DE10311658A1

DE10311658A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Halbleiterprobe

Info

Publication number: DE10311658A1
Application number: DE10311658A
Authority: DE
Inventors: Bernd Srocka
Original assignee: Accent Optical Technologies Inc
Current assignee: Nanometrics Inc
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-09-23
Also published as: US7265571B2; US20060192573A1; WO2004081592A1; TW200540912A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Halbleiterprobe. Das Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte: Beleuchten eines Bereichs der Oberfläche der Halbleiterprobe gleichzeitig mit überlagerten anregenden Lichtbündeln einer Mehrzahl von Wellenlängen, Modulieren der Lichtbündel der verschiedenen Wellenlängen mit der gleichen Frequenz, aber mit unterschiedlichen Phasen, Wählen der Modulationsfunktionen und Phasen, derart, daß die Summe der Photonenflüsse aller Lichtbündel stets innerhalb eines Schwankungsbereichs liegt, der wesentlich kleiner als die Summe der Photonenflüsse ist, gleichzeitiges phasenabhängiges Messen der durch die verschiedenen Lichtbündel hervorgerufenen Komponenten der Oberflächen-Photospannung und Bestimmen der Eigenschaft der Halbleiterprobe aus den Zusammenhängen zwischen den Komponenten und den zugehörigen Wellenlängen. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Halbleiterprobe, die eine Oberfläche bildet.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Halbleiterprobe, enthaltend: Mittel zur Halterung einer Halbleiterprobe, die eine Oberfläche bildet, eine Mehrzahl von Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge, die jede ein Lichtbündel erzeugt, Mittel zur Überlagerung dieser Lichtbündel zur Erzeugung eines auf einen Bereich der Oberfläche der Halbleiterprobe fallenden, gleichzeitig die Wellenlängen aller Lichtquellen enthaltenden überlagerten Lichtbündels, Modulationsmittel zum Modulieren der Lichtquellen mit unterschiedlichen Modulationsfunktionen, Mittel zum Messen der in dem Bereich der Oberfläche erzeugten Oberflächen-Photospannung, die einen Signalverlauf zeigt, und Signalauswertemittel zum Bestimmen der auf die verschiedenen Lichtbündel mit den verschiedenen Wellenlängen zurückgehenden Komponenten des Signalverlaufs der Oberflächen-Photospannung mit Hilfe der Modulationsfunktionen der verschiedenen Lichtquellen.
Die Qualität von Halbleitermaterialien wie Silizium muß während der Produktion von Material und Chips kontrolliert werden. Ein wichtiger Materialparameter ist die Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern. Diese Diffusionslänge gibt die mittlere effektive Distanz an, über welche überschüssige Ladungsträger während ihrer Lebensdauer durch einen Halbleiter diffundieren. Diese Diffusionslänge wird stark durch Verunreinigungen und Kristallfehler beeinflußt. Die Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger ist daher geeignet als Maß für den Grad der Verunreinigung im Halbleitermaterial und für die kristalline Perfektion. Dabei muß man unterscheiden zwischen der effektiven Diffusionslänge, welche durch die Oberflächen-Eigenschaften beeinflußt ist, und der inneren Diffusionslänge, welche von einer unbegrenzten Probe ausgeht.
Für die Qualitätskontrolle von Halbleitermaterialien ist eine schnelle, zerstörungsfreie und zuverlässige Bestimmung der Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern wünschenswert
Ein gebräuchliches und eingeführtes Verfahren zum Bestimmen dieser Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern sowie der Geschwindigkeit der Oberflächen-Rekombination von Halbleitermaterialien beruht auf der Messung der Oberflächen-Photospannung (SPV). Das Verfahren nutzt den Effekt aus, daß nach Erregen einer Halbleiterprobe mit Licht, dessen Photonenenergien größer als die Energielücke des Halbleiters sind, Paare von Elektronen und Löchern gebildet werden. Eine bestimmte Anzahl dieser Ladungsträger können den Raumladungsbereich an der Oberfläche erreichen und werden getrennt, was einen Spannungsabfall an der Oberfläche verursacht. Das ist die Oberflächen-Photospannung SPV. Zur Bestimmung der Diffusionslänge, wird diese Oberflächen-Photospannung bei Beleuchtung mit verschiedenen Wellenlängen des Lichts gemessen. Da die Erregung mit verschiedenen Wellenlängen die Erzeugung von Ladungsträger-Überschuß im Inneren der Halbleiterprobe in unterschiedlicher Tiefe bewirkt, ändert sich die Anzahl der angeregten Ladungsträger, welche die Oberfläche erreichen, mit der Wellenlänge der Anregung. Unter der Annahme einer Erregung mit niedrigem Injektionsniveau, niedrigen Frequenzen der Lichtmodulation und Diffusionslängen der Ladungsträger, die klein gegen die Probendicke sind, läßt sich ein vereinfachter Ausdruck für den Gleichgewichtszustand herleiten (z.B. D. Schroder, "Semiconductor Materials and Device Characterization", John Wiley & Sons, 1990, S. 379):
Dabei sind Δn die überschüssige Ladungsträger-Konzentration am Rande des Raumladungsbereiches, Φ_eff = Φ·(1 – R) der effektive Photonenfluß, der in die Halbleiterprobe eintritt und der aus dem einfallenden Photonenfluß Φ unter Berücksichtigung des Reflexionsvermögens R an der Probenoberfläche abgeleitet wird, S die Geschwindigkeit der vorderseitigen Oberflächen-Rekombination, z die Eindringtiefe des Lichts, D die Diffusionskonstante der Minoritäts-Ladungsträger und L die Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger der Probe. Bei Verwendung dieses Ausdrucks wird die Diffusionslänge L abgeleitet aus der Messung der Spannungsänderung ΔV_SPV der Oberflächenspannung infolge der Erregung mit moduliertem Licht verschiedener Wellenlänge.
