CN110098134A - 半导体掺杂的扩散深度检测方法 - Google Patents

半导体掺杂的扩散深度检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110098134A
CN110098134A CN201910316988.5A CN201910316988A CN110098134A CN 110098134 A CN110098134 A CN 110098134A CN 201910316988 A CN201910316988 A CN 201910316988A CN 110098134 A CN110098134 A CN 110098134A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diffusion
semiconductor
diffusion depth
detection method
photo detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910316988.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110098134B (zh
Inventor
王亮
张博健
秦金
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology of China USTC
Original Assignee
University of Science and Technology of China USTC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology of China USTC filed Critical University of Science and Technology of China USTC
Priority to CN201910316988.5A priority Critical patent/CN110098134B/zh
Publication of CN110098134A publication Critical patent/CN110098134A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110098134B publication Critical patent/CN110098134B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/14—Measuring as part of the manufacturing process for electrical parameters, e.g. resistance, deep-levels, CV, diffusions by electrical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/20—Sequence of activities consisting of a plurality of measurements, corrections, marking or sorting steps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

一种半导体掺杂的扩散深度检测方法，方法包括：进行掺杂剂扩散，测得半导体光电探测器件的击穿电压；根据击穿电压计算掺杂剂的扩散深度并根据检测扩散深度对器件进行补扩散，以优化扩散工艺。检测方法无需完成所有芯片的流片工艺，无需划裂片至单个芯片器件，并且无需其他表征检测手段的破坏性制样，并且可以在完成掺杂剂扩散时对晶圆片上点进行大范围快速、无损性的测试与抽测，测试表征准确，高效、无损。基于该方法对扩散工艺进行优化以达到预期目标及后续流片工艺。

Description

半导体掺杂的扩散深度检测方法
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，尤其涉及一种半导体掺杂的扩散深度检测方法。
背景技术
半导体掺杂剂热扩散在基于P-N结的III-V族半导体光电探测器中往往采用有机金属化学气相沉积法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)，其扩散轮廓与深度等扩散结果与扩散时的气体流量、温度、载气流量、时间等参数相关联，并且在基于P-N结的III-V族半导体光电探测器芯片扩散工艺往往需要多次扩散，而每次扩散由于并未整片均匀扩散存在正向扩散、侧向扩散、定浓度扩散等不同情况，其扩散机制很难用菲克扩散定律(第一定律、第二定律)直接利用数学推导表述出来，所以掺杂剂的扩散情况往往需要借助于各种先进的表征的手段来加以分析。
