CN101527273A - 一种半导体材料特性的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体材料特性的测量装置及方法，用于测量半导体材料的特性参数以及对材料加工品质的评价，在测试系统中仅由一束激发光和一束探测光来，可同时或分别取得样品的光载流子辐射测量信号、自由载流子吸收测量信号以及光调制反射测量信号，通过同时或分别分析处理光载流子辐射、自由载流子吸收和光调制反射信号数据，可得到半导体材料的特性参数；通过与标准或标定样品信号数据比较，可测量半导体材料加工时引入的杂质浓度和缺陷浓度等参数。

Description

一种半导体材料特性的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于材料的无损检测技术领域，具体涉及一种半导体材料特性的测量装置及测量方法。

背景技术

从半导体材料来看，本征半导体的导电性能很差，只有在其中加入少量杂质，使其结构和电阻率发生改变时，半导体才能成为一种有用的功能材料。对半导体材料进行掺杂是制备半导体器件的基础，包括控制基底的导电型和材料表面的性质，掺杂原子的分布情况直接影响到半导体器件的性能。而在半导体器件制造过程中，通常是按一定顺序的工艺步骤在半导体晶片上进行一系列的处理，必须对每个操作步骤进行精确的控制，才能保证后续工艺的有效性。在其中的某次操作失误后能立即检测出来，可以避免后续操作造成不必要的经济损失。因此，在半导体材料处理时进行及时有效的检测，尤其是对杂质浓度及其均匀性的精确监测和控制是半导体制造技术中一个非常关键的问题。

目前可用于半导体材料电学传输参数以及掺杂浓度检测的方法有多种，其中四探针法最为常见，但这是一种接触性测量方法，测量过程中会对样品表面造成损伤。非接触无损检测方法有自由载流子吸收测量技术，光载流子辐射测量技术以及光调制反射测量技术等。公开号为CN1971868的中国专利中描述自由载流子吸收测量技术，通过探测光在经过载流子区域后产生的变化来得到样品的掺杂浓度和特性参数。公开号为CN101159243的中国专利中描述光载流子辐射测量技术，由激发光在样品内产生周期性的载流子场，载流子再通过复合产生辐射光并被收集探测形成光载流子辐射信号，用于材料传输特性以及掺杂浓度的分析。光调制反射测量技术则是通过激发光在半导体内的加热作用，导致了另一束探测光反射系数的变化，这一变化量依赖于半导体中杂质和缺陷的浓度，通过将晶格缺陷的数目与掺杂条件联系起来再与定标数据比较，即可得到半导体的掺杂浓度。以上三种方法都需要由激发光在样品内产生自由载流子，然后分别探测样品后表面的探测光、激发点产生的辐射光、以及样品前表面的反射探测光，这三路信号产生的原理都不相同也互不干扰，完全可以集成在同一系统中同时实现三种信号的检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，通过合理的设计，提供了一种装置及其使用方法，该装置仅用一束激发光和一束探测光实现了自由载流子吸收信号，光载流子辐射信号以及光调制反射信号的同时或分别获得。所述的三路信号通过不同的物理机制反映了半导体内的载流子浓度，可适用于但不仅限于半导体材料外延掺杂、离子注入、热处理等过程的评价，以及金属杂质含量的监控，也可以通过分析计算得到对应的半导体材料的特性参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：包括：用于产生激发光的激发光光源；用于产生探测光的探测光光源，用于微弱信号检测的锁相放大器；用于控制系统自动运行及数据处理的计算机，电控精密位移台用于调节激发光光源与探测光光源之间的相对位置；位于激发光源之后用于调制所产生的激发光的强度的激发光调制系统，用于呈放待测半导体材料的样品台、辐射光收集系统、用于探测光载流子辐射信号的辐射光探测器、以及用于探测自由载流子吸收信号的载流子吸收信号探测器和用于调制光反射信号的调制光反射信号探测器。

所述的激发光光源采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作为光源，其光子能量需大于被测半导体的本征禁带宽度；激发光光源发出的激发光强度须被激发光调制系统周期性地调制，产生调制激发光。

