DD290986A5

DD290986A5 - Verbessertes verfahren und vorrichtung zur mikrowellenspektroskopie von tiefliegenden niveaus in halbleitern

Info

Publication number: DD290986A5
Application number: DD89334669A
Authority: DD
Inventors: Gyoergy Dipl-Ing Dr Ferenczi; Janos Boda; Detlef Huber; Zoltan Dipl-Ing Mirk; Adam Dr Dipl-Phys Tichy-Racs; Imre Dr Dipl-Ing Mojzes; Burkhard Hemm
Original assignee: Magyar Tudomanyos Akademia; Gemetec Ges Fuer Messtechnik U
Priority date: 1988-11-18
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1991-06-13
Also published as: IL92340A0; WO1990005908A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrowellen-Transientspektroskopie tiefliegender Stoerstellen in Halbleitern, bei welchen eine Probe des Halbleitermaterials in das Feld eines Mikrowellenresonators gebracht und Anschluesse einer Sperrschicht in der Probe mittels eines Impulsgenerators erregt werden. Die reaktive Komponente der Ladeimpedanz, die durch die Anwesenheit der Probe in dem Feld des Resonators verursacht ist, fuehrt zu einer periodischen Verlagerung der Resonanzkurve des Resonators entlang der Frequenzachse. Der Resonator wird von einem Mikrowellengenerator erregt, der etwas gegenueber der Resonanzfrequenz des Resonators verstimmt ist, so dasz die Mikrowellenenergie in dem Resonator in ihrer Amplitude durch die AEnderungen der reaktiven Komponente moduliert wird. Ein Detektor tastet derartige AEnderungen der Amplitude ab und diese AEnderungen repraesentieren Transienteigenschaften von tiefen Stoerstellen in der Probe. Fig. 1{Mikrowellen-Transientspektroskopie; Halbleiter; Mikrowellenresonator; Sperrschicht; Impulsgenerator; Ladeimpedanz; Resonanzkurve; Resonator; Frequenzachse; Mikrowellengenerator; Detektor; Stoerstellen}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrowellen-Transientspektroskopie tiefliegender Störstellen in Halbleitern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der veröffentlichten Internationalen Anmeldung WO 87/05701 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen elektrisch aktiver Verunteinigungen von Halbleitermaterialien oder -strukturen beschrieben, bei welcher eine von dem zu testenden Halbleiter genommene Probe in ein Mikrowellenfeld gelegt und Änderungen der Mikrowellenabsorption in Antwort auf eine spezifizierte Anregungen einer in der Probe vorhandenen Sperrschicht gemessen wurden.

Dieses Verfahren benutzt die gleichen Prinzipien wie die gut bekannte Tiefen-Transient-Spektroskopie, wobei jedoch anstelle der Prüfung der transienten Kapazitätswerte in Antwort auf eine spezifizierte periodische Anregung die Änderungen in der Mikrowellenabsorption abgefühlt und gemessen werden.

Die oben erwähnte Internationale Patentanmeldung enthält einen detaillierten Vergleich zwischen der konventionellen DLTS-Technik (Transient-Spektroskopie tiefer Störstellen oder Tiefen-Transient-Spektroskopie) und der vorgeschlagenen Mikrowellenabsorptions-Meßtechnik, wodurch demonstriert « ' Ί, daß diese letztere Technik viele Vorteile auf Grund der wesentlich höheren Frequenz des Mikrowellenfeldes im Ve gleich zu der in DLTS-Messungen benutzten Brückenfrequenz hat. Wenngleich die periodische Messung von Änderungen der Mikrowellenebsorption in der Probe einen grundsätzlichen Schritt nach vorn im Vergleich zu früheren Methoden gebracht hat, existiert ein Bedarf zur Steigerung der Prüfempfindlichkeit bei der Prüfung von elektrisch aktiven Verunreinigungen.

Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung ist es, diesen Bedarf zu befriedigen. Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche eine gesteigerte Empfindlichkeit erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Abtastschritt an dem Resonator die Mikrowellenamplitude

gemessen wird, die auf Grund von Änderungen der reaktiven Komponente der Probe während des thermischen

Emissionsprozesses vorliegt, wobei der Mikrowellenresonator gegen die Frequenz derart verstimmt wird, daß die Frequenz auf

eine Flanke der Resonanzkurve des Resonators fällt.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellensignals des Generators

etwas von der Resonanzfrequenz derart abweicht, daß das Erregungssignal auf eine Flanke der Resonanzkurye des Resonators

fällt und der Detektor eine Amplitudenmodulation der Mikrowellenenergie in dein Resonator in Antwort auf Änderungen derreaktiven Komponente der Sperrschicht abtastet.

Es wurde gemäß der Erfindung gefunden, daß zusätzlich zu oder genauer einhergehend mit Änderungen in der Mikrowellenabsorption in der Probe während des thermischen Emissionsprozesses, der nach dem Auffüllen elektrisch aktiver Defekte in der Probensperrschicht stattfinden, auch Änderungen in der Roaktionskomponente der von der Probe repräsentierten Mikrowellenimpedanz stattfinden. Änderungen einer Reaktanz in einem Feld eines Mikrüwellenresonators können leicht

gemessen werden und der empfindlichste Weg zur Messung solcher Änderungen liegt in der Messung der Änderungen der

Signalamplitude eines Mikrowellenresonators, der gegen die Erregungsfrequenz verstimmt ist, so daß diese letztere Frequenz

auf den Neigungsabschnitt, vorzugsweise in einen mittleren Bereich des Neigungsabschnittes der Resonanzkurve des

Resonators fällt. Solch eine Amplitudenmessung kann zu einer Empfindlichkeit führen, die um etwa zwei Dezimalstellen größer als diejenige ist,

die bei Anwendung der Mikrowellenabsorptionstechnik erhalten werden kann.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann für Prüfungen verwendet werden, die im einzelnen in der genannten Internationalen Anmeldung beschrieben sind, wobei der Unterschied lediglich in der wesentlich gesteigerten Empfindlichkeit und dem

einfacheren Meßsystem liegt, mit welchen die Amplitudenänderungen gemessen werden können.

Ausführungsbeisplele

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1: das schematische Blockdiagramm der für die Messungen verwendeten Meßbrücke, Fig. 2: das Gesamtblockdiagramm eines Meßsystems, Fig.3: die elektrisch äquivalente Ersatzschaltung eines belasteten Resonators, Fig. 4: die Kurve der Frequenz über dem Reflexionskoeffizienten für einen auf die Erregungsfrequenz abgestimmten

Resonator,

Fig. 5: eine Kurve ähnlich wie Fig.4, für welche der Resonator gegen die Erregungsfrequenz verstimmt ist, Fig. 6: die Abhängigkeit der Mikrowellensignalamplitude bei Sperrichtungsvorspannung der abgefühlten, von einer Dioderepräsentierten Sperrschicht,

Fig. 7: experimentell gemessene Reflexionskoeffizienten für eine Si:Se-Probe und Fig.8: das Arrhenius-Diagramm der Si-Se°-Probe.

Die in Fig. 1 gezeigte Meßbrücke 1 weist ein magisches T10 mit einem ersten Anschluß auf, der über d m Trenner 11 an den Mikrowellengenerator 12 gekoppelt ist, der vorzugsweise ein Gunn-Oszillator ist. Ein zweiter Anschluß des magischen T10 ist an einen Hohlraumresonator 13 vorzugsweise mittels eines geeigneten Koppelgliedes angeschlossen. In dem Hohlraumresonator 13 ist eine Halbleiterprobe 14, die durchgemessen werden soll, in solcher Weise angeordnet, daß ihre Tempei ttur geändert werden kann und elektrische Erregungsimpulse auf Anschlüsse einer in der Halbleiterprobe 14 vorhandenen Sperrschicht angelegt werden können. Ein dritter Anschluß des magischen T10 ist über einen zweiten Trenner 15 an einen Amplitudendetektor 16 angeschlossen. Ein vierter Anschluß ist an einen Abgleicher angeschlossen, der von einem Dämpfungsglied 17 gebildet wird, welcher von einem Phasenschieber 18 belastet wird.

