微波反射測(cè)晶硅少子壽命方法

1、pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 SEMI MF1535-0707 微波反射無接觸光電導(dǎo)衰退測(cè)量硅片載流子復(fù)合壽命測(cè)試方法 本標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)上由全球硅片委員會(huì)批準(zhǔn)?，F(xiàn)今的版本由全球?qū)徲?jì)檢查委員分會(huì)在 2007 年 4 月 25 日批準(zhǔn) 出版。它于 2007 年 6 月在 網(wǎng)站上發(fā)表，2007 年 7 月出版 CD-ROM 光碟。最初由 ASTM 國(guó)際以 ASTM F1535-94 出版，上一次出版在 2006 年 11 月。 1. 目的 1.1 如果半導(dǎo)體中載流子濃度不太高， 載流子復(fù)合壽命由能級(jí)位于禁帶中的雜質(zhì)中心決定。

2、 很多金屬雜質(zhì)在硅中形成這樣的復(fù)合中心。在大多數(shù)情況下，這些雜質(zhì)在很低的濃度 10 13 3 （10 至 10 原子/cm ）下即可使復(fù)合壽命降低，對(duì)器件和電路起有害的作用。在某 些情況下，例如甚高速雙極開關(guān)器件和大功率器件，復(fù)合特性必須細(xì)心地控制以達(dá)到 所需的器件性能。 1.2 本測(cè)試方法包含多種類型硅片載流子復(fù)合壽命的測(cè)試步驟。由于測(cè)試時(shí)在片子上沒有 制作電接觸點(diǎn)，在測(cè)試后，如果片子的清潔度保持良好，可以對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的工藝操 作。 1.3 本測(cè)試方法適用于研究開發(fā)、工藝控制、以及材料的驗(yàn)收。但，由本測(cè)試方法獲得的 結(jié)果與表面鈍化程度有關(guān)。所以，當(dāng)本法用于材料的規(guī)格和驗(yàn)收時(shí)，供方和需方須對(duì)

3、測(cè)試中的表面處理達(dá)成共識(shí)。 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(fù)合過程相關(guān)的載流子 壽命的測(cè)量。樣品的室溫電阻率應(yīng)大于某個(gè)由檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度確定的極限，此極限 通常在 0.05-1W×cm 范圍內(nèi)。 只要電導(dǎo)率檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度足夠， 本測(cè)試方法也可應(yīng)用 于測(cè)量切割、研磨、腐蝕硅片的載流子復(fù)合壽命。 2.2 在本測(cè)試方法中，通過監(jiān)測(cè)樣片微波反射來測(cè)定光脈沖產(chǎn)生過剩載流子之后樣片電導(dǎo) 率的衰退。因?yàn)樵跇悠飞蠜]有制作接觸點(diǎn)，本檢測(cè)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(cè)之后，樣片可進(jìn)入下道工序。 2.3 在沒有表面復(fù)合時(shí)測(cè)量載流子復(fù)合

4、壽命，將得到“理想”體復(fù)合壽命（b） 。但是， 一般來說，要完全抑制表面復(fù)合是很困難的。而且，在大多數(shù)情況下，壽命測(cè)量都是 在未作表面鈍化或未證實(shí)表面鈍化是否完善的情況下進(jìn)行的。此外，注入比也影響壽 命的測(cè)量值。注入比如果小，測(cè)得的壽命將不受注入比的影響，體復(fù)合壽命即為少數(shù) 載流子壽命（見注 1） 。但是，為了提高信噪比（S/N） ，常采用高水平的注入。因之， 本測(cè)量方法也包含“非理想”情況下載流子復(fù)合壽命的測(cè)量。此時(shí)表面復(fù)合為有限值， 以及（或者）注入比不小。 包含兩種這樣的測(cè)量： 2.3.1 基模壽命1。它受體和表面性質(zhì)的影響。 2.3.2 1/e 壽命e。它與注入比和激光透入深度都有關(guān)，

5、并強(qiáng)烈受表面條件的影響，因?yàn)?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(jiǎn)單，e 的測(cè)量是快速易行的。 注 1：與光激發(fā)水平有關(guān)，按本法測(cè)定的載流子復(fù)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(fù)合中 心的肖克來-雷德-霍耳模型的單一復(fù)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(dāng)注入 載流子濃度大大超過多數(shù)載流子濃度（高注入）時(shí)，復(fù)合壽命為少數(shù)載流子和多數(shù)載流子俘獲時(shí)間 常數(shù)之和（見相關(guān)資料 1） 。 2.3.3 當(dāng)表面復(fù)合可忽略以及注入

6、水平足夠低時(shí)，上述三種壽命相等（b=1=e） 。在表 面復(fù)合可忽略的情況下，即使激光剛開始輻照時(shí)的注入不小，b 與1 也相等。 注 2：本檢測(cè)方法適用于測(cè)量 0.25ms 到>1ms 范圍內(nèi)的載流子復(fù)合壽命。最短可測(cè)壽命值取決于光源的關(guān) 斷特性及衰退信號(hào)測(cè)定器的采樣頻率， 最長(zhǎng)可測(cè)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(dāng)?shù)拟g化工藝，如熱氧化或浸入適當(dāng)?shù)娜芤褐?，?duì)于 SEMI M1 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定厚度的拋光片，長(zhǎng) 到數(shù)十毫秒的壽命值也可被測(cè)定。 注 3：大樣塊的載流子復(fù)合壽命可以用 SEMI MF28 方法 A 或 B 測(cè)定。這些也是基于光 電導(dǎo)衰退（PCD）的測(cè)試方法需要在樣

7、品上制作電接觸。該方法假設(shè)在所有的表面都有很大的表面復(fù) 合，因而壽命測(cè)量的上限由檢驗(yàn)樣品的尺寸決定。測(cè)試方法 SEMI MF28 中的方法 B 規(guī)定檢驗(yàn)要在低注 入水平的條件下進(jìn)行，以保證測(cè)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(cè)出的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度推算得出。在低注入條件下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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(cè)量時(shí)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(jìn)行 PCD 測(cè)量時(shí)，表面復(fù)合效應(yīng)必須消除 （如在本測(cè)試方法中） ，或作適當(dāng)?shù)目紤]

