TW201630094A - 測定半導體材料中所引入之污染的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種測定由設備引入在摻雜雜質方面未補償之半導體材料所構成的兩個樣本中之污染的方法，該兩個樣本具有相反的導電類型且每一樣本包括已知導電類型及濃度之多數摻雜雜質，該方法包括不同步驟如下：a)使該兩個樣本之每一者在該設備中受到(310)一熱處理，在該熱處理期間由該設備所引入之污染導致未知導電類型及濃度之摻雜雜質出現在該兩個樣本中，因該污染所造成之摻雜雜質在該兩個經處理樣本中之至少一者中是少數；b)在該兩個經處理樣本之每一者中的測量(320)為溫度之函數的電荷載體密度；c)針對該兩個經處理樣本之每一者定義(330)一表示電荷載體密度之對數作為溫度倒數之函數的曲線；d)針對該兩個經處理樣本之該至少一者偵測(340)該曲線之對應於該等摻雜雜質之電離區(ionisation regime)的區域中之斜率變化的位置； e)根據該斜率變化之位置測定(350)該兩個經處理樣本中之該至少一者的少數摻雜雜質之濃度。

Description

測定半導體材料中所引入之污染的方法
本發明之技術領域係半導體材料產業之領域，且更特別地，是半導體材料之品質控制的領域。
本發明係有關於一種測定在熱處理期間由設備引入半導體材料中之污染的方法。
以半導體材料為基礎之光電或電子裝置的性能強烈取決於所使用半導體材料之雜質。雜質，甚至是有限的數目，被引入半導體材料，會顯著地降低半導體材料之特性，特別是電荷載體之壽命。這些雜質通常是金屬性質。例如，在矽中，當鐵含量達到3.1012cm-3時，電荷載體之壽命為約2.5μs，而目前，大陽光電產業正走向電荷載體之壽命大於1ms之晶圓的使用。因此，重要的是限制半導體受雜質之污染。
然而，通常藉由高溫退火步驟[摻質之表面擴散、植入摻質之活化的步驟、用於金屬化漿料之燒結的快速退火之步驟、用於介質層之沉積的PECVD(電漿加強化學氣相沉積)等]製造光電裝置或積體電路。這些退火的高溫(通常在200℃-1300℃區間內)有利於半導體材 料受最初存在於在退火爐之外殼內的雜質之污染。事實上，退火爐之污染物傾向於在溫度之影響下擴散至半導體材料中。因此，建議確保退火爐的「潔淨」及定期地控制退火爐。
目前存在有用以分析在熱處理期間發生的半導體污染之技術。例如，為了在高溫下控制處理管(treatment tube)，常常使用SIMS(二次離子質譜術)或VPD-ICPMS(氣相分解感應耦合電漿質譜術)類型的分析。這些技術的實施係冗長的。設備的項目係昂貴的且需要熟練勞工。最後，設備的這些項目之偵測極限總是沒有與太陽光電及微電子產業之需求相容。
另一種分析爐污染之方法在於例如藉由光電導衰減(PCD)實施在已經歷所關注的退火步驟之最初純半導體材料上的電荷載體壽命之測量。然而，為了使該測量對體缺陷(volume defects)係敏感的，是以必需實施表面之電鈍化(electrical passivation)的步驟，而這是耗時的且尤其是可能造成樣本的過度污染，因為它們亦是在高溫下實施。
依據本發明之方法的目的是藉由提出一種用於測定由設備引入半導體材料中之污染之可快速測定且簡單實施的替代方案，以解決上述所描述之問題。再者，本發明之方法可適用於極低污染之偵測。
因此，本發明係有關於一種測定由設備引入在摻雜雜質方面未補償之半導體材料所構成的兩個樣本 中之污染的方法，該兩個樣本具有相反的導電類型且每一樣本包括已知導電類型及濃度之多數摻雜雜質，該方法包括不同步驟如下：a)使該兩個樣本之每一者在該設備中受到一熱處理，在該熱處理期間由該設備所引入之污染導致未知導電類型及濃度之摻雜雜質出現在該兩個樣本中，因該污染所造成之摻雜雜質在該兩個經處理樣本中之至少一者中是少數；b)在該兩個經處理樣本之每一者中的測量為溫度之函數的電荷載體密度；c)針對該兩個經處理樣本之每一者定義一表示電荷載體密度之對數作為溫度倒數之函數的曲線；d)針對該兩個經處理樣本之該至少一者偵測該曲線之對應於該等摻雜雜質之電離區(ionisation regime)的區域中之斜率變化的位置；e)根據該斜率變化之位置測定該兩個經處理樣本中之該至少一者的少數摻雜雜質之濃度。