Die Meß- oder Impedanzbrücke 1 aus Fig. 1 bilde' jinen Teil eines in Fig.2 gezeigten Meßsystems. In diesem System ist der Impulsgenerator 20 an die Probe in der Brücke /um periodischen Anlegen und Abschalten einer Sperrvorspannung an bzw. von der Sperrschicht entsprechend der aktuellen Meßaufgabe gekoppelt. Der Mikrowellengenerator 12 wird von einem Sägezahngenerator 21 gesteuert. Die Temperatur der Halbleiterprobe 14 kann über die Temperatursteuerung 22 variiert werden. Ein Oszilloskop 23 kann zum Anzeigen der Wellenform des Signals des Amplitudendetektors 16, des Impulsgenerators 20 und des Sägezahngenerators 21 verwendet werden. Ein Ausgang des Amplitudendetektors 16 ist an einen Signalanalysator 24 gekoppelt, der an einen Datenverarbeitungsrechner 25 angeschlossen werden kann.

Der Hohlraumresonator 13 wird durch die Anwesenheit der Halbleiterprobe 14 belastet. Die elektrische äquivalente Ersatzscha!(ung eines solchen belasteten Resonators ist in Fig.3 gezeigt. Zwischen Anschlüssen A und B enthält die Schaltung 3 Hauptkomponenten, nämlich Widerstandskomponenten R, die Induktivität L und Kapazitäten C. Die periodische Erregung der Sperrschicht in der Halbleiterprobe 14 ändert die Belastung des Resonators, und in der Ersatzschaltung wird dies durch einen veränderlichen Widerstand R_v dargestellt, der in Reihe mit dem festen Widerstand R_f geschaltet ist. Zusätzlich hierzu bildet die Probe eine sich ändernde Reaktanz, die durch die sich ändernde Kapazität Q, repräsentiert wird, die parallel zu der festen Kapazität Cf geschaltet ist. Die Resonanzfrequenz des Resonators wird durch die sich ändernden Werte des veränderlichen Widerstandes R_v nicht geändert, jedoch wird dieser Wert durch die Änderung der Kapazität C_v nach einer Quadratwurzelfunktion geändert. Fig.4zeigidie Kurve der Frequenz über der Signalamplitude fürden Hohlraumresonator 13, derauf die Erregungsfrequenz von 10,3GHz abgestimmt ist. Wenn der Hohlraumresonator 13 gegen die Erregungsfrequenz verstimmt ist, wie in Fig.5 gezeigt, hat der Reflexionskoeffizient (der proportional zu dem Signal ist, das von dem Detektor 16 erhalten werden kann) die aus Fig.5 ersichtliche Form.

In Antwort auf das periodische Füllen der Halbleiterprobe 14 mittels des Impulsgenerators 20 ändert die Reaktionskomponente C_v ihren Wert periodisch, was dazu führt, daß die Kurve in Fig. 5 parallel zu der Frequenzachse verlagert

wird und daher die Signalamplitude diesen Änderungen folgt. Wenn die Erregungsfrequenz auf den mittleren Bereich der linear

abfallenden Flanke der Kurve eingestellt wird, dann folgen die Änderungen der abgetasteten Amplitude den Verlagerungen der Resonanzkurve. In dem Amplitudendetektor 16 wird eine Amplitudenmodulation erhalten, welche die Information über das Transientverhalten der Halbleiterprobe 14 trägt.

Im Zusammenhang mit den Figuren 6 bis 8 wird ein Beispiel gegeben, welches die Korrelation der Ergebnisse von Messungen zeigt, die mit dem vorliegenden Verfahren an einer bekannten Probe mit bekannten Eigenschaften dieser Probe durchgeführt wurde;).

