DE69108563T2

DE69108563T2 - Methode und vorrichtung zur messung der minoritäts-ladungsträgerlebensdauer in halbleitermaterialien.

Info

Publication number: DE69108563T2
Application number: DE69108563T
Authority: DE
Inventors: Janos Boda; Gyoergy Ferenczi; Peter Horvath; Zoltan Mirk; Tibor Pavelka
Original assignee: Semilab Felvezeto Fizikai Laboratorium Rt
Current assignee: Semilab Felvezeto Fizikai Laboratorium Rt
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1991-12-16
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2011-12-17
Also published as: JPH05505881A; WO1992011528A1; ATE120546T1; EP0554403A1; KR930703602A; DE69108563D1; EP0554403B1; HU908290D0; HUT63497A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Messen von Ladungsträgerkonzentrationen in Halbleitermaterialien und speziell auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen, zerstörungsfreien und kontaktlosen Messen von Minoritätsladungsträger-Konzentrationen in Halbleitermaterialien.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist auf dem einschlägigen Gebiet bekannt, die Reinheit von Halbleitermaterialien durch Prüfung der Lebensdauer der in ihnen befindlichen Minoritätsladungsträger zerstörungsfrei und kontaktlos zu bestimmen. Ein für solche Messungen typisches System nach dem Stand der Technik ist im US-Patent Nr. 4 704 576 (Tributsch et al., 03. Nov. 1987) offenbart und in Fig. 1 allgemein dargestellt. Bei derartigen Systemen 2 wird die zu untersuchende Halbleiterprobe 4 in oder an einem offenen Wellenleitersystem 6 in ein Mikrowellenfeld gelegt, und zwar zwischen einer Mikrowellenstrahlungsquelle 8 (nebst zugehörigem Zirkulator 10) und einer Laserlichtquelle 12. Die Mikrowellenquelle 8 schwingt typischerweise bei ungefähr 10 GHz, wobei die Mikrowellenenergie durch das Wellenleitersystem 6 von der Wirkantenne 14 ausgehend um eine halbe Wellenlänge (1,5 cm) zu der Probe und dann von dieser zurückgetragen wird.
Das Wellenleitersystem 6 und die Wirkantenne 14 verhalten sich wie ein nicht abgeschlossenes Streifenleitungsantennensystem, das Mikrowellenenergie über eine große Zone ausstrahlt, ohne Energie auf einen gegebenen Bereich der Probe konzentrieren zu können.
Für gewöhnlich wird die Mikrowellenquellenfrequenz festgelegt, und das System nach dem Stand der Technik wird abgestimmt, indem ein (nicht dargestellter) metallischer Reflektor mechanisch bewegt wird, um die Mikrowellen- Phasenbeziehung zu ändern, bis das reflektierte Mikrowellensignal (aus dem Detektor) maximiert ist. Wie in Fig.1 gezeigt, unterwerfen viele Systeme nach dem Stand der Technik eine Seite 16 der Probe Energieimpulsen aus der Laserquelle 12, während die andere Probenseite 18 der Mikrowellenenergie aus der Mikrowellenquelle 8 ausgesetzt wird.
Dieser "zweiseitigen" Konfiguration haften mehrere Nachteile an. In Proben mit kleinem spezifischen Widerstand (z.B. < 1 Ωcm) bleibt die Mikrowellendurchdringung der Probe oberflächlich, und somit werden die Rekombinationserscheinungen, die in der Probe durch die Lasererregung an der Fläche 16 ausgelöst werden, nicht angemessen durch Mikrowellenenergie an der anderen Probenseite 18 charakterisiert. Selbst in "einseitigen" Systemen nach dem Stand der Technik beeinträchtigt die inhärente Mikrowellenunempfindlichkeit aussagekräftige Messungen an Proben mit niedrigem spezifischen Widerstand.
Ein weiterer Mangel "zweiseitiger", der Darstellung nach Fig. 1 entsprechender Konfigurationen besteht darin, daß sie es unmöglich machen, während der Messungen eine nicht-oxidierte Probe in ein elektrolytisches Bad zu legen. Ein solches Bad dient zur Passivierung nicht-oxidierter Probenoberflächen, welche Oberflächen-Rekombinationseffekte, die sonst die Messungen dominieren würden, im wesentlichen ausschaltet.
Der gepulste Laser 12 bombardiert die Seite 16 der Probe mit optischen Energieimpulsen, die Photonen enthalten, welche in der Probe 4 überschüssige Ladungsträger erzeugen. Ausreichende Laserenergie ist vorhanden, wenn die Wellenlänge der Lasererregung den Bandabstand der Probe übersteigt. In einer Probe mit vergleichsweise hohem spezifischen Widerstand können diese Ladungsträger die Mikrowellenenergie beeinflussen, die von den freien Elektronen und Löchern in der Kristallstruktur der Probe reflektiert werden. Die reflektierte Mikrowellenenergie wird über den Zirkulator 10 in einen Detektor 20 eingekoppelt. Das Ausgangssignal des Detektors 20 erlaubt eine Messung der Abklingzeit der optisch erzeugten überschüssigen Ladungsträger. Dies wiederum ermöglicht eine Bestimmung der Rekombinationszeitkonstante solcher Ladungsträger in der Probe 4. Indem zwischen Messungen die gegenseitige Relativlage von Laserquelle 12 und Probe 4 schrittweise verändert wird, kann die reflektierte Mikrowellenenergie verwendet werden, um in der Probe vorhandene Fehlstellen abzubilden.
Genauer ausgedrückt, werden Laserimpulsphotonen, welche die Bandlückenenergie der Probe übersteigen, in der Probe absorbiert, wo sie Überschußladungsträger erzeugen, z.B. Paare von beweglichen Elektronen und Löchern mit Überschußkonzentrationen δn bzw. δp. Diese Überschußladungsträger erhöhen die Leitfähigkeit der Probe um δ :
δ = q(unδn + upδp),
wobei q die Elektronenladung und un, up die Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcher in der Probe bedeuten. Die Überschußladungsträgerkonzentrationen δn und δp klingen als Funktion der Zeit ab, da die Ladungsträger an Defektstellen gefangen werden oder sich an Defektstellen in der Probe rekombinieren. Die zeitabhängige Konzentration der Überschußladungsträger verändert die Mikrowellenenergie, die von den freien Elektronen und Löchern in der Probe reflektiert wird, und diese Änderungen werden mit dem Detektor 20 (nebst zugehörigen Signalverarbeitungsschaltungen) gemessen. Somit zeigt eine Messung von Überschußleitfähigkeit δ die im Kristallaufbau der Probe vorhandenen Fehlstellen und Verunreinigungen an, welche die Überschußladungsträger beeinträchtigen.
Im einfachsten Fall verläuft die Rekombination exponentiell, mit einem Kehrwert der Verzögerungszeit (1/τ), der proportional zur Konzentration von Rekombinationspunkten, oder Verunreinigungen, ist. Mithin ist 1/τ (z.B. die Rekombinationslebensdauer) ein Maß für die Qualität der Probe.
Solche Messungen eignen sich besonders für Materialien wie Silizium, die indirekt verbotene Bänder aufweisen, in denen die Wahrscheinlichkeit einer Band-Band-Rekombination klein ist. In solchen Halbleitern vermindern Verunreinigungen, Verwerfungen, Zwischenphasenzustände, die sich um Sekundärphasen ausbilden, Streupunkte (z.B. Abweichungen von der idealen Periodizität) tendenziell die Rekombinationslebensdauer der Überschußladungsträger.
Solche Systeme nach dem Stand der Technik erlauben zwar eine zerstörungsfreie und berührungslose Prüfung der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer, um Daten über in der Probe vorhandene Kristalldefekte zu liefern; jedoch bestehen auch viele Mängel.
Ein erster Mangel liegt darin, daß Mikrowellenenergie durch einen offenen Breitstrahl-Wellenleiter über eine vergleichsweise lange Strecke (z.B. eine halbe Wellenlänge) zur Probe geleitet und von dieser zurückgeführt wird. Diese Abstände und die Breitstrahlcharakteristik des Wellenleiters verursachen einen erheblichen Verlust an Mikrowellenempfindlichkeit, und solche Systeme nach dem Stand der Technik sind durch ein schlechtes Signal/Rausch-Verhältnis gekennzeichnet. Um eine solche Unempfindlichkeit auszugleichen, muß die Laserquelle bei ziemlich hohen Energieniveaus betrieben werden. Diese Einschränkung schließt aus, daß hohe und niedrige Laserenergieniveaus verwendet werden, mittels derer injektionsspektroskopische Messungen durchgeführt werden könnten, um die chemische Natur von in der Probe vorhandenen Verunreinigungen bestimmen zu helfen. Dieser erste Mangel bereitet besonders dann Probleme, wenn Proben mit relativ kleinem spezifischen Widerstand gemessen werden sollen.