Wenn die Geschwindigkeit der rückwärtigen Oberflächen-Rekombination nicht vernachlässigt werden kann, weil die Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger in den Bereich der Dicke der Halbleiterprobe kommt, ergibt sich nach dem vorstehend zitierten Buch von D. Schroder, Seite 425 ff die Beziehung:
mit C = (SfSbL/D + D/L)sinh[T/L] + (Sf + Sb)cosh[T/L].
Dabei sind R das Reflexionsvermögen an der Vorderseite der Halbleiterprobe, Φ der einfallende Photonenfluß, S_f und S_b die vorderseitige bzw. rückseitige Geschwindigkeit der Oberflächen-Rekombination, z die Eindringtiefe des Lichts L die Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger, D die Diffusionskonstante der Minoritäts-Ladungsträger und T die Dicke der Halbleiterprobe.
Stand der Technik
Bekannte auf der Messung der Oberflächen-Photospannung beruhende Verfahren benutzen die vorstehend zuerst angegebene, vereinfachte Beziehung.
Bei einer Art dieser Verfahren, wird die Höhe der erzeugte Oberflächen-Photospannung konstant gehalten. Das Prinzip dieses Verfahrens ist beschrieben in einem Aufsatz von Goodman et al. "A method for the measurement of short minority carver diffusion lengths in semiconductors" in der Zeitschrift "J.Appl.Phys." Bd. 33, S. 2750, 1961.
Photonenfluß und Oberflächen-Photospannung werden bei verschiedenen Wellenlängen, entsprechend verschiedenen Photonenenergien gemessen. Dabei wird der Photonenfluß so verändert, daß bei jeder Wellenlänge eine konstante Oberflächen-Photospannung erhalten wird. Dann werden die so bei den verschiedenen Photonenenergien erhaltenen Photonenflüsse über dem reziproken Absorptionskoeffizienten aufgetragen. Diese Kurve wird dann linear extrapoliert und der Schnittpunkt der extrapolierten Kurve mit der Abszissenachse zur Bestimmung der Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger ermittelt.
Das ist zum Stand der Technik auch in der US 5,177,351 A beschrieben.
Bei einer anderen An dieser Verfahren wird der Photonenfluß konstant gehalten.
Ein solches Verfahren ist schon zum Stand der Technik in der US 5,663,657 A beschrieben.
Die US 5,025,145 A beschreibt ein solches Verfahren, bei welchem zunächst die induzierte Photospannung für verschiedene Photonenflüsse gemessen wird, um einen linearen Zusammenhang zwischen Oberflächen-Photospannung und Photonenfluß sicherzustellen. Dann wird Licht mit konstantem Photonenfluß, dessen Wert in dem linearen Bereich liegt, die Photospannung für eine Reihe von ausgewählten Photonenenergien, d.h. Wellenlängen, gemessen. Die so erhaltenen Oberflächen-Photospannungen, deren Werte monoton mit der Photonenenergie ansteigen, werden als Funktion der Kehrwerte des Absorptionskoeffizienten entsprechend den vorgegebenen Photonenenergien aufgetragen. Die Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger wird bestimmt durch Extrapolation zur Ermittlung des reziproken Absorptionskoeffizienten bei einer (modulierten) Oberflächen-Photospannung null.
Beide Verfahren beruhen auf dem oben genannten vereinfachten Modell, das eine lineare Beziehung zwischen dem für eine konstante Oberflächen-Photospannung erforderlichen Photonenfluß bzw. der Oberflächen-Photospannung einerseits und der Eindringtiefe des Lichts voraussetzt. Die Verwendung dieses Modells gestattet die Bestimmung der vorderseitigen Oberflächen-Rekombination und der Diffusionslänge. Der Einfluß der Rückseite der Halbleiterprobe wird gewöhnlich ignoriert, oder die Ergebnisse werden auf wieder vereinfachte Weise unter Verwendung eines von der Dicke der Halbleiterprobe abhängigen Faktors korrigiert.
Da die optische Anregung bei den verschiedenen Wellenlängen nacheinander erfolgt, sind beide Verfahren relativ langsam. Das mit konstanter Oberflächen-Photospannung arbeitenden "CMSPV"-Verfahren hat darüber hinaus den Nachteil, daß bei jeder Wellenlänge der Photonenfluß zur Erzielung der vorgegebenen Oberflächen-Photospannung neu eingestellt werden muß. Selbst wenn das mit einem gesonderten Regelkreis erfolgt, bringt das eine weitere Verlangsamung. Die Geschwindigkeit der Messung ist von großer Bedeutung, wenn die Oberfläche einer Halbleiterprobe punktweise in einer Vielzahl von Punkten abgetastet werden soll.