所述的激发光光源发出的激发光强度可通过调制半导体激光器的驱动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器等方式调制连续激光束来实现。

所述的探测光光源采用低功率的连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作为光源，可为单波长激光器或可调谐波长激光器。

所述的由激发光光源和探测光光源发出的激光分别采用不同的透镜聚焦或者采用同一消色散透镜或显微物镜聚焦到待测掺杂半导体表面或者不聚焦；激发光和探测光可垂直入射或斜入射到样品表面；激发光和探测光在样品表面重合或相距在载流子扩散长度的范围之内。

所述的辐射光探测器、载流子吸收信号探测器、调制光反射信号探测器均采用光电二极管探测器或光电倍增管探测器。

所述的辐射光探测器前加有滤光镜完全滤除激发光杂散光和探测光，并使载流子复合产生的辐射光有高的透光率；所述的载流子吸收信号探测器和调制光反射信号探测器前加有探测光波长窄带滤光镜完全滤除载流子复合产生的辐射光和激发光杂散光，并对探测光有高的透光率。

所述的辐射光收集系统通过一对离轴抛物面镜或反射物镜来实现。

还包括有第一分光镜和第二分光镜；第一分光镜可采用半透半反式分光片，也可采用偏振分光镜；采用偏振分光镜时需要在第一分光镜和第二分光镜的光路之间插入一块针对探测光波长的四分之一波片来增加测量信号值和信噪比。

所述的第二分光镜对于激发光和探测光的透射率和反射率根据实际光路来选取，其功能在于将激发光和探测光最大程度的经过透射或反射聚焦到样品表面上。

利用所述的装置对半导体材料特性进行测量的方法，包括以下步骤：

(1)放置待测样品在样品架上，调节光路，包括聚焦透镜和光电探测器的位置以及激发光和探测光的相对位置，使所取信号通道对应的光电探测器信号达到最大；

(2)若仅需取得频率扫描信号，则固定激发光位置不变，通过激发光调制系统改变激发光调制频率，再通过锁相放大器读出对应信道的信号大小，包括振幅和相位信息。重复改变激发光调制频率并取得一组频率扫描信号；若仅需取得位移扫描信号，则通过精密位移台改变激发光和探测光的相对位移，每改变一次位置，通过光电探测器读取一次信号，多次改变相对位移得到一组与位移量相关的信号值；也可在改变一次位移时再通过调节激发光调制频率得到一组或多组与位移和频率有关的信号值；

(3)将(2)所取得的信号曲线用对应的信号函数进行拟合，得到一个或多个所需的参数值，例如载流子的寿命、扩散系数、表面复合速度等；或与已知的标准样品信号曲线进行比对，通过标准样品的特征参数间接的反映待测样品的特征参数，例如电阻率、掺杂浓度、缺陷浓度等。

本发明的原理基于这样一种物理现象，在一束光子能量大于半导体禁带宽度的激发光照射下，半导体吸收光子能量并产生光载流子。这些光载流子在非平衡状态下通过复合释放能量，复合会产生与半导体禁带宽度对应的辐射光，经收集后形成光载流子辐射信号。由于在常温下辐射信号相当微弱，需要将激发光进行周期性调制，再通过锁相放大技术，即可得到调制光载流子辐射信号。改变激发光频率，可得到对应信号的频率扫描曲线，其规律可由特定的函数确定，和载流子有关的电学传输特性参数例如载流子寿命、扩散系数等即可通过拟合对应的函数曲线来确定。

另一方面，在有一束光子能量小于半导体禁带宽度的探测光经过产生的载流子场时，一部分透射的探测光将被载流子吸收，周期性产生的载流子场使得透射探测光强度也被周期性调制。通过测量透射的探测光强度和相位的变化，可得到自由载流子吸收信号。若改变激发光调制频率，可得到频域的载流子吸收信号；若改变激发光与探测光的相对位置，可得到空间域的载流子吸收信号，并可反演出载流子场的分布信息。载流子的电学传输特性参数可通过频率扫描或位移扫描得到。其中位移扫描由于直接反映载流子扩散情况，测量载流子扩散系数时相比其它测量方式具有更高的精确度。

