DE68919716T2

DE68919716T2 - Verfahren für nichtinvasive Charakterisierung von Halbleitern.

Info

Publication number: DE68919716T2
Application number: DE68919716T
Authority: DE
Inventors: William C Goldfarb; Emil Kamieniecki; Michael Wollowitz
Original assignee: Semitest Inc
Current assignee: Semitest Inc
Priority date: 1988-01-20
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2009-01-20
Also published as: EP0325453A3; DE68919716D1; EP0325453A2; ATE115292T1; EP0325453B1

Description

Verfahren Für nichtinvasive Charakterisierung von Halbleitern

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Charakterisierung von Halbleitern und insbesondere die Charakterisierung von Halbleitermaterialien und -bauelementen unter Anwendung eines Verfahrens mit wechselnder Oberflächenphotospannung (SPV), um die Oberflächen-Raumladungskapazität zu bestimmen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar, um Parameter wie z.B. die Oberflächenzustandsdichte eines Halbleiters und/oder eine Oxid/Isolator-Ladung in einer dielektrischen Schicht zu bestimmen, die auf dem Halbleiter entweder natürlich oder gewollt (beispielsweise durch thermische Oxidation) gebildet werden kann. Jedoch kann sie, wie nachfolgend ausgeführt werden wird, auch zur Bestimmung anderer Parameter eines Halbleiters angewandt werden.
Bekanntlich ist die Oberflächenzustandsdichte eines Halbleiters beispielsweise zur Angabe der Qualität und Verunreinigung einer Halbleiteroberfläche oder der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und einer Oxidschicht nützlich, die auf dem Halbleiter gebildet werden kann, während die Oxid/Isolator-Ladung Für die Angabe der Qualität und Verunreinigung des Oxid/Isolator-Überzugs selbst von Nutzen ist.
Der Oberflächenphotospannungseffekt, wie er bei Halbleitern und bei Verfahren zur Messung der Oberflächen-Photowechselspannung angewandt wird, um Charakteristiken wie z.B. die Oberflächen-Raumladungskapazität festzustellen, ist der Fachwelt allgemein gut bekannt.
Zu bekannten relevanten Patenten, die den Oberflächenphotospannungseffekt betreffen, gehören: US-Patent 4 544 887, das am 1. Oktober 1985 auf den Namen von E. Kamieniecki erteilt wurde und ein Verfahren zur Messung der photoinduzierten Spannung an der Oberfläche von Halbleitermaterialien (d.h. der Oberflächenphotospannung) offenbart; US- Patent 4 286 215, das am 25. August auf den Namen von G.L. Miller erteilt wurde und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktlosen Überwachung der Ladungsträger- Lebensdauer in Halbleitermaterialien offenbart; US-Patent 4 333 051, das am 1. Juni 1982 auf den Namen von A.M. Goodman erteilt wurde und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in Halbleitern offenbart; US-Patent 4 433 288, das am 21. Februar 1984 auf den Namen von A.R. Moore erteilt wurde und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in Halbleitern offenbart und US-Patent 4 663 526, das am 5. Mai 1987 auf den Namen von E. Kamieniecki erteilt wurde und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Auslesen eines latenten elektrostatischen Bildes offenbart, das auf einem isolierenden Material ausgebildet ist.
Bekannte und interessante Veröffentlichungen, die die Charakterisierung von Halbleitern und/oder den Oberflächenphotospannungseffekt im allgemeinen betreffen, sind: Emil Kamieniecki, "Surface Photovoltage Measured Capacitance: Application to Semiconductor/Elektrolyte System", J. Appl. Phys., Vol. 54, No. 11, November 1983, S. 6481 - 6487; Emil Kamieniecki, "Determination of surface space charge capacitance using a light probe", J. Vac. Sci. Technol., Vol. 20, No. 3, März 1982, S. 811 - 814; Hiromichi Shimizu, Kanji Kinameri, Noriaki Honma und Chusuke Munakata, "Determination of Surface charge and Interface Trap Densities in Naturally Oxidized n-Type Si Wafers Using ac Surface Photovoltages", Japanese Journal of Applied Physics, Vo. 26, No. 2, Februar 1987, S. 226 - 230; A. Sher, Y.H. Tsuo, John A. Moriarty, W.E. Miller und R.K. Crouch, "Si and GaAs Photocapacitive MIS Infrared Detectors", J. Appl. Phys., Vol. 51, No. 4, April 1980, S. 2137 - 2148; Olof Engstrom und Annelle Carlsson, "Scanned Light Pulse Technique for the Investigation of Insulator-Semiconductor Interfaces", J. Appl. Phys., Vol. 54, No. 9, September 1983, S. 5245 - 5251; E. Thorngren und O. Engstrom, "An Apparatus for the Determination of Ion Drift in MIS Structures" J. Phys. E. Sci. Instrum., Vol. 17, 1984, gedruckt in Großbritannien, S. 1114 - 1161; E. Kamieniecki und G. Parsons, "Characterization of Semiconductor-Electrolyte System by Surface Photovotage Measured Capacitance", 164th Meeting of the Electrochemical Society, Washington, D.C., Oktober 1983; R.R. Chang, D.L. Lile und R. Gann, "Remote Gate Capacitance-Voltage Studies for Noninvasive Surface Characterization", Appl. Phys. Lett., Vol. 51, No. 13, 28. September 1987, S. 987 - 989; Chusuke Munakata, Shigeru Nishimatsu, Noriaki Honma und Kunihiro Yagi, "Ac Surface Photovoltages in Strongly-Inverted Oxidized p-Type Silicon Wafers", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 23, No. 11, Novbember 1984, S. 1451 - 1461; R.S. Nakhmanson, "Frequency Dependance of the Photo-EMF of Strongly Inverted Ge and Si MIS Structures - I. Theory", Solid State Electronics, 1975, Vol. 18, S. 617 - 626, Pergamon Press, gedruckt in Großbritannien; R.L. Streever, J.J. Winter und F. Rothwarf, "Photovoltage Characterization of MOS-Capacitors", Pro. Int. Symp. Silicon Materials Sci. & Tech., Philadelphia, Mai 1977 (Electrochem. Soc. Princeton, 1977), S. 393 - 400; R.S. Nakhmanson, Z.Sh. Ovsyuk und L.K. Popov, "Frequency Dependence of Photo-EMF of Strongly Inverted Ge and Si MIS Structures - II. Experiments", Solid State Electronics, 1975, Vol. 18, S. 627 - 634, Pergamon Press, gedruckt in Großbritannien; Chusuke Munakata und Shigeru Nishimatsu, "Analysis of ac Surface Photovoltages in a Depleted Oxidized p-Type Silicon Wafer", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 25, No. 6, Juni 1966, S. 807 - 812; Chusuke Munakata, Mitsuo Nanba und Sunao Matsubara, "Non-Destructive Method of Observing Inhomogeneities in p-n Junctions with a Chopped Photon Beam", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 20, No. 2, Februar 1981, S. L137 - L140; Chusuke Munakata und Shigeru Nishimatsu, "Analysis of ac Surface Photovoltages in a Depleted Oxidized p-Type Silicon Wafer", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 25, No. 6, Juni 1986, S. 807 - 812; S.M. Sze, "MIS Diode and Charge-coupled Device", Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons Inc., New York 1981, 2. Auflage, S. 362 - 394.
Der Anfang einer typischen Halbleiter-Fabrikationslinie weist nach dem anfänglichen Scheuern und Reinigen der rohen Scheibe zahlreiche Schritte auf. Diese Schritte umfassen Oxidations-, Abscheidungs-, Maskierungs-, Diffusions- und Implantierungsarbeitsgänge. Die Fabrikation kann vom Start bis zur Fertigbearbeitung und Prüfung des Endprodukts mehrere Wochen beanspruchen. Es ist leicht einzusehen, daß Verfahrensschwankungen, die Verschlechterungen der Ausbeute verursachen, die erst am Ende des Zyklus der Scheibenherstellung festgestellt werden, eine wirtschaftliche Katastrophe für den Hersteller darstellen.
Die vorliegende Erfindung wird durch den nachfolgenden Anspruch 1 definiert, auf den nun Bezug genommen werden soll.
Diese Erfindung kann zur Überwachung von Verunreinigungen und Fehlern auf einer Halbleiteroberfläche (Grenzschicht) und/oder einer dielektrischen Schicht angewendet werden, die sich als Überzug auf einem Halbleiter und/oder auf einem Bauelement wie z.B. einem Metall-Oxid-Halbleiter oder einem Metall-Isolator-Halbleiter befinden kann, der eine Schicht aus Halbleitermaterial aufweist. Die Erfindung ist auch auf die Bestimmung des Dotierungstyps und der Dotierungskonzentration eines Halbleiters in dem Bereich anwendbar, der an die (vordere) Oberfläche angrenzt. Einer der wichtigsten Anwendungsfalle eines Verfahrens unter Anwendung dieser Erfindung steht im Zusammenhang mit der Herstellung von Siliziumbauelementen, insbesondere bei der Uberwachung der bei der Herstellung solcher Bauelemente verwendeten Oxidationsprozesse. Das Verfahren kann jedoch auch bei der Überwachung anderer Prozesse wie z.B. bei der Implantation und Diffusion und auch bei der Überwachung der Bearbeitung von anderen Halbleitermaterialien als Silizium wie beispielsweise Galliumarsenid oder Quecksilber-Cadmium-Tellurid Anwendung finden.
Wie nachstehend erläutert werden wird, ist die vorliegende Erfindung auf die Anwendung des (Wechselspannungs-)Oberflächenphotospannungseffekts gerichtet, der unter gewissen spezifischen Bedingungen Für die Charakterisierung von Volumen- und Oberflächen- (Grenzflächen-)Eigenschaften von Halbleitern entwickelt wurde. Die zu untersuchende Halbleiterprobe kann blank sein oder mit einer einzigen Schicht aus einem dielektrischen Material wie z.B. einem natürlichen Oxid (beispielsweise Si/SiO&sub2;) oder einem mehrschichtigen, dielektrischen Überzug (beispielsweise Si/SiO&sub2;/Polyimid, Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4; usw.) versehen sein oder aus einem MIS-(Metall-Isolator-Halbleiter-) oder einem MOS-(Metall- Oxid-Halbleiter-)Bauelement bestehen. Insbesondere macht die vorliegende Erfindung von der bekannten Tatsache Gebrauch, daß das (Wechselspannungs-)Oberflächenphotospannungssignal (die photoinduzierte Spannung an der Oberfläche eines Halbleiters), wenn es unter bestimmten, definierten Bedingungen gemessen wird, proportional zum Kehrwert der Halbleiter-Raumladungskapazität ist.
Die definierten Meßbedingungen sind die folgenden: (1) Die Wellenlänge des beleuchtenden Lichts ist kürzer als diejenige, den dem Energie-Bandabstand des Halbleitermaterials entspricht. (2) Das Licht ist intensitätsmoduliert, wobei die Lichtintensität und die Modulationsfrequenz so gewählt sind, daß das induzierte (Wechsel-)Spannungssignal direkt proportional zur Lichtintensität und umgekehrt proportional zur Modulationsfrequenz ist. Wenn die Oberfläche der Probe gleichmäßig beleuchtet wird, kann diese Beziehung ausgedrückt werden durch:
wobei δVs die Oberflächenphotospannung, Csc die Raumladungskapazität, Φ der einfallende Photonenstrom, R der Reflexionskoeffizient des Halbleitermaterials, f die Modulationsfrequenz des Lichts und q die Elektronenladung ist. K ist bei Rechteckmodulation der Lichtintensität gleich 4 und bei Sinusmodulation gleich 2π. Einzelheiten zur Ableitung dieser Beziehung sind in dem oben genannten Aufsatz von Emil Kamieniecki mit dem Titel "Determination of Surface Space Charge Capacitance Using a Light Probe", veröffentlicht im Journal of Vacuum Science Technology, Vol. 20, No. 3, März 1982, S. 811 - 814, dargelegt. Wenn die Beleuchtung der Halbleiteroberfläche örtlich und nicht gleichförmig ist, wird δVs unter Anwendung der Gleichung δVm = (s/S)δVs bestimmt, wobei Vm die Ausgangsspannung, s die Fläche des beleuchteten Anteils (plus Diffusion) und S die Gesamtfläche des Halbleiters ist. Csc wird dann unter Anwendung der oben angegebenen Gleichung bestimmt.
