DE1214792B - Verfahren zur Messung des spezifischen Widerstands einer auf einen Halbleiterkoerper geringen spezifischen Widerstands aufgebrachten Halbleiterschicht sowie Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-11/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

T 22794 VIII c/21 g
28. September 1962
21. April 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des spezifischen Widerstandes einer auf einen Halbleiterkörper geringen spezifischen Widerstands aufgebrachten Halbleiterschicht.

Auf dem Gebiet der Halbleitertechnik besteht häufig das Problem, die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Störstoffkonzentration von dünnen Halbleiterschichten, zu messen. Die Störstoffkonzentration kann durch Messung des spezifischen Widerstands ermittelt werden. Zur Messung des spezifischen Widerstands dünner Schichten ist die Vierpunktsondenmethode bekannt, bei welcher an vier Punkten auf die dünne Schicht Sonden aufgesetzt werden, zwischen denen die Spannungsabfälle auf Grund eines in der Schichtebene fließenden Stroms gemessen werden. Diese Vierpunktsondenmethode versagt aber, wenn die Schicht auf einen Trägerkörper mit sehr geringem spezifischem Widerstand aufgebracht ist, weil dann der Trägerkörper die Schicht zwischen den Sonden praktisch kurzschließt. Diese Voraussetzungen bestehen oft bei der Herstellung von Transistoren, Dioden und anderen Halbleiterbauelementen, bei der oft sehr dünne Halbleiterschichten auf einem Halbleiterkörper des gleichen Leitungstyps und mit ■ wesentlich kleinerem spezifischem Widerstand gebildet werden müssen.

Andere bekannte Verfahren erfordern eine genaue Kenntnis des geometrischen Aufbaues des Meßobjekts; auch diese Bedingung ist bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen oft nicht zu erfüllen.

Das Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens, mit welchem der spezifische Widerstand einer Halbleiterschicht gemessen werden kann, die auf einen Halbleiterkörper geringen spezifischen Widerstands aufgebracht ist, ohne daß die genaue Kenntnis des geometrischen Aufbaues der Halbleiterschicht oder des Halbleiterkörpers erforderlich ist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Widerstand des Halbleiterkörpers mit der Schicht mit Hilfe einer Impedanzmeßbrücke zunächst bei einer ersten Temperatur bestimmt wird und daß anschließend die Temperatur des Meßobjekts so weit geändert wird, bis sich die Brücke bei einer zweiten, von der ersten verschiedenen Temperatur wieder im Abgleich befindet, und daß dann aus der gemessenen Temperaturdifferenz, die für ein bestimmtes Halbleitermaterial nur von dessen Störstellenkonzentration abhängt, auf Grand eines Vergleichs mit Proben bekannten Widerstands der spezifische Widerstand bestimmt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich der spezifische Widerstand von Verfahren zur Messung des spezifischen
Widerstands einer auf einen Halbleiterkörper
geringen spezifischen Widerstands aufgebrachten Halbleiterschicht sowie Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

Texas Instruments Incorporated, Dallas, Tex.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
München-Pasing, Ernsberger Str. 19

Als Erfinder benannt:

James Robert Biard, Richardson, Tex.;

Stacy Bennet Watelski, Dallas, Tex. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Oktober 1961
(142336)

Halbleitermaterial und damit auch der Gesamtwiderstand einer Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der Temperatur nach einer Kurve ändert, die durch ein Maximum geht, so daß jeweils bei zwei verschiedenen Temperaturen zu beiden Seiten der dem Maximum entsprechenden Temperatur, der gleiche spezifische Widerstand besteht. Diese Kurven sind für verschiedene Halbleiterstoffe und verschiedene Störstoffkonzentrationen jeweils verschieden.

Wenn man den Brückenabgleich stets bei einer festgelegten ersten Temperatur herstellt, so ist die zweite Temperatur, bei welcher wieder der Brückenabgleich erhalten wird, jeweils nur von dem Halbleitermaterial der Schicht und dessen Störstoffkonzentration abhängig. Es genügt daher, mit bekannten Vergleichsproben einmal die verschiedenen zweiten Temperaturen für verschiedene Störstoffkonzentrationen zu messen; man erhält daraus eine Tabelle oder ein Diagramm, woraus nach jeder Messung unmittelbar die Störstoffkonzentration oder der spezifische Widerstand der Halbleiterschicht entnommen werden kann, völlig unabhängig von der Form und den Abmessungen der Halbleiterkörper.

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Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer an die Impedanz des zu messenden Halbleiters angepaßten Impedanzmeßbrücke und Einrichtungen zum Abgleichen der Brücke enthält nach der Erfindung eine Einrichtung zum Einstellen von verschiedenen Temperaturen des Meßobjekts.