Ein zweiter Mangel liegt darin, daß bei dem System nach dem Stand der Technik der relativ lange Abstand stehende Wellen im Mikrowellenleiter erzeugt. Dies hat zur Folge, daß die Probe zu einem dielektrischen Abstimmelement wird, welches das System bei der geringsten Erschütterung unglücklicherweise verstimmt. Demzufolge benötigt das System nach jeder Verstellung der Probe bezüglich des Lasers eine "Ruhepause", um die Schwingungen abklingen zu lassen, bevor neue aussagekräftige Messungen durchgeführt werden können. Diese "Ruhezeit" senkt die Geschwindigkeit, mit der Messungen erfolgen können, und erschwert eine schnelle automatische Umpositionierung der Probe und der Laserquelle zwischen Messungen.
Schließlich verhindert die in Fig. 1 gezeigte Anordnung der Probe zwischen Laserquelle und Mikrowellenquelle, daß die Probe während der Messung in ein elektrolytisches Bad gelegt kann. Dieser Mangel rührt daher, daß ein elektrolytisches Bad die Eindringtiefe der Mikrowellen in die Seite 18 der Probe soweit dämpft, daß Bereiche, die von der entgegengesetzten Seite 16 her der Laserbeleuchtung ausgesetzt sind, nicht erreicht werden. Für eine nicht-oxidierte Probe wäre es natürlich vorteilhaft, ein sölches Testverfahren zu ermöglichen, da ein Elektrolyt jede Probenfläche passivieren würde und dadurch verhindern würde, daß die Oberflächen- Rekombinationsgeschwindigkeit die Systemmessungen dominiert. Das Ergebnis - unerreichbar mit Anordnungen nach dem Stand der Technik, wie z.B. gemäß Fig. 1 - wären Meßdaten, die einen wahrheitsgetreueren Einblick in den innerhalb der Probe herrschenden Zustand gewähren würden. Natürlich könnte eine nicht-oxidierte Probe angelassen werden, typischerweise bei erhöhten Temperaturen von ungefähr 1100ºC, um eine Oxidhaut zu bilden, welche verhindern würde, daß Oberflächen- Rekombinationseffekte bei den Messungen überwiegen. Es ist jedoch bekannt, daß solche erhöhte Temperaturen eine Veränderung der Probenkennwerte erzeugen können.
Mithin besteht zum Charakterisieren von Halbleitermaterial Bedarf an einem zerstörungsfreien und berührungslosen System, das eine hohe Meßempfindlichkeit und ein gutes Signal/Rausch- Verhältnis bietet und injektionsspektroskopische Messungen über einen breiten dynamischen Bereich der Lasererregungsenergie ermöglicht. Solche Systeme sollten einen einfachen Mechanismus zum Abstimmen der Mikrowellenfrequenz aufweisen, um die Systemleistung optimieren zu können.
Ferner besteht Bedarf an einem System, das im wesentlichen immun gegen Schwingungen der Probe ist und dadurch die Zeit zwischen Messungen verkürzt, so daß Messungen schneller erledigt werden können.
Schließlich sollte ein derartiges System es zulassen, daß eine nicht-oxidierte Probe in ein Elektrolytbad gelegt wird, um während der Messung eine Oberflächenpassivierung zu erlauben und dadurch eine genauere Charakterisierung der inneren Struktur der Probe zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, die ein solches System schaffen.
Die US-A-3 939 415 offenbart jedoch ein Verfahren und ein System zum Messen der Lebensdauer von Ladungsträgern einer Halbleiterprobe mittels einer Mikrowelle, wobei das System folgende Merkmale aufweist: eine Mikrowellenenergiequelle; eine an die Quelle gekoppelte, abgestimmte, schmalbandige Antenne, die ausgebildet ist, Mikrowellenenergie auf eine Oberfläche der Halbleiterprobe zu richten, und im Nahfeldverhältnis zu dieser Oberfläche der Halbleiterprobe angeordnet ist; eine Impulsquelle optischer Energie, die derart angeordnet ist, daß optische Energie zu einem Bereich der Oberfläche abgestrahlt wird; und einen an die Antenne gekoppelten Detektor zum Erfassen von Mikrowellenenergie, die von in der Probe anwesenden, durch die optische Energie erzeugten freien Ladungsträgern reflektiert wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System der vorstehenden Art zum Charakterisieren von Defektstellen in einer Halbleiterprobe anzugeben, dessen Empfindlichkeit weiter verbessert ist.
Dieses Ziel wird durch die Merkmale nach Anspruch 1 erreicht.
Die vorliegende Erfindung schafft ein zerstörungsfreies und berührungsloses System zum Bestimmen der Rekombinationslebensdauer von Minoritätsladungsträgern in einer Halbleiterprobe. Die Erfindung umfaßt eine abgestimmte Mikrowellenenergiequelle, einen Zirkulator und einen Isolator, eine schmalbandige abgestimmte Mikrostreifen-Richtantenne, eine gepulste Quelle von laseroptischer Erregung, einen Detektor mit zugehörigen Schaltungen, und eine Einrichtung zum Verstellen der Probe bezüglich der Laserquelle. Vorzugsweise weist die vorliegende Erfindung ferner ein Computersystem auf, um den Betrieb der Mikrowellenquelle und der Lasererregung, das Positionieren der Probe und das Verarbeiten der vom Detektor und seinen Schaltungen gelieferten Meßdaten zu koordinieren.
Im Gegensatz zum Stand der Technik nach Fig. 1, wo der Probe die Mikrowellenenergie über einen relativ langen, durch eine offene Hohlstrecke abgestimmten Kanal, der eine nicht abgeschlossene Streifenleitungsantenne mit flacher Frequenzantwort approximiert, zugeführt wird, macht die vorliegende Erfindung die Probe zu einem Impedanzabschluß im Mikrowellenpfad. Genauer ausgedrückt, wird Mikrowellenenergie aus einem abgestimmten Mikrowellengenerator über ein Koaxialkabel einer schmalbandigen, abgestimmten, im Nahfeldbetrieb arbeitenden Mikrostreifenantenne zugeführt. Mit Nahfeld ist gemeint, daß die Antenne wesentlich weniger als eine Mikrowellen-Wellenlänge von der Probe beabstandet ist, vorzugsweise weniger als 0,1 Mikrowellen-Wellenlängen oder ungefähr 2 mm. Eine Antenne nach der vorliegenden Erfindung ist frequenzselektiv und für den typischerweise bei 10 GHz liegenden Mikrowellenfrequenzbereich optimiert, wobei die genaue Systemfrequenz durch die Mikrowellengeneratorfrequenz bestimmt ist. Die erfindungsgemäße Nahfeldanordnung unterwirft die Probe einer wesentlich größeren Mikrowellenintensität als bei Systemen nach dem Stand der Technik. Dies wiederum ergibt eine wesentlich höhere Mikrowellenenergieempfindlichkeit als bei den bekannten Systemen und macht somit die vorliegende Erfindung besonders gut für Messungen an Proben mit niedrigem spezifischen Widerstand geeignet.
In weiterem Gegensatz zu vielen Systemen nach dem Stand der Technik arbeitet das vorliegende System "einseitig", indem es dieselbe Seite der Probe sowohl der Mikrowellenenergie als auch der laseroptischen Erregung unterwirft. Vorzugsweise ist die Systemanordnung dergestalt, daß an der Probenoberfläche der wirksame Mikrowellenfleck nicht mehr als ungefähr 64-mal größer als der wirksame Laserstrahlfleck ist; z.B. beträgt der Durchmesser des Mikrowellenflecks das Achtfache des Durchmessers des Laserstrahlflecks. Da dieselbe Seite der Probe der Mikrowellenenergie und der Laserenergie ausgesetzt wird, kann die Probe während der Messung in ein Elektrolytbad gelegt werden. Dies erlaubt bei einer nicht-oxidierten Probe eine Oberflächenpassivierung und somit eine genauere Charakterisierung der inneren Struktur der Probe.