8、（如在測(cè)試方法 SEMI MF28 中） 。半導(dǎo)體材料的另一個(gè)瞬態(tài)特 性產(chǎn)生壽命通常比復(fù)合壽命要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然 SEMI M1388 是關(guān)于硅片產(chǎn)生壽命的測(cè)量方法，在 室溫以上的溫度（370）用相同的 MOS 電容結(jié)構(gòu)，通過其電容-時(shí)間的測(cè)量也可推導(dǎo)出復(fù)合壽命2。 2.4 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋以判別雜質(zhì)中心的起因 和本質(zhì)不在本測(cè)試方法范圍內(nèi)。單從載流 子復(fù)合壽命的測(cè)量中可得到的此方面的某些信息在相關(guān)資料中討論。 “注入水平譜”3 的利用在相關(guān)資料 1 中討論， 低注入水平下測(cè)定的載流子復(fù)合壽命溫度關(guān)系4的利用在 相關(guān)資料 2 中討論。要對(duì)復(fù)合壽命測(cè)量中發(fā)現(xiàn)的存在于樣片中的雜質(zhì)中心進(jìn)行識(shí)別和

9、測(cè)量其濃度，通常較可靠的是用 SEMI MF978 深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）方法，或在雜質(zhì)特 性適當(dāng)?shù)念悇e已知時(shí)利用其它電容或電流瞬態(tài)譜技術(shù)5。 2.5 影響載流子復(fù)合壽命的金屬雜質(zhì)可在各個(gè)工藝過程中引入到樣片中，特別是那些涉及 高溫的過程。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(cè)試 方法通常是非選擇性的，但在非常有限的條件下，某些個(gè)別的雜質(zhì)種類是可被識(shí)別出 來的（見?6.3、相關(guān)資料 1 和相關(guān)資料 2） 。 注：本標(biāo)準(zhǔn)不打算述及在其應(yīng)用中可能會(huì)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(biāo)準(zhǔn)使用者的責(zé)任。 3. 限制

10、3.1 如果載流子的壽命使其載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度大于片子厚度的 0.1 倍，表面復(fù)合 將影響電導(dǎo)率衰退。這時(shí)為測(cè)量體復(fù)合壽命，必須靠熱氧化或浸入適當(dāng)?shù)?電解液來消除在片子表面處復(fù)合的效應(yīng)（見?11） 。 3.1.1 電解液處理必須獲得穩(wěn)定的表面，使得用本測(cè)試方法能產(chǎn)生可靠的結(jié) 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(shí)氧化物沉淀可 能在片子體內(nèi)形成。這類沉淀物的存在會(huì)改變片子的復(fù)合性質(zhì)（見?3.4） ，從而使試 驗(yàn)樣品不宜用本測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)量。 3.1.3 在某些情況下，外吸雜片子用本測(cè)試方法測(cè)量時(shí)可得出錯(cuò)誤的載流子復(fù)合壽命值。 對(duì)這類片子測(cè)量結(jié)果的正確性必須進(jìn)行

11、嚴(yán)格的檢查。 3.2 本方法不適于測(cè)量很薄的硅膜的復(fù)合壽命。如果檢驗(yàn)樣品的厚度與入射光吸收系數(shù)的 倒數(shù)差不多大小或更小， 衰退曲線將由于過剩載流子產(chǎn)生過程的空間關(guān)系而受到扭曲。 3.3 在垂直于片子表面方向上載流子復(fù)合性質(zhì)的變化可導(dǎo)致體復(fù)合壽命測(cè)量的不正確。變 化可來自： （1）有平行于表面的 p-n 結(jié)或高-低（p-p+或 n-n+）結(jié)存在； （2）有不同 復(fù)合特性的區(qū)域存在（例如片子有氧化沉淀和一個(gè)沒有這種沉淀的表面潔凈區(qū)） 。 3.4 硅中雜質(zhì)的復(fù)合特性與溫度強(qiáng)烈有關(guān)。如果要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（如在一個(gè)工藝過 程之前和之后，或在供應(yīng)者和用戶間） ，應(yīng)在同一溫度下進(jìn)行測(cè)量。 3.5 不同雜

12、質(zhì)中心有不同的復(fù)合特性。因此，如果在片子中有不止一種類型的復(fù)合中心存 在，衰退可由兩個(gè)或多個(gè)時(shí)間常數(shù)的貢獻(xiàn) 組成。由這樣一條衰退曲線得出的復(fù)合壽命 不可能代表任何單個(gè)的中心。 3.6 雜質(zhì)中心的復(fù)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(jí)在禁帶中的位 置（見相關(guān)資料 R3-2） 。 3.7 光注入載流子高次模的衰退會(huì)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(jìn)行測(cè)量可將此效應(yīng)減至最?。ㄔ谒ネ诵盘?hào)最大值的 50%以下開始） 。 4. 參考標(biāo)準(zhǔn)和文檔 4.1 SEMI 標(biāo)準(zhǔn) SEMI C28氫氟酸規(guī)格和指標(biāo) SEMI C35硝酸規(guī)格和指標(biāo) SEMI M1拋光單晶硅片規(guī)格

13、SEMI M59硅技術(shù)術(shù)語(yǔ) SEMI MF28光電導(dǎo)衰退測(cè)量鍺和硅體少數(shù)載流子壽命的測(cè)試方法 SEMI MF42非本征半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的測(cè)試方法 SEMI MF84直排四探針測(cè)量硅片電阻率的測(cè)試方法 SEMI MF391穩(wěn)態(tài)表面光電壓測(cè)量非本征半導(dǎo)體少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的測(cè)試方法 SEMI MF533硅片厚度和厚度變化的測(cè)試方法 SEMI MF673無接觸渦流計(jì)測(cè)量半導(dǎo)體片電阻率或半導(dǎo)體膜薄層電阻的測(cè)試方法 SEMI MF723摻硼、摻磷和摻砷硅電阻率和摻雜濃度轉(zhuǎn)換的操作 SEMI MF978瞬態(tài)電容技術(shù)測(cè)量半導(dǎo)體深能級(jí)的測(cè)試方法 SEMI MF1388金屬-氧化物-硅（MOS）電容的電容-時(shí)