導電類型係用來表示保證導電之電荷載體的類型。具有受體特性之摻雜雜質(供應電洞)具有p型導電性，以及具有施體特性之摻雜雜質(供應電子)具有n型導電性。
熱處理係用來表示使樣本經歷溫度變化(正或負)，以便修改其特性(例如，物理、電氣或機械特性)的任何操作。退火及結晶係熱處理的兩個實例。
除了剛才前段所提及之主要步驟外，依據本發明之方法還可以包括在下面個別考量的其任何技術上可能組合中或依據其任何技術上可能組合的一個或更多特徵：- 針對具有不同濃度之多數摻雜雜質的同一導電類型之複數個樣本重複步驟a)至e)；- 藉由圖形繪製定義表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的該曲線；- 在該熱處理期間由該設備所引入之污染導致第一導電類型之少數摻雜雜質出現在該兩個經處理樣本中之一中，以及在相反於該第一導電類型之第二導電類型的少數摻雜雜質出現在該兩個經處理樣本之另一者中時，針對該兩個經處理樣本實施步驟d)及e)；- 在一帶傳導區(band conduction regime)內之溫度下實施該電荷載體密度之測量，該帶傳導區之下限取決於該樣本之摻雜，通常是在20K與300K間之範圍內；- 藉由霍爾效應(Hall effect)測量為溫度之函數的電荷載體密度。
較佳地，使用與多數摻雜雜質之已知濃度相關聯的列線圖(abacus)，測定該兩個經處理樣本中之該至少一者的少數摻雜雜質之濃度。有利地，與多數摻雜雜質之已知濃度相關聯的該列線圖係一表示斜率變化之位置為少數摻雜雜質之濃度的函數之曲線。例如，可藉由下列步驟獲得此列線圖： - 針對複數個補償程度計算為溫度之函數的電荷載體密度，每一補償程度被定義為少數摻雜雜質之濃度與多數摻雜雜質之已知濃度間的比率；- 針對每一補償程度繪製一表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的曲線；- 針對每一補償程度計算表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的該曲線之二階導數；- 針對每一補償程度測定具有最低溫度且對應於該曲線之對應於該等摻質之電離區的區域中之斜率變化的該二階導數之局部極小值的位置；- 繪製一表示斜率變化的位置為少數摻雜雜質之濃度的函數之曲線。
在依據本發明之方法的第一實施模式中，該設備為一個爐，該熱處理為退火。有利地，使該兩個樣本同時受到該退火處理。
在依據本發明之方法的第二實施模式中，該設備係一個坩堝(crucible)，該兩個樣本之每一者的熱處理包括不同操作如下：- 在該坩堝中熔化一堆半導體材料；- 以晶棒(ingot)之形式使該堆熔化半導體材料結晶。
較佳地，在該兩個樣本之每一者的熱處理後是在該兩個晶棒之每一者中切割出晶圓的操作。
在研讀後面敘述時及藉由檢視伴隨該敘述之圖式，將更加了解本發明及其不同應用。
R1‧‧‧本質區
R2‧‧‧飽和區
R3‧‧‧電離區
310~350、410~450‧‧‧步驟
該等圖式僅代表說明用途及絕對沒有限制本發明。
第1圖係一未補償p型半導體材料及一補償p型半導體材料之電荷載體密度的對數變化為溫度倒數之函數。
第2圖係針對摻質之不同補償程度的電荷載體密度之對數為一p型矽樣本之溫度倒數的函數。
第3圖係依據本發明之方法的一實施模式之功能圖。
第4圖係一與多數摻質之已知濃度相關聯的列線圖之一實施例的功能圖。
在第5圖係針對一以1016cm-3濃度摻雜有硼之p型矽樣本，表示各種補償程度之電荷載體密度的對數為溫度倒數之函數的曲線。
第6圖係表示針對各種補償程度之第5圖的對數曲線之二階導數的曲線。