目前，常用于半导体光电探测器的掺杂剂的扩散情况的表征检测手段有：扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)、二次离子质谱(Secondary Ion MassSpectrometry，SIMS)、电化学电容-电压(Electrochemical Capacitance-Voltage，ECV)等，三者均对样品具有破坏性，并且只能对单一芯片进行测试，制样工序复杂，时间与成本均较高。其中，SEM可以分辩出掺杂剂扩散的轮廓，其通过掺杂和不掺杂的SEM中颜色不同进行轮廓区分，但无法鉴别浓度，轮廓边界的浓度定义模糊；SIMS可以判断元素类型及浓度，但判断的是掺杂剂的元素浓度，并非有效掺杂浓度，所以所测浓度偏高，并且其对最初测试点的浓度测试不准确，即外延片最上方；ECV的测试通过器件的电容电压特性进行腐蚀性测试，需要对器件进行标定，否则测试数据不准确。现有对半导体芯片掺杂的表征技术很难做到批量测试、普遍适用于整个晶圆片上的芯片、低成本、无损性的掺杂剂扩散的表征检测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提出一种半导体掺杂的扩散深度检测方法，用于解决现有技术中很难实现批量测试、普遍适用于整个晶圆片上的芯片、低成本、无损性的掺杂扩散的表征检测问题。
(二)技术方案
本发明提供一种半导体掺杂扩散深度的检测方法，包括：S1，进行掺杂剂扩散，测得半导体光电探测器件的击穿电压；S2，根据击穿电压计算掺杂剂的扩散深度。
可选地，根据击穿电压计算掺杂剂的扩散深度包括：将击穿电压代入泊松方程与发生雪崩(即击穿)的条件方程联合进行求解，得到半导体光电探测器件中掺杂剂的扩散深度，该泊松方程为：
发生雪崩(即击穿)的条件方程为：
其中，F(x)为扩散深度为x的电场，N(x)为扩散深度为x的掺杂剂密度，ε为扩散深度为x所在外延层的介电常数，ε0为真空介电常数，q为电子电荷，α为倍增区的半导体材料的空穴的碰撞离化系数、β为倍增区的半导体材料的电子的碰撞离化系数(二者均为倍增区电场的函数)。
可选地，测得半导体光电探测器件的击穿电压包括：对半导体光电探测器件施加反向偏压，测得半导体光电探测器件的电流-电压曲线；根据电流-电压曲线得到半导体光电探测器件的击穿电压。
可选地，测得半导体光电探测器件有光探测信号(有光)的光电流-电压曲线、无光探测信号(无光)的暗电流-电压曲线。
可选地，在步骤S1之前还包括：S0，根据半导体光电探测器件的预期击穿电压预设半导体光电探测器件有源区的扩散深度；S0′，根据扩散深度得到扩散窗口，并根据扩散窗口制备扩散掩模。
可选地，在步骤S2之后还包括：根据扩散深度对半导体光电探测器件进行补扩散。
可选地，半导体光电探测器件为基于P-N结的III-V半导体材料的光电探测器。
可选地，III-V半导体材料为InP、InSb、InAs、GaSb，三元材料InGaAs、InAlAs、AlGaAs及其对应的四元材料GaInAsP、AlInAsSb、AlInGaAs、AlInAlAs。
可选地，扩散窗口包括一次扩散窗口及二次扩散窗口。
可选地，在一次扩散窗口及二次扩散窗口外形成保护环。
(三)有益效果
本发明提出一种半导体掺杂扩散深度的检测方法，有益效果为：
此方法无需完成所有芯片的流片工艺，无需划裂片至单个芯片器件，并且无需其他表征检测手段的破坏性制样，并且可以在完成掺杂剂扩散时对晶圆片上点进行大范围快速、无损性的测试与抽测，测试表征准确，高效、无损，并且具有实时反馈性，可根据测试结果确认扩散深度，建立工艺数据库，芯片可用补扩散以达到预期目标及后续流片工艺。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例半导体掺杂剂扩散的扩散深度检测方法的流程图。
图2示意性示出了本发明实施例采用圆形与圆环形悬浮保护环的扩散窗口优化的基于P-N结III-V族半导体光电二极管结构设计的正面示意图。
【附图标记】
1-扩散窗口1(有源区)
2-扩散窗口2
3-双保护环
4-单保护环
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明通过研究发现，对于基于P-N结的III-V半导体材料的光电探测器而言，利用外延层结构参数、帽层下边缘和扩散边缘定义出器件未掺杂区，进而结合增益和击穿电压是器件区域的未掺杂部分的厚度的函数，可知击穿电压和扩散深度满足物理模型中的泊松方程与碰撞电离模型中的发生雪崩(即击穿)的条件方程，而方程中的未知参量只有掺杂剂扩散厚度H与器件的击穿电压值Vbr，通过对外延片中单器件掺杂剂扩散工艺后的探针台对器件加反向偏压的I-V曲线测试(有光与无光)，测试标定出Vbr值并反向计算表征出掺杂剂扩散的厚度H。因此本发明提出一种半导体掺杂的扩散深度检测方法。
本发明一实施例提出一种半导体掺杂的扩散深度检测方法，具体流程如图1所示，包括：
S1，进行掺杂剂扩散，测得器件的击穿电压。
在进行掺杂剂扩散之前，首先，预期基于P-N结的III-V半导体材料的光电探测器件(后简称器件)的击穿电压，并根据预期的击穿电压确定器件有源区的扩散深度。具体地，根据预期的击穿电压结合外延片结构参数确定好掺杂剂扩散的深度目标。确定过程可以利用仿真软件进行参数仿真确认，仿真软件为TCAD，或者相应自编程序。然后根据扩散深度得到扩散窗口，并根据扩散窗口制备扩散掩模。本实施例中，在基于P-N结的III-V半导体光电二极管的外延片基础上，通过优化设计出如图2所示的扩散窗口的有源区的直径、悬浮保护环(双保护环3、单保护环4、无保护环)的圆环宽度与间距等，以此获得均匀平滑的有源区的中心区的扩散轮廓，并抑制边缘击穿，防止芯片提前击穿。即通过调节图2中所示的有源区扩散窗口1圆形直径为：20——40um，扩散窗口2直径为：30——50um，优化悬浮保护环圆环宽度为：2——5um，同时调节悬浮保护环的间隔为：3——10um。其中，有源区扩散窗口1及扩散窗口2均可作为一次扩散窗口，当有源区扩散窗口1为一次扩散窗口时，扩散窗口2为二次扩散窗口，反之，当扩散窗口2为一次扩散窗口时，有源区扩散窗口1为二次扩散窗口。