Vorzugsweise enthält diese Anordnung eine Einrichtung zur Anzeige des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur des Meßobjekts beim zweiten Abgleich der Impedanzmeßbrücke.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines dünnen Halbleiterfilms, der auf einem Körper mit geringem spezifischem Widerstand angebracht ist, sowie der zugehörigen elektrischen Anschlüsse,

F i g. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung nach F i g. 1,

F i g. 3 ein anderes elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung von Fig. 1,

F i g. 4 eine graphische Darstellung des spezifischen Widerstands als Funktion der Temperatur für p-Germanium mit verschiedenen StörstofEkonzentrationen,

Fig.5 ein Blockschema der erfindungsgemäßen Meßanordnung,

Fi g. 6 ein Diagramm zur Eichung der Anordnung von Fig. 5,

F i g. 7 ein elektrisches Schaltbild einer vereinfachten Impedanzbrücke,

F i g. 8 eine andere Anordnung eines dünnen HaIbleiterfilms, der auf einem Körper mit geringem spezifischem Widerstand angebracht ist, sowie der zugehörigen elektrischen Anschlüsse und

F i g. 9 eine Schnittansicht eines dünnen Halbleiterfilms, der auf einem Körper mit geringem spezifischem Widerstand angebracht ist, wobei ein Teil des Films in einem sehr spitzen Winkel schräg angeschliffen ist.

Die F i g. 1 zeigt eine (nicht unbedingt maßstabsgerechte) Ansicht eines sehr dünnen, einkristallinen Halbleiterfilms 2, der auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers 4 von sehr geringem spezifischem Widerstand und dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Film aufgetragen oder gewachsen ist. Bei der Herstellung von Transistoren ist der Film 2 gewöhnlich sehr dünn, in der Größenordnung von einigen Mikron, während der Halbleiterkörper 4 normalerweise im Vergleich dazu sehr dick ist, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Hundertstelmillimetern. Ferner ist es erwünscht, daß der Halbleiterkörper 4 einen außerordentlich niedrigen spezifischen Widerstand hat (beispielsweise etwa 0,002 Ohm · cm für p-Germanium), so daß dadurch mit dem Transistorsystem kein merklicher Widerstand in Reihe liegt. Dagegen ist der spezifische Widerstand des dünnen Films 2 üblicherweise in der Größenordnung von mehreren Zehntem Ohm · cm oder höher und beträgt in einigen Fällen sogar mehrere Ohm · cm.

Nachdem der Film auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 4 gebildet oder gewachsen ist, ist es erwünscht, den spezifischen elektrischen Widerstand des Films zu kennen, der wiederum ein Maß für die in dem Film vorhandene Störstoffkonzentration ist. Solche Messungen sind beim Entwurf und der Herstellung von Transistoren sehr nützlich, weil es dadurch möglich ist, das Aufbringen des Films zuverlässig so durchzuführen, daß die gewünschten Widerstandswerte erhalten werden. Die herkömmlichen Verfahren zur Messung des spezifischen Widerstands von Filmen sind jedoch für diesen Fall ungeeignet. Wenn beispielsweise eine Vierpunktsondenmethode angewendet wird, schließt der niederohmige Körper 4 den Widerstand kurz, welchen der Film 2 normalerweise zeigen würde. Dies ist aus dem schematischen Schaltbild von Fig. 2 erkennbar, da die Vierpunktsondenmethode mit dem Strom arbeitet, welcher in

ίο seitlicher Richtung durch den Film !hindurchgeht, sowie mit dem in dieser Richtung auftretenden entsprechenden Spannungsabfall. Wegen der Kurzschlußwirkung des Widerstands 4' des Halbleiterkörpers 4, der parallel zu dem Widerstand 2' des Films 2 liegt, kann mit der Vierpunktsonde kein merklicher Spannungswert in der Querrichtung des Films festgestellt werden. Wenn der Strom dagegen in der Richtung der Dicke durch den Film 2 und durch den Halbleiterkörper 4 hindurchgeht, trägt der Widerstand 4" des Halbleiterkörpers in dieser Kombination nur sehr wenig ibei, während fast der gesamte Widerstand der Kombination durch den Widerstand 2' des Halbleiterfilms hervorgerufen wird. Dies ist aus dem schematischen Schaltbild von Fig. 3 erkennbar, und diese Tatsache wird bei der Erfindung ausgenutzt, wie nachstehend erläutert wird.

