[发明专利]一种半导体材料特性的测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于材料的无损检测技术领域，具体涉及一种半导体材料特性的测量装置及测量 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，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、以及样品前 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。

发明内容

本发明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， 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。

本发明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；其中辐射光探测器(9)，载流子吸收信 号探测器(10)，调制光反射信号探测器(11)的输出端与锁相放大器(3)的信号输入端 相连；激发光调制系统(6)的同步参考信号输出端与锁相放大器(3)的参考信号输入端相 连；激发光调制系统(6)的信号产生端口与激发光光源(1)的调制输入端口相连；计算机 (4)与锁相放大器(3)、电控精密位移台(5)、激发光调制系统(6)通过通讯端口连接；

激发光光源(1)发出激发光经激发光调制系统(6)调制后产生周期性调制激发光 并照射在样品表面产生辐射光，经辐射光收集系统(8)收集后由辐射光探测器(9)探 测并经锁相放大器(3)解调产生光载流子辐射信号由计算机(4)记录并处理；探测光 光源(2)发出的探测光经样品表面激发光照射区域并透射到后表面，由载流子吸收信号 探测器(10)探测，经锁相放大器(3)解调产生自由载流子吸收信号由计算机(4)记 录并处理；探测光光源(2)发出的探测光经样品表面反射，其反射光由调制光反射信号 探测器(11)探测，经锁相放大器(3)解调产生调制光反射信号由计算机(4)记录并 处理。