第7圖係一針對以1012cm-3、1014cm-3、1016cm-3及1017cm-3濃度摻雜有硼之4個未補償p型矽樣本所構成之列線圖。
第8圖係一針對以1012cm-3、1014cm-3、1016cm-3及1017cm-3濃度摻雜有磷之4個未補償n型矽樣本所構成之列線圖。
第9圖係針對以2.45.1016cm-3及1.73.1017cm-3濃度摻雜有磷之兩個最初未補償n型矽樣本，表示在爐中退 火前後的電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的曲線。
第10圖係表示在退火後第9圖之對數曲線的二階導數之曲線。
第11圖係一針對第9圖之兩個未補償n型矽樣本所構成之列線圖。
第12圖係針對一以4.1016cm-3濃度摻雜有硼之最初未補償p型矽樣本，表示在爐中退火後電荷載體密度之對數為溫度倒數及它的二階導數之函數的兩條曲線。
第13圖係一針對第12圖之未補償p型矽樣本所構成之列線圖。
半導體材料之污染導致雜質出現在該材料中。這些雜質是不被期望出現在半導體材料中的，因為這些雜質會修改半導體材料的電氣特性，這些雜質就意義上來是種污染。這些雜質可例如為原子或金屬離子、氧、碳、氮或氫原子。
如果因該污染所造成之雜質在該半導體材料之能帶隙中引進能階，則它們可能是摻雜雜質。如果所引進之能階靠近價帶，則因該污染所造成之雜質為具有受體特性之摻雜雜質，亦稱為p型摻雜雜質。相反地，如果所引進之能階靠近導電帶，則因該污染所造成之雜質為具有施體特性之摻雜雜質，亦稱為n型摻雜雜質。
因污染所造成之摻雜雜質，更簡單地稱為「污染物」，不同於目的要修改導電率之在該半導體材料中 有意識地引入之摻雜雜質。在下面敘述中，當希望區分這些摻雜雜質與污染物時，使用通用術語「摻質」。該等摻質亦可能具有受體特性(p型)，例如，在矽中之硼，或具有施體特性(n型)，例如，在矽中之磷。
當具有受體特性之摻雜雜質的濃度大於具有施體特性之摻雜雜質的濃度時，具有受體特性之摻雜雜質具有資格做為「多數」及具有施體特性之摻雜雜質具有資格做為「少數」。因此，該半導體材料具有所謂的p型導電性。
相反地，當具有施體特性之摻雜雜質的濃度大於具有受體特性之摻雜雜質的濃度時，具有施體特性之摻雜雜質具有資格做為「多數」及具有受體特性之摻雜雜質具有資格做為「少數」。因此，該半導體材料具有所謂的n型導電性。
此外，當該半導體材料包括具有單一導電類型之摻雜雜質時，該半導體材料稱為在摻雜雜質方面沒有補償。另一方面，當該半導體材料同時包括具有受體特性之摻雜雜質及具有施體之摻雜雜質時，該半導體材料稱為在摻雜雜質方面有補償。因而，該半導體材料之補償程度被定義為少數摻雜雜質之濃度與多數摻雜雜質之濃度的比率。
費米-狄克拉統計(Fermi-Dirac statistics)可描述電荷載體密度變化為該半導體材料中之溫度的函數。在一以p型摻雜雜質補償之n型樣本中，由下面方程式算出電荷載體(電子)之濃度：
其中Ea係具有施體特性之摻雜雜質的激發能量，NA係具有受體特性之摻雜雜質的密度，ND係具有施體特性之摻雜雜質的密度，NC係導電帶之狀態的有效密度，k係波茲曼常數及T係溫度。
在一以n型摻雜雜質補償之p型樣本中，由下面方程式算出電荷載體(電洞)之濃度：
其中Ea係具有施體特性之摻雜雜質的激發能量及NV係價帶之狀態的有效密度。
第1圖表示例如一p型半導體材料樣本之電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數，其可由方程式(1)計算出。獲得一包括3個個別區域之曲線，每一個別區域對應於一特別傳導區：本質區R1對應於最高溫度，飽和區R2(亦稱為空乏區R2)對應於中間溫度，以及電離區R3(亦稱為載體凍結區(carrier freeze-out regime)R3)對應於最低溫度。
在該電離區R3中，當溫度下降時，熱能變成逐漸無法充分讓一摻雜原子能依據該摻質原子之導電類型在該價帶中或在該導電帶中釋放它的電荷。換句話說，溫度下降越多，摻雜原子喪失它們的離子特性的機率越高。