Die F i g. 4 zeigt ein Diagramm des spezifischen Widerstands (Ordinate) als Funktion der Temperatur (Abszisse) für p-Germanium mit verschiedenen Stör-Stoffkonzentrationen. Die mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete Kurve gilt für p-Germanium mit etwa 2 · 10^ια p-Störstellen je Kubikzentimeter, wobei der spezifische Widerstand ein Maximum 23 von etwa 0,37 Ohm · cm bei etwa 157° C erreicht. Wenn ein Bezugspunkt 22 gewählt wird, der beispielsweise bei Raumtemperatur (27° C) liegt, beträgt der entsprechende spezifische Widerstand etwa 0,195 Ohm · cm. Bei einer Erhöhung der Temperatur des Halbleiterkörpers steigt der spezifische Widerstand zunächst an, aber er kehrt bei etwa 214° C zu dem Wert des Bezugspunktes zurück, wie durch das Bezugszeichen 24 angedeutet ist. Für höhere Störstoffkonzentrationen tritt das Maximum des spezifischen Widerstands bei höheren Temperaturen auf, wie durch die Kurve 30 für Germanium mit etwa 10¹⁹ Störstellen je Kubiszentimeter dargestellt ist. Außerdem nimmt die prozentuale Änderung des spezifischen Widerstands als Funktion der Temperatur ab, wenn die Störstoffkonzentration erhöht wird. Ähnliche Kurven können für η-Germanium, p-Silizium, η-Silizium und andere Halbleiter erhalten werden.

Bei der Erfindung wird die Erscheinung ausgenutzt, daß der spezifische Widerstand von Halbleitern' bei einer bestimmten Temperatur einen Höchstwert erreicht, wobei das Maximum des spezifischen Widerstands und die Temperatur, bei welcher das Maximum auftritt, von dem Halbleitermaterial, dem Störstoff und der Störstoffkonzentration abhängen. Die zu messende Halbleiterprobe wird elektrisch in einen Zweig einer Impedanzbrücke eingeschaltet, und die Brücke wird abgeglichen, während die Temperatur des Halbleiters auf einer Bezugstemperatur gehalten wird, die unter der Temperatur liegt, bei welcher der maximale spezifische Widerstand auftritt. Dann wird die Probe auf eine Temperatur erhitzt, die um so viel größer als die Temperatur des maximalen spezifischen Widerstands ist, daß die Brücke wieder abgeglichen ist. Wie nachstehend noch beschrieben wird, können

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der spezifische Widerstand und die Störstoffkonzen- Zuleitungen aus Metall oder einer Metallegierung antration der unbekannten Probe aus diesem. Verfahren gebracht, und das Plättchen wird über diese Zuleides Abgleichens und Wiederabgleichens bestimmt tungen in einen Zweig der Wechselstrombrücke 44 werden. eingeschaltet (die von den Zuleitungen gebildeten

Da die Funktion der verwendeten Meßanordnung 5 ohmschen Anschlüsse müssen so erfolgen, daß ein im wesentlichen eine Impedanzmessung ist und da fester ohmscher Anschluß an dem Plättchen auch ferner die dadurch erhaltene Information in be- noch bei der höchsten Temperatur besteht, welcher stimmte Werte des spezifischen Widerstands _oumge- das Plättchen während des Meßvorganges ausgesetzt setzt werden muß, muß ein eindeutiger Zusammen- ist). Eine (nicht dargestellte) geeignete Energiequelle hang zwischen dem absoluten Widerstand des Films io liefert dem Metallstreifen 52 die Energie zum Erwär- und dem spezifischen Widerstand bestehen. Aus men des Plättchens. Die Energiezufuhr wird so ein-Zweckmäöigkeitsgründen werden daher bei der zuerst gestellt, daß das Temperaturüberwachungsgerät 42 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung nur auf der Skala 56 die richtige Bezugstemperatur anHalbleiter mit gleichförmiger Störstoffkonzentration zeigt, für welche der spezifische Widerstand des Halbin Betracht gezogen; bei den anderen Ausführungs- 15 leiterplättchens bekannt ist, biespielsweise Raumformen besteht diese Einschränkung nicht. In der temperatur. Wenn dies erreicht ist, wird die Wechseleinfachsten Form dienen das Verfahren und die An- strombrücke abgeglichen. Der Abgleichzustand der Ordnung nach der Erfindung nur zur Messung von Wechselstrombrücke 44 wird durch den Oszillo-Filmen, die eine gleichförmige Störstoffkonzentration graphen 46 in folgender Weise angezeigt: Die Ein- und somit auch einen gleichförmigen spezifischen ao gangsklemmen für die Vertikalablenkung des Oszillo-Widerstand über ihre ganze Ausdehnung haben. graphen werden beispielsweise in üblicher Weise an Ferner arbeiten die Anordnung und das Verfahren die Wechselstrombrücke so angeschlossen, daß sie nach der Erfindung mit der größten Genauigkeit, den Nullstrom der Brücke anzeigen. Die Eingangswenn die unbekannte Halbleiterprobe nur mit Stör- klemmen für die Horizontalablenkung des Oszillostoffen dotiert ist, die einen einzigen Leitfähigkeits- 25 graphen werden mit den beiden Anschlußleitern des typ bestimmen, während keine Störstoffe vorhanden Halbleiterplättchens verbunden, da das Halbleitersind, welche den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp plättchen der unbekannte Widerstand in der Wechselhervorrufen oder hervorzurufen suchen und dadurch strombrücke ist. Der Oszillograph zeigt daher den die Wirkung der Störstoffe des ersten Typs kompen- beim Fehlabgleich durch die Brücke gehenden Strom sieren. Die nachstehend beschriebenen Anordnungen 30 als Funktion einer Spannung, die entweder gleich- und Verfahren können zwar auch zur Bestimmung phasig oder gegenphasig zu dem Strom ist, wobei die des spezifischen Widerstands von Proben aus korn- Phase von der Richtung des Fehlabgleichs der Brücke pensiertem Halbleitermaterial verwendet werden, wie abhängt. Somit wird auf dem Oszillographen eine noch beschrieben wird, doch soll die Erfindung zu- Linie 57 dargestellt, deren Neigung von dem Grad nächst in Verbindung mit der bevorzugten Ausfüh- 35 des Abgleichfehlers der Brückenschaltung abhängt,
rungsform erläutert werden, die sich auf eine Halb- Wenn die Temperatur des Halbleiterplättchens auf leiterprobe bezieht, welche nur mit Störstoffen eines die entsprechende Bezugstemperatur eingestellt ist, einzigen Leitfähigkeitstyps gleichförmig dotiert ist. wird die Brücke dadurch abgeglichen, daß die darin Zur Vereinfachung der Beschreibung soll auf p-Ger- enthaltenen Impedanzen verstellt werden, bis die gemanium Bezug genommen werden, obgleich die An- 40 rade Linie 57 auf dem Oszillographen genau waageordnung und das Verfahren bei jedem beliebigen recht liegt. Dann wird das Plättchen erwärmt, bis Halbleiter angewendet werden können. seine Temperatur den Punkt erreicht, in welchem der

