CH682017A5 - Appts. for measuring characteristic values of semiconductor wafer - employs homogeneous magnetic field and predefined test current to establish specific resistance and Hall coefft. of sample - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen charakterisierender Werte eines Wafers aus Halbleitermaterial der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und eine Verwendung dieser Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 10. 



  Solche Vorrichtungen eignen sich vorteilhaft zur Kontrolle der Dotierung von Wafern aus einem Halbleitermaterial, die z.B. das Ausgangsmaterial für integrierte Schaltungen bilden. 



  Die charakterisierende Werte eines Halbleiters sind der spezifische Widerstand und der HALL-Koeffizient, die durch die Konzentration und durch die Beweglichkeit von Ladungsträgern im Halbleitermaterial bestimmt und durch die Dotierung beeinflussbar sind. 



  Sorab K. Ghandhi beschreibt in "VLSI Fabrication Principles", eine Whiley-Interscience Publication 1983, Verlag John Wiley & Sons, New York NY, Seiten 285 bis 291, eine Anordnung zur Messung des spezifischen Widerstands von Halbleitermaterial mittels vier die gleiche Oberfläche eines Wafers kontaktierenden Elektroden, wobei die Kontakte in gleichen Abständen voneinander auf einer geraden Linie liegen. 



  In "A Method of Measuring Specific Resistivity and HALL-Effect of Disks of Arbitrary Shape" von L.J van der Pauw, Philips Research Reports Vol. 13, No.1, 1958, Seiten 1 bis 9, sind praktisch verwendbare Formen von Proben zur Messung der HALL-Spannung in einem homogenen Magnetfeld beschrieben. Die Probe ist auf vier, einander paarweise gegenüberliegenden Seitenflächen kontaktiert. Falls für die Probe der spezifische Schichtwiderstand bekannt ist, kann der HALL-Koeffizient berechnet werden. 



  Eine Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der US-PS 4 857 839 bekannt, bei der der spezifische Widerstand und der HALL-Koeffizient fast zerstörungsfrei am ganzen Wafer als Probe messbar ist. Der kreisförmige Wafer weist an seinem Umfang ohmsche Kontakte auf, die durch Anlöten von Messleitungen unter Verwendung von Indium als Lot entstanden sind. Ein Umschalter verbindet jeweils vier der Messleitungen mit einem Messgerät, wobei eine Zone des Wafers ausgemessen wird, die im Schnittpunkt der beiden gedachten, die vier Kontakte übers Kreuz verbindenden Linien liegt. Zwei dieser vier Kontakte des Wafers sind mit einem vorbestimmten Messstrom beaufschlagt, während über den beiden anderen eine resultierende Spannung gemessen wird. 



  M. Versnel zeigt in "Analysis of a Circular HALL Plate with Equal Finite Contacts", Solid State Electronics, Vol. 24 (1981), Seiten 63 bis 68, wie mit Hilfe der konformen Abbildung der Probe in eine Halbebene der Einfluss der Anschlussgeometrie auf die Messung des HALL-Koeffizienten zu berechnen ist, da praktisch verwendbare Anschlusskontakte eine endliche Ausdehnung aufweisen. 



  Zur Fabrikationskontrolle werden integrierte Schaltkreise auf dem Wafer mittels federbelasteten Nadeln kontaktiert. Die Schaltkreise auf dem Wafer weisen spezielle vorbestimmte Anschlussplatten zum Aufsetzen der Nadeln auf. Eine solche Vorrichtung ist z.B. aus US-PS 4 864 227 bekannt. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen von ein Halbleitermaterial charakterisierenden Werten des spezifischen Widerstandes und des HALL-Koeffizienten in einem Wafer zu schaffen, wobei der Wafer als Probe dient und zur Vorbereitung der Messung nicht verändert werden muss, und eine Verwendung der Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruch 10 anzugeben. 



  Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. 



  Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. 



  Es zeigt: 
 
   Fig. 1: eine Messvorrichtung für einen Waferabschnitt, 
   Fig. 2: einen Messkreis, 
   Fig. 3; den Waferabschnitt, 
   Fig. 4: ein Diagramm, 
   Fig. 5: eine Kontakteinrichtung im Querschnitt, 
   Fig. 6: einen Querschnitt durch die Messvorrichtung für ganze Wafer und 
   Fig. 7: den Wafer im Querschnitt. 
 



  In der Fig. 1 bedeutet 1 einen dünnen scheibenförmigen Wafer aus einem Halbleitermaterial, der als Probe für eine Messvorrichtung dient. Die seitlichen Randflächen sind wenigstens teilweise eine ebene Begrenzung 2 bei einer sonst beliebigen Berandung 3. Beispielsweise ist die Probe ein Stück eines Wafers 1 in Form eines Kreisabschnittes. 



  Wenigstens vier Nadeln 4 bis 7 sind zum Kontaktieren des Wafers 1 eingerichtet. Sie sind mit einer vorbestimmmten Stelle auf einer Oberfläche 8 des Wafers 1 unter einer Kontaktkraft aufsetzbar und bilden, z.B. mit ihren Spitzen, durch Berühren der Oberfläche 8 ohmsche Kontakte 9 bis 12. Die Oberfläche 8 und die Begrenzung 2  schneiden sich in einer Kante 2 min , in deren unmittelbaren Nähe die Nadeln 4 bis 7 aufgesetzt sind. Jede der Nadeln 4 bis 7 ist über eine Messleitung 13 mit einem Messgerät 14 elektrisch verbunden. 



