[发明专利]一种测量半导体掺杂浓度的方法

说明书

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系统中同时获得，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。