Die F i g. 5 zeigt ein Blockschema der Anordnung, spezifische Widerstand wieder auf den gleichen Wert welche zur Durchführung der Messungen nach der wie bei der Bezugstemperatur zurückgekehrt ist; wäh-Erfindung verwendet wird. Der Halbleiter 48, dessen 45 rend der Erwärmung steigt der spezifische Widerspezifischer Widerstand gemessen werden soll, wird stand des Plättchens an, geht durch ein Maximum in einer Temperaturkammer 40 angeordnet, in der und kehrt dann zu diesem Punkt zurück. Es ist offenein Thermoelement 50 so angebracht ist, daß es die sichtlich, daß die gerade Linie auf dem Oszillo-Temperatur des Halbleiterkörpers genau mißt. Ein graphen eine größte Neigung annimmt und dann Temperaturüberwachungsgerät 42 mit direkt zeigen- 50 wieder in die horizontale Lage zurückkehrt, entder Skala 56 dient zur Anzeige der Temperatur des sprechend dem Anstieg des spezifischen Widerstands Halbleiterkörpers. Wie später noch erläutert wird, ist und seiner nachfolgenden Rückkehr zu dem Wert der Halbleiterkörper 48 in einen Zweig einer Wech- bei der Bezugstemperatur. Wenn die Linie 57 wieder selstrom-Impedanzbrücke 44 eingeschaltet, und ein in die waagerechte Lage zurückgekehrt ist, wird die Oszillograph 46 dient als Nullanzeigegerät für die 55 von dem Überwachungsgerät 42 angezeigte Tempe-Brücke. ratur aufgezeichnet. Dieses Verfahren wird mit der

Mehrere Plättchen aus p-Germanium mit verschie- in der F i g. 5 gezeigten Anordnung. mit mehreren

denen Störstoffkonzentrationen, die jeweils einen be- einzelnen Halbleiterplättchen mit verschiedenen

kannten spezifischen Widerstand bei einer Bezugs- Störstoffkonzentrationen durchgeführt, so daß die in

temperatur, beispielsweise Raumtemperatur, haben, 60 der F i g. 6 gezeigte Kurve gezeichnet werden kann,

dienen zur Eichung der Anordnung von Fig. 5. Die welche den Wert des spezifischen Widerstands bei

Plättchen werden getrennt in der Temperaturkammer der Bezugstemperatar in Abhängigkeit von der er-

40 auf einem Metallstreifen 52 befestigt, der zum höhten Temperatur zeigt, bei welcher der spezifische

Aufheizen des Halbleiters dient. Das Thermoelement Widerstand wieder auf den gleichen Wert wie bei der

50 wird in nächster Nähe des Halbleiters so ange- g- Bezugstemperatar zurückgekehrt ist. Die Ordinate

bracht, daß es dessen Temperatur mittels des Tem- des Diagramms von F i g. 6 zeigt die spezifischen

peraturüberwachungsgeräts 42 genau anzeigt. An dem Widerstände der verschiedenen zur Eichung des Ge-

Halbleiterplättchen werden im Abstand Kontakte mit räts verwendeten Plättchen bei der Bezugstempe-

ratur, und die Abszisse stellt die erhöhten Temperaturen dar, bei welchen der spezifische Widerstand der einzelnen Plättchen auf den gleichen Wert wie bei der Bezugstemperatur zurückgekehrt ist. Jeder Punkt der Kurve liefert eine Information für eine Halbleiterprobe mit einer anderen Störstoffkonzentration. Diese Kurve dient zur Bestimmung des spezifischen Widerstands des zu messenden unbekannten dünnen Halbleiterfilms.