Das oben zitierte US-Patent 4 544 887 beschreibt zwei spezielle Anordnungen zur Messung der photoinduzierten Spannung an der Oberfläche einer Probe aus Halbleitermaterial unter den oben angegebenen Bedingungen, nämlich (i) für eine Probe von Halbleitermaterial, die in einem geeigneten Elektrolyten angeordnet ist, und (ii) für eine Probe aus Halbleitermaterial, die von der Referenzelektrode durch ein isolierendes Medium wie z.B. ein Gas oder Vakuum getrennt ist. Jedoch hat jede der beiden Anordnungen ihre Mängel. Die Anordnung mit Gas oder Vakuum ist besonders unbefriedigend wegen der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen den auf einander gegenüberliegenden Flächen der Referenzelektrode und des Halbleiters induzierten Ladungen, die dazu neigen, den Halbleiter in Richtung Referenzelektrode abzulenken, was zu Nichtlinearitäten des Systems sowie zur Erzeugung von Störsignalen führt, während die Elektrolytanordnung Veränderungen (Verunreinigungen) auf der zu prüfenden Oberfläche verursachen wird. Durch das US-Patent 4 544 887 wird ferner vorgeschlagen, daß die so bestimmte Oberflächenphotospannung zur Charakterisierung der Eigenschaften eines Halbleitermaterials unter Anwendung der "herkömmlichen" Kapazitätsanalyse verwendet werden kann. Jedoch wird in dem Patent tatsächlich kein einziges Verfahren, sei es herkömmlich oder nicht herkömmlich, beschrieben, das zur wirklichen Charakterisierung von Halbleitermaterialien angewandt werden kann, wenn die Oberflächenphotospannung unter Anwendung der offenbarten Bedingungen ermittelt worden ist. Ahnliche Gleichungen, weiche die Proportionalität zwischen der Oberflächenphotospannung und der Raumladungskapazität zusammen mit Meßbeziehungen und -bedingungen in Verbindung mit MIS-Bauelementen angeben, werden in den oben erwähnten Aufsätzen von Sher etc. sowie von Nakhamson (1975) gefunden. Die Gleichung 16 im Aufsatz von Nakhamson befaßt sich mit der Imaginärkomponente des Oberflächenphotospannungssignals.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, wie nachfolgend gezeigt werden wird, eine Anordnung zur Messung der Oberflächenphotospannung in einer Weise, die zur Charakterisierung von Halbleitern, insbesondere, aber nicht ausschließlich, von Halbleitern in Scheibenform, anwendbar ist, und zusätzlich ein Verfahren zur tatsächlichen Bestimmung einer Anzahl von Parametern des Halbleiters, wenn die Oberflächenphotospannung erst einmal so erhalten ist. Das Verfahren zur Bestimmung der Parameter unterscheidet sich von den herkömmlichen und bekannten Verfahren der Kapazitätsanalyse.
Wie nachfolgend ausgeführt werden wird, schließt eines der Hauptmerkmale des vorliegenden Verfahrens zur Charakterisierung von Halbleitern unter Anwendung einer Oberflächenphotospannung, die durch mit geringer Intensität moduliertes Licht erzeugt ist, die Ausnutzung der Abhängigkeit des dadurch ermittelten Photospannungssignals von einer Vorspannung ein. Ein anderes und sehr wichtiges Merkinal ist der Weg, auf welchem die Parameter der Halbleiterprobe aus dieser Abhängigkeit abgeleitet werden.
Messungen der Oberflächenphotospannung (erzeugt durch Beleuchtung geringer Intensität) in Abhängigkeit von einer Vorspannung sind allgemein sehr gut bekannt. R.L. Streever J.J. Winter und F. Rothwarf in einem Aufsatz mit dem Titel "Photovoltage Characterization of MOS Capacitors", veröffentlicht in Proc. Int. Symp. Silicon Materials Sci. & Tech., Philadelphia, Mai 1977 (Electrochem. Soc., Princeton, 1977), 5. 393 - 400; A. Sher, Y.H. Tsuo und John A. Moriarty in einem Aufsatz mit dem Titel "Si and GaAs Photocapacitive MIS Infrared Detectors", veröffentlicht im Journal of apphed Physics, Vol. 51, No. 4, April 1980, S. 2137 - 2148; Olof Engstrom und Annelie Carlsson in einem Aufsatz mit dem Titel "Scanned Light Pulse Technique for the Investigation of Insulator-semiconductor Interfaces", veröffentlicht im Journal of Applied Physics, Vol. 54, No. 9, September 1983, S. 5245 - 5251; und E. Thorngren und O. Engstrom in einem Aufsatz "An Apparatus for the Determination of Ion Drift in MIS-Structures", veröffentlicht in J. Phys. E.: Sci. Instrum., Vol. 17, 1984, S. 1114 - 1116, offenbaren alle derartige Messungen.
Einer der Mängel der in den oben genannten Aufsätzen offenbarten Systeme besteht darin, daß sie alle auf MIS- oder MOS-Strukturen begrenzt sind. Hingegen ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche Strukturen begrenzt, sondern darüber hinaus anwendbar (1) auf Anordnungen, in welchen eine Halbleiterscheibe (eventuell mit einem dielektrischen Überzug) und ein Isolator, der zur Trennung des Halbleiters von einer leitfahigen Elektrode für die SPV-Prüfung verwendet wird, getrennte Elemente sind, und (2) auf MIS- oder MOS-Strukturen, bei welchen der Isolator und der Halbleiter eine einheitliche Struktur sind (permanent integriert). Unter dem Gesichtspunkt der Systemcharakteristik und des Verfahrens der Charakterisierung besteht der Hauptunterschied zwischen der Anordnung, bei welcher der Halbleiter und der Isolator eine einheitliche Struktur bilden, und der Anordnung, bei welcher der Halbleiter und der Isolator getrennte Elemente sind, darin, daß der Isolator in der einheitlichen Struktur viel dünner als der Isolator in der nicht einheitlichen Struktur ist. Genauer gesagt, während die Isolatordicke in MIS/MOS- Strukturen typischerweise 1000 Å oder weniger ist, beträgt die typische Dicke einer Anordnung mit separat ausgebildetem Isolator typischerweise etwa 10 um (etwa 100 mal dicker). Daher erfordert ein separat ausgebildeter (dickerer) Isolator zur Erzielung gleicher Änderungen im Halbleiter-Raumladungsbereich eine etwa 100 mal größere Vorspannung (beispielsweise etwa 500 Volt gegenüber etwa 5 Volt). Wegen dieser viel höheren Vorspannung kann die herkömmliche, für Kapazitäts-Spannungs-Messungen und für die Oberflächenphotowechselspannung in MIS/MOS-Strukturen verwendete Analysentechnik nicht angewandt werden, wenn ein dicker Isolator verwendet wird.
Der herkömmliche Lösungsversuch Für Kapazitäts-Spannungs-Messungen macht von der Aufteilung der Vorspannung (Vg) zwischen dem Isolator (Vi) und dem Halbleiter (Vs) Gebrauch, d.h. (Vg = Vi + Vs), um das Verhältnis zwischen dem Oberflächenpotential Vs und der angelegten Spannung Vg zu bestimmen. Für die herkömmliche Kapazitätsanalyse siehe dazu Kapitel 7 des oben erwähnten Buches von S.M. Sze, und für die Oberflächenphotospannung siehe Seite 5248 im oben erwähnten Aufsatz von Engstrom et al. Mit einem 10 um dicken isolierenden Abstandshalter (wie einer Mylar-Folie) ist die Vorspannung Vg hunderte Male größer als das Oberflächenpotential Vs. Folglich macht ein Fehler bei der Berechnung des Spannungsabfalls über dem Isolator (Vi) beispielsweise infolge einer Ungenauigkeit der Dicke des isolierenden Abstandshalters und damit seiner Kapazität Ci(Vi = Qind/Ci) (wobei Qind die im Halbleiter induzierte Ladung ist), die Berechnung des Oberflächenpotentials aus der angelegten Spannung unpraktikabel.
Die Messung der Oberflächenphotospannung gegen die Kombination des einfallenden Lichts und der Modulationsfrequenz des Lichts ist in dem oben erwähnten US-Patent 4 544 887 dargestellt.
Es ist auch bekannt, die Kapazität in einem Halbleiter für Charakterisierungszwecke durch Messung des Wechselstroms anstatt der Oberflächenphotospannung zu bestimmen.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erflndung sieht vor
ein Verfahren zur Charakterisierung von Halbleitermaterialien (entweder mit einem Isolator beschichtet oder unbeschichtet) und Halbleiterbauelementen unter Anwendung des Oberflächenphotospannungseffekts;
em Verfahren, wie oben beschrieben, das die Bestimmung der Oberflächen-Raumladungskapazität einschließt;
ein Verfahren, wie oben beschrieben, das besonders zur Anwendung mit dicken Isolatoren geeignet ist, auf Wunsch aber auch bei dünnen Isolatoren angewandt werden kann;
ein Verfahren, wie oben beschrieben, das zur Bestimmung des Oberflächenzustands (Grenzflächen-Haftstelle) angewandt werden kann;
ein Verfahren, wie oben beschrieben, das zur Bestimmung der Oxid/Isolator-Ladung angewandt werden kann;
ein Verfahren, wie oben beschrieben, das zur Bestimmung des Dotierungstyps angewandt werden kann,
ein Verfahren, wie oben beschrieben, das zur Bestimmung der Dotierungskonzentration angewandt werden kann;
ein Verfahren, wie oben beschrieben, das nichtinvasiv ist;
ein Verfahren zur Anwendung bei der Charakterisierung einer Halbleiterscheibe und eine Vorrichtung zur Durchführung von Oberflächenphotowechselspannungs-Messungen an einer Probe aus Halbleitermaterial;
eine Vorrichtung zur Durchführung von Oberflächenphotowechselspannungs-Messungen an einer Probe aus Halbleitermaterial unter Gleichvorspannung;
eine kapazitive Referenzelektrode zur Anwendung bei Wechselspannungs-Oberflächenphotospannungsmessungen an einer Probe aus Halbleitermaterial;
eine Referenzelektrodenbaugruppe, die speziell zur Anwendung in einer Vorrichtung zur Durchführung von Oberflächenphotowechselspannungs-Messungen an einer Probe aus Halbleitermaterial unter einer hohen Gleichvorspannung konstruiert ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nutzt die Tatsache, daß die Photospannung an der Oberfläche eines Halbleiters (SPV), die mit moduliertem Licht geringer Intensität gemessen wird, unter bestimmten, definierten Bedingungen in einer bekannten Weise proportional zum Kehrwert der Raumladungskapazität Csc ist. Wenn insbesondere die Oberfläche der Probe gleichförmig beleuchtet wird, d.h. δVm = δVs ist, dann wird Csc durch die Gleichung
bestimmt, wobei δVs die Oberflächenphotospannung, Csc die Raumladungskapazität, Φ der enifallende Photonenstrom, R der Reflexionskoeffizient des Halbleitermaterials, f die Modulationsfrequenz des Lichts und q die Elektronenladung ist. K ist bei Rechteckmodulation der Lichtintensität gleich 4 und bei Sinusmodulation gleich 2 π. Einzelheiten zur Ableitung der Beziehung sind in dem Aufsatz von Emil Kamieniecki mit dem Titel "Determination of Surface Space Charge Capacitance Using a Light Probe" angegeben, der im Journal of Vacuum Science Technology, Vo. 20, Nr. 3, März 1982, S. 811 - 814 veröffentlicht ist. Wenn die Beleuchtung der Halbleiteroberfläche örtlich und nicht gleichförmig ist, wird δVs unter Anwendung der Gleichung δVm = (s/S)δVs bestimmt, wobei Vm die Ausgangsspannung, s die Fläche des beleuchteten Anteils (plus Diffusion) und S die Gesamtfläche des Halbleiters ist. Csc wird dann unter Anwendung der oben angegebenen Gleichung bestimmt.
