CN103543130A - 一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，基于半导体材料对强度周期性调制的聚焦激励光束吸收后产生的红外辐射，通过收集和测量光载流子辐射信号测量半导体材料特性参数；通过改变激励光束强度的调制频率，得到光载流子辐射信号与调制频率的关系曲线；通过改变聚焦透镜和样品之间的间距，得到不同激励光束光斑尺寸下光载流子辐射信号与调制频率的关系曲线；通过分析不同激励光束光斑尺寸下光载流子辐射信号与调制频率的关系曲线，得到测量装置的频率响应函数并消除其对半导体材料特性测量的影响。本发明弥补了传统方法测量误差较大对测量精度的影响，提高了半导体材料特性参数的测量精度。

Description

一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法

技术领域

本发明涉及在半导体材料特性测量过程中消除系统频率响应影响，特别涉及一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法。

背景技术

随着半导体原材料向大直径低缺陷方向发展，微电子器件的集成度不断提高，这对材料的加工工艺和性能检测提出了更高的要求。为了保证材料能用于器件，提高器件稳定性和良品率，要求在材料加工工艺中，对材料特性进行精确快速地在线监测和无损表征。一种基于室温调制光致发光技术的光载流子辐射(PCR：Photo-Carrier Radiometry)技术已经被提出，并广泛应用于半导体材料性能的检测。

由于滤除了热波信号的影响，光载流子辐射技术测量的信号仅与探测区域内光激发产生的载流子浓度和材料内部的缺陷能级有关，相比工业上广泛应用的热波测量方法，具有信号稳定，灵敏度高等诸多优点，具有较强的工业化应用潜力。然而，在光载流子辐射测量的过程中不可避免的存在诸如激光器、探测器和锁相放大器等仪器的频率响应的影响。针对测量系统的频率响应的影响，传统的处理方法是把激励光的散射光或者衰减后的聚焦光直接照射到探测器的响应面上，采用锁相放大器记录不同频率下的信号作为系统的频率响应，然后把测量数据与得到的系统频率响应进行比较（振幅相除，相位相减），即认为已消除了系统频率响应的影响。事实上，探测器和锁相放大器等仪器对于不同波长光的频率响应函数不同，使得系统频率响应的影响并未得到准确和有效地消除，从而降低了半导体材料特性参数测量的精度和可信度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，以解决现有技术存在的问题，同时能够在测量装置中获取系统的频率响应函数，应用于其他样品测量结果的分析处理。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其包括如下步骤：

步骤（1）、将强度周期调制的聚焦激励光束垂直照射到被测半导体样品表面，样品因吸收激励光束能量在被照射处产生周期性变化的载流子密度波场，载流子经辐射复合产生红外辐射信号即光载流子辐射信号，经抛物面镜对收集和光电探测器探测，并通过锁相放大器解调获得光载流子辐射信号的交流信号；

步骤（2）、改变激励光束强度的调制频率，重复步骤（1）得到一个聚焦透镜和样品表面间距时每一频率所对应的光载流子辐射信号，包括一次谐波振幅值和相位值；

步骤（3）、改变聚焦透镜与样品表面间距，重复步骤（1）和（2）得到不同间距时每一个频率所对应的光载流子辐射信号，包括一次谐波振幅值和相位值；

步骤（4）、处理步骤（2）和步骤（3）得到的测量数据；以初始距离为标准，其他间距下测量的频率扫描结果数据对其进行比较，其中振幅相除，相位相减，消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应对半导体材料特性测量的影响，利用多参数拟合程序对消除系统频率响应影响后的测量数据进行拟合处理，得到待测样品的特性参数。

其中，所述的激励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，且所述激励光源产生的激励光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度。

其中，所述的激励光源产生的激励光束的强度须被周期性地调制，产生调制激励光束；调制激励光束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、或机械斩波器调制连续激光束来实现。