Folgende Bemerkung ist wichtig: Sobald der Wiederabgleich der Brücke auf dem Oszillographen angezeigt ist, ist der spezifische Widerstand der in der Messung befindlichen Probe bestimmt. Für die bekannten Proben ist dies eine Anzeige dafür, daß der spezifische Widerstand wieder gleich dem spezifischen Widerstand bei der Bezugstemperatur ist. Eine Kenntnis des geometrischen Aufbaues der in der Messung befindlichen Probe ist daher nicht erforderlich. Ferner ist es bedeutungslos, ob die Probe einen hohen oder einen niedrigen Gesamtwiderstand hat, der daher nicht bekannt zu sein braucht, denn der spezifische Widerstand der Probe ist ausschließlich eine Funktion einer erhöhten Temperatur, wenn die Probe einen dem Wert bei der erhöhten Temperatur gleichen spezifischen Widerstand bei einer und nur bei einer anderen Bezugstemperatur besitzt. Auf Grund dieser Tatsachen ist die einzige Messung, die mit der Anordnung durchgeführt werden muß, die Feststellung der Temperatur, bei welcher der Wiederabgleich der Brücke eintritt.

Sobald die Anordnung von Fig. 5 mit Halbleiterplättchen, deren spezifische Widerstände bei der Bezugstemperatur bekannt sind, geeicht worden ist, kann der spezifische Widerstand eines unbekannten Halbleiterplättchens aus dem gleichen Halbleitermaterial festgestellt werden. Mit der unbekannten Probe wird genau das gleiche Verfahren durchgeführt, das mit den bekannten Proben vorgenommen wurde, und sobald der Wiederabgleich angezeigt wird, wird die Temperatur festgehalten, bei welcher der Wiederabgleich eingetreten ist. Diese Temperatur wird auf der Abszisse des Diagramms von F i g. 6 aufgesucht, und der entsprechende spezifische Widerstand bei der Bezugstemperatur wird an der Ordinate des Diagramms abgelesen.

Das gleiche Verfahren wie für die Messung des spezifischen Widerstands von Halbleiterplättchen wird zur Messung des spezifichen Widerstands eines dünnen Halbleiterfilms angewendet, der auf einer Unterlage aus Metall oder Halbleitermaterial mit geringem spezifischem Widerstand epitaktisch abgeschieden ist.

Es ist wichtig, die folgenden Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich der Anbringung der elektrischen Anschlüsse an dem dünnen Halbleiterfilm und hinsichtlich des zugehörigen geometrischen Aufbaues zu beachten, damit die größte Genauigkeit beim Betrieb der Anordnung von F i g. 5 erhalten wird. Die wesentliche Funktion der Anordnung von F i g. 5 ist die Messung des wirklichen Widerstands und nicht des spezifischen Widerstands mit Hilfe eines Brückenabgleichs; obgleich die Anordnung auf den wirklichen Widerstand anspricht, ist die einzige Information, die zur Bestimmung des spezifischen Widerstands des Films benötigt wird, die Temperatur, bei welcher der Wiederabgleich eintritt, wie zuvor erläutert worden ist. Das mit der Anordnung erzielte Ergebnis hängt', aber davon ab, daß sich nur der spezifische Widerstand der zu messenden Probe als Funktion der Temperatur ändert. Der Film 2 von Fig. 1 ist ein Beispiel für eine zu messende Probe, und es ist wichtig, daß der spezifische Widerstand des Körpers 4 bei einer Temperaturänderung im wesentlichen konstant bleibt. In den meisten Fällen ist dies gewährleistet, weil der spezifische Widerstand dieses Körpers im Vergleich zu demjenigen des Films sehr niedrig ist (entsprechend einer hohen Störstoff-

HJ konzentration). Temperaturänderungen haben daher in dem Körper 4 nur eine unbedeutende Änderung des spezifischen Widerstands zur Folge, wie aus den Kurven für hohe Störstoffkonzentrationen in der Fig. 4 erkennbar ist. Wenn dies nicht der Fall wäre,

XS würde die Anordnung eine zusammengesetzte Information sowohl über den Körper 4 als auch über den Film 2 liefern, und es wäre schwieriger, die Widerstandswerte der beiden Teile zu trennen. Von großer Bedeutung ist die Tatsache, daß der Gesamtwiderstand des Körpers 4 und derjenige des Films 2 vergleichbar sein können, ohne daß dadurch die Genauigkeit der Messung des spezifischen Widerstands des Films beeinträchtigt wird. Dies gilt, solange der spezifische Widerstand des Körpers 4 sich nicht merk-

äs lieh in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, weil dann lediglich der spezifische Widerstand des Films bewirkt, daß während der Messung die Brücke außer Abgleich gebracht und dann wieder abgeglichen wird, wobei der spezifische Widerstand des Films aus-

3CS schließlich eine Funktion der Temperatur ist, bei welcher der Wiederabgleich eintritt.