Weiterhin rufen die aufeinanderfolgenden Messungen der Oberflächen-Photospannung bei den verschiedenen Wellenlängen einen systematischen Fehler hervor. Bei der Messung selbst wird nämlich der Oberflächenzustand verändert. Das begrenzt die Genauigkeit des Verfahrens. Die Geschwindigkeit der Oberflächen-Rekombination hängt selbst von der Intensität der optischen Anregung, also des auf die Oberfläche der Halbleiterprobe einfallenden Photonenflusses, ab. Da wenigstens ein Teil der Oberflächenzustände eine ziemlich langsame Rekombination zeigt, tritt ein Hystereseeffekt auf. Das verletzt die Annahme des einfachen Modells, daß alle Datenpunkte bei den verschiedenen Wellenlängen unter gleichen Oberflächenbedingungen gewonnen werden.
Die WO 00/02058 (= DE 198 31 216 A1 ) beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Abhängigkeit der Oberflächen-Photospannung von der Wellenlänge. Dabei wird die Wellenlänge über einen Wellenlängenbereich hinweg periodisch mit einer bestimmten Frequenz verändert. Die dementsprechend sich ändernde Oberflächen-Photospannung wird gemessen. Aus dem erhaltenen Meßsignal werden mittels einer Fouriertransformation die Komponenten mit einer Mehrzahl von Frequenzen bestimmt. Diese Komponenten werden hinsichtlich des Frequenzganges und Phasenganges der Meßanordnung korrigiert. Aus den so bestimmten Komponenten wird durch Signalverarbeitung die Oberflächen-Photospannung durch Signalverarbeitung rekonstruiert.
Durch die US 6,512,384 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern bekannt, bei welchem an jeder untersuchten Stelle der Halbleiterprobe die Oberflächen-Photospannung für eine Mehrzahl von Wellenlängen des anregenden Lichts gleichzeitig gemessen wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Oberfläche der Halbleiterprobe mit einem Lichtbündel angeregt, das aus einer Mehrzahl von überlagerten Photonenflüssen mit unterschiedlichen Wellenlängen zusammengesetzt ist. Die Photonenflüsse mit den verschiedenen Wellenlängen sind mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen moduliert. Aus der gemessenen Oberflächen-Photospannung werden die Komponenten mit den einzelnen Modulationsfrequenzen herausgefiltert. Damit wird die Geschwindigkeit der Messung erheblich erhöht.
Dieses bekannte Verfahren vermeidet jedoch nicht den Fehler, der durch die Abhängigkeit der Oberflächen-Rekombination von der Intensität hervorgerufen wird. Da eine Modulation mit verschiedenen Frequenzen eine Schwankung des gesamten Photonenflusses zwischen null und der Gesamtsumme aller Photonenflüsse der überlagerten Wellenlängen-Lichtquellen bewirkt, ändert sich der Oberflächenzustand während des Meßvorganges weiterhin erheblich.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Bestimmung der Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern – oder einer äquivalenten Eigenschaft – einer Halbleiterprobe die Messung an jeder Stelle der Halbleiterprobe schneller und genauer durchzuführen.
Der Erfindung liegt spezieller die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren dieser An, bei welchem die zu untersuchende Stelle gleichzeitig mit Licht verschiedener Wellenlängen angeregt und die sich für die verschiedenen Wellenlängen erhaltenen Oberflächen- Photospannungen bestimmt werden, im wesentlichen gleiche Oberflächenzustände zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs erwähnten An mit den Verfahrensschritten:

(a) Beleuchten eines Bereichs der Oberfläche der Halbleiterprobe gleichzeitig mit überlagerten anregenden Lichtbündeln einer Mehrzahl von Wellenlängen,
(b) Modulieren der Lichtbündel der verschiedenen Wellenlängen mit der gleichen Frequenz aber mit unterschiedlichen Phasen
(c) Wählen der Modulationsfunktionen und ihrer Phasen derart, daß die Summe der Photonenflüsse aller Lichtbündel stets innerhalb eines Schwankungsbereich liegt, der wesentlich kleiner als die Summe der Photonenflüsse ist,
(d) gleichzeitiges phasenabhängiges Messen der durch die verschiedenen Lichtbündel hervorgerufenen Komponenten der Oberflächen-Photospannung und
(e) Bestimmen der Eigenschaft der Halbleiterprobe aus den Zusammenhängen zwischen den Komponenten und den zugehörigen Wellenlängen.

