应变硅锗薄膜材料掺杂浓度测试方法技术

本发明专利技术提供了一种测试应变硅锗薄膜材料杂质浓度的方法。该方法的关键是通过理论分析和模拟，创建Ｎ型和Ｐ型Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］材料电阻率ρ与杂质浓度Ｎ↓［Ｄ］或Ｎ↓［Ａ］及Ｇｅ组分ｘ的关系曲线，进而用四探针法测试应变Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］材料的电压Ｖ和电流Ｉ的测量值，通过函数关系式，ρ＝Ｃｏ×２π［Ｉｎ（Ｓ↓［１］＋Ｓ↓［２］）（Ｓ↓［２］＋Ｓ↓［３］）／Ｓ↓［１］×Ｓ↓［３］］↑［－１］×Ｖ／Ｉ×ｄ解出电阻率ρ，根据应变Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］材料的类型和锗组分ｘ以及得到的电阻率ρ，对应查找Ｎ型或Ｐ型应变Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］电阻率ρ与杂质浓度Ｎ↓［Ｄ］或Ｎ↓［Ａ］及Ｇｅ组分ｘ的关系曲线，得出应变Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］薄膜材料掺杂浓度。本发明专利技术具有简便快捷、精度较高、重复性好、在线应用、可与现行Ｓｉ材料掺杂浓度检测技术相容等优点。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体材料测试
，具体的说是一种测试应变硅锗薄膜材料杂质浓度的方法。
技术介绍
应变硅锗(Si1-XGeX)材料是一种新型半导体异质结材料，具有载流子迁移率高、禁带宽度及介电常数可调节等独特的物理性质。特别是该材料优良的高频、高速、高增益和低功耗性能，以及与硅工艺可兼容的制造技术等优点，使其近几年来发展迅速。对应变Si1-XGeX材料掺杂后可制造出各种半导体器件，而掺杂浓度的高低直接影响到器件和电路性能的优劣。因此，定量检测应变Si1-XGeX掺杂浓度的大小，改进材料生长的工艺，是保证Si1-XGeX器件质量的关键。目前测试半导体材料杂质浓度的方法主要有扩展电阻法、电容电压法(C-V)法、 二次离子质谱法(SIMS)和四探针法等多种。但前三种方法均存在测试过程较复杂的弊端，例如，测试扩展电阻法需要定标样品和建立标准曲线；电容电压法(C-V)法需要制作专门的测试样品；二次离子质谱法(SIMS)也需要定标样品，而且仪器设备复杂、昂贵。四探针法虽说是半导体硅工艺中比较成熟常用的一种方法，但由于应变Si1-XGeX材料的物理性质和电学性质都要随Ge组分x的变化而发生改变，无论是用现有Si的杂质浓度与电阻率的关系曲线代替Si1-XGeX材料，还是用Ge的杂质浓度与电阻率的关系曲线代替Si1-XGeX材料，都不能准确反映Si1-XGeX材料中杂质的行为特性，因此，直接采用四探针法测试应变Si1-XGeX材料的杂质浓度尚存一定的难度，至今未曾有利用四探针法检测应变Si1-XGeX材料杂质浓度的报道。专利技术的
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前应变Si1-XGeX薄膜材料杂质浓度测试难度大的问题，提供一种绘制N型或P型应变Si1-xGex电阻率ρ与杂质浓度ND或NA及Ge组分x的关系曲线方法，以间接运用硅工艺四探针技术在线测试应变Si1-XGeX材料杂质浓度。实现本专利技术目的的技术关键是创建新的N型或P型Si1-xGex电阻率ρ与杂质浓度ND或NA及Ge组分x的关系曲线，以较好的解决Ge组分x的变化对应变Si1-XGeX材料电学性质的影响，准确反映出杂质的行为特性。再用四探针法测试Si1-XGeX材料，算出其电阻率，最后在Si1-xGex电阻率ρ与杂质浓度ND或NA及Ge组分x的关系曲线上查找电阻率ρ所对应的Si1-xGex薄膜材料掺杂浓度。