CN109239023B - 一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自由载流子吸收成像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的不足的问题。本发明采用的方法1)将连续探测激光垂直照射到被测半导体样品表面，近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₀；2)将聚焦后的连续泵浦激光垂直照射到样品探测光照射区域中心位置，近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₁，所述的入射到样品表面的探测激光光束尺寸大于聚焦到样品表面的泵浦激光光束尺寸；3)处理步骤1)和步骤2)得到的透射探测光强空间分布成像结果S₀和S₁，即S＝(S₁‑S₀)/S₀；4)沿自由载流子吸收成像结果峰值位置截取距离峰值不同距离的测量数据，得到待测样品的多个特性参数。

Description

一种基于自由载流子吸收成像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特性测量技术领域，具体涉及一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法。

背景技术

半导体原材料向大直径低缺陷方向的发展，微电子器件的集成度的不断提高，促使对材料的加工工艺和性能检测的要求越来越高。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。光载流子辐射(PCR：Photo-Carrier Radiometry)技术和调制自由载流子吸收(MFCA：Modulated Free-Carrier Absorption)技术是两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，近年来逐渐取代了工业上广泛应用的热波测量方法。

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，加上信号与泵浦激光强度间的非线性效应以及辐射光子重吸收效应的影响，该技术在半导体材料特性参数测量中受上述因素的影响较大，因此存在着测量精度有限的问题。调制自由载流子吸收技术测量探测光束经自由载流子吸收后强度随泵浦光调制频率或泵浦激光-探测激光间距的变化，与载流子浓度成线性关系，不存在光载流子辐射技术中非线性效应和光子重吸收效应的影响。然而，上述两种方法均通过频率扫描或位置扫描方式实现半导体材料特性参数的测量，测量速度较慢，难以满足快速在线监测表征的要求。

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，提供一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法，依次包括下述步骤：

步骤1)：将连续探测激光垂直照射到被测半导体样品表面，近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₀；

步骤2)：将聚焦后的连续泵浦激光垂直照射到样品探测光照射区域中心位置，近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₁，所述的入射到样品表面的探测激光光束尺寸大于聚焦到样品表面的泵浦激光光束尺寸；

步骤3)：处理步骤1)和步骤2)得到的透射探测光强空间分布成像结果S₀和S₁，即S＝(S₁-S₀)/S₀，得到过剩自由载流子吸收成像结果；

步骤4)：沿自由载流子吸收成像结果峰值位置截取距离峰值不同距离的测量数据，利用多参数拟合程序对截取的测量数据进行处理或将处理后的数据与定标样品的信号数据比较，得到待测样品的多个特性参数。

上述述连续探测激光由半导体激光器、固体激光器或气体激光器产生，且探测激光的光子能量小于被测半导体的本征半导体禁带宽度；所述的连续泵浦激光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。

上述近红外相机前设置带通滤光片，用于滤除透过样品的光载流子辐射光和背景杂散光。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明在测量载流子输运参数时不需要进行频率扫描或位置扫描，从测量原理上发生了改变，通过对半导体材料进行成像测量，使得测量速度大大提高；

2)本发明测量装置简单，由于采用红外相机成像方法，避免由于位置扫描过程中机械振动引入的误差，测量精度高。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为根据本发明计算得到的近红外相机对透射探测光强成像结果；

图3给出了图2标示位置处信号强度分布曲线(符号)和多参数拟合结果(实线)；

附图标记如下：

图中：1-连续泵浦激光光源；2-连续探测激光光源；3-第一平面反射镜；4-第二平面反射镜；5-聚焦透镜；6-光束整形装置；7-分束镜；8-被测半导体材料；9-带通滤光片；10-近红外相机；11-计算机。

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：

光子能量大于半导体禁带宽度的高斯分布的连续泵浦激光经聚焦后照射到半导体材料表面，被半导体材料吸收后产生过剩自由载流子，当采用另一束光子能量低于半导体禁带宽度的连续探测激光入射到材料相同位置时，由于过剩自由载流子对探测激光的吸收作用，导致透过半导体材料后探测光束强度减小。由于泵浦激光光强的空间不均匀性和载流子的扩散及复合作用，导致过剩自由载流子浓度的空间不均匀分布，因此自由载流子吸收信号的空间分布也不均匀，通过近红外相机采集空间分布信号并由计算机记录和处理所得数据得到半导体材料特性参数。

为了实现本发明方法，本发明采用的测量装置参见图1。连续泵浦激光光源1输出激励光至第一反射镜3，第一反射镜3的反射光路上依次设置聚焦透镜5和分束镜7；连续探测激光光源2输出探测光到第二反射镜4，第二反射镜4的反射光路上依次设置有光束整形装置6和分束镜7，第二反射镜4相对入射光线45°放置。所述的聚焦透镜5和分束镜7使泵浦光束垂直聚焦到被测半导体材料8表面上；光束整形装置6对连续探测激光光源2输出的光束进行整形；被测半导体材料8上自由载流子吸收信号经其另一侧设置于带通滤光片9后的近红外相机10探测得到，计算机11用于调节相机参数及存储、处理信号数据等。