14、間關(guān)系測(cè)量硅材料產(chǎn)生壽命和 產(chǎn)生速率的測(cè)試方法 SEMI MF1530自動(dòng)無接觸掃描測(cè)量硅片平整度、厚度和厚度變化的測(cè)試方法 4.2 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)7 D5127用于電子和半導(dǎo)體工業(yè)的超純水指南 4.3 DIN 標(biāo)準(zhǔn)8 DIN 50 440硅單晶載流子壽命測(cè)量：光電導(dǎo)衰退測(cè)量低注入載流子復(fù)合壽命 9 4.4 JEITA 標(biāo)準(zhǔn) JEITA EM-3502(JEIDA-53-1999微波反射光電導(dǎo)衰退測(cè)量硅片載流子復(fù)合壽命測(cè) 試方法 注：除非另外標(biāo)明，所有引用的文檔都是最新出版的版本。 5. 術(shù)語(yǔ) 5.1 硅技術(shù)中所用術(shù)語(yǔ)的定義都可在 SEMI M59 中找到。 6. 6.1 檢測(cè)方法概要 用能量

15、稍大于禁帶寬度的短脈沖（寬度200ns，上升、下降時(shí)間25ns）光以規(guī)定的 功率密度（注入水平）在很短的時(shí)間內(nèi)在片子局部產(chǎn)生過剩電子空穴對(duì)。光脈沖終止 后光電導(dǎo)的衰退通過微波反射監(jiān)測(cè)，載流子復(fù)合壽命按以下步驟進(jìn)行： 6.1.1 如果希望獲得體復(fù)合壽命，樣品表面須經(jīng)過調(diào)節(jié)處理，使得表面復(fù)合對(duì) 光電導(dǎo)衰退的影響可以忽略。載流子復(fù)合壽命由指數(shù)性電導(dǎo)率衰退的適當(dāng) 部分的時(shí)間常數(shù)決定。 6.1.2 基模壽命由衰退曲線指數(shù)部分的衰退時(shí)間常數(shù)決定。 6.1.3 1/e 壽命由激光脈沖注入到過剩載流子濃度減小為 1/e 時(shí)的時(shí)間間隔決定。 6.2 可使用窄束光源，使得可以在片子不同的點(diǎn)區(qū)域反復(fù)測(cè)量以獲得載流子

16、復(fù)合壽命的分 布圖。 6.3 為了獲得復(fù)合中心更詳細(xì)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(qiáng)度） 或溫度下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。 6.4 在工序前后比較載流子復(fù)合壽命的測(cè)量數(shù)據(jù)，有時(shí)能識(shí)別出起污染源作用的工序。 7. 設(shè)備 7.1 脈沖光源波長(zhǎng)在 0.9 到 1.1m的激光二極管。標(biāo)稱脈沖寬度200ns，上升、下降 時(shí)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 2.510 到 2.510 光子/2的光子密度。 注 4：脈沖光源的上升、下降時(shí)間和信號(hào)調(diào)節(jié)器的采樣時(shí)間（見?7.4）應(yīng)最短測(cè)量壽命的 0.1 倍。 7.1.1 光子探測(cè)器常

17、常希望用適當(dāng)?shù)姆椒?，如在光路上?45 角放置的半透鏡和硅光 子檢測(cè)器， 以提供反饋控制使激光功率維持在適合于規(guī)定注入水平的一個(gè)恒定水平上。 7.2 微波拾取系統(tǒng)包括一個(gè)工作在標(biāo)稱頻率為 10±0.5GHz 的微波源以及一個(gè)測(cè)量反射 功率的設(shè)備，如循環(huán)器、天線及檢測(cè)器（見圖 1） 。檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度應(yīng)盡可能大，使 得可以在低注入水平下測(cè)量光電導(dǎo)衰退。 7.3 樣片安放臺(tái)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(tái)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。它可由計(jì)算機(jī)控制的馬達(dá)驅(qū) 動(dòng)，提供 x-y 或 x-q方式的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)樣片表面作圖的能力，還可以配置

18、自動(dòng) 裝片及傳輸裝置以便于一組片子的按序測(cè)量。 7.4 衰退信號(hào)分析系統(tǒng)適宜的信號(hào)調(diào)節(jié)器和顯示單元（有合適的時(shí)間掃描和信號(hào)靈敏 度的實(shí)際或虛擬的示波器） 。信號(hào)調(diào)節(jié)器帶寬應(yīng)340MHz，或最小采樣時(shí)間25ns（見注 3） 。顯示單元應(yīng)具有精度和線性優(yōu)于 3%的連續(xù)刻度的時(shí)基。系統(tǒng)應(yīng)能獨(dú)立地確定使用 者選定的衰退信號(hào)部分的時(shí)間常數(shù)。 o 圖1 脈沖光和微波系統(tǒng)方框圖范例 7.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)雖然測(cè)量可以手動(dòng)進(jìn)行，但推薦使用合適的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)行測(cè)量以控 制裝片、樣片臺(tái)動(dòng)作、脈沖和探測(cè)器操作、衰退信號(hào)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)記錄 和儲(chǔ)存、以及結(jié)果的打印作圖。 7.6 樣片表面腐蝕和鈍化設(shè)施如果需要的話

19、。 7.6.1 化學(xué)鈍化裝備有防酸下水池的通風(fēng)廚，盛室溫氫氟酸等液體化學(xué)試劑的燒杯或 其它容器，及對(duì)所用化學(xué)試劑合適的防護(hù)用品。 7.6.2 氧化可在 950-1050溫度下進(jìn)行高質(zhì)量氧化的清潔的爐子及有關(guān)的清潔、干燥 及片處理設(shè)施。 7.7 樣片容器如果需要的話。 在某些情況下， 有必要將樣片浸在鈍化液中進(jìn)行測(cè)量 （見 ?11） 。這時(shí)需要一個(gè)平的化學(xué)不活潑的、光學(xué)透明的容器來盛放樣片和鈍化液。 8. 試劑 8.1 試劑純度對(duì)所有有規(guī)格的化學(xué)試劑， 須 符合 SEMI 規(guī)格中該試劑的 1 級(jí)規(guī)格， 其它 化學(xué)試劑須符合文獻(xiàn) 10 中“化學(xué)試劑”所規(guī)定的試劑規(guī)格。其它級(jí)別也可以用，但首 先要確