本专利技术的技术方案为首先用四探针法测试应变Si1-XGeX材料的电压V和电流I的测量值，通过函数关系式，ρ=C0×2π-1×VI×d]]>解出电阻率ρ；式中，C0为由样品薄层厚度、形状、几何尺寸等决定的一个修正系数，d为薄膜层厚度，s1、s2、s3为探针间距。然后根据应变Si1-xGex材料的类型和锗组分x以及由四探针法得到的电阻率ρ，对应查找N型或P型应变Si1-XGex电阻率ρ与杂质浓度ND或NA及Ge组分x的关系曲线，得出应变Si1-XGeX薄膜材料掺杂浓度。其中N型或P型应变Si1-xGex电阻率ρ与杂质浓度ND或NA及Ge组分x的关系曲线，按如下步骤建立i.建立应变Si1-XGeX材料多子迁移率模型应用中Si1-XGeX薄膜材料生长在Si衬底上，形成Si1-XGeX/Si异质结构。由于Si与Ge间存在约4％的晶格失配，因此只能在一定的临界厚度之内生长出高质量的应变Si1-xGex薄膜。应变Si1-xGex薄膜材料迁移率除与Ge组分x密切相关外，在纵向(即材料生长方向)和横向还具有很强的各向异性特征。考虑掺杂、Ge组分以及温度的影响和测试所需，采用如下横向多子迁移率模型(T＝300K)对于N型应变Si1-XGeX材料，电子迁移率为μn(x,ND)=-1---(1)]]>式中μnI(x,ND)=(μn,min+μn,max-μn,min1+(ND/N0)β)(1+α1x+α2x2)---(2)]]>μn，max＝1320cm2/(V·s)，μn，min＝68cm2/(V·s)α1＝4.31，α2＝-2.28β＝0.88N0＝1.45×1017cm-3ND为施主掺杂浓度 对于P型应变Si1-XGeX材料，空穴迁移率为μp=(μp,max-μp,min1+(NA/N0)β+μp,min)(1+a1x+a2x2+a3x3)x≤0.6---(4)]]>μp，max＝625cm2/(V·s)，μp，min＝40cm2/(V·s)，α1＝-0.5，α2＝27.87，式中α3＝-25.52，β＝5/8，N0＝1.43×1017cm-3，NA为受主掺杂浓度ii.确定应变Si1-XGeX材料的电阻率基于半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率间的关系式σ＝nqμn+pqμp(5)式中，n和p分别为电子和空穴的浓度，μn和μp分别为电子和空穴的迁移率，q为电子电量，其值为1.6×10-19(库仑)。对于N型半导体，n＞＞p，空穴对电流的贡献可以忽略，电导率为σ＝nqμn(6)对于P型半导体，p＞＞n，电导率为σ＝pqμp(7)室温下(300K)，杂质全部电离，有p＝NA，n＝ND(8)电导率与电阻率为倒数关系，即σ=1ρ---(9)]]>将(1)式N型电子迁移率和(4)式P型空穴迁移率分别代入(6)式和(7)式，并利用关系式(8)和(9)代换变量，化简得到N型和P型不同掺杂浓度，不同Ge组分时的应变Si1-XGeX材料电阻率。其函数关系式为ρ＝fD(ND，x)(N型Si1-xGex) (10)ρ＝fA(NA，x)(P型Si1-xGex) (11)iii.对(10)和(11)式分别采用在变量x、NA、ND指定的范围内进行嵌套扫描求解，并按如下步骤绘制应变Si1-XGeX材料电阻率ρ与杂质浓度ND(或NA)及Ge组分x的关系曲线①设置模型参数，给关系式(11)中的常量赋值(以P型材料为例)； ②给变量x赋初值x＝0；③在1014到1021范围内，每给变量NA一个扫描点，就对式(11)中的电阻率ρ进行一次计算，当NA扫描一遍后，产生一个数组；④把扫描变量NA作为图形的横坐标，电阻率ρ作为纵坐标，根据所得数组的值，利用plot函数绘制出锗组分x＝0的电阻率ρ与掺杂浓度NA的二维曲线图；⑤对锗组分x进行扫描，x＝0.1、0.2……0.6，重复步骤②、③和④，得到一族锗组分x从0到0.6变化的P型应变Si1-XGeX材料电阻率ρ与杂质浓度NA的关系曲线。