CN109142287A

CN109142287A - 一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法

Info

Publication number: CN109142287A
Application number: CN201810986640.2A
Authority: CN
Inventors: 王谦; 刘卫国
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明涉及一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法。解决现有半导体材料特性测量技术不足的问题。本发明的方法为1）函数信号发生器产生周期信号直接调制泵浦激光光源的驱动电压，将强度周期调制的激光经光束整形后均匀照射到样品表面，近红外相机探测并处理记录此时的光载流子辐射信号，得到锁相载流子辐射成像结果；2）将光束整形装置替换为光束聚焦装置，经调节后将光束聚焦到样品表面被测位置，样品产生光载流子辐射信号，经近红外相机探测并由计算机处理和记录此时的光载流子辐射信号，得到空间分辨光载流子辐射成像结果，通过对数据进行处理计算得到待测样品的特性参数；3）重复步骤2）得到待测样品不同指定位置处的特性参数。

Description

一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法

技术领域

本发明涉及半导体材料的特性测量技术领域，具体涉及一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的发展，晶圆的尺寸越来越大，为了满足半导体工艺在线检测的需求，提高良品率，要求相应的半导体材料检测技术在保证测量精度的同时提高测量速度。光载流子辐射(PCR：Photo-Carrier Radiometry)技术是一种广泛应用于半导体材料特性测量的光学无损伤检测方法。

传统的频率扫描PCR检测技术仅能对单一局域点进行测量，且测量所需时间较长。为了实现整个硅片的测量，往往通过机械扫描形式实现，不利于工业在线测量应用。近年来，随着近红外相机技术的发展成熟，传统测量方法逐渐从机械扫描成像向相机成像过渡，因此在光载流子辐射技术基础上提出了锁相载流子成像(LIC：Lock-in Carrierography)技术。为了对材料进行精确的表征，常常需要采用两套测量装置，即采用锁相载流子成像技术进行整体成像，采用传统频率扫描光载流子辐射技术进行局部测量。因此，现有技术存在的问题是测量成本较高，测量过程繁琐，效率较低。

发明内容

本发明为解决现有半导体材料特性测量技术的不足的问题，提供一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法，依次包括下述步骤：

步骤1)：函数信号发生器产生周期信号直接调制泵浦激光光源的驱动电压，将强度周期调制的激光经光束整形后均匀照射到样品表面，近红外相机探测并由计算机处理和记录此时的光载流子辐射信号，得到锁相载流子辐射成像结果；

步骤2)：将光束整形装置替换为光束聚焦装置，经调节后将光束聚焦到样品表面指定被测位置，样品产生光载流子辐射信号，经近红外相机探测并由计算机处理和记录此时的光载流子辐射信号，得到空间分辨光载流子辐射成像结果，通过对数据进行处理计算得到待测样品的特性参数；

步骤3)：重复步骤2)得到待测样品不同指定位置处的特性参数。

上述泵浦激光光源由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生，且泵浦激光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度。

上述调制泵浦激光强度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。

上述近红外相机前设置带通滤光片，用于滤除样品散射泵浦光和背景杂散光。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)与传统频率扫描光载流子辐射技术相比，本发明测量载流子输运参数的速度大大提高；

2)与传统空间分辨稳态光载流子辐射成像技术相比，本发明采用锁相方式，减小了噪声的影响，提高了信噪比；

3)本发明在对被测样品大面积成像后，可快速切换并定位目标区域，进行局部半导体特性参数的精确测量，减小了测量成本，简化了测量过程，提高了测量速度；

4)本发明在测量过程中可对目标区域进行精确定位，减小由于样品在装置间移动引入的定位误差。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明测量装置的局部结构示意图；

图3为样品离子注入和未注入区域示意图；

图4为根据图1计算得到的样品离子注入和未注入区域光载流子辐射成像示意图；

图5为根据图2计算得到的图4中标示点处空间分辨光载流子辐射信号。

附图标记如下：

图中：1-函数信号发生器；2-泵浦激光光源；3-光束整形装置；4-反射镜；5-被测半导体样品；6-带通滤光片；7-成像相机；8-计算机；9-光束聚焦装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的原理是：

基于半导体材料对强度周期性调制的泵浦激光吸收后产生的红外辐射(光载流子辐射)，通过光束整形装置将激光器输出的泵浦激光光束进行整形，通过近红外相机收集和测量光载流子辐射信号即锁相载流子成像，分析半导体材料整体特性；通过光束聚焦装置将激光器输出的泵浦激光光束进行聚焦，通过近红外相机收集和测量光载流子辐射信号即空间分辨光载流子辐射成像，分析半导体材料局部特性，通过计算得到指定位置处半导体材料的特性参数。