Wiederum in weiterem Gegensatz zum Stand der Technik läßt sich bei der vorliegenden Erfindung die Mikrowellenfrequenz ohne weiteres abstimmen, um die Systemempfindlichkeit zu optimieren (um z.B. die erfaßte reflektierte Mikrowellenleistung in Abhängigkeit von Änderungen des spezifischen Widerstands zu maximieren). Die schmalbandige abgestimmte Antenne erleichtert die Optimierung der auf die zu untersuchende Probe gerichteten Mikrowellenfrequenz noch weiter. Das Variieren der Systemfrequenz erfordert nicht die Anwesenheit von Reflektoren o.dgl. im Mikrowellenfeld, und überhaupt macht die vorliegende Erfindung das Mikrowellenfeld im wesentlichen unempfindlich gegenüber der genauen Lage von darin befindlichen Gegenständen, einschließlich der Probe. Um eine Verstimmung des Mikrowellensystems weiter zu minimieren, wird die Probe erfindungsgemäß mittels eines Roboterarms gehalten und steuerbar verschoben, der aus dem gleichen Werkstoff (z.B. Plexiglas, Teflon) hergestellt ist wie der Bühnen- oder Haltetisch, auf dem der Roboterarm angeordnet ist. Dank dieser Konstruktion trifft das Mikrowellenfeld auf eine im wesentlichen homogene Umgebung.
Wegen der verwendeten Nahfeldkonfiguration ist bei der vorliegenden Erfindung (im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß Fig. 1) eine Probe kein Abstimmelement in einer offenen Hohlstrecke. Die Konfiguration macht die vorliegende Erfindung im wesentlichen immun gegen mechanische Schwingungen der Probe. Diese Unanfälligkeit ermöglicht es, in einem gegebenem Zeitraum wesentlich mehr Messungen durchzuführen, da es unnötig ist, zwischen den Messungen Zeit für das Abklingen von mechanischen Schwingungen der Probe zu vergeuden.
Da die vorliegende Erfindung die Antenne im Nahfeld betreibt, ist das wirksame Mikrowellenfeld an der Probe ungefähr hundertmal stärker als in einem System nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1. Dies zusammen mit der Leichtigkeit der Optimierung der Mikrowellenfrequenz verbessert das Signal/Rausch-Verhältnis wesentlich und ermöglicht es, die Laserquelle über einen erheblichen dynamischen Leistungsbereich, z.B. 1.000:1, zu betreiben, wodurch injektionsspektroskopische Messungen erleichtert werden. Die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, aussagefähige Messungen mit Lasererregungen von etwa 25 Watt bis 25 mW zu liefern, steht in starkem Gegensatz zu Systemen nach dem Stand der Technik, deren Mikrowellenunempfindlichkeit Messungen mit einer Lasererregung von weniger als einigen Watt ausschließt.
Im Betrieb wird eine erste Seite der Probe der Mikrowellenenergie aus dem Mikrowellengenerator ausgesetzt, welcher auf eine bezüglich des Probenmaterials optimierte Frequenz (z.B. 10 GHz) abgestimmt ist. Die Mikrowellenenergie wird aus dem Generator über einen Zirkulator unter Verwendung einer durch ein Koaxialkabel gespeisten Mikrostreifenantenne an eine erste Seite der Probe gekoppelt. Die Antenne bildet eine Öffnung, durch welche Erregungsimpulse aus der Laserquelle auf dieselbe, erste Seite der Probe gerichtet werden.
Während der Impulsdauer erzeugt die Lasererregung Überschußladungsträger, die vorübergehend die örtliche Leitfähigkeit der Probe erhöhen und dann (sobald der Impuls endet) abklingen, bis der Gleichgewichtszustand in der Probe wieder erreicht ist. Wenn die Änderungen der Überschußladungsträgerkonzentration klein sind, ist der Mikrowellenreflexionsgrad proportional zur augenblicklichen Leitfähigkeit der Probe. Die optisch induzierte Änderung der Ladungsträgerkonzentration, oder Probenleitfähigkeit beeinflußt meßbar die Mikrowellenenergie, die von in der Probe freigesetzten Elektronen und Löchern reflektiert wird. Die reflektierte Mikrowellenenergie wird von der Antenne zum Zirkulator ausgekoppelt und von dort zu einem Detektor nebst zugehörigen Verarbeitungseinrichtungen geleitet, um die Lebensdauer der abklingenden Minoritätsladungsträger und damit verbundene Probenparameter zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird in einer injektionsspektroskopischen Betriebsart die Laserquellenenergie vorzugsweise zwischen einem ersten und einem zweiten Leistungsniveau verändert, deren Verhältnis bis zu 1000:1 betragen kann. Das Verhältnis zwischen diesen Leistungsniveaus wird vom Systembetreiber entsprechend der in der Probe zu analysierenden Art von chemischer Verunreinigung gewählt. Wenn eine Passivierung gewünscht wird (z.B. bei einer nicht-oxidierten Probe), wird die Probe in ein elektrolytisches Bad gelegt, um genauere Messungen der inneren Struktur der Probe zu ermöglichen. Vorzugsweise bietet die Positioniereinrichtung eine optische Erkennung des flachen Teils der Probenscheibe und erleichtert die Relativpositionierung zum Zweck schneller automatischer Messungen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der die bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 stellt ein herkömmliches System zum zerstörungsfreien und berührungslosen Messen von Minoritätsladungsträger-Konzentrationen in einer Halbleiterprobe dar;
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A zeigt eine erfindungsgemäße Mikrostreifenantenne;
Fig. 3B ist eine graphische Darstellung von Resonanzkennwerten der Mikrostreifenantenne nach Fig. 3A;
Fig. 4 zeigt eine tatsächliche, computergenerierte, vom Monitor 50 abgenommene Ansicht nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A zeigt eine erfindungsgemäße Probenhalterung;
Fig. 5B zeigt einen erfindungsgemäßen Mechanismus zum Auffinden der Kante einer scheibenförmigen Probe.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie in Fig. 2 gezeigt, weist ein System 22 zum Messen der Minoritätsladungsträger-Konzentration in einer Halbleiterprobe 24 einen Mikrowellengenerator 26 auf, dessen Schwingungsfrequenz durch Verändern des Potentials auf einer zu einem Varaktor 30 führenden Steuerleitung 28 einstellbar ist. Vorzugsweise ist das Bauelement 26 ein über einen Frequenzbereich von ungefähr 10,2 GHz bis ungefähr 10,45 GHz mit einer Ausgangsleistung von ungefähr 100 mW betreibbarer Gunn-Oszillator, obwohl auch andere Mikrowellengeneratoren verwendet werden könnten. Das Ausgangssignal des Oszillators 26 wird vorzugsweise einem Isolator 32, einem Zirkulator 34 und dann über ein Koaxialkabel 36 einer abgestimmten Mikrostreifenantenne 38 zugeführt. Die Antenne 38 ist schmalbandig abgestimmt und bezüglich der Probe 24 im Nahfeldverhältnis angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand 40 vorzugsweise weniger als 0,1 Mikrowellen-Wellenlängen oder ungefähr 2mm, und die Probe 24 wirkt auf den Mikrowellenpfad als Abschlußimpedanz. Der Einsatz der schmalbandigen, abgestimmten Mikrostreifenantenne in einem Nahfeldbetrieb mit der Probe als Abschlußimpedanz im Mikrowellenpfad steht in Gegensatz zu Systemen nach dem Stand der Technik. Wie schon angemerkt, macht diese Anordnung das System 22 im wesentlichen immun gegen mechanische Schwingungen der Probe.
Eine gepulste Lasererregungsquelle 42 erzeugt in der Probe 24 Minoritätsladungsträger, deren Rekombinationslebensdauer die Mikrowellenenergie beeinflußt, die von in der Probe vorhandenen freien Elektronen und Löchern zurückgeworfen wird. Mikrowellenenergie aus der Antenne 38 wird auf die Probenoberfläche 44 gerichtet, und die auf diese Weise reflektierte Mikrowellenenergie kann die in der Probe stattfindende Elektron/Loch-Rekombination kennzeichnen. Die reflektierte Mikrowellenenergie wird von der Antenne 38 empfangen, gelangt dann durch den Zirkulator 34 in einen Detektorschaltkreis 46 und vorzugsweise in ein Computerystem 48 zur weiteren Signalverarbeitung. Der Isolator 32 dient dazu, zu verhindern, daß die reflektierte Energie durch den Zirkulator 34 in den Mikrowellengenerator 26 zurückgelangt.
