Photo current spectroscopy of silicon in the bulk and at the interface with silicon dioxide

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*10^9 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.The subject of this thesis is the detailed investigation of injection level dependent photocurrent measurements. By using the conventional Elymat method the injection level dependence of carrier lifetimes for iron contaminated boron doped silicon samples was determined experimentally and verified by 2D simulations. Obtained results are of fundamental importance for the injection level dependent characterization of insulator/silicon structures with a modified Elymat method which was also carried out. Sufficient passivation of the semiconductor surface is crucial for the correct determination of low level injection lifetimes. In this context it could be shown that the efficiency of the surface passivation with diluted hydrofluoric acid as it is used in the conventional Elymat method is not sufficient. However, the use of electrostatic passivation with the modified Elymat method allows a correct lifetime determination for all injection levels. At low injection this passivation can be applied even with natural oxide as insulator. Lifetime spectroscopy for iron contaminated silicon samples was conducted for samples with different doping and iron concentrations. The contamination with iron was performed using either the spin-on technique or ion implantation, both followed by a thermal drive-in process. A very good agreement between experimental and simulated lifetimes could be achieved. For the first time both Elymat measurement modes could be consistently characterized. In particular, the increase of the effective lifetime with increasing laser power - which is observed when extracting the photo induced diffusion current at the laser facing surface - could be attributed to an increasing drift current. The capture coefficients of the relevant iron energy levels were not fitted but independently determined using previously published lifetime data. Both, published lifetime data and the measured lifetimes of this work could be modeled accurately with the obtained set of capture coefficients when both energy levels of the iron boron pair and the energy level of interstitial iron are accounted for. For samples exclusively contaminated with iron the Elymat method with electrostatic passivation can be used for a precise determination of the iron concentration. Furthermore it is demonstrated for the first time that the modified Elymat method enables the quantitative determination of interface state density D_it and insulator volume charge Q_Is of insulator/silicon structures. The required evaluation procedures are based on a physical model for charge carrier recombination at interface states of illuminated electrolyte/insulator/silicon structures which has been developed within this work. Using this model, the dependence of the photo induced diffusion current on the interface recombination as it is measured with the modified Elymat method can be simulated with very good agreement for the whole investigated injection regime. This has been shown for a lot of thermally oxidized silicon samples with various oxide thicknesses or post oxidation treatments. By means of these results optimized measurement conditions for the modified Elymat method could be defined. The sensitivity of the modified Elymat method for the determination of interface state density could be estimated to be in the range of about 1-5*10^9 cm^-2eV^-1 for samples with high carrier lifetimes. Values of D_it and Q_Is as determined with the modified Elymat method are in very good agreement with values as obtained with established measurement methods (i.e., conductance method and capacitance voltage method, respectively) using comparable samples. To enable quantitative determination of D_it and Q_Is values for the parameters of the physical modeling have to be known. These values could be either obtained or verified experimentally. Consequently in this work it could be shown that the modified Elymat method is very well suited for the accurate and fast control of oxidation processes