利用电晕表面电荷的光中和时间常数表征半导体掺杂的方法与流程

本技术案大体上涉及宽带隙半导体中的半导体掺杂的表征，且更特定来说，涉及用于外延层中的掺杂的非接触式测量的方法及用于执行所述测量的系统。

背景技术：

1、用施主或受主杂质掺杂的半导体改变了半导体的电性质，并且是半导体器件制造中的关键技术要素。掺杂通常通过引入代替半导体晶格中的主体原子的杂质原子来完成。掺杂浓度是每体积半导体的掺杂原子浓度，并且其测量通常用于半导体器件生产中的质量控制。

2、例如，基于宽带隙半导体(包括sic、gan、algan和algan/gan)的器件广泛用于电力电子和高频应用中。这种器件通常包括掺杂外延层，其中外延晶片的严格掺杂控制是必要的。为了满足快速发展的宽带隙半导体技术和大规模外延片(epi-wafer)制造的需求，需要相应的大规模掺杂测试。为此目的，非接触测量技术可以是优选的。非接触计量可以消除制造测试器件所涉及的成本和时间，并且可以避免在许多常规掺杂测量方法(例如汞探针(mercury probe)方法)的情况下所需的测量后晶片清洁。

3、us10,969,370b2中描述的用于宽带隙半导体的无制备非破坏性掺杂测量方法的示例可以使用由semilab sdi制造的市售电晕非接触电容电压(cncv)工具来执行。cncv使用电晕充电将半导体表面电偏置到深度耗尽，类似于金属肖特基势垒的电压偏置，然而，在没有金属接触半导体表面的情况下实现。在cncv方法中，用开尔文探针监测对于电荷偏置剂量δqc的表面电压响应δv。顺序电荷测量中的差分电容c＝δqc/δv给出非接触c-v特性。掺杂浓度nd由1/c2 vs v的斜率确定，这是c-v方法中的标准程序。对于典型的12位点图案，使用市售工具的cncv测量通量目前限于每小时约5个晶片。

技术实现思路

1、传统的cncv技术可以被修改以采用新的掺杂敏感现象，该掺杂敏感现象可以被利用以增加测试通量。常规cncv使用电晕电荷偏置到耗尽，其通过多个增量电晕电荷沉积步骤实现。响应于沉积的电荷，表面电压v变化，并且用非接触式振动开尔文探针测量。类似于汞探针和肖特基结器件，cncv采用耗尽中1/c2-v特性的斜率来确定掺杂浓度。cncv是一种准静态技术，其具有在获取c-v特性中涉及的许多相对慢的电荷偏置步骤。这通常限制了多个晶片监测中的测量速度和通量，其中每个晶片通常具有9个或12个测试位点，并且具有49个位点的晶片映射。

2、沉积的电晕电荷可以通过短波长照射从宽带隙半导体的裸表面快速中和和去除。相应的电晕光中和的时间常数可以很短，使得能够快速清扫耗尽势垒。在对不同掺杂的外延sic的测量中，确定了电晕电荷光中和时间常数与掺杂浓度之间的直接关系。这种关系对于其他宽带隙半导体是证实的，并且在宽的掺杂浓度范围内是有效的。本公开中的增强通量掺杂测量方法是基于此新识别的关系。

3、因此，在本发明中，描述具有新颖掺杂测量原理的电荷偏置方法，其可增加测量速度及通量，例如与上文所描述的常规cncv技术相比增加多达十倍。

4、这里描述的方法可以用单个大电晕充电到深度耗尽来代替累积电荷步骤的序列。之后，使用产生过量载流子的近uv照射对半导体表面上沉积的电荷进行光中和。光中和时间常数由时间分辨表面电压测量确定，并且该时间常数是掺杂测量参数。

5、在光中和过程中，在电荷诱导表面耗尽层内光生成的少数载流子是活动的。它们通过耗尽电场被引导到表面，并被具有相反极性的电晕离子捕获，从而中和电晕电荷并减小耗尽宽度。该技术包括测量和分析表面电压相对于照射时间的相应变化。

6、在宽带隙半导体中，电晕离子的光中和是不可逆的。电晕电荷在光中和后不会恢复，并且光中和诱导的表面电压变化在黑暗中不会逆转。这使得能够在照射充电区域时或在连续照射脉冲之后通过测量表面电压来监测过程。本公开涵盖这两种测量配置。具体地，在照射充电区域时的测量这样的系统配置中采用，该系统配置中的照射在表面电压探针下方。在照射脉冲之后的测量用于这样的系统配置中，该系统配置中的照射在与表面电压探针分离的位置处。

7、该测量技术利用光照引起的表面电压变化的不可逆特性，将电荷光中和与其他表面光电压效应分开。相应的测试涉及在停止照射之后在黑暗中监测表面电压。对于良好的测量条件，暗恢复应可忽略不计，例如在0.1％的范围内。

8、在某些实施方式中，测量技术采用耗尽层肖特基势垒静电电荷-电压关系来提取电荷光中和率，并从表面电压与照射时间的对数特性确定光中和时间常数τph。基于时间常数τph和τph vs nd的校准相关性来确定掺杂浓度nd。时间常数vs表面电压特性τph-v提供了用于评估掺杂深度分布的手段。均匀掺杂通过恒定的τph值来识别。在对数光中和表面电压特性中，不同掺杂的多层膜在一定时间段内将显示出不同的τph值。相应的表面电压反映了表面下方的不同深度。