Der Detektor 46 enthält vorzugsweise eine Schottky-Diode und liefert ein Spannungs-Ausgangssignal, das in Fig. 2 als Wellenform 49 angedeutet ist. Mit dem Einsetzen jedes Laserlichtimpulses steigt die Detektorausgangs-Wellenform 51 jeweils steil an, nämlich proportional zur Änderung der Leitfähigkeit (δu) der Probe. Die Wellenform 49 klingt dann mit einer Zeitkonstanten, die proportional zur Rekombinationslebensdauer der Minoritätsladungsträger ist, auf ein Grundniveau 53 ab. Das Grundniveau 53 stellt im wesentlichen die unmodulierte, konstante oder eingeschwungene Mikrowellenenergie dar, die reflektiert wird, solange keine Erregung durch Licht aus der Laserquelle 42 erfolgt. Typischerweise liegen die mechanischen Systemschwingungen unter 100 Hz, und der Detektor 46 enthält vorzugsweise Schaltungen zum Ausfiltern von Frequenzen von unter 100 Hz und zum Wiederherstellen der Grundlinie 53 durch Integration der Impulse 51 über eine Zeitspanne von vielen, z.B. vielleicht 1.000, Impulsen. Obwohl das System 22, wie gesagt, im wesentlichen immun gegen Schwingungen der Probe 24 ist, fördert es die Systemleistung, wenn Detektorausgangsfrequenzen von weniger als ungefähr 100 Hz gesperrt werden und eine integrierte Grundlinie zur Verfügung gestellt wird. Solche Filter- und Integrationsschaltungen sind Fachleuten des Schaltungsentwurfs und der Signalverarbeitung bekannt, und die Anmelder werden daher den Detektor 46 und seine zugehörigen Schaltungsanordnungen nicht näher beschreiben.
Das Computerystem 48 zeigt am Video-Monitor 50 eine Vielfalt von durch den Bediener auswählbaren Informationen über Unreinheiten und ihren Ort in der Probe 24 an. Das Computerystem 48 ist vorzugsweise ein IBM-AT- oder hierzu kompatibler PC, und der Monitor 50 weist vorzugsweise eine VGA- Auflösung von mindestens 640x480 Pixel auf.
Wie durch Fig. 2 dargestellt, steuert das Computerystem 48 vorzugsweise die Mikrowellenoszillatorfrequenz über die Steuerleitung 28, die Laserquelle 42 über die Steuerleitung 52, und einen Tischinechanismus 54 über die Steuerleitung 56, um die Probe 24 nach jeder Messung steuerbar bezüglich der Laserquelle 42 zu verstellen. Wahlweise erlaubt es das System 22, Messungen an einer nicht-oxidierten Probe 24 durchzuführen, während diese sich in einem Behälter 58 befindet, der ein elektrolytisches Bad 60 enthält. Wie weiter unten näher beschrieben, ermöglicht das Bad 60 eine Passivierung der verschiedenen Oberflächen der nicht-oxidierten Probe, um die schädlichen Wirkungen der Oberflächenrekombination auf den Meßvorgang wesentlich zu senken.
Die Laserquelle 42 ist vorzugsweise eine GaAs-Einrichtung, die bei einer Wellenlänge von ungefähr 904 nm mit einem steuerbar variablen Leistungsniveau zwischen ungefähr 25 mW und ungefähr 25 Watt betrieben wird und an der Probenoberfläche 44 eine Lichtfleckgröße von weniger als ungefähr 1 mm² erzeugt. Der von einer solchen Laservorrichtung 42 gelieferte wirksame Einstrahlpegel wird durch das Computerystem 48 über die Steuerleitung 52 gesteuert und schwankt zwischen ungefähr 5x10¹³ und 5x10¹&sup6; Photonen/cm³s. Vorzugsweise liefert der Laser 42 Ausgangsimpulse von ungefähr 100 bis 200 ns Dauer und wird bei niedrigem Tastverhältnis mit einer Wiederholrate von ungefähr 1 kHz betrieben. Im Zusammenhang mit dem Computerystem 48 verwendete Software erlaubt es dem Bediener, die Laserimpulsbreite, das Tastverhältnis, die Leistungspegel u.dgl. zu wählen und zu steuern.
Fig. 3A ist eine detaillierte Draufsicht auf die schmalbandige, abgestimmte Antenne 38, die eine leichtgewichtige, als gedruckte Schaltung ausgebildete Mikrostreifenantenne ist, welche aus einem Kupferringstreifen 62 und einer beabstandeten&sub1; metallisierten, vorzugsweise 20mm x 20mm messenden Erdungsplatte 64 besteht, zwischen denen eine dielektrische Trägerschicht 66 (z.B. aus Teflon) angeordnet ist. Mit "abgestimmt" ist gemeint, daß die Antennenresonanzfrequenz zum Zeitpunkt der Herstellung durch die Antennengeometrie festgelegt wird. Vorzugsweise enthält der Kupferringstreifen 62 einen Abstimmfortsatz 68, der bei der Herstellung der gedruckten Schaltung so dimensioniert werden kann, daß sich eine Antenne mit gewünschter Resonanzfrequenz ergibt. Die Antenne 38 besitzt einen Anschlußpunkt 70 zur Mikrowelleneinspeisung (an den das Koaxialkabel 36 angekoppelt wird), und an einer Stelle maximaler elektrischer Feldstärke, vorzugsweise diametral gegenüber dem Punkt 70, eine optische Durchgangsöffnung 72. Wie in Fig. 2 gezeigt, gelangt die optische Erregung 74 aus der gepulsten Laserquelle 42 durch die Öffnung 72, um dieselbe Probenoberfläche 44 zu erregen, die auch der Mikrowellenenergie aus der Antenne 38 ausgesetzt ist. Die Anmelder haben gefunden, daß die ringförmige Anordnung nach Fig. 3A eine hervorragende Empfindlichkeit und eine abstimmbare Frequenzantwort zeigt. Die in Fig. 38 gezeigten Resonanzkurven belegen die ausgezeichnete schmale Bandbreite, die eine abgestimmte Antenne 38 nach der vorliegenden Erfindung bietet.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeigten System nach dem Stand der Technik arbeitet das vorliegende System 22 insofern "einseitig", als sowohl die Mikrowellenerregung durch die Antenne 38 wie auch die optische Erregung durch den Laser 42 auf eine einzige Probenoberfläche 44 gerichtet werden. Die Nahfeldkonfiguration nach Fig. 2 hebt sich von dem in Fig. 1 gezeigten Stand der Technik ferner dadurch ab, daß das System 22 auf maximales Ausgangssignal des Detektors 46 abgestimmt wird, indem die Frequenz des Mikrowellengenerators 26 verändert wird, und zwar vorzugsweise über den Varaktor 30 als Antwort auf einen Steuerbefehl des Bedieners an den Computer 48. Im Gegensatz zu Systemen nach dem Stand der Technik bedarfes im Mikrowellenfeld kelner zusätzlichen metallischen Reflektoren o.dgl.
In Systemen, wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt sind, nimmt das von einer Antenne erzeugte Mikrowellen-Wirkfeld ungefähr mit dem Quadrat des Kehrwerts der Entfernung von der Antenne ab. Wenn man also den bei der vorliegenden Erfindung typischerweise 2mm betragenden Trennungsabstand mit dem beim Stand der Technik nach Fig. 1 typischerweise 15mm betragenden Trennungsabstand vergleicht, wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung die Probe einem wesentlich stärkeren Mikrowellenfeld unterwirft als die herkömmliche Anordnung nach Fig. 1. Da ferner die abgestimmte Mikrostreifenantenne 38 im Vergleich zur offenen Hohlkanalanordnung nach Fig. 1 im wesentlichen schmalbandig arbeitet, zeigt die vorliegende Erfindung ein wesentlich besseres Signal/Rausch-Verhältnis als Systeme nach dem Stand der Technik. In weiterem Gegensatz zum Stand der Technik wirkt die Probe 24 wegen der verwendeten Nahfeldanordnung auf den Mikrowellenpfad effektiv als Impedanzabschluß, und somit führt eine etwaige Schwingung der Probe 24 nicht zu einer spürbaren Verschlechterung der Messungen. Infolgedessen kann das Computerystem 48 die Probe 24 durch Steuern des Tischmechanismus 54 schnell und automatisch verstellen, so daß das System 22 die Messungen ungefähr 50mal schneller durchführbar macht als bei Systemen nach dem Stand der Technik.
Die herkömmliche Lehre besagte, daß eine lineare Mikrowellenantwort nur dann zustandekäme, wenn δP/P < 0,03 betragen würde, wobei P die Mikrowellenreflexion und δP die Änderung der Mikrowellenreflexion bedeutet. Diese Einschränkung diktierte lange Zeit, daß mit den Mikrowellen ein großes Volumen erregt werden müsse. Die Anmelder haben herausgefunden, daß in Wirklichkeit dieses Verhältnis zwar so klein wie möglich gemacht werden sollte, es aber genügt, wenn ein erfaßbares δP vorhanden ist, und daß es nicht notwendig oder überhaupt wünschenswert ist, mit den Mikrowellen ein großes Volumen zu erregen. Ein Nutzsignal von der Probe wird hauptsächlich aus demjenigen Probenvolumen erhalten, das der Lasererregung ausgesetzt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Mikrowellenfleck auf der Probe über einen Bereich von ungefähr 6mm mal 8mm, während der Laserstrahlfleck ungefähr 1 mm² einnimmt. Im Gegensatz hierzu haben herkömmliche Systeme nach Fig. 1 ein wesentlich größeres Verhältnis, da das Breitstrahl-Antennensystem ein übermäßig großes Mikrowellenvolumen erregt, mit einem entsprechend schlechten Signal/Rausch-Verhältnis.
