CN1271093A - 半导体器件少子扩散长度和少子寿命的无损测量方法 - Google Patents

半导体器件少子扩散长度和少子寿命的无损测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于无损测量一个半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp),进而测量少数载流子寿命(Op)的一种方法。该方法包括以下步骤:将一个待测试半导体器件反向偏置,用一束聚焦辐射能量沿该半导体器件的一段长度进行扫描,当辐射束沿该半导体器件的扫描长度段逐点扫描时检测该辐射束在半导体器件中感生的电流,以生成一个信号波形(Isignal),并根据测得的Isignal波形确定该半导体器件中少数载流子的扩散长度(Lp)和/或少数载流子的寿命(Op)。

Description

半导体器件少子扩散长度和少子寿命的无损测量方法
本申请涉及并源于1998年3月27日提交的临时申请No.60/079716，该临时申请的发明人和受让人与本申请相同。
本发明涉及利用光束感生电流(OBIC)，或者电子束感生电流(EBIC)测量各种半导体器件，例如用于高压应用中的横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)，以及其它半导体器件，包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、和超微型动态随机存取存储器(DRAM)中少数载流子扩散长度和少数载流子寿命的方法。
众所周知，用具有大于带隙能量的聚焦辐射束，即光束或电子束照射具有p-n结或肖特基势垒(金属半导体整流接触)的半导体能够在半导体中产生感生电流。用于产生这种辐射束和用所产生的辐射束扫描被测试器件(DUT)的装置可以从市场中购得。在被测试器件较小(例如小于一个微米)的情况下，通常使用扫描电子显微镜来研究该器件，这种扫描电子显微镜利用电子束和真空室。在被测试器件具有较大面积的情况下，例如高压HV LDMOS晶体管(其长度一般为10微米或更大)，使用通过一个光学显微镜出射的激光束来照射和扫描器件是比较方便的。这种激光装置也是可以从市场中购得的。但是在两种情况下，当用具有适合波长和强度的辐射束照射具有p-n结的半导体时，在半导体中会产生小电流。在使用电子束的情况下，电流是由于“康普顿效应”而产生的。在使用激光束的情况下，电流是由于光效应产生的。这两种效应都是众所周知的。
在本发明之前存在的问题是如何以无损方式定量测量由于加工缺陷造成的半导体器件材料的品质降低，所说的加工缺陷包括诸如位错、氧化引起的堆垛层错(OSFS)、热效应和应力引起的滑移、失配、点缺陷团聚和沉淀、整体微疵(BMD)等等。少数载流子寿命是对半导体材料，例如硅晶片(Si)总体质量的一种良好的度量。在若干晶片处理步骤(例如100或更多步骤)之后和在热循环处理，例如在900℃左右退火过程中，可能会在晶片上制造的器件中形成并产生加工缺陷。当产生缺陷时，器件中的少数载流子寿命就会发生或大或小程度的缩短。少数载流子的复合特性决定了硅和绝缘体基外延硅(SOI)的基本电子特性，并且控制了各种硅和绝缘体基外延硅器件的性能。因此，需要能够容易并且准确地以一种无损方式测量这类器件中少数载流子的复合特征。能够实现这个目的对于硅和绝缘体基外延硅新制造技术的适当和迅速的评估是极其重要的，在这些新技术中使用了新颖的合成材料体系，这些新材料可能已经改变了晶格完整程度和未知的缺陷含量。
本发明能够对半导体器件中少数载流子扩散长度和少数载流子寿命进行快速、准确和无损的测量。在本发明之前，迄今为止，从没有人利用EBIC或者OBIC扫描系统测量半导体器件中的少数载流子扩散长度和/或少数载流子寿命。
本发明涉及用于测量半导体器件，如在p型导电区与n型导电区之间具有p-n结的高压晶体管中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)的一种方法。
本发明的一个方面涉及用于测量半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)，进而测量少数载流子寿命(Op)的一种方法。该方法包括以下步骤：反向偏置所说半导体器件；用一束聚焦的辐射能量沿所说半导体器件的长度进行扫描；检测因辐射束逐点通过半导体器件的被扫描段而在半导体器件中感生的电流并产生一个信号波形(Isignal)；和根据Isignal波形确定半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)。