In dem Beispiel wurde eine GaAS-Schotty-Mischdiode als Amplitudendetektor 16 verwendet. Das Detektorsignal wurde mit einemBreitband (50MHz)-Vorverstärker verstärkt und die Transienten wurden mit einem schnellen Transientenrekorder aufgezeichnet. Ein zylindrischer Mikrowellen-Hohlraumresonator 13, der in dem TM_oll-Modus arbeitet, wurde aufgebaut und die Halbleiterprobe 14 wurde auf dem von 80K bis 450K temperatursteuerbaren Boden des Hohlraums befestigt. Damit der erforderliche Breitbandbetrieb zugelassen war, wurde der Qualitätsfaktor des Hohlraumresonators auf 1000 gesetzt (die Grundkonstruktion des Hohlraumresonators erlaubte die Verwirklichung eines Faktors bis 10000, jedoch mußte der Qualitätsfaktor wegen des Erfordernisses, Transienten bis herunter zu 50ns Zeitkonstante zu messen, absichtlich reduziert werden).

Für die neuen Experimente wurde eine Si-p⁺n-Speirschicht verwendet. Eine 12pm dicke Epidschicht vom n-Typ (1,10'⁵cm"³) wurde auf einem hochleitfähigen Substrat aufgebaut. 1,10^ucm~³ Se wurde in die Epidschicht gestrichen und die 2 pm dicke ρ ' -Schicht wurde du'ch Ionenimplantation aufgebaut und zusätzliche Al-Kontakte wurde eingedampft.

Um theoretische Überlegung zu realisieren, bestand der erste Schritt darin, festzustellen, ob das Mikrowellensignal proportional zu den Breiten der Raumladeschicht ist.

Experimente, wie in der Schrift von D. V. Lang in: «Thermally Stimulated Relaxation Process in Solids", Abhandlungen in Applied Physics (1979,37,93 Bräunlich, ed. Springer) beschrieben, wurden durchgeführt. Die Messungen wurden durch Änderungen c'er Sperrvorspannung der Diode und Einstellen der Füllimpulsamplitude in solcher Weise durchgeführt, daß während der Impulsdauer Flachband-Bedingungen erzielt wurden. Die Abhängigkeit der Mikrowellen-Signalamplitude von der Sperrvorspannung ist in Fig. 6 gezeigt. Die Kurve zeigt eine Quadratwurzel-Abhängigkeit von der Sperrvorspannung.

Im nächsten Schritt wurde die Gültigkeit des äquivalenten Schaltungsmodells untersucht. Die Amplitude der Mikrowellentransienten wurde als Funktion der Mikrowelle-Signalfrequenz durch Abstimmung des Gunn-Oszillatoro mittels des angeschlossenen Varaktors gemessen. Die Resonanzfrequenz des mit der Probe beschickten Hohlraumresonators betrug 10,3033 GHz. Das Ergebnis ist aus Fig. 7 ersichtlich. Die experimentellen Daten sind sehr gut an die theoretische Kurve angepaßt, wodurch bestätigt wird, daß die maximale Signalstärke bf.i 5MHz Verstimmung gegen die Resonanzfrequenz liegt. In Fig.7 ist die kontinuierliche Linie die theoretisch vorhergesagte Kurve für die Änderung des Ansprechwertes, wie in Fig. 5 gezeigt, wenn

die Änderungen von C_v in der Ersatzschaltung aus Fig.3 berücksichtigt wurden.

Um den Geschwindigkeitsvorteil der Mikrowellendetektion der thermischen Emission gegenüber konventionellen Techniken zu verifizieren, wurde die thermische Emmission des Se°-Pegels im Si, eine der am genauesten studierten Tiefstellen (wie H.G.Grimmeiss, E.Janzen und B.Skarstam, J.Appl.Phys. 1980,51,3740, beschreiben) gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig.8 gezeigt, in welcher die leeren Kreise den Si:Se°-Pegel aus dieser Bezugsveröffentlichung und die vollen Kreise Daten aus den vorliegenden Versuchen zeigen. Die schnellste von uns gemessene Emissionsrate betrug 20MHz, d. h., sie war etwa vier Größenordnungen schneller als früher berichtet. Es gibt keine Grenze zur Messung langsamer Transienten mit dem Mikrowellensystem unterhalb des in Fig.8 dargestellten Bereiches. Aus Messungen des Signalrauschpegels wurden als Abtastgrenze N_T/N₀ χ 10~^β für den gesamten Frequenzbereich ermittelt.