  Ein Feld der Induktion B ist mittels eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten erzeugbar. Ein vorzugsweise U-förmiger Magnet 15 weist Polschuhe 16 und 17 auf und erzeugt in einem Messraum zwischen seinen Polflächen 16 min  und 17 min  das Feld der Induktion B, deren Richtung in der Zeichnung mit einem zu den Polflächen 16' und 17 min  senkrechten Pfeil B angedeutet ist. Die Polflächen 16 min  und 17 min  sind so ausgebildet, dass die Induktion B homogen ist und einen vorbestimmten Wert der Feldstärke aufweist. 



  Beispielsweise ist der Magnet 15 so angeordnet, dass die Polflächen 16 min  und 17 min  seines magnetischen Systems zueinander parallel und horizontal ausgerichtet sind, wobei die beiden Polflächen 16 min  und 17 min  den höchstens 30 mm hohen Messraum nach oben und nach unten begrenzen. Die Höhe des Messraumes und die geforderten Homogenität des Feldes bestimmen die minimale Grösse der Polflächen 16 min  und 17 min . 



  Die Induktion B für die Messvorrichtung ist auch mittels eines Elektromagneten ohne einen ferromagnetischen Magnetkern erzeugbar, z.B. mittels vorbestimmt geformter, von einem elektrischen Strom durchflossener Drahtschleifen. 



  Der Wafer 1 liegt mit seiner der Oberfläche 8 entgegengesetzten Fläche flach auf einer Isolierschicht 18 von höchstens 1 mm Dicke, die den Wafer 1 galvanisch von der darunterliegenden Polfläche 17 min  trennt. Die Induktion B durchsetzt den Wafer 1 senkrecht zur Oberfläche 8 in einem vorbestimmten Bereich um die Kontakte 9 bis 12. 



   Das Messgerät 14 umfasst wenigstens einen Umschalter 19, eine Stromquelle 20 und ein Voltmeter 21. Der Umschalter 19 ist einerseits mittels der Messleitungen 13 mit den Nadeln 4 bis 7  und andererseits mittels Leitungen mit der Stromquelle 20 und mit dem Voltmeter 21 verbunden. Er weist zwei Schaltstellungen S1 und S2 auf und führt je eine isolierte Verbindung wenigstens von einer Leitung der Stromquelle 20 und von einer des Voltmeters 21 vertauschbar zu zwei der Messleitungen 13, so dass in der ersten Schaltstellung S1 unmittelbar benachbarte der Kontakte 9 bis 12 und in der zweiten nicht unmittelbar benachbarte mit der Stromquelle 20 und dem Voltmeter 21 verbunden sind. Die beiden äussersten Kontakte 9 und 12 sind als benachbarte zu betrachten. 



  Die Stromquelle 20 erzeugt einen vorbestimmten Messstrom I, der von der ersten Ausgangsklemme 22 durch den Wafer 1 zur zweiten Ausgangsklemmen 23 fliesst, wobei seine Richtung im Wafer 1 senkrecht zur Induktion B ist. Der Messstrom I ist beispielsweise im Bereich zwischen -200 mA und +200 mA vorbestimmt einstellbar. 



  Eine Messspannung U, die an den beiden anderen, nicht vom Messstrom I durchflossenen Kontakten am Wafer 1 abgreifbar ist, ist dem Voltmeter 21 über beide Eingangsklemmen 24 und 25 zuführbar. Der Messbereich des Voltmeters 21 erstreckt sich z.B. von -1000 mV bis +1000 mV bei einem Innenwiderstand vom mehr als 1 M OMEGA . 



  Mit Vorteil umfasst das Messgerät 14 zusätzlich eine programmierbare elektronische Steuereinrichtung 26 mit einem hier nicht gezeigten Speicher und ein Anzeigefeld 27, die eine Erleichterung der Messarbeit bewirken. Das Anzeigefeld 27 dient zur Darstellung von Werten des Messstroms I, der Messspannung U sowie von daraus berechenbaren Grössen. Auch können vorbestimmte im Speicher abgelegte Hinweise zum Messablauf angezeigt werden. 



  Die Steuereinrichtung 26 ist zum Steuern des Messablaufs eingerichtet. Sie weist wenigstens einen Dateneingang 28 und drei Ausgänge 29 bis 31 für digitale Signale auf. Der erste Ausgang 29 ist mit einem Steuereingang 32 des Umschalters 19 verbunden, damit der Umschalter 19 mittels eines Signals der Steuereinrichtung 26 in die vorbestimmte Schaltstellung S1 bzw.  S2 umschaltbar ist. Der zweite Ausgang 30 ist mit der Stromquelle 20 verbunden, damit die Stromquelle 20 mittels eines vorbestimmten digitalen Sollwerts auf einen Messstrom I einstellbar ist, der auf den elektrischen Kreis zwischen Ausgangsklemmen 22 und 23 aufzuprägen ist. Eine Leitung verbindet einen Messwertausgang 33 des Voltmeters 21 mit dem Dateneingang 28 für eine digitale Übertragung der Messspannung U zur Steuereinrichtung 26.

  Eine weitere Leitung führt vom dritten, dem Datenausgang 31, zu einen Anzeigeneingang 34 des Anzeigefeldes 27. 



  Im Speicher der Steuereinrichtung 26 ist beispielsweise die im Messraum zwischen den Polflächen 16 min  und 17 min  herrschende Feldstärke der Induktion B als vorbestimmter Wert speicherbar. Die Steuereinrichtung 26 ist zum Speichern von der Schaltstellung S1 bzw. S2 zugeordneten Wertepaaren der Messgrössen I und U sowie zum Berechnen und Speichern von Grössen, die aus diesen Wertepaaren und aus den gespeicherten Werten berechenbar sind, eingerichtet. Alle Werte sind aus dem Speicher abrufbar und über den Datenausgang 31 dem Anzeigeneingang 34 zur Darstellung auf dem Anzeigefeld 27 zuführbar. 



