CN1971868A - 一种基于自由载流子吸收技术的半导体掺杂浓度测量方法 - Google Patents

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李斌成
张希仁
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Abstract

一种基于自由载流子吸收技术的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：一束光子能量大于本征半导体禁带宽度的光强周期性调制的连续激光作泵浦光源和另一束光子能量小于本征半导体禁带宽度的连续激光作探测光源；两束光同时照射到掺杂半导体上同一或相邻位置；半导体吸收泵浦光后产生调制的自由载流子；由于调制的自由载流子对探测光的吸收，透过半导体或者从后表面反射的探测光强度也被调制，以锁相方式探测透射或反射的探测光信号的一次谐波振幅和相位，由其振幅和/或相位通过标定得到掺杂半导体的掺杂浓度。本发明具有测量范围大、测量精度和灵敏度高的优点。

Description

一种基于自由载流子吸收技术的半导体掺杂浓度测量方法
技术领域
本发明涉及一种对半导体特性的测量方法，尤其是一种半导体掺杂浓度的测量方法。
背景技术
掺杂是半导体器件中形成pn结的基础，是调控半导体器件电学性能的主要手段，是微电子制造技术中非常重要的环节，掺杂浓度及其均匀性的精确控制在很大程度上决定了微电子设备的性能。准确监测掺杂半导体的掺杂浓度是半导体制造技术中一个非常重要的课题。
从国内外技术查新和文献检索的情况看，现有的半导体掺杂浓度测量方法有：
(1)传统方法
测量半导体掺杂的传统方法，如卢瑟福背散射、二级离子质谱仪、扩散电阻法、四探针测量法等，由于自身的缺陷，应用受到一定的限制。其中，卢瑟福背散射只能探测质量较大离子的掺杂浓度；二级离子质谱仪本质上是一种破坏性的测量方法，在测量过程中会破坏半导体的特性；扩散电阻法也是一种破坏性的测量方法，在测量过程中也会破坏半导体的特性；四探针测量法测量精度受到探针尺寸大小的限制，主要用于高掺杂浓度的测量。
(2)热波热探针法
当前工业上使用热波法中的光调制反射-热探针技术(W.Lee Smith，Allan Rosencwaig，and David L. Willenborg，Ion implant monitoring withthermal wave technology，Appl.Phys.Lett.47，584-586(1984))测量半导体掺杂浓度，主要用于低掺杂浓度的测量，但是热探针法有其自身的缺点：a.测量的掺杂浓度范围为1011-1016cm-2。对于较低的注入能量(＜5keV)、较低的掺杂浓度(≤1011cm-2)的掺杂半导体，不能准确测量其掺杂浓度；b.若掺杂半导体再经退火处理后，测量范围有一定程度的扩大，但灵敏度会下降；c.由于探测器探测的调制反射信号受半导体内温度场和载流子分布的双重影响，其信号振幅和相位与掺杂浓度之间不是单调性的，而是非常复杂的函数，给测量定标带来困难，并在一定程度上影响了测量精度。
发明内容
本发明的目的在于克服热探针方法的不足，提供一种以光子能量大于本征半导体禁带宽度的光强周期性调制的连续激光为泵浦光、以光子能量小于本征半导体禁带宽度的连续激光为探测光的半导体掺杂浓度测量方法，该方法测量范围大、测量精度和灵敏度高。
本发明测量半导体掺杂浓度的目的是通过运用自由载流子吸收技术达到的，特点在于：
(1)将一束光子能量大于本征半导体禁带宽度的光强周期性调制的泵浦光和另一束光子能量小于本征半导体禁带宽度的探测光同时照射到半导体表面的同一或相邻位置；由光电探测器(为光电二极管探测器、或光电倍增管等)探测透过半导体或者从其后表面反射的探测光强度变化，得到输出电流或电压信号。
(2)用锁相放大器记录该输出电流或电压信号的一次谐波振幅和/或相位，比较待测掺杂半导体和标准掺杂半导体的振幅和/或相位，得到待测掺杂半导体的掺杂浓度。
所述的泵浦光和探测光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。
本发明的原理是：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泵浦光源，要求光子能量大于本征半导体禁带宽度；泵浦光强度周期性调制；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探测光源，要求光子能量小于本征半导体禁带宽度；两束光同时照射到半导体表面的同一或相邻位置；泵浦光除了部分被反射之外，其余均被半导体吸收，半导体内部周期性产生自由载流子；探测光有小部分被产生的自由载流子吸收，这导致透射和从后表面反射的探测光强周期性变化；由一光电探测器(光电二极管探测器、光电倍增管等)探测该透射或从后表面反射的与泵浦光强度调制同频率的探测光强度的周期性变化得到输出电流或电压信号，即自由载流子吸收信号；采用锁相探测技术记录自由载流子吸收信号的一次谐波振幅和/或相位；在相同实验条件(同一调制频率、同一光路)下测量标准掺杂半导体的自由载流子吸收信号的一次谐波振幅和相位；利用振幅和/或相位随掺杂浓度增加而单调变化的特性，比较同一调制频率下待测掺杂半导体和标准掺杂半导体的自由载流子吸收信号(在同一光路同一调制频率下测的)的振幅和/或相位得到待测半导体的掺杂浓度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)测量范围大。相对于热探针技术，本方法能测量1010-1016cm-2范围或者更大范围的掺杂浓度。
(2)测量精度和灵敏度高。相对热探针方法，本方法仅受到自由载流子分布的影响而不受温度场的影响，检测信号随掺杂浓度增加而单调减小，使测量定标更容易，这有利于提高测量精度和灵敏度。
附图说明
图1为本发明的透过式测量装置结构示意图；
图2为待测掺杂半导体硅掺的杂质为P+时，采用本发明的测量结果。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用的测量装置由泵浦光源1、泵浦光反射镜2、泵浦光聚焦透镜3、探测光源4、探测光反射镜5、探测光聚焦透镜6、双色分光镜7、待测半导体晶圆片8、光电探测器9、函数发生器10、锁相放大器11组成。函数发生器10连接至泵浦光源1使光源的光强周期性调制，同时连接至锁相放大器11作为参考信号。光电探测器9输出的信号连接到锁相放大器11进行探测，以记录信号的振幅和相位。
泵浦光源1采用可调制的半导体激光器，其中心波长785nm，功率95mW，由函数发生器8调制；探测光源3采用连续的半导体激光器，其中心波长1310nm，功率5mW；待测半导体8为掺杂硅晶圆片；反射镜2和5使泵浦和探测光路偏转并便于调节输出激光光束的方向；透镜3和6分别使泵浦光和探测光聚焦到待测掺杂半导体硅晶圆片上；双色分光镜7使785nm激光透射、1310nm激光全反射实现两束光照射到待测半导体样品的同一位置；探测光在通过待测样品8时被调制，透射的探测光束由铟镓砷光电探测器9接收。铟镓砷光电探测器输出的电信号的一次谐波振幅和相位由锁相放大器11记录，参考信号由函数发生器10提供。实验中，通过调节函数发生器的频率改变调制信号频率。
以掺杂的硅晶圆片为例，在图1中，光强方波(或其它波形)调制的泵浦光1光子能量(1.58eV)大于本征硅的禁带宽度(1.12eV)，除部分泵浦光被反射，其余泵浦光被硅吸收，在硅晶圆片体内周期性产生自由载流子；探测光4光子能量(0.946eV)小于本征硅的禁带宽度；两束光聚焦在待测掺杂半导体硅晶圆片表面同一或相邻位置；部分探测光被自由载流子吸收，这导致透射和从后表面反射的探测光强周期性变化；在不同的调制频率下锁相放大器11记录铟镓砷光电探测器输出的电信号的一次谐波振幅和相位；在相同实验条件(同一调制频率、同一光路)下测量标准掺杂半导体硅晶圆片的自由载流子吸收信号的一次谐波振幅和相位；利用信号随掺杂浓度增加而单调变化的特性，比较同一调制频率下待测掺杂半导体硅晶圆片和标准掺杂半导体硅晶圆片的自由载流子吸收信号的振幅和/或相位得到待测半导体的掺杂浓度。
图2为待测掺杂半导体硅晶圆片掺的杂质为P+时本发明的测量结果。待测掺杂半导体的掺杂范围为1010-1016cm-2。从图中看出，测量的振幅随掺杂浓度增加而单调减小。比较同一调制频率下待测掺杂半导体和标准掺杂半导体的自由载流子吸收信号振幅就能精确得到待测掺杂半导体的掺杂浓度。