Die gemessene Aktivierungsenergie entspricht dem früher in der Veröffentlichung von Grimmeiss et al. genannten Wert, wobei die aus Fig. 8 ersichtliche geringfügige Parallelverschiebung aus höheren Fangquerschnittswerten im vorliegenden Fall gegenüber denjenigen nach der Bezugsveröffentlichung herrührt.

Von diesen Betrachtungen und aus den Versuchen hat sich erwiesen, daß das Abfühlen der Mikrowellen-Reflexionsänderungen, die durch die thermische Emission von gefangenen Trägern aus der Raumladungsschicht einer Halbleiter-Sperrschicht verursacht sind, am empfindlichsten und einfachsten für das Abfühlen thermischer Emission ist. Ein Vorteil von vier Größenordnungen beim Messen thermischer Emissionsraten wurde nachgewiesen, wobei die hohe Empfindlichkeit aufrechterhalten blieb.

Claims

1. Verfahren zur Mikrowellen-Transientspektroskopie tiefliegender Stellen in Halbleitern mit elektrisch aktiven Defekten, welche eine Sperrschicht aufweisen, die zur Bildung einer Raumladungsschicht unter Sperrvorspannung in einem Probenmaterial desselben fähig ist und mit einem Kontaktpaar zum Anlegen der Vorspannung versehen ist, wobei

a) eine Raumladungsschicht in der Sperrschicht durch Vorspannen der Sperrschicht in Sperrichtung über an die Kontakte gekoppelte Vorspannmittel erzeugt wird,

b) die elektrisch aktiven Defekte in der Sperrschicht gefüllt werden,

c) ein thermischer Emissionsprozeß abgetastet wird, der zu einem thermischen Gleichgewichtszustand hin fortschreitet, der nach dem Füllstand vorliegt, wobei das Probenmaterial, das die Sperrschicht enthält, in ein Mikrowellenfeld eines Mikrowellenresonators mit einer Resonanzkurve eingebracht wird, und mittels eines Mikrowellensignals einer Mikrowellenquelle mit vorbestimmter Frequenz wenigstens während des Abtastschrittes erregt wird, und

d) der Füllschritt periodisch wiederholt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

e) in dem Abtastschritt an dem Resonator die Mikrowellenamplitude gemessen wird, die auf Grund von Änderungen der reaktiven Komponente der Probe während des thermischen Emissionsprozesses vorliegt, wobei der Mikrowellenresonator gegen die Frequenz derart verstimmt wird, daß die Frequenz auf eine Flanke der Resonanzkurve des Resonators fällt.

2. Vorrichtung zur Mikrowellen-Transientspektroskopie tiefliegender Stellen in Halbleitern, mit einem Mikrowellenresonator mit einer Resonanzfrequenz, einem Mikrowellengenerator, der den Resonator mit einem Mikrowellensignal erregt, einer zu untersuchenden Halbleiterprobe, die eine mit Anschlüssen versehene Sperrschicht aufweist, und Abtastmitteln zum Abtasten der Reaktion der Probe auf Impulse des Impulsgenerators, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellensignals des Generators (12) etwas von der Resonanzfrequenz derart abweicht, daß das Erregungssignal auf eine Flanke der Resonanzkurve des Resonators (13) fällt und der Detektor (16) eine Amplitudenmodulation der Mikrowellenenergie in dem Resonator (13) in Antwort auf Änderungen der reaktiven Komponente (C_v) der Sperrschicht abtastet.