其中，所述的激励光源产生的激励光经反射镜反射和聚焦透镜聚焦后垂直入射到样品表面。

其中，通过精密位移平台来改变聚焦透镜与被测样品表面的间距，从而改变聚焦到样品表面的激励光束的光斑尺寸大小。

其中，所述的收集光载流子辐射信号的抛物面镜对和光电探测器放置在被测样品后表面或前表面，前表面时需加滤光片，该滤光片滤除激励光束的散射光。

其中，通过选择适当组数的透镜与被测样品间距更有效地消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应对半导体材料特性测量的影响，提高测量待测半导体材料特性参数的精度。

本发明的原理是：

基于半导体材料对强度周期性调制的聚焦激励光束吸收后产生的红外辐射（光载流子辐射），通过收集和测量光载流子辐射信号测量半导体材料特性参数；通过改变激励光束强度的调制频率，得到光载流子辐射信号与调制频率的关系曲线；通过改变聚焦透镜和样品之间的间距，得到不同激励光束光斑尺寸下光载流子辐射信号与调制频率的关系曲线；通过分析不同激励光束光斑尺寸下光载流子辐射信号与调制频率的关系曲线，得到测量装置的频率响应函数并消除其对半导体材料特性测量的影响，从而获得半导体材料的特性参数。本发明弥补了传统的光载流子辐射技术测量装置系统频率响应测量方法由于测量误差较大对半导体材料特性测量精度的影响，提高了半导体材料特性参数的测量精度。

本发明提供的一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，该方法步骤原理在于：

（1）将强度周期调制的激励光经反射镜反射和透镜聚焦后垂直照射到待测半导体样品表面，样品因吸收激励光能量在被照射处产生周期性变化的载流子密度波场，载流子经辐射复合产生红外辐射（光载流子辐射）信号S_PCR，经抛物面镜对收集和光电探测器探测，并通过锁相放大器解调获得光载流子辐射信号的交流信号；

（2）改变激励光束强度的调制频率f，重复步骤（1）得到一个聚焦透镜和样品表面间距d₀，即初始位移z＝0时每一频率所对应的光载流子辐射信号，包括一次谐波振幅值Amp_PCR-M(f,z＝0)和相位值Pha_PCR-M(f,z＝0)；

（3）改变聚焦透镜与样品表面间距为d＝d₀+z，重复步骤（1）和（2）得到不同间距d，即不同位移z时每一频率所对应的光载流子辐射信号，包括一次谐波振幅值Amp_PCR-M(f,z)和相位值Pha_PCR-M(f,z)；

（4）处理步骤（2）和步骤（3）得到的测量数据；以初始距离为标准，其他间距下测量的频率扫描结果数据对其进行比较（振幅相除，相位相减），消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应对半导体材料特性测量的影响，利用多参数拟合程序对消除系统频率响应影响后的测量数据进行拟合处理，得到待测样品的特性参数。

在同一光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置中，系统频率响应函数是一定的。当改变聚焦到样品表面的激励光的光斑尺寸时，假设系统频率响应函数未发生变化（这一假设的正确性在实验中得到了验证），则不同光斑尺寸时测量结果S_PCR-M(f,br)中均包含有真实的信号S_PCR-R(f,br)和相同的系统频率响应函数S_PCR-S(f)，可表示为S_PCR-M(f,br)＝S_PCR-R(f,br)·S_PCR-S(f)。如果以初始光斑尺寸为标准，其他光斑尺寸下测量的频率扫描结果数据对其进行比较（振幅相除，相位相减），即S_PCR-M(f,br)/S_PCR-M(f,br₀)＝S_PCR-R(f,br)/S_PCR-R(f,br₀)，则可消除测量装置的系统频率响应的影响。由于测量中需多次改变光斑尺寸，为了避免多次测量光斑半径时增加测量的误差，可将改变光斑尺寸等效为改变聚焦透镜与样品表面的间距。如果以聚焦后光束的束腰位置为坐标原点，偏离束腰位置不同距离下的光斑尺寸为