Die herkömmliche Lehre besagte auch, daß ein niedriges Lasererregungsniveau notwendig sei, um die Rekombination in der Probe durch eine einzige, vorzugsweise 0,01 oder weniger betragende Zeitkonstante δn/p zu charakterisieren, worin δn die Änderung der Anzahl an Majoritätsladungsträgern und p die Anzahl an Minoritätsladungsträgern bedeutet. Diese Erwägung zwang lange Zeit dazu, dafür zu sorgen, daß ein großes Volumen optisch erregt wurde, aber für die klassische Analyse der Minoritätsladungsträger-Rekombination ist ein vergleichsweise niedriges Lasereinstrahlungsniveau angezeigt. Systeme nach dem Stand der Technik konnten dieses Verhältnis im allgemeinen nicht verwirklichen, da die ihnen innewohnende Mikrowellen- Unempfindlichkeit eine hohe Lasereinstrahlungsintensität erforderte. Obwohl das System 22 der Anmelder zu einem Betrieb bei relativ niedrigen Lasereinstrahlungsintensitäten in der Lage ist, scheint die Bedeutung dieses Verhältnisses in der Literatur übertrieben worden zu sein. Jedoch haben die Anmelder herausgefunden, daß es tatsächlich vorteilhaft sein kann, sowohl eine niedrige als auch eine hohe Lasereinstrahlungsintensität zu verwenden, insbesondere wenn in einer auf der Einstrahlungsintensität beruhenden spektroskopischen Betriebsart Mikrowellenreflexionsmessungen im wesentlichen gleichzeitig bei beiden Intensitäten durchgeführt werden.
Wie schon bemerkt, zeigen herkömmliche, nach Fig. 1 ausgebildete Systeme aufgrund ihrer breiten Antennenabstrahlung und ihrer relativ großen Abstände zwischen Antenne und Probe eine geringe Mikrowellenempfindlichkeit, die ihrerseits eine Lasererregung mit hoher Leistung erforderlich macht. Bei herkömmlichen Systemen, in denen Proben mit kleinem spezifischen Widerstand untersucht werden sollen, ist wegen der damit verbundenen geringen Mikrowellen-Eindringtiefe dieses Erfordernis besonders einschneidend. Im Gegensatz hierzu erlaubt die durch die vorliegende Erfindung verwirklichte hohe Mikrowellenempfindlichkeit eine Durchführung aussagefähiger Messungen mit Laserleistungsniveaus von ungefähr 25 Watt (einem Leistungsniveau, das dem im Stand der Technik benötigten entspricht) bis ungefähr 25 mW (einem Leistungsniveau, das zu klein ist, als daß es in Einrichtungen nach dem Stand der Technik aussagefähige Messungen ergeben könnte). Dieser große Dynamikbereich (z.B. ungefähr 1.000:1) der Lasereinstrahlung erleichtert injektionsspektroskopische Messungen selbst an Proben mit kleinem spezifischen Widerstand.
Bei spektroskopischen Messungen steuert der Systembediener den Betrieb des Lasers 42 unter Verwendung des Computerystems 48. Messungen der Rekombinationslebensdauer werden bei vorzugsweise zwei oder mehr Laserleistungsniveaus durchgeführt, die bezüglich der zu untersuchenden chemischen Verunreinigung der Probe 24 optimiert sind. Das Verhältnis zwischen der bei hohem und bei niedrigem Erregungsniveau gemessenen Lebensdauer liefert eine Zahl, welche die in der Probe vorhandenen Verunreinigungen kennzeichnet.
Genauer ausgeführt, bewirkt die Photoerregung aus dem Laser 42 die gleichzeitige Injektion von Elektron/Loch-Paaren in der Probe 24, und die Rekombination erfolgt auf jedem tiefen Niveau, das in der Probe existiert. Dieser Rekombinationsvorgang ist inhärent nicht-selektiv und wird von der Schottky-Read-Hall-Statistik beschrieben. Die herkömmliche Lehre besagte, daß bei niedrigem Erregungsniveau (z.B. bei pleitendem extrinsischen Material) die Rekombinationslebensdauer der Minoritätsladungsträger durch folgende Beziehung gegeben sei:
τo = τno, wobei τno = (NT nv)&supmin;¹, NT die Verunreinigungskonzentration, n der Elektroneneinfangquerschnitt und v die Driftgeschwindigkeit ist. Die vorstehende Näherungsformel ist jedoch nur für Lasererregungwerte in der Nähe von Mittellücken-Energieniveaus und für relativ hohe, flache Dotierungskonzentrationen gültig.
Für Erregungsniveaus in der Nähe des Valenzbandniveaus wird in p-leitendem Material die bei niedriger Erregung geltende Lebensdauer besser durch folgende Beziehung angenähert:
τo = τno*exp{-[(Et-Ef)/(k*T)]},
wobei Et die aus dem Valenzband gemessene Aktivierungsenergie niedrigen Niveaus und Ef die Fermi-Energie ist. Bei Raumtemperatur reduziert sich die obige Gleichung für eine typische Fe-B-Verunreinigung auf τo 100τno Mithin wird in Wirklichkeit selbst bei niedrigen Erregungsniveaus, die energetisch näher an der Bandkante als am Fermi-Niveau liegen, τno eigentlich nicht gemessen.
Die Anmelder haben herausgefunden, daß sich eine aussagefähigere Analyse ergibt, wenn die Leitfähigkeitsreaktions-Funktion der Probe bei verschiedenen Niveaus der Überschußladungsträgerinjektion geprüft wird. Eine spektroskopische Analyse mittels Injektionsniveaus ist im wesentlichen das Ergebnis von Untersuchungen, die bei mindestens zwei Injektionsniveaus, vorzugsweise einem relativ hohen und einem relativ niedrigen Niveau, durchgeführt werden. Systeme nach dem Stand der Technik, mit ihrer inhärenten Mikrowellenunempfindlichkeit, sind zu Injektionsmessungen bestenfalls bei hohem, nicht aber bei niedrigem Niveau der Lasererregung fähig. Solche Systeme können die Schottky-Read- Hall-Gleichung nur an der oberen Grenze (z.B. bei hohem Injektionsniveau), nicht aber an beiden Grenzen auswerten.
Somit gilt an der oberen Erregungsgrenze
τoo = τno + τpo.
Einerseits zeigt ein Vergleich der Gleichungen (1) und (3), daß für ein typisches Mittellücken-Energieniveau die Minoritätsladungsträger-Lebensdauer mit abnehmendem Injektionsniveau sinkt. Andererseits folgt aus den Gleichungen (2) und (3), daß die Minoritätsladungsträger-Lebensdauer mit abnehmendem Injektionsniveau zunimmt, wenn das Injektionsniveau näher an der Bandkante als am Fermi-Niveau liegt. Unter Verwendung des Computerystems 48 (oder eines äquivalenten Computerystems) werden diese Gleichungen vorzugsweise numerisch in ihrer vollen und kompletten Form, d.h. ohne einschränkende Näherungsannahmen, berechnet. Da das System der Anmelder genaue Daten sowohl bei hohem als auch bei niedrigem Energieniveau der Lasererregung liefert, können auf solchen Daten beruhende Berechnungen eine höhere Genauigkeit bieten als Berechnungen, die auf aus herkömmlichen Systemen gewonnenen Daten beruhen. Versuche der Anmelder unter Verwendung des Systems 22 an verschiedenen Proben, die Fe-B-Verbindungen als Verunreinigungen enthalten, bestätigen diese Aussagen und liefern Daten, die mit in der Literatur angegebenen Daten übereinstimmen. Die Anmelder haben zum Beispiel bestätigt, daß die Lebensdauer von bei hohen Injektionsniveaus entstehenden Minoritätsladungsträgern mit zunehmender Fe-B-Konzentration abnimmt.
Für flachere Energieniveaus kann das Verhältnis
I=τoo/τo=(1+ p/ n)*exp[(Et-Ef)/(k*t)]
für die typischen Verunreinigungen aus Übergangsmetallen (z.B. Fe-B, Cr, Au) in der Dotierungsniveaufunktion tabelliert werden. Für eine gegebene Temperatur und ein gegebenes Dotierungsniveau liefert die Gleichung (4) für jede metallische Verunreinigung eine charakteristische Zahl. Somit werden in der auf Injektionsniveaus beruhenden spektroskopischen Betriebsart im wesentlichen gleichzeitige Messungen bezüglich der Minoritätsladungsträger-Rekombinationsdauer bei hohem und bei niedrigem Lasererregungs- oder Injektionsniveau durchgeführt. Das durch Gleichung (4) gegebene Verhältnis I wird dann aus diesen beiden Messungen gebildet und ist für eine gegebene Verunreinigung charakteristisch. Wenn mehrere Verunreinigungen von vergleichbarem Konzentrationsniveau gleichzeitig vorhanden sind, wird ein Durchschnittswert gemessen. Da es jedoch unwahrscheinlich ist, daß alle Verunreinigungen in der Probe in gleichmäßiger Konzentration und Verteilung vorhanden sind, sollte eine seitwärts über die Probe gleitende Messung des Verhältnisses I Daten liefern, welche die verschiedenen Verunreinigungen auseinanderhalten und identifizieren.