本专利技术由于建立了应变Si1-xGex电阻率ρ与杂质浓度ND(或NA)及Ge组分x的关系曲线，因此可采用四探针法进行应变硅锗薄膜材料掺杂浓度检测。该测试方法与现行Si材料掺杂浓度检测技术相容，具有测试仪器设备简单，对样品几何形状及尺寸无严格要求，测试简便迅速，且精度较高，便于在线应用等优点。在Si材料中，基于样片的形状、厚度及几何尺寸，采用四探针技术需要做不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应变硅锗薄膜材料掺杂浓度测试方法，采用如下步骤：Ⅰ．用四探针法测试应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］材料的电压Ｖ和电流Ｉ的测量值，通过函数关系式，ρ＝Ｃ↓［０］×２π［ｌｎ（ｓ↓［１］＋ｓ↓［２］）（ｓ↓［２］＋ｓ↓［３］）／ｓ↓［１ ］×ｓ↓［３］］↑［－１］×Ｖ／Ｉ×ｄ解出电阻率ρ；式中，Ｃ↓［０］为由样品薄层厚度、形状、几何尺寸等决定的一个修正系数，ｄ为薄模层厚度，ｓ↓［１］、ｓ↓［２］、ｓ↓［３］为探针间距；Ⅱ．根据应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］材料的类 型和锗组分ｘ以及由四探针法得到的电阻率ρ，对应查找Ｎ型或Ｐ型应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］电阻率ρ与杂质浓度Ｎ↓［Ｄ］或Ｎ↓［Ａ］及Ｇｅ组分ｘ的关系曲线，得出应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］薄膜材料掺杂浓度，其特征在于Ｎ型或Ｐ型应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］电阻率ρ与杂质浓度Ｎ↓［Ｄ］或Ｎ↓［Ａ］及Ｇｅ组分ｘ的关系曲线，按如下步骤建立：ｉ．建立应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］材料多子迁移率模型对于Ｎ型应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］材料，电子迁移率为：μ↓［ｎ ］（ｘ，Ｎ↓［Ｄ］）＝［１／μ↓［ｎｌ］（ｘ，Ｎ↓［Ｄ］）＋１／μ↓［Ａ］（ｘ）］↑［－１］ （１）式中μ↓［ｎｌ］（ｘ，Ｎ↓［Ｄ］）＝（μ↓［ｎ，ｍｉｎ］＋μ↓［ｎ，ｍａｘ］－μ↓［ｎ，ｍｉｎ］／１＋（Ｎ↓［Ｄ］／Ｎ↓［０］）↑［β］ ）（１＋α↓［１］ｘ＋α↓［２］ｘ↑［２］） （２）μ↓［ｎ，ｍａｘ］＝１３２０ｃｍ↑［２］／（Ｖ.ｓ），μ↓［ｎ，ｍｉｎ］＝６８ｃｍ↑［２］／（Ｖ.ｓ）α↓［１］＝４．３１，α↓［２］＝－２．２８β＝０．８８Ｎ↓［０］＝１ ．４５×１０↑［１７］ｃｍ↑［－３］Ｎ↓［Ｄ］为施主掺杂浓度＊＊＊ （３）对于Ｐ型应变Ｓｉ↓［１－Ｘ］Ｇｅ↓［Ｘ］材料，空穴迁移率为：μ↓［ｐ］＝（μ↓［ｐ，ｍａｘ］－μ↓［ｐ，ｍｉｎ］／１＋（Ｎ↓［Ａ］／Ｎ↓［０］）↑［β ］＋μ↓［ｐ，ｍｉｎ］）（１＋α↓［１］ｘ＋α↓［２］ｘ↑［２］＋α↓［３］ｘ↑［３］）ｘ≤０．６ （４）μ↓［ｐ，ｍａｘ］＝６２５ｃｍ↑［２］／（Ｖ.ｓ），μ↓［ｐ，ｍｉｎ］＝４０ｃｍ↑［２］／（Ｖ.ｓ），α↓［１］＝－０．５，α ↓［２］＝２７．８７，式中 α↓［３］＝－２５．５２，β＝５／８，Ｎ↓［０］＝１．４３×１０↑［１７］ｃｍ↑［－３］，Ｎ↓［Ａ］为...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴显英，张鹤鸣，王伟，胡辉勇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]