  Die Fig. 2 zeigt beispielhaft die Verbindungen zum Umschalter 19. Er verbindet z.B. die erste Ausgangsklemme 22 der Stromquelle 20 fest mit der ersten Nadel 4, ebenso die zweite Eingangsklemme 25 des Voltmeters 21 mit der vierten Nadel 7. In der ersten Schaltstellung S1 (Fig. 1) stellt der Umschalter 19 die beiden in der Zeichnung mit ausgezogenen Doppelstrichen gezeichneten Verbindungen zwischen der zweiten Ausgangsklemme 23 und der zweiten Nadel 5 sowie zwischen der dritten Nadel 6 und der zweiten Eingangsklemme 24 her. In der zweiten, mit gestrichelt gezeichneten Linien dargestellten Schaltstellung S2 (Fig. 1) verbindet der Umschalter 19 die zweite Anschlussklemme 33 mit der dritten Nadel 6 und die zweite Nadel 5 mit der zweiten Eingangsklemme 24. 



  In einer anderen, hier nicht gezeigten Ausführung sind die beiden Messleitungen 13 zu den Nadeln 6 und 7 vertauscht. Zudem sind zusätzlich zyklische Vertauschungen zwischen den Nadeln 4 bis 7 und den Messleitungen 13 möglich. 



  Die einen Enden der Nadeln 4 bis 7, die die Spitzen aufweisen, sind in einer Ebene angeordnet, die in der Fig. 2 aus darstellerischen Gründen die Zeichenebene ist, und in einem Isolierstück 35 eingebettet, damit beim Aufsetzen der Nadeln 4 bis 7 auf dem Wafer 1 die Kontakte 9 bis 12 möglichst in einer geraden Linie erzeugt werden und vorbestimmte Abstände a, b und c aufweisen. Der Abstand a bestimmt die Distanz zwischen dem ersten Kontakt 9 und dem zweiten Kontakt 10, der um den Abstand b vom dritten Kontakt 11 entfernt ist. Der dritte Kontakt 11 und der vierte Kontakt 12 weisen untereinander den Abstand c auf. Der Abstand b ist beispielsweise der kleinste der drei Abstände a, b und c. Die Nadeln 4 bis 7 können parallel oder mit einem gegen die Spitzen sich in Stufen oder kontinuierlich verjüngenden Abstand angeordnet sein. 



  Die Nadeln 4 bis 7 sind aus einem elektrisch gut leitenden nichtmagnetischen Material angefertigt, wie z.B. Federbronze. Die Spitzen bzw. die zum Aufsetzen vorbestimmten Stellen der Nadeln 4 bis 7 sind gefedert und erzeugen beim Aufsetzen auf der Oberfläche 8 die vorbestimmte Kontaktkraft gegen die Oberfläche 8, damit die ohmschen Kontakte 9 bis 12 gute elektrische Eigenschaften aufweisen. Jede Spitze berührt die Oberfläche 8 in einer durch die Kontaktkraft vorbestimmten scheinbaren Kontaktfläche, deren Abmessung von der Kontaktkraft abhängig ist. Die Kontaktkraft liegt vorzugweise im Bereich von 0,01 N bis 1 N. 



  Beispielsweise sind die Nadeln 4 bis 7 von aussen seitlich in den Messraum zwischen den Polflächen 16 min  und 17 min (Fig. 1) eingeführt und unterhalb der oberen Polfläche 16 min angeordnet. Sie sind kurz hinter der Spitze um einen vorbestimmten Winkel gegen den Wafer 1  hin abgebogen, damit die Spitzen im engen Messraum zwischen den Polflächen 16 min  und 17 min  den Wafer 1 kontaktieren. 



   Die Dicke T des Wafers 1 beträgt typisch etwa 0,5 mm. Nach der Dotierung durch die Oberfläche 8 hindurch kann beispielsweise der Wafer 1 eine elektrisch gut leitende Schicht von der Dicke t aufweisen. Ist der Wafer 1 hingegen homogen dotiert, sind die beiden Dicken T und t identisch. 



  Die Fig. 3 ist das vom Magneten 15 (Fig. 1) erzeugte Feld der Induktion B senkrecht und durchsetzt homogen ein beliebig geformtes Gebiet 36, das in der Zeichnung mit einer gestrichelt gezeichneten rechteckförmigen Grenze 37 dargestellt ist. Die Richtung der Induktion B ist in die Zeichenebene hinein gerichtet, was in der bekannten Art durch ein in einem Kreis eingezeichnetes Kreuz angedeutet ist. 



  Im Gebiet 36 ist mit Vorteil ein Magnetfeldsensor 38 zum Messen der Feldstärke der Induktion B angeordnet, der mit einer Leitung mit dem Messgerät 14 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 26 ist zum Auswerten der Signale des Magnetfeldsensors 38 und zum Regeln der Feldstärke der Induktion B mittels dieser Signale auf einen vorbestimmten Wert eingerichtet. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 26 die Feldstärke der Induktion B mittels im Speicher abgelegter vorbestimmter Werte für jede Messreihe oder für eine einzelne Messung einstellen. 