在沒有補償該半導體材料之情況下，在第1圖之左側，對應於電離區R3之區域中可觀察到單一斜率。另一方面，在補償該半導體材料之情況下，在第1圖之右側，兩個斜率出現在此相同區域R3中。此現象稱為「雙斜率」。
第2圖針對不同補償程度C顯示在一以1016cm-3濃度摻雜有硼之p型矽樣本的對應於電離區R3之區域中電荷載體密度之對數為溫度倒數(在此，1000/T)之函數。
可以注意到曲線行為之變化為補償程度之函數。事實上，補償程度越低，雙斜率現象越顯著且斜率變化發生之溫度越低。補償程度存在有一個10-1數量級的上限，從該上限起不再出現雙斜率現象。
下面描述一種特性描述方法(characterisation method)，其利用此雙斜率現象及可測定在熱處理期間由設備引入半導體材料中之污染。為了此目的，使最初未補償的半導體材料在該設備中受到熱處理，以便於特性描述。此同樣導致前述情況，其中由該設備引入該半導體材料之污染造成具有相反於該未補償半導體材料之多數摻質的導電類型之污染物的出現。
該雙斜率現象則是可觀看到的，因為從那以後補償該半導體材料。藉由測定斜率變化發生之溫度，可從此推論補償程度及因而，推論少數摻雜雜質之濃度，亦即，污染物之濃度。
在此方法中，使用具有相反導電類型之兩個未補償半導體材料樣本。該半導體材料是例如為矽。該兩個矽樣本中之一係p型的及另一樣本係n型的。再者，已知該兩個樣本之每一者中的摻質之濃度。選擇該兩個樣本，以便該等摻質係多數及該等污染物係少數，以及以便補償程度沒有超過10-1，該雙斜率現象之上限。實際上，總結是選擇多數摻質之濃度為約該等污染物(亦即，少數摻雜雜質)之期望濃度的10倍大。
如果不知道該兩個未補償矽樣本之每一者的多數摻質之濃度，則可例如從該兩個樣本之每一者的電阻值來測定該濃度，此電阻值可由該樣本之製造商提供或藉由四點法(four points method)來測量。
使用兩個樣本(一個是p型及另一個是n型)，因為不知道由該設備引入之污染物的導電類型。為了可觀看到該污染，必須使該等污染物能與該樣本之摻質做區分及因此，該等污染物具有相反於該等多數摻質之導電類型。
因此，相對於兩種類型之摻雜，亦即，在該兩個樣本中之一者具有受體特性之多數摻質及在另一樣本中具有施體特性之多數摻質，由該設備引入之污染物在該兩個樣本中之至少一者中必須是少數。亦基於此理由，使用兩個末補償半導體材料樣本，以便該等污染物不會被「淹沒」在最初存在於該兩個樣本中且具有相同導電類型之少數摻質中。
第3圖表示依據本發明之方法的一實施模式之功能圖。在步驟310之過程中，先使該兩個樣本在該設備中受到熱處理。
在該方法之第一較佳實施模式中，該設備為一個爐及該加熱處理為退火。此方法使在大陽光電或微電子產業中所使用之退火爐的常規控制成為可能。此特別是有利的，因為在製造裝置(積體電路、光伏打電池等)之方法的摻質之表面擴散、植入摻質之活化的步驟、用於金屬化漿料之燒結的快速退火之步驟、用於介質層之沉積的PECVD等中密集地使用這些退火爐。有利地，使該兩個半導體材料樣本(通常，晶圓之形式)同時受到該退火處理。因此，可以將在該兩個樣本之每一者中由該爐所引入之污染視為是相同的。
在一第二實施模式中，希望描述特性的該設備為一坩堝。該兩個半導體材料樣本最初處於堆的形式，一個樣本是p型的及另一樣本是n型的。使每一堆半導體材料先在該坩堝中熔化，然後，以晶棒之形式結晶。明顯地使兩個樣本連續地受到此熱處理。然而，將在該兩個樣本之每一者中由該坩堝所引入之污染視為是相同的。因此，在此第二實施模式中，該等經處理樣本係處於晶棒之形式。
為了有助於此第二實施模式及特別是有助於後面所描述之測量步驟320，在該結晶後可以是在該兩個晶棒之每一者中切割出晶圓的操作。因此，該等經處理樣本係處於晶圓之形式而不是晶棒之形式。有利的是 在最後所結晶之晶棒的部分中切割出每一晶圓。事實上，由於分晶現象(phenomenon of segregation)，最後結晶之晶棒的部分具有最高雜質(摻質及污染物)濃度。因此，該污染係可更易偵測的，該等汚染物以最大量存在(補償程度保持足夠低)。然而，一旦知道在此部分中之污染，由薛爾定律(Scheil’s law)可測定在該晶棒之剩餘部分的污染部之污染及在該最初矽堆中之污染物的濃度。