第三方面，探测光在样品表面会产生反射，由于激发光改变了样品表面的温度场和载流子场，而温度和载流子浓度的变化会使样品的表面反射率发生变化。通过测量探测光的反射光强度变化，可获得样品表面温度场和载流子场的变化，再通过特定的公式，进一步得到样品表面处的电学、光学特性。由于反射率变化也因温度场变化引起，相关的材料热学性质也可通过特定公式获得。

另外，在对某一样品进行测量时，其光载流子辐射信号，自由载流子吸收信号以及调制光反射信号的频率曲线都是唯一的，不同条件加工的样品对应不同的信号曲线，这种性质可用于材料处理效果的监控。其中调制光反射测量已用于离子注入的监控，但就测量离子注入剂量来说，调制光反射信号随注入剂量的增加并非单调变化，若在测量时同时取得样品的光载流子辐射信号或载流子吸收信号，再与标准样品比较，将得到更为可信的结果。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明仅用一束激发光和一束探测光，可以得到光载流子辐射信号、自由载流子吸收信号以及光调制反射信号这三路原理不同的信号，且信号间互不干扰可同时或分开获得，系统可同时进行频率和位移扫描，通过多方法的联合测量，可以保障测量结果的确信度和精确性。

附图说明

图1为本发明半导体材料特性的测量装置示意图；

图2为本发明一具体实施例中的半导体材料特性的测量装置示意图；

图中：1为激发激光光源，2为探测激光光源，3为锁相放大器，4为计算机，5为精密位移台，6为激发光调制系统，7为样品台，8为辐射光收集系统，9为辐射光信号探测器，10为探测光的吸收光信号探测器，11为探测光的反射光信号探测器，12为第一分光镜；13为第二分光镜；14、15为滤光片；

图3为使用图2装置测得样品的自由载流子吸收信号在不同频率下的位移扫描曲线，图3a为振幅曲线，图3b为相位曲线；

图4为使用图2装置测得样品的光载流子辐射信号的频率扫描曲线，图4a为振幅曲线，图4b为相位曲线；

图5给出了调制频率1kHz时，P离子注入硅片样品的光载流子辐射信号，自由载流子吸收信号以及调制光反射信号的振幅值随掺杂剂量增加的走势图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

本发明的半导体材料特性的测量装置如图1所示，包括：用于产生激发光的激发光光源1，用于产生探测光的探测光光源2，用于微弱信号检测的锁相放大器3，用于控制系统自动运行及数据处理的计算机4，电控精密位移台5用于调节激发光光源1与探测光光源2之间的相对位置，位于激发光源1之后用于调制所产生的激发光的强度的激发光调制系统6，用于呈放待测半导体材料的样品台7，离轴抛物面镜8、用于探测光载流子辐射信号的辐射光探测器9，以及用于探测自由载流子吸收信号的载流子吸收信号探测器10和用于调制光反射信号的调制光反射信号探测器11，还包括第一分光镜12和第二分光镜13；第一分光镜12可采用半透半反式分光片，也可采用偏振分光镜；所述的第二分光镜13对于激发光和探测光的透射率和反射率根据实际光路来选取，其功能在于将激发光和探测光最大程度的经过透射或反射聚焦到样品表面上；第一分光镜12采用偏振分光镜时需要在第一分光镜12和第二分光镜13的光路之间插入一块针对探测光波长的四分之一波片来增加测量信号值和信噪比；其中辐射光探测器9，载流子吸收信号探测器10，调制光反射信号探测器11的输出端与锁相放大器3的信号输入端相连，激发光调制系统6的同步参考信号输出端与锁相放大器3的参考信号输入端相连，以此实现信号的采集；激发光调制系统6的信号产生端口与激发光光源1的调制输入端口相连，实现激发光的强度调制；计算机4与锁相放大器3、电控精密位移台5、激发光调制系统6通过通讯端口连接，并利用相关程序实现对系统的自动控制和数据采集和分析；置于样品台7上的半导体样品对激发光光源1发出的激发光的吸收，会产生过剩自由载流子，载流子的复合形成光载流子辐射信号并被探测器9探测；另一束由探测光光源2发出的探测光入射到激发光光照区域时，一部分探测光会发生反射形成调制光反射信号，反射信号含有样品的电学和热学参量信息，可通过信号反演由调制光反射信号探测器11获得，另一部分探测光会透过样品并被激发产生的自由载流子吸收，在样品后表面形成包含样品电学特征参数信息的自由载流子吸收信号，可由载流子吸收信号探测器10探测。