Claims (9)

1.一种基于自由载流子吸收技术的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：
(1)将一束光子能量大于本征半导体禁带宽度的光强周期性调制的连续激光，即泵浦光和一束光子能量小于本征半导体禁带宽度的连续激光，即探测光同时照射到掺杂半导体上同一或相邻位置；由光电探测器探测透过掺杂半导体或者从其后表面反射的探测光强度变化，得到输出电流或电压信号；
(2)采用锁相放大器记录输出电流和/或电压信号一次谐波的振幅或相位，比较待测掺杂半导体和标准掺杂半导体的振幅和/或相位，得到待测掺杂半导体的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的泵浦光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。
3.根据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的泵浦光采用函数发生器周期性调制激光驱动电源，或者采用声光调制器直接调制泵浦光束来实现泵浦光强度的周期性调制。
4.根据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的探测光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。
5.据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的泵浦光和探测光照射到待测掺杂半导体上同一位置或者相邻位置。
6.根据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的泵浦光与探测光分别采用不同的透镜聚焦或者采用同一透镜或显微物镜聚焦到待测掺杂半导体表面或者不聚焦。
7.根据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的步骤(2)中采用锁相技术记录与泵浦光强度调制同频率的透过掺杂半导体或从其后表面反射的探测光强调制的一次谐波振幅和相位。
8.根据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的周期性调制的频率范围为1Hz-100MHz。
9.根据权利要求1所述的半导体掺杂浓度测量方法，其特征在于：所述的光电探测器为光电二极管探测器，或光电倍增管。
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