  Die Länge der Begrenzung 2 (Fig. 1) und die Form der Berandung 3 sind unabhängig von der Grenze 37 wählbar. Die Nadeln 4 bis 7 (Fig. 1) sind zum Messen nur innerhalb des Gebiets 36 auf der Oberfläche 8 des Wafers 1 in unmittelbarer Nähe der Begrenzung 2 aufzusetzen. Die ebene Begrenzung 2 bildet im homogenen Feld der Induktion B für die Leitfähigkeit eine galvanische Diskontinuität, da auf der einen Seite der Begrenzung 2, im Wafer 1, die Leitfähigkeit der Ladungsträger verschieden von Null ist, während auf der anderen Seite, ausserhalb des Wafers 1,  keine elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist. Beispielsweise ist diese Diskontinuität auch an der geraden Begrenzung 2 eines entsprechend begrenzten Feldes mittels Dotierung des Halbleiters auch innerhalb des Wafers 1 herstellbar. 



  Falls die Abstände a, b und c die Bedingungen
 
 a = c    [1] 
 b = a . tan(/8) = 0,414 214a    [2]
 
 erfüllen, gelten für beide aus zwei unabhängigen Messungen gewonnenen Werte, einen Widerstandswert Rw und eine HALL-Spannung V, die aus der oben zitierten Schrift von W. Versnel hergeleiteten, einfachen Beziehungen der weiter unten aufgeführten Gleichungen [4] und [5] bzw. [4 min ] und [5 min ]. 



  Damit die Messungen ohne Störungen durch Randeffekte erfolgen, bzw. die dadurch bedingten Fehler möglichst klein sind, weisen die Kontakte 9 bis 12 von der Grenze 37 wenigstens einen vorbestimmten minimalen Grenzabstand g und von der Berandung 3 wenigstens eine vorbestimmte minimale Entfernung f auf. Ausserdem besitzen die scheinbaren Kontaktflächen der Kontakte 9 bis 12 eine vorbestimmte grösste Abmessung d. Die Kante 2 min  weicht höchstens um eine vorbestimmte Distanz e von einer Geraden ab. Diese Abweichungen liegen auf der Oberfläche 8 innerhalb einer in der Darstellung schraffierten Kantenzone 39 der galvanischen Diskontinuität mit einer maximalen Breite, die gleich der Distanz e ist. Die Kontakte 9 bis 12 sind innerhalb der Kantenzone 39 angeordnet und sind daher von der Kante 2 min  weniger als die Distanz e entfernt.

  Die Ebene der Begrenzung 2 (Fig. 1) weicht weniger als die Distanz e von der idealen ebenen Fläche ab. 



  Die Werte d, g, e und f hängen unter den obigen Bedingungen der Gleichungen [1] und [2] auf einfache Weise von den Abständen a und b ab:  
 
 d < b/3;  e < b/10;  f >/= 2a  und  g >/= 3a  [3]
 



  In Worten, der maximale Wert der Abmessung d beträgt weniger als ein Drittel des Abstands b. Die Entfernung e ist kleiner als ein Zehntel des Abstands b. Gleichzeitig muss die Entfernung f für jeden der Kontakte 9 bis 12 wenigstens das Doppelte des Abstands a und der Grenzabstand g wenigstens das Dreifache des Abstands a sein. Ein minimaler Durchmesser des Gebietes 36 beträgt demnach 2 . (a + g) + b oder rund 8,4a, während die Begrenzung 2 eine minimale Länge von 2 . (a + f) + b oder rund 6, 4a aufweist. 



  In einem Beispiel betragen die Abmessungen für den Durchmesser der Nadeln 4 bis 7 etwa 0,35 mm, für den Abstand a bzw. c etwa 1,0 mm während die Abmessung b nach der Gleichung [2] berechenbar ist. Die Bedingung für die Distanz e für die Ebenheit der Begrenzung 2 ergibt sich aus der Gleichung [3] zu e = 0,041 mm, welche für übliche gerade Trennschnitte am Wafer 1 leicht erreichbar ist. Der minimale Durchmesser des Gebietes 36 muss grösser als 8,4 mm sein und die Länge der Begrenzung 2 mehr als 6,4 mm betragen. 



  Das Messverfahren wird anhand der Fig. 1 erläutert. Der Wafer 1 wird in den Messraum zwischen den Polflächen 16 min  und 17 min  geschoben und mit seiner der Oberfläche 8 entgegengesetzten Fläche auf die Isolierschicht 18 gelegt. Nach dem Ausrichten des Wafers 1 und dem Aufsetzen der Spitzen der Nadeln 4 bis 7 sind die beiden unabhängigen Messungen zur Bestimmung eines Wertes für den spezifischen Widerstand R und für den HALL-Koeffizienten H ausführbar. 



  Für die erste Messung, die zur Bestimmung des spezifischen Widerstands R dient, wird der Umschalter 19 in die Schaltstellung S1 gebracht und dem Wafer 1 über den ersten Kontakt 9 und den zweiten Kontakt 10 der vorbestimmte Messstrom I(12) aufgeprägt  und die Messspannung U(34) zwischen dem dritten Kontakt 11 und dem vierten Kontakt 12 an der Oberfläche 8 abgenommen und mittels des Voltmeters 21 gemessen. Aus dem Verhältnis der Messspannung U(34) zum Messstrom I(12), dem Widerstand Rw, ist nach der Gleichung [4] der spezifische Widerstand R berechenbar. 
EMI13.1
 



  wobei t (Fig. 2) die Dicke der elektrisch leitenden Schicht im Wafer 1 bedeutet. In der Steuereinrichtung 26 ist der Wert für die Dicke t speicherbar, der als Parameter vorbestimmt eingebbar ist. Da der Widerstand Rw nicht von der Induktion B abhängt, kann die Messung vorzugsweise bei der Feldstärke Null der Induktion B erfolgen. 



