一种半导体材料掺杂浓度与电阻率的测量方法及装置

本技术涉及半导体材料特性测量，尤其是涉及一种半导体材料掺杂浓度与电阻率的测量方法及装置。

背景技术：

1、半导体掺杂浓度直接关系材料与器件的载流子少子寿命，电阻率大小影响半导体器件电容、阈值电压、mos器件热载流子退化等，电阻率作为掺杂浓度的函数，两者相互影响，且均为半导体材料及器件的重要的特性参数。

2、随着半导体晶圆尺寸逐渐增加，即使严格控制半导体晶粒生长过程，也可能导致掺杂不均匀，使得电阻率径向分布不均匀，导致同批次器件性能及良品率差异显著。因此，对半导体掺杂浓度和电阻率参数的非接触成像测量对分析不均匀尤为重要。

3、目前四探针方法是工业上检测半导体电阻率的常规方法，利用经验公式得到半导体掺杂浓度。该方法虽测量速度快，但根据其测量原理，需要与样件接触，极易对样件表面造成二次损伤，且该方法采样非连续性，导致电阻率成像测量困难。微波光电导检测衰减法作为一种非接触测量手段，克服了电阻率接触测量带来的不足，通过测量样件的趋肤效应厚度得到材料电阻率，利用经验得到掺杂浓度。但该方法获得电阻率或掺杂浓度图像需逐点扫描成像，检测效率低且横向分辨率不高。

4、因此，发展一种半导体材料的掺杂浓度与电阻率非接触式光学成像测量方法对评价、监测半导体掺杂工艺质量具有潜在应用价值。

技术实现思路

1、为达到上述目的，在本技术的第一个方面提供了一种半导体材料掺杂浓度与电阻率的测量方法，包括：

2、s1、控制两台激光器输出强度调制激光激励样件产生载流子辐射发光信号，并采集强度调制激光的光强幅值i0、样件产生的载流子辐射发光信号的幅值ami和相位phi；

3、s2、根据公式和δn0＝g0τeff和phi＝-tan-1(ωτeff)计算样件在强度频调制激光下产生的载流子产生率g0和过剩载流子浓度δn0，其中fcal为校正系数，i0为激光平均功率密度，r为该激光波长下半导体材料表面反射系数，e0为单光子能量，l为半导体材料厚度，τeff为载流子有效寿命，ω＝2πf为角频率，f为激光调制频率；

4、s3、根据公式计算掺杂浓度nd，其中c为比例因子；

5、s4、根据掺杂浓度与电阻率经验公式，计算样件的电阻率大小ρ。

6、该技术解决目前半导体材料电阻率测量存在检测效率低、易损伤材料表面、横向分辨率不高等问题，提供一种半导体材料掺杂浓度与电阻率的非接触光学成像测量方法与装置。

7、具体的，s1包括：

8、s101、通过控制数据采集卡输出信号，控制两台激光器输出强度调制激光激励样件产生载流子辐射发光信号；

9、s102、通过控制数据采集卡向锁相放大器输入模拟输出信号作为参考信号，并记录强度调制激光的光强幅值i0，并利用方波信号同步触发近红外相机采集载流子辐射发光信号；

10、s103、根据数字锁相算法计算在强度调制激光光强幅值为i0时载流子辐射发光信号的幅值ami和相位phi。

11、具体的，强度调制激光的调制频率f满足2πfτeff<<1，其中，τeff为样件载流子有效寿命。

12、具体的，s2包括：

13、s201、同步调节两台激光器，将强度调制激光的光强从0.1sum调节到1.5sum，分别记录样件在不同强度调制激光的光强下的载流子发光幅值幅值amii和相位phii；

14、s202、利用计算各强度调制激光光强下i0的载流子产生率，其中，fcal校正系数，i0为激光平均功率密度，r为该激光波长下半导体材料表面反射系数，e0为单光子能量，l为半导体材料厚度；

15、s203、选取任意像素点利用δn0＝g0τeff和phi＝-tan-1(ωτeff)计算各光强下过剩载流子浓度δn0，其中τeff为每个像素点载流子有效寿命，ω＝2πf为角频率，f为激光调制频率。

