleichzeitig die SPV-Signalamplituden für sämtliche Wellenlängen. Zu der Zeit werden die Phasenverschiebungen Δ_φk für ein SPV-Signal gemessen, das durch die kürzeren Wellenlängen erzeugt wird. Nur eine Phasenverschiebung Δ_φ2 wird gemessen, wenn nur zwei Wellenlängen verwendet werden. Bei einem Wafer-Kartieren werden SPV-Amplituden und Δ_φk „im Flug" gemessen, d.h. während sich der Wafer unter der SPV-Sonde bewegt, und werden in der CPU gespeichert. Die Werte der SPV-Amplitude, die jedem der gemessenen Orte auf dem Wafer entsprechen, werden hinsichtlich Differenzen in Lichtmodulationsfrequenzen (Schritt 112) unter Verwendung der Δ_φk-Werte korrigiert. Schließlich werden unter Verwendung der korrigierten SPV-Signalamplitudenverhältnisse und der Lichteindringtiefen, die in dem Schritt 114 berechnet sind, die Diffusionslängenwerte in einem Schritt 116 für sämtliche gemessenen Orte auf dem Wafer berechnet.
Das Verfahren der gleichzeitigen Messung kann eine vollständige Wafer-Diffusionslängen-Karte von Daten, die „im Flug" für 600 Orte auf einem Wafer vom Durchmesser von 200 mm aufgenommen sind, in 2 Minuten und 30 Sekunden erzeugen. Eine Karte dieser Dichte, die gemäß der früheren SPV-Verfahren erzeugt wird, würde zumindest 6 Minuten aufgrund eines Verdoppelns der Messzeit, um zwei aufeinander folgende Messungen bei λ₁ und λ₂ unterzubringen, und eines Addierens einer Equilibrierungszeit, die mit einem Ändern zwischen den beiden Wellenlängen einhergeht, benötigen.
Obwohl die obige Vorrichtung und das Verfahren zur Verwendung mit nur zwei Wellenlängen und einem Silizium-Wafer beschrieben wurden, können die Vorrichtung und das Verfahren erweitert werden, um mehrere Wellenlängen zu benutzen oder um die Minoritätsträger-Diffusionslänge anderer Halbleiter zu messen.
Andere Ausführungsformen sind innerhalb der Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Analysieren von Halbleiterproben (8) durch Ermittlung der Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge (L), mit den folgenden Schritten: gleichzeitiges Beleuchten eines Bereiches des Halbleiters (8) mit Licht, welches eine Mehrzahl von Wellenlängen (λ1, λ2) umfasst, wobei jede Wellenlänge (λ1, λ2) der Mehrzahl von Wellenlängen (λ1, λ2) mit einer unterschiedlichen Frequenz (f1, f2) moduliert wird; und gleichzeitiges Erfassen einer Oberflächen-Photospannung (V_λ1, V_λ2), die im Halbleiter (8) von mindestens zweien der Mehrzahl von Wellenlängen (λ1, λ2) im Licht erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend einen Schritt des Anpassens eines Flusses einer jeden Wellenlänge in dem Licht, bis der Fluss im Wesentlichen für alle Wellenlängen (λ1, λ2) konstant ist und bei einem Pegel, bei dem die durch die Beleuchtung erzeugte Oberflächen-Photospannung (V_λ1, V_λ2) eine lineare Funktion des Flusses ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend einen Schritt des Korrigierens der Frequenz (f1, f2)-Abhängigkeit der erfassten Oberflächen-Photospannung (V_λ1, V_λ2), um frequenzkorrigierte Oberflächen-Photospannungen (V2) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin aufweisend einen Schritt des Berechnens der Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge (L) mit den frequenzkorrigierten Oberflächen-Photospannungen (V2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) gleichzeitig mittels einer Elektrode erfasst werden, die in der Nähe des beleuchteten Bereichs auf dem Halbleiter (8) platziert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erfassten Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) getrennt werden, indem die Amplituden der Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) bei jeder einzelnen der verschiedenen Modulationsfrequenzen (f1, f2) überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend einen Schritt des Überwachens der Phasen (φ10, φ20) der erfassten Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) bei jeder der verschiedenen Modulationsfrequenzen (f1, f2).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Korrigieren der Frequenzabhängigkeit das Verwenden einer überwachten Phase von mindestens einer der erfassten Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) umfasst, um eine Amplitude von mindestens einer der erfassten Oberflächen-Photospannungen (Vλ₁, V_λ2) anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Phase (φ10, φ20) und die Amplitude bei der selben Modulationsfrequenz (f1, f2) überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Berechnen der Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge (L) einen Schritt des Analysierens von mindestens zwei der erfassten Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) als Funktion der Lichtdurchdringungstiefe (z) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Lichtdurchdringungstiefe gegeben ist durch z = [84,732/λ + (0,110/λ – 0,068)(Tw – 293) – 76,417]–2 wobei T_w die Wafertemperatur ist und λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen von L, der Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge, ferner das Anpassen der erfassten Oberflächen-Photospannung (V_λ1, V_λ2) für jede Lichtdurchdringungstiefe z an V = const Φ_efff(z) umfasst, wobei
wobei S_b die rückseitige Rekombinationsgeschwindigkeit ist, v ≡ D/L die Minoritätsladungsträgerdiffusionsgeschwindigkeit ist, und T die Dicke der Halbleiterproben ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge (L) mittels des Ausdrucks L = (z₁ – r₂₁z₂)/(r₂₁ – 1) bestimmt wird, wobei r₂₁ das Verhältnis von zwei Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) ist, die zu den Durchdringungstiefen z₁ und z₂ gehören.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Korrigieren der Frequenzabhängigkeit der Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) das erneute Berechnen der Oberflächen-Photospannung auf eine Oberflächen-Photospannung einer unteren Frequenzgrenze umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Korrigieren der Frequenzabhängigkeit der Oberflächen-Photospannungen (V_λ1, V_λ2) das erneute Berechnen der Oberflächen-Photospannungen bezüglich einer einzelnen Modulationsfrequenz (f1, f2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die einzelne Modulationsfrequenz einer der Modulationsfrequenzen (f1, f2) des Lichts entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede der Wellenlängen (λ1, λ2) in dem Licht überschüssige Ladungsträger im Halbleiter (8) erzeugt und die Oberflächen-Photospannung (V_λ1, V_λ2) induziert.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei jede der einzelnen Wellenlängen (λ1, λ2) in dem Licht in den Halbleiter (8) bis zu unterschiedlichen Durchdringtiefen (z1, z2) unterhalb der Oberfläche des Halbleiters (8) dringt.
Vorrichtung zum Bestimmen der Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge (L) einer Halbleiterprobe (8), mit: einer verschiebbaren Unterlage (1) zum Aufnehmen einer Halbleiterprobe (8); ein Beleuchtungssystem (3) zum gleichzeitigen Richten von Licht einer Mehrzahl von Wellenlängen (λ1, λ2), welche jeweils mit einer unterschiedlichen Modulationsfrequenz (f1, f2) moduliert werden, auf eine Halbleiterprobe (8); und ein Erfassungssystem (4) zum gleichzeitigen Überwachen einer Mehrzahl von Oberflächen-Photospannungen bei den unterschiedlichen Modulationsfrequenzen (f1, f2).