为了实现本发明，本发明所采用的测量装置参见图1和图2。图中的阴影部分为光路，细线为连接线。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泵浦激光光源2输出强度周期性调制的泵浦激光。泵浦激光的光路上依次设置光束整形装置3和反射镜4时，泵浦激光均匀照射到被测半导体样品5表面上，光束整形装置3对泵浦激光光源1输出的光束进行整形，测量较大范围光载流子辐射成像结果；泵浦激光的光路上依次设置光束聚焦装置9和反射镜4时，泵浦激光聚焦到样品表面上，光束聚焦装置9对泵浦激光光源1输出的光束进行聚焦，测量局部光载流子辐射成像结果；上述两种不同设置情况下，样品表面产生的光载流子辐射信号均经带通滤光片6后由成像相机7探测。

装置中，所述泵浦激光光源2选用波长为830nm的半导体激光器(该泵浦激光光源产生的光子能量为1.49eV，大于被测半导体硅的禁带宽度1.1eV)；泵浦激光强度调制由函数信号发生器1实现，所述成像相机7为InGaAs近红外相机，探测波长范围为800-1700nm；所述计算机8用于控制系统的运行及存储、处理信号数据等。

本发明提供的一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法，依次包括下述步骤：

步骤1)：函数信号发生器产生周期信号直接调制泵浦激光光源的驱动电压，将强度周期调制的激光经光束整形后均匀照射到样品表面，所述泵浦激光光源由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生，且泵浦激光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度，调制泵浦激光强度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。近红外相机探测并由计算机处理和记录此时的光载流子辐射信号，得到锁相载流子辐射成像结果；

所说的近红外相机前设置有带通滤光片，用于滤除样品散射泵浦光和背景杂散光。

本发明的具体测量步骤：

1.参见图1，将被测半导体样品5固定在成像相机7正下方设置的样品架上，依次打开计算机8、函数信号发生器1、泵浦激光光源2、成像相机7。

2.泵浦激光光源2的泵浦光光路上设置光束整形装置3，调节泵浦激光光源2、反射镜4和光束整形装置3，使泵浦激光经反射后均匀照射到被测半导体样品5表面，采用成像相机7收集样品发射的经带通滤光片6过滤后的光载流子辐射幅值信号，由计算机8对信号进行记录和处理，得到较大范围光载流子辐射成像结果。

3.将光束整形装置3替换为光束聚焦装置9，如图2所示，调节泵浦激光光源2、反射镜4和光束聚焦装置9，使泵浦光聚焦到样品表面的指定探测位置，采用成像相机7收集被测半导体样品5发射的经带通滤光片9过滤后的光载流子辐射幅值信号，由计算机8对信号进行记录和处理，得到局部光载流子辐射成像结果，通过计算得到指定位置半导体材料的特性参数。

4.重复步骤3得到半导体材料不同指定位置的特性参数。

参见图3，离子注入区域用A表示，未注入区域用B表示。图4是对图3中虚线区域仿真模拟得到的光载流子辐射成像的一个具体结果。计算中，被测单晶硅参数设置为：厚度L为525μm，载流子扩散系数20cm²/s，前后表面复合速率分别为10m/s和100m/s，离子注入区域和未注入区域载流子体寿命分别为10μs和50μs。其他参数设置：泵浦激光光子能量为1.49eV，泵浦激光调制频率为10Hz，单晶硅对泵浦激光的反射率为0.3，单晶硅对泵浦光的吸收系数为6.6×10⁴m^-1。图中可以看出，离子注入区域由于缺陷的产生导致载流子寿命减小，信号强度较低。图4为根据图2装置对图3中指定位置点1和点2处进行光载流子辐射成像结果。离子注入对成像结果具有明显的影响，可以通过多参数拟合得到载流子寿命、扩散系数和前表面复合速率等特性参数。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法，依次包括下述步骤：

步骤1）：函数信号发生器产生周期信号直接调制泵浦激光光源的驱动电压，将强度周期调制的激光经光束整形后均匀照射到样品表面，近红外相机探测并由计算机处理和记录此时的光载流子辐射信号，得到锁相载流子辐射成像结果；

步骤2）：将光束整形装置替换为光束聚焦装置，经调节后将光束聚焦到样品表面指定被测位置，样品产生光载流子辐射信号，经近红外相机探测并由计算机处理和记录此时的光载流子辐射信号，得到空间分辨光载流子辐射成像结果，通过对数据进行处理计算得到待测样品的特性参数；

步骤3）：重复步骤2）得到待测样品不同指定位置处的特性参数。

2.一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法，其特征在于：所述泵浦激光光源由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生，且泵浦激光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度。

3.如权利要求1或2所述的一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法，其特征在于：调制泵浦激光强度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.如权利要求1或2所述的一种基于光载流子辐射的半导体材料特性测量方法，其特征在于：所述的近红外相机前设置带通滤光片，用于滤除样品散射泵浦光和背景杂散光。