Die Raumladungskapazität (Csc) wird, wenn sie unter den oben angegebenen Bedingungen bestimmt wird, dazu verwendet, um sowohl das Oberflächenpotential (Vs) als auch die Breite der Verarmungsschicht und damit die im Halbleiter-Raumladungsbereich induzierte Ladung (Qsc) zu bestimmen. Die angelegte bzw. die Vorspannung (Vg) wird benutzt, um die im Halbleiter induzierte Ladung (Qind) zu berechnen. Unter Verwendung der im Halbleiter-Raumladungsbereich induzierten Ladung Qsc und der im Halbleiter induzierten Ladung Qind (die Änderungen in der Halbleiter-Raumladung umfaßt) können verschiedene Parameter wie z.B. die Oberflächenzustandsdichte und die Oxid/Isolator-Ladung leicht und zuverlässig bestimmt werden.
Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung von Oberflächenphotowechselspannungs- Messungen an einer Probe von Halbleitermaterial unter den Bedingungen einer Gleichvorspannung entsprechend dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Vorrichtung weist eine flexible Referenzelektrodenbaugruppe auf. In einer Version enthält die Referenzelektrodenbaugruppe eine Referenzelektrode in Gestalt eines Überzugs auf einer Folie (d.h. einer flexiblen dünnen Platte) aus Isoliermaterial. Wenn SPV-Messungen durchgeführt werden, wird die Referenzelektrode durch einen Druck, der durch ein Fluid auf die Referenzelektrode übertragen wird, in enger Übereinstimmung mit der Oberfläche der Probe gehalten. Bei einer Abwandlung wird der Druck durch einen Elastomerknopf auf die Referenzelektrode übertragen. Verschiedene Ausführungsformen des Knopfes sind offenbart. Bei einer weiteren Version umfaßt die flexible Referenzelektrodenbaugruppe eine Referenzelektrode mit einer Beschichtung auf einer starren Platte, die ihrerseits auf einem flexiblen Stützrahmen montiert ist. Wenn die SVP-Messungen durchgeführt werden, wird die Referenzelektrode durch ein von einem Elektromagneten erzeugtes Magnetfeld in enge Übereinstimmung mit der Probe gebracht. In einer anderen Version enthält die flexible Referenzelektrodenbaugruppe eine Referenzelektrode, die eine Schicht ist, die auf einer starren Platte gebildet ist, die ihrerseits auf einem flexiblen Stützrahmen montiert ist, wobei der Rahmen eine Vielzahl von piezoelektrischen Aktuatoren aufweist. Wenn die SPV-Messungen durchgeführt werden, wird die Referenzelektrode durch selektive Erregung der piezoelektrischen Aktuatoren in einem präzisen Abstand von der Probe und örtlich parallel zu dieser gehalten.
Die Referenzelektrode ist in ihren Abmessungen viel kleiner als die Probe.
Eine Schutzelektrode ist eingebaut, um Streufeldprobleme beim Anlegen des Vorspannungsfeldes zu begrenzen, den Bereich der Probe klarer zu definieren, von dem SPV- Signale empfangen werden, und die Kalibrierung der Oberflächen-Raumladungskapazität in bezug auf die festgestellten Photospannungssignale zu erleichtern.
Zahlreiche Merktnale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung deutlich. In der Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Bestandteil derselben bilden und die spezielle Ausführungsformen zur Verwirklichung der Erfindung darstellen. Diese Ausführungsformen werden ausreichend detailliert beschrieben, um dem Fachmann die Ausführung der Erfindung zu ermöghchen, und es versteht sich, daß andere Ausführungsformen angewandt werden und Änderungen im Aufbau erfolgen können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer nach den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebauten Vorrichtung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung von Oberflächenphotowechselspannungs-Messungen an einer Probe aus Halbleitermaterial unter Vorspannungsbedingungen, die nach den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Lichtquelle, der Rückseitenelektrode und der Referenzelektrodenbaugruppe in der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht der Membran in der Referenzelektrodenbaugruppe von Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Abwandlung der in Fig. 5 gezeigten Membran.
Fig. 7 ist ein schematisches Schaltbild, welches für das Verständnis der Zusammenschaltung von Schutzelektrode und Referenzelektrode in der in Fig. 5 gezeigten Membran von Nutzen ist.
Fig. 8 ist eine Schnittdarstellung einer Abwandlung der in Fig. 5 gezeigten Membran.
Fig. 9 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der in Fig. 8 gezeigten Membran.
Fig. 10 ist eine Ansicht einer Abwandlung der in Fig. 9 gezeigten Membran.
Fig. 11 ist eine Schnittdarstellung einer anderen Abwandlung der Membran von Fig. 8.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform.
Fig. 13 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Membran und des Elastomerknopfes in der in Fig. 12 dargestellten Referenzelektrodenbaugruppe.
Fig. 14 ist eine Schnittdarstellung einer Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 12.
Fig. 15 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Knopf- und Membranabschnitts der in Fig. 14 gezeigten Referenzelektroden-Meßfühlerbaugruppe.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung einer anderen Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung zur Aufnahme der SPV-Signale sowie zur Probenhalterung.
Fig. 17 ist eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung zur Beleuchtung der Probe sowie zur Aufnahme der SPV-Signale und zur Probenhalterung.
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung zur Beleuchtung der Probe sowie zur Aufnahme der SPV-Signale und zur Probenhalterung.
Fig. 19 ist eine schematische Darstellung der Referenzelektrodenbaugruppe in der Vorrichtung von Fig. 18.
Fig. 20 ist eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung zur Beleuchtung der Probe, zur Probenhalterung und zur Aufnahme der SPV-Signale.
Fig. 21 ist eine schematsiche Darstellung einer anderen Version der Referenzelektrodenbaugruppe entsprechend dieser Erfindung.
Fig. 22 ist eine Draufsicht von unten auf die in Fig. 21 gezeigte Glasplatte.
Fig. 23 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Realisierung einer nach dieser Erfindung aufgebauten Vorrichtung.
Fig. 24 ist eine Seitenansicht der in Fig. 23 dargestellten Vorrichtung.
Fig. 25 ist eine Schnittansicht einer weiteren Abwandlung der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform.
Fig. 26 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung von Teilen der in Fig. 25 gezeigten Referenzelektrodenbaugruppe.
Fig. 27 ist eine Draufsicht auf die in Fig. 25 dargestellte Halterung von unten.
Fig. 28 ist eine graphische Darstellung des Kehrwertes der Raumladungskapazität (1/Csc) als Funktion der induzierten Ladungsdichte (q/cm²) Für eine Halbleiterprobe; und
Fig. 29 ist eine graphische Darstellung der Oberflächenzustandsdichte als Funktion der Energie in der Bandlücke einer Halbleiterprobe.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer nach dieser Erfindung aufgebauten Vorrichtung zur Anwendung bei der Charakterisierung eines Halbleiters gezeigt, wobei die Vorrichtung mit der Bezugszahl 11 bezeichnet ist.
Die Vorrichtung 11 weist einen Halter 13 zum Halten der untersuchten Probe auf, wobei die Probe mit der Bezugszahl 15 bezeichnet ist. Zu Darstellungszwecken ist die zu prüfende Probe 15 eine Scheibe 17 aus Silizium mit einer Oxidschicht 19 (beispielsweise SiO&sub2;) auf ihrer Vorderseite.
Der Halter 13 umfaßt ein Substrat 21, eine Referenzelektrode 23, einen Isolator 25, eine mechanische Presse 27, ein Gummipolster 29 und einen Rückseitenkontakt 31. Das Substrat 21, welches als Unterlage dient, besteht aus Glas oder einem anderen transparenten Material mit guter optischer Qualität. Die Referenzeiektrode 23 ist eine leitfähige und transparente Schicht wie Indium-Zinn-Oxid, die auf dem Substrat 21 durch beliebige geeignete Mittel wie z.B. Abscheidung und Glühen aufgebracht ist. Der Isolator 25 ist eine Platte aus Mylar oder einem anderen gleichwertigen Material wie Teflon. Das Gummipolster 29b ist mittels Klebstoff, Zement oder einem anderen geeigneten Mittel an der mechanischen Presse 27 befestigt. Der Rückseitenkontakt 31 ist eine Platte aus leitfähigem Material wie z.B. eine Aluminiumfolie, die am Gummipolster 29 durch Klebstoff, Zement oder andere geeignete Mittel befestigt ist.
Das Substrat 21 ist stationär angeordnet, während die Presse 27 in Richtung der Pfeile A vom Substrat 21 weg und zu diesem hin bewegt werden kann.
Bei der Anwendung werden der Isolator 25 auf der Referenzelektrode 23 und die Probe 15 auf dem Isolator 25 angeordnet, wobei ihre Oxidschicht 19 wie gezeigt im Kontakt mit dem Isolatir 25 ist. Die Presse 27 wird sodann zur Probe 15 hin bewegt, so daß der Rückseitenkontakt 31 wie dargestellt gegen die Rückseite der Probe 15 gedrückt wird. Wie einzusehen ist, verhindert der Isolator 25 einen Leckstrom zwischen der Probe und der Referenzelektrode 23. Da die Probe 15 außerdem gegen die Referenzelektrode 23 gepreßt wird, zugleich aber von dieser durch den Isolator 25 getrennt ist, werden die Referenzelektrode 23 und Probe 15 untereinander parallel gehalten.
Wenn die zu prüfende Probe anstelle einer Scheibe ein MIS-Bauelement oder ein MOS- Bauelement ist, dann entfallen der Isolator 25 und die Referenzelektrode 23, und die Probe wird im Halter 13 derart angeordnet, daß der Metallschichtabschnitt dem Substrat zugewandt ist. Bei dieser Anordnung dient der Metallschichtabschnitt als Referenzelektrode.
Wenn es gewünscht wird, kann aus Schutzgründen ein Isolator aus Mylar oder einem anderen dielektrischen Material zwischen dem Rückseitenkontakt 31 und der Rückseite der Probe 15 angeordnet werden.
Beim Betrieb der Vorrichtung 11 wird ein paralleler, von einer Lichtquelle 33 ausgesandter Lichtstrahl von einem Abtastgalvanometer 35 abgelenkt und von einer Linse 37 auf die Vorderseite der Probe 15 fokussiert. Die Lichtquelle 33 wird von einer modulierten Stromquelle 38 gespeist, so daß der von der Lichtquelle 33 ausgesandte Strahl intensitätsmoduiiert ist. Die Lichtquelle 33 kann eine Leuchtdiode und einen Kollimator enthalten.