下面采用本发明的半导体材料特性的测量装置，以测量待测半导体材料样品的载流子扩散系数以及复合寿命为例，详细介绍本发明装置测量半导体材料特性的测量方法。

这里选取的待测样品为硅片，P型，晶向<100>，电阻率15-25Ω·cm，厚度550μm，测量其载流子寿命和扩散系数。

该实施例中的半导体材料特性的测量装置示意图如附图2所示，其中激发光调制系统6的功能由函数信号发生器实现，辐射光收集系统8通过一对对称的离轴抛物面镜实现。该实施例中激发光光源1采用波长830nm(对应光子能量1.5eV，大于硅的本征禁带宽度1.1eV)的可调半导体激光器，最大功率96mw；激发光通过函数信号发生器产生的方波信号直接调制激光器的驱动电压，输出调制激发光(激发光也可以通过使用函数信号发生器产生的周期性信号驱动声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器调制连续激光束来实现)；探测光光源2选取波长1310nm的半导体连续光激光器，功率3mw；辐射光收集系统8为一对对称的离轴抛物面镜，离轴角60°；辐射光信号探测器9、探测光的吸收光信号探测器10、探测光的反射光信号探测器11均为InGaAs光电二极管探测器，探测光波波长范围800-1700nm；锁相放大器3最大探测频率为2MHz；滤光片14为带通滤光片，置于一对离轴抛物面镜之间，辐射光探测器9之前，对1000-1200nm的光高通，光透过率为78％-82％，对波长为830nm和1310nm的光透光率小于0.1％；两块滤光片15为高通滤光片，对波长小于1250nm的光波透光率小于0.1％，对1310nm光透过率为76％，分别置于载流子吸收信号探测器10和调制光反射信号探测器11之前。

具体测量步骤如下：

(1)将强度调制的激发光和连续的探测光分别利用两块聚焦透镜将两束光聚焦后垂直照射到待测半导体样品硅片上同一位置，硅片因吸收激发光能量产生自由载流子，载流子复合发光产生辐射信号S_PCR，透射的探测光也因自由载流子的吸收而形成自由载流子吸收信号S_PCA，通过锁相放大器可同时测得两信号的振幅值和相位值，调节光路使各信号振幅值达到最大；

(2)固定激发光与探测光之间间距Δd不变，通过激发光调制系统多次改变激发光的调制频率f，再通过锁相放大器读出对应信道的信号大小，得到Δd不变时每一频率所对应的自由载流子吸收信号S_FCA，包括振幅和相位值；

(3)通过电控精密位移台改变激发光与探测光之间的间距Δd，重复过程(2)，得到不同间距和不同调制频率下载流子吸收信号S_FCA，信号值为间距Δd，调制频率f，以及样品参数P的函数，则信号振幅和相位可分别表示为A_FCA(Δd，f，P)和Φ_FCA(Δd，f，P)，这里的待测参数为扩散系数D；

(4)由于变量Δd和f均为已知，信号函数值可通过锁相放大器直接读到；根据信号函数的理论表达式[相关公式详见张希仁，李斌成，刘显明.″调制自由载流子吸收测量半导体载流子输运参数的三维理论″.物理学报，57(11)，7310(2008)]，通过参数拟合，可得到载流子双极扩散系数D＝16.6cm²/s。图3给出了实验信号数据以及用拟合参数计算的理论信号数据图，图中点为实验结果，实线为拟合结果；

(5)在激发光与探测光之间间距为零时，多次改变激发光的调制频率f，得到每一频率所对应的光载流子辐射信号S_PCR，包括振幅和相位值，根据光载流子辐射信号的表达式[相关公式详见B.Li，D.Shaughnessy and A.Mandelis，“Measurement accuracy analysis ofphotocarrier radiometric determination of electronic transport parameters of silicon wafers”.Journal of Applied Physics，97(2)023701-7(2005).]，通过拟合，得到载流子复合寿命τ＝6.1μs；图4给出了实验信号数据以及用拟合参数计算的理论信号数据图，图中点为实验结果，实线为拟合结果。