本发明的另一个方面涉及用于无损测量在p型导电区与n型导电区之间具有一个p-n结的半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)的一种方法。该方法包括以下步骤：用一电压反向偏置所说半导体器件；用一束聚焦辐射能量沿半导体器件处于p-n结之上和其中一个区域中的一段距离“x”扫描半导体器件；检测因辐射束逐点通过半导体器件的被扫描段而在半导体器件中感生的电流并产生作为距离“x”的函数的一个信号波形(Isignal)；和根据Isignal波形确定半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)。
本发明的再一个方面涉及用于无损测量半导体器件，例如在p型导电区与n型导电区之间具有一个p-n结的高压晶体管中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)的一种方法。该方法包括以下步骤：用一电压反向偏置所说半导体器件；用一束聚焦激光沿半导体器件处于p-n结之上和其中一个区域中的一段距离“x”扫描半导体器件，检测因光束沿半导体器件被扫描段的“x”方向通过时在半导体器件中感生的电流(OBIC)并产生作为距离“x”的函数的一个信号波形(Isignal)；和根据Isignal波形确定半导体器件中少数载流子扩散长度Lp和/或少数载流子寿命Op。
从以下结合附图进行的说明和提出的权利要求可以更好地理解本发明，并且充分地领会本发明的许多优点。
图1以部分方框图的形式示意性表示根据本发明的方法用于扫描被测试半导体器件(DUT)和用于在DUT中产生光束感生电流以测定DUT中少数载流子扩散长度(Lp)，从而确定少数载流子寿命(Op)的装置；
图2为在测量扩散长度Lp过程中如何将例如图1所示的一个半导体DUT反向偏置的一个电路的示意图；
图3为图1所示DUT的放大示意图；
图4为所测得的光束感生电流(OBIC)相对于沿图3所示DUT一段长度的“x”方向的距离的一条理想化曲线，并且表示了当光束沿所说DUT段的“x”方向扫描时在给定电压V状态下测得的信号(Isignal)波形；
图5表示在各种电压V状态下的实际Isignal波形，这些波形就显示在图1所示CT显示器上；
图6为在给定电压V状态下Isignal测量值相对于DUT上的扫描距离的半对数曲线。
现在参见图1，图中表示用于根据本发明的方法测量被测试半导体器件(DUT)12的少数载流子扩散长度Lp的一种光束扫描装置10。装置10包括用于发射激光束16的一个激光器14、一个偏振器18、一个偏转反光镜系统20、用于将激光束16在DUT12上聚焦为一个微小光点的一个显微镜22、一个器件电源24、一个信号放大器26、一个信号混合器28、一个光栅信号发生器30、一个阴极射线管(CT)显示器32、和一台个人计算机(PC)34。虽然装置10中的各个部分在本领域中都是熟知的，但是如在下文中所详述的，是根据本发明方法，以独特的方式利用它们无损地测量DUT12中少数载流子的扩散长度(Lp)。应当理解本发明并不局限于仅仅使用光束，而是可以同样使用电子束。
激光器14发射具有例如633纳米(nm)波长和适合强度(例如几瓦)的光束16。光束16通过偏振器18，进入偏转反光镜系统20。反光镜系统20包括一组可移动的反光镜40和42，它们在通过导线44从光栅信号发生器30接收的电信号的驱动下前后移动。如本领域所熟知的，反射镜40和42的机械移动使光束16与来自发生器30的电信号同步地前后左右偏转，以使之与CRT显示同步。光束16从偏转反射镜系统20通过，进入显微镜22，由显微镜22将光束16在DUT12表面上聚焦为一个微小光点(例如，直径大约为1微米)。由此在DUT12中产生光束感生电流(OBIC)。光束16由于始终受到偏转系统20的偏转作用，所以它是沿DUT12的长度段逐行扫描的。