由于测量中难以精确定位束腰位置，为了提高测量精度，以初始测量位置为坐标原点，对上式进行改进为

将消除系统频率响应影响后的测量数据拟合到相应的理论模型，即可得到待测半导体材料的特性参数。最后将测量数据和根据拟合得到的参数值得出的理论数据与进行比较（振幅相除，相位相减），即可得到测量装置的系统频率响应函数。

本发明提供的一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法具有以下优点：

（1）、本发明在测量半导体材料特性时，消除了测量装置的系统频率响应对半导体材料特性测量的影响，提高了测量的精度和可信度；

（2）、本发明在测量半导体材料特性时，同时得到了测量装置的系统频率响应函数，为后续测量提供参考；

（3）、本发明不仅可以测量未经掺杂的半导体基底材料，还可以测量经掺杂和退火后的半导体材料，如超浅结等。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明中测得的已消除测量装置的系统频率响应影响的光载流子辐射信号在不同位移时的频率扫描曲线的测量结果和理论拟合结果，图2（a）为振幅曲线，图2（b）为相位曲线；

图3为本发明中得出的不同位移时的光载流子辐射技术测量装置的系统频率响应曲线，图3（a）为振幅曲线，图3（b）为相位曲线；

图4为本发明中根据计算得出的测量装置的系统频率响应函数处理原始测量数据后的结果与理论结果，图4（a）为振幅曲线，图4（b）为相位曲线。

具体实施方式

通过下面的详细描述能够更加彻底地理解本发明的实施方案，下面的描述应当结合附图进行阅读。但是，应注意的是具体实施例只给出了部分半导体材料特性参数的测量描述，但本发明并不局限于该具体实施例，在不背离本发明的精神和范围的前提下可进行各种变化。

在光载流子辐射技术测量装置中，如果测量系统如激光器，探测器和锁相放大器等仪器频率响应的影响不能得到有效消除，测量结果将偏离真实值，从而降低了半导体材料特性的测量精度。考虑到系统频率响应后样品的真实信号为：

$S_{\mathrm{PCR}-R}(f,\mathrm{br})=\frac{S_{\mathrm{PCR}-M}(f,\mathrm{br})}{S_{\mathrm{PCR}-S}\left(f\right)}$

式中，S_PCR-R(f,br)，S_PCR-M(f,br)，S_PCR-S(f)分别为在光班尺寸为br时真实和测量的光载流子辐射信号及系统的频率响应函数，f为激励光束强度的调制频率，br为入射到样品表面的光斑尺寸。

为了避免多次测量光斑尺寸时增加测量误差，可将改变光斑尺寸等效为改变聚焦透镜与样品表面的间距。如果以聚焦后光束的束腰位置为坐标原点，偏离束腰位置不同距离下的光斑尺寸为：

$\mathrm{br}\left(z\right)=w_0\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{w}_0^2}\right)}^2}$

式中，w₀为经透镜聚焦后的高斯光束的束腰半径，作为自由参量进行拟合得出，λ为激励光波长，z为位移。由于测量中难以精确定位束腰位置，为了减小测量误差，以初始测量位置为坐标原点，对上式进行改进为：

$\mathrm{br}\left(z\right)=w_0\sqrt{{1+(\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{br}}_0}{w_0}\right)}^2-1}+\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{w}_0^2})}^2}$

式中，br₀为初始测量位置时的光斑尺寸，可通过刀口法进行测量得到或作为自由参量拟合得出。此时，真实的光载流子辐射信号为：

$S_{\mathrm{PCR}-R}(f,z)=\frac{S_{\mathrm{PCR}-M}(f,z)}{S_{\mathrm{PCR}-S}\left(f\right)}$

式中，S_PCR-R(f,z)，S_PCR-M(f,z)，S_PCR-S(f)分别为在位移为z时真实和测量的光载流子辐射信号及系统的频率响应函数。以初始位置为标准，将不同位移（z＞0或z＜0）下的光载流子辐射信号对其进行比较，即可消除测量装置的系统频率响应的影响：