20、認(rèn)其純度足夠高，使用后不會(huì)使測(cè)試精度下降。 8.2 水的純度水的標(biāo)準(zhǔn)指 ASTM D5127 指南中所述的 E-3 型或更好。 8.3 推薦的化學(xué)制品應(yīng)有下列標(biāo)稱檢定： 8.3.1 乙醇（CH3CH2OH）無水，399.9%。 8.3.2 碘（I2）>99.8%。 8.3.3 氫氟酸（HF）濃縮，49.00±0.25%，符合 SEMI C28 的 1 級(jí)規(guī)格。警告：安全事 項(xiàng)見?9.3。 8.3.4 硝酸（HNO3）濃縮，70.0-71.0%，符合 SEMI C35 的 1 級(jí)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

21、也可以用于體復(fù)合壽命的測(cè)量，只要它們： （1）將表面復(fù)合速率降低到不再干擾 體復(fù)合壽命測(cè)試的程度（見?11.3）（2）導(dǎo)致穩(wěn)定的表面（見?6.1.1） ； 。 8.5 腐蝕非拋光面的光亮腐蝕溶液在 95ml 濃硝酸中混合 5ml 濃 HF。警告：安全事項(xiàng)見? 9.3。 8.6 腐蝕表面氧化膜的稀 HF 溶液為獲得 100ml 的 2%HF 溶液，可用 4ml 濃 HF 混合在 96ml 水中。警告：安全事項(xiàng)見?9.3。 9. 危害 9.1 激光照射系統(tǒng)應(yīng)聯(lián)鎖以防止激光束的直接觀察。警告：當(dāng)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(yīng)屏蔽及聯(lián)鎖，使人不能與微波束接觸。警告：當(dāng)聯(lián)鎖解除后

22、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(xué)試劑有潛在的危害性， 必須在排酸的通風(fēng)櫥中操作， 并使用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)用品，包括護(hù)目鏡，并在任何時(shí)刻都要極其小心。警告：氫氟酸溶 液特別有害。不熟悉相應(yīng)的“材料安全數(shù)據(jù)冊(cè)”中列出的特別的防護(hù)措施及急救處理 的任何人不能使用 HF 溶液。 10. 取樣 10.1 如果不是在 100%的基礎(chǔ)上使用本測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，采樣程序須經(jīng)測(cè)試有關(guān)各方同 意。 10.2 如需按批采樣，對(duì)于如何組成批，以及采樣程序和按批采樣程序，須經(jīng)測(cè)試有關(guān)各方 同意。 10.3 因?yàn)閺?fù)合中心的濃度在樣片上是不均勻的， 因此需要在樣片表面的不同點(diǎn)測(cè)定復(fù)合壽 命。測(cè)點(diǎn)的密度

23、和部位須經(jīng)測(cè)試有關(guān)各方同意。 11. 檢測(cè)樣品制備 11.1 只有在測(cè)量體復(fù)合壽命時(shí)才制備樣品，其他情況則進(jìn)到?12。測(cè)量體復(fù)合壽命時(shí)，檢 測(cè)樣品所需的制備既與檢測(cè)樣品的表面狀態(tài)也和檢測(cè)樣品體復(fù)合壽命的預(yù)期值 tb 有 關(guān)。 11.2 如果tb 值不大于表面復(fù)合壽命ts 的十分之一，則無需對(duì)檢測(cè)樣品作制備。表面復(fù)合壽 命由兩項(xiàng)構(gòu)成：一是擴(kuò)散項(xiàng)tdiff，它由載流子擴(kuò)散到表面引起；一是表面復(fù)合項(xiàng)tsp， 11 它由表面復(fù)合引起。表面復(fù)合壽命可通過下列近似關(guān)系式計(jì)算 ： ts=tdiff+tsp= L2 L + 2 D 2S （1） 其中： 2 D = 少數(shù)載流子擴(kuò)散系數(shù)，單位為 cm /s， L

24、 = 片厚，單位為 cm， S = 表面復(fù)合速度，單位為 cm/s，假設(shè)兩個(gè)表面的表面復(fù)合速度相等。 12 電子和空穴的表面復(fù)合壽命作為不同厚度樣片表面復(fù)合的函數(shù)關(guān)系 表示于圖 2。 注 6：如果 S 很大（>104cm/s） ，過剩載流子接觸到表面會(huì)立即復(fù)合，于是表面復(fù)合壽命由tdiff 主導(dǎo)。 良好拋光面的表面復(fù)合速度為104cm/s11，而研磨面的表面復(fù)合速度更大（107 cm/s，為載流子飽和速度） 。 在這種情況下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度樣片的最大可測(cè) 10%精度體復(fù)合壽命對(duì) p 型片約 1ms，n 型片約 2ms。盡管精確 測(cè)量體復(fù)合壽命時(shí)有此限制，如果滿足下列條件，則在體壽命大到 0.

25、5-1ms 的未鈍化拋光片上，仍可以檢 測(cè)體復(fù)合壽命的相對(duì)變化： （1）整個(gè)樣片上擴(kuò)散系數(shù)和表面復(fù)合速度是均勻的； （2）微波系統(tǒng)靈敏到足以分辨差別 1%的壽命檢測(cè)值。 在這兩個(gè)同樣的條件下，體復(fù)合壽命高到 100ms 左右的研磨樣片亦可作相對(duì)測(cè)量。這時(shí)，為了獲得足 夠均勻的表面復(fù)合速度，有必要在光亮腐蝕液（見?8.5）中腐蝕表面約一分鐘。 11.3 可精確測(cè)量的最大體復(fù)合壽命約為表面壽命的 1/10。如果要測(cè)試的體復(fù)合壽命大于 0.1ts，樣片表 面必須用下列方法之一（見注 5）進(jìn)行鈍化處理，使得 0.1ts>tb 的條件滿足。 11.3.1 氧化在具有很高質(zhì)量 （干氧） 熱氧化膜 D