所述连续泵浦激光光源1选用波长为830nm的半导体激光器(该泵浦激光产生的光子能量为1.49eV，大于被测半导体硅的禁带宽度1.1eV)，采用连续输出；连续探测激光光源2采用连续的半导体激光器，其波长为1310nm；近红外相机10为InGaAs近红外相机，探测波长范围为800-1700nm；

一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法，依次包括下述步骤：

步骤1)：将连续探测激光垂直照射到被测半导体样品表面，透射的探测激光因被样品中本证载流子吸收而减小；近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₀；所述连续探测激光由半导体激光器、固体激光器或气体激光器产生，且探测激光的光子能量小于被测半导体的本征半导体禁带宽度；

步骤2)：将聚焦后的连续泵浦激光垂直照射到样品探测光照射区域中心位置，所述的连续泵浦激光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，所述的入射到样品表面的探测激光光束尺寸大于聚焦到样品表面的泵浦光光束尺寸；样品因吸收泵浦光能量在被照射处产生空间不均匀分布的过剩自由载流子，并且由于载流子的扩散和复合作用形成稳定的自由载流子分布；透射的探测激光强度因过剩自由载流子的吸收而减小，不同位置的减小程度不同，形成一定的空间分布；近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₁；

步骤1)和步骤2)中，近红外相机前设置有带通滤光片，用于滤除透过样品的光载流子辐射光和背景杂散光。

步骤3)：处理步骤1)和步骤2)得到的透射探测光强空间分布成像结果S₀和S₁，即S＝(S₁-S₀)/S₀，得到过剩自由载流子吸收成像结果；

步骤4)：沿自由载流子吸收成像结果峰值位置截取距离峰值不同距离的测量数据，利用多参数拟合程序对截取的测量数据进行处理或将处理后的数据与定标样品的信号数据比较，得到待测样品的多个特性参数。

本发明的具体测量步骤：

1.将被测半导体材料8固定在分束镜7和带通滤光片9之间的样品架上，依次打开计算机11、连续探测激光光源2、近红外相机10。

2.调节连续探测激光光源2、反射镜4和光束整形装置6，使探测光经反射后垂直照射到被测半导体材料8表面，采用近红外相机10收集透过样品并经带通滤光片9过滤后的探测光信号S₀。

3.打开连续泵浦激光光源1，调节反射镜3和聚焦透镜5，使泵浦激光聚焦到样品表面的探测光束照射区域中心位置，采用近红外相机10收集透过样品并经带通滤光片9过滤后的探测光信号S₁。

4.处理步骤2和步骤3中两次测量得到的自由载流子吸收成像结果S₀和S₁，即S＝(S₁-S₀)/S₀，得到自由载流子吸收成像结果。

5.沿自由载流子吸收成像结果峰值位置截取距离峰值不同距离的测量数据，利用多参数拟合程序对截取的测量数据进行处理，得到待测样品的多个特性参数。

图2为根据本发明对半导体单晶硅材料仿真模拟得到的自由载流子吸收成像的一个具体结果。计算中，被测单晶硅参数设置为：N型，单面抛光，厚度L为525μm，载流子体寿命50μs，扩散系数20cm²/s，前后表面复合速率分别为10m/s和100m/s。其他参数设置：泵浦激光光子能量hν为1.49eV，单晶硅对泵浦激光的反射率R_pump为0.3，单晶硅对泵浦光的吸收系数为6.6×10⁴m^-1，探测激光光子能量hν为0.95eV。考虑实验中不可避免存在噪声的影响，计算中加入±1％的随机噪声。图3为根据图2虚线截取的自由载流子吸收随位置变化关系及相应的多参数拟合结果。拟合的载流子寿命、扩散系数和前表面复合速率分别为44.9μs，20.0cm²/s和9.6m/s，与设定的参数值基本一致，微小差别是由于计算中引入的±1％的随机噪声所致，因此可以通过该方法对半导体材料载流子输运参数进行快速测量。

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 (3)

1.一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法，依次包括下述步骤：

步骤1)：将连续探测激光垂直照射到被测半导体样品表面，近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₀；

步骤2)：将聚焦后的连续泵浦激光垂直照射到样品探测光照射区域中心位置，近红外相机测量并由计算机记录此时透射的探测光强空间分布S₁，所述的入射到样品表面的探测激光光束尺寸大于聚焦到样品表面的泵浦激光光束尺寸；

步骤3)：处理步骤1)和步骤2)得到的透射探测光强空间分布成像结果S₀和S₁，即S＝(S₁-S₀)/S₀，得到过剩自由载流子吸收成像结果；

步骤4)：沿自由载流子吸收成像结果峰值位置截取距离峰值不同距离的测量数据，利用多参数拟合程序对截取的测量数据进行处理或将处理后的数据与定标样品的信号数据比较，得到待测样品的多个特性参数；

所述的探测激光的光子能量小于被测半导体的本征半导体禁带宽度；

所述的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。

2.如权利要求1所述的一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法，其特征在于：所述连续探测激光由半导体激光器、固体激光器或气体激光器产生；所述的连续泵浦激光由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生。

3.如权利要求1或2所述的一种基于自由载流子吸收成像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，用于滤除透过样品的光载流子辐射光和背景杂散光。

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