准备工作完成后，对器件进行掺杂剂扩散，在完成扩散时，通过探针台(简单的光电特性测试)对器件施加反向偏压，测得器件光探测信号(有光)的光电流—电压曲线、无光探测信号(无光)的暗电流-电压曲线，根据这两条电流-电压曲线测试标定出器件的击穿电压。其中，单一的光电流-电压曲线或暗电流-电压曲线均可以确定击穿电压的电压值，但将两者结合在一起共同确定击穿电压的电压值，可提高准确率。
其中，基于P-N结的III-V半导体材料的光电探测器件中，III-V半导体材料包括但不限于InP、InSb、InAs、GaSb，三元材料InGaAs、InAlAs、AlGaAs及其对应的四元材料GaInAsP、AlInAsSb、AlInGaAs、AlInAlAs等。
S2，根据击穿电压计算掺杂剂的扩散深度。
在上述操作S2中，将测得的击穿电压代入碰撞电离模型中发生雪崩(即击穿)的条件、泊松方程进行求解，即可得到掺杂剂的扩散深度；该泊松方程为：
发生雪崩(即击穿)的条件方程为：
其中，F(x)为扩散深度为x的电场，根据测得的电压得到，N(x)为扩散深度为x的掺杂剂密度，ε为扩散深度为x所在外延层的介电常数，ε0为真空介电常数，q为电子电荷，α为倍增区的半导体材料的空穴的碰撞离化系数、β为倍增区的半导体材料的电子的碰撞离化系数(二者均为倍增区电场的函数)。
上述方法在扩散掺杂完成时，只需通过简单的光电特性测试测得器件的击穿电压，结合击穿电压进行理论计算即可得到扩散剂的扩散深度，相比于现有的III-V族基于P-N结的半导体光电探测器的掺杂剂扩散的检测表征方法，无需完成所有芯片的流片工艺，无需划裂片至单个芯片器件，无需其他表征检测手段的破坏性制样，可以在完成掺杂剂扩散时对晶圆片上点进行大范围快速、无损性的测试与抽测，测试表征准确，高效、无损。
由于上述扩散深度的检测方法中，扩散深度的具有实时反馈性，因此，本发明另一实施例提出一种半导体掺杂的扩散工艺的优化方法，具体流程为：通过操作S1及S2实时获取器件扩散工艺中，扩散剂的扩散深度，根据这些扩散深度数据，建立工艺数据库，参照工艺数据库，对器件进行补扩散以达到预期目标及后续流片工艺，从而增强半导体器件的性能。
综上所述，本发明实施例提出的检测方法在不破坏芯片样品的前提下，利用预先优化好的扩散窗口，确保掺杂剂扩散的均匀性(单个器件内抑制边缘击穿保证有源区扩散轮廓均匀)，利用简单的光电特性测试以及芯片的外延结构参数与物理模型相结合，将测试结果代入模型的方程式中反向推到出P-N结的结区参数并推到出掺杂剂扩散的边界，从而高速有效、低成本、无损的实现扩散的表征检测。并基于该方法检测的扩散深度，对器件进行补扩散以达到预期目标及后续流片工艺。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，包括：
S1，进行掺杂剂扩散，测得半导体光电探测器件的击穿电压；
S2，根据所述击穿电压计算所述掺杂剂的扩散深度。
2.根据权利要求1所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，根据所述击穿电压计算所述掺杂剂的扩散深度包括：
将所述击穿电压代入泊松方程与碰撞电离模型中的发生击穿的条件方程联合进行求解，得到所述半导体光电探测器件中掺杂剂的扩散深度，该泊松方程为：
发生击穿的条件方程为：
其中，F(x)为扩散深度为x的电场，N(x)为扩散深度为x的掺杂剂密度，ε为扩散深度为x所在外延层的介电常数，ε0为真空介电常数，q为电子电荷，α为所述半导体光电探测器件倍增区的半导体材料的空穴的碰撞离化系数、β为所述半导体光电探测器件倍增区的半导体材料的电子的碰撞离化系数。
3.根据权利要求1所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，测得半导体光电探测器件的击穿电压包括：
对所述半导体光电探测器件施加反向偏压，测得所述半导体光电探测器件的电流-电压曲线；
根据所述电流-电压曲线得到所述半导体光电探测器件的击穿电压。
4.根据权利要求3所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，测得所述半导体光电探测器件有光探测信号的光电流-电压曲线、无光探测信号的暗电流-电压曲线。
5.根据权利要求1所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：
S0，根据半导体光电探测器件的预期击穿电压预设所述半导体光电探测器件有源区的扩散深度；
S0′，根据所述扩散深度得到扩散窗口，并根据所述扩散窗口制备扩散掩模。
6.根据权利要求1所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，在步骤S2之后还包括：