在光束16扫描过程中，利用由器件电源24产生的一个正电压(+V)，(其负端接地)，和一个负载电阻(RL)46将DUT12反向偏置。光感生电流从DUT12经过一个检测电阻(Rs)48接地。从检测电阻48通过导线50向放大器26的一个输入端施加一个被称为“Isignal”的信号，该放大器的输出经由导线52传送到信号混合器28的一个输入端(S)。从光栅信号发生器30产生的光栅信号经由导线54传送到信号混合器28的另一个输入端(R)。从信号混合器28产生的双信号(R+S)经由一条共用连接线56传送到CRT显示器32的一个输入端，这些信号以具有通常的x和y坐标的波形形式(后面将对此进行讨论)显示在显示器屏幕58上。共用连接线56上的双信号R+S还传送到个人计算机32，如下所述，在计算机中对这些信号进行处理，并获得少数载流子扩散长度Lp和少数载流子寿命(Op)。
现在参见图2，该图表示与图1所示DUT12电连接的一个电路示意图60。如从电路示意图60中所看到的，举例来说，DUT12是具有漏极64、栅极65、和源极66的一个LDMOS型晶体管62。但是应当理解，DUT12可以是除这里所示的晶体管62以外的其它半导体。在用光束16扫描过程中，该晶体管62通过将其漏极64经由负载电阻(RL)46(参见图1)与电源24(图2中未示出，但是在图1中示出)的正极68(+V)相连而反向偏置。器件电源24(在图2中未示出，但是在图1中示出)的负电压侧与一个负极69(-V)相连，如图所示该负极接地。晶体管62的栅极65直接接地，而源极66经由检测电阻(Rs)48接地。如上所述，当用光束16扫描DUT12时，检测电阻48两端的电压正比于OBIC电流。这个电压施加到导线50(还参见图1)，并被称作“Isignal”。电源24的输出电压+V可以在很宽的范围内变化，直到器件开始出现雪崩击穿现象。举例来说，电阻(RL)46的值可以为100千欧姆，电阻(Rs)48的值为10千欧姆，反向偏置跨接在晶体管62的漏极64和源极66上的电阻值可以约为100兆欧姆。
现在参见图3，该图以放大和高度示意性和简化形式表示一个横向高电压二极管，DUT12。沿DUT12长度方向的距离用“x”表示，当光束16不断地扫描DUT12时，光束16的各个位置如图所示，该DUT12的一个p-n结70位于x＝0点。DUT12上一个第一阴影区域表示一个p型导电体区域72，p-n结70两侧的非阴影区域表示不对称的空间电荷区74，一个第二阴影区域表示剩余的n-型导电漂移区76。与DUT12的电路连接如图所示(还可参见图2)。
所说非阴影区域(空间电荷区74)表示与DUT12的p-n结70相邻的耗尽区，在这个区中所有的激光感生的光生电子空穴对分离并被由反向偏置电压施加的局部高强电场所收集，增大了OBIC光电流。第二阴影区域表示在耗尽区(空间电荷区74)以外的一个中性n-型漂移区76，在这个区中光生载流子不再被收集，所以测量不到CBIC电流。
在空间电荷区74中基本所有的光生电子空穴对都被收集，产生一个最大信号，该信号作为“Isignal”施加到导线50上。当扫描激光束16通过表示为79的一个耗尽层宽度外边缘78进入n-型漂移区76时，OBIC(和Isignal)开始衰减。以边缘78为边界的实际耗尽层宽度依赖于电源24的电压+V。
已知在半导体p-n结反向偏置的情况下，半导体中少数载流子电流密度(Jp)作为距离(x)的函数可以由下式表示：
          [(xn-x)/Lp]          公式1Jp(x)＝-(q/Lp)Dppne
其中Jp(x)为少数载流子电流密度，
q为单位电子电荷，
Lp为少数载流子的扩散长度，
Dp为空穴的扩散常数，
Pn为n-型材料中空穴的少数载流子平衡浓度，并且
其中xn在图3中以78表示，x为耗尽层宽度79边缘78右侧的测量距离。
通过对公式1的数学推导可以看到，测得的OBIC信号作为Isignal(参见图2和图3)正比于exp[(xn-x)/Lp]，或者
      [(xn-x)/Lp]Isignal～e                      公式2利用爱因斯坦关系式进行进一步的数学推导还可以看到，少数载流子寿命(Op)可以表示为
Figure A9910767100101
其中kt/q在300°K时等于2.586×10-2伏特，μp为空穴的迁移率。用一个极为相似的公式可以定义电子的寿命。
如上所述(参见公式2)，n-型漂移区76中耗尽层宽度79的边缘78以外区域中OBIC光电流(和Isignal)与exp[(xn-x)/Lp]成正比(或者近似成正比)变化。换句话说，在n-型漂移区76中耗尽层宽度边缘78以外的一定扩散长度范围内的OBIC光电流(和Isignal)的指数衰减正比于少数载流子扩散长度Lp，因此可以作为构成DUT12的半导体材料的Lp的一种量度。下文中将要对此更加详细地介绍。