Damit der Film in einen Zweig der Impedanzbrückenschaltung eingeschaltet werden kann, müssen geeignete elektrische Kontakte an dem Film 2 und an dem Körper 4 angebracht werden. In der Fig. 7, in welcher die Bezugszeichen mit einem Indexstrich schematisch die elektrischen Ersatzwiderstände der Teile von Fig. 1 bezeichnen, ist eine vereinfachte Brückenschaltung (nur zum Zweck der Erläuterung)

4Q mit vier Impedanzzweigen dargestellt, von denen ein Zweig die unbekannte Probe enthält. Dieser Zweig der Brückenschaltung enthält in Serie den Widerstand 2' des Halbleiterfilms 2, den Widerstand 4' des Halbleiterkörpers 4, den Widerstand 6' der zum Film 2 führenden elektrischen Anschlußleitung 6, den Widerstand 8' einer elektrischen Anschlußleitung 8 sowie jeden weiteren Widerstand 10', der zwischen den elektrischen Anschlußleitungen 6 und 8 liegen kann. Die Vertikalablenkplatten des Oszillographen werden an die Klemmen 12 und 12' der Nulldiagonale der Brücke angeschlossen, so daß sie den Nullstrom messen, und die Horizontalablenkplatten des Oszillographen sind an die Klemmen 14 und 14' der unbekannten Impedanz angeschlossen,' so daß sie den

SS Spannungsabfall an dieser messen. Eine Wechselstromquelle 16 ist in der dargestellten Weise an die Brückenschaltung angeschlossen.

Beim Anbringen der elektrischen Anschlußleitung 6 an dem Film 2 in der in der F i g. 1 gezeigten Weise muß darauf geachtet werden, daß ein ohmscher Kontakt zwischen diesen Teilen hergestellt wird. Die gleiche Vorsichtsmaßnahme muß beim Anbringen einer elektrischen Anschlußleitung an dem Körper 4 beachtet werden. Diese Kontakte müssen ferner in der Lage sein, die höchsten Temperaturen auszuhalten, denen die Anordnung von Fig. 1 während des Meßvorgangs ausgesetzt wird. Aus Zweckmäßigkeitsgründen kann der Körper 4 auf einem üblichen

Transistorsockel 10 angebracht werden, an dem eine elektrische Anschlußleitung 8 vorgesehen ist.

Es sind ferner gewisse Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich der geometrischen Anordnung der Anschlußleitung 6, des Films 2 und des Körpers 4 der Anordnung von F i g. 1 zu beachten. In den meisten Fällen sind die Flächenabmessungen des Films 40 und des Halbleiterkörpers 42 gleich, Bei einer Anschlußleitung 6 mit kreisförmigem Querschnitt sollte der Durchmesser der Anschlußleitung an die Berührungs- iq stelle mit dem Film 2 klein gegen die Dicke des Halbleiterkörpers sein, damit die Anordnung die größte Meßgenauigkeit ergibt. Ferner ist es erwünscht, wenn auch wegen der geringen Dicke des Films 2 nicht immer möglich, daß der Durchmesser der Anschlußleitung 6 klein gegen die Dicke des Films ist. Wenn wenigstens die erste dieser beiden Bedingungen erfüllt ist, zeigt der Strom beim Durchgang durch den Körper 4 einen gewissen Ausbreitungseffekt. Dadurch trägt der Körper 4 noch weniger zu dem Gesamtwiderstand des Stromweges bei, so daß der Widerstand des Körpers 4 gegenüber demjenigen des Films 2 vernachlässigbar ist. Obgleich es, wie bereits zuvor angegeben wurde, unerheblich ist, ob der Gesamtwiderstand des Körpers 4 groß ist, solange sich dessen spezifischer Widerstand nicht in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, kann doch auch bei einer geringfügigen Änderung des spezifischen Widerstands des Körpers 4 noch eine gute Meßgenauigkeit erreicht werden, wenn der Gesamtwiderstand dieses Körpers klein gegen denjenigen des Films 2 ist.

Wie die F i g. 7 zeigt, ist die Anordnung von F i g. 1 über die Leitungen 6 und 8 elektrisch in den einen Zweig der Brücke eingeschaltet. Der Transistorsockel 10 dient als bequemes Mittel zur Wärmeübertragung g§ von dem Heizstreifen zu dem Film. Der Heizstreifen 52 wird so eingestellt, daß der Film 2, der Körper 4 und der Sockel 10 auf die Bezugstemperatur gebracht werden, und die Brücke wird dann abgeglichen. Dann wird die Anordnung auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, bei welcher die Brücke wieder zum Abgleich kommt. Dies erfolgt durch entsprechende Einstellung des Heizstromes. Wenn die Temperatur die Wiederabgleichtemperatur überschreitet, zeigt die gerade Linie auf dem Oszillographen eine negative Neigung. Wenn die Temperatur unter der Wiederabgleichtemperatur liegt, hat die Linie eine positive Neigung. Es ist somit erkennbar, daß der Oszillograph nicht nur den Abgleichzustand dadurch anzeigt, daß die Linie genau horizontal liegt, sondern außerdem anzeigt, ob die Temperatur der Probe über oder unter der Wiederabgleichtemperatur liegt.

