DE69425316T2

DE69425316T2 - Verfahren zur Bestimmung der Rekombinationslebendauer von Minoritäts-Ladungsträgern einer Probe aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE69425316T2
Application number: DE69425316T
Authority: DE
Inventors: William C. Goldfarb
Original assignee: Semitest Inc
Current assignee: Semitest Inc
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2014-11-30
Also published as: EP0656643B1; JP2954492B2; EP0656643A1; US5453703A; JPH07302823A; DE69425316D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Minoritätsladungsträger-Oberflächen-Rekombinationslebensdauerkonstanten (ts) einer Halbleitermaterialprobe.
Metalle wie zum Beispiel Eisen und Kupfer sind übliche Probleme bei der Fertigung von Siliziumbauelementen. Geringe Mengen dieser Elemente, die ihren Weg im Verlauf der Fertigung in Produktwafer finden, sind Ursache für niedrigere Spannungsfestigkeitswerte und geringere Bauelement-Ausbeute. Der Wert der Minoritätsladungsträger-Oberflächen-Rekombinationslebensdauerkonstanten (ts) ist bekanntlich für die Verunreinigung von Halbleitermaterial durch Metall kennzeichnend. Der Wert (t) ist bekanntlich auch empfindlich bezüglich Beschädigungen der kristallinen Ordnung an der Silizium-Siliziumoxid-Grenzfläche.
Es ist eine Reihe von Methoden zum Messen von (ts) bekannt. Diese beinhalten das Abklingen der Photoleitfähigkeit (PCD; photoconductivity decay), das CV-Impulsverfahren, das Oberflächen-Photospannungs-Verfahren (SPV; surface photovoltage) unter Verwendung von Licht verschiedener Wellenlängen, der Nachweis des Abklingens der Spannung bei Kurzschlußstrom und offenem Schaltkreis, das Abklingen der Photolumineszens und das durch Elektronenstrahl induzierte Abklingen des Stroms.
In dem US-Patent 4 827 212 von E. Kamieniecki et al. sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Halbleiters unter Ausnutzung des Oberflächen-Photospannungseffekts (SPV) dargestellt. Es wird eine Zone der Oberfläche eines Halbleiters mit einem Lichtstrahlbündel beleuchtet, welches in seiner Intensität moduliert ist, wobei die Wellenlänge des Lichts kürzer ist als die der Energielücke des Halbleiters entsprechende Wellenlänge. Unter verschiedenen Vorspannungsbedingungen wird die in dem Halbleiter induzierte Oberflächen- Photospannung (SPV; surface photovoltage) gemessen. Die Intensität des Lichtstrahlbündels und die Modulationsfrequenz werden derart gewählt, daß die Oberflächen-Photospannung (SPV) direkt proportional zu der Intensität und umgekehrt proportional zur Modulationsfrequenz ist. Die Vorrichtung enthält ein Paar Elektroden, eine Lichtquelle, eine modulierte Stromversorgung, eine Gleich-Vorspannungsquelle, einen Verstärker, einen phasenempfindlichen Detektor, einen A/D-Wandler und einen Computer. Mit Hilfe von Messungen der Oberflächen-Photospannung (SPV) und der Vorspannung (Vg) werden die in der Halbleiter- Raumladungszone induzierte Ladung (Qse) und die in dem Halbleiter induzierte Ladung (Qind) ermittelt. Diese Information dient zur Bestimmung gewisser spezifischer Parameter des Halbleiters, so zum Beispiel der Oberflächenzustandsdichte und des Oxid/Isolator-Ladungs- Dotierungstyps und der Dotierstoffkonzentration. Die Methode ist speziell zur Verwendung beim Charakterisieren von Halbleiterwafern, seien sie beschichtet oder unbeschichtet, ausgebildet, sie kann jedoch bei Bedaurf auch bei der Charakterisierung von MIS- oder MOS-Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.
In dem US-Patent 4 891 584 von E. Kamieniecki et al. ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Wechselstrom-Oberflächen-Photospannungsmessungen (SPV) einer Halbleitermaterialprobe unter Gleich-Vorspannungsbedingungen beschrieben, welche eine Lichtquelle enthält, deren Ausgangsstrahlbündel in seiner Intensität moduliert wird, wobei weiterhin eine einstellbare Gleich-Vorspannungsquelle, eine leitende Unterlage zur Aufnahme der Probe und eine neue kapazitive Referenzelektrodenanordnung zum Erfassen der SPV-Signale vorgesehen sind. Die Referenzelektrodenanordnung enthält eine Ausführungsform eines transparenten flexiblen Isolierstoff-Flachstücks, auf dessen einer Fläche sich ein erster, als Referenzelektrode fungierender leitender Überzug und ein zweiter leitender Überzug, der als Schutzelektrode fungiert, befinden, wobei der erste Überzug transparent ist. Das flexible Isolierstoff- Flachstück wird über ein ringförmiges Abstandsglied an einer ersten Glasplatte befestigt. Zwischen dem Flachstück und der Glasplatte befin det sich ein flexibler Knopf. Wenn die SPV-Messungungen stattfinden, wird das flexible Flachstück mit einem Druck gegen die Probe gepreßt, der ausreicht, die Referenzelektrode in enger Berührung mit der Probe zu halten, wobei der Druck auf die Glasplatte aufgebracht wird und von der Glasplatte über den elastischen Knopf auf das flexible Isolierstoff- Flachstück übertragen wird.