An den Rückseitenkontakt 31 wird eine variable Vorspannung aus einer Gleichspannungsquelle 39 angelegt, die ein Sägezahnspannungsgenerator oder ein Verstärker sein kann, wobei die Sägezahnspannung von einem Rechner 47 geliefert wird. Das Photowechselspannungssignal, das auf der Oberfläche der Probe 15 bei Beleuchtung entsteht, wird kapazitiv durch die Referenzelektrode 23 aufgenommen und in einen Verstärker 41 eingespeist. Der Ausgang des Verstärkers 41 wird in einen Phasendetektor 43 eingegeben, der so eingestellt ist, daß bei starker Verarmung oder Inversion eine Komponente (d.h. die Reaikomponente) des Photospannungssignals (SPV) verschwindet und die andere Komponente (d.h. die Imaginärkomponente), die gegenüber den einfallenden Lichtstrahlen um neunzig Grad phasenverschoben ist (siehe oben erwähnter Aufsatz von E. Kamieniecki im Journal of applied Physics vom November 1983), ein Maximum erreicht. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 43 wird einem Analog/Digital-Wandler (A/D) 45 zugeführt, dessen Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung dem Rechner 47 zugeführt wird.
Die Polarität (d.h. die positive oder negative) des Oberflächenphotospannungssignals (SPV) und insbesondere dessen Imaginärkomponente hängen vom Dotierungstyp (p oder n) der Probe ab und können demzufolge benutzt werden, um den Dotierungstyp der Probe zu bestimmen. Die Anderung der Polarität des SPV-Signals ergibt sich aus dem Unterschied im Vorzeichen der Oberflächenpotentialbarriere unter Verarmungsbedingungen für Halbleiter vom n- bzw. p-Typ.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform des Halteteils der Vorrichtung dargestellt, wobei der Halter durch die Bezugszahl 51 bezeichnet ist. Bei dieser Anordnung kommt die Probe nicht wirklich mit dem Isolator in Kontakt, der die Probe von der Referenzelektrode trennt.
Der Halter 51 weist einen Stützrahmen 53 auf, der eine Kammer 54, eine Vakuumspannplatte 55, einen Isolator 57, eine Referenzelektrode 59, ein Substrat 61, eine Vielzahl von Positionssensoren 63 und eine Vielzahl von Positioniereinrichtungen 65 umschließt.
Der Stützrahmen 53 weist eine Öffnung 67 Für den beleuchteten Lichtstrahl auf. Die Vakuumspannplatte 55 dient zugleich als Rückseitenkontakt. Die Probe 15 wird, wie erkennbar ist, auf die Vakuumspannplatte 55 aufgesetzt. Der Isolator 57 kann entweder eine Platte aus Mylar oder Teflon, die mit geeigneten Mitteln an der Referenzelektrode 59 befestigt ist, oder eine isolierende Beschlchtung wie z.B. eine Polyimidschicht sein, die mit geeigneten Mitteln auf der Referenzelektrode 59 ausgebildet ist. Ein Beispiel eines Polyimids ist Pyralin, hergestellt von DuPont. Die Referenzelektrode 59 ist eine leitfähige und transparente Beschichtung, die auf dem Substrat 61 mit geeigneten Mitteln ausgebildet wird. Das Substrat 61 besteht aus transparentem Material wie z.B. Glas. Die Positionssensoren 63, die kapazitiv oder optisch sein können, sind am Substrat 61 angebracht und werden zur Bestimmung der geometrischen Beziehungen zwischen der Referenzelektrode 59 und dem zu untersuchenden Halbleiter 15 angewandt. Die Information von den Sensoren 63 wird in den Rechner 47 eingegeben und zur Steuerung der Positionierungseinrichtungen 65 verwendet, die Gleichstrommotoren oder piezoelektrische Translatoren sein können. Die Positionierungseinrichtungen 65 sind am Substrat 61 befestigt und werden benutzt, um das Substrat 61 winkelmäßig derart zu bewegen, daß die Referenzelektrode 59 und (die Vorderseite des) Halbleiter(s) 15 parallel zueinander gehalten werden.
Wie zu erkennen ist, gibt es zwischen dem Isolator 57 und dem Halbleiter 15 eine Lücke. Die Lücke beträgt etwa 1 um. Da die Probe 15 durch Vakuum auf der Spannplatte 55 gehalten wird, wird sie sich nicht infolge irgendeiner elektrostatischen Anziehung durch die Referenzelektrode 59 biegen oder verwinden. Auch durch den Einsatz der Positionssensoren 63 und der Positionierungseinrichtungen 65 können die Referenzelektrode 59 und die Probe 15 auf den gewünschten Abstand eingestellt und parallel gehalten werden. Außerdem verhindert der Isolator 57 einen Leckstrom zwischen der Referenzelektrode 59 und dem Halbleiter 15.
Die Kammer 54 wird vorzugsweise mit einem inerten Gas wie z.B. Argon oder Stickstoff gespült, um eine Verunreinigung der Probe zu verhindern.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist im Labor konstruiert worden. Wiederholte Probleme mit der solcherart konstruierten Vorrichtung sind durch die einander widersprechenden Forderungen verursacht worden, (i) einen ausreichenden Druck aufzubringen, um den Isolator während des Durchlaufzyklus der Vorspannungsfeldspannung bewegungslos und die Referenzelektrode in enger Übereinstimmung (d.h. in örtlich paralleler Beziehung) mit dem Halbleiter zu halten, und (ii) einen Hochspannungsdurchbruch des Isolators zu verhindern, der durch die physischen Haltekräfte und Staubteilchen und/oder Bruch oder Verunreinigung des Halbleiters selbst beschädigt werden könnte. Eine Isolatorbewegung während des Vorspannungsdurchlaufzyklus wird durch die vom Vorspannungsfeld erzeugten elektrostatischen Kräfte bewirkt. Diese Kräfte können den Isolator veranlassen, sich zu bewegen und den Abstand zwischen der Referenzelektrode und dem Halbleiter während des Vorspannungsdurchlaufzyklus zu ändern. Veränderungen des Abstandes zwischen der Referenzelektrode und dem Halbleiter verursachen örtliche Schwankungen der Koppelkapazität (d.h. der Kapazität zwischen der Referenzelektrode und der Probe) und stören daher das Ausgangs-Photospannungssignal. Derartige Änderungen können auch eine Modulation der optischen Interferenzstreifen in den schmalen Spalten zwischen dem Isolator, der Probe und der Referenzelektrode verursachen. Eine solche Lichtintensitätsmodulation kann die Ergebnisse verzerren und sie unauswertbar machen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 3 ist dort vereinfacht und schematisch eine andere nach dieser Erfindung aufgebaute Vorrichtung zur Durchführung von Oberflächenphotowechselspannungs-Messungen einer Probe aus Halbleitermaterial dargestellt. In der Darstellung sind die Probe aus Halbleitermaterial durch die Bezugszahl 71 und die Vorrichtung durch die Bezugszahl 73 gekennzeichnet. Wie zu erkennen ist, wird bei der Vorrichtung nach Fig. 3 die Probe 71 von hinten anstatt wie in Fig. 1 von vorn beleuchtet.
Die Probe 71 hat zwei Hauptflächen 75 und 77, wobei die Fläche 75 der Prüfung unterworfen wird. Die Probe 71 kann ein Siliziumplättchen in einer Scheibenanordnung sein. Auf der Fläche 75 kann sich eine Oxidbeschichtung (nicht dargestellt) befinden.
Die Vorrichtung 73 weist eine Rückseitenelektrode 79 und eine Referenzelektrodenbaugruppe 81 vom kapazitiven Aufnehmertyp auf. Die Rückseitenelektrode 79, die auch als Unterlage oder Stütze Für die Probe 71 dient, ist ein starres Teil aus einem leitfähigen Metall wie Aluminium. Wie zu erkennen ist, sitzt die Probe 71 auf der Rückseitenelektrode 79 mit nach oben weisender Fläche 75 (auf der Oberseite in Fig. 3) und mit in Kontakt mit der Rückseitenelektrode 79 befindlicher Fläche 77 (am Boden in Fig. 3). Die Rückseitenelektrode 79 ist geerdet. Die Rückseitenelektrode 79 ist stationär angeordnet, während die Referenzelektrodenbaugruppe 81 vertikal relativ zur Rückseitenelektrode 79 beweglich ist, wie durch Pfeile A angedeutet ist, so daß sie während der Prüfung bis zum Kontakt mit der Probe 71 abgesenkt und nach Durchführung der Messungen wieder angehoben werden kann. Alternativ (nicht dargestellt) könnte die Referenzeiektrodenbaugruppe 81 stationär angeordnet und die Rückseitenelektrode 79 senkrecht relativ zur Referenzelektrodenbaugruppe 81 beweglich sein.
Die Referenzelektrodenbaugruppe 81, die auch in Fig. 4 gezeigt ist, weist eine flache, ebene Platte 83 aus einem starren, transparenten Material wie Glas auf. Ein ringförmig ausgebildeter Abstandhalter 85 aus einem starren Material ist fest an der Unterseite der ebenen Platte 83 angebracht, wobei die Platte 83 und der Abstandhalter 85 einen Rahmen bilden. Eine flexible Membran 87 ist fest an der Unterseite des Abstandhalters 85 angebracht, und der Bereich zwischen Membran 87, Abstandhalter 85 und Platte 83 bildet eine luftdichte Kammer 89. Die Kammer 89 ist mit einer bestimmten Menge eines Fluids 90 wie z.B. Luft gefüllt, welches unter Druck steht. Ein Durchlaß 91, der im Abstandhalter 85 angebracht und durch einen herausnehmbaren Stopfen 93 verschlossen ist, erlaubt den Zugang zur Kammer 89, wenn dies gewünscht wird.
Die auch in Fig. 5 dargestellte Membran 87 enthält eine Folie 95 (d.b. eine dünne flexible Platte) aus einem flexiblen, transparenten Material wie Mylar. Die Platte 95, die als ein Isolator dient, ist in den Abmessungen kleiner als die Probe 71. Auf der Oberseite 100 des Isolators 95 ist durch geeignete Mittel wie z.B. Abscheidung ein Paar von Schichten 97 und 99 angebracht. Die Schicht 97 ist kreisrund und dient als eine Referenzelektrode. Die Schicht 99 umgibt die Schicht 97, ist aber von der Schicht 97 durch einen ringförmigen, unbeschichteten Bereich 101 getrennt und dient als Schutzelektrode. Beide Schichten können aus Aluminium hergestellt sein. Die Dicke der Schicht 97 ist so, daß sie transparent ist. Die Referenzelektrode 97 ist viel kleiner als die Probe 15. Wie zu erkennen ist, trennt der Isolator 95 die Schichten 97 und 99 elektrisch von der Probe 71. Ein Leiter 97-1 ist an die Elektrode 97 und ein Leiter 99-1 ist an die Elektrode 99 angeschlossen. Eine alternative Anordnung der Membran 87 ist in Fig. 6 dargestellt und mit der Bezugszahl 187 bezeichnet. Die Membran 187 weist eine Referenzelektrode 197 und eine Schutzelektrode 199 auf, die auf der Platte 95 ausgebildet sind. Die Referenzelektrode weist einen dünnen Streifen 197-1 auf, der sich zum Rand der Membran 187 erstreckt, und die Schicht 199 umgibt die Schicht 197, hat jedoch einen Abstand von ihr. Der Leiter 97-1 ist am äußeren Ende des Streifens 197-1 angebracht.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 3 weist die Vorrichtung 73 weiterhin eine Lichtquelle 103, eine Lichtquellenansteuerung 105, einen Osziliator 107, eine variable Gleichvorspannungsquelle 109, einen Verstärker 111, einen Demodulator 113, einen Analog/Digital- A/D-Wandler 115 und einen Rechner 117 auf.
Die Lichtquelle 103 ist in der x-y- (d.h. in horizontaler) Richtung relativ zur Referenzelektrodenbaugruppe 81 befestigt und so positioniert, daß der Lichtstrahl senkrecht zur Referenzelektrode 97 ausgerichtet ist.
Die Lichtquelle 103 ist von der Referenzelektrodenbaugruppe 81 getrennt, kann aber, wenn es gewünscht ist, durch einen Rahmen (nicht dargestellt) mit der Referenzelektrodenbaugruppe verbunden werden.