在該熱處理310後，在電荷載體密度為溫度之函數的該等經處理樣本之每一者(亦即，退火晶圓、晶棒或在該等晶棒中切割出的晶圓)中實施測量步驟320(第3圖)。有利的是在20K與300K間之溫度下實施測量，此溫度範圍包括該電離區R3，該電離區R3可觀察到斜率變化。再者，在此溫度範圍內，測量沒有引入任何新的污染至該等經處理樣本中。為了測量為溫度之函數的電荷載體密度，可利地使用以霍爾效應來測量之技術，其與前述定義之溫度範圍相容。
根據在步驟320中所實施之測量，在步驟330中針對該等經處理樣本之每一者例如藉由圖形繪製定義一表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的曲線。較佳地，藉由下面關係定義該曲線：
以便考量為溫度之函數的參數NV及NC之變化，該變化與T3/2成比例關係，進而改善用以測定該污染之方法的精確度。
在步驟340之過程中，針對表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的兩條曲線中之至少一者，偵測對應於該電離區之區域中的斜率變化之位置。例如，藉由計算為溫度倒數之函數的電荷載體密度之對數的二階導數及藉由測定在對應於該電離區之溫度範圍內此二階導數之局部極小值，實施該偵測步驟340。
然後，在步驟350之過程中根據已提及的斜率變化測定該經處理樣本之少數摻雜雜質(亦即，污染物)的濃度。為此目的，可以使用一提供斜率變化之位置為少數摻雜雜質之濃度的函數之列線圖。在與此樣本之多數摻質的已知濃度相關聯之該列線圖上提報在步驟F3上所測定之斜率變化的位置，接著，讀取少數摻雜雜質之對應濃度。
該設備會造成p型雜質及n型雜質之引入的污染，在此情況下，表示電荷載體密度之對數為該兩個經處理樣本之溫度倒數的函數之該兩條曲線存在有雙斜率現象。
在此情況下，針對該兩個經處理樣本實施對應於該電離區之區域中的斜率變化之位置的偵測步驟340。同樣地，藉由使用兩個個別列線圖，針對該兩個經處理樣本實施少數污染物之濃度的測定步驟350，其中該兩個列線圖之每一者與在該兩個經處理樣本中之一的多數摻質之已知濃度相關聯。
有利地，針對不同數值的多數摻質之濃度(亦即，針對具有不同濃度的多數摻質之數個p型樣本及/或 針對亦具有不同濃度的多數摻質之數個n型樣本)重複依據本發明之第3圖的方法之步驟310至350。此可例如藉由計算從此複數個樣本所獲得之不同數值的污染物之濃度的平均，增加結果之精確度。
第4圖表示在前述測定步驟350中所使用之列線圖的一實施例之功能圖。藉由使用費米-狄克拉統計之方程式(1)及(2)，在步驟410之過程中針對各種補償程度計算為溫度之函數的電荷載體密度。這些補償程度具有相同濃度的多數摻雜雜質。因此，只有少數摻雜雜質之濃度係變動的。
然後，實施步驟420，其針對每一補償程度繪製一表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的曲線(或較佳地依據關係式(3))。第5圖顯示針對一以1016cm-3濃度摻雜有硼之p型矽樣本的曲線之實例，其中補償程度係從10-5至5.10-1。
然後，在步驟430之過程中計算第5圖之每一曲線(亦即，針對每一補償程度)的二階導數。第6圖顯示針對每一補償程度之第5圖的樣本之二階導數的曲線。
接著，針對每一補償程度，在步驟440之過程中，測定具有最低溫度之該二階導數的局部極小值之位置。事實上，存在有數個局部極小值(例如，在第6圖中，數目為2個，具有最高溫度的這個局部極小值對應於區R2及R3間之過渡)，但是只有具有最低溫度的那個局部極小值對應於電離區R3之斜率變化。
