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Photostrom-Spektroskopie von Silicium im Volumen und an der Grenzfläche zu Siliciumdioxid

 
: Rommel, M.

Erlangen-Nürnberg, 2007
Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2007
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-7321
German
Dissertation
Fraunhofer IISB ()
Ladungsträgerlebensdauer; Ladungsträgerrekombination; Grenzflächenrekombination; Eisenkontamination; Elymat; Oxidcharakterisierung; Silicium

Abstract
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit umfassenden Untersuchungen zur Injektionsabhängigkeit von Photostrom-Messungen. Mit dem konventionellen Elymat-Verfahren wurde die Injektionsabhängigkeit der Ladungsträgerlebensdauer von Eisen-kontaminierten bordotierten Siliciumproben experimentell ermittelt und durch zweidimensionale Simulationen verifiziert. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sind von grundlegender Bedeutung für die ebenfalls erfolgte injektionsabhängige Charakterisierung von Isolator/Silicium-Strukturen mit einem modifizierten Elymat-Verfahren. Entscheidend für die korrekte Messung von Niederinjektionslebensdauern ist eine ausreichende Passivierung der Halbleiteroberfläche. Es konnte gezeigt werden, dass die beim konventionellen Elymat-Verfahren verwendete Oberflächenpassivierung durch 1%ige Flusssäure nicht effektiv genug ist, während die Lebensdauern mit Hilfe der elektrostatischen Passivierung des modifizierten Elymat-Verfahrens im gesamten Injektionsbereich sehr genau bestimmt werden können. Gerade bei niedriger Injektion kann dieser Effekt selbst mit natürlichem Oxid als Isolator genutzt werden. Die Lebensdauerspektroskopie an Eisen-kontaminierten Siliciumproben mit dem Elymat-Verfahren ist an Proben mit unterschiedlicher Dotierungs- und Eisenkonzentration untersucht worden, wobei die Eisenkontamination gezielt entweder mittels spin-on-Verfahren oder Ionen-Implantation und einem nachfolgenden Diffusionsschritt erfolgte. Die Modellierung der Messergebnisse ergab eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Erstmals konnten dabei beide Elymat-Messmodi konsistent charakterisiert werden. Speziell konnte der Anstieg der effektiven Lebensdauern mit steigender Laserleistung bei Extraktion des photoinduzierten Diffusionsstroms auf der dem Laser zugewandten Scheibenoberfläche auf einen zunehmenden Driftstromanteil zurückgeführt werden. Die Einfangkoeffizienten der bei Eisenkontamination existierenden relevanten Energieniveaus wurden dabei nicht angepasst sondern unabhängig an Hand von in der Literatur veröffentlichten Messdaten ermittelt. Bei Berücksichtigung beider Zustände des Eisen-Bor-Paares und des Energieniveaus von interstitiellem Eisen können alle in der Literatur veröffentlichten und die hier gewonnenen Ergebnisse mit dem ermittelten Koeffizientensatz korrekt modelliert werden. Bei ausschließlicher Kontamination mit Eisen kann daher die Eisenkonzentration bei Anwendung der elektrostatischen Passivierung mit dem Elymat-Verfahren genau bestimmt werden. Weiterhin ist es in dieser Arbeit erstmals gelungen, mit dem modifizierten Elymat-Verfahren quantitativ die Grenzflächenzustandsdichte D it und die Isolatorvolumenladung Q Is von Isolator/Silicium-Strukturen zu bestimmen. Die dazu vorgestellten Auswerteverfahren beruhen auf einer hier entwickelten, physikalisch begründeten Modellierung der Ladungsträgerrekombination an Grenzflächenzuständen bei beleuchteten Elektrolyt/Isolator/Silicium-Strukturen. Die Modellierung erlaubt es, die beim modifizierten Elymat-Verfahren gemessene Abhängigkeit des photoinduzierten Diffusionsstroms von der Grenzflächenrekombination über den gesamten Injektionsbereich des Messgerätes mit sehr guter Übereinstimmung zu beschreiben. Dies ist durch Messungen an einer Vielzahl von thermisch oxidierten Siliciumproben mit unterschiedlichen Oxiddicken bzw. nachfolgenden Temperschritten gezeigt worden. An Hand der Ergebnisse konnten dabei optimierte Messbedingungen für das modifizierte Elymat-Verfahren bestimmt werden. Für die Empfindlichkeit des modifizierten Elymat-Verfahrens hinsichtlich der Bestimmung der Grenzflächenzustandsdichte kann für Proben mit hoher Volumenlebensdauer ein Wert von ca. 1-5*109 cm-2eV-1 abgeschätzt werden. Die mit dem modifizierten Elymat-Verfahren ermittelten Werte für D it und Q Is stimmen sehr gut mit Messergebnissen von etablierten Messverfahren (Konduktanz- bzw. Kapazitäts-Spannungs-Verfahren) an Vergleichsproben überein. Die für die quantitative Bestimmung von D it und Q Is benötigten Werte für die Parameter der physikalischen Modellierung konnten ebenfalls experimentell bestimmt bzw. verifiziert werden. Somit konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das modifizierte Elymat- Verfahren sehr gut für die exakte und schnelle Prozesskontrolle von Oxidationsprozessen geeignet ist.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-68244.html