  Für die zweite Messung zur Bestimmung des HALL-Koeffizienten H befindet sich der Umschalter 19 in der zweiten Schaltstellung S2. Der über den ersten Kontakt 9 und den dritten Kontakt 11 im Wafer 1 aufgeprägte vorbestimmte Messstrom I(13) erzeugt die zwischen dem zweiten Kontakt 10 und dem vierten Kontakt 12 gemessene Messspannung U(24). Sie ist die durch den HALL-Effekt verursachte HALL-Spannung V, die von der im Wafer 1 herrschenden Induktion B, der Dicke t, dem HALL-Koeffizienten H und dem Messstrom I(13) abhängt. Der HALL-Koeffizient H ist mittels der Gleichung [5] bestimmbar. 
EMI13.2
 



   Vorzugsweise ist der Ablauf dieser Messungen mittels der Steuereinrichtung 26 gesteuert, die ein einfaches Messprogramm abarbeitet. Der Ablauf des Messprogramms ist als Diagramm in der  Fig. 4 dargestellt und ist auf einer Zeitachse Z beispielsweise in acht mit den Ziffern 1 bis 8 bezeichnete Takte eingeteilt, wobei in den ersten vier Takten der spezifische Widerstand R und in den verbleibenden vier der HALL-Koeffizient H bestimmt wird. Das anschliessende, neue Messprogramm beginnt mit dem Takt 1 min . 



  Die Funktion S zeigt die Schaltstellungen S1 und S2 des Umschalters 19 (Fig. 2) als Funktion der Zeit Z. Zu Beginn des ersten Taktes sendet die Steuereinrichtung 26 (Fig. 1) das Signal zum Stellen des Umschalters 19 in die Schaltstellung S1 und regelt gegebenenfalls die Induktion B auf einen neuen vorbestimmten Wert der Feldstärke ein. Anschliessend erhält die Stromquelle 20 (Fig. 1) über ihren Eingang den vorbestimmten digitalen Sollwert für den Messstrom I(12), der während der Takte zwei und drei dem Wafer 1 (Fig. 1) aufgeprägt ist. Während des Übergangs vom zweiten zum dritten Takt erfolgt die Messung der Messspannung U(24), deren Wert der Steuereinrichtung 26 übermittelt wird.

  Bis zum Beginn des fünften Taktes berechnet die Steuereinrichtung 26 wenigstens den Widerstandswert Rw aus dem Verhältnis der Messspannung U(34) zum Messstrom I(12) nach der Gleichung [4], welcher zum spezifischen Widerstand R proportional ist. 



  Zu Beginn des fünften Taktes stellt das Signal den Umschalter 19 in die Schaltstellung S2 und regelt die Induktion B auf einen neuen vorbestimmten Wert der Feldstärke ein. Die Stromquelle 20, die über ihren Eingang im fünften Takt den vorbestimmten digitalen Sollwert erhalten hat, prägt dem Wafer 1 während des sechsten und siebten Taktes den vorbestimmten Messstrom I(13) auf. Am Übergang vom sechsten zum siebten Takt misst das Voltmeter 21 (Fig. 1) die Messspannung U(24) und übermittelt deren Wert der Steuereinrichtung 26. Bis zum Ende des achten Taktes berechnet die Steuereinrichtung 26 aus dem Messstrom I(13), der Messspannung U(24) und der Induktion B wenigstens den HALL-Koeffizienten H nach der Gleichung [5]. 



  Diese Messvorrichtung nutzt mit Vorteil die Diskontinuität in der Leitfähigkeit in der Kantenzone 39 (Fig. 3) aus und ist durch vier auf der gleichen Oberfläche 8 in einer Linie ausgerichtete ohmsche Kontakte 9 bis 12 ausgezeichnet, die auf der Oberfläche 8 in der Kantenzone 39 dieser galvanischen Diskontinuität angebracht sind. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Verfügbarkeit des für die Messung benutzten Wafers 1 für weitere Fabrikationsschritte, da der Wafer 1 weder mechanisch verändert noch für das Anfertigen der Probe zerstört wird. Aus den mit der gleichen Kontaktierung messbaren Grössen ist der spezifische Widerstand R und der HALL-Koeffizient H im Halbleitermaterial berechenbar, die sich im allgemeinen beide bei der Dotierung des Halbleitermaterials ändern.

  Eine Einschränkung der Verwendbarkeit der Messvorrichtung auf Wafer 1 mit der geraden Begrenzung 2 ist nicht vorhanden, da der leichteren Orientierung wegen bei jedem industriell verwendeten Wafer 1 üblicherweise ein kleiner Kreisabschnitt weggeschnitten ist. 



  Vorzugsweise wiederholt die Steuereinrichtung 26 das obige Messprogramm mehrmals, um die Messwerte einer statistisch auswertbaren Messreihe zu gewinnen. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 26 auch für solche Messprogramme eingerichtet, die die Induktion B nach jeder Messreihe oder gar nach jeder Messung vorbestimmt verändern. Beispielsweise kann die Feldstärke der Induktion B für die Messungen der HALL-Spannung V über den ganzen Bereich von -1,5 Tesla bis +1,5 Tesla in Schritten von 0,1 Tesla veränderbar sein oder einen konstanten vorbestimmten Betrag aufweisen, wobei nur das Vorzeichen bzw. die Richtung der Induktion B ändert. 



  In der Fig. 5 erfolgt eine mechanische Berührung des Wafers 1 vorteilhaft mittels der Mantelfläche der schräg gestellten Nadeln 4 bis 7 (Fig. 2), um die Oberfläche 8 mit kleinster Distanz e (Fig. 3) zur Kante 2 min  zu kontaktieren. 



