專利名稱：一種測量半導體摻雜濃度的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體材料無損檢測技術領域，特別涉及一種確定半導體摻 雜濃度的方法。
背景技術：
從半導體材料來看，本征半導體的導電性能很差，只有在其中加入少量雜質(zhì)，使其結構和電阻率發(fā)生改變時，半導體才能成為一種有用的功能材料。 對半導體材料進行摻雜是制備半導體器件的基礎，而摻雜原子的分布情況直接影響到半導體器件的性能。因此，對半導體中雜質(zhì)濃度及其均勻性的精確 監(jiān)測和控制是半導體制造技術中一個非常關鍵的技術難點。目前用于工業(yè)上對雜質(zhì)濃度進行在線檢測的常見技術為四探針法和熱 波技術。通過四探針法可測得材料的電阻率，然后由電阻率與雜質(zhì)濃度的關 系推出雜質(zhì)濃度，但這是一種接觸性測量方法，測量過程中會對樣品表面造 成損傷。熱波技術廣泛應用于微電子工業(yè)制造過程中監(jiān)測雜質(zhì)離子注入的劑 量濃度，通過激發(fā)光在半導體內(nèi)的加熱作用，導致了另一束探測光反射系數(shù) 的變化，這一變化量依賴于半導體中雜質(zhì)和缺陷的濃度，通過將晶格缺陷的 數(shù)目與離子注入條件聯(lián)系起來再與定標數(shù)據(jù)比較，即可得到半導體的摻雜濃 度。但由于反射信號包含了半導體內(nèi)溫度場和載流子波的雙重影響，給測量 定標帶來困難并在一定程度上影響了測量精度。2003年，加拿大多倫多大學的Mandelis教授提出了光載流子輻射測量 (Photocarrier Radiometry, PCR)技術用于對半導體材料電子輸運特性的 測量和對摻雜離子濃度以及空間均勻性的監(jiān)測，因為測量信號完全濾除了溫
度場的影響，信號隨濃度的增加單調(diào)減U、，使得信號處理和定標有T很大程度的改善，但測量精度并無明顯提高。2006年，自由載流子吸收 (Free-carriers Absorption, FCA)技術也被應用于半導體雜質(zhì)濃度的才企測 (中國專利申請?zhí)?00610165081.6,公開號CN1971868，
公開日
2007.05.30)。這兩種方法分別通過測量載流子復合輻射信號和吸收信號得 到了與摻雜濃度的關聯(lián)信息，實際上這兩路不同信號可以在同一套實驗系統(tǒng) 中同時獲得，而通過兩種獨立的測量方法對同一參數(shù)進行測量是提高其確信 度的有力保障，在很大程度上也提高了其測量精度。目前還沒有將這兩項技 術集成應用的相關報道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種測量半導體摻 雜濃度的方法，該方法集成了光載流子輻射測量技術和自由載流子吸收測量 技術,提高了測量半導體材料摻雜濃度的精度。本發(fā)明的技術解決方案 一種測量半導體摻雜濃度的方法，其特點在于 步驟如下(1 )將強度調(diào)制的激發(fā)光和連續(xù)的探測光同時照射到摻雜半導體上同 一或相鄰位置，半導體因吸收激發(fā)光能量產(chǎn)生自由載流子，載流子復合發(fā)光 產(chǎn)生輻射信號S^，透射的探測光也因自由載流子的吸收而形成自由載流子吸收信號&"，通過鎖相放大器可同時測得兩信號的振幅值和相位值；(2) 固定激發(fā)光與探測光之間間距Ad不變，改變激發(fā)光的調(diào)制頻率/， 重復上述過程，得到zW不變時每一頻率所對應的輸出信號，包括復合輻射 信號的一次諧波振幅值^^(/)和相位值0m(/)以及自由載流子吸收信號的 一次諧波振幅值^c,(/)和相位值-^(/);(3) 固定激發(fā)光的調(diào)制頻率/不變，改變激發(fā)光與探測光之間的間距 Ac/，重復上述過程，得到某一頻率時不同'間距對應的輸出'信號，包括復合輻射信號的 一次諧波振幅值^^(ZW)和相位值&OT(Ac/)以及自由載流子吸 收信號的 一次諧波振幅值^^(A力和相位值^a(A力；(4)將步驟(2)和步驟(3)測得的數(shù)據(jù)與定標樣品數(shù)據(jù)比較，得到 待測樣品的摻雜濃度。所述的激發(fā)光可聚焦在樣品某一表面或采用兩束激發(fā)光在雙面同時聚 焦于對應位置，且每次聚焦的光斑半徑大小相同。所述的調(diào)制激發(fā)光采用連續(xù)半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器 或氣體激光器作為光源；所述的探測光采用低功率的連續(xù)半導體激光器或二 極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作為光源。所述的激發(fā)光強度被周期性地調(diào)制。所述的調(diào)制激發(fā)光強度通過調(diào)制半導體激光器的驅(qū)動電流或電壓，或采 用聲光調(diào)制器、或電光調(diào)制器、或斬波器調(diào)制連續(xù)激光束來實現(xiàn)。所述的調(diào)制激發(fā)光的光子能量大于被測本征半導體禁帶寬度；所述的探 測光光子能量小于被測本征半導體禁帶寬度。所述的激發(fā)光與探測光分別采用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散 透鏡或顯微物鏡聚焦到待測摻雜半導體表面或者不聚焦；激發(fā)光和探測光可 垂直入射或斜入射到樣品表面；激發(fā)光和探測光在樣品表面重合或相距在載 流子擴散長度的范圍之內(nèi)。所述的探測載流子復合輻射信號的光電探測器前需加濾光鏡完全濾除 激發(fā)光雜散光和探測光，并使載流子復合產(chǎn)生的輻射光有高的透光率。所述的探測自由載流子吸收信號的光電探測器前需加濾光鏡完全濾除 載流子復合產(chǎn)生的輻射光和激發(fā)光雜散光，并對探測光有高的透光率。少的實驗點(最好是單一/和Ad的組合的實驗點數(shù)據(jù))來保證實^r的測量精 度。本發(fā)明的原理當一來光予能量大于半導體禁帶寬度(脅>&)的激發(fā)々方案，用盡可能
光照射在被測樣品表面時，部分光子將被半導體材料吸收并在半導體內(nèi)產(chǎn)生 自由載流子，這些載流子并不穩(wěn)定，它們會通過多種途徑進行復合。 一部分 載流子伴隨聲子發(fā)射釋放能量進行非輻射復合，另一部分載流子則通過產(chǎn)生 光子的形式輻射復合釋放能量，包括能帶之間的直接復合和通過雜質(zhì)或缺陷 等復合中心間接復合，產(chǎn)生的輻射光經(jīng)收集形成載流子輻射信號。另外，當 一束光子能量小于半導體禁帶寬度的探測光通過自由載流子區(qū)域時會被載 流子部分吸收，形成自由載流子吸收信號。在光強較弱時，信號的大小正比 于載流子的濃度。
在本發(fā)明中，由激發(fā)光在半導體內(nèi)周期性產(chǎn)生自由載流子，載流子的復 合產(chǎn)生與被測半導體禁帶寬度以及和雜質(zhì)缺陷能級相對應的輻射光，形成光 載流子輻射信號S(PCR)，載流子對探測光的部分吸收形成自由載流子吸收信號S(FCA)這兩路信號與被測半導體中載流子的輸運參數(shù)，激發(fā)光的調(diào)制頻率/以 及探測點與激發(fā)光之間的距離Delta d有關，而載流子的輸運參數(shù)與摻雜濃度Dose直接相關，即S=f(Dose,f,Delta d)通過調(diào)整f和Delta d，得到兩路信號不同 的振幅和相位值，與標準的摻雜樣品數(shù)據(jù)相比可得被測樣品的摻雜濃度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明基于光載流子輻射測量技術 和自由載流子吸收技術，由于集成了兩路獨立信號各自在頻域和空間域上的 信息，大大提高了摻雜濃度的測量精度。


圖1為實現(xiàn)本發(fā)明的測量裝置結構示意圖；圖中1激發(fā)激光光源、2探 測激光光源、3信號發(fā)生器、4計算機、5反射鏡、6精密位移臺、7分 光鏡、8熒光收集系統(tǒng)、9濾光鏡、10樣品臺、11載流子輻射信號光電 探測器、12濾光鏡、13載流子吸收信號光電探測器、14鎖相放大器、15， 16聚焦透鏡；
圖2為本發(fā)明的光載流子輻射信號.和ll由載流子吸收信號與頻率f的關 系曲線，圖2a振幅曲線，圖2b為相位曲線；圖3為本發(fā)明的光載流子輻射信號和自由載流子吸收信號隨摻雜濃度增 加的走勢圖，調(diào)制頻率為1kHz,兩束光間距zw-o。
具體實施方式
下面給出本發(fā)明的一個具體實施例通過本方法，對一硅片樣品在兩束 光間距Acf-O時進行測量。所用硅片樣品參數(shù)P型，晶向<100>，電阻率 15-25q.cw，厚度550戶，表面注入P離子摻雜。如圖1所示，實現(xiàn)本發(fā)明的測量裝置包括激發(fā)激光光源1、探測激光光 源2、信號發(fā)生器3、計算機4、反射鏡5、精密位移臺6、分光鏡7、焚光收 集系統(tǒng)8、濾光鏡9、樣品臺10、載流子輻射信號光電探測器11、濾光鏡12、 載流子吸收信號光電探測器13、鎖相放大器14、聚焦透鏡15和16。信號發(fā) 生器3輸出周期的方波信號，信號頻率在83HZ"436kHz間呈等比數(shù)列增加， 取32個點；采用單光束單面聚焦，激光器1選擇波長830nm的可調(diào)半導體激 光器，最大功率96mw;激光器2為波長1310nm的半導體連續(xù)光激光器，功 率6mw;熒光收集系統(tǒng)8為一對對稱的離軸拋物面鏡；濾光片9為帶通濾光片， 對IOOO- 1200nm的光高通，透過率為大于78%，對波長為830nm和1310nm 的光透光率小于0.1%;濾光片12為高通濾光片，對波長小于1250nm的光波 透光率小于0.1。/。，對1310nm光透過率為大于76。/。；光電探測器11和13均為 InGaAs光電探測器，探測光波波長范圍800-1700nm;鎖相放犬器最大探測 頻率為2MHz。本發(fā)明的具體測量步驟1、 將被測樣品固定在樣品架上，依次打開信號發(fā)生器3、激發(fā)激光光源 1和探測激光光源2、載流子輻射信號光電探測器11和載流子吸收信號光電 探測器13、鎖相放大器14;2、 組合調(diào)節(jié)聚焦透鏡16、熒光收集系統(tǒng)8、載流子輻射信號光電探測
器11的位置，使載流予輻射信號光電探測器TT的曹出信號振幅值達到最大;3、 調(diào)節(jié)聚焦透鏡15、分光鏡7、載流子吸收信號光電探測器13的位置， 使載流子吸收信號光電探測器13的輸出信號振幅值達到最大，此時激發(fā)光與 探測光聚焦在樣品上同一點；4、 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器3于第一個頻點，記錄此時載流子輻射信號光電探測 器11的振幅值^^(/)和相位值,載流子吸收信號光電探測器13的振幅 值4,(/)和相位值U/);5、 改變信號發(fā)生器3的頻率，重復步驟(4)，所得的測試結果如圖2 所示。由圖2可看出兩路信號的振幅和相位值均隨頻率的增加單調(diào)減小， 低頻時信號為與頻率無關的函數(shù)，當頻率增加時，載流子吸收信號的振幅值4^(/)和相位值&cM(/)隨頻率的變化更大，而當頻率進一步增加時，載流子 吸收信號的相位值^^(/)也會產(chǎn)生大的相移。兩路信號隨頻率變化影響大小的不同在一定程度上保證了測量的精度；6、 對不同摻雜濃度的樣品進行測試，得到如圖3所示激發(fā)光諷制頻率為 1KHz時的結果。由圖3可看出測量的振幅值隨摻雜濃度的增加而減小，但 由于不同濃度的摻雜離子對樣品微觀結構產(chǎn)生損傷程度不同，例如雜質(zhì)和缺 陷的濃度和分布、高濃度時引起樣品的非晶化等，使得信號隨濃度變化的關 系比較復雜；7、 將被測樣品的信號與定標樣品產(chǎn)生的信號對比，比較待測樣品與定 標樣品數(shù)據(jù)振幅和相位值的偏差，偏差值最小時對應的定標樣品摻雜濃度即 為被測樣品的摻雜濃度。
權利要求
1、一種測量半導體摻雜濃度的方法，其特征在于如下步驟(1)將強度調(diào)制的激發(fā)光和連續(xù)的探測光同時照射到摻雜半導體上同一或相鄰位置，半導體因吸收激發(fā)光能量產(chǎn)生自由載流子，載流子復合發(fā)光產(chǎn)生輻射信號SPCR，透射的探測光也因自由載流子的吸收而形成自由載流子吸收信號SFCA，通過鎖相放大器可同時測得兩信號的振幅值和相位值；(2)固定激發(fā)光與探測光之間間距Δd不變，改變激發(fā)光的調(diào)制頻率f，重復上述過程，得到Δd不變時每一頻率所對應的輸出信號，包括復合輻射信號SPCR的一次諧波振幅值APCR(f和相位值φPCR(f)以及自由載流子吸收信號SFCA的一次諧波振幅值AFCA(f)和相位值φFCA(f)；(3)固定激發(fā)光的調(diào)制頻率f不變，改變激發(fā)光與探測光之間的間距Δd，重復上述過程，得到某一頻率時不同間距對應的輸出信號，包括復合輻射信號SPCR的一次諧波振幅值APCR(Δd)和相位值φPCR(Δd)以及自由載流子吸收信號SFCA的一次諧波振幅值AFCA(Δd)和相位值φFCA(Δd)；(4)將步驟(2)和步驟(3)測得的數(shù)據(jù)與定標樣品數(shù)據(jù)比較，得到待測樣品的摻雜濃度。
2、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所 述的激發(fā)光可聚焦在樣品某一表面或采用兩束激發(fā)光在雙面同時聚焦于對 應位置，且每次聚焦的光斑半徑大小相同。
3、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所述 的調(diào)制激發(fā)光采用連續(xù)半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激 光器作為光源；所述的探測光采用低功率的連續(xù)半導體激光器或二極管泵浦 的固體激光器或氣體激光器作為光源。
4、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所述的激發(fā)光強度被周期性地調(diào)制。
5、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所述 的調(diào)制激發(fā)光強度通過調(diào)制半導體激光器的驅(qū)動電流或電壓，或采用聲光調(diào) 制器、或電光調(diào)制器、或斬波器調(diào)制連續(xù)激光束來實現(xiàn)。
6、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所述 的調(diào)制激發(fā)光的光子能量大于被測本征半導體禁帶寬度；所述的探測光光子 能量小于被測本征半導體禁帶寬度。
7、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所述 的激發(fā)光與探測光分別采用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散透鏡或顯 微物鏡聚焦到待測摻雜半導體表面或者不聚焦；激發(fā)光和探測光可垂直入射 或斜入射到樣品表面；激發(fā)光和探測光在樣品表面重合或相距在載流子擴散 長度的范圍之內(nèi)。
8、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所述 的探測載流子復合輻射信號的光電探測器前需加濾光鏡完全濾除激發(fā)光雜 散光和探測光，并使載流子復合產(chǎn)生的輻射光有高的透光率。
9、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于所述 的探測自由載流子吸收信號的光電探測器前需加濾光鏡完全濾除載流子復 合產(chǎn)生的輻射光和激發(fā)光雜散光，并對探測光有高的透光率。
10、 根據(jù)權利要求1所述的半導體摻雜濃度測量方法，其特征在于通 過優(yōu)化/和Ad的組合或單獨采用僅改變/或改變Ad的方案來保證測量精度。
全文摘要
一種測量半導體摻雜濃度的方法，其特征在于在同一測試系統(tǒng)中集成了光載流子輻射測量技術和自由載流子吸收測量技術，同時獲得自由載流子的復合輻射信號與吸收信號；通過改變激發(fā)光的調(diào)制頻率，得到頻域的載流子輻射信號和吸收信號；通過改變激發(fā)光與探測光之間的間距，得到空間域的載流子輻射信號和吸收信號；通過與定標樣品的載流子輻射信號和吸收信號數(shù)據(jù)比較，得到被測樣品的摻雜濃度。本發(fā)明基于光載流子輻射測量技術和自由載流子吸收技術，由于集成了兩路獨立信號各自在頻域和空間域上的信息，大大提高了摻雜濃度的測量精度。
文檔編號H01L21/66GK101159243SQ20071012048
公開日2008年4月9日 申請日期2007年8月20日 優(yōu)先權日2007年8月20日
發(fā)明者劉顯明, 李斌成 申請人:中國科學院光電技術研究所