半導(dǎo)體材料測量精

1、半導(dǎo)體材料測量(measurement for semiconductor material)   用物理和化學(xué)分析法檢測半導(dǎo)體材料的性能和評價其質(zhì)量的方法。它對探索新材料、新器件和改進工藝控制質(zhì)量起重要作用。在半導(dǎo)體半barl材料制備過程中，不僅需要測量半導(dǎo)體單晶中含有的微量雜質(zhì)和缺陷以及表征其物理性能的特征參數(shù)，而且由于制備半導(dǎo)體薄層和多層結(jié)構(gòu)的外延材料，使測量的內(nèi)容和方法擴大到薄膜、表面和界面分析。半導(dǎo)體材料檢測技術(shù)的進展大大促進了半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體材料測量包括雜質(zhì)檢測、晶體缺陷觀測、電學(xué)參數(shù)測試以及光學(xué)測試等方法。雜質(zhì)檢測   半導(dǎo)體晶

2、體中含有的有害雜質(zhì)，不僅使晶體的完整性受到破壞，而且也會嚴(yán)重影響半導(dǎo)體晶體的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。另一方面，有意摻入的某種雜質(zhì)將會改變并改善半導(dǎo)體材料的性能，以滿足器件制造的需要。因此檢測半導(dǎo)體晶體中含有的微量雜質(zhì)十分重要。一般采用發(fā)射光譜和質(zhì)譜法，但對于薄層和多層結(jié)構(gòu)的外延材料，必須采用適合于薄層微區(qū)分析的特殊方法進行檢測，這些方法有電子探針、離子探針和俄歇電子能譜。半導(dǎo)體晶體中雜質(zhì)控制情況見表1。表1半導(dǎo)體晶體中雜質(zhì)檢測法分析方法  對象特    點    靈敏度發(fā)射光譜質(zhì)譜離子探針俄歇電子能譜電

3、子探針盧瑟福散射活化分析全反射X光熒光  晶體  晶體  薄膜  表面  薄膜  表面  薄膜  表面可同時分析幾十種元素對全部元素靈敏度幾乎相同適合于表面和界面的薄層微區(qū)分析，可達1個原子層量級對輕元素最靈敏微米級微區(qū)分析，對重元素最靈敏可測質(zhì)量大于基體的單層雜質(zhì)可隨薄膜剝離面分析是測表面雜質(zhì)最靈敏的方法(O01100)×10-6(110)×10-9一般元素1×10-6輕元素，1×10-91&#

4、215;10-6(10100)×10-610×10-9過渡金屬109cm2，輕元素1012cm2晶體缺陷   觀測半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)往往具有各向異性的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，必須根據(jù)器件制造的要求，生長具有一定晶向的單晶體，而且要經(jīng)過切片、研磨、拋光等加工工藝獲得規(guī)定晶向的平整而潔凈的拋光片作為外延材料或離子注入的襯底材料。另一方面，晶體生長或晶片加工中也會產(chǎn)生缺陷或損傷層，它會延伸到外延層中直接影響器件的性能，為此必須對晶體的結(jié)構(gòu)及其完整性作出正確的評價。半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷的主要測量方法見表2。表2半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷的主要測量方法測試項目 &#

5、160;  測量方法    對象和特點    準(zhǔn)確性  (1)光圖定向  可測晶向及其偏離角，設(shè)備簡單     晶向  (2)X射線照相法   適用于晶向完全不知的定向，精度較高，但操作復(fù)雜，用于研究  精度可達30    (3)X射線衍射儀   適用于晶向大致已知的定

6、向和定向切割，精 度高、操作簡便   精度可達1   (1)化學(xué)腐蝕和金相觀察  設(shè)備簡單、效率高，用于常規(guī)測試    位錯     (2)X射線形貌相       穿透深度約50m，可測量晶體中位錯、層 錯、應(yīng)力和雜質(zhì)團 微缺陷    化學(xué)腐蝕和金相觀察   

7、;觀測無位錯硅單晶中的點缺陷和雜質(zhì)形成的微缺陷團  (1)解理染色法載流子濃度和厚度不受限制 外延層厚度    (2)紅外干涉法   不適用于高阻層，非破壞性，同質(zhì)外延1 102m；異質(zhì)外延03103m   分辨率±0.5m   (3)X射線干涉法  厚度測量可達0.1m  誤差±10   損傷層   

8、60;X光雙晶衍射法   可觀測晶片經(jīng)化學(xué)機械拋光后的表面缺陷 和應(yīng)力劃痕等    電學(xué)參數(shù)測試   半導(dǎo)體材料的電學(xué)參數(shù)與半導(dǎo)體器件的關(guān)系最密切，因此測量與半導(dǎo)體導(dǎo)電性有關(guān)的特征參數(shù)成為半導(dǎo)體測量技術(shù)中最基本的內(nèi)容。電學(xué)參數(shù)測量包括導(dǎo)電類型、電阻率、載流子濃度、遷移率、補償度、少子壽命及其均勻性的測量等。測量導(dǎo)電類型目前常用的是基于溫差電動勢的冷熱探筆法和基于整流效應(yīng)的點接觸整流法。電阻率測量通常采用四探針法、兩探針法、三探針法和擴展電阻法，一般適用于鍺、硅等元素半導(dǎo)體材料?；魻枩y量是半導(dǎo)體材

9、料中廣泛應(yīng)用的一種多功能測量法，經(jīng)一次測量可獲得導(dǎo)電類型、電阻率、載流子濃度和遷移率等電學(xué)參數(shù)，并由霍爾效應(yīng)的溫度關(guān)系，可以進一步獲得材料的禁帶寬度、雜質(zhì)的電離能以及補償度。霍爾測量已成為砷化鎵等化合物半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的常規(guī)測試法。后來又發(fā)展了可以測量均勻的、任意形狀樣品的范德堡法，簡化了樣品制備和測試工藝，得到了普遍的應(yīng)用。另一類深能級雜質(zhì)，其能級處于靠近禁帶中心的位置，在半導(dǎo)體材料中起缺陷、復(fù)合中心或補償?shù)淖饔?，而且也可與原生空位形成絡(luò)合物，它對半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重大影響。對這種深能級雜質(zhì)的檢測比較困難，目前用結(jié)電容技術(shù)進行測量取得了較大進展，所用方法有熱激電容法、光電容法和電容瞬

10、態(tài)法，后又發(fā)展了深能級瞬態(tài)能譜法，可以快速地測量在較寬能量范圍內(nèi)的多個能級及其濃度。外延材料中載流子濃度的剖面分布采用電容一電壓法，可測深度受結(jié)或勢壘雪崩擊穿的限制，隨濃度的增加而減小。在此基礎(chǔ)上建立的電化學(xué)電容一電壓法，它是利用電解液陽極氧化來實現(xiàn)載流子濃度剖面分布的連續(xù)測量，特別適用于-V族化合物半導(dǎo)體材料和固溶體等多層結(jié)構(gòu)的外延材料。測量半導(dǎo)體材料中少數(shù)載流子壽命的方法有多種，廣泛應(yīng)用的是交流光電導(dǎo)衰退法，簡便迅速，測量范圍為10103s。，適合于鍺、硅材料。半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)測量方法列于表3中。表3半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)測量方法測試項目    測量方

11、法    對象和特點  (1)冷熱探筆法  適用于電阻率不太高的材料，硅<100cm；鍺<20cm  導(dǎo)電類型     (2)點接觸整流法   不適于低阻材料，硅，l100cm；鍺，不適用。     (1)四探針法  單晶、異型層或低阻襯底上高阻層外延材料、擴散層，電阻率范圍10-31 0-4cm，訊速非破壞性 &#

12、160;(2)兩探針法  適用于硅錠  電阻率    (3)三探針法  相同導(dǎo)電類型或低阻襯底的外延材料    (4)擴展電阻法    硅單晶微區(qū)均勻性、外延層、多層結(jié)構(gòu)、擴散層，空間分辨翠20nm，電阻率范圍1 0 -3102cm  (1)霍爾測量法單晶或高阻襯底上低阻外延層，同時獲得電阻率、遷移率和導(dǎo)電類型  (2)范德堡法  均勻的

13、、任意形狀的樣品，其他同上載流子濃度    (3)電容一電壓法  低阻襯底外延層中載流子濃度的剖面分布，由于結(jié)或勢壘雪崩擊穿的影響，可測深度受限制，濃度范圍l0145×l017cm3  (4)電化學(xué)電容一電壓法  多層結(jié)構(gòu)外延材料，濃度和深度不受限制  補償度  (1)晶棒重熔法   適用于以磷、硼為主雜質(zhì)且均勻分布的硅單晶   (2)低溫霍爾測量  適用于硅、鍺、化

14、合物半導(dǎo)體材料  (1)熱激電流  可測距帶邊>o2eV，時間常數(shù)>10-4s的缺陷能級  (2)熱激電容  同上，都用于pn結(jié)缺陷能級位置濃度的測定載流子濃度  (3)光電容  靈敏度高，可測E>o3eV，時間常數(shù)>102s的缺陷能級   (4)深能級的瞬態(tài)譜   靈敏度高(10-4)，分辨率高(>0.03eV)，時間常數(shù)10s，能級范圍寬，n-GaAs可測>0.1eV的能級，p

15、-GaAs和Si可測>0.2eV的能級光學(xué)測試法   光學(xué)檢測技術(shù)對半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷具有很高的靈敏度，可以檢測非電活性雜質(zhì)以及雜質(zhì)與結(jié)構(gòu)缺陷形成的絡(luò)合物，而且在量子能量和樣品空間大小的探測上具有很高的分辨率，特別適合于微區(qū)薄層和表面分析。除了用于鍺、硅晶體中超微量雜質(zhì)的分析外，由于-V族化合物半導(dǎo)體材料中存在部分離子鍵成分，光與晶體中電子的耦合比較強，使光學(xué)效應(yīng)大大增強。這些材料又廣泛用于光電器件，光譜范圍處于可見光和近紅外區(qū)域，測試儀器不太復(fù)雜，探測器的靈敏度高，因此特別適合于-V族一類的化合物半導(dǎo)體材料。光學(xué)測試主要用于雜質(zhì)的識別和超微量分析，而且利用發(fā)光光譜可以研究與雜質(zhì)、缺陷、位錯、應(yīng)力、補償率等的對應(yīng)關(guān)系，作出晶體均勻性和完整性的判據(jù)，因此光學(xué)分析得到了廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體材料光學(xué)測量法列于表4中。表4半導(dǎo)體材料光學(xué)測量法 測試方法    測試內(nèi)容    特  點紅外干涉法外延層厚度測量范圍0.515m，快速、精確、非破壞性 紅外吸收法(1)硅中氧、碳含量 檢測限：氧(8K)3×1013cm-3；碳(300K)1016cm-3 (2)非摻SiGaAs中EL2深能級檢測范圍1