Ausgehend von einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Halbleiterprobe enthaltend: Mittel zur Halterung einer Halbleiterprobe, die eine Oberfläche bildet, eine Mehrzahl von Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge, die jede ein Lichtbündel erzeugt, Mittel zur Überlagerung dieser Lichtbündel zur Erzeugung eines auf einen Bereich der Oberfläche der Halbleiterprobe fallenden, gleichzeitig die Wellenlängen aller Lichtquellen enthaltenden überlagerten Lichtbündels, Modulationsmittel zum Modulieren der Lichtquellen mit unterschiedlichen Modulationsfunktionen, Mittel zum Messen der in dem Bereich der Oberfläche erzeugten Oberflächen-Photospannung, die einen Signalverlauf zeigt, und Signalauswertemittel zum Bestimmen der auf die verschiedenen Lichtbündel mit den verschiedenen Wellenlängen zurückgehenden Komponenten des Signalverlaufs der Oberflächen-Photospannung mit Hilfe der Modulationsfunktionen der verschiedenen Lichtquellen, wie sie die US 6,512,384 B1 zeigt, sieht die Erfindung vor, daß die Modulationsmittel aller Lichtquellen mit gleicher Frequenz arbeiten, die Modulationsmittel der verschiedenen Lichtquellen gegeneinander phasenverschoben arbeiten und die Modulationsfunktionen und deren Phasen für die verschiedenen Modulationsmitteln so gewählt sind, daß die Summe der Photonenflüsse aller Lichtbündel stets innerhalb eines Schwankungsbereich liegt, der wesentlich kleiner als die Summe der Photonenflüsse ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen wie bei der US 6,512,384 B1 die Messungen mit allen anregenden Wellenlängen gleichzeitig, so daß die Meßzeit verkürzt wird. Die Unterscheidung zwischen den Komponenten des erhaltenen Verlaufs der Oberflächen-Photospannung, die von den verschiedenen Wellenlängen herrühren erfolgt jedoch nicht nach der Frequenz, mit welcher die verschiedenen Wellenlängen oder Lichtquellen moduliert werden, sondern nach der Phase der Modulation. Die Modulationsfrequenz ist für alle Wellenlängen gleich. Das gibt die Möglichkeit, die Phasen der verschiedenen Modulationen so zu wählen, daß der gesamte Photonenfluß näherungsweise konstant ist. Die Messung erfolgt somit in dieser Hinsicht stets unter gleichen Bedingungen. Die Fehler, die durch die Schwankungen des Photonenflusses bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen auftreten können, werden vermieden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm und zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Prüfung einer Halbleiterprobe durch Bestimmung der Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Beleuchtung der Halbleiterprobe mit moduliertem Licht unterschiedlicher Wellenlängen und zur Messung der Oberflächen-Photospannung.
3 zeigt den Verlauf der Oberflächen-Photospannungen, die mit der Vorrichtung nach 2 durch drei mit unterschiedlichen Phasen modulierte Lichtbündel von unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt werden.
In 1 ist mit 10 ein Rechner zur Datenverarbeitung und Steuerung bezeichnet. Der Rechner 10 steuert eine Beleuchtungseinheit 12 an. Die Beleuchtungseinheit 12 erzeugt, wie noch beschrieben wird, drei Lichtbündel mit unterschiedlichen Wellenlängen, welche mit der gleichen Frequenz aber mit unterschiedlichen Phasen moduliert sind. Die Lichtbündel und ihre Modulation werden durch einen Anregungs-Monitor 14 überwacht. Der Anregungs-Monitor liefert die Verläufe der Photonenflüsse in den drei Lichtbündeln. Diese Verläufe sind für die Datenverarbeitung auf den Rechner 10 aufgeschaltet. Eine Sonde 16 mißt die Oberflächen-Photospannung, welche durch Anregung mit den Lichtbündeln an einer Stelle einer Halbleiterprobe 18 erzeugt wird. Der Verlauf dieser Oberflächen-Photospannung wird über eine Datenerfassungseinheit 20 auf den Rechner 10 aufgeschaltet. Die Halbleiterprobe 18 sitzt auf einem Probentisch 22, der gesteuert von dem Rechner 10 zur Abtastung der Oberfläche der Halbleiterprobe 18 schrittweise fortschaltbar ist.
Der Aufbau ist in 2 schematisch dargestellt. Die Probe 18 wird jeweils an einem Meßpunkt von einer Mehrzahl von Lichtquellen belichtet. In 2 sind drei solche Lichtquellen 24, 26 und 28 dargestellt. Die Lichtquellen 24, 26 und 28 bilden die Beleuchtungseinheit 12 von 1. Die Lichtquellen 24, 26, 28 sind vorzugsweise Laserdioden oder Luminiszenzdioden. Die Lichtquellen emittieren Lichtbündel 30, 32, 34 von unterschiedlichen Wellenlängen. Die Lichtbündel 30, 32, 34 werden durch je eine Sammeloptik 36, 38 bzw. 40 auf Endflächen von Lichtleitfasern 42, 44 bzw. 46 gesammelt. Ein Faserkoppler 48 überlagert die in den Lichtleitfasern 42, 44, 46 geführten Lichtbündel. Die überlagerten Lichtbündel werden durch eine Lichtleitfaser 50 auf einen Meßpunkt 52 auf der Oberfläche der Halbleiterprobe 18 geleitet.
Die Sonde 16 mißt die Oberflächen-Photospannung im Meßpunkt 52 auf der Oberfläche der Halbleiterprobe 18. Solche Sonden sind dem Fachmann bekannt und daher hier nicht im einzelnen beschrieben.