S3，根据所述扩散深度对所述半导体光电探测器件进行补扩散。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，所述半导体光电探测器件为基于P-N结的III-V半导体材料的光电探测器。
8.根据权利要求7所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，所述III-V半导体材料为InP、InSb、InAs、GaSb，三元材料InGaAs、InAlAs、AlGaAs及其对应的四元材料GaInAsP、AlInAsSb、AlInGaAs、AlInAlAs。
9.根据权利要求5和7所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，所述扩散窗口包括一次扩散窗口及二次扩散窗口。
10.根据权利要求9所述的半导体掺杂扩散深度的检测方法，其特征在于，在所述一次扩散窗口及二次扩散窗口外形成保护环。
CN201910316988.5A 2019-04-18 2019-04-18 半导体掺杂的扩散深度检测方法 Active CN110098134B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910316988.5A CN110098134B (zh) 2019-04-18 2019-04-18 半导体掺杂的扩散深度检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910316988.5A CN110098134B (zh) 2019-04-18 2019-04-18 半导体掺杂的扩散深度检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110098134A true CN110098134A (zh) 2019-08-06
CN110098134B CN110098134B (zh) 2021-07-09

Family

ID=67445227

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910316988.5A Active CN110098134B (zh) 2019-04-18 2019-04-18 半导体掺杂的扩散深度检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110098134B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112014333A (zh) * 2020-10-19 2020-12-01 武汉光谷量子技术有限公司 一种半导体掺杂工艺的表征方法、装置及系统
CN113140478A (zh) * 2021-04-20 2021-07-20 瀚天天成电子科技（厦门）有限公司 一种半导体掺杂层厚度无损检测方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58134437A (ja) * 1982-02-05 1983-08-10 Hitachi Ltd 半導体素子の評価法
JPH02134873A (ja) * 1988-11-15 1990-05-23 Nec Corp トリガダイオード
CN102569067A (zh) * 2012-02-17 2012-07-11 北京时代民芯科技有限公司 一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58134437A (ja) * 1982-02-05 1983-08-10 Hitachi Ltd 半導体素子の評価法
JPH02134873A (ja) * 1988-11-15 1990-05-23 Nec Corp トリガダイオード
CN102569067A (zh) * 2012-02-17 2012-07-11 北京时代民芯科技有限公司 一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尹顺政 等: "光通信用InGaAs/InP雪崩光电二极管", 《半导体器件》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112014333A (zh) * 2020-10-19 2020-12-01 武汉光谷量子技术有限公司 一种半导体掺杂工艺的表征方法、装置及系统
CN112014333B (zh) * 2020-10-19 2021-01-26 武汉光谷量子技术有限公司 一种半导体掺杂工艺的表征方法、装置及系统
CN113140478A (zh) * 2021-04-20 2021-07-20 瀚天天成电子科技（厦门）有限公司 一种半导体掺杂层厚度无损检测方法