Aus Gleichung (4) folgt, daß das Verhältnis I von hohem zu niedrigem Injektionsniveau nicht vom örtlichen Verunreinigungsgehalt abhängt. Da die relative Änderung der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer untersucht wird, wird das Verhältnis I somit nicht vom Verteilungsmuster der erzeugten Ladungsträger beeinflußt.
Das von den Anmeldern bevorzugte Verfahren zur spektroskopischen Prüfung mittels Injektionsniveaus besteht darin, zuerst eine Standard-Rekombinationslebensdauer von Minoritätsladungsträgern für ein hohes Injektionsniveau zu messen, um durchschnittliche Verunreinigungsniveaus zu beurteilen. Als nächstes wird die Probe bei niedrigem Injektionsniveau nochmals vermessen, und das Verhältnis I zwischen der bei hohem und bei niedrigem Injektionsniveau gemessenen Lebensdauer wird berechnet und vom Computer als "I- Graphik" ausgedruckt, wie in Fig. 4 dargestellt. Für eine gegebene Verunreinigung ist I eine genau definierte Zahl, wenn die Konzentration der freien Ladungsträger bekannt ist. Somit offenbart eine "I-Graphik" nach der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein verschiedener Verunreinigungen durch die verschiedenen Absolutwerte von I, die den verschiedenen Verunreinigungen entsprechen.
Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Software-Programme im Computerystem 48 ermöglichen es dem Systembediener anzugeben, welche Verunreinigungen in der Probe 24 geprüft werden sollen. Über die Steuerleitung 52 veranlaßt das Computerystem 48 die Laserquelle 42, in ihren angeregten Betriebszustand mit vorher bestimmten, optimalen hohen und niedrigen Injektionsniveaus überzugehen, um geeignete Daten für die zu untersuchende verunreinigung hervorzubringen. Ein System nach dem Stand der Technik könnte Meßdaten zwar bei einem hohen Laserinjektionsniveau liefern, aber die solchen Systemen innewohnende Mikrowellenunempfindlichkeit schließt eine wesentliche Senkung des Laserinjektionsniveaus aus.
Die vorliegende Erfindung erlaubt eine Kartographierung von Verunreinigungsdaten als Funktion des Orts in der Probe, indem die Probe 24 zwischen den Messungen vorzugsweise inkrementell bezüglich der Laserquelle 42 versetzt wird. Die Größe der Versetzungsschritte kann z.B. vom Bediener über das Computerystem 48 ausgewählt werden, welches über die Steuerleitung 56 die Bewegung des Tischmechanismus 54 steuert. Die sich ergebende graphische Karte - ein Exemplar derselben ist als Fig. 4 gezeigt - kann an dem Monitor 50, einem Plotter oder einem Drucker ausgegeben werden und auch in einem nichtflüchtigen Computerspeicher oder auf einer Diskette gespeichert werden.
Es wird weiter auf Fig. 4 Bezug genommen; der Monitor 50 zeigt vorzugsweise bestimmte, vom Bediener auswählbare Parameter 55, Daten 57 über die sich ergebende Rekombinationslebensdauer der Minoritätsladungsträger, eine vorzugsweise mehrfarbige Draufsicht 59 auf die Probe 24 und graphische Darstellungen 61 von gemessenen und aufgetragenen Lebensdauerdaten. Eine Legende 63 erlaubt es dem Bediener, aus der Ansicht 59 die Rekombinationslebensdauer an jeder vom Bediener ausgewählten Stelle der Probe zu bestimmen. Die Systemsoftware, welche die in Fig. 4 gezeigte Ansicht erzeugt, ermöglicht in flexibler Weise auch andere Ansichten.
Wie schon bemerkt, bietet die "einseitige" Anordnung nach Fig. 2 vorteilhaft die Möglichkeit, eine nicht-oxidierte Probe 24 in einem einen oberflächenpassivierenden Elektrolyten 60 enthaltenden Bad 58 unterzubringen. Vorzugsweise schafft der Elektrolyt 60 das Äquivalent einer einfachen chemischen Passivierung der elektrisch aktiven Oberflächenbereiche bei einer nicht-oxidierten Probe und erzeugt eine nahezu ideale elektrisch inaktive Oberfläche. Die Anmelder haben z.B. herausgefunden, daß eine solche Passivierung die Oberflächen- Rekombinationsgeschwindigkeit auf einer oxidfreien Oberfläche einer Siliziumprobe auf etwa 0,3 cm/s verringert. Für p- leitendes Silizium ist der Elektrolyt 60 vorzugsweise 0,1 mol x dm&supmin;³ NaF (pH< 1), und für n-leitendes Silizium ist der Elektrolyt vorzugsweise eine Alkali-Lösung > 1 mol x dm&supmin;³ NaOH und 25% NH&sub3;. Auch andere Elektrolyte und andere Konzentrationen könnten verwendet werden.
Typischerweise drückt eine Passivierung die Oberflächen- Rekombinationsgeschwindigkeit auf etwa 200 bis 400 cm/sec, was einer Lebensdauer von ungefähr 20 bis 30 us entspricht. Das System 22 der Anmelder kann den Absolutwert der Rekombinationslebensdauer auf einer blanken (d.h. weder passivierten noch oxidierten) Probe mit einer Genauigkeit von etwa 1% messen, bezogen auf die Oberflächen-Rekombinationszeit von 20 bis 30 us. Dies stellt zwar eine Einschränkung bezüglich der absoluten Rekombinationsgenauigkeit dar, aber relative Veränderungen von Fehlstellen in einer Probe können bei Verwendung der Erfindung der Anmelder mit einer Genauigkeit von 1% erfaßt werden. Infolgedessen können mit der Erfindung der Anmelder sogar auf einer blanken Probe Verunreinigungen, Sauerstoffniederschläge und andere lebensdauerbegrenzende Streustellen, deren Begrenzung nicht mehr als ungefähr 1 ms beträgt, aufgelöst werden. Bei verschiedenen Kalibrierungsversuchen haben die Anmelder bestätigt, daß das System 22, wenn es mit einem elektrolytischen Passivierungsbad 60 verwendet wird, für blanke Proben Daten liefert, die zu Daten für chemisch passivierte Proben konsistent sind.
Das erfindungsgemäße System 22 wird vom Computerystem 48 gesteuert, das seinerseits von Software betrieben wird, die zur bequemen Bedienung vorzugsweise eine graphische Benutzeroberfläche bietet. Nachdem eine Probe 24 in den Tischmechanismus 54 geladen worden ist, wird sie optisch abgetastet, um die Ausrichtung der flachen Scheibe (Wafer) zu ermitteln.
Die Systemsoftware bietet ein am Video-Monitor 50 präsentiertes Startmenü mit Auswahlmöglichkeiten. Um eine Probe abzutasten und zu laden, wählt der Bediener ein Menü "Messen" und dann "Initialisieren". Als nächstes sucht die Software eingegebene Listeninformationen, einschließlich des Probennamens, Dateinamens, Kommentars, Datums und der Bediener- Identifizierung. Es erfolgt eine Menüauswahl "Lade Wafer", und dann sucht das System nach der Größe, Lage und ebenen Ausrichtung der Probe. Nach Abschluß dieser Prozedur werden aufgezeichnete Verzögerungsdaten vom Monitor 50 angezeigt.
Unter Verwendung einer Maus kann der Bediener einen mit dem Detektor 46 verbundenen Meßkopf 76 über einer gewünschten Zone der Probe positionieren, wonach eine Messung erfolgt. Menüauswahlmöglichkeiten fordern den Bediener auf, die Auflösung der zu erstellenden Defektstellen-Graphik, z.B. 1, 2, 4, 8 mm, und die Größe der Waferprobe, z.B. 4 Zoll (10,16 cm), 5 Zoll (12,7 cm), 6 Zoll (15,24 cm), 8 Zoll (20,32 cm), auszuwählen. Eine Menüauswahlmöglichkeit "Vorabtastung" erlaubt die Anzeige von Abklingkurven. Eine Menüauswahlmöglichkeit "Messen" liefert eine Anzeige einer Lebensdauer-Graphik.
Menüauswahlmöglichkeiten erlauben es auch, das Erscheinungsbild der graphischen Karte zu ändern, zum Beispiel in der Weise, daß Daten als Histogramm dargestellt werden. Die verschiedenen Daten und Graphiken können auf Platten oder anderen Speichermedien gespeichert oder ausgedruckt werden.
Als Beispiel seien die zu Fig. 4 gehörigen Daten angegeben: Kommentar: Datum: 09/03/91 Bediener: Probe: SEMIC-1 Dateiname: DEMO-1 Auflösung: 1 mm Durchmesser: 5 Zoll (12,7 cm) Abtastradius: 52 mm