最後，在步驟450之過程中，藉由繪製斜率變化之位置(在步驟440中所測定)為少數摻雜雜質之濃度的函數來建立該列線圖，該等少數摻雜雜質之濃度係由在步驟410中選擇之補償程度所產生。
第7圖顯示一針對以1012cm-3、1014cm-3、1016cm-3及1017cm-3濃度摻雜有硼之4個p型矽樣本所構成之列線圖。
接著，可從那裡推論一連結斜率變化發生之溫度TCP及該等少數摻質之濃度的經驗公式，以致於
其中TCP的單位是凱氏溫度(degrees Kelvin)及[少數摻質]的單位是cm-3。在下面表1中記述從第7圖之列線圖所算出之上述公式(4)的係數a及b：
使用相同方法，如第8圖所示，可針對以1012cm-3、1014cm-3、1016cm-3及1017cm-3濃度摻雜有磷之4個n型矽樣本構成相同類型之列線圖。在下面表2中記述從第8圖之列線圖所算出之公式(4)的係數a及b：
在步驟350之實施變型中，可以藉由一處理器根據關係式(4)而不是觀看該列線圖來計算少數摻雜雜質之濃度(該等係數a及b例如儲存在該處理器之記憶體中)。
下面實例將描述依據本發明之方法的具體應用。
在此實例中，試圖測定由RTP(快速熱處理)退火爐所引入之污染，該RTP退火爐意欲例如用於摻質之活化、矽之熱氧化或化學氣相沉積(CVD)。
考量以2.45.1016cm-3及1.73.1017cm-3濃度摻雜有磷之兩個未補償n型矽樣本。將該兩個樣本同時放置在該爐中，以確保它們受到相同熱處理。
如第9圖所示，將在退火前後表示依據關係式(3)之電荷載體密度的對數之曲線繪製成為每一樣本之溫度倒數(在此，1000/T)的函數。根據為溫度之函數的電荷載體密度之測量實施該等曲線之繪製。對於每一樣本，可以注意到在退火前及退火後之該等曲線間的差異，特別是，最低溫度(最大橫座標1000/T)之因該污染所造成的斜率變化。
第10圖表示為溫度倒數之函數的電荷載體密度之對數的二階導數，其針對兩個樣本根據在退火後之對數的數值來計算。對於每一樣本，該二階導數之極小值指示斜率變化之位置。
第11圖顯示針對該兩個樣本之依據第4圖的校準方法所構成之列線圖，其中每一樣本具有它自己的 多數摻質之濃度(2.45.1016cm-3及1.73.1017cm-3)。透過圖形或藉由在下面表3中所記述之公式(4)的係數a及b，針對該兩個樣本之每一者，根據斜率變化之位置測定少數污染物之濃度。
在下面表4中記述少數污染物之濃度的數值：
應該注意到針對該兩個樣本所獲得之少數污染物的濃度之數值係接近的，因而驗證此用以測定污染之方法。少數污染物之總濃度係高的，其數量級為1014cm-3。因而所研究的爐受很大的污染，該爐之汙染係因為它在此實例中包含用於光伏打電池之製造的金屬接點之退火爐。經常將例如鋁或銀之金屬膏引入該爐中，且該爐部分係由像鐵之金屬所構成。
亦使一以4.1016cm-3濃度摻雜有硼之未補償p型矽樣本受到RTP退火，以檢查是否該爐引入具有相反於在該等n型樣本中所偵測到的濃度之導電類型的污染。
如第12圖所示，以相同於前述之方式，針對所考量的樣本，將在退火後表示依據關係式(3)之電荷載 體密度的對數及它的二階導數之曲數繪製成為溫度倒數(在此，1000/T)之函數。根據為溫度之函數的電荷載體密度之測量實施該對數之曲線(在第12圖之上面)的繪製。根據在退火後該對數之數值計算為溫度倒數之函數的電荷載體密度之對數的二階導數(在第12圖之下面)。該二階導數之極小值指示斜率變化之位置。
第13圖顯示針對具有4.1016cm-3之多數摻質的濃度之樣本的依據第4圖之校準方法所構成的列線圖。透過圖形或藉由在下面表5中所記述之公式(4)的係數a及b，根據斜率變化之位置測定在該樣本中之少數污染物的濃度。
在下面表6中記述少數污染物之濃度的數值：
少數污染物之總濃度係高的，其數量級為1014cm-3。因而，該RTP退火爐引入p型污染及n型污染。