26、it<10 /cm ×eV） （ （見注 6） 的厚度30.5mm 的樣片上，可測(cè)量高到 1ms 左右的體復(fù)合壽命。要保證氧化條件使得在氧化周期內(nèi) 不會(huì)形成明顯數(shù)量的氧化沉積物（見?3.1.2） 。為測(cè)量 1ms 到 10ms 之間的壽命，須 在稀 HF（見?8.6）中剝離掉氧化物，并在 15 分鐘之內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。 10 2 圖2 在擴(kuò)散系數(shù)一定和不同片厚時(shí)表面復(fù)合壽命與表面復(fù)合速率的函數(shù)關(guān)系 11.3.2 浸在鈍化溶液中在厚度30.5mm 的裸拋光片上要測(cè)量直到1ms 的體復(fù)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(yù)處理。然后將 硅片包在小塑料袋或

27、其它含足夠鈍化液的器具中，使得在測(cè)量進(jìn)行時(shí)，有一層鈍化 液薄膜覆蓋在硅片表面。在進(jìn)行檢測(cè)之前要確保鈍化技術(shù)能獲得穩(wěn)定可重復(fù)的測(cè)量 結(jié)果（見?3.1.1） 。 如表面氧化過，先在稀 HF 溶液中腐蝕一定的時(shí)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(shí)間與氧化層厚度有關(guān)，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(jìn)行檢測(cè)之前要確保鈍化技術(shù)能獲得穩(wěn)定可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果（見?3.1.1） 。 注 7：拋光面經(jīng)氧化或化學(xué)溶液鈍化會(huì) 有大大減小了的表面復(fù)合速度。例如，仔細(xì)制備的熱

28、氧化硅表 面的表面復(fù)合速度可低至 1.5-2.5cm/s， HF 酸中剝離氧化層后復(fù)合速度可低至 0.25cm/s(見參考文獻(xiàn) 13。 在 這篇文獻(xiàn)還概述了確定表面復(fù)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(xué)拋 光硅片的表面復(fù)合速度降至10cm/s。 11 14 注 8：界面俘獲電荷密度（Dit）可通過文獻(xiàn)描述的各種技術(shù)去測(cè)量 。但這些技術(shù)都沒有成為標(biāo)準(zhǔn)。 12. 步驟 注 9：下列步驟給出了充分的細(xì)節(jié)供手動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析之用。強(qiáng)烈推薦使用具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示能 力的用計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備來進(jìn)行儀器的設(shè)定、數(shù)據(jù)采集和分析。這時(shí)，所使用的步驟和算法，必須與本節(jié) 所列內(nèi)容等效。

29、12.1 如參數(shù)未知，按 SEMI MF42 測(cè)定導(dǎo)電類型，按 SEMI MF533 或 SEMI MF1530 測(cè)量樣片 中心點(diǎn)厚度，按 SEMI MF84 或按 SEMI MF673 測(cè)量中心點(diǎn)電阻率。按 SEMI MF723 將電 12.2 12.3 12.4 12.5 阻率轉(zhuǎn)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(biāo)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(tái)是控溫的，記錄樣品臺(tái)表面溫度。 裝載樣片到樣品臺(tái)，使光脈沖能照射到需檢測(cè)的區(qū)域。 打開脈沖激光光源開關(guān)（見?7.1） 。 調(diào)節(jié)光強(qiáng)使注入水平 達(dá)到所需值。 3

30、 注 10：如果沒有規(guī)定注入比，最好將其設(shè)定為小于 1。如果注入比可精確測(cè)量并記錄在案，則可采用 較高的注入比。較高的注入比通常有信噪比較好的優(yōu)點(diǎn)。 注 11：如果儀器不能自動(dòng)調(diào)節(jié)注入比，可按附錄 1 中的操作對(duì)其進(jìn)行設(shè)定。 12.6 打開微波功率源電源，觀察顯示器上的光電導(dǎo)衰退。調(diào)整時(shí)間和電壓刻度盤，以便顯 示衰退信號(hào)所需要的部分。 12.7 確認(rèn)所用范圍的衰退是指數(shù)性的。 通過將一條指數(shù)曲線擬合到電壓 V 與時(shí)間 t 的函數(shù) 曲線， 或在手動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)將一條直線擬合到 lnV 與 t 的函數(shù)曲線， 來測(cè)定其時(shí)間常 數(shù)。 12.8 從記錄的衰退曲線（即光注入后反射微波功率的變化）上計(jì)算復(fù)合壽

31、命（見圖 3） 。 注 12：測(cè)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(jìn)行重復(fù)測(cè)量并取平均。 12.8.1 體復(fù)合壽命（tb）?如果表面已按?11.3.2 的方法進(jìn)行了減小表面復(fù)合速度的處 理，從衰退曲線的指數(shù)部分計(jì)算時(shí)間常數(shù)。在沒有相反的跡象時(shí)，利用峰值電壓 V0 的 45-5%范圍內(nèi)的衰退信號(hào)。 注 13：計(jì)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(jì)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(shí)刻，t1 為反射功率衰退到峰值的 1/e 的時(shí)刻（見圖 3） 。 12.8.3

32、基模壽命（t1）?將衰退曲線衰退到可以被認(rèn)為是指數(shù)性的部位的時(shí)間常數(shù)計(jì)為 基模壽命。 如果反射功率在 t=tA 時(shí)為 VA， t=tB 時(shí)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(jì)為t1，其中 t1 為反射功率衰退到峰值的 1/e 的時(shí)刻，t2 為反 2 射功率衰退到峰值的 1/e 的時(shí)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(cè)復(fù)合壽命的類型及數(shù)值。 12.10 如需要，移動(dòng)樣片位置,按需要重復(fù)?12.6-12.9 的操作以獲得樣片壽命分布圖，注 明測(cè)點(diǎn)間距及測(cè)點(diǎn)模型和分布圖區(qū)域的半徑。 12.11 如有需

33、要，可在相同的位置上在不同溫度下重復(fù)?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(fù)?12.2-12.9。 圖3 反射微波功率衰減曲線和復(fù)合壽命的確定 13. 報(bào)告 13.1 報(bào)告以下數(shù)據(jù)： 13.1.1 測(cè)量日期及地點(diǎn)， 13.1.2 儀器型號(hào)、序號(hào)，如為計(jì)算機(jī)控制時(shí)，報(bào)告軟件版本， 13.1.3 確定時(shí)間常數(shù)的衰退曲線的部位， 13.1.4 如?12.5 確定的注入水平h或注入光子密度FI， 13.1.5 所用的表面鈍化工藝（見?11） ， 13.1.6 載流子復(fù)合壽命，單位為 s。要求說明所測(cè)壽命是t1 或te， 13.1.7 如在幾個(gè)不同注入水平測(cè)量，報(bào)告每