Lebensdauer

Durchschnitt: 2,37 us Minimum: 0,76 us Maximum: 3,99 us Abweichung: 35 % Zeitbereich: 0,05 ms Empfindlichkeit: 500 mV Mittelwertbildung: 256 Mikrowellenabstimmung: 12,7 Volt Impulsbreite: 200 ns Laserleistung: 254 Laserwellenlänge: 904 nm
Die Videoanzeige am Monitor 50 erlaubt eine Erhöhung oder Senkung der Transientenaufzeichnungszeit und von Spannungsbereichen sowie der Lasererregungsleistung und Mikrowellenfrequenz. Die Videoanzeige liefert ein Abbild der abgetasteten Probe, und der Pediener kann z.B. unter Verwendung einer Computermaus einen Bildzeiger im Bild positionieren, wo Vor-Abtastmessungen durchgeführt werden sollen. Der Monitor 50 zeigt eine graphische Karte der Minoritätsladungsträger- Lebensdauer, und örtliche Bereiche der Probe können mit der Maus ausgewählt werden, um die zum jeweiligen Bereich gehörigen Parameter anzuzeigen. Die Systemsoftware enthält vorzugsweise einen selbsteinstellenden Algorithmus, der dem Bediener einen Vorschlagssatz von Anfangsparametern, z.B. zur Mikrowellenabstimmung, Empfindlichkeit, Zeitbasis u.dgl., bietet.
In Fig. 5A ist der Tischmechanismus 54 näher dargestellt, wobei die Probe 24, die typischerweise einen flachen Rasterrand 78 aufweist, vorzugsweise unter Vakuum auf einem Robotergleitarm 80 gehalten ist. Wie durch einen Pfeil 82 angedeutet, kann sich der Arm 80 unter Steuerung durch das Computerystem 48 vor- und zurückbewegen. Der Arm 80 ist seinerseits oberhalb eines Tischelements 84 angeordnet und vorzugsweise von einem durch das Element 86 angedeuteten Vakuumsystem am Tischelement 84 gehalten. Das Tischelement 84 kann sich unter Steuerung durch das Computerystem 48 ebenfalls vor- und zurückbewegen (wie durch einen Pfeil 88 angedeutet).
Das Computerystem 48 kann den Arm 80 und den Tisch 84 so steuern, daß diese sich gemeinsam bewegen, zum Beispiel wenn die Probe 24 mittels zusätzlicher (in Fig. 5A nicht dargestellter) Einrichtungen auf oder in den Mechanismus 54 gesetzt bzw. von oder aus ihm entfernt wird. Während einer Testphase wird der Arm 80 vorzugsweise ortsfest gehalten, während sich der Tisch 84 bewegt; in dieser Zeit schützt ein Schutzelement 90, das - wie durch einen Pfeil 92 angedeutet - zu einer vertikalen Relativbewegung ausgebildet ist, den Arm 80. Um unerwünschte Wirkungen auf das Mikrowellenenergiefeld zu minimieren, wird es vorgezogen, daß der Arm 80 und das Tischelement 84 jeweils aus demselben mikrowellenneutralen Material, z.B. Plexiglas oder Teflon, gebildet sind. Vorzugsweise ist aus demselben Grund auch eine Systemtischfläche 94, die allgemein unter dem Arm 80 und dem Tischelement 84 angeordnet ist und (unter Steuerung durch das Computerystem 48) zu einer durch den Pfeil 96 angezeigten Bewegung ausgebildet ist, aus demselben Material hergestellt.
Der Arm 80 und/oder das Tischelement 84 und/oder die Tischfläche 94 bewegen sich vorzugsweise unter Steuerung durch das Computerystem 48 inkrementell bezüglich der Laserquelle 42. Diese Relativbewegung bewirkt, daß im wesentlichen alle interessierenden Bereiche der Probe 24 der Mikrowellenenergie und der Lichtenergie aus der Antenne 38 bzw. der Laserquelle 42 ausgesetzt werden. Während der Detektor 46 die Rekombinationslebensdauer von Minoritätsladungsträgern an verschiedenen Stellen auf der Probe 24 erfaßt, kann somit eine die Verunreinigungen in der Probe anzeigende Graphik (wie sie in Fig. 4 gezeigt ist) erstellt werden.
Fig. 5B zeigt (zusammen mit Fig. 5A) allgemein, wie der Rand 78 des Probenwafers 24 erfindungsgemäß positioniert wird. Ein im großen und ganzen über der Probe 24 angeordneter Reflexions-Optokopplermechanismus 100 wird vorzugsweise durch eine Rechteckfrequenzquelle gesteuert, deren Frequenz ungefähr 1 kHz beträgt. Das Ausgangssignal des Mechanismus 100 wird einem Selektivverstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal seinerseits einem phasenempfindlich angekoppelten Verstärker (z.B. einem phasenstarr geregelten Verstärker) 104 zugeleitet wird. Ein Komparator 106 wandelt dann das Ausgangssignal des Verstärkers 104 auf logische Pegel um, die einem Ausgangsregister 108 zugeführt werden. Das Register 108 empfängt auch Signale vom Oszillator 110, der seinerseits auch als die besagte Rechtecksignal-Quelle für den Optokopplermechanismus 100 verwendet werden kann. Die vorstehend beschriebenen Elemente arbeiten vorzugsweise unter der Steuerung des Computerystems 48. Eine über der Probe 24 angeordnete, vorzugsweise zeilenförmige Kamera 112 ist an dem Computersystem 48 und den vorstehend beschriebenen Elementen angeschlossen, um den Ort und die Ausrichtung des flachen Randes 78 der Probe genau zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf einige spezifische Ausführungsformen erläutert, jedoch dient die Beschreibung lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und ist nicht als Beschränkung der Erfindung auszulegen. Verschiedenste Abänderungen sind einschlägigen Fachleuten ersichtlich, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. System zum Charakterisieren von Fehlstellen in einer Halbleiterprobe, die eine erste Oberfläche aufweist, ohne die Probe zu berühren, wobei das System aufweist:

eine Mikrowellenenergiequelle;

eine abgestimmte Schmalbandantenne, die zum Richten der Mikrowellenenergie zu der ersten Oberfläche hin an die Quelle angekoppelt ist, wobei die Antenne im Nahfeldverhältnis zu der ersten Oberfläche angeordnet ist;

eine Impulsquelle optischer Energie, die derart angeordnet ist, daß optische Energie zu wenigstens einem Bereich der ersten Oberfläche hin abgestrahlt wird;

wobei die optische Energie innerhalb wenigstens eines Bereichs der Probe Ladungsträgerpaare erzeugt, die nach dem Ende jedes optischen Energieimpulses zu rekombinieren beginnen;

einen Detektor, der zum Detektieren der von den freigesetzten Ladungsträgern in der Probe reflektierten Mikrowellenenergie an die Antenne angekoppelt ist;

wobei von der detektierten reflektierten Mikrowellenenergie die Minoritätsladungsträger- Rekombinationslebensdauer in der Probe charakterisiert wird und Informationen über Fehlstellen darin geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Mikrostreifenleitungsantenne ist, die umfaßt:

ein Dielektrikum mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche;

einen an der ersten Dielektrikumsoberfläche angeordneten, als gedruckte Schaltung ausgeführten Leiterring, der eine Mikrowellenkopplungsstelle für ein koaxiales Kabel aufweist, von dem die Antenne an die Mikrowellenenergiequelle angekoppelt wird;

eine an der zweiten Dielektrikumsoberfläche angeordnete Massenebene;

wobei die Dielektrikumsoberfläche und die Massenebene ein Durchgangsloch bestimmen, das insgesamt zu der Mikrowellenkopplungsstelle diametral gegenüberliegend angeordnet ist;

und die Antenne derart angeordnet ist, daß die optische Energie von der Impulsquelle auf dem Weg zu der ersten Oberfläche hin durch das Durchgangsloch hindurchtritt.

2. System nach Anspruch 1, bei dem das Dielektrikum und die Massenebene im wesentlichen von derselben Größe sind und eine Länge von etwa 20 mm haben.

3. System nach Anspruch 1, bei dem die Antenne weniger als etwa 4 mm von der ersten Oberfläche der Probe angeordnet ist.

4. System nach Anspruch 1, bei dem die Probe eine Impedanz aufweist, die einen die Mikrowellenquelle und die Antenne enthaltenen Mikrowellenweg abschließt;

wobei die abgeschlossene Probe aufgrund von mechanischer Vibration der Probe auftretende Systemmeßfehler wesentlich verringert.

5. System nach Anspruch 1, bei dem die Impulsquelle optischer Energie einen in einem Bereich von etwa 25 W bis etwa 25 mW wählbaren Leistungsausgang erzeugt.

6. System nach Anspruch 5, bei dem die Minoritätsladungsträgerlebensdauer-Messungen im wesentlichen gleichzeitig mit dem Betrieb der optischen Energiequelle bei einem ersten, verhältnismäßig hohen Leistungspegel, und bei einem zweiten, verhältnismäßig niedrigen Leistungspegel vorgenommen werden;

wobei ein Verhältnis der bei dem ersten Pegel und dem zweiten Pegel der optischen Energie vorgenommenen Messungen der Minoritätsladungsträger-Rekombinationslebensdauer eine Zahl liefert, die zum Identifizieren wenigstens einer Verunreinigung in der Probe neigt.

7. System nach Anspruch 1, ferner mit einem ein Elektrolysebad enthaltenden Behälter;

wobei eine nichtoxidierte Probe während der Messungen in dem Behälter derart angeordnet ist, daß das Elektrolysebad jede Oberfläche der Probe passiviert;

und von der Passivation die Oberflächenrekombination im wesentlichen eliminiert wird, wodurch ermöglicht wird, daß das System sinnvolle Meßergebnisse für eine nichtoxidierte Probe liefert.

8. System nach Anspruch 1, bei dem die Mikrowellenenergiequelle auf eine Frequenz in dem Bereich von etwa 10.2 GHz bis etwa 10.45 GHz einstellbar ist, derart, daß das Ausgangssignal von dem Detektor optimiert ist.

9. System nach Anspruch 5, bei dem die Impulsquelle optischer Energie ein Laser ist.

10. Verfahren zum Charakterisieren von Fehlstellen in einer Halbleiterprobe, die eine erste Oberfläche aufweist, ohne die Probe zu berühren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, nach denen:

eine Mikrowellenenergiequelle an eine abgestimmte Schmalbandantenne zum Richten der Mikrowellenenergie zu der ersten Oberfläche hin angekoppelt wird, wobei die Antenne im Nahfeldverhältnis zu der ersten Oberfläche der Probe angeordnet ist;

eine Impulsquelle optischer Energie vorgesehen wird, wobei die Impulsquelle zum Abstrahlen der optischen Energie zu wenigstens einem Bereich der ersten Oberfläche hin angeordnet ist;

ein Detektor zum Detektieren der von den freigesetzten Ladungsträgern in der Probe reflektierten Mikrowellenenergie an die Antenne angekoppelt wird;

wobei von der reflektierten Mikrowellenenergie die Minoritätsladungsträger-Rekombinationslebensdauer in der Probe charakterisiert wird und Informationen über Fehlstellen darin geliefert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Mikrostreifenleitungsantenne ist, die umfaßt:

ein Dielektrikum mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche;

eine an der zweiten Dielektrikumsoberfläche angeordnete Massenebene;

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Probe eine Abschlußimpedanz für einen die Mikrowellenenergiequelle und die Antenne enthaltenen Mikrowellenweg aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem:

die Impulsquelle optischer Energie einen in einem Bereich von etwa 25 W bis etwa 25 mW wählbaren Leistungsausgang erzeugt;

die Minoritätsladungsträgerlebensdauer-Messungen im wesentlichen gleichzeitig mit dem Betrieb der optischen Energiequelle bei einem ersten, verhältnismäßig hohen Leistungspegel, und bei einem zweiten, verhältnismäßig niedrigen Leistungspegel vorgenommen werden;

wobei von einem Verhältnis der bei dem ersten Pegel und dem zweiten Pegel der optischen Energie vorgenommenen Messungen der Minoritätsladungsträger-Rekombinationslebensdauer eine Zahl geliefert wird, die zum Identifizieren wenigstens einer Verunreinigung in der Probe neigt.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Antenne weniger als etwa 4 mm von der ersten Oberfläche der Probe angeordnet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit den Schritten, nach denen:

eine nichtoxidierte Probe während der Messungen in einen ein Elektrolysebad enthaltenden Behälter derart angeordnet wird, daß das Elektrolysebad jede Oberfläche der Probe passiviert;