Die Wiederabgleichtemperatur wird an dem Überwachungsgerät 42 abgelesen und auf der Abszisse der Kurve von F i g. 6 aufgesucht. Dann kann der ent- 5s sprechende spezifische Widerstand bei der Bezugstemperatur direkt an der Ordinate der Kurve abgelesen werden. Dadurch ist der spezifische Widerstand des Halbleiterfilms 2 bei der Bezugstemperatur ermittelt. Da die zur Aufstellung der Kurve von F i g. 6 verwendeten bekannten Proben bekannte Störstoffkonzentrationen haben, kann auch die Störstofrkonzentration der unbekannten Probe bestimmt werden.

Bei der Bestimmung des spezifischen Widerstands einer unbekannten Probe bei einer Bezugstemperatur ist es wichtig, daß die zur Eichung der Anordnung verwendeten bekannten Proben aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die unbekannte Probe bestehen. Ferner muß während der gesamten Eichung und während der Messung der unbekannten Probe die gleiche Bezugstemperatur verwendet werden. Aus Zweckmäßigkeitsgründen kann die Skala 56 des Temperaturüberwachungsgeräts 42 entweder in Einheiten des spezifischen Widerstands oder in Einheiten des spezifischen Widerstands und der Temperatur für ein bestimmtes Halbleitermaterial und eine bestimmte Bezugstemperatur geeicht werden, so daß der unbekannte spezifische Widerstand direkt an diesem Gerät abgelesen werden kann, ohne daß die Kurve von F i g, 6 benötigt wird.

Die F i g. 8 zeigt eine Sehnittansicht einer anderen Anordnung, welche in Verbindung mit dem Verfahren und der Anordnung nach der Erfindung verwendet werden kann, In diesem Fall ist keine Anschlußleitung an dem Sockel 10 angebracht, sondern an der Oberfläche des Films 2 sind im Abstand voneinander zwei Anschlußleitungen 6 und 11 angeordnet, wobei die zuvor angegebenen Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich der Anbringung der Anschlußleitungen an dem Film beachtet werden. Der Strom aus der einen Leitung geht direkt durch den Film zu dem Körper 4 und von dort wieder durch, den Film zu der anderen Anschlußleitung zurück. Der niederohmige Körper 4 stellt einen Kurzschluß für den Querwiderstand des Films zwischen den Kontakten 6 und 11 dar. Daher sind die mit dieser Anordnung erzielten Ergebnisse denjenigen gleichwertig, die mit der Anordnung von F i g. 1 erhalten werden.

Das zuvor beschriebene Verfahren und die zugehörige Anordnung eignen sich zwar besonders zur Bestimmung des spezifischen Widerstands eines dünnen Halbleiterfilms, der auf einer Unterlage aus Metall oder einem niederohrnigen Halbleitermaterial des gleichen Leitfähigkeitstyps epitaktisch aufgebracht ist; es eignet sich jedoch in gleicher Weise für entsprechende Messungen an dünnen oder dicken Plättehen aus Halbleitermaterial, die nicht auf eine niederohmige Unterlage aufgebracht und durch diese elektrisch kurzgeschlossen werden, wie sich aus den zuvor beschriebenen Messungen an den bekannten Proben zum Zwecke der Eichung ergibt. Zur Erzielung bester Ergebnisse soll sich nur der spezifische Widerstand der unbekannten Probe in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Ferner ergibt sich die größte Genauigkeit in der Messung des spezifischen Widerstands und der Störstoffkonzentration dann, wenn nur Proben verwendet werden, welche über ihre gesamte Ausdehnung eine gleichförmige Störstoffkonzentration haben und deren Störstellen nicht ganz oder teilweise durch Störstoffe des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps kompensiert sind.