  Beispielsweise sind die Nadeln 4 bis 7 etwa 0,2 mm über der  Isolierschicht 18 im Messraum zwischen den Polflächen 16 min und 17 min  angeordnet, wobei das Isolierstück 35 die Nadeln 4 bis 7 so einspannt, dass ein Arm 40 jeder der Nadeln 4 bis 7 unabhängig federt. Der Arm 40 weist auf seiner vom Isolierstück 35 abgewandten Ende vorteilhaft eine abgewinkelte Kontaktzunge 41 auf, so dass die Spitzen der Kontaktzungen 41 in Richtung der oberen Polfläche 16 min  weisen und damit sie leichtgängig auf die Kante 2 min  aufschiebbar ist, ohne dabei die Kante 2 min  zu beschädigen. Der Arm 40 wird dadurch um einen vorbestimmten Betrag angehoben und übt auf die Kante 2 min  die vorbestimmte Kontaktkraft aus. 



  Vorzugsweise beträgt ein in der Zeichnungsebene zwischen einer Achse 42 der Kontaktzunge 41 und der Oberfläche 8 gemessener Winkel a etwa 30 bis 60 Grad. Die Kontaktzunge 41 ist z.B. durch Umbiegen des freien Endes des Arms 40 der Nadeln 4 bis 7 herstellbar. Beispielsweise beträgt die Länge der Kontaktzunge 41 etwa drei Millimeter und die des Armes 40 etwa 2 cm bis 10 cm. Der Querschnitt der Nadeln 4 bis 7 ist nicht auf eine Zylinderform beschränkt. 



  Der Wafer 1 wird auf der Isolierschicht 18 des unteren Polschuhs 17 in einer Vorschubrichtung 43 mit der Begrenzung 2 voran gegen die Kontaktzungen 41 geschoben, wobei diese auf der Kante 2' auflaufen und mit dem Wafer 1 die Kontakte 9 bis 12 (Fig. 3) bilden. 



  In der Fig. 6 weist die Messeinrichtung ein Magnetfeld mit einer vorbestimmten Inhomogenität auf und eignet sich daher vorteilhaft zur Messung des spezifischen Widerstands R und des HALL-Koeffizienten H im ganzen Wafer 1. Mittels einer Verschiebung des Wafers 1 auf der Isolierschicht 18 relativ zu dieser Inhomogenität ist bis auf eine schraffierte kreisringförmige Randzone 44, deren Breite den Betrag der Entfernung f aufweist, jede Zone der Oberfläche 8 mit den z. B. senkrecht zur Oberfläche 8 federnden Nadeln 4 bis 7 (Fig. 2) kontaktierbar und  ohne Störungen durch Randeffekte ausmessbar. In der Zeichnung der Fig. 6 ist aus darstellerischen Gründen nur die dritte Nadel 6 sichtbar. 



   Das magnetische System des Magneten 15 (Fig. 1) umfasst neben den Polschuhen 16 und 17 eine weichmagnetische Platte 45 und weist zwischen den beiden, einander zugewandten Polflächen 16 min  und 17 min  einen vorbestimmten Luftspalt 46 auf, in dem die Induktion B herrscht. Aus an den Polflächen 16 min und 17 min  angrenzenden Flächen der Polschuhe 16 und 17 tritt ein magnetischer Streufluss aus. Je eine dieser Fläche des Polschuhs 16 und des Polschuhs 17 liegen in derselben Ebene und sind als Seitenflächen 47 parallel gegenüber einer den Seitenflächen 47 zugewandten Grundfläche 48 der weichmagnetischen Platte 45 angeordnet. Die Seitenflächen 47 und die Grundfläche 48 begrenzen einen Messspalt 49 von der vorbestimmten Höhe h auf zwei gegenüberliegenden Seiten.

  Die Platte 45 sammelt den aus den beiden Seitenflächen 47 austretenden magnetischen Streufluss und bildet einen Nebenschluss zum Luftspalt 46. Auf der Grundfläche 48 ist die Platte 45 mit der Isolierschicht 18 bedeckt. In der Richtung der Induktion B weist der Luftspalt 46 wenigstens in der unmittelbaren Nähe zu den Seitenflächen 47 eine vorbestimmte Weite w auf. 



  Ist beispielsweise die Induktion B des Magneten 15 so gerichtet, dass der erste Polschuh 16 den Nordpol und der zweite Polschuh 17 den Südpol bildet, weist sie im Luftspalt 46 vom ersten Polschuh 16 zum zweiten Polschuh 17. Im Messspalt 49 ist unter der Seitenfläche 47 des Nordpols eine Induktion B min homogen und senkrecht zur Platte 45 gerichtet. Der magnetische Fluss tritt in die Platte 45 ein und wird in ihr unter die Seitenfläche 47 des Südpols geleitet. Der Seitenfläche 47 des Südpols gegenüber tritt eine homogene Induktion B min  min aus der Platte 45 aus. Die Richtung der Induktion B min  min weist senkrecht zur Seitenfläche 47 des Südpols. Die beiden Induktionen B min  und B min  min  haben etwa den gleichen Betrag der Feldstärke, jedoch sind ihre Richtungen zueinander  entgegengesetzt. 



  Das Feld der beiden Induktionen B min  und B min  min  ist auch mit vorbestimmt geformten Drahtschleifen erzeugbar, die von elektrischem Strom durchflossen sind. 