34、一個(gè)h或FI 值下的壽命。 13.2 如果需要，報(bào)告樣片細(xì)節(jié)，包括識(shí)別標(biāo)記、中心點(diǎn)電阻率、中心點(diǎn)厚度、導(dǎo)電類型、 表面狀態(tài)（正面和背面） 、標(biāo)稱直徑。 13.3 如果作樣片的壽命分布圖，除載流子復(fù)合壽命密度圖外，還要報(bào)告以下數(shù)據(jù)： 13.3.1 測(cè)點(diǎn)間距及測(cè)點(diǎn)模型， 13.3.2 分布圖區(qū)域的半徑。 13.4 如果測(cè)量是在特定的或若干個(gè)溫度下進(jìn)行的，報(bào)告每次測(cè)量的溫度。 14. 精度與偏差 14.1 精度1996 年五月至 1996 年十一月間為建立 JEIDA 53（現(xiàn)今的 JEITA EM3502） 進(jìn)行了該方法的循環(huán)試驗(yàn)。樣品為 p 型和 n 型直徑 150mm CZ（100）熱氧化片。

35、電阻 率在 3W×cm 至 47W×cm 之間分兩類，壽命在 2ms 至 1500ms 之間分三類，總共用于循 環(huán)試驗(yàn)的有 12 種片子。參與試驗(yàn)的有 19 個(gè)組織（17 家公司和 2 所大學(xué)） 。在注入光 13 2 子濃度為 510 光子/cm 時(shí)，對(duì)每個(gè)片子的誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差中心值為 9.6%（t1）9.4% （te） 。 14.2 偏差由于沒有具有可接受的載流子復(fù)合壽命參考數(shù)據(jù)的材料， 沒有關(guān)于此測(cè)試方 法偏差的資料可提供。 15. 關(guān)鍵詞 15.1 contactless measurement; microwave reflection; photoconducti

36、vity decay; recombination lifetime; silicon wafers 無接觸測(cè)量，微波反射，光電導(dǎo)衰退，復(fù)合壽命，硅片 附錄 1 注入水平調(diào)整 注：此附錄中的資料為 SEMI MF1535 的正式組成部分，它由全 球硅片委員會(huì)全體信函投票程序批 準(zhǔn)。 A1-1 如樣品被氧化過，而氧化層厚度未知，用一種測(cè)試有關(guān)各方都接受的方法進(jìn)行測(cè)量或 估計(jì)。記錄厚度。通過圖 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 部分的比率。 注 1：計(jì)算時(shí)假定入射光波長(zhǎng)l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

37、d=(2n+1l/4，最小吸收發(fā)生在 d=nl/2，n=0，1，2，等等。當(dāng)入射光波長(zhǎng)l1 不等于 905nm， 要用氧化層有效厚度 do=905d1/l1 來使用這些曲線求相對(duì)強(qiáng)度，其中 d1 為氧化層實(shí)際厚度。 A1-2 調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度使得脈沖作用期間硅中吸收的光子密度等于 n maj， 這里 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 度由下式給出： f ò I dt = 0 tp L = f I L （A1-1） 其中： f = 從圖 A1-1 求出的被吸收部分的比率， 2 I = 入射光密度，單位為光子/cm 

38、15;s， tp = 光脈沖長(zhǎng)度，單位為秒， 2 I = 每個(gè)脈沖的光子密度，單位為光子/cm ， L = 片厚，單位為 cm。 13 2 14 3 I 通常設(shè)定為 510 光子/cm ±20%。對(duì) 1mm 厚的片子來說，這相當(dāng)于為 10 光子/cm 數(shù)量 15 3 級(jí)。以電阻率為 10W×cm 的片子為例，多數(shù)載流子濃度約為 10 /cm ， 變 成 0 . 1 數(shù) 量 級(jí) 。 在 測(cè) 量 電阻率低于 1W×cm 的樣品時(shí)，也可以采用較高的I 值。 圖 A1-1 覆蓋有 0 至 1mm 厚的二氧化硅（SiO2）層的硅片上，入射光的反射部分（實(shí)線） 或吸收部分（虛

39、線）的比率。 相關(guān)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(huì)的工作。此資料由全體信函投票程序 準(zhǔn)許出版。 R1-1 載流子復(fù)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(shí)測(cè)定的， 這時(shí)h（過剩光生載流子濃度與平衡多數(shù)載流子濃度之比）遠(yuǎn)小于 1，同時(shí)其它某些條件也 滿足（見相關(guān)資料 2 和相關(guān)資料 3） ，則這種聯(lián)系是正確的。當(dāng)h<<1 時(shí)，低注入（小信號(hào)） 載流子復(fù)合壽命值與h的數(shù)值無關(guān)。但在本方法中，要在低注入范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，常常是不 可能或不方便的。在這種情況下測(cè)得的復(fù)合壽命是注入水平的函數(shù)。 5 16 R1-

40、2 半導(dǎo)體中載流子通過缺陷中心復(fù)合的基本模型由 Hall1 及由 Shockley 和 Read 17 各自獨(dú)立推出。此模型由 Blakemore 進(jìn)行了詳盡的討論。在 Shockley-Read-Hall（S-R-H） 模型中，假定:（1）半導(dǎo)體的摻雜水平不太高，沒有使半導(dǎo)體產(chǎn)生簡(jiǎn)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(yīng)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(dá)式（公式 R1-1）的推導(dǎo)及費(fèi)米能級(jí)對(duì)小信號(hào)復(fù)合壽命影響的討論。此外，Blakemore 8 9 還討論了當(dāng)缺陷中心濃度與多數(shù)載流子濃度相比不很小1 及