对于样品其它参数的测量，可参考以上具体实施例的操作步骤。对于像掺杂浓度，退火程度等不能用具体公式表达的物理量，也可以在取得实验信号后，将被测样品的信号与已知定标样品产生的信号对比，比较待测样品与定标样品数据振幅和相位值的偏差，偏差值最小时对应的定标样品参数即为待测样品的参数。测量时可仅取三路信号中的一路，或取多路保证测量的准确性。图5给出了各信号随掺杂浓度的关系。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所在的任何修改、等同替换、改进等，均应该包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1、一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：包括：用于产生激发光的激发光光源(1)；用于产生探测光的探测光光源(2)，用于微弱信号检测的锁相放大器(3)；用于控制系统自动运行及数据处理的计算机(4)，电控精密位移台(5)用于调节激发光光源(1)与探测光光源(2)之间的相对位置；位于激发光源(1)之后用于调制所产生的激发光的强度的激发光调制系统(6)，用于呈放待测半导体材料的样品台(7)、辐射光收集系统(8)、用于探测光载流子辐射信号的辐射光探测器(9)、以及用于探测自由载流子吸收信号的载流子吸收信号探测器(10)和用于调制光反射信号的调制光反射信号探测器(11)。

2、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：所述的激发光光源(1)采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作为光源，其光子能量需大于被测半导体的本征禁带宽度；激发光光源(1)发出的激发光强度须被激发光调制系统(6)周期性地调制，产生调制激发光。

3、根据权利要求2所述的激发光光源(1)，其特征在于：所述的激发光光源(1)发出的激发光强度可通过调制半导体激光器的驱动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器等方式调制连续激光束来实现。

4、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：所述的探测光光源(2)采用低功率的连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作为光源，可为单波长激光器或可调谐波长激光器。

5、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：所述的由激发光光源(1)和探测光光源(2)发出的激光分别采用不同的透镜聚焦或者采用同一消色散透镜或显微物镜聚焦到待测掺杂半导体表面或者不聚焦；激发光和探测光可垂直入射或斜入射到样品表面；激发光和探测光在样品表面重合或相距在载流子扩散长度的范围之内。

6、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：所述的辐射光探测器(9)、载流子吸收信号探测器(10)、调制光反射信号探测器(11)均采用光电二极管探测器或光电倍增管探测器。

7、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：所述的辐射光探测器(9)前加有滤光镜完全滤除激发光杂散光和探测光，并使载流子复合产生的辐射光有高的透光率；所述的载流子吸收信号探测器(10)和调制光反射信号探测器(11)前加有探测光波长窄带滤光镜完全滤除载流子复合产生的辐射光和激发光杂散光，并对探测光有高的透光率。

8、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：所述的辐射光收集系统(8)通过一对离轴抛物面镜或反射物镜来实现。

9、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：还包括有第一分光镜(12)和第二分光镜(13)；第一分光镜(12)可采用半透半反式分光片，也可采用偏振分光镜；采用偏振分光镜时需要在第一分光镜(12)和第二分光镜(13)的光路之间插入一块针对探测光波长的四分之一波片来增加测量信号值和信噪比。

10、根据权利要求1所述的一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：所述的第二分光镜(13)对于激发光和探测光的透射率和反射率根据实际光路来选取，其功能在于将激发光和探测光最大程度的经过透射或反射聚焦到样品表面上。

11、一种半导体材料特性的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤；

(a)放置待测样品在样品架上，调节光路，使所取信号通道对应的光电探测器信号达到最大；

(b)调节激发光调制频率，或激发光与探测光的相对位置，由锁相放大器得到所需信号的测量值；

(c)改变激发光调制频率或两束光的间距，重复步

得到与频率或间距相关的信号值；

(d)由己知的信号表达式，通过参数拟合反演得到待测的特征参数值；或通过与标准样品的信号数据进行比较，得出待测参数。

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