依據本發明之方法可偵測非常低的污染值，因為對於低程度的污染而言，可看到該雙斜率現象(對於較低補償程度而言，它更是明顯)。因此，可以偵測到低至109cm-3之污染物的理論濃度。可測定之污染物的濃度 之最低值對應於該半導體材料之背景摻雜(background doping)，亦即，它的純化限制(limit of purification)。
雖然上面已描述關於矽樣本之污染的測定方法，但是可以使用其它半導體材料，特別是像鍺及矽-鍺合金之IV族半導體材料。
310~350‧‧‧步驟

Claims (13)

  1. 一種測定由設備引入在摻雜雜質方面由未補償之半導體材料所構成的兩個樣本中之污染的方法，該兩個樣本具有相反的導電類型且該兩個樣本之每一者包括已知導電類型及濃度之多數摻雜雜質，其特徵在於：該方法包括下列不同步驟：a)使該兩個樣本之每一者在該設備中受到(310)一熱處理，在該熱處理期間由該設備所引入之污染導致未知導電類型及濃度之摻雜雜質出現在該兩個樣本中，因該污染所造成之摻雜雜質在該兩個經處理樣本中之至少一者中是少數；b)在該兩個經處理樣本之每一者中的測量(320)為溫度之函數的電荷載體密度；c)針對該兩個經處理樣本之每一者定義(330)一表示電荷載體密度之對數作為溫度倒數之函數的曲線；d)針對該兩個經處理樣本之該至少一者偵測(340)該曲線之對應於該等摻雜雜質之電離區的區域中之斜率變化的位置；以及e)根據該斜率變化之位置測定(350)該兩個經處理樣本中之該至少一者的少數摻雜雜質之濃度。
  2. 如請求項1之方法，其中，針對具有不同濃度之多數摻雜雜質的同一導電類型之複數個樣本重複步驟a)至e)。
  3. 如請求項1或2項之方法，其中，藉由圖形繪製定義表示電荷載體密度之對數作為溫度倒數之函數的該曲線。
  4. 如請求項1至3項中任一項之方法，其中，使用與多數摻雜雜質之已知濃度相關聯的列線圖，測定該兩個經處理樣本中之該至少一者的少數摻雜雜質之濃度。
  5. 如請求項4之方法，其中，與多數摻雜雜質之已知濃度相關聯的該列線圖，係一表示斜率變化之位置為少數摻雜雜質之濃度的函數之曲線。
  6. 如請求項5之方法，其中，可藉由下列步驟獲得與多數摻質之已知濃度相關聯的該列線圖：- 針對複數個補償程度計算(410)溫度之函數的電荷載體密度，每一補償程度被定義為少數摻雜雜質之濃度與多數摻雜雜質之已知濃度間的比率；- 針對每一補償程度繪製(420)一表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的曲線；- 針對每一補償程度計算(430)表示電荷載體密度之對數為溫度倒數之函數的該曲線之二階導數；- 針對每一補償程度測定(440)具有最低溫度且對應於該曲線之對應於該等摻質之電離區的區域中之斜率變化的該二階導數之局部極小值的位置；- 繪製(450)一表示斜率變化的位置為少數摻雜雜質之濃度的函數之曲線。
  7. 如請求項1至6項中任一項之方法，其中，在該熱處理期間由該設備所引入之污染導致第一導電類型之少數摻雜雜質出現在該兩個經處理樣本中之一中，以及在相反於該第一導電類型之第二導電類型的少數摻雜雜質出現在該兩個經處理樣本之另一者中時，針對該兩個經處理樣本實施步驟d)及e)。
  8. 如請求項1至7項中任一項之方法，其中，在溫度為20K與300K間之範圍下實施電荷載體密度之測量。
  9. 如請求項1至8項中任一項之方法，其中，藉由霍爾效應測量作為溫度之函數的電荷載體密度。
  10. 如請求項1至9項中任一項之方法，其中，該設備為一爐，該熱處理為退火。
  11. 如請求項10之方法，其中，使該兩個樣本同時受到該退火處理。
  12. 如請求項1至11項中任一項之方法，其中，該設備係一個坩堝，該兩個樣本之每一者的熱處理包括不同操作如下：- 在該坩堝中熔化一堆半導體材料；- 以晶棒之形式使該堆熔化半導體材料結晶。
  13. 如請求項12之方法，其中，在該兩個樣本之每一者的熱處理後，是在該兩個晶棒之每一者中切割出晶圓的操作。
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