9、通常，测量装置包括具有以下能力的三个系统部件：

10、(a)-电晕充电，用于将半导体表面电荷偏置到深度耗尽。

11、(b)-非接触表面电压测量。

12、(c)-具有高于半导体能隙的光子能量的短波长照射。

13、半导体样品晶片可以放置在具有快速移动能力的导电卡盘上，用于根据测量循环将测试样品区域(即，晶片上的测试位点)定位在系统部件(a)、(b)和(c)下方。

14、可提供用于测量系统的外壳以防止杂散光(例如，短波长杂散光)到达晶片。否则，这种杂散光会在晶片表面上引起不受控制的电晕电荷中和。

15、时间常数τph可以直接用作相对掺杂浓度指数。为了精确定量测量掺杂浓度，该方法可以包括时间常数的校准函数，其通过对具有已知掺杂浓度的参考样品晶片的测量来确定。替代地或附加地，可以利用在与光中和时间常数τph的测量相同的样品区域(相同的晶片位点)上执行的电晕c-v掺杂测量来执行晶片特定校准。

16、在用于半导体和电介质表征的常规电晕充电方法中，通常通过测量表面电压的相应变化来监测对沉积电晕电荷密度变化的响应。在本技术中，也采用表面电压的测量，然而，电晕沉积的电荷密度的变化是通过电荷的光中和而不是通过电荷沉积来实现的。电荷光中和和表面电压的测量可以同时或顺序地执行，这取决于光源和表面电压探针的配置。探针下的照射使得能够在实际电晕光中和期间进行测量。这允许在不在照射与测量探针之间转移晶片的情况下照射及测量样品位点，这可有益于测量的速度及通量。具有单独光源的配置可以促进比表面电压探针下的照射更高的照射均匀性。这可以有益于准确性和工具到工具匹配。

17、所公开的技术可以使用具有不同配置和波长的多个光源，这些配置和波长可以根据使用该技术的特定半导体晶片制造的要求来选择和优化。

18、一般来说，在一个方面中，本发明的特征在于一种表征宽带隙半导体样品中的半导体掺杂的方法，所述方法包含：在黑暗中测量所述半导体样品的表面的区域处的表面电压的初始值v0；通过在所述区域处沉积规定的电晕电荷，在黑暗中将所述区域充电至深度耗尽；在充电之后在黑暗中测量所述区域处的表面电压值；用特定光子通量feff的光照射充电的区域，所述特定光子通量φeff具有足以在所述半导体样品中产生自由少数载流子从而引起所述电晕电荷的光中和的高于所述半导体带隙的光子能量；使用表面电压v(t)的非接触时间分辨测量来监测区域处的光中和诱导的电晕电荷衰减vs照射时间t；分析所监测的时间分辨表面电压衰减数据v(t)以确定光中和时间常数τph；以及使用特定光子通量feff下的光中和时间常数τph作为半导体掺杂指数，并基于其值表征该区域处的半导体掺杂浓度。

19、该方法的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

20、该方法可以包括基于表面电压特定电晕电荷光中和时间常数τph vs v来表征半导体样品的掺杂浓度深度分布。

21、该方法可以包括基于表面电压范围内的平均τph值来表征单个外延层的掺杂。

22、在一些示例中，根据以下等式确定τph：

23、

24、其中t是照射时间，vconst是表面电压探针偏移。该方法可以包括使用对具有已知掺杂浓度值nd的一个或多个参考样品的τph的校准测量来确定校准函数τphvs nd以及逆校准函数nd vsτph(表示为fcal)。在一些示例中，该方法包括将在有效光子通量φeff下测量的时间常数τph归一化到校准光子通量φeff，如下：以及根据以下等式使用归一化时间常数确定绝对掺杂浓度：

25、该方法可以包括针对掺杂浓度校准τph，其中校准特定于半导体晶片样品，并且在晶片样品的多位点(例如，9个位点、12个位点或49个位点)基于τph的表征期间在测量的晶片样品的一个位点上执行校准，其中所有τph测量在相同的照射条件下执行。校准可以包括利用电晕非接触c-v(cncv)方法测量电晕电荷光中和时间常数τph和独立测量掺杂浓度nd，其中两个测量在相同的晶片位点处并且在类似的电晕电荷诱导的耗尽电压范围内依次一个接一个地执行。该方法可以包括使用τph和nd来确定满足nd＝τph·fcal的晶片特定逆校准函数值fcal。

26、在一些示例中，该方法包括基于确定每个晶片位点处的τph并使用在单个位点上确定的fcal的晶片特定值来确定所有不同晶片位点处的掺杂浓度。

27、电容探针可以是非接触式振动开尔文探针。

28、可以在监测表面电压的同时照射该区域，或者可以与监测表面电压分开地照射该区域。

29、半导体样品可以包括选自由sic、gan和algan组成的组的半导体。

30、该方法可以包括基于在电晕充电之后但在照射之前测量的vdark和暗衰减率δvdark/δtdark来识别半导体样品的缺陷区域。

31、该方法可以包括基于在照射之后测量的暗衰减幅度δvdark来识别除电晕光中和之外的表面光伏效应对所监测的表面电压的贡献。

32、根据附图、说明书和权利要求书，其他特征和优点将是显而易见的。