Eine Modulatoranordnung 54 moduliert die Lichtemission der Lichtquellen 24, 26 und 28 und damit den Photonenfluß der Lichtbündel 30, 32 bzw. 34. Die Modulation erfolgt periodisch mit der gleichen Frequenz für alle Lichtbündel 30, 32 und 34. Die Modulationsfunktionen sind aber gegeneinander phasenverschoben. 3 zeigt eine bevorzugte Form der Modulationsfunktionen bzw. den Verlauf der dadurch jeweils hervorgerufenen Oberflächen-Photospannung. Die Modulationsfunktionen ensprechen im wesentlichen einer einweg-gleichgerichteten Sinusfunktion, also den positiven Halbwellen der Sinusfunktion. Zwischen den positiven Halbwellen ist die Modulationsfunktion jeweils im wesentlichen null. In 3 ist mit 56 die Modulationsfunktion oder zugehörige Oberflächen-Photospannung der Lichtquelle 24 bezeichnet. Mit 58 ist die Modulationsfunktion der Lichtquelle 26 bezeichnet, und mit 60 die Modulationsfunktion der Lichtquelle 28. Die drei Modulationsfunktionen 56, 58, 60 sind um 120° bezogen auf die Frequenz der Modulationsfunktionen phasenverschoben. Bei einer beliebigen Zahl n von Lichtquellen ist die Phasenverschiebung vorzugsweise 2π/n In 3 ist mit 62 die Summe der Photonenflüsse bzw. Oberflächen-Photospannungen bezeichnet. Man erkennt, daß der Photonenfluß der überlagerten Lichtbündel, also die Summe der Photonenflüsse aller Lichtbündel, stets innerhalb eines Schwankungsbereich liegt, der wesentlich kleiner als die Summe der Photonenflüsse ist. In dem Meßpunkt 52 ergeben sich daher hinsichtlich der Beleuchtung annähernd konstante Verhältnisse für alle Wellenlängen. Durch die Wahl der Modulationsfunktionen 56, 58, 69 ergibt sich für die Summe der Photonenflüsse und der Oberflächen-Photospannung SPV eine Restwelligkeit. Das erleichtert die Zuordnung der verschiedenen Komponenden der Oberflächen-Photospannung zu den einzelen Lichtquellen 24, 26, 28 und damit zu den verschiedenen Wellenlängen.
Die Modulationsfunktionen werden durch die Modulatoranordnung 54 über Leitungen 64, 66 und 68 auf einen schnellen A/D-Wandler oder eine vermehrfachte Lock-in-Schaltung 70 aufgeschaltet. Die Lock-in-Schaltung 70 erhält die Oberflächen-Photospannung über einen Spannungsverstärker. Die Lock-in-Schaltung 70 bildet einen Teil der Datenerfassungseinheit 20 und liefert Signale nach Maßgabe der durch die verschiedenen modulierten Lichtquellen 24, 26 und 28 und die zugehörigen Wellenlängen des Anregungslichts hervorgerufenen Komponenten der Oberflächen Photospannung an den Rechner 10.
Über eine Lichtquelle 74 und eine Lichtleitfaser 76 oder ein Bündel von Lichtleitfasern wird ein konstanter, nicht-modulierter Photonenfluß auf den Meßpunkt 52 geleitet. Dieser Photonenfluß liefert nur eine unmodulierte Komponente der OberflächenPhotospannung. Er erzeugt kein moduliertes Signal mit der Modulationsfrequenz und stört daher das Meßergebnis nicht. Dieser unmodulierte Photonenfluß kann benutzt werden, um Oberflächenzustände oder Fallen für Minoritäts-Ladungsträger über die gesamte Dicke der Halbleiterprobe 18 hinweg zu sättigen.
Ein Photodetektor 78 erhält über ein Bündel 80 von Lichtleitfasern Licht, das in dem Meßpunkt 52 von der Oberfläche der Halbleiterprobe 18 reflektiert wird. Aus dem über die Lichtleitfaser 50 eingestrahlten Photonenfluß und dem an der Oberfläche der Halbleiterprobe 18 reflektierten Photonenfluß kann der effektive Photonenfluß bestimmt werden, der tatsächlich in die Halbleiterprobe eindringt. Das Signal des Photodetektors 78 ist über einen Verstärker auf die Lock-in-Schaltung 70 aufgeschaltet.
Ein Temperatursensor 79 mißt die Temperatur der Halbleiterprobe 18. Das Signal des Temperatursensors 79 ist über einen Verstärker 81 auf den Rechner 10 bzw. die Lock-in-Schaltung 70 aufgeschaltet.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Der anregende Photonenstrom Φ_ex _c(t), der in die Halbleiterprobe eintritt, ist
wobei Φ_bias der Photonenfluß des Untergrundlichts, Φ_j und φ_j die Amplitude und Phasenverschiebung des Lichtbündels mit der j-ten Wellenlänge, M(t) die für die Modulation der Lichtquellen 24, 26 und 28 benutzte Modulationsfunktion und T_reflex(λ_j) die durch die Reflexion der Oberfläche der Halbleiterprobe 18 bedingte Reflexionskorrektur für die j-te Wellenlänge sind. Der Buchstabe i bezeichnet die imaginäre Einheit.