现在参见图4，该图表示Isignal的理想化波形82的曲线图80。曲线图80的水平轴表示沿DUT12(图3)上的x方向的距离。曲线图80的垂直轴表示Isignal的幅值，归一化量值“1.0”表示最大测量值。图4和图3中第一条垂直虚线84表示p-n结70中x＝0的位置。图4和图3中第二条垂直虚线86表示耗尽层宽度79边缘的位置xn，图4和图3中第三条垂直虚线表示88表示DUT12的n-型漂移区76的右端。
波形82具有一个第一部分90，该部分通常是水平的，表示在电荷区x＝0至x＝n中产生的量值为1.0的基本恒定的OBIC(和Isignal)。然后波形82具有一个通常为曲线的部分92，其起点在x＝n，当光束16沿着n-型漂移区76越来越远地扫描过去时，所说部分92在一定的扩散长度范围内从量值1.0基本呈指数地衰减到0。Isignal恰好在到达n-型漂移区76的右端之前下降为零(0)。将表示Isignal的波形82输入到个人计算机34(图1)中，计算机随即根据测量值自动计算少数载流子扩散长度Lp和少数载流子寿命(Op)。用于这种计算的计算机程序，本领域技术人员是很容易编写的。
现在参见图5，图中表示在CRT显示器32(图1)的屏幕58上显示的一些示波器描迹，这些描迹分别表示在施加电压为30、40、50、60、70、80、90、100、110、120和130伏特时产生的Isignal波形100、101、102、103、104、105、106、107、108、109和110。波形100-110的水平轴表示当光束16沿DUT12(图3)扫描时经过的距离x，垂直轴表示Isignal(图4)的电平(归一化的)。波形101已经被向波形100之上移动了一小段垂直距离以使波形之间不会相互混淆。由于同样的原因，其余的波形102-110也分别进行了类似的相互移动。
一条垂直线120表示当光束16(还可参见图3和图4)扫描时每个波形100-110的起点在x＝0(DUT12的p-n结70)。一条垂直虚线124已经到达DUT12的末端(参见图3和图4中的垂直虚线88)。每个波形100-110具有一个基本水平的部分，与图4中部分90类似，然后为一个通常呈指数衰减的部分，与图4中部分92类似，当光束16沿着所说DUT12(图3和图4)的n-型漂移区76越来越远地扫描时，这些部分逐渐下降到零(0)。
一条向上倾斜的虚线130与波形100-110的每一个分别在各个波形开始从基本水平(参见图4中波形82的部分90)向基本呈指数下降变化(参见图4中波形82的部分92)的点上交叉。这条虚线130表示由边缘78(图3)限定的耗尽区的宽度随着如图所示电压从30伏特增加到130伏特而增大。在到达DUT12的末端(由垂直虚线124表示)之前，所有的波形100-110都衰减到零。
现在参见图6，图中表示出各个Isignal值的实际测量值相对于沿DUT12的“x”方向的距离的半对数曲线图200，在DUT12上施加的反向偏置电压为20伏特。曲线图200的垂直轴表示低于标准值“1.0”的Isignal的半对数刻度值，水平轴表示以微米为单位的距离“x”的线性值。如半对数曲线图200所示，在标号为202的各个点处，Isignal的测量值与距离的标绘点基本沿一条直线204排列。应当理解，这里所示的直线204等价于(通过数学变换)图4所示波形82基本呈指数变化形式的部分92。如上所述，Lp和Op值实际上是根据曲线200的数据计算出来的。利用方程2和3，对于这里所示的一组特定测量点202，得到Lp的值为12.66微米，Op的值为137.7毫微秒。
以上所述内容的目的在于说明本发明，并非限定本发明。对于本领域技术人员来说可以对所述装置和本发明的方法作出多种改进，并且这些改进可以在不脱离由所附的权利要求书限定的本发明构思和范围的前提下作出。特别是，本发明不仅仅局限于应用于图2和图3所示的晶体管，而是还可以应用于其它半导体期间。本发明也不仅仅限于与OBIC装置结合使用，而是还可以包括在扫描电子显微镜[SEM]中的任意EBIC构造。

Claims (12)

1、用于测量一个半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)，进而测量少数载流子寿命(Op)的一种方法，该方法包括以下步骤：
将所说半导体器件反向偏置；
用一束聚焦辐射能量沿所说半导体器件的一段长度进行扫描；
检测因所说辐射束逐点经过所说半导体器件的扫描长度段而在所说半导体器件中感生的电流，以生成一个信号波形(Isignal)；和
