微波反射測晶硅少子壽命方法

1、本文由微波反射測晶硅少子壽命方法 .txt 等余震的心情，就像初戀的少女等情人，既怕他不來，又 怕他亂來。 聽說女人如衣服，兄弟如手足，回想起來，我竟然七手八腳地裸奔了二十多年！ 今天心情不好，我只有四句話想說，包括這句和前面的兩句，我的話說完了！ huiji20034 貢獻pdf 文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT,或下載源文件到本機查看。SEMI MF1535-0707 微波反射無接觸光電導衰退測量硅片載流子復合壽命測試方法 本標準技術上由全球硅片委員會批準。現(xiàn)今的版本由全球?qū)徲嫏z查委員分會在 4 月 25 日批準 出版。它于 2007 年 6 月在 www.semi.o

2、rg 網(wǎng)站上發(fā)表， 2007 版 CD-ROM 光碟。最初由 ASTM 國際以 ASTMF1535-94 出版，上一次出版在 20061.目的1.1 如果半導體中載流子濃度不太高， 載流子復合壽命由能級位于禁帶中的雜質(zhì)中心決定。 很多金屬雜質(zhì)在硅中形成這樣的復合中心。 在大多數(shù)情況下， 這些雜質(zhì)在很低的濃度 13 3 （- 10至10原子/cm ）下即可使復合壽命降低， 對器件和電路起有害的作用。2007 年 年 7 年 11月出月。10在某 些情況下， 例如甚高速雙極開關器件和大功率器件， 復合特性必須細心地控制以達到 所需的器 件性能。 1.2 本測試方法包含多種類型硅片載流子復合壽命的測

3、試步驟。由于測試時在片子上沒有 制作電接觸點， 在測試后， 如果片子的清潔度保持良好， 可以對其進行后續(xù)的工藝操 作。 1.3 本測試方法適用于研究開發(fā)、工藝控制、以及材料的驗收。但，由本測試方法獲得 的 結果與表面鈍化程度有關。所以，當本法用于材料的規(guī)格和驗收時，供方和需方須對 試中的表面處理達成共識。2.范圍2.1 本方法包含均勻摻雜的拋光的 n 型或 p 型硅片與載流子復合過程相關的載流子壽命的測量。樣品的室溫電阻率應大于某個由檢測系統(tǒng)靈敏度確定的極限，此極限通常在0.05-1WX cm范圍內(nèi)。只要電導率檢測系統(tǒng)的靈敏度足夠，本測試方法也可應用 于測量切割、研磨、 腐蝕硅片的載流子復合壽

4、命。2.2 在本測試方法中， 通過監(jiān)測樣片微波反射來測定光脈沖產(chǎn)生過剩載流子之后樣片電導 率的衰退。 因為在樣品上沒有制作接觸點， 本檢測方 法是非破壞性的。 如果樣品的清 潔度保持良好， 在本法檢測之后， 樣片可進入下道工序。 2.3 在沒有表面復合時測量載流子復合壽命，將得到“理想”體復合壽命（T b ）。但是，一般來說， 要完全抑制表面復合是很困難的。 而且， 在大多數(shù)情況下， 壽命測量都是 在未作表面 鈍化或未證實表面鈍化是否完善的情況下進行的。 此外， 注入比也影響壽 命的測量值。 注入 比如果小， 測得的壽命將不受注入比的影響， 體復合壽命即為少數(shù) 載流子壽命 （見注 1 ）。但是

5、， 為了提高信噪比 （ S/N） ，常采用高水平的注入。 因之， 本測量方法也包含 “非理想” 情況下載流子復合壽命的測量。此時表面復合為有限值，以及（或者）注入比不小。包含兩種這樣的測量：2.3.1 基模壽命T 1。它受體和表面性質(zhì)的影響。2.3.2 1/e 壽命t e。它與注入比和激光透入深度都有關， 并強烈受表面條件的影響， 因為 在剛注入之后， 過剩載流 子的分布是接近表面的。 但另一方面， 在衰退曲線的初始階 段，由于信噪比好以及數(shù)據(jù)分析 簡單， t e 的測量是快速易行的。注 1 ：與光激發(fā)水平有關，按本法測定的載流子復合壽命可以是少數(shù)載流子壽命（低注 入水平）或少數(shù)和多數(shù)載流子的

6、混合壽命 （中和高注入水平） 。在后一種情況， 如果假定是可采用適用于 小濃度復合中 心的肖克來 -雷德-霍耳模型的單一復合中心的某些情況， 可將少數(shù)和多數(shù)載流 子壽命分開。 當注入 載流子濃度大大超過多數(shù)載流子濃度 （高注入） 時，復合壽命為少數(shù)載 流子和多數(shù)載流子俘獲時間 常數(shù)之和（見相關資料 1 ）。233當表面復合可忽略以及注入水平足夠低時，上述三種壽命相等（T b=T 1=T e）。在表 面復合可忽略的情況下，即使激光剛開始輻照時的注入不小，T b與T 1也相等。注2 :本檢測方法適用于測量 0.25ms到1ms范圍內(nèi)的載流子復合壽命。 最短可測壽命值取決于光 源的關斷特性及衰退信號

7、測定器的采樣頻率， 最長可測值取決于試樣的幾何條件以及樣片表面的鈍化程度。 配以適當?shù)拟g化工藝，如熱氧化或浸入適當?shù)娜芤褐?，對于SEMI M1 標準中規(guī)定厚度的拋光片，長 到數(shù)十毫秒的壽命值也可被測定。注 3 :大樣塊的載流子復合壽命可以用 SEMI MF28 方法 A 或 B 測定。 這些也是基于光 電導衰退（PCD的測試方法需要在樣品上制作電接觸。該方法假設在所有的表面都有很大的表面復 合，因而壽命測量的上限由檢驗樣品的尺寸決定。測試方法SEMI MF28 中的方如在本測試方法中） ， SEMI MF28 中） 。半導體材料的另一個瞬態(tài)特 性產(chǎn)生壽命 雖然 SEMI M1388 是關于硅片

8、產(chǎn)生壽命的測量方法， 在 室 MOS 電容結構， 通過其電容 - 時間的測量也可推導出復合壽法 B 規(guī)定檢驗要在低注 入水平的條件下進行，以保證測量的是少數(shù)載流子壽命。少子壽命 也可以通過SEMI MF391 A法或B法的表面光電壓法（SPV測出的載流子擴散長度推算得 出。在低注入條件下進行測量時， SPV 法和 PCD 法在一定的條件下將得到相同的少子壽命值 1 。首先要求不出現(xiàn)陷阱。 第二， 在解析 SPV 測量時所 使用的吸收系數(shù)和少數(shù)載流子遷移率 值必須正確。第三，在進行 PCD 測量時，表面復合效應必須消除 或作適當?shù)目紤]（如在測試方法 通常比復合壽命要大幾個數(shù)量級。 溫以上的溫度（

9、370C）用相同的 命 2。2.4 對測量數(shù)據(jù)進行解釋以判別雜質(zhì)中心的起因和本質(zhì)不在本測試方法范圍內(nèi)。單從載 流 子復合壽命的測量中可得到的此方面的某些信息在相關資料中討論。“注入水平譜” 3 的利用在相關資料 1 中討論， 低注入水平下測定的載流子復合壽命溫度關系 4 的利用在 相關 資料 2 中討論。要對復合壽命測量中發(fā)現(xiàn)的存在于樣片中的雜質(zhì)中心進行識別和測量其濃度，通常較可靠的是用 SEMI MF978深能級瞬態(tài)譜（DLTS方法，或在雜質(zhì)特 性適當?shù)念悇e 已知時利用其它電容或電流瞬態(tài)譜技術5。 2.5 影響載流子復合壽命的金屬雜質(zhì)可在各個工藝過程中引入到樣片中， 特別是那些涉及 高溫的過

10、程。 分析工藝過程以檢查沾污源（見 ?6.4）不在本方法范圍內(nèi)。 雖然本測試 方法通常是非選擇性的， 但在非常有限的條件下， 某些個別 的雜質(zhì)種類是可被識別出 來的（見 ?6.3 、相關資料 1 和相關資料 2 ） 。 注:本標準不打 算述及在其應用中可能會遇到的任何安全問題。在使用前制訂適宜的安全及健康操作方法 并確定規(guī)章及其它限制的適用性，是本標準使用者的責任。0.1 倍，表面復合 將 電解液來消除在片子 使得用本測試方法3.限制 3.1 如果載流子的壽命使其載流子擴散長度大于片子厚度的 影響電導率衰退。 這時為測量體復合壽命， 必須靠熱氧化或浸入適當?shù)?表面處復合的效應 （見?11） 。

11、 3.1.1 電解液處理必須獲得穩(wěn)定的表面， 能產(chǎn)生可靠的結 果。3.1.2 如果采用熱氧化的方法，需要特別小心，特別是高氧的片子，氧化時氧化物沉淀在某些情況下， 外吸雜片子用本測試方法測量時可得出錯誤的載流子復合壽命值。3.2 本方法不適于測量很薄的硅膜的復 倒數(shù)差不多大小或更小， 衰退曲線將由3.3 在垂直于片子表面方向上載流子復合性 化可來自： （ 1）有平行于表面的 p-n 結或 復合特性的區(qū)域存在（例如片子有氧化沉淀和可 能在片子體內(nèi)形成。 這類沉淀物的存在會改變片子的復合性質(zhì) （見 ?3.4） ，從而使試 驗 樣品不宜用本測試方法進行測量。3.1.3對這類片子測量結果的正確性必須進

12、行嚴格的檢查。 合壽命。如果檢驗樣品的厚度與入射光吸收系數(shù)的 于過剩載流子產(chǎn)生過程的空間關系而受到扭曲。 質(zhì)的變化可導致體復合壽命測量的不正確。變 高- 低（ p-p+ 或 n-n+ ）結存在； （ 2）有不同一個沒有這種沉淀的表面潔凈區(qū)） 。 3.4 硅中雜質(zhì)的復合特性與溫度強烈有關。如果要對 測試數(shù)據(jù)進行比較（如在一個工藝過 程之前和之后，或在供應者和用戶間） ，應在同一溫 度下進行測量。 3.5 不同雜質(zhì)中心有不同的復合特性。 因此， 如果在片子中有不止一種類型 的復合中心存 在，衰退可由兩個或多個時間常數(shù)的貢獻組成。 由這樣一條衰退曲線得出的復 合壽命 不可能代表任何單個的中心。 3.

13、6 雜質(zhì)中心的復合特性倚賴于片子摻雜劑的類型和 濃度以及雜質(zhì)中心能級在禁帶中的位置（見相關資料 R3-2 ） 。 3.7 光注入載流子高次模的衰退會影響衰退曲線的形狀， 特別是在其早期階段 6。在高次模 消失之后進行測量可將此 效應減至最?。ㄔ谒ネ诵盘栕畲笾档?0%以下開始） 。4.參考標準和文檔4.1 SEMI標準SEMI C28氫氟酸規(guī)格和指標 SEMI C3硝酸規(guī)格和指標 SEMI M1拋光單晶硅片規(guī)格 SEMI M59硅技術術語SEMI MF28光電導衰退測量鍺和硅體少 數(shù)載流子壽命的測試方法 SEMI M F42 非本征半導體材料導電類型的測試方法SEMI MF84直排四探針測量硅片

14、電阻率的測試方法 SEMI MF391 穩(wěn)態(tài)表面光電壓測量非本征半導體少數(shù)載流子擴散長度的測試方法SEMI MF533 硅片厚度和厚度變化的測試方法SEMIMF673無接觸渦流計測量半導體片電阻率或半導體膜薄層電阻的測試方法SEMI MF723 摻硼、摻磷和摻砷硅電阻率和摻雜濃度轉換的操作SEMI MF978瞬態(tài)電容技術測量半導體深能級的測試方法 SEMI MF1388金屬-氧化物-硅（MOS電容的電容-時間關系測量硅 材料產(chǎn)生壽命和 產(chǎn)生速率的測試方法 SEMI MF1530自動無接觸掃描測量硅片平整度、厚度和厚度變化的測試方法4.2 ASTM標準7 D5127 用于電子和半導體工業(yè)的超純水

15、指南4.3 DIN 標準 8 DIN 50 440 硅單晶載流子壽命測量：光電導衰退測量低注入載流子復合 壽命 9 4.4 JEITA 標準 JEITA EM-3502（JEIDA-53-1999） 微波反射光電導衰退測量硅片 載流子復合壽命測 試方法注：除非另外標明，所有引用的文檔都是最新出版的版本。5.術語5.1 硅技術中所用術語的定義都可在 SEMI M59 中找到。6.6.1檢測方法概要用能量稍大于禁帶寬度的短脈沖 （寬度£ 200ns，上升、下降時間£ 25ns）光以規(guī)定的 功 率密度（注入水平） 在很短的時間內(nèi)在片子局部產(chǎn)生過剩電子空穴對。 光脈沖終止 后光電導

16、 的衰退通過微波反射監(jiān)測，載流子復合壽命按以下步驟進行：使得表面復合對 光電導衰退的影 部分的時間常數(shù)決定。6.1.3 1/e 壽命由激光脈沖6.2 可使用窄束光源，使得可以在6.1.1如果希望獲得體復合壽命， 樣品表面須經(jīng)過調(diào)節(jié)處理， 響可以忽略。載流子復合壽命由指數(shù)性電導率衰退的適當布圖。 6.3 為了獲得復合中心更詳 光源強度）5.1.1 基模壽命由衰退曲線指數(shù)部分的衰退時間常數(shù)決定。 注入到過剩載流子濃度減小為 1/e 時的時間間隔決定。 片子不同的點區(qū)域反復測量以獲得載流子復合壽命的分 細的信息， 可以在不同數(shù)值的特定參數(shù)如注入水平 （光源強度） 或溫度下進行重復測量。6.4 在工序

17、前后比較載流子復合壽命的測量數(shù)據(jù)，有時能識別出起污染源作用的工序。7.設備7.1 脈沖光源波長在 0.9到1.1m m的激光二極管。標稱脈沖寬度£200ns，上升、下降 時間£ 25ns （見注3 ）。光源輸出功率最好是可調(diào)的，使脈沖作用期間在片子表面能產(chǎn)10 15 生2.5 10到2.5 10光子/ cm 2的光子密度。?7.4 ）應£最短測量壽注 4 ：脈沖光源的上升、下降時間和信號調(diào)節(jié)器的采樣時間（見命的 0.1 倍。45 角放置的半透鏡和硅7.1.1 光子探測器常常希望用適當?shù)姆椒?，如在光路上?光 子檢測器， 以提供反饋控制使激光功率維持在適合于規(guī)定注入

18、水平的一個恒定水平上。7.2 微波拾取系統(tǒng)包括一個工作在標稱頻率為 10±0.5GHz 的微波源以及一個測量反射 功率的設備，如循環(huán)器、天線及檢測器（見圖 1 ） 。檢測系統(tǒng)的靈敏度應盡可能大，使 得 可以在低注入水平下測量光電導衰退。 7.3 樣片安放臺將樣片固定在 （用真空吸牢） 脈 沖光源之下所需的位置。 樣品臺可裝 加熱器，以便在室溫之上小小的溫度范圍內(nèi)控制其溫度。動，提供 x-y 或 x-q 方式的動作以實現(xiàn)在整個樣片表面作圖的7.4 衰退信號分析系它可由計算機控制的馬達驅(qū) 能力，還可以配置自動 裝片及傳輸裝置以便于一組片子的按序測量。 統(tǒng)適宜的信號調(diào)節(jié)器和顯示單元 器）

19、。信號調(diào)節(jié)器帶寬應 340MHz， 度和線性優(yōu)于 3%的連續(xù)刻度的時基。間常數(shù)。o圖 1 脈沖光和微波系統(tǒng)方框圖范例7.5 計算機系統(tǒng)雖然測量可以手動進行，但推薦使用合適的計算機系統(tǒng)實行測量以 控 制裝片、樣片臺動作、脈沖和探測器操作、衰退信號分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)記錄 儲存、以及結果的打印作圖。 7.6 樣片表面腐蝕和鈍化設施如果需要的話。 學鈍化裝備有防酸下水池的通風廚，盛室溫氫氟酸等液體化學試劑的燒杯或 及對所用化學試劑合適的防護用品。 7.6.2 氧化 化的清潔的爐子及有關的清潔、 干燥 及片處理設施。 某些情況下， 有必要將樣片浸在鈍化液中進行測量 活潑的、光學透明的容器來盛放樣片

20、和鈍化液。8.試劑8.1 試劑純度對所有有規(guī)格的化學試劑， 須符合 SEMI 規(guī)格中該試劑的 1 級規(guī)格，其它 化學試劑須符合文獻 10 中“化學試劑” 所規(guī)定的試劑規(guī)格。 其它級別也可以用， 先要確認其純度足夠高，使用后不會使測試精度下降。8.2 水的純度水的標準指D5127 指南中所述的 E-3 型或更好。 8.3 推薦的化學制品應有下列標稱檢定： 8.3.1（CH3CH2QH無水，399.9%。8.3.2 碘（12 ） >99.8%。8.3.3 氫氟酸（HF） 濃縮， 49.00 ±0.25%，符合 SEMI C28 的 1 級規(guī)格。警告：安全事 項見?9.3 。 8.3

21、.4（HNO）3 濃縮，70.0-71.0% ，符合 SEMI C35 的 1 級規(guī)格。 8.4 碘-乙醇鈍化溶液碘含量為 0.02mol/L-0.2mol/L。注 5 ：其它鈍化溶液也可以用于體復合壽命的測量， 降低到不再干擾 體復合壽命測試的程度（見 ?11.3）8.5 腐蝕非拋光面的光亮腐蝕溶液在 95ml 事項見 ? 9.3 。 8.6 腐蝕表面氧化膜的稀 HF 溶液和7.6.1 化 其它容器， 可在950-1050 C溫度下進行高質(zhì)量氧7.7 樣片容器如果需要的話。 在 見 ?11 ） 。這時需要一個平的化學不但首ASTM乙醇硝酸只要它們：（ 1 ）將表面復合速率2）導致穩(wěn)定的表面（

22、見 ?6.1.1 ）； 。濃硝酸中混合 5ml 濃 HF 。警告：安全為獲得 100ml 的 2%HF 溶液，可用（有合適的時間掃描和信號靈敏 度的實際或虛擬的示波或最小采樣時間£ 25ns （見注3 ）。顯示單元應具有精系統(tǒng)應能獨立地確定使用 者選定的衰退信號部分的時4ml 濃 HF 混合在 96ml 水中。警告：安全事項見 ?9.3 。9.危害9.1 激光照射系統(tǒng)應聯(lián)鎖以防止激光束的直接觀察。警告：當聯(lián)鎖解除后不要操作激光照射 系統(tǒng)。 9.2 微波系統(tǒng)應屏蔽及聯(lián)鎖，使人不能與微波束接觸。警告：當聯(lián)鎖解除后不 要操作微波 系統(tǒng)。 9.3 用于腐蝕劑及表面鈍化溶液的化學試劑有潛在的危

23、害性， 必須在排 并在任何時刻都要極其小心。 警 中列出的特別的防護措施及急采樣程序須經(jīng)測試有關各方須經(jīng)測試有因此需要在樣片表面的不?12。測量體復合壽命時，tb 有 表面2 D = 少數(shù)載流子擴散系數(shù)，單位為 cm /s ， L = 片厚，單位為 cm， S = 表單位為 cm/s ，假設兩個表面的表面復合速度相等。 12 電子和空穴的表面復合表示于圖 2 。，過剩載流子接觸到表面會立即復合，于是表面復合酸的通風櫥中操作， 并使用適當?shù)姆雷o用品， 包括護目鏡，告： 氫氟酸溶 液特別有害。 不熟悉相應的 “材料安全數(shù)據(jù)冊” 救處理 的任何人不能使用 HF 溶液。10.取樣10.1 如果不是在

24、100%的基礎上使用本測試方法進行測試，同 意。 10.2 如需按批采樣， 對于如何組成批， 以及采樣程序和按批采樣程序，關各方 同意。 10.3 因為復合中心的濃度在樣片上是不均勻的， 同點測定復合壽 命。測點的密度和部位須經(jīng)測試有關各方同意。11.檢測樣品制備11.1 只有在測量體復合壽命時才制備樣品，其他情況則進到檢 測樣品所需的制備既與檢測樣品的表面狀態(tài)也和檢測樣品體復合壽命的預期值關。 11.2 如果 tb 值不大于表面復合壽命 ts 的十分之一， 則無需對檢測樣品作制備。 復合壽 命由兩項構成： 一是擴散項 tdiff ，它由載流子擴散到表面引起； 一是表面復合項 tsp ， 11

25、 它由表面復合引起。表面復合壽命可通過下列近似關系式計算 ：ts=tdiff+tsp=n D 2SL2 L + 2（1） 其中： 面復合速度， 壽命作為不同厚度樣片表面復合的函數(shù)關系注 6 ：如果 S 很大（ >104cm/s ）主導。壽命由 tdiff更大（ 107 cm/s ，為載流子飽和速度） 精度體復合壽命對 p 型片約 1ms，n 型片約 2ms 。盡管精確測量體復合壽命時有此限制，光片上， 仍可以檢 測體復合壽命的相對變化： 均勻的； （ 2）微波系統(tǒng)靈敏到足以分辨差別 體復合壽命高到 100ms 左右的研磨樣片亦可作相對測量。夠均勻的表面復合速度，有必要在光亮腐蝕液（見11

26、.3 可精確測量的最大體復合壽命約為表面壽命的于 0.1ts ，樣片表 面必須用下列方法之一（見注 5 ）進行鈍化處理，11.3.1 氧化在具有很高質(zhì)量的厚度 30.5mm 的樣片上， 可測量高到 1ms周期內(nèi) 不會形成明顯數(shù)量的氧化沉積物（見須 在稀 HF （見?8.6 ）中剝離掉氧化物，并在10 2圖 2 在擴散系數(shù)一定和不同片厚時表面復合壽命與表面復合速率的函數(shù)關系良好拋光面的表面復合速度為 104cm/s11 ，而研磨面的表面復合速度 。 在這種情況下，對標準厚度樣片的最大可測 10%如果滿足下列條件， 則在體壽命大到 0.5-1ms 的未鈍化拋 （1）整個樣片上擴散系數(shù)和表面復合速度

27、是 1%的壽命檢測值。 在這兩個同樣的條件下， 這時，為了獲得足 ?8.5 ）中腐蝕表面約一分鐘。1/10 。如果要測試的體復合壽命大使得 0.1ts>tb 的條件滿足。（干氧）熱氧化膜Dit<10 /cm X eV）（見注6）左右的體復合壽命。 要保證氧化條件使得在氧化 ?3.1.2 ） 。為測量 1ms 到 10ms 之間的壽命， 15 分鐘之內(nèi)進行測量。11.3.2 浸在鈍化溶液中在厚度 30.5mm 的裸拋光片上要測量直到 1ms 的體復合壽 命， 首先要在碘乙醇鈍化液（見 ?8.4 ）或另一種可替代的鈍化液中做預處理。然后將硅片包在小塑料袋或其它含足夠鈍化液的器具中， 使

28、得在測量進行時， 有一層鈍化 液薄膜覆蓋 在硅片表面。 在進行檢測之前要確保鈍化技術能獲得穩(wěn)定可重復的測量結果（見 ?3.1.1 ） 。 如表面氧化過， 先在稀 HF 溶液中腐蝕一定的時間以去掉氧化物， 再用碘乙醇 或 一種可替代的鈍化液鈍化。腐蝕時間與氧化層厚度有關，從薄氧化層（<5 n m ） 的 30 秒左右到厚氧化層（ 2 0 0 n m ）的 10 分鐘左右。 再說一遍，在進行檢測之前要 確保鈍化技術能獲得穩(wěn)定可重復的測量結果（見 ?3.1.1 ） 。10cm/s 。注 7 ：拋光面經(jīng)氧化或化學溶液鈍化會有大大減小了的表面復合速度。例如，仔細制

29、備 的熱氧化硅表 面的表面復合速度可低至 1.5-2.5cm/s ，HF 酸中剝離氧化層后復合速度可低 至 0.25cm/s（ 見參考文獻 13） 。 在 這篇文獻還概述了確定表面復合速度的方法。碘乙醇 鈍化液浸泡（見？8.4 ）已表明可將無氧化層化學拋光硅片的表面復合速度降至£11 14注 8 ：界面俘獲電荷密度（ Dit ）可通過文獻描述的各種技術去測量 。但這些技術都沒 有成為標準。12.步驟注 9 ：下列步驟給出了充分的細節(jié)供手動數(shù)據(jù)采集和分析之用。強烈推薦使用具有數(shù)據(jù) 存儲和顯示能 力的用計算機控制的設備來進行儀器的設定、 數(shù)據(jù)采集和分析。 這時，所使用 的步驟和算法，必須

30、與本節(jié) 所列內(nèi)容等效。12.1 如參數(shù)未知，按 SEMI MF42 測定導電類型，按 SEMI MF533 或 SEMI MF1530 測量 樣片 中心點厚度，按 SEMI MF84 或按 SEMI MF673 測量中心點電阻率。按 SEMI MF723 將 電12.2 12.3 12.4 12.5阻率轉換為多數(shù)載流子濃度（nmaj,單位為載流子/cm ）。把這些數(shù)據(jù)與標稱直徑及正、背面的狀態(tài) （拋光、 腐蝕、研磨、 切割等） 一起記錄下來。 記錄室溫。 如果樣品臺是控溫的， 記錄樣品臺表面溫度。 裝載樣片到樣品臺，使光脈沖能照射到需檢測的區(qū)域。打開脈沖激光光源開關（見？7.1 ）。調(diào)節(jié)光強使

31、注入水平n達到所需值。最好將其設定為小于 1 。如果注入比可精確測量并記錄在 較高的注入比通常有信噪比較好的優(yōu)點。注 11 ：如果儀器不1 中的操作對其進行設定。觀察顯示器上的光電導衰退。 調(diào)整時間和電壓刻度盤， 以便 12.7 確認所用范圍的衰退是指數(shù)性的。 通過將一條指數(shù)曲 lnV 與 t3注 10 ：如果沒有規(guī)定注入比， 案， 則可采用 較高的注入比。 能自動調(diào)節(jié)注入比，可按附錄12.6 打開微波功率源電源，顯 示衰退信號所需要的部分。線擬合到電壓 V 與時間 t 的函數(shù) 曲線， 或在手動數(shù)據(jù)采集時將一條直線擬合到 的函數(shù)曲線， 來測定其時間常 數(shù)。 12.8 從記錄的衰退曲線（即光注入

32、后反射微波功率的 變化）上計算復合壽命（見圖 3 ）。注 12 ：測量一次衰退曲線可能就能獲得壽命。 但如果信噪比不太高， 建議進行重復測量 并取平均。12.8.1 體復合壽命 （tb ） ?如果表面已按 ?11.3.2 的方法進行了減小表面復合速度的處 理，從衰退曲線的指數(shù)部分計算時間常數(shù)。 在沒有相反的跡象時， 利用峰值電壓 V0 的 45-5% 范圍內(nèi)的衰退信號。注 13 ：計算方法與基模壽命的情況相同（見 ?12.8.3 ）。12.8.2 1/e 壽命（ te） ?將 t1 和 t0 之間的間隔計算為 1/e 壽命，其中 t0 為過剩載流子被 光脈沖注入到樣品的時刻， t1 為反射功率

33、衰退到峰值的 1/e 的時刻（見圖 3）。12.8.3 基模壽命（ t1 ） ?將衰退曲線衰退到可以被認為是指數(shù)性的部位的時間常數(shù)計為模壽命。 如果反射功率在 t=tA 時為 VA， t=tB 時指數(shù)性地衰退到 VB=VA/e ， t1=tB-tA 。 在 則 變通的方法是將 t2-t1 計為 t1 ，其中 t1 為反射功率衰退到峰值的 1/e 的時刻， t2 為反 2 射功率衰退到峰值的 1/e 的時刻，條件是這一段曲線與指數(shù)曲線的偏離不很大（見 圖 3） 。 12.9 記錄所測復合壽命的類型及數(shù)值。 12.10 如需要， 移動樣片位置 ,按需要重 復?12.6-12.9 的操作以獲得樣片壽

34、命分布圖， 注 明測點間距及測點模型和分布圖區(qū)域的半 徑。 12.11 如有需要，可在相同的位置上在不同溫度下重復 ?12.2 及 12.6-12.9 ，或在相 同的 位置上在不同的注入水平下重復 ?12.2-12.9 。圖 3 反射微波功率衰減曲線和復合壽命的確定13. 報告13.1 報告以下數(shù)據(jù)： 13.1.1 控制時，報告軟件版本， 13.1.3 的注入水平 h 或注入光子密度 FI ， 子復合壽命，單位為測量日期及地點， 13.1.2 儀器型號、 序號， 如為計算機 確定時間常數(shù)的衰退曲線的部位，13.1.5 所用的表面鈍化工藝（見卩s。要求說明所測壽命是t1或te , 13.1.71

35、3.1.4 如 ?12.5 確定 ?11） ， 13.1.6 載流 如在幾個不同注入水平13.2 如果需要，報告樣片細節(jié)，包括識別標記、 表面狀態(tài)（正面和背面） 、標稱直徑。 13.3 如13.3.1 測點間13.4 如果測量是在特定的或若干個溫度下進測量，報告每一個 h 或 FI 值下的壽命。 中心點電阻率、中心點厚度、導電類型、 果作樣片的壽命分布圖，除載流子復合壽命密度圖外，還要報告以下數(shù)據(jù)： 距及測點模型， 13.3.2 分布圖區(qū)域的半徑。 行的，報告每次測量的溫度。14.精度與偏差14.1 精度 1996 年五月至 1996 EM3502） 進行了該方法的循環(huán)試驗。樣品為 電阻 率在

36、3WX cm至47WX cm之間分兩類， 循 環(huán)試驗的有 12 種片子。參與試驗的有年十一月間為建立 JEIDA 53 （現(xiàn)今的 JEITAP型和n型直徑150mm CZ （100）熱氧化片。壽命在 2ms 至 1500ms 之間分三類, 總共用于19 個組織（ 17 家公司和 2 所大學） 。在注入9.6% （ t1 ） 沒光13 2 子濃度為5 10光子/cm時，對每個片子的誤差的標準偏差中心值為 9.4% （te） 。 14.2 偏差由于沒有具有可接受的載流子復合壽命參考數(shù)據(jù)的材料， 有關于此測試方 法偏差的資料可提供。15.關鍵詞15.1 contactless measurement

37、; microwave reflection; photoconductivity decay;recombination lifetime; silicon wafers 無接觸測量，微波反射，光電導衰退，復合 壽命，硅片附錄 1 注入水平調(diào)整 注：此附錄中的資料為 票程序批 準。A1-1 如樣品被氧化過， 或 估計。記錄厚度。通過圖 分的比率。注1 :計算時假定入射光波長 I為905nm,硅的折射率取 3.610 , SiO2的折射率取 1.462 。最大吸收發(fā)生 在氧化層厚度 d=（2n+1）l/4 ，最小吸收發(fā)生在 d=nl/2 ， n=0， 1， 2， 等等。當入射光波長 I1 不等

38、于 905nm, 要用氧化層有效厚度 do=905d1/I1 來使用這些曲 線求相對強度,其中 d1 為氧化層實際厚度。A1-2 調(diào)節(jié)光源強度使得脈沖作用期間硅中吸收的光子密度SEMI MF1535 的正式組成部分， 它由全球硅片委員會全體信函投而氧化層厚度未知， 用一種測試有關各方都接受的方法進行測量A1-1 中的虛線確定并記錄入射光線穿過氧化層被樣品吸收 部0等于 n n maj , 這里n是所需3注入水平，nmaj是?12.1中求出的硅片多數(shù)載流子濃度。單位為光子數(shù)/cm的光子密度0由下式給出：f 0 0 I dt0=0tpLI L（ A1-1 ）其中： f = 從圖 A1-1 求出的被

39、吸收部分的比率， 20I = 入射光密度，單位為光子/cmL =X s, tp =光脈沖長度，單位為秒，2I =每個脈沖的光子密度，單位為光子/cm ,級。以電阻率為10WX cm的片子為例，多數(shù) 量級。在測量電阻率低于1WX cm的片厚，單位為 cm。 13 2 14 3I通常設定為 5 10光子/cm ± 20% 對1mm厚的片 子來說，這相當于 0為10光子/cm數(shù)量15 3 載流子濃度約為 10 /cm ， n 變 成 0 . 1 數(shù) 樣品時，也可以采用較高的 I 值。SiO2）層的硅片上，入射光的反射部分（實圖 A1-1 覆蓋有 0 至 1mm 厚的二氧化硅（ 線）或吸收部

40、分（虛線）的比率。 相關資料 1 注入水平探討 注：此資料非 SEMI MF1535 的正式組成部分，它出自全球硅片委員會的工作。此資料由 全體信函投票程序 準許出版。R1-1 載流子復合壽命常與少數(shù)載流子壽命相聯(lián)系。 如果壽命是在低注入水平時測定的， 這時h（過剩光生載流子濃度與平衡多數(shù)載流子濃度之比）遠小于1 ,同時其它某些條件也 滿足（見相關資料 2 和相關資料 3 ） ，則這種聯(lián)系是正確的。當 h<<1 時，低注入（小信號） 載流子復合壽命值與 h 的數(shù)值無關。 但在本方法中， 要在低注入范圍內(nèi)進行測量， 常常是不 可 能或不方便的。在這種情況下測得的復合壽命是注入水平的函

41、數(shù)。5 16 R1-2 半導體中載流子通過缺陷中心復合的基本模型由 Hall1 及由 Shockley 和 Read 17 各自獨立推出。此模 型由 Blakemore 進行了詳盡的討論。在 Shockley-Read-Hall （ S-R-H） 模型中，假定 : （1） 半導體的摻雜水平不太高， 沒有使半導體產(chǎn)生簡并；（2）缺陷中心濃度 與多數(shù)載流子濃度相比很小。 R1-3 讀者應參閱 Blakemore 的文章以獲得比本文更完全的論述， 包括 S-R-H 載 流子壽 命表達式（公式 R1-1 ）的推導及費米能級對小信號復合壽命影響的討論。此外， Blakemore 8 9 還討論了當缺陷中

42、心濃度與多數(shù)載流子濃度相比不很小1 及存在載流子陷阱np）相等,tp ）相等。1 的情況引起的 復雜性。 R1-4 對于本方法要測量的樣品，構成 S-R-H 模型基礎的兩個假 定通常是合適的。在這兩個假定下，過剩電子的濃度（ne）與過?？昭ǖ臐舛龋ú⑶彝ㄟ^位于禁帶中能級為eT的缺陷中心復合的電子壽命（tn ）與空穴壽命（以 ms 為單位的載流子壽命 t 可表示如下：T =tn=tp=T n （p0 + p 1 + ne ） t p （n0 + n1 + ne ） + 0 0（n0 + p0 + ne ）（ R1-1 ）ms 表示， 3 以空穴其中： t n0 t p0 n0 p0 n1 p1空

43、中心俘獲電子的時間常數(shù)，以ms表示，滿中心俘獲空穴的時間常數(shù)，非簡并半導體中平衡電子濃度，以電子/cm表示，3非簡并半導體中平衡空穴濃度,/cm 表示, 3 當費米能級 eF =eT 時非簡并半導體中電子的濃度,以電子 /cm 表示, 3 當 費米能級 eF =eT 時非簡并半導體中空穴的濃度,以空穴 /cm 表示。R1-5 在低注入范圍內(nèi), ne 可以忽略,公式 R1-1 簡化為小信號復合壽命 T 0： T 0=T n0T pO O (pO + nO ) (nO + pO )( p 0 + p1 ) (n + n 1 ) +( R1-2 )另一方面，在高注入范圍內(nèi)，ne是主要項，復合壽命變成

44、：T Y = T n0+T p0中等注入時，復合壽命可由T 0和T Y聯(lián)合表示：( R1-3 )T=(n0 + p0 ) T + ne T Y T 0 + n T Y 0 = n0 + p0 + ne 1+( R1-4 )因此，當以T (1+h)對h作圖時，可得一直線。這條直線的零截距為T 0,其斜率為T Y。此函數(shù)的直線性可用以驗證 S-R-H 模型的正確性以及檢查試驗樣品中多種缺陷中心的存在。圖R1-1從復合壽命與注入比的關系圖中導出T 0和T Y表R1-1用于計算復合壽命與注入比關系的參數(shù)參數(shù)溫度, K 硼濃度( p0), cm-3元素鐵( Fe)300 1 1015 5鐵硼對( Fe-

45、B)缺陷能級，eV (價帶之上)0.400 3.64 30.3 1.967 120.100 0.400 3.33 179 6.4817T n0,-3 -3R1-6 n情 況見圖ms T pO, ms n1,10 5.91 1010cm p1 ， cm型和 p 型硅中通過元素鐵缺陷中心以及 p 型硅中通過鐵硼對的復合的直線性R1-1 所示。計算時所用的參數(shù)列于表 R1-1 。在各種情況下都假定鐵全部為缺陷 tO=tnO ,對于鐵硼對, tO>>tnO ；對于 n 型硅中的元 注入水平譜圖取決態(tài)。 注意,對于 p 型硅中的元素鐵,素鐵, t0=tp0 。 R1-7 有文獻 3建議可用注

46、入水平譜圖來識別雜質(zhì)能級。于規(guī)定摻雜條 件下t0和t Y之間與作為雜質(zhì)中心濃度的函數(shù)的關系。由于如下的事實，此300 1 1015 5n0 ,cm-3鐵濃度,原子 /cm31.16 105 10111.1610 51011方法對分析 p 型硅 中的鐵特別有用： （1） 可以對樣品進行處理以保證所有的鐵基本上處 于元素狀態(tài)或結對狀態(tài) 2O ， （2）對于這兩種狀態(tài)， 其注入比關系顯著不同 （見圖 R1-2 ） 。 R1-8應當指出，如果幾種沾污以相近的濃度同時存在，則測出的tO與t Y之比是各種不 同沾污的結果數(shù)據(jù)的某種平均值， 這是因為本方法不像深能級瞬態(tài)譜法或其它涉及空間電荷 層中缺陷中心的

47、充填和釋放過程的譜線技術那樣針對特定雜質(zhì)。圖 R1-2 復合壽命與注入比的函數(shù)關系相關資料 2 載流子復合壽命的溫度關系注：此資料非 SEMI MF1535 的正式組成部分，它出自全球硅片委員會的工作。此資料由 全體信函投票程序 準許出版。R2-1 有文獻建議 4 可用低注入條件下測得的載流子與溫度的關系作為識別硅中金屬雜 質(zhì)的手段，但這只有在低注入以及某些很有限的條件下才可能。 R2-2 在低注入范圍內(nèi)， S-R-H 載流子復合壽命由公式 R1-2 給出。在非簡并半導體內(nèi)， 載流子濃度 nO、pO、n1 和 p1 都 是溫度的指數(shù)函數(shù)。平衡電子和空穴濃度 nO 和 pO 分別可表示 如下：n

48、O=Ncexp ?ekT ?ekT ?£ F -£ c ? ?£ -£ F ?十，P O=Nvexp ? v表示， eF價帶邊，表示。 當/cm 表示， 3 Nv = 價帶態(tài)密度，以態(tài) /cm 表示。 ec = 導帶邊，以=8.6173 10 eV/K ）,（R2-1 ）eV 表示， ev =T = 溫度，以 K eT 上時的電子濃度 n1 和空穴濃度 p1 可表示如下：其中： 3 Nc = 導帶態(tài)密度，以態(tài) = 費米能級或平衡電化學勢能，以 eV 以 eV 表示， -5 k = 波爾茨曼常數(shù)（ 費米能級位于缺陷中心能級n1=Ncexp ?£

49、T -£ c ? ?£ -£ F ?十=nOexp ? T£ T ?十=pcexp ? F 十 ekT ? ekT ?（R2-2）p1=Nvexp ?R2-3 從公式 獲 時間常數(shù) tnOtO=T pO nO T（R2-3）ekT ? ekT ? ?£ v -£ T ? ?£R1-2 可知，低注入（或小信號）載流子復合壽命 t0 可以用電子和空穴俘 和 tp0 以四項和的形式計算而得：pO n1 T nO pO T p + nO 1 + + pO + nO pO + nO pO + nO pO + nO在凍結區(qū)和本征區(qū)之間的

50、溫度區(qū)域內(nèi)， 多數(shù)載流子濃度等于摻雜劑凈濃度， 上式各項 的 分母為常數(shù)。 如果另外還假定俘獲時間常數(shù)與溫度沒有關系，則在缺陷中心部分填滿的溫度 范圍（即包含 p1 或 n1 的一項在小信號復合壽命中占主導時） 內(nèi)，從 lntO 與 1/T 的 關系曲線 的斜率可獲得缺陷中心的能級eTo雖然嚴格地說此假設通常并不很正確，但俘獲時間常數(shù)隨 溫度的變化關系與載流子濃度隨溫度變化的指數(shù)關系相比通常是要小很多的。 R2-4 n型和P型硅中的元素鐵，P型硅中的鐵硼對，這三種例證可用來闡明上述分析。在每種情況下鐵濃度都假定為5 1O原子/cm，摻雜劑濃度假定為1 1O原子/cm o對P型硅，這種摻雜劑濃度

51、相當于電阻率r?1O-15W X cm;對n型硅，它相當于電阻率r?3-5W X emo考慮的溫度范圍從 25O至1OOOK，在此范圍內(nèi)可假定摻雜劑原子完全離化。 元素鐵是施主中 心，它位于如表R1-1所示的禁帶下半部遠高于價帶邊的位置上。鐵硼對也是施主中心，但 它離價帶頂要近得多。于是，在這兩種情況下，p1>> n1,其差別在鐵硼對的情況下更大。R2-4.1 P 型硅中的元素鐵（見圖 R2-1 ）在室溫以下，P O>> p1>> n1>> nO,于是tO=tnO o在約15O C至約2OO C之間，p1>pO>nO, p1項為最大的

52、單項。但由于 p1和 pO 之間沒有太大的差 別, tO 曲線的斜率總也不能很接近 p1 項的斜率, 所以元素鐵中心 的能級不能從曲線上精確獲 得。在更高的溫度， n0 變得可與 p0 相比較（接近本征條件） ， 載流子復合壽命下降，公式中 沒有一個單項占主導，曲線斜率沒有物理意義。113153圖 R2-1 p 型硅元素鐵情況下低注入復合壽命（實線）與溫度倒數(shù)的關系。R2-4.2 n型硅中的元素鐵（見圖R2-2 ）在約100 C以下，0>>p1>>n1>>pO , n于是tO=tpO 。 在約200 C至約225 C之間，p1>nO>p0, p1

53、項又是最大的單項。這時， p1項 和 p0 項之間的差別 更小， t0 曲線的斜率不受任一個單項支配，所以元素鐵中心的能級不 能從曲線上獲得。在更 高的溫度, pO 變得可與 nO 相比較（接近本征條件） ,載流子復合 壽命下降, 但對于近本征的 p 型材料, 公式中沒有一個單項起主導, 所以曲線斜率沒有物理 意義。圖 R2-2 n 型硅元素鐵情況下低注入復合壽命（實線）與溫度倒數(shù)的關系。R2-4.3 P型（摻硼）硅中的鐵硼對（見圖R2-3）此時，p 1>>p0>>n0>>n1,所以從遠p0=N低于室溫到 225 C左右的所有溫度下，p1項在低注入復合壽命公

54、式中占主導。由于硼,t0?tn0（p1/N硼），所以從lnt0 與1/T關系曲線的負斜率可獲得鐵硼對的激活能De=eFe-B-ev 。在 更高的溫度下,材料變成近本征的,分母增大,導致 t0 減小。圖 R2-3 p 型硅鐵硼對情況下低注入復合壽命（實線）與溫度倒數(shù)的關系。R2-5 上述例證說明, 在有限的條件下, 從測量得到的載流子復合壽命與稍高于室溫的 度的關系中獲得的激活能是可以與位于禁帶接近中央位置的缺陷中心的能級相聯(lián)系的, 正是大多數(shù)元素金屬雜質(zhì)的情況。相關資料 3 少數(shù)載流子復合壽命注：此資料非 SEMI MF1535 的正式組成部分,它出自全球硅片委員會的工作。此資料由 全體信函投

55、票程序 準許出版。R3-1過剩電子空穴對在缺陷中心的復合是一個兩步的過程。此過程是：（a）空的缺陷中心俘獲一個電子，接著再俘獲一個空穴；或是：（b）滿的缺陷中心俘獲一個空穴，接著再 俘獲一個電子。 于是,復合時間取決于滿或空的缺陷中心的數(shù)目及俘獲時間常數(shù)。17 R3-2如 Blakemore 所論述 ,缺陷中心的占據(jù)率決定于費米能級的位置。 如果所有的 缺陷中心都 是空的, 電子復合時間就決定于電子俘獲時間常數(shù) tn0 。這種情況發(fā)生在費米能級 遠低于 缺陷中心能級之時。 如果所有的缺陷中心都是滿的, 空穴復合時間就決定于空穴俘獲 時間 常數(shù)tp0。這種情況發(fā)生在費米能級遠高于缺陷中心能級之時

56、。由于費米能級的位置主要取決于摻雜劑濃度,缺陷中心的占據(jù)率對不同電阻率的片子就會不同。R3-3 有兩類情況是等效的。缺陷中心在禁帶中可能與費米能級處于中心的同一側,也 可能位于另一側。 這樣, 缺陷中心處于 p 型半導體禁帶下半部的情況與缺陷中心處于n 型半 導體禁帶上半部的情況是相同的, 只是電子和空穴的作用互換一下。 同樣, 缺陷中心處于 p 型半導體禁帶上半部的 情況與缺陷中心處于 n 型半導體禁帶下半部的情況也是相同的。 R3-4 作為例證, 探討室溫 （300K）下n型和P型硅的元素鐵及P型硅中鐵硼對這三種 11 3情況。在每種情況下 都假定鐵濃度為5 X 10原子/cm。注意，對于

57、電阻率很低的片子，S-R- H模型非簡并的要求可能不能滿足。R3-4.1 P型硅中的元素鐵（見圖R3-1 ）對于所有實際的電阻率值，費米能級都在 接近禁帶中央能級的元素鐵中心以下好幾個 kT 的位置上。 因此, 缺陷中心是 空的。復合過 程限定為俘獲過剩的少數(shù)載流子電子, 俘獲后,大量存在的空穴立即與之復合。 所以,小信 號載流子復合壽命等于電子 （少數(shù)載流子） 俘獲時間常數(shù)： t0=tn0 。 R3-4.2 n 型 硅中的元素鐵（見圖 R3-2 ）在這種情況下，對于所有的電阻率值，費米能級都遠高于缺陷中心能級，所有的缺陷中心都填滿，空穴俘獲受空穴俘獲時間常數(shù) 能級接近導帶邊，有大量電子存在，所以空穴被俘獲后，缺陷中心立即被充