41、存在載流子陷阱1 的情況引起的 復(fù)雜性。 R1-4 對(duì)于本方法要測(cè)量的樣品，構(gòu)成 S-R-H 模型基礎(chǔ)的兩個(gè)假定通常是合適的。在這 兩個(gè)假定下，過剩電子的濃度（ne）與過?？昭ǖ臐舛龋╪p）相等，并且通過位于禁帶中能 級(jí)為eT 的缺陷中心復(fù)合的電子壽命（tn）與空穴壽命（tp）相等。以ms 為單位的載流子壽命t 可表示如下： =tn=tp= n（p0 + p 1 + ne） p（n0 + n1 + ne） + 0 0 （n0 + p0 + ne） （R1-1） 其中： n0 p0 n0 p0 n1 p1 = = = = = = 空中心俘獲電子的時(shí)間常數(shù)，以ms 表示， 滿中心俘獲空穴的時(shí)間常數(shù)

42、，以ms 表示， 3 非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中平衡電子濃度，以電子/cm 表示， 3 非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中平衡空穴濃度，以空穴/cm 表示， 3 當(dāng)費(fèi)米能級(jí)eF =eT 時(shí)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中電子的濃度，以電子/cm 表示， 3 當(dāng)費(fèi)米能級(jí)eF =eT 時(shí)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)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(jiǎn)化為小信號(hào)復(fù)合壽命0： 0=n0 ( p 0 + p1 (n + n 1 +p0 0 (p0 + n0 (n0 + p0 （R1-2） 另一方面，在高注入范圍內(nèi)，ne 是主要項(xiàng)，復(fù)合壽命變成： ￥=n0+p0 中等注入時(shí)，復(fù)合壽命可由0 和￥聯(lián)合表示： （R

43、1-3） = (n0 + p0 + ne￥ 0 + ￥ 0 = n0 + p0 + ne 1+ （R1-4） 因此，當(dāng)以(1+h對(duì)h作圖時(shí)，可得一直線。這條直線的零截距為0，其斜率為￥。 此函數(shù)的直線性可用以驗(yàn)證 S-R-H 模型的正確性以及檢查試驗(yàn)樣品中多種缺陷中心的存在。 圖 R1-1 從復(fù)合壽命與注入比的關(guān)系圖中導(dǎo)出0 和￥ 表 R1-1 用于計(jì)算復(fù)合壽命與注入比關(guān)系的參數(shù) 參數(shù) 溫度，K 硼濃度（p0） ，cm -3 元素鐵（Fe） 300 110 15 5 鐵硼對(duì)（Fe-B） 300 110 15 5 n0，cm-3 鐵濃度，原子/cm 3 1.1610 510 11 1.1610

44、510 11 缺陷能級(jí)，eV（價(jià)帶之上） 0.400 3.64 30.3 1.9610 5.9110 7 12 0.100 0.400 3.33 179 6.4810 17 n0，ms p0，ms n1，cm p1，cm -3 -3 R1-6 n 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(duì)的復(fù)合的直線性情 況見圖 R1-1 所示。計(jì)算時(shí)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態(tài)。 注意，對(duì)于 p 型硅中的元素鐵，t0=tn0，對(duì)于鐵硼對(duì)，t0>>tn0；對(duì)于 n 型硅中的元素鐵，t0=tp0。 R1-7 有文獻(xiàn)3建議可用注入水平譜圖來識(shí)別雜質(zhì)能級(jí)

45、。 注入水平譜圖取決于規(guī)定摻雜條 件下t0 和t￥之間與作為雜質(zhì)中心 濃度的函數(shù)的關(guān)系。由于如下的事實(shí)，此方法對(duì)分析 p 型硅 中的鐵特別有用： （1） 可以對(duì)樣品進(jìn)行處理以保證所有的鐵基本上處于元素狀態(tài)或結(jié)對(duì)狀態(tài) 20 ， （2）對(duì)于這兩種狀態(tài)，其注入比關(guān)系顯著不同（見圖 R1-2） 。 R1-8 應(yīng)當(dāng)指出，如果幾種沾污以相近的濃度同時(shí)存在，則測(cè)出的t0 與t￥之比是各種不 同沾污的結(jié)果數(shù)據(jù)的某種平均值， 這是因?yàn)楸痉椒ú幌裆钅芗?jí)瞬態(tài)譜法或其它涉及空間電荷 層中缺陷中心的充填和釋放過程的譜線技術(shù)那樣針對(duì)特定雜質(zhì)。 圖 R1-2 復(fù)合壽命與注入比的函數(shù)關(guān)系 相關(guān)資料 2 載流子復(fù)合壽命的溫度關(guān)

46、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(huì)的工作。此資料由全體信函投票程序 準(zhǔn)許出版。 R2-1 有文獻(xiàn)建議4可用低注入條件下測(cè)得的載流子與溫度的關(guān)系作為識(shí)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(fù)合壽命由公式 R1-2 給出。在非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體內(nèi)， 載流子濃度 n0、p0、n1 和 p1 都是溫度的指數(shù)函數(shù)。平衡電子和空穴濃度 n0 和 p0 分別可表示 如下： n0=Ncexp ? F - c ? ? - F ? ÷ ， p0=Nvexp ? v ÷ è

47、 kT ? è kT ? （R2-1） 其中： 3 Nc = 導(dǎo)帶態(tài)密度，以態(tài)/cm 表示， 3 Nv = 價(jià)帶態(tài)密度，以態(tài)/cm 表示， eF = 費(fèi)米能級(jí)或平衡電化學(xué)勢(shì)能，以 eV 表示。 ec = 導(dǎo)帶邊，以 eV 表示， ev = 價(jià)帶邊，以 eV 表示， -5 k = 波爾茨曼常數(shù)（=8.617310 eV/K） ， T = 溫度，以 K 表示。 當(dāng)費(fèi)米能級(jí)位于缺陷中心能級(jí)eT 上時(shí)的電子濃度 n1 和空穴濃度 p1 可表示如下： n1=Ncexp ? T - c ? ? - F ? ÷ =n0exp ? T ÷ è kT ? è k