A_E(f,z₁)＝Amp_PCR(f,z₁)/Amp_PCR(f,z＝0)

Φ_E(f,z₁)＝Pha_PCR(f,z₁)-Pha_PCR(f,z＝0)

式中，A_E(f,z₁)，Φ_E(f,z₁)分别为在位移z₁和初始位置z＝0时测量的光载流子辐射信号振幅的比值和相位的差值。

为了得到半导体材料载流子输运参数，采用多参数拟合方法将消除系统频率响应影响后的测量数据与理论模型进行拟合处理，拟合过程中采用均方差值最小为最优拟合结果，拟合均方差为：

$\mathrm{var}=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[1-\frac{A_T(f_i,z_j)}{A_E(f_i,z_j)}]}^2}{N}+\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{\Φ}}_T(f_i,z_j)-{\mathrm{\Φ}}_E(f_i,z_i)]}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\mathrm{\Φ}}_E(f_i,z_i)\right]}^2}\}$

式中，A_T(f_i,z_j)和Φ_T(f_i,z_j)分别为在调制频率f_i下位移为z_j时光载流子辐射理论信号振幅的比值和相位的差值；A_E(f_i,z_j)和Φ_E(f_i,z_j)分别为在调制频率f_i下位移为z_j时光载流子辐射测量信号振幅的比值和相位的差值；T和E分别代表理论值和测量值，m为位移的改变次数，N为每一位移时的频率点数。最后，将测量结果和根据拟合得到的参数值得到的理论结果进行比较，即可得出测量装置的系统频率响应函数：

$S_{\mathrm{PCR}-S}\left(f\right)=\frac{S_{\mathrm{PCR}-M}(f,z)}{S_{\mathrm{PCR}-R}(F,Z)}$

下面给出本发明的一个具体实施例：根据本方法，对一硅片样品进行测量。所用硅片样品参数：N型，晶向<100>，电阻率7-10Ω·cm，厚度525μm，表面经热氧化处理，氧化层厚度为52.7nm。

首先介绍本发明具体实施例的实验装置，装置如图1所示。实验中激励光源2采用波长为405nm（该激励光产生的光子能量为3.06eV，大于硅的本征禁带宽度1.1eV）的半导体激光器，其最大输出功率为160mW；激发光调制系统的功能由函数信号发生器1实现，函数信号发生器1产生的周期性方波信号（或其它波形的周期信号）直接调制激光器的驱动电压使激励光源2输出强度周期性调制的激励光（激励光强度的周期性调制也可通过函数信号发生器输出的周期性信号驱动声光调制器、电光调制器或机械斩波器调制连续的激励光来实现）；实验中反射镜3相对入射光线45°放置；聚焦透镜4使激励光光束垂直聚焦到样品5表面上；精密位移平台6用来精确调节聚焦透镜4与样品5表面的间距；光生载流子辐射信号被一对抛物面镜7收集并由探测器8探测，该探测器为InP/InGaAs光电倍增管（PMT）探测器，探测波长范围为0.95-1.7μm；锁相放大器9用来解调探测到的光载流子辐射信号，其最大探测频率为2MHz；计算机10用于控制系统自动运行及存储、处理信号数据等。

本发明的具体测量步骤：

1．将被测样品固定在样品架上，依次打开计算机10、函数信号发生器1、激光器2、精密位移平台6、光电探测器8及锁相放大器9。

2．调节激光器2、反射镜3和聚焦透镜4，使得激励光经反射和聚焦后垂直照射到待测样品表面。

3．通过精密位移平台6调节聚焦透镜4的位置，使得探测器8输出的光载流子辐射信号的幅值达到最大，以提高信号的信噪比。

4．固定聚焦透镜4与样品5相对位置，通过激励光调制系统多次改变激励光的调制频率，得到初始位置时每一频率所对应的光载流子辐射信号S_PCR-M，包括一次谐波振幅值Amp_PCR-M(f,z＝0)和相位值Pha_PCR-M(f,z＝0)。