CN113140478B (zh) * 2021-04-20 2022-02-18 瀚天天成电子科技（厦门）有限公司 一种半导体掺杂层厚度无损检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110098134B (zh) 2021-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tetzlaff et al. Evolution of oxide disruptions: The (W) hole story about poly-Si/c-Si passivating contacts
CN110098134A (zh) 半导体掺杂的扩散深度检测方法
CN110907792A (zh) 一种DLTS结合DLOS确定GaN辐照缺陷能级的方法及装置
US7964435B2 (en) Method for dopant diffusion
CN101789384B (zh) 退火的检测方法
US9465069B2 (en) Method for the extraction of recombination characteristics at metallized semiconductor surfaces
CN106949962B (zh) 优化阻挡杂质带太赫兹探测器响应带宽的方法
Rathkanthiwar et al. Analysis of screw dislocation mediated dark current in Al0. 50Ga0. 50N solar-blind metal-semiconductor-metal photodetectors
CN111900097A (zh) 检测宽禁带半导体中深能级缺陷态的方法
Xu et al. Secondary electron microscopy dopant contrast image (SEMDCI) for laser doping
Geng et al. Charge transport mechanism of self-powered GaN pin α-particle detector
CN105097584A (zh) 一种离子注入剂量的检测方法
Han et al. Determination of dopant density profiles of heavily boron-doped silicon from low temperature microphotoluminescence spectroscopy
Polignano et al. Comparison of techniques for detecting metal contamination in silicon wafers
Musca et al. Laser beam induced current as a tool for HgCdTe photodiode characterisation
Lu et al. Photoluminescence analysis of C-doped npn AlGaAs/GaAs heterojunction bipolar transistors
Musca et al. Laser beam induced current imaging of reactive ion etching induced n-type doping in HgCdTe
Naik et al. Electrical transport characteristics and deep level transient spectroscopy of Ni/V/n-InP Schottky barrier diodes
JP7310727B2 (ja) シリコン試料中の酸素濃度測定方法
Yin et al. Scanning capacitance microscopy characterization on diffused pn junctions of InGaAs/InP infrared detectors
Kraxner et al. An EBIC model for TCAD simulation to determine the surface recombination rate in semiconductor devices
Shao et al. Highly reproducible tunnel currents in MBE-grown semiconductor multilayers
Matoussi et al. Minority carrier diffusion lengths and optical self‐absorption coefficient in undoped GaN
Rua et al. Effect of InP epitaxial layer removal from an MOVPE reactor on in-situ Zn diffusion for the development of focal plane arrays
Nazari et al. Sensitivity improvement of PtSi/Porous Si schottky diode gas sensors

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant