專利名稱：一種基于自由載流子吸收技術(shù)的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)半導(dǎo)體特性的測(cè)量方法，尤其是一種半導(dǎo)體摻雜濃度的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
摻雜是半導(dǎo)體器件中形成pn結(jié)的基礎(chǔ)，是調(diào)控半導(dǎo)體器件電學(xué)性能的主要手段，是微電子制造技術(shù)中非常重要的環(huán)節(jié)，摻雜濃度及其均勻性的精確控制在很大程度上決定了微電子設(shè)備的性能。準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)摻雜半導(dǎo)體的摻雜濃度是半導(dǎo)體制造技術(shù)中一個(gè)非常重要的課題。
從國(guó)內(nèi)外技術(shù)查新和文獻(xiàn)檢索的情況看，現(xiàn)有的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法有(1)傳統(tǒng)方法測(cè)量半導(dǎo)體摻雜的傳統(tǒng)方法，如盧瑟福背散射、二級(jí)離子質(zhì)譜儀、擴(kuò)散電阻法、四探針測(cè)量法等，由于自身的缺陷，應(yīng)用受到一定的限制。其中，盧瑟福背散射只能探測(cè)質(zhì)量較大離子的摻雜濃度；二級(jí)離子質(zhì)譜儀本質(zhì)上是一種破壞性的測(cè)量方法，在測(cè)量過(guò)程中會(huì)破壞半導(dǎo)體的特性；擴(kuò)散電阻法也是一種破壞性的測(cè)量方法，在測(cè)量過(guò)程中也會(huì)破壞半導(dǎo)體的特性；四探針測(cè)量法測(cè)量精度受到探針尺寸大小的限制，主要用于高摻雜濃度的測(cè)量。
(2)熱波熱探針?lè)ó?dāng)前工業(yè)上使用熱波法中的光調(diào)制反射-熱探針技術(shù)(W.Lee Smith，Allan Rosencwaig，and David L. Willenborg，Ion implant monitoring withthermal wave technology，Appl.Phys.Lett.47，584-586(1984))測(cè)量半導(dǎo)體摻雜濃度，主要用于低摻雜濃度的測(cè)量，但是熱探針?lè)ㄓ衅渥陨淼娜秉c(diǎn)a.測(cè)量的摻雜濃度范圍為1011-1016cm-2。對(duì)于較低的注入能量(＜5keV)、較低的摻雜濃度(≤1011cm-2)的摻雜半導(dǎo)體，不能準(zhǔn)確測(cè)量其摻雜濃度；b.若摻雜半導(dǎo)體再經(jīng)退火處理后，測(cè)量范圍有一定程度的擴(kuò)大，但靈敏度會(huì)下降；c.由于探測(cè)器探測(cè)的調(diào)制反射信號(hào)受半導(dǎo)體內(nèi)溫度場(chǎng)和載流子分布的雙重影響，其信號(hào)振幅和相位與摻雜濃度之間不是單調(diào)性的，而是非常復(fù)雜的函數(shù)，給測(cè)量定標(biāo)帶來(lái)困難，并在一定程度上影響了測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服熱探針?lè)椒ǖ牟蛔?，提供一種以光子能量大于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的光強(qiáng)周期性調(diào)制的連續(xù)激光為泵浦光、以光子能量小于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的連續(xù)激光為探測(cè)光的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，該方法測(cè)量范圍大、測(cè)量精度和靈敏度高。
本發(fā)明測(cè)量半導(dǎo)體摻雜濃度的目的是通過(guò)運(yùn)用自由載流子吸收技術(shù)達(dá)到的，特點(diǎn)在于(1)將一束光子能量大于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的光強(qiáng)周期性調(diào)制的泵浦光和另一束光子能量小于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的探測(cè)光同時(shí)照射到半導(dǎo)體表面的同一或相鄰位置；由光電探測(cè)器(為光電二極管探測(cè)器、或光電倍增管等)探測(cè)透過(guò)半導(dǎo)體或者從其后表面反射的探測(cè)光強(qiáng)度變化，得到輸出電流或電壓信號(hào)。
(2)用鎖相放大器記錄該輸出電流或電壓信號(hào)的一次諧波振幅和/或相位，比較待測(cè)摻雜半導(dǎo)體和標(biāo)準(zhǔn)摻雜半導(dǎo)體的振幅和/或相位，得到待測(cè)摻雜半導(dǎo)體的摻雜濃度。
所述的泵浦光和探測(cè)光采用連續(xù)半導(dǎo)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。
本發(fā)明的原理是采用連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作泵浦光源，要求光子能量大于本征半導(dǎo)體禁帶寬度；泵浦光強(qiáng)度周期性調(diào)制；采用連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作探測(cè)光源，要求光子能量小于本征半導(dǎo)體禁帶寬度；兩束光同時(shí)照射到半導(dǎo)體表面的同一或相鄰位置；泵浦光除了部分被反射之外，其余均被半導(dǎo)體吸收，半導(dǎo)體內(nèi)部周期性產(chǎn)生自由載流子；探測(cè)光有小部分被產(chǎn)生的自由載流子吸收，這導(dǎo)致透射和從后表面反射的探測(cè)光強(qiáng)周期性變化；由一光電探測(cè)器(光電二極管探測(cè)器、光電倍增管等)探測(cè)該透射或從后表面反射的與泵浦光強(qiáng)度調(diào)制同頻率的探測(cè)光強(qiáng)度的周期性變化得到輸出電流或電壓信號(hào)，即自由載流子吸收信號(hào)；采用鎖相探測(cè)技術(shù)記錄自由載流子吸收信號(hào)的一次諧波振幅和/或相位；在相同實(shí)驗(yàn)條件(同一調(diào)制頻率、同一光路)下測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)摻雜半導(dǎo)體的自由載流子吸收信號(hào)的一次諧波振幅和相位；利用振幅和/或相位隨摻雜濃度增加而單調(diào)變化的特性，比較同一調(diào)制頻率下待測(cè)摻雜半導(dǎo)體和標(biāo)準(zhǔn)摻雜半導(dǎo)體的自由載流子吸收信號(hào)(在同一光路同一調(diào)制頻率下測(cè)的)的振幅和/或相位得到待測(cè)半導(dǎo)體的摻雜濃度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)測(cè)量范圍大。相對(duì)于熱探針技術(shù)，本方法能測(cè)量1010-1016cm-2范圍或者更大范圍的摻雜濃度。
(2)測(cè)量精度和靈敏度高。相對(duì)熱探針?lè)椒?，本方法僅受到自由載流子分布的影響而不受溫度場(chǎng)的影響，檢測(cè)信號(hào)隨摻雜濃度增加而單調(diào)減小，使測(cè)量定標(biāo)更容易，這有利于提高測(cè)量精度和靈敏度。


圖1為本發(fā)明的透過(guò)式測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為待測(cè)摻雜半導(dǎo)體硅摻的雜質(zhì)為P+時(shí)，采用本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明采用的測(cè)量裝置由泵浦光源1、泵浦光反射鏡2、泵浦光聚焦透鏡3、探測(cè)光源4、探測(cè)光反射鏡5、探測(cè)光聚焦透鏡6、雙色分光鏡7、待測(cè)半導(dǎo)體晶圓片8、光電探測(cè)器9、函數(shù)發(fā)生器10、鎖相放大器11組成。函數(shù)發(fā)生器10連接至泵浦光源1使光源的光強(qiáng)周期性調(diào)制，同時(shí)連接至鎖相放大器11作為參考信號(hào)。光電探測(cè)器9輸出的信號(hào)連接到鎖相放大器11進(jìn)行探測(cè)，以記錄信號(hào)的振幅和相位。
泵浦光源1采用可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，其中心波長(zhǎng)785nm，功率95mW，由函數(shù)發(fā)生器8調(diào)制；探測(cè)光源3采用連續(xù)的半導(dǎo)體激光器，其中心波長(zhǎng)1310nm，功率5mW；待測(cè)半導(dǎo)體8為摻雜硅晶圓片；反射鏡2和5使泵浦和探測(cè)光路偏轉(zhuǎn)并便于調(diào)節(jié)輸出激光光束的方向；透鏡3和6分別使泵浦光和探測(cè)光聚焦到待測(cè)摻雜半導(dǎo)體硅晶圓片上；雙色分光鏡7使785nm激光透射、1310nm激光全反射實(shí)現(xiàn)兩束光照射到待測(cè)半導(dǎo)體樣品的同一位置；探測(cè)光在通過(guò)待測(cè)樣品8時(shí)被調(diào)制，透射的探測(cè)光束由銦鎵砷光電探測(cè)器9接收。銦鎵砷光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)的一次諧波振幅和相位由鎖相放大器11記錄，參考信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器10提供。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的頻率改變調(diào)制信號(hào)頻率。
以摻雜的硅晶圓片為例，在圖1中，光強(qiáng)方波(或其它波形)調(diào)制的泵浦光1光子能量(1.58eV)大于本征硅的禁帶寬度(1.12eV)，除部分泵浦光被反射，其余泵浦光被硅吸收，在硅晶圓片體內(nèi)周期性產(chǎn)生自由載流子；探測(cè)光4光子能量(0.946eV)小于本征硅的禁帶寬度；兩束光聚焦在待測(cè)摻雜半導(dǎo)體硅晶圓片表面同一或相鄰位置；部分探測(cè)光被自由載流子吸收，這導(dǎo)致透射和從后表面反射的探測(cè)光強(qiáng)周期性變化；在不同的調(diào)制頻率下鎖相放大器11記錄銦鎵砷光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)的一次諧波振幅和相位；在相同實(shí)驗(yàn)條件(同一調(diào)制頻率、同一光路)下測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)摻雜半導(dǎo)體硅晶圓片的自由載流子吸收信號(hào)的一次諧波振幅和相位；利用信號(hào)隨摻雜濃度增加而單調(diào)變化的特性，比較同一調(diào)制頻率下待測(cè)摻雜半導(dǎo)體硅晶圓片和標(biāo)準(zhǔn)摻雜半導(dǎo)體硅晶圓片的自由載流子吸收信號(hào)的振幅和/或相位得到待測(cè)半導(dǎo)體的摻雜濃度。
圖2為待測(cè)摻雜半導(dǎo)體硅晶圓片摻的雜質(zhì)為P+時(shí)本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果。待測(cè)摻雜半導(dǎo)體的摻雜范圍為1010-1016cm-2。從圖中看出，測(cè)量的振幅隨摻雜濃度增加而單調(diào)減小。比較同一調(diào)制頻率下待測(cè)摻雜半導(dǎo)體和標(biāo)準(zhǔn)摻雜半導(dǎo)體的自由載流子吸收信號(hào)振幅就能精確得到待測(cè)摻雜半導(dǎo)體的摻雜濃度。
權(quán)利要求
1.一種基于自由載流子吸收技術(shù)的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于(1)將一束光子能量大于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的光強(qiáng)周期性調(diào)制的連續(xù)激光，即泵浦光和一束光子能量小于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的連續(xù)激光，即探測(cè)光同時(shí)照射到摻雜半導(dǎo)體上同一或相鄰位置；由光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)摻雜半導(dǎo)體或者從其后表面反射的探測(cè)光強(qiáng)度變化，得到輸出電流或電壓信號(hào)；(2)采用鎖相放大器記錄輸出電流和/或電壓信號(hào)一次諧波的振幅或相位，比較待測(cè)摻雜半導(dǎo)體和標(biāo)準(zhǔn)摻雜半導(dǎo)體的振幅和/或相位，得到待測(cè)摻雜半導(dǎo)體的摻雜濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的泵浦光采用連續(xù)半導(dǎo)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的泵浦光采用函數(shù)發(fā)生器周期性調(diào)制激光驅(qū)動(dòng)電源，或者采用聲光調(diào)制器直接調(diào)制泵浦光束來(lái)實(shí)現(xiàn)泵浦光強(qiáng)度的周期性調(diào)制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的探測(cè)光采用連續(xù)半導(dǎo)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。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的泵浦光和探測(cè)光照射到待測(cè)摻雜半導(dǎo)體上同一位置或者相鄰位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的泵浦光與探測(cè)光分別采用不同的透鏡聚焦或者采用同一透鏡或顯微物鏡聚焦到待測(cè)摻雜半導(dǎo)體表面或者不聚焦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的步驟(2)中采用鎖相技術(shù)記錄與泵浦光強(qiáng)度調(diào)制同頻率的透過(guò)摻雜半導(dǎo)體或從其后表面反射的探測(cè)光強(qiáng)調(diào)制的一次諧波振幅和相位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的周期性調(diào)制的頻率范圍為1Hz-100MHz。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的光電探測(cè)器為光電二極管探測(cè)器，或光電倍增管。
全文摘要
一種基于自由載流子吸收技術(shù)的半導(dǎo)體摻雜濃度測(cè)量方法，其特征在于一束光子能量大于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的光強(qiáng)周期性調(diào)制的連續(xù)激光作泵浦光源和另一束光子能量小于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的連續(xù)激光作探測(cè)光源；兩束光同時(shí)照射到摻雜半導(dǎo)體上同一或相鄰位置；半導(dǎo)體吸收泵浦光后產(chǎn)生調(diào)制的自由載流子；由于調(diào)制的自由載流子對(duì)探測(cè)光的吸收，透過(guò)半導(dǎo)體或者從后表面反射的探測(cè)光強(qiáng)度也被調(diào)制，以鎖相方式探測(cè)透射或反射的探測(cè)光信號(hào)的一次諧波振幅和相位，由其振幅和/或相位通過(guò)標(biāo)定得到摻雜半導(dǎo)體的摻雜濃度。本發(fā)明具有測(cè)量范圍大、測(cè)量精度和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1971868SQ20061016508
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者李斌成, 張希仁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所