根据所说Isignal波形确定所说半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)。
2、用于无损测量一个半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)的一种方法，所说半导体器件在p-型导电区与n-型导电区之间具有一个p-n结，该方法包括以下步骤：
在所说半导体器件上施加一个反向偏置电压；
用一束辐射能量沿所说半导体器件位于所说p-n结之上、并且在其中一个区域内的一段长度扫描一段距离“x”；
检测因所说辐射束逐点经过所说半导体器件的扫描长度段而在所说半导体器件中感生的电流，以生成作为距离“x”的函数的一个信号波形(Isignal)；和
根据所说Isignal波形确定所说半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于所说Isignal波形在与所说p-n结相邻的一个耗尽层宽度以外基本呈指数形式衰减，所说扩散长度Lp正比于exp[(xn-x)/Lp]，其中“xn”为p-n结的位置，“x”为在所说耗尽层宽度以外并且在所说的一个区域内的距离。
4、如权利要求2所述的方法，其特征在于所说扩散长度Lp是根据Isignal的测量值和在耗尽层宽度之外的距离“x”，通过计算机计算获得的，在所说耗尽层宽度内Isignal基本恒定为一个最大值，在所说耗尽层宽度以外，Isignal基本呈指数形式衰减。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于所说扩散长度是根据下列方程利用计算机计算出来的：
       [(xn-x)/Lp]Isignal～e
6、如权利要求3所述的方法，其特征在于所说少数载流子寿命Op是根据下列方程利用计算机计算出来的：
Figure A9910767100031
其中kt/q在300°K时等于2.586×10-2伏特，μp为硅中空穴的载流子迁移率。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于所说半导体器件是一种晶体管，例如其长度大于几个扩散长度的高压晶体管，所说偏置电压在几伏特与开始产生器件的雪崩击穿的电压之间。
8、用于无损测量一个半导体器件，例如一个高压晶体管或高压二极管中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)的一种方法，所说半导体器件在p-型导电区与n-型导电区之间具有一个p-n结，该方法包括以下步骤：
在所说半导体器件上施加一个反向偏置电压；
用一束聚焦激光束沿所说半导体器件位于所说p-n结之上、并且在其中一个区域内的一段长度扫描一段距离“x”；
检测因所说激光束沿“x”方向扫描过所说半导体器件的扫描长度段而在所说半导体器件中感生的电流(OBIC)，以生成作为距离“x”的函数的一个信号波形(Isignal)；和
根据所说Isignal波形确定所说半导体器件中少数载流子扩散长度Lp和/或少数载流子寿命Op。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于所说反向偏置电压在几伏特与开始产生器件的雪崩击穿的电压之间，沿所说半导体器件“x”方向的长度大于几个扩散长度。
10、如权利要求8所述的方法，其特征在于所说Lp和Op值是根据在特定偏置电压下测得的Isignal波形通过计算机计算确定的。
11、如权利要求8所述的方法，其特征在于所说偏置电压在几伏特与开始产生器件的雪崩击穿的电压之间。
12、用于确定具有一个p-n结的一个半导体器件中少数载流子扩散长度(Lp)和/或少数载流子寿命(Op)的一种方法，
在一个待测试半导体器件(DUT)上施加具有一个第一值的一个反向偏置电压；
用一束聚焦辐射能量沿所说DUT位于所说p-n结之上的一段长度扫描一段距离“x”，并且扫描进入所说半导体的漂移区；
测量由所说辐射束在所说DUT中感生的电流以产生作为距离“x”函数的一个信号波形(Isignal)；
用至少一个大于所说第一值的反向偏置电压连续值重复以上步骤；
根据所说连续的Isignal波形确定相关的Lp和/或Op值；和
使用所说Lp和/或Op值评估所说DUT的品质和任可由于加工产生的品质下降。
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