Die Reflexionskorrektur T_reflex(λ_j) wird aus dem gleichzeitig gemessenen Anteil des Anregungslichts berechnet, der von der Oberfläche der Halbleiterprobe 18 in das Bündel 80 von Lichtleitfasern zurückgeworfen wird. Am Ende dieses Bündels 80 von Lichtleitfasern fängt ein großflächiger Photodetektor 78 das Licht. Das von dem Photodetektor 78 erzeugte elektrische Signal wird über den Verstärker 82 schließlich dem Rechner 10 zugeführt. Durch geeignete Eichung der Übertragungsfunktionen des Bündels 80, der Eigenschaften des Photodetektors 78 und der Reflexion von der Optik des SPV-Sondenkopfes vor dem automatischen Meßlauf kann das tatsächlich an jedem Meßpunkt 52 der Halbleiterprobe 18 bei jeder benutzten Wellenlänge das tatsächlich reflektierte Licht bestimmt und zur Korrektur des Photonenflusses benutzt werden. Der anregende Photonenfluß Φ_e _xc, der in die Halbleiterprobe eindringende Photonenfluß, wird aus dem einfallende Photonenfluß Φ_j bei jeder Wellenlänge berechnet.
Die gleichzeitige Messung des reflektierten Lichts macht die Apparatur und das Verfahren unabhängig von theoretischen Photonenfluß-Korrekturen.
In einer abgewandelten Ausführung kann das an der Oberfläche der Halbleiterprobe reflektierte Licht direkt innerhalb des Sondenkopfes mittels eines geeigneten Strahlenteilers als von dem Hauptbündel abgeleitetes Teilbündel gemessen werden.
Die Amplituden und Phasen der durch die Anregung mit n Wellenlängen erzeugten Signale von Oberflächen-Photospannungen werden durch die Sonde 16 gleichzeitig gemessen in Verbindung mit der Datenerfassungseinheit 20 und werden dem Rechner zur weiteren Signalverarbeitung zugeführt. Die Datenerfassungseinheit 20 ist ein schneller Analog-Digital-Wandler, der das Signal der Oberflächen-Photospannung mit einer Abtastrate höher als 2 nf abfragt, wobei f die Modulationsfrequenz ist. Um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern und sicherzustellen, daß alle Komponenten der verschiedenen Wellenlängen den gleichen Abtastbedingungen unterworfen sind, wird das Signal über mehrere Perioden der Modulationsfrequenz f hinweg erfaßt und gespeichert. Nach der Datenerfassung wird der Signalverlauf für die Extraktion der Diffusionslänge verarbeitet. Der Signalverlauf wird durch geeignete Mittel, z.B. ein im Rechnerprogramm auf das Signal angewandtes Digitalfilter, geglättet, um die nicht zu der Oberflächen-Photospannung gehörigen Rauschkomponenten abzuweisen. Das Signal kann auch digital zu einem Signalverlauf Bemittelt werden, so daß schließlich ein endgültiger Signalverlauf mit einem Fenster von einer Modulationsperiode erhalten wird, d.h. einem Fenster mit einer Zeitdauer von 1/f.
Dem Rechner 10 wird ein Signal zugeführt, das die Änderung der Oberflächen-Photospannung durch die Anregung mit den überlagerten, modulierten Lichtbündeln 24, 26, 28 wiedergibt:
Dabei ist M(t) der Signalverlauf des Treibersignals der Modulatoranordnung, welches zur Modulation der Lichtquellen 24, 26 und 28, d.h. der j = 1-ten. der j = 2-ten. und der j = 3-ten Lichtquelle, benutzt wird, also die oben erwähnte "Modulationsfunktion", φ_j ist die Phasenverschiebung des j-ten Anregungslichtbündels 30, 32, 34, d,h. des j = 1-ten, j = 2-ten und j = 3-ten Anregungslichtbündels, T_refex. ist die Korrekturfunktion, welche das an der Oberfläche der Halbleiterprobe 18 reflektierte Licht berücksichtigt, und T_SPV ist die Modifikation, die durch den Effekt der Oberflächen-Photospannung selbst hervorgerufen wird. Die Übertragungsfunktionen T_reflex(λ_j), die aus dem bei jeder Wellenlänge reflektierten Licht ergibt, das, wie oben beschrieben, durch den Photodetektor 78 gemessen wird, ist ein Korrekturfaktor für die Amplitude des j-ten Anregungslichtbündels. Der Verlauf M(t) der Modulationsfunktion wird bei der Ausführung von 2 von der Modulatoranordnung 54 geliefert, welche die Lichtquellen nach Maßgabe einer solchen synthetisch hergeleiteten Funktion ansteuert. Der Verlauf M(t) kann aber auch aus dem von den Lichtquellen 24, 26 und 28 emittierten Licht gemessen werden.
