一种半导体材料特性的测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种半导体材料特性的测量装置及方法，用于测量半导体材料的特性参数以及对材料加工品质的评价，在测试系统中仅由一束激发光和一束探测光来，可同时或分别取得样品的光载流子辐射测量信号、自由载流子吸收测量信号以及光调制反射测量信号，通过同时或分别分析处理光载流子辐射、自由载流子吸收和光调制反射信号数据，可得到半导体材料的特性参数；通过与标准或标定样品信号数据比较，可测量半导体材料加工时引入的杂质浓度和缺陷浓度等参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料的无损检测
，具体涉及一种半导体材料特性的测量装置及测量 方法。
技术介绍
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，包括控制基底的导电型和材料表面的性质，掺杂原子的分布情况直接影 响到半导体器件的性能。而在半导体器件制造过程中，通常是按一定顺序的工艺步骤在半导体晶片上进行一系列的处理，必须对每个操作步骤进行精确的控制，才能保证后续工艺的有 效性。在其中的某次操作失误后能立即检测出来，可以避免后续操作造成不必要的经济损失。 因此，在半导体材料处理时进行及时有效的检测，尤其是对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问题。目前可用于半导体材料电学传输参数以及掺杂浓度检测的方法有多种，其中四探针法最 为常见，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。非接触无损检测 方法有自由载流子吸收测量技术，光载流子辐射测量技术以及光调制反射测量技术等。公开 号为CN1971868的中国专利中描述自由载流子吸收测量技术，通过探测光在经过载流子区域 后产生的变化来得到样品的掺杂浓度和特性参数。公开号为CN101159243的中国专利中描述 光载流子辐射测量技术，由激发光在样品内产生周期性的载流子场，载流子再通过复合产生 辐射光并被收集探测形成光载流子辐射信号，用于材料传输特性以及掺杂浓度的分析。光调 制反射测量技术则是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掺杂条件联系 起来再与定标数据比较，即可得到半导体的掺杂浓度。以上三种方法都需要由激发光在样品 内产生自由载流子，然后分别探测样品后表面的探测光、激发点产生的辐射光、以及祥品前 表面的反射探测光，这三路信号产生的原理都不相同也互不干扰，完全可以集成在同一系统 中同时实现三种信号的检测。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，通过合理的设计，提供了一种装置 及其使用方法，该装置仅用一束激发光和一束探测光实现了自由载流子吸收信号，光载流子 辐射信号以及光调制反射信号的同时或分别获得。所述的三路信号通过不同的物理机制反映 了半导体内的载流子浓度，可适用于但不仅限于半导体材料外延掺杂、离子注入、热处理等 过程的评价，以及金属杂质含量的监控，也可以通过分析计算得到对应的半导体材料的特性 参数。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 一种半导体材料特性的测量装置，其特征 在于包括用于产生激发光的激发光光源；用于产生探测光的探测光光源，用于微弱信号 检测的锁相放大器；用于控制系统自动运行及数据处理的计算机，电控精密位移台用于调节 激发光光源与探测光光源之间的相对位置；位于激发光源之后用于调制所产生的激发光的强 度的激发光调制系统，用于呈放待测半导体材料的样品台、辐射光收集系统、用于探测光载 流子辐射信号的辐射光探测器、以及用于探测自由载流子吸收信号的载流子吸收信号探测器 和用于调制光反射信号的调制光反射信号探测器。所述的激发光光源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，其光子能量需大于被测半导体的本征禁带宽度；激发光光源发出的激发光强度须被激 发光调制系统周期性地调制，产生调制激发光。所述的激发光光源发出的激发光强度可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、或机械斩波器等方式调制连续激光束来实现。