Bei der Anwendung der Vorrichtung 73 wird die Probe 15, wie dargestellt, auf der Rückseitenelektrode 79 angeordnet. Die Referenzelektrodenbaugruppe 81 wird dann senkrecht nach unten so bewegt, daß die Referenzelektrode 97 in dichter Nähe der Probe 71 angeordnet ist. Die Referenzelektrodenbaugruppe 81 wird dann durch beliebige geeignete äußere Mittel (nicht dargestellt) mit ausreichendem Druck gegen die Probe 71 gedrückt, so daß die Referenzelektrode 97 sich in enger Übereinstimmung (d.h. m paralleler Anordnung) mit der Oberfläche 75 der Probe 71 befindet, wobei der Druck durch das Fluid in der Kammer 89 von der Platte 83 auf die Referenzelektrode 97 übertragen wird. Da die Referenzelektrode 97 auf der Oberseite des Isolators 95 ausgebildet ist, kommt sie nicht in wirklichen Kontakt mit der Probe, sondern bildet einen Aufnehmer vom Kapazitätstyp. Ein Lichtstrahl der Quelle 103 wird dann durch die flexible Referenzelektrodenbaugruppe 81 auf die Vorderseite 75 der Probe 71 gerichtet, um SPV-Signale zu erzeugen. Wie leicht einzusehen ist, tritt der Lichtstrahl von der Quelle 103 durch die Referenzelektrode 97 hindurch, weil diese lichtdurchlässig ist. Die Lichtquelle 103, die eine Leuchtdiode sein kann, wird von der Lichtquellenansteuerung 105 angesteuert, die den ausgesandten Lichtstrahl moduliert. Die Lichtquellenansteuerung 105 wird vom Oszillator 107 angesteuert. Eine von 0 bis etwa 500 Volt variable Vorspannung wird von der variablen Gleichvorspannungsquelle 109 an die Referenzelektroden 97 und 99 angelegt, wobei die Spannung jeweils über Trennwiderstände 103 und 110 angelegt wird. Die Photowechselspannungssignale, die auf der Oberfläche 75 der Probe 15 durch Beleuchtung entstehen, wenn die Vorspannung von der Spannungsquelle variiert wird, werden von der Referenzelektrode 97 kapazitiv aufgenommen und über einen Isolationskondensator 118 in den Verstärker 111 eingespeist. Die von der Schutzelektrode 99 aufgenommenen Signale werden zur Erde abgeführt. Wie einzusehen ist, dient die Schutzelektrode 99 der Vermeidung von Streufeldproblemen bei der Anwendung des Vorspannungsfeldes und auch der Begrenzung desjenigen Flächenbereichs auf der Oberfläche 75 der Probe 15, der das SPV-Signal an die Referenzelektrode 97 liefert. Der Ausgang des Verstärkers 111 wird in den Demodulator 113 eingespeist. Der Ausgang des Demodulators 113 wird dem Analog/Digital-Wandler 115 zugeführt, dessen Ausgang wiederum in den Rechner 117 eingegeben wird. Die Vorspannungsquelle 109 kann beispielsweise ein Sägezahnspannungsgenerator oder ein Verstärker sein, dem vom Rechner 117 eine Sägezahnspannung zugeführt wird.
Wenn es gewünscht wird, kann zu Schutzzwecken ein Isolator aus geeignetem Material und von geeigneter Dicke (nicht gezeigt) zwischen der Probe 71 und der Rückseitenelektrode 79 angeordnet werden.
Ein elektrisches Schaltbild, das zeigt, wie die Referenzelektrode 97 und die Schutzelektrode 99 geschaltet sind, zeigt die Fig. 7. Wie ersichtlich ist, ist die Schutzelektrode 99 zwar elektrisch von der Referenzelektrode 97 isoliert, liegt aber auf dem gleichen Gleichspannungspotential wie diese.
Nachdem die SPV-Messungen durchgeführt worden sind, wird die Baugruppe 81 angehoben.
Anstatt im Inneren der Kammer 89 einen konstanten Druck vorzusehen, könnte auch eine Pumpe zur selektiven Erhöhung des Druckes an die Kammer 89 angeschlossen werden. In diesem Falle würde die Baugruppe 81 eng an die Probe 71 herangebracht und dann der Druck erhöht, um die Membran 87 gegen die Probe 71 zu drücken und eine gleichförmige Anlage zwischen Elektrode 97 und Probe 71 zu sichern. Nach Beendigung der Prüfung würde der Druck wieder abgesenkt.
Die in Fig. 3 dargestellte Aufnahmeanordnung zum Abtasten der SPV-Signale hat viele Vorteile, die leicht deutlich werden.
Indem beispielsweise die Referenzelektrode als fflexibles anstatt als starres Teil der Baugruppe ausgeführt wird, kann die Referenzelektrode gebogen werden, damit sie sich der Probenform anschmiegt und ihre gleichförmige Anpassung an die Probe erzielt wird, d.h. nicht die Probe der Form der Referenzelektrode angepaßt werden muß. Auch ist der Druck, der zur Erreichung einer engen Übereinstimmung zwischen der Referenzelektrode und der Probe aufgebracht werden muß, bei einer flexibel ausgeführten Referenzelektrode geringer, als wenn diese starr wäre. Schließlich wird die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Probe und/oder des Isolators, auf welchem die Referenzelektrode ausgebildet ist, vermindert, wenn der Druck, der zur Sicherung der Übereinstimmung zwischen der Referenzelektrode und der Probe aufgebracht werden muß, verringert wird.
Dadurch, daß die Referenzelektrode kleiner als die Probe ausgebildet wird, ergeben sich ebenfalls verschiedene Vorteile. Zum ersten und wichtigsten: Da das SPV-Signal-Rausch- Verhältnis (S/R) hauptsächlich vom Verhältnis der Kapazität zwischen dem beleuchteten Teil der Probe und der Referenzelektrode zur Gesamtkapazität zwischen der Probe und der Referenzelektrode abhängt, wird das SPV-Signal-Rausch-Verhältnis größer, wenn bei gleichbleibender Größe des beleuchteten Lichtstrahls die Referenzelektrode im Verhältnis zur Probe kleiner gemacht wird. Wenn der Verstärker 111 ein Spannungsverstärker ist, dann wird das S/R-Verhältnis größer, weil das Signal größer wird, und wenn der Verstärker 111 ein Stromverstärker ist, dann wird das S/R-Verhältnis größer, weil das Rauschen geringer wird. Wenn die Referenzelektrode in ihren Abmessungen verkleinert wird, kann auch der Druck zur Sicherung der Anpassung der Probe an die Referenzelektrodenoberfläche vermindert werden. Wenn die Referenzelektrode kleiner als der Halbleiter ausgebildet wird, kann auch der Isolator kleiner ausgeführt werden, der dann einfacher sauber und staubfrei zu halten ist. Wenn weiterhin die Referenzelektrode klein gegenüber der Probe ist, dann wird auch die entsprechende, der Hochspannungsbelastung ausgesetzte Isolatorfläche kleiner, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Hochspannungs- Durchschlägen vermindert wird. Beschädigungen und Verunreinigungen der Probe werden ebenfalls vermindert. Wenn das SPV-Signal-Rausch-Verhältnis vergrößert wird, dann können die SPV-Signale in kürzerer Zeit gemessen werden, wodurch der Isolator weniger Hochspannungs-Durchschlägen unterliegen wird. Ferner ist die Anpassung der Vorrichtung an Proben unterschiedlicher Größe einfacher, wenn die Referenzelektrode klein ausgebildet ist. Wenn der Isolator kleiner als die Probe ausgebildet ist, dann wird auch zu irgendeinem Zeitpunkt immer nur ein kleiner Teil der Probenoberfläche tatsächlich vom Isolator berührt.
In den Fig. 8 und 9 ist eine andere Abwandlung des Aufbaues der Membran 87 dargestellt und mit der Bezugszahl 119 bezeichnet. In Fig. 8 ist auch die Probe 71 dargestellt. Wie ersichtlich ist, enthält die Membran 119 anstelle der Einzelplatte bei der Membran 87 zwei im wesentlichen scheibehförmige Platten 121 und 123 aus einem transparenten, flexiblen, dielektrischen Material. Die Platten 121 und 123 sind aufeinandergestapelt und an ihren äußeren Rändern durch ein Haftmittel 125 wie z.B. Klebstoff fest verbunden. Jede Platte 121 und 123 weist am Umfangsrand einen Vorsprung 127 bzw. 129 auf. Die Platten 121 und 123 bestehen aus Mylar oder einem anderen vergleichbaren Material.
Die Platte 121, die die obere Platte ist, hat auf ihrer Oberseite eine transparente, leitfähige Beschichtung 131. Die Beschichtung 131 ist so geformt, daß sie eine kleine, kreisförmige, als Referenzelektrode dienende Fläche 133 in der Plattenmitte, eine rechteckige, als elektrischer Kontakt dienende Fläche 137 auf dem Vorsprung 127 und einen schmalen Streifen 135 zur Verbindung der Flächen 133 und 135 bildet. Die untere Platte 123 weist eine lichtundurchlässige leitfähige Beschichtung 139b auf, die die ganze Oberseite einschließlich des Vorsprungsbereiches 129, jedoch mit Ausnahme einer kleinen kreisförmigen Fläche 140 in der Mitte bedeckt, die geringfügig kleiner als die Fläche 133 ist. Die Platten 121 und 123 sind derart gestapelt, daß die Fläche 133 mit der Fläche 140 zusammenfällt. Die leitfähige Beschichtung 139 auf der Platte 123 dient als eine Schutzelektrode. Die Beschichtungen 131 und 139 können beide aus Aluminium sein. Die Beschichtung 131 hat eine geeignete Dicke, um lichtdurchlässig zu sein. Wie ersichtlich ist, ist die Referenzelektrode 133 in den Abmessungen viel kleiner als die Probe 15.
In Fig. 10 ist eine Abwandlung 119-1 der Membran 119 dargestellt. Der Unterschied besteht darin, daß bei der Membran 119-1 der Streifen 131 und die Vorsprungsbereiche weggelassen wurden.
In Fig. 11 ist eine andere Abwandlung der Membran 119 dargestellt, die mit der Bezugszahl 141 bezeichnet ist. In Fig. 11 ist auch die Probe 71 dargestellt. Die Mebran 141 unterscheidet sich von der Membran 119 dadurch, daß die Platte 143, die die Bodenplatte ist, ein rundes Loch 145 in Mitte anstelle der nicht beschichteten runden Fläche bei der Platte 123 hat. Mit Ausnahme des Lochs 145 ist die Bodenplatte 143 mit der Bodenplatte 123 identisch. Wenn die Membran 141 in Richtung der Probe 15 geschoben wird, wird sich das Mittelteil der Deckplatte 121 im Bereich des Lochs 145, wie dargestellt, teilweise durch die Bodenplatte erstrecken. Die Membran 119-1 kann in ähnlicher Weise abgewandelt werden.
In Fig. 12 ist eine Abwandlung der Referenzelektrodenbaugruppe 81 dargestellt, wobei der Druck auf die Membran hier durch einen Elastomerknopf anstatt durch ein Fluid übertragen wird, um die Referenzelektrode in Übereinstimmung mit der Probe zu halten. Die Abwandlung ist durch die Bezugszahl 147 angegeben. In Fig. 12 sind die Probe 71 und die Lichtquelle 103 ebenfalls dargestellt.
Die Referenzelektrodenbaugruppe 147, von der Teile auch in Fig. 13 dargestellt sind, weist eine ebene, starre, lichtdurchlässige Platte 149 aus z.B. Glas auf, deren Bodenfläche mit einer lichtdurchlässigen, leitfähigen Schicht 151 versehen ist. Die Referenzelektrodenbaugruppe 147 weist auch eine flexible Membran 87 auf. Die Membran 87 ist unter der Platte 149 angeordnet. Ein flexibler und deformierbarer Knopf 153 ist zwischen der Platte 149 und der Membran 87 angeordnet. Der Knopf 153 enthält einen Innenbereich 155, der einen kreisrunden Querschnitt hat und aus einem durchsichtigen Elastomer hergestellt ist, einen Zwischenbereich 157, der einen ringförmigen Querschnitt hat, den Innebereich 155 umgibt und aus einem Elastomer hergestellt ist, das leitfähig und undurchsichtig ist, und einem Außenbereich 159, welcher einen ringförmigen Querschnitt hat, den zwischenbereich 157 umgibt und aus einem Elastomer hergestellt ist, das isolierend und undurchsichtig ist. Ein Leiter 151-1 ist an die Schicht 151 angeschlossen. Der Zwischenbereich 157 des Knopfes 153 ist auf die Referenzelektrode 97 auf der Mebran 87 ausgerichtet. Ein Leiter 160 ist an die Schicht 99 auf der Membran 87 angeschlossen. Ein ringförmiger Abstandhalter 161 aus nichtleitendem Material wie Mylar umgibt den Knopf 153. Der Abstandhalter 161 ist am Boden der Platte 149 mit der Schicht 151 verklebt, und die Membran 87 ist mit der Bodenfläche des Abstandhalters 161 verklebt.