Der Effekt der Oberflächen-Photospannung T_SPV(λ_j) = A_S _PV(λ_j) exp(iψ_j) stellt eine Änderung in der Amplitude und der Phase jeder Komponente mit einer zugehörigen Wellenlänge dar. Der Zusammenhang zwischen dem anregenden Photonenfluß und der dadurch hervorgerufenen Änderung der Oberflächen-Photospannung ist gegeben durch einen reellen "Eichfaktor" A_SPV und eine Phasenverschiebung ψ. Die Oberfläche der Halbleiterprobe wirkt ähnlich wie ein Zeitglied mit Kondensator und Widerstand. Man kann die vorhergehende Gleichung schreiben als:
Durch Anpassung der Amplituden A_SP _V(λ_j) und der Phasenverschiebungen exp(iψ_j) kann der sich aus der Überlagerung der Modulationsfrequenzen mit den zugehörigen Photonenflüssen der verschiedenen Wellenlängen ergebende Signalverlauf an das gemessene Signal ΔV_SPV der Oberflächen-Photospannung angepaßt werden. Es werden praktisch die Kurven 56, 58 und 60 (Φ_jM(t)), jeweils berichtigt hinsichtlich des wellenlängenabhängigen Reflexionsvermögen, in der Amplitude und in der Phase nach einem bestimmten Algorithmus verändert, bis schließlich der für die Summe erhaltene Signalverlauf mit dem gemessenen Verlauf der Modulation ΔV_S _PV der Oberflächen-Photospannung übereinstimmt. Die Kurve 90 in 3 zeigt den durch diese Anpassung gewonnenen Kurvenverlauf. Die Kurve 92 zeigt den gemessenen Verlauf der Oberflächen-Photospannung.
Die so erhaltenen Werte für die Phasenverschiebung ψ_j können benutzt werden, um die Amplitude der Oberflächen-Photospannung SPV hinsichtlich der Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz zu korrigieren. (Nakhmanson "Solid State Electronics" 1975, Bd. 18, S. 617).
Die korrigierten Werte
sind direkt die Verhältnisse zwischen den Photonenfluß und der Amplitude der Oberflächen.Photospannung SPV bei der j-ten Wellenlänge. Somit kann die Diffusionslänge L der Minoritäts-Ladungsträger für jeden Meßpunkt direkt aus
bestimmt werden.
Es können zwei Berechnungsmethoden angewandt werden:
Die Näherung für kurze Diffusionslängen benutzt die oben angegebene Beziehung
Diese Beziehung gilt, wenn die Diffusionslänge kürzer ist als etwa die halbe Probendicke. Nimmt man zwei Wellenlängen an, dann sind die Werte A₁ und A₂ die Verhältnisse ΔV_SPV–1/Φ₁ bzw. ΔV_SPV_₂/Φ₂ . Daraus kann man unter Benutzung der vorstehenden Gleichung L berechnen zu
wobei z_j die Eindringtiefen bei der j-ten Wellenlänge sind.
Wie oben erwähnt ist, gilt die Näherung für kurze Diffusionslängen nur für eine im Vergleich zur Diffusionslänge große Dicke der Halbleiterprobe. Halbleitermaterial hoher Qualität hat heute aber eine Diffusionslänge, die durchaus mit der Dicke der Halbleiterprobe vergleichbar ist oder diese sogar überschreiten kann. In diesem Fall muß der Effekt der rückseitigen Oberflächen-Rekombination in Betracht gezogen werden, indem die Ergebnisse in die eingangs angegebene allgemeinere Gleichung eingepaßt werden. Dabei wird aber zunächst das Signal ΔV_SP _V auf das z.B. bei der kürzesten Wellenlänge λ_min auftretende Signal normiert. Diese Normierung ergibt
Durch diese Normierung wird der eingangs angegebene Vorfaktor C eliminiert. Mit dem normierten Signal ( wobei im folgenden der Zusatz "norm" weggelassen wird) ergibt sich dann:
R ist das Reflexionsvermögen auf der Vorderseite der Halbleiterprobe 18, S_b ist die Geschwindigkeit der Oberflächen-Rekombination auf der Rückseite, z ist die Eindringtiefe des Lichts, L ist die Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger, D ist die Diffusionskonstante der Minoritäts-Ladungsträger und T ist die Dicke der Halbleiterprobe 18.