  Der auf der Isolierschicht 18 liegende Wafer 1 weist drei Zonen auf, die durch das magnetische Feld im Wafer 1 bestimmt sind. Die unter der Seitenfläche 47 des Nordpols gelegene Zone ist von der Induktion B min  und die unter der Seitenfläche 47 des Südpols befindliche Zone von der Induktion B min  min durchdrungen. Diese beiden Zonen sind durch eine in der Darstellung gekreuzt schraffierte magnetische Diskontinuitätszone 50 genau unter dem Luftspalt 46 getrennt, in der die Richtung des magnetischen Feldes umkehrt. Die Breite k der magnetischen Diskontinuitätszone 50 ist durch die Weite w des Luftspalts 46, durch die Höhe h des Messspalts 49 sowie von der nach bekannten Verfahren berechenbaren Formgebung der magnetischen Teile 16, 17 und 45 vorbestimmt. 



  Der Luftspalt 46 eignet vorteilhaft zum Zuführen der Nadeln 4 bis 7, deren Ebene die Weite w teilt und senkrecht auf der Platte 45 steht. Die Nadeln 4 bis 7 sind in ihrer Längsrichtung verschiebbar und mit ihren gefederten Spitzen auf die Oberfläche 8 absetzbar, wo sie unter der vorbestimmten Kontaktkraft den Wafer 1 kontaktieren. Die Nadeln 4 bis 7 sind im Isolierstück 35 in den vorbestimmten Abständen a bis c (Fig. 2) gehaltert und elektrisch mittels der Messleitungen 13 mit dem Messgerät 14 (Fig. 1) verbunden. Beispielsweise füllt das Isolierstück 35 den Luftspalt 46 aus und weist Bohrungen zur Aufnahme der gefederten, verschiebbaren Nadeln 4 bis 7 auf. 



  Wie auch immer der Wafer 1 im Messspalt 49 ausgerichtet ist, kontaktieren die Spitzen der Nadeln 4 bis 7 die Oberfläche 8 in der halben Breite k der magnetischen Diskontinuitätszone 50, wobei die Kontakte 9 bis 12 (Fig. 2) in den vorbestimmten  Abständen a bis c in einer Linie angeordnet sind. 



  Weisen die Abstände a, b und c die in den Gleichungen [1] und [2] festgelegten Verhältnisse auf, gelten die Bedingungen der Gleichungen [3]. Zusätzlich ist die Breite k der Diskontinuitätszone 50 kleiner als ein Fünftel des kleinsten Abstands b zu wählen.
 



  k < b/5     [6]
 



  Diese Beschränkung für die Breite k legt eine obere Limite für die Höhe h des Messspalts 49 und für die Weite w des Luftspalts 46 fest. Beispielsweise ist diese Limite gleich dem Abstand a. 



  Vorteilhaft überzieht die Isolierschicht 18 bzw. 18 min wenigstens die dem Wafer 1 zugewandten Flächen der Teile 16, 17 bzw. 16, 17 und 45 des magnetischen Systems, damit die Gefahr eines elektrischen Nebenschlusses zum Wafer 1 ausgeschlossen ist, welcher den Messstrom I verkleinert und die Messspannung U verfälscht. 



  Das Messverfahren ist mit dem oben beschriebenen Verfahren identisch, das den Wafer 1 in der Kantenzone 39 (Fig. 3) kontaktiert. In der Fig. 7a ist der homogene Wafer 1 von der Dicke t = T dargestellt, der auf dem einen durch die Diskontinuitatszone 50 abgetrennten Teil senkrecht von der Induktion B min  und auf dem restlichen Teil in der entgegengesetzten Richtung von der Induktion B min  min  durchdrungen ist. Die Diskontinuitätszone 50 erstreckt sich quer über den Wafer 1. Es ist denkbar, die Diskontinuitätszone 50 als Scharnier zu betrachten. Der eine Teil des Wafers 1 mit der Induktion B min  min  ist um dieses Scharnier zurückklappbar und auf den andern Teil des Wafers 1 mit der Induktion B min  ablegbar (Fig. 7b).

  Der gedacht zusammengeklappte Wafer 1 ist mit dem Wafer 1 mit der ebenen Begrenzung 2 identisch bis auf seine doppelte Dicke von T . 2 im  Vergleich zu jenem der Fig. 1. Ebenso ist im Wafer 1 die Induktion B min  bzw. B min  min  anstelle der Induktion B wirksam. 



  Die Gleichungen [4] und [5] zur Berechnung des spezifischen Widerstands R und des HALL-Koeffizienten H sind entsprechend zu korrigieren und lauten daher: 
EMI20.1
 



  Die galvanische und die magnetische Diskontinuität sind gemäss der Fig. 7a bzw. 7b zueinander äquivalent und sind zusammen mit den Kontakten 9 bis 12 (Fig. 2), die in der Kantenzone 39 (Fig. 3) bzw. in der Diskontinuitätszone 50 auf der gleichen Oberfläche 8 in einer Linie angeordnet sind, für das Messverfahren kennzeichnend. 



   Sind vom Wafer 1 der spezifische Widerstand R und der HALL-Koeffizient H bekannt, ist mittels einer Messung der HALL-Spannung V die Induktion B bzw. B min  und B min  min  bestimmbar. Der Wafer 1 kann als Sensor für die Induktion B bzw. B min  und B min  min verwendet werden, wobei der ganze Wafer 1 oder eine isolierte, genügend grosse und gutleitende Insel im Wafer 1 als Sensor dient. Die Insel im Wafer 1 ist an der Begrenzung 2 und der Berandung 3 z.B. nur durch die unterschiedliche Leitfähigkeit im Wafer 1 definiert und ist auf der Oberfläche 8 kontaktierbar. Solche Sensoren weisen anstelle der mittels der aufgesetzten Nadeln 4 bis 7 erzeugten ohmschen Kontakte 9 bis 12 vorzugsweise mechanisch fest verbundene ohmsche Kontaktstellen 51 auf, an denen die Messleitungen 13 angeschlossen sind und deren Herstellung in der IC-Technologie bekannt ist. 