5．以初始测量位置为坐标原点，多次改变位移z，重复步骤4，得到不同位移时每一频率下的光载流子辐射信号S_PCR-M，包括一次谐波振幅值Amp_PCR-M(f,z)和相位值Pha_PCR-M(f,z)。

6.以初始位置为标准，选取5mm、10mm和15mm位移处测量的频率扫描结果数据对初始数据进行比较（振幅相除，相位相减），得到消除测量装置的系统频率响应影响后的测量结果，如图2所示。消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应对半导体材料特性测量的影响后，利用多参数拟合程序对消除系统频率响应影响后的测量数据进行拟合处理，得到待测样品的载流子输运参数，拟合中初始位置光斑尺寸为30μm，后表面复合速率设为10⁵cm/s，拟合得出载流子输运参数分别为：少数载流子寿命τ＝62.60μs，扩散系数D＝17.32cm²/s和前表面复合速率S₁＝609.05cm/s。

7.将得出的参数值代入理论模型，得到此测量装置在不同位移时的频率响应函数，如图3所示。可以看出，不同位移时，此测量系统的频率响应曲线基本重合。由此证实了改变入射到样品表面光斑尺寸时系统频率响应函数不变这一理论假设的正确性。

8.根据7中测得的系统频率响应函数，对其他间距（如3mm和13mm）时的测量结果进行处理，得出消除测量装置的系统频率响应影响后的测量结果和理论结果，如图4所示，可见测量结果和理论结果符合的很好。

本发明提供的消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法适用于但不限于基底、外延掺杂、离子注入以及热处理等半导体材料特性的测量。

Claims (7)

1.一种消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤（1）、将强度周期调制的聚焦激励光束垂直照射到被测半导体样品表面，样品因吸收激励光束能量在被照射处产生周期性变化的载流子密度波场，载流子经辐射复合产生红外辐射信号即光载流子辐射信号，经抛物面镜对收集和光电探测器探测，并通过锁相放大器解调获得光载流子辐射信号的交流信号；

步骤（2）、改变激励光束强度的调制频率，重复步骤（1）得到一个聚焦透镜和样品表面间距时每一频率所对应的光载流子辐射信号，包括一次谐波振幅值和相位值；

步骤（3）、改变聚焦透镜与样品表面间距，重复步骤（1）和（2）得到不同间距时每一个频率所对应的光载流子辐射信号，包括一次谐波振幅值和相位值；

步骤（4）、处理步骤（2）和步骤（3）得到的测量数据；以初始距离为标准，其他间距下测量的频率扫描结果数据对其进行比较，其中振幅相除，相位相减，消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应对半导体材料特性测量的影响，利用多参数拟合程序对消除系统频率响应影响后的测量数据进行拟合处理，得到待测样品的特性参数。

2.根据权利要求1所述的消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其特征在于：所述的激励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，且所述激励光源产生的激励光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度。

3.根据权利要求1所述的消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其特征在于：所述的激励光源产生的激励光束的强度须被周期性地调制，产生调制激励光束；调制激励光束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、或机械斩波器调制连续激光束来实现。

4.根据权利要求1所述的消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其特征在于：所述的激励光源产生的激励光经反射镜反射和聚焦透镜聚焦后垂直入射到样品表面。

5.根据权利要求1所述的消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其特征在于：通过精密位移平台来改变聚焦透镜与被测样品表面的间距，从而改变聚焦到样品表面的激励光束的光斑尺寸大小。

6.根据权利要求1所述的消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其特征在于：所述的收集光载流子辐射信号的抛物面镜对和光电探测器放置在被测样品后表面或前表面，前表面时需加滤光片，该滤光片滤除激励光束的散射光。

7.根据权利要求1所述的消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应影响的方法，其特征在于：通过选择适当组数的透镜与被测样品间距更有效地消除光载流子辐射技术半导体材料特性测量装置的系统频率响应对半导体材料特性测量的影响，提高测量待测半导体材料特性参数的精度。

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