所述的探测光光源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，可为单波长激光器或可调谐波长激光器。所述的由激发光光源和探测光光源发出的激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。所述的辐射光探测器、载流子吸收信号探测器、调制光反射信号探测器均采用光电二极 管探测器或光电倍增管探测器。所述的辐射光探测器前加有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；所述的载流子吸收信号探测器和调制光反射信号探测器前加有探 测光波长窄带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。所述的辐射光收集系统通过一对离轴抛物面镜或反射物镜来实现。还包括有第一分光镜和第二分光镜；第一分光镜可采用半透半反式分光片，也可采用偏振分光镜；采用偏振分光镜时需要在第一分光镜和第二分光镜的光路之间插入一块针对探测 光波长的四分之一波片来增加测量信号值和信噪比。所述的第二分光镜对于激发光和探测光的透射率和反射率根据实际光路来选取，其功能 在于将激发光和探测光最大程度的经过透射或反射聚焦到样品表面上。利用所述的装置对半导体材料特性进行测量的方法，包括以下步骤(1) 放置待测样品在样品架上，调节光路，包括聚焦透镜和光电探测器的位置以及激发光 和探测光的相对位置，使所取信号通道对应的光电探测器信号达到最大；(2) 若仅需取得频率扫描信号，则固定激发光位置不变，通过激发光调制系统改变激发光 调制频率，再通过锁相放大器读出对应信道的信号大小，包括振幅和相位信息。重复改变激 发光调制频率并取得一组频率扫描信号；若仅需取得位移扫描信号，则通过精密位移台改变 激发光和探测光的相对位移，每改变一次位置，通过光电探测器读取一次信号，多次改变相 对位移得到一组与位移量相关的信号值；也可在改变一次位移时再通过调节激发光调制频率 得到一组或多组与位移和频率有关的信号值；(3) 将(2)所取得的信号曲线用对应的信号函数进行拟合，得到一个或多个所需的参数值， 例如载流子的寿命、扩散系数、表面复合速度等；或与已知的标准样品信号曲线进行比对， 通过标准样品的特征参数间接的反映待测样品的特征参数，例如电阻率、掺杂浓度、缺陷浓 度等。本专利技术的原理基于这样一种物理现象，在一束光子能量大于半导体禁带宽度的激发光照 射下，半导体吸收光子能量并产生光载流子。这些光载流子在非平衡状态下通过复合释放能 量，复合会产生与半导体禁带宽度对应的辐射光，经收集后形成光载流子辐射信号。由于在 常温下辐射信号相当微弱，需要将激发光进行周期性调制，再通过锁相放大技术，即可得到 调制光载流子辐射信号。改变激发光频率，可得到对应信号的频率扫描曲线，其规律可由特 定的函数确定，和载流子有关的电学传输特性参数例如载流子寿命、扩散系数等即可通过拟 合对应的函数曲线来确定。另一方面，在有一束光子能量小于半导体禁带宽度的探测光经过产生的载流子场时，一 部分透射的探测光将被载流子吸收，周期性产生的载流子场使得透射探测光强度也被周期性 调制。通过测量透射的探测光强度和相位的变化，可得到自由载流子吸收信号。若改变激发 光调制频率，可得到频域的载流子吸收信号；若改变激发光与探测光的相对位置，可得到空间域的载流子吸收信号，并可反演出载流子场的分布信息。载流子的电学传输特性参数可通 过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体材料特性的测量装置，其特征在于：包括：用于产生激发光的激发光光源（１）；用于产生探测光的探测光光源（２），用于微弱信号检测的锁相放大器（３）；用于控制系统自动运行及数据处理的计算机（４），电控精密位移台（５）用于调节激发光光源（１）与探测光光源（２）之间的相对位置；位于激发光源（１）之后用于调制所产生的激发光的强度的激发光调制系统（６），用于呈放待测半导体材料的样品台（７）、辐射光收集系统（８）、用于探测光载流子辐射信号的辐射光探测器（９）、以及用于探测自由载流子吸收信号的载流子吸收信号探测器（１０）和用于调制光反射信号的调制光反射信号探测器（１１）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌成，刘显明，黄秋萍，韩艳玲，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]