Bei der Anwendung wird die Referenzelektrode 97 durch Druck auf die Platte 149 in gleichmäßige Anlage mit der Probe 71 gebracht, wobei der Druck von der Platte 149 über den Knopf 153 auf die Membran 87 übertragen wird.
Wie ersichtlich ist, dient der Knopf 153 gleichzeitig zur Erfüllung von vier Funktionen: a) Übertragung eines gleichförmigen Druckes auf die Membran 87 unter minimaler Verlagerung, b) Ermöglichung des Lichtdurchlasses zur lichtdurchlässigen Referenzelektrode 97, c) Begrenzung des modulierten Lichts auf eine begrenzte Fläche der Referenzelektrode 97 und d) Schaffung einer einfach zu montierenden und wenig parasitären elektrischen Verbindung von der Schicht 151 zur Referenzelektrode 97.
In Fig. 14 ist eine Abwandlung der in Fig. 12 dargestellten Referenzelektrodenbaugruppe dargestellt und mit der Bezugszahl 162 versehen. Die Probe 71 und die Lichtquelle 103 sind ebenfalls dargestellt. Wie aus den Fig. 14 und 15 ersichtlich, enthält die Abwandlung 162 einen Knopf 163 mit einem Innenbereich 165 mit kreisrundem Querschnitt, der aus einem leitfähigen Elastomer hergestellt ist, und einen Außenbereich 167 mit ringförmigem Querschnitt. Der Außenbereich 167 umgibt den Innenbereich 165 und ist aus einem lichtdurchlässigen, isolierenden Elastomer hergestellt. Der Knopf 163 ist in dem Raum zwischen der Platte 149 und der Membran 87 angebracht. Der Innenbereich 165 steht mit der Referenzelektrode 97 in Kontakt und dient dazu, die SPV-Signale von der Referenzelektrode 97 zur Beschichtung 151 zu leiten. Wie leicht zu erkennen ist, unterscheidet sich die Abwandlung 162 von der Abwandlung 147 nur im Aufbau des Knopfes. Während der Knopf 153 bei der Abwandlung 147 aus drei verschiedenen Materialien besteht, ist bei der Abwandlung 162 der Knopf 163 aus nur zwei verschiedenen Materialien hergestellt. Eine perspektivische Ansicht des Knopfes 163 und der Membran 87 ist in Fig. 15 dargestellt. Die Baugruppe 162 wird in gleicher Weise angewandt wie die Baugruppe 147.
In Fig. 16 ist eine andere Anordnung zum Halten der Probe und zur Aufrechterhaltung emer gleichförmigen Anlage während der Erzeugung der SPV-Signale gezeigt, wobei die Anordnung mit der Bezugszahl 171 bezeichnet ist. In der Fig. 16 ist auch eine Probe 71 dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist die Probe 71 auf einer Rückseitenelektrode 79 gelagert, die in einer mit einem Fluid 174 wie z.B. Luft gefüllten Kammer 173 angeordnet ist. Ein Auslaß an der Kammer 173 ist mit einer Vakuumpumpe 177 verbunden, die durch den Rechner 117 gesteuert wird. Die Kammer 173 enthält die Membran 87, die als ein Fenster der Kammer 173 ausgebildet ist. Wenn bei der Anwendung SPV-Messungen durchzuführen sind, wird durch die Pumpe 177 ein Unterdruck in der Kammer 173 erzeugt. Der Unterdruck zieht die Membran in Richtung der Probe 71, so daß eine Referenzelektrode 97 mit der Probe 71 in Berürhung und zur gleichförmigen Anlage gebracht wird.
In Fig. 17 ist eine andere Anordnung zur Beleuchtung der Probe, zur Aufnahme der SPV- Signale sowie zur Halterung der Probe während des Meßvorganges dargestellt. Eine Lichtquelle 103 und eine Fokussierungslinse 181 sind fest in einem Rahmen 183 angebracht. Der Rahmen 183 ist (durch nicht dargestellte Mittel) in der Z-Richtung in einem solchen Abstand fest angebracht, daß das Licht von der Lichtquelle 103 auf der Probe 71 fokussiert wird, und in X- und Y-Richtung (durch geeignete, nicht dargestellte Mittel) beweglich, so daß der Lichtpunkt von der Lichtquelle 103 denjenigen Bereich der Probe 15, der an die Referenzelektrode 97 angrenzt, abtasten kann und somit zu irgendeiner Zeit nur eine sehr kleine Fläche beleuchten braucht. Die Probe 71 ist auf Träger 79 gelagert.
In Fig. 18 ist eine andere Anordnung zur Beleuchtung der Probe, Abtastung der SPV- Signale und Probenhalterung während des Meßvorganges dargestellt, wobei die Anordnung mit der Bezugszahl 191 versehen ist. Das System 191 weist eine Referenzelektrodenbaugruppe 193 auf, welche auch gesondert in Fig. 19 dargestellt ist. Wie in Fig. 19 zu sehen ist, sind eine Fokussierlinse 195, eine Membran 87 und ein Fenster 197 in einen gemeinsamen Rahmen 199 eingebaut, der so geformt ist, daß er eine luftdichte, unter Druck stehende Kammer 201 umschließt. Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 18 wird ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle 203 durch eine Linse L&sub3; parallel gerichtet, von einem Abtastspiegel 205 abgelenkt, der durch beliebige mechanische Mittel (nicht dargestellt) angetrieben wird, durch ein Paar von Linsen L&sub1; und L&sub2; geleitet, die wie dargestellt im Abstand voneinander angeordnet sind, und dann von einem halbdurchlässigen Spiegel 207 in die Referenzelektrodenbaugruppe 193 reflektiert, wo er zu einem kleinen Punkt auf der Probe 71 fokussiert wird. Da der Spiegel 205 eine Abtastbewegung ausführt, steht der Lichtpunkt nicht still, sondern tastet die Oberfläche der Probe 71 ab. Die Lichtquelle 203, die Linse L&sub3; und der Spiegel 205 sind in einem Gehäuse 209 montiert. Die Linsen L&sub1; und L&sub2; sind in einem Gehäuse 211 montiert. Der Spiegel 207 ist in einem Gehäuse 213 montiert. Die Gehäuseteile 209, 211 und 213 sind relativ zueinander fixiert. Ein Gehäuse 215, das rohrförmig ausgebildet ist und am einen Ende die Baugruppe 193 einschließt, die als Mikroskopobjektiv wirkt, weist am anderen Ende ein Okular 216 auf, das relativ zum Gehäuse 211 vertikal beweglich ist, um die Baugruppe 193 mit der Probe 71 in Kontakt zu bringen. Die Lichtquelle 203 kann eine Leuchtdiode und einen Strahldehner enthalten.
In Fig. 20 ist eine andere Anordnung zur Beleuchtung der Probe zusammen mit einer anderen Anordnung zur Abnahme der SPV-Signale und zur Halterung der Probe während des Meßvorgangs abgebildet. Auch die Probe 71 ist dargestellt. Es gibt weiterhin eine Lichtquellenbaugruppe 221 und eine Referenzelektrodenbaugruppe 223. Die Lichtquellenbaugruppe 221 weist ein elektrisch abgeschirmtes Gehäuse 225 mit einem Fenster 227, einer Lichtquelle 103 und einer Kollimatorlinse 229 zum Parallelrichten des Strahls der Lichtquelle 103 auf, die fest im Gehäuse 225 montiert sind (durch nicht dargestellte Mittel). Die Referenzelektrodenbaugruppe 223 weist einen Ring 231 aus Eisen oder einem anderen Material auf, das leitfahig und magnetisch ist. Eine Glasplatte 233 ist mit dem Ring 231 verklebt. Auf die Unterseite der Platte 233 sind Schichten aufgebracht, die eine Referenzelektrode 235 und eine Schutzelektrode 236 bilden. Der Ring 231 ist über eine flexible, ringförmige Aufhängung 239 aus unmagnetischem Material fest mit einem Rahmen 237 verbunden. Eine Platte aus einem flexiblen, lichtdurchlässigen, dielektrischen Material 241 wie z.B. Mylar ist unter der Platte 233 am Rahmen 237 angebracht.
Ein Elektromagnet 243 ist unter einem Träger 245 angeordnet. Der Träger 245 besteht aus irgendeinem starren, leitfähigen, unmagnetischen Material wie z.B. Aluminium.
Die Probe 71 ist auf dem Träger 245 gelagert. Leiter 235-1 und 236-1 sind jeweils an die Elektroden 235 und 236 angeschlossen. Bei der Anwendung wird die Referenzelektrodenbaugruppe 223 nahe an die Probe 71 herangebracht und dann der Elektromagnet 243 erregt, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, das durch magnetische Anziehung den Ring 231 und mit ihm die Platten 233 und 241 nach unten zieht. Als Folge davon werden die Platten 233 und 241 gleichmäßig und steuerbar gegen die Probe 71 gepreßt, wobei die Platte 241 die Platte 233 elektrisch von der Probe 71 trennt.
In Fig. 21 ist eine andere Anordnung zur Beleuchtung der Probe, zur Abnahme der SPV- Signale und zur Halterung der Probe während des Meßvorganges dargestellt, wobei die Anordnung mit der Bezugszahl 251 bezeichnet ist.
Eine Trägerplatte 79 ist auf einem Isolator 253 montiert, der aus einem starren Material wie z.B. Glas besteht. Der Isolator 253 sitzt auf dem Boden 255 eines gasdichten Gehäuses 257, das periodisch mit einem inerten Gas gespült wird. Die zu untersuchende Probe 71 ist auf einer Trägerplatte 79 gelagert. Im Gehäuse 257 ist auch eine Referenzelektrodenbaugruppe 259 angeordnet. Die Referenzelektrodenbaugruppe 259 enthält eine starre, lichtdurchlässige Platte 261 aus einem nichtleitenden Material wie Glas, das an seiner Unterseite leitfähig beschichtet ist. Die leitfähige Beschichtung ist, wie in Fig. 22 dargestellt ist, so geformt, daß eine zentrale Aufnehmerfläche 263 und drei Randaufnehmerflächen 265, 267 und 269 entstehen. Die auf die Fläche 263 aufgebrachte Beschichtung ist lichtdurchlässig. Die zentrale Aufnehmerfläche 263 dient als eine Referenzelektrode, während die Randaufnehmerflächen 265, 267 und 269 zur Abtastung des Abstandes zwischen der Bodenplatte 261 und der Probe 71 dienen. Eine Platte 271 aus einem lichtdurchlässigen, dielektrischen Material wie Mylar, die als Isolator dient, ist am Boden der Platte 261 angebracht. Alternativ könnte der Isolator auch eine Beschichtung auf der Platte 261 sein. Die Platte 261 ist an einem Träger 273 mittels eines Satzes von drei piezoelektrischen Aktuatoren 275, 277 und 279 angebracht, die dazu dienen, die gewünschte Trennung und Parallelität zwischen der Referenzelektrode 263 und der Probe 71 aufrechtzuerhalten. Der Träger 273 ist (durch nicht dargestellte Mittel) beweglich im Inneren des Gehäuses 257 angebracht, so daß die Referenzelektrode 263 über jedem beliebigen Flächenbereich auf der Probe 15 plaziert werden kann. Eine Lichtquelle 103 zur Beleuchtung der Probe 15 ist oberhalb der Platte 261 fest auf dem Träger 273 montiert. Die Lichtquelle 103 ist in einem elektrisch abgeschirmten Gehäuse 281 eingeschlossen, das ein Fenster 283 in seinem Boden aufweist. Wenn SPV-Messungen durchgeführt werden, ist der Isolator 271 nicht mit der Probe 71 in Berührung, sondern in einem vorbestimmten Abstand über der Probe 71 angeordnet. Die Aufnehmer 265, 267 und 269 werden zum Abtasten des Abstandes zwischen der Platte 261 und der Probe 71 benutzt, und die Aktuatoren 275, 277 und 279 dienen zur Aufrechterhaltung des Abstandes und zur Erhaltung der Parallelität zwischen der Referenzelektrode 263 und der Probe 71 (örtlich).
In den Fig. 23 und 24 sind vereinfachte Darstellungen einer Vorrichtung 361 zur Anwendung dieser Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 361 weist einen Drehtisch 363 auf, der durch einen Motor 365 angetrieben wird. Der Drehtisch 365 besteht aus leitfähigem Material. Eine Sonderbaugruppe 367 ist an einem Arin 369 befestigt, der in x- und z- Richtung beweglich ist. Die Elektronik (einschließlich eines Rechners) ist in einem Standgehäuse 371 untergebracht. Die Sonderbaugruppe 367 kann die Referenzelektrodenbaugruppe 81 und die Lichtquelle 103 umfassen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 25 ist eine andere Abwandlung der in Fig. 12 dargestellten Referenzelektrodenbaugruppe dargestellt, wobei diese Abwandlung mit der Bezugszahl 461 versehen ist.