16、具体的，s4包括：

17、s401、对于p型硅半导体的电阻率ρ与掺杂浓度nd的经验公式为：

18、

19、其中y＝log10(nd)-16，c0＝-3.0769，c1＝2.2108，c2＝-0.62272，c3＝0.057501，d1＝-0.68157，d2＝0.19833，d3＝-0.018376；

20、s402、对于n型硅半导体的电阻率ρ与掺杂浓度nd的经验公式为：

21、

22、其中y＝log10(nd)-16，c0＝-3.0769，c1＝2.2108，c2＝-0.62272，c3＝0.057501，d1＝-0.68157，d2＝0.19833，d3＝-0.018376。

23、在本技术的第二个方面提供了一种半导体材料掺杂浓度与电阻率的测量装置，包括：第一激光器、第二激光器、锁相放大器、数据采集卡、近红外相机、单点近红外探测器、载物台和计算机；计算机通过数据传输线分别连接第一激光器、第二激光器、锁相放大器、数据采集卡和近红外相机；锁相放大器通过探测器信号传输线连接单点近红外探测器；载物台放置于近红外相机正下方；第一激光器和第二激光器配置用于输出强度调制激光激励样件产生载流子辐射发光信号；近红外相机配置用于采集样件产生的载流子辐射发光信号；锁相放大器内设置数字锁相算法用于计算样件在强度调制激光下的幅值ami和样件在调制激光下的相位phi。计算机内有预设程序，预设程序可通过样件在强度调制激光下的幅值ami和样件在调制激光下的相位phi计算样件的参杂浓度nd和电阻率ρ。

24、具体的，预设程序包括：根据公式和δn0＝g0τeff和phi＝-tan-1(ωτeff)计算样件在强度频调制激光下产生的载流子产生率g0和过剩载流子浓度δn0，其中fcal为校正系数，i0为激光平均功率密度，r为该激光波长下半导体材料表面反射系数，e0为单光子能量，l为半导体材料厚度，τeff为载流子有效寿命，ω＝2πf为角频率，f为激光调制频率；根据公式计算掺杂浓度nd，其中c为比例因子；根据掺杂浓度与电阻率经验公式，计算样件的电阻率大小ρ。

25、通过采用光学非接触方法对半导体材料掺杂浓度和电阻率进行测量，对被测材料无损伤。

26、具体的，第一激光器和第二激光器还包括：第一激光器光纤、第二激光器光纤、第一工程散射片、第一可调光阑、第一激光准直镜、第二可调光阑、第二激光准直镜和第二工程散射片；第一激光器光纤一端连接第一激光器，另一端连接第一激光准直镜；第一激光准直镜下方设置第一可调光阑，第一可调光阑下方设置有第一工程散射片；第二激光器光纤一端连接第二激光器，另一端连接第二激光准直镜；第二激光准直镜下方设置第二可调光阑，第二可调光阑下方设置有第二工程散射片。

27、其中，第一激光器和第二激光器为808nm激光器；第一激光器光纤和第二激光器光纤为808nm激光器光纤。

28、通过采用反射式检测方法，原则上可采用一个激励源和一个探测源，相比自由载流子吸收方法可降低系统复杂程度。

29、具体的，还包括分光片，分光片设置于单点近红外探测器右侧且位于第一工程散射片下方。

30、具体的，还包括长通滤光片，长通滤光片设置于近红外相机下方。

31、通过采用近红外相机进行测量，具有单次检测面积大，检测结果直观且检测效率高等优势。

32、本技术的有益效果如下：

33、1)采用光学非接触方法对半导体材料掺杂浓度和电阻率进行测量，对被测材料无损伤；

34、2)采用近红外相机进行测量，具有单次检测面积大，检测结果直观且检测效率高等优势；

35、3)采用反射式检测方法，原则上可采用一个激励源和一个探测源，相比自由载流子吸收方法可降低系统复杂程度；

36、4)采用锁相算法，可大大提高检测信噪比与检测精度，可检测低至1011/cm3的掺杂浓度半导体材料；

37、5)装置对激励光强和载流子发光幅值相位等参数实时测量与显示，可保证检测掺杂浓度与电阻测测量精度。