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Messen charakterisierender Eigenschaften eines von einem Feld der Induktion (B bzw. B min , B min min ) durchfluteten Wafers (1) aus Halbleitermaterial mit einem Magneten (15) zur Erzeugung der vorbestimmten Induktion (B bzw. B min , B min min ) senkrecht zu einem vorbestimmten, im Halbleiter aufgeprägten Messstrom (I), mit einer Stromquelle (20) zur Erzeugung des Messstromes (I) und mit einem Voltmeter (21) zum Messen einer Messspannung (U), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens vier voneinander isolierte Nadeln (4 bis 7) zum Aufsetzen auf die gleiche Oberfläche (8) des zwischen die Polflächen (16 min ;

17 min ) geschobenen und ausgerichteten Wafers (1) angeordnet sind, dass beim Aufsetzen an einer vorbestimmten Stelle des Wafers (1) die Nadeln (4 bis 7) zum Erzeugen einer zur Bildung ohmscher Kontakte (9 bzw. 10 bzw. 11 bzw. 12) benötigten Kontaktkraft eingerichtet sind und dass die vorbestimmte Stelle des Wafers (1) eine Zone (39 bzw. 50) der galvanischen oder magnetischen Diskontinuität aufweist.

2.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zugeordnetes Messgerät (14) wenigstens einen Umschalter (19), die Stromquelle (20), das Voltmeter (21) und eine Steuereinrichtung (26) umfasst, dass der Umschalter (19) einerseits mittels Messleitungen (13) mit den Nadeln (4 bis 7) andererseits mittels Leitungen mit Ausgangsklemmen (22; 23) der Stromquelle (20) und mit Eingangsklemmen (24; 25) des Voltmeters (21) verbunden ist und zwei Schaltstellungen (S1; S2) aufweist, wobei in der ersten Schaltstellung (S1) je ein benachbartes Paar der Kontakte (9 bis 12) mit der Stromquelle (20) bzw. dem Voltmeter (21) in Verbindung steht und in der zweiten Schaltstellung (S2) je ein Paar nicht benachbarter Kontakte (9 bis 12), und dass die Steuereinrichtung (26) zum Steuern des Messablaufs und zum Auswerten von Messgrössen eingerichtet ist.

3.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Feld der Induktion (B bzw. B min , B min min ) ein Magnetfeldsensor (38) zum Messen der Feldstärke der Induktion (B bzw. B min , B min min ) angeordnet und dass die Steuereinrichtung (26) zum Regeln der Feldstärke der Induktion (B bzw. B min , B min min ) mittels der Signale des Magnetfeldsensors (38) eingerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld der Induktion (B) in einem Messraum, der durch Polflächen (16 min ; 17 min ) des Magneten (15) auf zwei Seiten begrenzt ist, in einem vorbestimmten Gebiet (36), in dem die Kontakte (9 bis 12) angeordnet sind, homogen ist.

5.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Nadeln (4 bis 7) parallel zur Polfläche (17 min ) angeordnet ist, dass jede der Nadeln (4 bis 7) mit einem frei federnden Arm (40) gleich weit in den Messraum ragt und dass der Arm (40) an seinem Ende eine gegen die erste Polfläche (16 min ) abgewinkelte Kontaktzunge (41) zum Kontaktieren einer Kante (2 min ) des Halbleiters aufweist.

6.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf einer Seite mittels einer Grundfläche (48) begrenzter Messspalt (49) die magnetische Diskontinuitätszone (50) enthält, dass der Magnet (15) auf der einen Seite der magnetischen Diskontinuitätszone (50) zum Erzeugen einer homogenen, senkrecht auf die Grundfläche (48) gerichteten Induktion B min und auf der anderen Seite zum Erzeugen einer homogenen, senkrecht von der Grundfläche (48) weggerichteten Induktion B min min eingerichtet ist, wobei in der Diskontinuitätszone (50) ein Übergang von der Induktion B min zur Induktion B min min erfolgt.

7.

Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadeln (4 bis 7) senkrecht zur Grundfläche (48) verschiebbar in einem Luftspalt (46) des Magneten (15) angeordnet sind und dass eine durch die Nadeln (4 bis 7) bestimmte Ebene eine Weite (w) des Luftspalts (46) teilt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (9 bis 12) in einer geraden Linie auf der Oberfläche (8) angeordnet sind und vorbestimmte Abstände (a; b; c) aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen dem ersten Kontakt (9) und dem zweiten Kontakt (10) und der Abstand c zwischen dem dritten Kontakt (11) und dem vierten Kontakt (12) einander gleich sind und der Abstand b zwischen dem zweiten Kontakt (10) und dem dritten Kontakt (11) um einen Faktor tan(/8) kleiner als der Abstand a ist.

10.

Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Messen charakterisierender Eigenschaften eines von einem Feld der Induktion (B bzw. B min , B min min ) durchfluteten Wafers (1) aus Halbleitermaterial, wobei ein vorbestimmter Messstrom (I) aus einer Stromquelle (20) im Halbleiter senkrecht zur Induktion (B bzw. B min , B min min ) aufgeprägt wird und eine Messspannung (U) mittels eines Voltmeters (21) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens vier Kontakte (9 bis 12) in einer geraden Linie mit vorbestimmten Abständen (a; b; c) an einer vorbestimmten Stelle des Wafers (1) auf der Oberfläche (8) erzeugt werden und dass der Wafer (1) in einer Zone (39 bzw. 50) der galvanischen oder magnetischen Diskontinuität kontaktiert wird.