Die Referenzelektrodenbaugruppe 461, von der auch Teile in den Fig. 26 und 27 dargestellt sind, enthält eine ebene Platte 463 aus Bakelit oder einem anderen starren, nicht leitfähigen Material. In der Platte 463 ist ein Loch 465 vorgesehen, um das Licht von der Lichtquelle 103 zur Probe 71 durchzulassen. Wenn die Platte 463 aus einem starren, nicht leitfähigen Material hergestellt ist, das anders als im Falle von Bakelit lichtdurchlässig anstatt lichtundurchlässig ist, dann ist das Loch 465 nicht notwendig und kann entfallen. Ein flexibler und verformbarer Knopf 467 ist durch einen nicht dargestellten Klebstoff fest in einer Vertiefung 469 an der Unterseite der Platte 463 befestigt. Der Knopf 467 ist aus einem lichtdurchlässigen, isolierenden Elastomer wie z.B. Silikongummi hergestellt und enthält ein Oberteil 473, das eine im wesentlichen kieisrunde Querschnittsform hat, ein Hauptteil 475, das die Form einer auf dem Kopf stehenden Pyramide hat, und einen Boden 477, der rechteckige Form hat. Zwischen der Platte 463 und dem Knopf 467 ist eine ebene starre Scheibe 479 aus lichtdurchlässigem Material wie z.B. Lexan angeordnet, um zu verhindern, daß der Knopf 467 in das Loch 465 eindringt, wenn die Platte 463 (durch äußere, nicht dargestellte Mittel) nach unten in Richtung der Probe 71 geschoben wird, was nachfolgend beschrieben werden wird. Eine Folie 481 aus einem flexiblen, isolierenden Material wie Mylar ist durch Klebstoff (nicht dargesteflt) fest an der Platte 463 und am Knopf 467 angebracht. Erste und zweite leitfähige Schichten 483 und 485 sind auf der Oberseite 487 der Folie 481 ausgebildet. Die erste Schicht 483 ist transparent und so geformt, daß sie einen Endabschnitt 488 enthält, der unter dem Boden 477 des Knopfes 467 liegt und als Referenzelektrode dient. Die Schicht 485 hat einen gewissen Abstand von der Beschichtung 483 und ist so geformt, daß sie zumindest den Endbereich 488 der Beschichtung 483 umgibt und als Schutzelektrode dient. Beide Schichten können aus Gold hergestellt sein. Ein Paar von elektrischen Kontakten 487 und 489 ist in Öffnungen in der Platte 463 eingepreßt, wobei der Kontakt 487 elektrisch mit der Schicht 483 und der Kontakt 489 elektrisch mit der Schicht 485 verbunden ist.
Bei der Anwendung wird die Referenzelektrode 488 durch die Anwendung von äußerem Druck auf die Platte 463 im Bereich unterhalb der Unterseite 477 in gleichförmige Anlage mit der Probe 71 gebracht, wobei dieser Druck von der Platte 463 über die Platte 419 und den Knopf 467 auf die Folie 481 übertragen wird.
Die Ergebnisse der Oberflächenphotospannungs-(SPV-)Messungen für einen wirklich geprüften Probenbereich sind in der Graphik von Fig. 28 als Abhängigkeit des Kehrwerts der Raumladungskapazität 1/Csc von der in der Halbleiterprobe durch das Anlegen einer äußeren Gleichvorspannung (Vg) induzierten Ladung Qind dargestellt.
Die Raumladungskapazität (Ccs) wird unter Anwendung der oben angegebenen Gleichung
erhalten.
Qind kann durch Messung der Kapazität (Ci) zwischen der Probe und der Referenzelektrode unter Verwendung eines herkömmlichen Kapazitätsmessers und anschließende Multiplikation der Kapazität (Ci) mit der angelegten äußeren Gleichvorspannung (Vg) entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Qind = Ci x Vg.
Die induzierte Ladung (Qind) kann auch durch direktes Messen und Integrieren des Ladestromes der Kapazität Probe/Referenzelektrode bestimmt werden. Die in der graphischen Darstellung von Fig. 28 gezeigten Werte stammen von einer Scheibe aus p-Typ- Siiizium (Si), das durch thermische Oxidation mit einer 250 Å dicken Schicht SiO&sub2; überzogen wurde.
Die graphische Darstellung von Fig. 28 zeigt, daß die Kurve von 1/Csc über Qind für hohe 1/Csc-Werte eine Sättigung aufweist. Von dieser Sättigung ist bekannt, daß sie einer minimalen Raumladungskapazität, bezogen auf eine maximale Verarmungsbreite, entspricht. Die Begrenzung auf den Maximalwert der Verrrmungsschichtbreite ist dem Auftreten einer starken Invasion auf der Halbleiteroberfläche zugeordnet. Dieser Effekt wird in bezug auf herkömmliche Kapazitätsmessungen in Kapitel 7, Abschnitt 7.2.2. des Buches "Physics of Semiconductor Devices" von S.M. Sze (John Wiley & Sons inc., New York 1981, zweite Auflage) und Für die Oberflächenphotowechselspannung in dem Aufsatz von R.S. Nakhamson mit dem Titel "Frequency dependance of photo-EMF of strongly inverted GE and Si MIS structures - I. Theory", veröffentlicht in Solid-State Electronics, Vol. 18,1975, Seiten 617 - 626, beschrieben. Die in diesem Aufsatz diskutierte Inversion wurde tatsächlich durch die eingebaute Ladung (Ladung im Isolator) induziert.
Nun soll das Verfahren zur Bestimmung der Dotierungskonzentration nach dieser Erfindung erläutert werden.
Der Maximalwert von 1/Csc ist proportional der amximalen Verartnungsschichtbreite W m nach der Gleichung (1/Csc)max = Wm/&epsi;s, wobei &epsi;s die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters ist. Die Abhängigkeit des Wertes Wm und folglich des Wertes von (1/Csc)max von der Dotierungskonzentration wird für verschiedene Materialien einschließlich Silizium in Kapitel 7, Abschnitt 7.2.2. des Buches "Physics of Semiconductor Devices" von S.M. Sze, John Wiley and Sons Inc., New York 1981, zweite Auflage (Gleichung 28) diskutiert. Diese Beziehung kann daher angewandt werden, um die Dotierungskonzentration (in einem oberflächennahen Bereich) der Halbleiterprobe zu bestimmen, selbst wenn die Probe mit einer dielektrischen Schicht versehen ist.
Nun soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Oberflächen-(Grenzflächen-)Zustandsdichte beschrieben werden.
Unter Verarmungsbedingungen führt eine Änderung der Gleichvorspannung und damit eine Änderung des Oberflächenpotentials nicht nur zu einer Änderung der Halbleiter- Raumladung Qsc (die zur Bestimmung der Dotierungskonzentration verwendet wird), sondern auch zu einer Änderung der Oberflächen-(Grenzflächen-)Zustandsladung. Daher ist eine Änderung der im Halbleiter induzierten Ladung auf die Änderung der Halbleiter- Raumladung ΔQsc und die Änderung der Oberflächen-(Grenzflächen-)Zustandsladung ΔQss zurückzuführen. ΔQind = ΔQsc + ΔQss. Diese Beziehung kann verwendet werden, um die Oberflächenzustandsdichte zu bestimmen. ΔQsc kann aus der Änderung des Wertes 1/Csc unter Verwendung der Gleichung ΔQsc = qNscΔW bestimmt werden, wobei Nsc die durchschnittliche Dotierungskonzentration in der Raumladungsregion ist (die aus (1/Csc)max bestimmt werden kann). ΔW ist die Änderung in der Breite der Verarmungsschicht ΔW = (-s x Δ(1/Csc), und q ist eine Elementarladung. Die Änderung der Ladung in den Oberflächenzuständen ist ΔQss = ΔQind - ΔQsc. Das Oberflächenpotential Vs kann aus dem gemessenen Wert von 1/Csc unter Verwendung der Gleichung Vs = - 1/2 q &epsi;s Nsc (1/Css)² bestimmt werden. Daraus folgt, daß die Oberflächenzustandsdichte im Bereich der sich von Vs1 bis vs2 um ΔVs unterscheidenden Oberflächenpotentiale
Dit = ΔQss/qΔVs
ist.
Die Energieniveaus dieser Zustände können bei Kenntnis des Oberflächenpotentials und des Ferminiveaus berechnet werden (siehe beispielsweise das oben erwähnte Buch von Sze).
Es muß bemerkt werden, daß die Bestimmung der Oberflächenzustandsdichte nach dem SPV-Verfahren dieser Erfmdung wegen der wesentlichen Vereinfachung der äquivalenten Schaltung, die Emil Kamieniecki in dem oben angegebenen Aufsatz vom November 1983 diskutiert, genauer als diejenige aus Kapazitäts-Leitwert-Messungen ist. Die Grenzflächenzustandsdichte für die in Fig. 28 betrachtete Probe ist in Fig. 29 dargestellt. Nun soll das Verfahren zur Bestimmung der Oxid/Isolator-Ladung (Ladung in einer dielektrischen Schicht wie z.B. einem Oxid) entsprechend dieser Erfindung erläutert werden.
Beim Fehlen der äußeren Vorspannung ist das System Halbleiter/Grenzfläche/Oxid (Isolator) neutral. Da die Referenzelektrode weit entfernt ist, kann ihre Störwirkung vernachlässigt werden. Daher ist Qox = -Qsc (Vg = 0) - Qss (Vg = 0). Bei einer geringen Vorspannung Vg ist die im System Halbleiter/Isolator (Oxid) induzierte Ladung durch die Gleichung
Qind = [Qsc - Qsc (Vg = 0)] + [Qss - Qss (Vg = 0)]
gegeben, wobei Qind, Qsc und Qss die Werte bei der Vorspannung sind, und es wird angenommen, daß sich die Gesamtladung im Oxid infolge der äußeren Spannung nicht ändert (Ladung kann sich als bewegliche Ladung im Isolator/Oxid bewegen, aber sie kann nicht injiziert werden: wenn sie aus dem Halbleiter injiziert wird, dann ist diese Anderung der Aufladung von Oberflächenzuständen zuzuordnen). Aus den obigen Gleichungen folgt:
Qox = Qind - Qsc - Qss.
Die Vorspannung kann beispielsweise derart gewählt werden, daß das Ferminiveau mit der Mitte der Bandlücke oder mit dem Minimum in der Dichte des Oberflächenzustandes zusammenfällt (siehe Buch von Sze). Dies kann durch Bestimmung des Oberflächenpotentials entsprechend dem Wert q* abs(Vs) = EG/2 - EF realisiert werden, wobei EG die Bandlücke des Halbleiters und EF der Absolutwert der Fermienergie bezogen auf die geeignete Bandkante (Leitungsband für den n-Typ, Valenzband für den p-Typ) ist: Daraus können wir die Raumladungskapazität bei diesem Oberflächenpotential unter Verwendung der Gleichung Vs = -1/2 q(- s x Ncs (1/Csc)² bestimmen. Die dieser Raumladungskapazität entsprechende induzierte Ladung kann aus den in Fig. 28 dargestellten Messungen bestimmt werden. Wenn wir annehmen, daß die Oberflächenzustandsladung für das Ferminiveau, das mit der Mitte der Bandlücke zusammenfällt (oder dem Minimum der Oberflächenzustandsdichte), zu Null wird, dann gilt Qox = Qind - Qsc.
Es sollte angemerkt werden, daß die auf diesem Wege gemessene Oxidladung die Gesamtladung des Oxids darstellt. Dies ist anders als bei herkömmlichen Kapazitätsverfahren, wo die gemessene Oxidladung diejenige Ladung darstellt, die in dem an den Halbleiter angrenzenden Oxidbereich lokalisiert ist. Dieser Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und den herkömmlichen Kapazitätsverfahren kann für die Bestimmung der Gesamtverunreinigung der dielektrischen Schicht (z.B. SiO&sub2; auf Si) von Bedeutung sein.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nur beispielhaft gedacht, und der Fachmann wird in der Lage sein, vielfache Variationen und Abwandlungen davon vorzunehmen. Alle solche Variationen und Abwandlungen werden als im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft einer Probe aus Halbleitermaterial, wobei die Probe (15) eine bekannte Energielücke hat, enthaltend:

(a) Positionieren der Probe (15,71) angrenzend an ein Elektrodenpaar (23,59,97;31,55,79) und mit einer zwecks Beleuchtung angeordneten Oberfläche (15,71) der Probe,

(b) Anlegen einer variablen Vorspannung (Vg) an das Elektrodenpaar (23,59,97;31,55,79),

(c) Beleuchten (33) eines Bereiches der Oberfläche (15,71) mit einem Lichtstrahl von einer Wellenlänge, die kürzer als die Energielücke des Halbleiters und mit einer vorgegebenen Frequenz intensitätsmoduliert (38) ist, wobei die Intensität des Lichtstrahls und die Modulationsfrequenz desselben so gewählt sind, daß die in dem vom Lichtstrahl beleuchteten Bereich der Probe erzeugte Oberflächenphotospannung (SPV) direkt proportional zur Intensität des Lichtstrahls und umgekehrt proportionial zur Modulationsfrequenz des Lichtstrahls ist,

(d) Erhalten eines Signals (Vs) von einer der Elektroden (23,59,97;31,55,59), das die Oberflächenphotospannung (SPV) repräsentiert, die in dem durch den Lichtstrahl beleuchteten Bereich der Oberfläche der Probe (15,71) induziert wird, und

(e) Messen der Oberflächenphotospannung (SPV), gekennzeichnet durch Positionieren der Probe (15) zwischen einem Elektrodenpaar (23,59,97;31,55,79), Positionieren eines festen Isolators (25,27,95) zwischen der Probe und einer der Elektroden, wobei diese eine Elektrode eine Referenzelektrode (23,59,97) und die andere Elektrode eine Rückseitenelektrode (31,55,79) ist und wobei die Referenzelektrode kleiner als die besagte Oberfläche der Probe (15,71) ist, sowie Verarbeiten des Signals (Vs), um die Eigenschaft der Probe (15,71) zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bestimmung (47) der Raumladungskapazität (Csc) aus der gemessenen Oberflächenphotospannung (SPV),

Bestimmung (47) der im Halbleiter-Raumladungsbereich von der Raumladungskapazität (Csc) induzierten Ladung (Qsc),

Bestimmung (47) der im Halbleiter von der Vorspannung (Vg) induzierten Ladung (Qind), und dann

Bestimmung (47) der Oberflächenzustandsdichte unter Verwendung von Qind, Qsc und Vs.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die nachfolgende Bestimmung (47) der Oxidladung Qox unter Verwendung von Qind und Qsc, wobei Qind und Qsc die induzierte Ladung im Halbleiter bzw. die Ladung im Raumladungsbereich bei der Vorspannung (Vg) sind, wobei die Probe (15) mit einer Oxidschicht (19) von ihr im Kontakt mit einem festen Isolator (25) angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bestimmung (47) der Polarität der Oberflächenphotospannung (SPV) mit der Realkomponente an einem Minimum, wobei der Dotierungstyp der Probe (45) in Beziehung zur so bestimmten Polarität steht, und wobei die Oberflächenphotospannung (SPV) eine Real- und eine Imaginärkomponente hat und die Polarität der Imaginärkomponente in Beziehung zum Dotierungstyp steht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bestimmung (47) der Raumladungskapazität (Csc) aus der gemessenen Oberflächenphotospannung (SPV) und die nachfolgende Bestimmung (47) der Dotierungskonzentration der Probe unter Verwendung der bestimmten Raumladungskapazität Csc.

6. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Raumladungskapazität (Csc) unter Verwendung der Gleichung δVs = [Φ (1-R) q C&supmin;¹]/Kf aus einem Signal (δVs) bestimmt (47) wird, welches die Oberflächenphotospannung (SPV) repräsentiert, wobei Φ der einfaliende Photonenstrom, R der Reflexionskoeffizient der Probe (15), f die Modulationsfrequenz, q eine Elementarladung und K, wenn die Intensitätsmodulation eine Rechteckwelle ist, gleich 4 und, wenn sie sinusförmig ist, gleich 2π ist, daß die Halbleiter-Raumladung (Qsc) aus der Raumladungskapazität (Csc) unter Verwendung der Gleichung Qsc = q Nsc W berechnet wird, worin Nsc die durchschnittliche Dotierungskonzentration im Raumladungsbereich, W die Breite der Verarmungsschicht und q eine Elementarladung ist; daß die im Halbleiter (17) induzierte Ladung (Qind) aus der Vorspannung (Vg) bestimmt (47) wird und daß dann die Oxid/Isolator-Ladung unter Verwendung der Gleichung Qox = Qind - Qsc bestimmt (47) wird, worin Qind und Qsc die in der Probe (15) induzierte Ladung bzw. die Halbleiterraumladung sind, wobei der Halbleiter (17) auf der besagten Oberfläche eine Oxidschicht (17) aufweist, und die Probe (15) so angeordnet ist, daß ihre Oxidschicht (19) in Berührung mit dem festen Isolator (25) steht.