Das beschriebene Verfahren und die zu seiner Durchführung dienende Anordnung können jedoch auch zur Ermittlung des Profils von Proben verwendet werden, deren spezifischer Widerstand entlang einer durch die Probe gehenden Achse ungleichförmig ist. Wenn beispielsweise ein Halbleiterplättchen einen gleichförmigen spezifischen Widerstand entlang der Dickenachse und einen ungleichförmigen spezifischen Widerstand in einer senkrecht zur Dickenachse stehenden Ebene hat, kann das Profil des spezifischen Widerstands über die gesamte Fläche dadurch erhalten werden, daß das gleiche Verfahren und die gleiche Anordnung in der zuvor beschriebenen Weise angewendet werden, wobei Ablesungen an jeder ge-

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wünschten Zahl von getrennten Stellen auf der Oberfläche des Plättchens vorgenommen werden. Wenn andererseits die unbekannte Probe einen ungleichförmigen spezifischen Widerstand entlang der Dickenachse, aber einen gleichförmigen spezifischen Widerstand in jeder senkrecht zur Dickenachse stehenden Ebene hat, kann das Profil des spezifischen Widerstands entlang der Dickenachse dadurch erhalten werden, daß die ganze Probe in einem sehr spitzen Winkel zu der Oberflächenebene schräg abgeschnitten wird. Falls die unbekannte Probe eine dünne Halbleiterschicht auf einem niederohmigen Körper ist, wie in der F i g. 9 dargestellt ist, hat man eine ausgezeichnete Halterung für die Schicht während des Abschleifens.

Bei der Anordnung nach der F i g. 9 ist eine dünne Schicht 106 aus Halbleitermaterial auf einem niederohmigen Körper 104 angebracht. Ein Abschnitt 102 der Schicht 106 ist in einem sehr spitzen Winkel zu der Oberflächenebene der Schicht schräg abgeschliffen. Die zuvor beschriebene Anordnung wird zur Durchführung aufeinanderfolgender Messungen an verschiedenen getrennten Stellen auf der Oberfläche des abgeschrägten Abschnitts 102 verwendet. Zum Zweck der Erläuterung sind nur drei Anschlüsse 108,108' und 108" an drei getrennten Stellen 109, 109' und 109" auf der Oberfläche des abgeschrägten Abschnitts 102 dargestellt, doch wurden normalerweise sehr viel mehr solche Stellen herangezogen, damit das Profil des spezifischen Widerstands durch die Schicht 106 in der Richtung der Achse Y genau bestimmt werden kann. Das Profil wird wie folgt ermittelt: Es wird eine Messung des spezifischen Widerstands an der Stelle 109 vorgenommen, die sehr nahe an dem dünnsten Teil des abgeschrägten Abschnitts 102 liegt, wobei von der Annahme ausgegangen wird, daß dieser dünne Teil der Schicht einen gleichförmigen spezifischen Widerstand entlang der Achse Y hat. Dann wird eine weitere Messung an einem etwas dickeren Teil an der Stelle 109' vorgenommen. Diese zweite Messung ergibt ein zusammengesetztes Ergebnis für zwei aneinanderstoßende Schichten des Materials, von denen jede einen anderen, als gleichförmig angenommenen spezifischen Widerstand hat. Da der spezifische Widerstand der ersten Schicht durch die erste Messung bestimmt worden ist, kann der spezifische Widerstand der zweiten Schicht durch Heranziehen einer Kennlinienschar bestimmt werden, welche den spezifischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Störstoffkonzentrationen zeigt, wie beispielsweise in der F i g. 4 dargestellt ist. Durch Feststellung der Temperatur, bei welcher der spezifische Widerstand der ersten Schicht wieder gleich dem spezifischen Widerstand bei der Bezugstemperatur ist, sowie Feststellung der Temperatur, bei welcher der zusammengesetzte spezifische Widerstand der beiden Schichten gleich dem spezifischen Widerstand bei der Bezugstemperatur ist, kann der spezifische Widerstand der zweiten Schicht allein durch den Wert bestimmt werden, der gerade ausreicht, um den spezifischen Widerstand der ersten Schicht so weit zu verändern, daß der zusammengesetzte spezifische Widerstand erhalten wird. Dieses Verfahren kann wiederholt zur Durchführung von Messungen an aufeinanderfolgend dickeren Abschnitten auf der Oberfläche des abgeschrägten Teils der Schicht angewendet werden. Dadurch kann das Profil des spezifischen Widerstands entlang der Achse Y der Schicht bestimmt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des spezifischen Widerstands einer auf einen Halbleiterkörper geringen spezifischen Widerstands aufgebrachten Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Halbleiterkörpers mit der Schicht mit Hilfe einer Impedanzmeßbrücke zunächst bei einer ersten Temperatur bestimmt wird und daß anschließend die Temperatur des Meßobjekts so weit geändert wird, bis sich die Brücke bei einer zweiten, von der ersten verschiedenen Temperatur wieder im Abgleich befindet, und daß dann aus der gemessenen Temperaturdifferenz, die für ein bestimmtes Halbleitermaterial nur von dessen Störstellenkonzentration abhängt, auf Grund eines Vergleichs mit Proben bekannten Widerstands der spezifische Widerstand bestimmt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer an die Impedanz des zu messenden Halbleiters angepaßten Impedanzmeßbrücke und Einrichtungen zum Abgleichen der Brücke, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einstellen von verschiedenen Temperaturen des Meßobjekts.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Anzeige des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur des Meßobjekts beim zweiten Abgleich der Impedanzmeßbrücke.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 790 952,2 790141.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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