Wenn man n Werte A₁, A₂, ... A_n benutzt (also ΔV_SPV–1/Φ₁, ΔV_SPV–2/Φ₂...ΔV_SPV–n/Φ_n), wie sie sich aus der Messung ergeben, dann erhält man für die Verhältnisse Γ_j = A_j/A₁, also die auf A₁ normierten Werte von A_j:
Nimmt man L und S_b als freie Anpaßparameter, dann kann man die Diffusionslänge und die rückseitige Geschwindigkeit der Oberflächen-Rekombination aus den n-1 Gleichungen bestimmen, die sich aus dem vorstehenden Ausdruck ergeben. Dieses Verfahren hängt nicht von irgendwelchen Annahmen über die rückseitige Geschwindigkeit der Oberflächen-Rekombination ab. Da aus der Messung ein zusätzlicher Parameter, nämlich S_b direkt abgeleitet wird, werden für dieses Verfahren wenigstens drei Wellenlängen benötigt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Halbleiterprobe, die eine Oberfläche bildet, mit den Verfahrensschritten: (a) Beleuchten eines Bereichs der Oberfläche der Halbleiterprobe gleichzeitig mit überlagerten anregenden Lichtbündeln einer Mehrzahl von Wellenlängen, (b) Modulieren der Lichtbündel der verschiedenen Wellenlängen mit der gleichen Frequenz aber mit unterschiedlichen Phasen (c) Wählen der Modulationsfunktionen und Phasen derart, daß die Summe der Photonenflüsse aller Lichtbündel stets innerhalb eines Schwankungsbereich liegt, der wesentlich kleiner als die Summe der Photonenflüsse ist, (d) gleichzeitiges phasenabhängiges Messen der durch die verschiedenen Lichtbündel hervorgerufenen Komponenten der Oberflächen-Photospannung und (e) Bestimmen der Eigenschaft der Halbleiterprobe aus den Zusammenhängen zwischen den Komponenten und den zugehörigen Wellenlängen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestimmende Eigenschaft die Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger durch Einpassen der Wertepaare von Oberflächen-Photospannung ΔV_SP _V und Wellenlänge λ bzw. Eindringtiefe z des Lichts in die Gleichung
bestimmt werden, wobei S_b die Geschwindigkeit der rückseitigen Oberflächen-Rekombination, L die Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger, D die Diffusionskonstante der Minoritäts-Ladungsträger und T die Dicke der Halbleiterprobe sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverläufe der verschiedenen anregenden Lichtbündel gemessen und mit deren Hilfe die zugehörigen Komponenten der Oberflächen-Photospannung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der von der Oberfläche der Halbleiterprobe reflektierte Photonenfluß zur Bestimmung des tatsächlich in den Halbleiter eindringenden effektiven Photonenflusses gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Halbleiters zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe des Photostromes gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß (a) die Modulation jedes Lichtbündels mit einer Modulationsfunktion erfolgt, die im wesentlichen den positiven Halbwellen einer Sinusfunktion entspricht, und (b) die Modulationsfunktionen der verschiedenen Lichtbündel im wesentlichen um 2π/n bezogen auf die für alle Lichtbündel gleiche Modulationsfrequenz gegeneinander phasenverschoben sind, wenn n die Gesamtzahl der überlagerten Lichtbündel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter relativ zu den überlagerten Lichtbündeln schrittweise bewegt wird.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Halbleiterprobe, enthaltend: (a) Mittel (22) zur Halterung einer Halbleiterprobe (18), die eine Oberfläche bildet, (b) eine Mehrzahl von Lichtquellen (24, 26, 28) unterschiedlicher Wellenlänge, die jede ein Lichtbündel (30, 32, 34) erzeugt, (c) Mittel (42, 44, 46, 48, 50) zur Überlagerung dieser Lichtbündel zur Erzeugung eines auf einen Bereich (52) der Oberfläche der Halbleiterprobe (18) fallenden, gleichzeitig die Wellenlängen aller Lichtquellen enthaltenden überlagerten Lichtbündels, (d) Modulationsmittel (54) zum Modulieren der Lichtquellen (24, 26, 28) mit unterschiedlichen Modulationsfunktionen, (e) Mittel (16) zum Messen der in dem Bereich der Oberfläche erzeugten Oberflächen-Photospannung, die einen Signalverlauf zeigt, und (g) Signalauswertemittel (70) zum Bestimmen der auf die verschiedenen Lichtbündel (30, 32, 34) mit den verschiedenen Wellenlängen zurückgehenden Komponenten des Signalverlaufs der Oberflächen-Photospannung mit Hilfe der Modulationsfunktionen der verschiedenen Lichtquellen (24, 26, 28), dadurch gekennzeichnet, daß (h) die Modulationsmittel (54) aller Lichtquellen mit gleicher Frequenz arbeiten, (i) die Modulationsmittel (54) der verschiedenen Lichtquellen gegeneinander phasenverschoben arbeiten und (j) die Phasen der verschiedenen Modulationsmittel so gewählt sind, daß die Summe der Photonenflüsse aller Lichtbündel stets innerhalb eines Schwankungsbereich liegt, der wesentlich kleiner als die Summe der Photonenflüsse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß (a) jede der verschiedenen Lichtquellen (24, 26, 28) durch die Modulationsmittel mit einer Modulationsfunktion (56, 58, 60) modulierbar ist, die im wesentlichen den positiven Halbwellen einer Sinusfunktion entsprechen, und (b) die Modulationsfunktionen (56, 58, 60) der verschiedenen Lichtbündel (30.32, 34) im wesentlichen um 2π/n bezogen auf die für alle Lichtbündel (30.32, 34) gleiche Modulationsfrequenz gegeneinander phasenverschoben sind, wenn n die Gesamtzahl der überlagerten Lichtbündel (30.32, 34) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestimmende Eigenschaft die Diffusionslänge von Minoritäts-Ladungsträgern ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (30.32, 34) Laserdioden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (30.32, 34) Luminiszenzdioden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Überlagern der Lichtbündel einen Faserkoppler (48) aufweisen, in welchen die verschiedenen Lichtbündel über eingangsseitige Lichtleitfasern (42, 44, 46) einkoppelbar sind und welcher mit einer ausgangsseitigen Lichtleitfaser (50) verbunden ist, welche das überlagerte Lichtbündel aufnimmt und zu dem zu beleuchtenden Bereich (54) der Oberfläche der Halbleiterprobe (18) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch Mittel (78, 80) zur Messung des von der Oberfläche der Halbleiterprobe (18) reflektierten Anteils des überlagerten Lichtbündels.