Das US-Patent 4 333 051 von A. Goodman sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in Halbleitern unter Verwendung des Oberflächen-Photospannungsverfahrens (SPV) mit konstantem Betrag beschrieben. Ein Regelsystem sorgt für die Konstanthaltung eines bestimmten Werts der SPV. Eine neue Kapazitäts-Abnahmeelektrode koppelt die SPV auf einen Vorverstärker des Meßsystems und verringert die SPV-Drift. Mit Hilfe einer Tastatur oder eines Computers werden sowohl die optische Betriebswellenlänge eines einstellbaren Monochromators als auch eines Netzwerks zum Kompensieren der von der Wellenlänge abhängigen Empfindlichkeit eines Photodetektors zum Messen der Beleuchtungsstärke (Photonenfluß) des Halbleiters verwendet. Messungen des relativen Photonenflusses für eine Mehrzahl von Wellenlängen werden über dem Reziprokwert des optischen Absorptionskoeffizienten des Materials aufgetragen. Es wird eine lineare Aufzeichnung der Datenpunkte auf eine Intensität von Null extrapoliert. Der negative Schnittpunktswert auf der Achse des reziproken optischen Absorptionskoeffizienten der extrapolierten linearen Darstellung ist die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger.
In dem US-Patent 4 649 339 von R. Gangrath zeigt eine Schnittstelle zum Prüfen eines integrierten Schaltungsbauelements mittels mehrerer Kontakte an einer freiliegenden Fläche des Bauelements. Die Schnittstelle enthält ein flexibles Flachstück mit einer ersten und einer zweiten Fläche, die einander abgewandt sind. Mehrere Kontakte befinden sich auf der ersten Fläche des Flachstücks in einem Muster, welches so gestaltet ist, daß es zu einer Mehrzahl von Kontakten an einem integrier ten Bauelement paßt. Mehrere Dünnschichtleiter sind als Muster auf dem Flachstück ausgebildet, wobei die Leiter so verschaltet sind, daß sie mit einem Kontakt auf dem Flachstück in Berührung treten, wobei sie eine Verbindung mit einer Prüfleitung für das Bauelement schaffen. Die Schnittstelle enthält eine Vorrichtung, mit der ein Bereich des Flachstücks, der mehrere Kontakte enthält, zu einer etwa domförmigen Gestalt vorgeformt wird, außerdem eine Vorrichtung zum Biegen des flexiblen Flachstücks in der Weise, daß die Kontakte sowohl an dem Flachstück als auch an dem Bauelement in innigen Kontakt miteinander gebracht werden.
In dem US-Patent 5 091 691 von E. Kamieniecki et al. ist eine Vorrichtung zum Durchführen von Wechselstrom-Oberflächen-Photospannungs-Messungen (SPV-Messungen) einer Halbleitermaterialprobe unter Gleich-Vorspannungsbedingungen offenbart. Diese Vorrichtung enthält eine Lichtquelle, deren Ausgangsstrahl in seiner Intensität moduliert wird, eine einstellbare Gleich-Vorspannungsquelle, eine leitende Unterlage zur Aufnahme der Probe und eine neue kapazitive Referenzelektradenanordnung zum Lesen der SPV-Signale. Die Referenzelektrodenanordnung enthält bei einer Ausführungsform einen Knopf aus isolierendem Elastomermaterial und ist an einer aus Isolierstoff gefertigten starren Platte befestigt. Ein aus Isolierstoff bestehender Film mit einem leitenden Überzug auf der einen Seite, der als Referenzelektrode fungiert, ist an dem Knopf befestigt. Werden SPV-Messungen durchgeführt, so wird der Film mit einem Druck gegen die Probe gedrückt, der ausreicht, um die Referenzelektrode in enger Anlage an der Probe zu halten, wobei der Druck auf die Platte von einer äußeren Quelle aufgebracht und von der starren Platte über den elastischen Knopf auf den Film überragen wird.
In dem US-Patent 4 393 348 von B. Goldstein et al. sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in Halbleitermaterial, insbesondere in amorphem Silizium, welches eine signifikant kleine Minoritätsladungsträger-Diffu sionslänge aufweist, offenbart, wobei das Oberflächen-Photospannungs- (SPV-)Verfahren mit konstantem Betrag eingesetzt wird. Eine nicht modulierte Beleuchtung führt zu einer Lichtanregung auf der Oberfläche des Materials, um die SPV zu erzeugen. Eine schwingende Kelvinverfahren-Sondenelektrode koppelt die SPV an ein Meßsystem. Die optische Betriebswellenlänge eines einstellbaren Monochromators zum Kompensieren der von der Wellenlänge abhängigen Empfindlichkeit eines Photodetektors wird so ausgewählt, daß die Beleuchtungsintensität (der Photonenfluß) auf dem Silizium gemessen wird. Messungen des relativen 1 Photonenflusses für mehrere Wellenlängen werden über dem Reziprokwert des optischen Absorptionskoeffizienten des Materials aufgetragen. Es wird eine lineare Aufzeichnung der Daten auf die Intensität von Null extrapoliert. Der negative Schnittpunktwert auf der reziproken optischen Koeffizientenachse der extrapolierten linearen Darstellung ist die Difflisionslänge der Minoritätsladungsträger.
In dem US-Patent 5 087 876 von L. Reiss et al. ist eine Vorrichtung zum Durchführen einer Wechselstrom-Oberflächenphotospannungs- (SPV-)Messung einer Halbleitermaterialprobe unter variablen Gleich- Vorspannungsbedingungen offenbart. Die Vorrichtung enthält eine Lichtquelle, deren Ausgangslichtstrahl in der Intensität moduliert wird, eine Referenzelektrode, eine Schutzelektrode, eine Gegenelektrode, eine erste Spannung zum Vorspannen der Referenzelektrode mit einer geeigneten Gleichspannung, eine zweite Spannung getrennt von der ersten Spannung, um die Schutzelektrode derart vorzuspannen, daß sich in der Zone der Probe, die von der Schutzelektrode gesteuert wird, eine Ansammlungsschicht einstellt, um den Fluß von Ladungsträgern zwischen dDr von der Referenzelektrode gesteuerten Zone und dem Rest der Probe zu verhindern.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zum Bestimmen der Minoritätsladungsträger-Oberflächen- Rekombinationslebensdauerkonstanten (ts) einer Halbleitermaterialprobe zu schaffen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren der oben genannten Art anzugeben, welches schnell und zuverlässig ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, welches sich mit einer ähnlichen Vorrichtung ausführen läßt, wie sie in den oben angegebenen Patenten von Kamieniecki und Reiss offenbart ist.
In der EP-A-0 400 386 der Siemens Aktiengesellschaft ist ein zweistufiges Verfahren zum Berechnen der Rekombinationsgeschwindigkeit von Minoritätsladungsträgern an Grenzflächen zwischen Halbleitern und anderen Substanzen offenbart, bei dem keine Teststrukturen erforderlich sind. Bei dem Verfahren wird lediglich die zweite Halbzelle mit Elektrolyt während des einen Meßschritts gefüllt, und es wird ein erster Photorstrom gemessen, der in der zweiten Halbzelle zwischen der Elektrode und der Rückseite fließt, wobei in einem weiteren Meßschritt beide Halbzellen mit Elektrolyt gefüllt werden und ein zweiter Photostrom gemessen wird, der in der zweiten Halbzelle zwischen der Elektrode und der Rückseite fließt, um dann hieraus die Grenzflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme folgender mathematischer Gleichung zu berechnen:
S = Dα(1 - A)/[A - αLtanh(X/L)]
wobei D eine Diffusionskonstante der Ladungsträger, α die Absorptionskonstante des Lichts, A = I&sub2;/I&sub2;, das Verhältnis des zweiten Photostroms zu dem ersten Photostrom, L die Diffusionslänge und X die Dicke des Wafers ist. Das Verfahren hier dient zum Messen der Rekombinationsgeschwindigkeit.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen der Minoritätsladungsträger-Oberflächen-Rekombinationslebensdauerkonstanten (ts) einer Halbleitermaterialprobe gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen.
Die Erfindung schafft außerdem eine Variante des obigen Verfahrens, angegeben im unabhängigen Anspruch 3, bei dem die Eingabe von Information entsprechend der Dotierstoffkonzentration einbezogen ist.
Der Wechsel-Photostrom ist "nahezu" proportional zur Intensität des Lichtstrahls, da der Term zweiter Ordnung signifikant ist, während die Terme dritter und höherer Ordnung nicht signifikant sind.
Verschiedene Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. In der Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die Teil der Beschreibung sind, und die beispielhaft eine spezifische Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung darstellt. Diese Ausführungsform wird in ausreichender Einzelheit beschrieben, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, wobei sich versteht, daß auch andere Ausführungsformen verwendet werden können, und bauliche Abänderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Deshalb soll die nachfolgende detaillierte Beschreibung nicht als beschränkend verstanden werden, der Schutzumfang der Erfindung wird am besten durch die beigefügten Ansprüche definiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile stehen, zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Ausführen der Erfindung, und
Fig. 2 eine detailliertere Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Sondenanordnung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Minoritätsladungsträger-Oberflächen-Rekombinationslebensdauerkonstanten (ts) einer Halbleitermaterialprobe unter Verwendung eines Lichtstrahlbündels variabler Intensität.
Bevor die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden, soll die zugrundeliegende Theorie erläutert werden.
Das elektrostatische Potential Ψ im Volumen eines Halbleiters läßt sich mit Null angeben. Es ändert sich in der Nähe der Oberfläche, wenn es eine von Majoritätsladungsträgern freie Schicht, die Raumladungszone, gibt. An der Halbleiteroberfläche gilt Ψ = Ψs, wobei Ψs das Oberflächenpotential genannt wird. Die Raumladungszone ist eine Schicht der Dicke Wd. Es handelt sich um eine geladene Isolierschicht mit einer Ladungsdichte p = q*N. Das Integrieren einer eindimensionalen Poisson-Gleichung liefert die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration NSC, dem Oberflächenpotential und der Dicke der Raumladungszone:
wobei s die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters ist.
Die Gleichung (a1) läßt sich zusammen mit dem Erfordernis des Ladungsgleichgewichts dazu verwenden, die Beziehung zwischen dem Oberflächenpotential und den Geschwindigkeiten der Erzeugung und der Rekombination von Minoritätsladungsträgern zu gewinnen.
Ladungsneutralität erfordert, daß jegliche Änderung der Oberflächenladungsdichte, dQss, mit einer äquivalenten Änderung in der Raumladungszone kompensiert wird: dQss = dQsc.
Die Änderungsgeschwindigkeiten der Gesamtoberflächendichte freier Minoritätsladungsträger, G, und Oberflächenzustände der Majoritätsladung, R, sind mit der Änderung in der Raumladungszone im Gleichgewicht. Dies macht es möglich, den Ausdruck für die Änderungsgeschwindigkeit des Oberflächenpotentials folgendermaßen anzugeben:
Mit Hilfe der Kleinsignal-Approximation, bei der v*kT/q < < 1, erhält man
wobei Φ = auftreffender Photonenfluß
ref = Reflexionskoeffizient des Halbleiters
α = Absorptionskoefiizient
k = Boltzmann-Konstante
Lp - Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge
T = Temperatur (Kelvin)
ν = Oberflächen-Einfanggeschwindigkeit
Ψs = Ψ&sub0; + ν, Oberflächenpotential = statischer (Dunkel-) Anteil Ψ&sub0;, plus variabler Anteil ν.
Bei größeren Absorptionskoeffizienten (a*Wd > 1) ist G im wesentlichen unabhängig von Wd, und Ψs läßt sich durch Φ ersetzen, da die übrigen Faktoren als Skalierfaktor wirken, die bei der endgültigen Analyse herausfallen.
Durch Anwenden dieser Vereinfachung sowie der Gleichungen a1 und a6 auf die Differentialgleichung für das Oberflächenpotential, a4, erhält man die linearisierte Form
Durch Einführen der Definition
ergibt sich eine Differentialgleichung erster Ordnung in einfacher Form:
Die Lösung für eine stufenförmige Funktionsänderung des Lichts Φ lautet
die nach einigen ts abklingt auf
Wenn das erzeugende Licht mit der Frequenz ω sinusförmig moduliert wird, besitzt die Differentialgleichung eine Lösung
Das wechselstrommäßig modulierte Licht zum Stimulieren des Photospannungssignals besitzt eine Gleichstromkomponente, die den stationären Wert des Oberflächenpotentials modifiziert. Für kleine Störungswerte entsprechend
lassen sich die Effekte der stationären Modifikation von Ψs in der Wechselstromlösung dadurch berücksichtigen, daß man die Gleichung a1 auf die erste Ordnung ausweitet und den Wert der Gleichstrom- Oberflächenpotentialabweichung v ersetzt.
Bei Frequenzen, für die ω*ts > > 1, v &sim; vdc reduziert sich a14 auf
Wenn man anstelle der Photospannung über eine Aufnahmekapazität Cp den Photostrom liest, ergibt sich
Das Messen des Photostroms ist deshalb wünschenswerter als das Messen der Photospannung, da es einen besseren Rauschabstand ermöglicht.
Alternativ läßt sich anstelle der Wechsel-Photospannung die Wechselstrom-Kapazität überwachen. Die Ausdrücke für das
Oberflächenpotential und die Verarmungsbreite führen ebenfalls zu einem einfachen Ausdruck bezüglich Cp und der Lichtintensität.
und
Nunmehr auf die Zeichnungen Bezug nehmend, ist in Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Bestimmen der Minoritätsladungsträger-Oberflächenrekombinations- Lebensdauerkonstanten (ts) einer Halbleitermaterialprobe gemäß der Erfindung dargestellt. Teile, die für die vorliegende Erfindung nicht wichtig sind, sind nicht gezeigt. In der Darstellung trägt die Halbleitermaterialprobe das Bezugszeichen 11, die Vorrichtung das Bezugszeichen 13.
Die Probe 11 besitzt zwei Hauptflächen 15 und 17, von denen die Fläche 15 die geprüfte Fläche ist. Die Probe 11 besteht aus einem Stück Silizium in Gestalt eines Wafers. Auf der Oberfläche 15 der Probe 11 kann sich ein (nicht gezeigter) Oxidüberzug befinden.
Die Vorrichtung 13 enthält eine Gegenelektrode 19 und eine kapazitive Aufnahme-Sondenanordnung 21. Die Gegenelektrode 19 hat die Form eines Wafer-Einspannfutters und dient zusätzlich zu der Funktion als Elektrode auch zum Tragen und Halten der fixierten Probe 11 während des Prüfvorgangs. Die Gegenelektrode 19 besteht aus einem leitenden Metall, zum Beispiel Aluminium. Die Probe 11 ist an der Gegenelektrode 19 so gelagert, daß die Fläche 15 nach oben weist und die Fläche 17 in Berührung steht mit oder nahe beabstandet ist von der nach unten weisenden Gegenelektrode 19. Die Gegenelektrode 19 ist an einem Wafer-Positionierer 20 fest montiert, wobei der Positionierer in R- und Theta-Richtung derart beweglich ist, daß verschiedene Teile der Oberfläche der Probe 11 auf der Gegenelektrode zu Prüfzwecken unter der Sondenanordnung 21 positioniert werden können. Die Sondenanordnung 21 ist vertikal nach oben und nach unten gegenüber der Gegenelektrode 19 gemäß Pfeilen A durch geeignete (nicht dargestellte) Mittel beweglich, so daß sie abgesenkt werden kann uni mit der Probe 11 zur Prüfung in Berührung gelangt, um dann nach erfolgten Messungen angehoben zu werden. Alternativ könnte eine (nicht gezeigte) Probenanordnung 21 stationär gehalten werden, während der Wafer-Positionierer 20 vertikal sowie in R- und Theta-Richtung gegenüber der Referenzelektrodenanordnung 21 bewegbar wäre.
Die Sondenanordnung 21, die in größerer Einzelheit in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, enthält eine Lichtquelle 22-1 und eine Sonde 22-2. Die Lichtquelle 22-1 kann zum Beispiel eine LED sein. Die Sonde 22-2 enthält eine obere und eine untere Mylar-Schichtlage 23 bzw. 25. Ein Paar Überzüge 27 und 29 aus leitendem Material befinden sich auf den Oberseiten der Lagen 23 und 25, auf die sie durch geeignete Mittel aufgebracht sind, beispielsweise durch Niederschlagen. Die Beschichtung 27 ist kreisförmig und dient als Referenzelektrode. Die Beschichtung 29 ist keisförmig und dient als Schutzelektrode. Beide Beschichtungen 27 und 29 bestehen aus Aluminium. Die Dicke der Beschichtung 25 und ihre Zusammensetzung sind so gewählt, daß die Beschichtung transparent ist. Die Referenzelektrode 27 ist kleiner als die Probe 11. Die Beschichtung 29 ist vorzugsweise nicht transparent, allerdings ist diese Nicht-Transparenz nicht wesentlich. Wie man sehen kann, trennt die Lage 25 die Beschichtungen 27 und 29 von der Probe 11, und die Lage 23 trennt die Beschichtung 27 elektrisch von der Beschichtung 29. Die Mittelöffnung 30 in der Beschichtung 29 ist kleiner als die Fläche der Beschichtung 27. Ein Leiter 31 ist an die Elektrode 27 angeschlossen, an die Elektrode 29 ist ein Leiter 33 angeschlossen. Anstatt die Beschichtung 29 auf die Oberseite der Lage 25 aufzubringen, könnte die Beschichtung 29 auch auf der Unterseite der Lage 23 ausgebildet sein. Die Lichtquelle 22-1 und die Sonde 22-2 sind fest an einem Rahmen 22-3 gelagert.
Die Vorrichtung 13 enthält außerdem eine Kapazitätstest-Signalquelle 35, einen Oszillator 37, einen Licht-Regler und -Modulator 39, eine Referenzelektroden-Vorspannungsquelle 41, eine Schutzelektroden- Vorspannungsquelle 43, einen Signalverstärker 45, einen Demodulator 47, ein Datenerfassungssystem 49 und einen Computer 51.
Die Kapazitätstest-Signalquelle 35 liefert an die Gegenelektrode 19 ein kleines (zum Beispiel einige Millivolt betragendes) Wechselpotential, so daß die Kapazität zwischen dem Wafer 11 und der Sondenanordnung 22- 2 gemessen werden kann. Der Oszillator 37 liefert Signale zum Ansteuern der Lichtquelle 22-1 und der Kapazitätstest-Signalquelle 35. Außerdem liefert der Oszillator 37 ein Synchronisiersignal an den Licht- Regler und -Modulator 39. Der Licht-Regler und -Modulator 39 unterzieht die Amplitude des von dem Oszillator 27 kommenden und an die Lichtquelle 22-1 gelegten Signals einer Modulation und Variation, so daß ein mit Wechselspannung modulierter Lichtstrahl veränderlicher Intensität erzeugt wird.
Die Referenzelektroden-Vorspannungsquelle 41 erzeugt eine veränderliche Gleichspannung. Die Schutzelektroden-Vorspannungsquelle 43 erzeugt eine Spannung, die ausreicht, um einen Bereich der Oberfläche der Probe 11 um eine von der Referenzelektrode 27 gesteuerte Fläche herum in einen Ansammlungszustand zu bringen, zumindest während der Zeit, in der die von der Referenzelektrode 27 gesteuerte Fläche der Probe 11 sich in einem Inversionszustand befindet. Die Schutzelektroden-Vorspannungsquelle 43 kann entweder eine Spannungsquelle, die eine fixe Gleichspannung erzeugt, oder eine veränderliche Gleichspannungsquelle sein. Wenn die Spannungsquelle 43 eine veränderliche Gleichspannung liefert, so muß die Spannung so beschaffen sein, daß die von der Schutzelektrode 29 gesteuerte Fläche des Halbleiters 11 zumindest während der Zeit eine Akkumulation durchführt, während der die von der Referenzelektrode 27 gesteuerte Fläche des Halbleiters 11 sich zwischen dem Beginn der Akkumulation und dem Beginn starker Inversion befindet. Ist die Gleich- Vorspannungsquelle 43 fest, so ist sie derart bemessen, daß sie kontinuierlich eine Ansammlungsschicht erzeugt.
Der Signalverstärker 45 verstärkt das von der Referenzelektrode 2T empfangene Signal. Der Demodulator 47, der als Synchron-Demodulator ausgebildet ist, ändert die von dem Signalverstärker 45 empfangener Wechselstromsignale in Gleichstromsignale. Das Datenerfassungssystem. 49 wandelt Analogsignale, die von den Spannungsquellen 41 und 43, dem Demodulator 47 und dem Licht-Regler und -Modulator 39 empfangen werden, in digitale Signale um und wandelt digitale Signale von dem Computer 51 in Analogsignale um. Der Computer 51 steuert den gesamten Betrieb des Systems 13 und verarbeitet die empfangene Testinformation.
Beim Einsatz der Vorrichtung 13 wird eine Probe 11 in der dargestellten Weise auf der Gegenelektrode 19 plaziert. Dann wird die Sondenanordnung 21 vertikal abgesenkt, so daß die Referenzelektrode 27 sich in enger Nachbarschaft zu der Probe 11 befindet. Dann wird die Sondenanordnung 21 mit (nicht gezeigten) Mitteln mit ausreichender Kraft gegen die Probe 11 gedrückt, damit die Referenzelektrode 27 sich in enger Anlage (das heißt paralleler Lagebeziehung) zu der Fläche 15 der Probe 11 befindet. Da die Referenzelektrode 27 auf der Oberseite des Isolators ausgebildet ist, gelangt sie tatsächlich nicht in Berührung mit der Probe, sondern bildet vielmehr einen kapazitiven Abnehmer. Ein Lichtstrahl von der Lichtquelle 22-1, der von dem Licht-Regler uni -Modulator 29 auf Befehl durch den Computer 51 wechselstrommäßig moduliert und in der Itensität variiert sein kann, wird dann durch die flexible Referenzelektrodenanordnung 21 hindurch auf die Frontseite 15 der Probe 11 gelenkt, um Wechselstrom-Oberflächenphotostromsignale oder Wechselstrom-Oberflächenphotospannungssignale zu erzeugen, wobei die jeweiligen Signale wahlfrei zur Verfügung stehen.
Wechselstrom-Photostromsignale werden deshalb bevorzugt, da sie einen besseren Rauschabstand aufweisen. Wie man sehen kann, gelangt der Lichtstrahl von der Lichtquelle 22-1 durch die Referenzelektrode 27 hindurch, da diese transparent ist. Gleichzeitig werden die Vorspannungen aus den Quellen 41 und 43 durch Befehl vom Computer 51 in der Amplitude moduliert und über Trennwiderstände 53 bzw. 55 an ihre Elektroden 27 bzw. 29 gelegt.
Die sich an der Oberfläche 15 der Probe 11 bei Beleuchtung entwickelnden Gleichstrom-Photostromsignale (oder Photospannungssignale) und die aus der Quelle 11 resultierenden Wechselspannungssignale werden sequentiell von der Referenzelektrode 27 kapazitiv abgenommen, und über einen Trennkondensator 57 dem Signalverstärker 45 zugeleitet. Von der Schutzelektrode 29 aufgenommene Signale werden gegen Masse kurzgeschlossen. Wie man sieht, dient die Schutzelektrode 29 auch dazu, Feldrandprobleme beim Anlegen des Vorspannungsfeldes durch die Referenzelektrode zu vermeiden, sie dient außerdem zum Begrenzen der Fläche auf der Seite 15 der Probe 11, die das Oberflächen-Photostromsignal an die Referenzelektrode 27 liefert. Das Ausgangssignal des Signalverstärkers 45 wird in den Demodulator 47 eingespeist. Das Ausgangssignal des Demodulators 47 wird in das Datenerfassungssystem 49 geleitet, dessen Ausgangssignal in den Computer 51 eingespeist wird.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen (ts) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Vorrichtung 13 erläutert.
Der erste Schritt des Verfahrens beinhaltet die Bestimmung des Werts der induzierten Ladung Qind, die erforderlich ist, um die Waferoberfläche 15 in den Inversionszustand zu bringen. Dies kann man erreichen, indem man die Oberfläche 15 mit einem wechselstrommäßig modulierten Licht fixer Intensität aus der Quelle 22-1 beleuchtet, die Vorspannung aus der Vorspannungsquelle 41 über einen Bereich hinweg wobbelt und anschließend die Sonden-Wafer-Kapazität und ein Wechselstrom-Photostromsignal mit Hilfe der Sonde 22-2 mißt. Die Relation zwischen der Breite der Silizium-Verarmungszone Wd und dem von der Sonde 22-2 aufgenommenen Photostrom-Signal i_ac ist durch folgende Formel gegeben:
i_ac = Cp ( q / s) Φ (1-refl) Wd
wobei:
Cp Gesamtkapazität zwischen Sonde und Wafer
q Elektronenladung
s Dielektrizitätskonstante des Halbleiters
Φ Beleuchtungsstärke
refl 1-refl = Anteil der Beleuchtung, der in das Silizium hineingelangt.
Mit dieser Formel wird die Verarmungsbreite in einem Bereich induzierter Ladungsvorspannung berechnet. Aus Qinduzuert = Vg Cp wird der Wert Qinduziert berechnet, mit dem der Halbleiter in jeder Vorspannstufe beaufschlagt wurde.
Der Wert Qinduziert für die Inversion wird aus der Form der Funktion Wd in Abhängigkeit von Qind berechnet. Der Wert von Qind, bei dem Wd (Qind) abflacht, liefert Qind für die Inversion.
Der zweite Schritt des Verfahrens beinhaltet das Anlegen der korrekten fixen Vorspannung Vg von der Quelle 41 an die Sonde 22-1, wie sie durch den oben angegebenen ersten Schritt bestimmt wurde, um die Halbleiteroberfläche in einen reproduzierbaren Inversionszustand zu bringen. Der Wert der Zeitkonstanten der Oberflächen- Minoritätsladungstrager hängt davon ab, wie tief die Inversion in das Material eindringt.
Der dritte Schritt des Verfahrens beinhaltet das Aufnehmen der Daten über die Sondenkapazität und den Photostrom über einen Satz von modulierten Lichtpegeln (das heißt durch Variieren der Intensität des wechselstrommäßig modulierten Lichts über einer Wertemenge) und das Messen der Sondenkapazität und des Photostroms bei jedem der Werte der Wertemenge. Die Intensität des Lichtstrahls und die Frequenzmodulation des Lichtstrahls sind so, daß der Wechsel- Photostrom nahezu proportional ist zu der Intensität des Lichtstrahls, und umgekehrt proportional ist zur Modulationsfrequenz des Lichtstrahls. Der Begriff "nahezu" bedeutet hier, daß der Term zweiter Ordnung signifikant ist, wohingegen die Terme dritter und höherer Ordnung nicht signifikant sind.
Unter Verwendung gespeicherter Umwandlungskonstanten werden die Daten in folgende physikalische Meßgrößen umgewandelt:
1. Gesamtkapazität zwischen Sonde und Wafer;
2. Wechsel-Photostrom: i_ac [A]; und
3. In die Waferoberfläche eindringende Lichtintensität: Einheit Φ[Anzahl der Photonen/(cm² · Sekunde)].
Der abschließende Schritt des Verfahrens beinhaltet die Berechnung der Minoritätsladungsträger-Rekombinationszeitkonstanten (ts) aus den obigen Meßwerten.
Eine Erweiterung ersten Grades der Oberflächen-Photospannungs- Gleichung führt zu folgender erwarteter Relation zwischen den erfaßten Daten und den physikalischen Parametern des geprüften Wafers:
wobei:
q: Elektronenladung
s: Dielektrizitätskonstante des Halbleiters
Wd0: Oberflächen-Verarmungsbreite im Inversionszustand (ungestört, das heißt Dunkelbedingungen)
Ψ0: Halbleiteroberflächen-Potential unter Inversions- und Dunkelbedingungen
Eine numerische Kurvenanpassung (Regression) von i_ac /Cp Φ in
Abhängigkeit der Φ-Daten liefert eine gemessene Abschätzung von
und
Da Wd0 und Ψ0 algebraisch zueinander und zu der Wafer- Dotierstoffkonzentration in Beziehung stehen, ermöglicht das Regressionsergebnis die Auflösung nach der Oberflächen- Minoritätsladungsträger-Rekombinationszeit ts.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens sieht lediglich die Messung der Gesamtkapazität zwischen Sonde und Wafer vor. Anders als bei der ersten Ausführungsform erfordert diese Ausführungsfom eine separate Messung der Wafer-Dotierstoffkonzentration oder äquivalent - von Werten für die Inversionsverarmungsbreite und/oder des Oberflächenpotentials.
Dieses Verfahren macht Gebrauch von der Gleichstromantwort des Photopotentials auf geringe Lichtstärken. Folglich muß das Prüflicht keine hochfrequente Modulationskomponente aufweisen, wie es bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der Fall ist.
Bei diesem Verfahren werden die vom Licht abhängigen Daten 1/Cp eingesetzt. Die aus der Regression abgeleitete Kurve ermöglicht bei Kombination mit bekannten Werten für Wd0, Y0, der Meßfläche a und Konstanten die Berechnung von ts durch: Steigung
Durch Verwendung von (ts), abgeleitet nach dem einen oder dem anderen oben beschriebenen Verfahren, läßt sich unter Verwendung der Dotierstoffkonzentration die Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit (oder die Oberflächen-Einfanggeschwindigkeit) gewinnen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Minoritätsladungsträger- Oberflächen-Rekombinationslebensdauerkonstanten ts einer Probe (11) eines Halbleitermaterials, wobei die Probe eine zur Beleuchtung vorgesehende Oberfläche (15) aufweist, umfassend:

a. Schaffen eines Elektrodenpaares,

b. Positionieren der Probe zwischen dem Paar von Elektroden (19, 27), wobei die Probe auf der einen (19) Elektrode angeordnet und von der anderen Elektrode (17) beabstandet ist,

c. Messen der Kapazität Cp zwischen der Probe und der von der Probe beabstandeten Elektrode,

d. Beleuchten einer Zone der Oberfläche der Probe mit einem Lichtstrahlbündel, dessen Wellenlängen kürzer sind als diejenigen der Energielücke des Halbleiters, wobei das Lichtstrahlbündel in seiner Intensität mit einer vorbestimmten Frequenz moduliert wird und in seiner Intensität über einen vorbestimmten Wertebereich variiert wird,

e. Anlegen einer festen Vorspannung Vg zwischen das Paar von Elektroden, wobei die feste Vorspannung einen solchen Wert hat, daß die Halbleiteroberfläche sich in einem Verarmungs- oder Inversionszustand befindet,

f. Messen eines Wechsel-Photostroms oder einer Wechsel- Photospannung Vac an der von dem Lichtstrahlbündel beleuchteten Zone der Probe,

g. Veranlassen, daß die Intensität des Lichtstrahlbündels und die Modulationsfrequenz des Lichtstrahlbündels derart sind, daß der Wechsel-Photostrom i_ac oder die Photospannung Vac nahezu proportional ist zu der Intensität Φ des Lichtstrahlbündels, und umgekehrt proportional ist zu der Modulationsfrequenz ω des Lichtstrahlbündels;

h. Messen der Beleuchtungsstärke Φ des Lichtstrahlbündels, und - anschließend -

i. Bestimmen der Oberflächen-Minoritätsladungsträger- Rekombinationszeitkonstanten ts unter Verwendung der Information über den Wechsel-Photostrom oder die Wechsel-Photospannung, die Kapazität und die Beleuchtungsstärke mit Hilfe folgender Gleichung:

wenn Photostrom gemessen wird, oder

wenn Photospannung gemessen wird,

wobei

q: Elektronenladung,

Es: Dielektrizitätskonstante des Halbleiters,

Wd0: Breite der Inversionszustands- Oberflächenverarmung, ungestört, das heißt im Dunkelzustand,

Ψ0: Halbleiteroberflächenpotential unter Inversions- und Dunkelbedingungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt c das Anlegen eines Wechselpotentials an diejenige Elektrode beinhaltet, an der sich die Probe befindet, woraufhin das Kapazitätssignal an der anderen Elektrode gemessen wird.

3. Verfahren zum Bestimmen der Minoritätsladungsträger- Oberflächen-Rekombinationslebensdauerkonstanten ts einer Probe (11) eines Halbleitermaterials, wobei die Probe eine zur Beleuchtung vorgesehende Oberfläche (15) aufweist, umfassend:

a. Schaffen eines Elektrodenpaares,

d. Beleuchten einer Zone der Oberfläche der Probe mit einem Lichtstrahlbündel, dessen Wellenlängen kürzer sind als diejenige der Energielücke des Halbleiters, wobei die Stärke des Lichtstrahlbündels über einem vorbestimmten Bereich schwankt,

f. Einrichten des Intensitätsbereichs des Lichtstrahlbündels derart, daß die Kapazität zwischen den beiden Elektroden sich meßbar mit Änderungen der Lichtstärke ändert,

g. Messen der Dotierstoffkonzentration,

h. Messen der Beleuchtungsstärke des Lichtstrahlbündels, und - anschließend -

i. Bestimmen der Oberflächen-Minoritätsladungsträger- Rekombinationszeitkonstanten ts auf der Grundlage der Kapazitäts-, Beleuchtungsstärken- und Dotierstoffkonzentrations-Messungen unter Verwendung der Gleichung

wobei:

q: Elektronenladung,

s: Dielektrizitätskonstante des Halbleiters,

Ψ0: Halbleiteroberflächenpotential unter Inversions- und Dunkelbedingungen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die feste Vorspannung Vg zum Erhalten der Inversion unter Verwendung folgender Gleichung bestimmt wird:

Qinduziert = Vg Cp,

wobei Qinduziert die induzierte Ladung ist, die erforderlich ist, um die Oberfläche in den Inversionszustand zu bringen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Bestimmens des Wertes von Qinduziert das Beleuchten der Probe (11) mit einem wechselstrom-modulierten Licht fester Intensität beinhaltet, außerdem das Wobbeln der Vorspannung über einen Bereich und das Messen der Kapazität Cp zwischen der Probe und der von der Probe beabstandeten Elektrode sowie des Wechsel- Photospannungssignals bei jedem Vorspannungswert.