CN100511623C - 一种测量半导体掺杂浓度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量半导体掺杂浓度的方法，其特征在于：在同一测试***中集成了光载流子辐射测量技术和自由载流子吸收测量技术，同时获得自由载流子的复合辐射信号与吸收信号；通过改变激发光的调制频率，得到频域的载流子辐射信号和吸收信号；通过改变激发光与探测光之间的间距，得到空间域的载流子辐射信号和吸收信号；通过与定标样品的载流子辐射信号和吸收信号数据比较，得到被测样品的掺杂浓度。本发明基于光载流子辐射测量技术和自由载流子吸收技术，由于集成了两路独立信号各自在频域和空间域上的信息，大大提高了掺杂浓度的测量精度。

Description

一种测量半导体掺杂浓度的方法

技术领域

本发明属于半导体材料无损检测技术领域，特别涉及一种确定半导体掺杂浓度的方法。

背景技术

从半导体材料来看，本征半导体的导电性能很差，只有在其中加入少量杂质，使其结构和电阻率发生改变时，半导体才能成为一种有用的功能材料。对半导体材料进行掺杂是制备半导体器件的基础，而掺杂原子的分布情况直接影响到半导体器件的性能。因此，对半导体中杂质浓度及其均匀性的精确监测和控制是半导体制造技术中一个非常关键的技术难点。

目前用于工业上对杂质浓度进行在线检测的常见技术为四探针法和热波技术。通过四探针法可测得材料的电阻率，然后由电阻率与杂质浓度的关系推出杂质浓度，但这是一种接触性测量方法，测量过程中会对样品表面造成损伤。热波技术广泛应用于微电子工业制造过程中监测杂质离子注入的剂量浓度，通过激发光在半导体内的加热作用，导致了另一束探测光反射系数的变化，这一变化量依赖于半导体中杂质和缺陷的浓度，通过将晶格缺陷的数目与离子注入条件联系起来再与定标数据比较，即可得到半导体的掺杂浓度。但由于反射信号包含了半导体内温度场和载流子波的双重影响，给测量定标带来困难并在一定程度上影响了测量精度。

2003年，加拿大多伦多大学的Mandelis教授提出了光载流子辐射测量(Photocarrier Radiometry，PCR)技术用于对半导体材料电子输运特性的测量和对掺杂离子浓度以及空间均匀性的监测，因为测量信号完全滤除了温度场的影响，信号随浓度的增加单调减小，使得信号处理和定标有了很大程度的改善，但测量精度并无明显提高。2006年，自由载流子吸收(Free-carriers Absorption，FCA)技术也被应用于半导体杂质浓度的检测(中国专利申请号200610165081.6，公开号CN1971868，公开日2007.05.30)。这两种方法分别通过测量载流子复合辐射信号和吸收信号得到了与掺杂浓度的关联信息，实际上这两路不同信号可以在同一套实验***中同时获得，而通过两种独立的测量方法对同一参数进行测量是提高其确信度的有力保障，在很大程度上也提高了其测量精度。目前还没有将这两项技术集成应用的相关报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种测量半导体掺杂浓度的方法，该方法集成了光载流子辐射测量技术和自由载流子吸收测量技术，提高了测量半导体材料掺杂浓度的精度。

本发明的技术解决方案：一种测量半导体掺杂浓度的方法，其特点在于步骤如下：

(1)将强度调制的激发光和连续的探测光同时照射到掺杂半导体上同一或相邻位置，半导体因吸收激发光能量产生自由载流子，载流子复合发光产生辐射信号S_PCR，透射的探测光也因自由载流子的吸收而形成自由载流子吸收信号S_FCA，通过锁相放大器可同时测得两信号的振幅值和相位值；

(2)固定激发光与探测光之间间距Δd不变，改变激发光的调制频率f，重复上述过程，得到Δd不变时每一频率所对应的输出信号，包括复合辐射信号S_PCR的一次谐波振幅值A_PCR(f)和相位值φ_PCR(f)以及自由载流子吸收信号S_FCA的一次谐波振幅值A_FCA(f)和相位值φ_FCA(f)；

(3)固定激发光的调制频率f不变，改变激发光与探测光之间的间距Δd，重复上述过程，得到某一频率时不同间距对应的输出信号，包括复合辐射信号S_PCR的一次谐波振幅值A_PCR(Δd)和相位值φ_PCR(Δd)以及自由载流子吸收信号S_FCA的一次谐波振幅值A_FCA(Δd)和相位值φ_FCA(Δd)；

(4)将步骤(2)和步骤(3)测得的数据与定标样品数据比较，得到待测样品的掺杂浓度。

所述的激发光可聚焦在样品某一表面或采用两束激发光在双面同时聚焦于对应位置，且每次聚焦的光斑半径大小相同。

所述的调制激发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；所述的探测光采用低功率的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。

所述的激发光强度被周期性地调制。

所述的调制激发光强度通过调制半导体激光器的驱动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或斩波器调制连续激光束来实现。

所述的调制激发光的光子能量大于被测本征半导体禁带宽度；所述的探测光光子能量小于被测本征半导体禁带宽度。

所述的激发光与探测光分别采用不同的透镜聚焦或者采用同一消色散透镜或显微物镜聚焦到待测掺杂半导体表面或者不聚焦；激发光和探测光可垂直入射或斜入射到样品表面；激发光和探测光在样品表面重合或相距在载流子扩散长度的范围之内。

所述的探测载流子复合辐射信号的光电探测器前需加滤光镜完全滤除激发光杂散光和探测光，并使载流子复合产生的辐射光有高的透光率。

所述的探测自由载流子吸收信号的光电探测器前需加滤光镜完全滤除载流子复合产生的辐射光和激发光杂散光，并对探测光有高的透光率。

通过优化f和Δd的组合或单独采用仅改变f或改变Δd的方案，用尽可能少的实验点(最好是单一f和Δd的组合的实验点数据)来保证实验的测量精度。

本发明的原理：当一束光子能量大于半导体禁带宽度(hω>E_g)的激发光照射在被测样品表面时，部分光子将被半导体材料吸收并在半导体内产生自由载流子，这些载流子并不稳定，它们会通过多种途径进行复合。一部分载流子伴随声子发射释放能量进行非辐射复合，另一部分载流子则通过产生光子的形式辐射复合释放能量，包括能带之间的直接复合和通过杂质或缺陷等复合中心间接复合，产生的辐射光经收集形成载流子辐射信号。另外，当一束光子能量小于半导体禁带宽度的探测光通过自由载流子区域时会被载流子部分吸收，形成自由载流子吸收信号。在光强较弱时，信号的大小正比于载流子的浓度。

在本发明中，由激发光在半导体内周期性产生自由载流子，载流子的复合产生与被测半导体禁带宽度以及和杂质缺陷能级相对应的辐射光，形成光载流子辐射信号S_PCR，载流子对探测光的部分吸收形成自由载流子吸收信号S_FCA；这两路信号与被测半导体中载流子的输运参数，激发光的调制频率f以及探测点与激发光之间的距离Δd有关，而载流子的输运参数与掺杂浓度Dose直接相关，即：S＝f(Dose，f，Δd)。通过调整f和Δd，得到两路信号不同的振幅和相位值，与标准的掺杂样品数据相比可得被测样品的掺杂浓度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明基于光载流子辐射测量技术和自由载流子吸收技术，由于集成了两路独立信号各自在频域和空间域上的信息，大大提高了掺杂浓度的测量精度。

附图说明

图1为实现本发明的测量装置结构示意图；图中：1 激发激光光源、2 探测激光光源、3 信号发生器、4 计算机、5 反射镜、6 精密位移台、7 分光镜、8 荧光收集***、9 滤光镜、10 样品台、11 载流子辐射信号光电探测器、12 滤光镜、13 载流子吸收信号光电探测器、14 锁相放大器、15，16 聚焦透镜；

图2为本发明的光载流子辐射信号和自由载流子吸收信号与频率f的关系曲线，图2a振幅曲线，图2b为相位曲线；

图3为本发明的光载流子辐射信号和自由载流子吸收信号随掺杂浓度增加的走势图，调制频率为1kHz，两束光间距Δd＝0。

具体实施方式

下面给出本发明的一个具体实施例：通过本方法，对一硅片样品在两束光间距Δd＝0时进行测量。所用硅片样品参数：P型，晶向<100>，电阻率15-25Ω·cm，厚度550μm，表面注入P离子掺杂。

如图1所示，实现本发明的测量装置包括：激发激光光源1、探测激光光源2、信号发生器3、计算机4、反射镜5、精密位移台6、分光镜7、荧光收集***8、滤光镜9、样品台10、载流子辐射信号光电探测器11、滤光镜12、载流子吸收信号光电探测器13、锁相放大器14、聚焦透镜15和16。信号发生器3输出周期的方波信号，信号频率在83Hz—436kHz间呈等比数列增加，取32个点；采用单光束单面聚焦，激光器1选择波长830nm的可调半导体激光器，最大功率96mw；激光器2为波长1310nm的半导体连续光激光器，功率6mw；荧光收集***8为一对对称的离轴抛物面镜；滤光片9为带通滤光片，对1000-1200nm的光高通，透过率为大于78％，对波长为830nm和1310nm的光透光率小于0.1％；滤光片12为高通滤光片，对波长小于1250nm的光波透光率小于0.1％，对1310nm光透过率为大于76％；光电探测器11和13均为InGaAs光电探测器，探测光波波长范围800-1700nm；锁相放大器最大探测频率为2MHz。

本发明的具体测量步骤：

1、将被测样品固定在样品架上，依次打开信号发生器3、激发激光光源1和探测激光光源2、载流子辐射信号光电探测器11和载流子吸收信号光电探测器13、锁相放大器14；

2、组合调节聚焦透镜16、荧光收集***8、载流子辐射信号光电探测器11的位置，使载流子辐射信号光电探测器11的输出信号振幅值达到最大；

3、调节聚焦透镜15、分光镜7、载流子吸收信号光电探测器13的位置，使载流子吸收信号光电探测器13的输出信号振幅值达到最大，此时激发光与探测光聚焦在样品上同一点；

4、调节信号发生器3于第一个频点，记录此时载流子辐射信号光电探测器11的振幅值A_PCR(f)和相位值φ_PCR(f)，载流子吸收信号光电探测器13的振幅值A_FCA(f)和相位值φ_FCA(f)；

5、改变信号发生器3的频率，重复步骤(4)，所得的测试结果如图2所示。由图2可看出：两路信号的振幅和相位值均随频率的增加单调减小，低频时信号为与频率无关的函数，当频率增加时，载流子吸收信号的振幅值φ_FCA(f)和相位值φ_FCA(f)随频率的变化更大，而当频率进一步增加时，载流子吸收信号的相位值φ_PCR(f)也会产生大的相移。两路信号随频率变化影响大小的不同在一定程度上保证了测量的精度；

6、对不同掺杂浓度的样品进行测试，得到如图3所示激发光调制频率为1KHz时的结果。由图3可看出：测量的振幅值随掺杂浓度的增加而减小，但由于不同浓度的掺杂离子对样品微观结构产生损伤程度不同，例如杂质和缺陷的浓度和分布、高浓度时引起样品的非晶化等，使得信号随浓度变化的关系比较复杂；

7、将被测样品的信号与定标样品产生的信号对比，比较待测样品与定标样品数据振幅和相位值的偏差，偏差值最小时对应的定标样品掺杂浓度即为被测样品的掺杂浓度。

Claims (10)

1、一种测量半导体掺杂浓度的方法，其特征在于如下步骤：

(1)将强度调制的激发光和连续的探测光同时照射到掺杂半导体上同一或相邻位置，半导体因吸收激发光能量产生自由载流子，载流子复合发光产生辐射信号S_PCR，透射的探测光也因自由载流子的吸收而形成自由载流子吸收信号S_FCA，通过锁相放大器可同时测得两信号的振幅值和相位值；

(2)固定激发光与探测光之间间距Δd不变，改变激发光的调制频率f，重复上述过程，得到Δd不变时每一频率所对应的输出信号，包括复合辐射信号S_PCR的一次谐波振幅值A_PCR(f)和相位值φ_PCR(f)以及自由载流子吸收信号S_FCA的一次谐波振幅值A_FCA(f)和相位值φ_FCA(f)；

(3)固定激发光的调制频率f不变，改变激发光与探测光之间的间距Δd，重复上述过程，得到某一频率时不同间距对应的输出信号，包括复合辐射信号S_PCR的一次谐波振幅值A_PCR(Δd)和相位值φ_PCR(Δd)以及自由载流子吸收信号S_FCA的一次谐波振幅值A_FCA(Δd)和相位值φ_FCA(Δd)；

(4)将步骤(2)和步骤(3)测得的数据与定标样品数据比较，得到待测样品的掺杂浓度。

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：所述的激发光可聚焦在样品某一表面或采用两束激发光在样品的正反两面同时聚焦于正反两面的对应位置，且每次聚焦的光斑半径大小相同。

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：所述的调制激发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；所述的探测光采用低功率的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。

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：所述的激发光强度被周期性地调制。

5、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：所述的调制激发光强度通过调制半导体激光器的驱动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或斩波器调制连续激光束来实现。

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：所述的调制激发光的光子能量大于被测本征半导体禁带宽度；所述的探测光光子能量小于被测本征半导体禁带宽度。

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：所述的激发光与探测光分别采用不同的透镜聚焦或者采用同一消色散透镜或显微物镜聚焦到待测掺杂半导体表面或者不聚焦；激发光和探测光可垂直入射或斜入射到样品表面；激发光和探测光在样品表面重合或相距在载流子扩散长度的范围之内。

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：所述的探测载流子复合辐射信号的光电探测器前需加滤光镜完全滤除激发光杂散光和探测光，并使载流子复合产生的辐射光有高的透光率。

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：所述的探测自由载流子吸收信号的光电探测器前需加滤光镜完全滤除载流子复合产生的辐射光和激发光杂散光，并对探测光有高的透光率。

10、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：通过优化f和Δd的组合或单独采用仅改变f或改变Δd的方案来保证测量精度。

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