半導(dǎo)體材料測(cè)量精

1、半導(dǎo)體材料測(cè)量(measurement for semiconductor material)   用物理和化學(xué)分析法檢測(cè)半導(dǎo)體材料的性能和評(píng)價(jià)其質(zhì)量的方法。它對(duì)探索新材料、新器件和改進(jìn)工藝控制質(zhì)量起重要作用。在半導(dǎo)體半barl材料制備過(guò)程中，不僅需要測(cè)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(cè)量的內(nèi)容和方法擴(kuò)大到薄膜、表面和界面分析。半導(dǎo)體材料檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展大大促進(jìn)了半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體材料測(cè)量包括雜質(zhì)檢測(cè)、晶體缺陷觀測(cè)、電學(xué)參數(shù)測(cè)試以及光學(xué)測(cè)試等方法。雜質(zhì)檢測(cè)   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(huì)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(huì)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(cè)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(duì)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(jìn)行檢測(cè)，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(cè)法分析方法  對(duì)象特    點(diǎn)    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(shí)分析幾十種元素對(duì)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(dá)1個(gè)原子層量級(jí)對(duì)輕元素最靈敏微米級(jí)微區(qū)分析，對(duì)重元素最靈敏可測(cè)質(zhì)量大于基體的單層雜質(zhì)可隨薄膜剝離面分析是測(cè)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(guò)渡金屬109cm2，輕元素1012cm2晶體缺陷   觀測(cè)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(zhǎng)具有一定晶向的單晶體，而且要經(jīng)過(guò)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(zhǎng)或晶片加工中也會(huì)產(chǎn)生缺陷或損傷層，它會(huì)延伸到外延層中直接影響器件的性能，為此必須對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)及其完整性作出正確的評(píng)價(jià)。半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷的主要測(cè)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(cè)量方法測(cè)試項(xiàng)目 &#

5、160;  測(cè)量方法    對(duì)象和特點(diǎn)    準(zhǔn)確性  (1)光圖定向  可測(cè)晶向及其偏離角，設(shè)備簡(jiǎn)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(dá)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(jiǎn)便   精度可達(dá)1   (1)化學(xué)腐蝕和金相觀察  設(shè)備簡(jiǎn)單、效率高，用于常規(guī)測(cè)試    位錯(cuò)     (2)X射線形貌相       穿透深度約50m，可測(cè)量晶體中位錯(cuò)、層 錯(cuò)、應(yīng)力和雜質(zhì)團(tuán) 微缺陷    化學(xué)腐蝕和金相觀察   

7、;觀測(cè)無(wú)位錯(cuò)硅單晶中的點(diǎn)缺陷和雜質(zhì)形成的微缺陷團(tuán)  (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(cè)量可達(dá)0.1m  誤差±10   損傷層   

8、60;X光雙晶衍射法   可觀測(cè)晶片經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光后的表面缺陷 和應(yīng)力劃痕等    電學(xué)參數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)中最基本的內(nèi)容。電學(xué)參數(shù)測(cè)量包括導(dǎo)電類型、電阻率、載流子濃度、遷移率、補(bǔ)償度、少子壽命及其均勻性的測(cè)量等。測(cè)量導(dǎo)電類型目前常用的是基于溫差電動(dòng)勢(shì)的冷熱探筆法和基于整流效應(yīng)的點(diǎn)接觸整流法。電阻率測(cè)量通常采用四探針法、兩探針法、三探針法和擴(kuò)展電阻法，一般適用于鍺、硅等元素半導(dǎo)體材料?；魻枩y(cè)量是半導(dǎo)體材

9、料中廣泛應(yīng)用的一種多功能測(cè)量法，經(jīng)一次測(cè)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(jìn)一步獲得材料的禁帶寬度、雜質(zhì)的電離能以及補(bǔ)償度?；魻枩y(cè)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(cè)試法。后來(lái)又發(fā)展了可以測(cè)量均勻的、任意形狀樣品的范德堡法，簡(jiǎn)化了樣品制備和測(cè)試工藝，得到了普遍的應(yīng)用。另一類深能級(jí)雜質(zhì)，其能級(jí)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(bǔ)償?shù)淖饔茫乙部膳c原生空位形成絡(luò)合物，它對(duì)半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重大影響。對(duì)這種深能級(jí)雜質(zhì)的檢測(cè)比較困難，目前用結(jié)電容技術(shù)進(jìn)行測(cè)量取得了較大進(jìn)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(jí)瞬態(tài)能譜法，可以快速地測(cè)量在較寬能量范圍內(nèi)的多個(gè)能級(jí)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(cè)深度受結(jié)或勢(shì)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(yáng)極氧化來(lái)實(shí)現(xiàn)載流子濃度剖面分布的連續(xù)測(cè)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(cè)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(jiǎn)便迅速，測(cè)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(cè)量方法列于表3中。表3半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)測(cè)量方法測(cè)試項(xiàng)目    測(cè)量方

11、法    對(duì)象和特點(diǎn)  (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(diǎn)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(kuò)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(kuò)展電阻法    硅單晶微區(qū)均勻性、外延層、多層結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散層，空間分辨翠20nm，電阻率范圍1 0 -3102cm  (1)霍爾測(cè)量法單晶或高阻襯底上低阻外延層，同時(shí)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(shì)壘雪崩擊穿的影響，可測(cè)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(bǔ)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(cè)量  適用于硅、鍺、化

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

15、-GaAs和Si可測(cè)>0.2eV的能級(jí)光學(xué)測(cè)試法   光學(xué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)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(cè)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(cè)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(qiáng)，使光學(xué)效應(yīng)大大增強(qiáng)。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(cè)試儀器不太復(fù)雜，探測(cè)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(cè)試主要用于雜質(zhì)的識(shí)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(cuò)、應(yīng)力、補(bǔ)償率等的對(duì)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(cè)量法列于表4中。表4半導(dǎo)體材料光學(xué)測(cè)量法 測(cè)試方法    測(cè)試內(nèi)容    特  點(diǎn)紅外干涉法外延層厚度測(cè)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(cè)限：氧(8K)3×1013cm-3；碳(300K)1016cm-3 (2)非摻SiGaAs中EL2深能級(jí)檢測(cè)范圍1