48、T ? ? v - T ? ? - T ? ÷ =pcexp ? F ÷ è kT ? è kT ? （R2-2） p1=Nvexp ? R2-3 從公式 R1-2 可知，低注入（或小信號(hào)）載流子復(fù)合壽命t0 可以用電子和空穴俘獲 時(shí)間常數(shù)tn0 和tp0 以四項(xiàng)和的形式計(jì)算而得： t0= p0 n0 p0 n1 n0 p0 p + n0 1 + + p0 + n0 p0 + n0 p0 + n0 p0 + n0 （R2-3） 在凍結(jié)區(qū)和本征區(qū)之間的溫度區(qū)域內(nèi)， 多數(shù)載流子濃度等于摻雜劑凈濃度， 上式各項(xiàng)的 分母為常數(shù)。 如果另外還假定俘獲時(shí)間常數(shù)與溫度

49、沒有關(guān)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(xiàng)在小信號(hào)復(fù)合壽命中占主導(dǎo)時(shí)）內(nèi)，從 lnt0 與 1/T 的關(guān)系曲線 的斜率可獲得缺陷中心的能級(jí)eT。雖然嚴(yán)格地說此假設(shè)通常并不很正確，但俘獲時(shí)間常數(shù)隨 溫度的變化關(guān)系與載流子濃度隨溫度變化的指數(shù)關(guān)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(duì)，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 510 原子/cm ，摻雜劑濃度假定為 110 原子/cm 。對(duì) p 型 硅，這種摻雜劑濃度相當(dāng)于電阻率r?10-15W×cm；對(duì) n 型硅，它相當(dāng)于電阻率r?3-5W

50、×cm。 考慮的溫度范圍從 250 至 1000K，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(yuǎn)高于價(jià)帶邊的位置上。鐵硼對(duì)也是施主中心，但 它離價(jià)帶頂要近得多。于是，在這兩種情況下，p1>>n1，其差別在鐵硼對(duì)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，p0>>p1>>n1>>n0，于是t0=tn0。 在約 150至約 200之間，p1>p0>n0，p1 項(xiàng)為最大的單項(xiàng)。但由于 p1 和 p0 之間沒有太大的差 別，t0 曲線的斜率總也不能

51、很接近 p1 項(xiàng)的斜率， 所以元素鐵中心的能級(jí)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(fù)合壽命下降，公式中 沒有一個(gè)單項(xiàng)占主導(dǎo)，曲線斜率沒有物理意義。 11 3 15 3 圖 R2-1 p 型硅元素鐵情況下低注入復(fù)合壽命（實(shí)線）與溫度倒數(shù)的關(guān)系。 R2-4.2 n 型硅中的元素鐵 （見圖 R2-2） 在約 100以下， 0>>p1>>n1>>p0， n 于是t0=tp0。 在約 200至約 225之間，p1>n0>p0，p1 項(xiàng)又是最大的單項(xiàng)。這時(shí)，p1 項(xiàng)和 p0 項(xiàng)之間的差別 更小，t0 曲

52、線的斜率不受任一個(gè)單項(xiàng)支配，所以元素鐵中心的能級(jí)不能從曲線上獲得。在更 高的溫度，p0 變得可與 n0 相比較（接近本征條件） ，載流子復(fù)合壽命下降，但對(duì)于近本征的 p 型材料，公式中沒有一個(gè)單項(xiàng)起主導(dǎo)，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(fù)合壽命（實(shí)線）與溫度倒數(shù)的關(guān)系。 R2-4.3 p型（摻硼）硅中的鐵硼對(duì)（見圖R2-3）此時(shí)，p1>>p0>>n0>>n1，所以從遠(yuǎn) 低于室溫到225左右的所有溫度下，p1項(xiàng)在低注入復(fù)合壽命公式中占主導(dǎo)。由于p0=N 硼,t0?tn0(p1/N硼，所以從lnt0與1/T關(guān)系曲線的負(fù)斜率可獲

53、得鐵硼對(duì)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(dǎo)致t0減小。 圖 R2-3 p 型硅鐵硼對(duì)情況下低注入復(fù)合壽命（實(shí)線）與溫度倒數(shù)的關(guān)系。 R2-5 上述例證說明，在有限的條件下，從測(cè)量得到的載流子復(fù)合壽命與稍高于室溫的 溫度的關(guān)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(jí)相聯(lián)系的， 這 正是大多數(shù)元素金屬雜質(zhì)的情況。 相關(guān)資料 3 少數(shù)載流子復(fù)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(huì)的工作。此資料由全體信函投票程序 準(zhǔn)許出版。 R3-1 過剩電子空穴對(duì)在缺陷中心的復(fù)合是一個(gè)兩步的過程。此過程是 ：

54、 （a）空的缺陷 中心俘獲一個(gè)電子，接著再俘獲一個(gè)空穴；或是： （b）滿的缺陷中心俘獲一個(gè)空穴，接著再 俘獲一個(gè)電子。于是，復(fù)合時(shí)間取決于滿或空的缺陷中心的數(shù)目及俘獲時(shí)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(fèi)米能級(jí)的位置。如果所有的 缺陷中心都是空的， 電子復(fù)合時(shí)間就決定于電子俘獲時(shí)間常數(shù)tn0。這種情況發(fā)生在費(fèi)米能級(jí) 遠(yuǎn)低于缺陷中心能級(jí)之時(shí)。 如果所有的缺陷中心都是滿的， 空穴復(fù)合時(shí)間就決定于空穴俘獲 時(shí)間常數(shù)tp0。這種情況發(fā)生在費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)高于缺陷中心能級(jí)之時(shí)。 由于費(fèi)米能級(jí)的位置主要 取決于摻雜劑濃度，缺陷中心的占據(jù)率對(duì)不同電阻率的片子就會(huì)不同

55、。 R3-3 有兩類情況是等效的。缺陷中心在禁帶中可能與費(fèi)米能級(jí)處于中心的同一側(cè)，也 可能位于另一側(cè)。 這樣， 缺陷中心處于 p 型半導(dǎo)體禁帶下半部的情況與缺陷中心處于 n 型半 導(dǎo)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(dǎo)體禁帶上半部的情況與缺陷中心處于 n 型半導(dǎo)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(duì)這三種 11 3 情況。 在每種情況下都假定鐵濃度為 5×10 原子/cm 。 注意， 對(duì)于電阻率很低的片子， S-R-H 模型非簡(jiǎn)并的要求可能不能滿足。

56、 R3-4.1 p 型硅中的元素鐵（見圖 R3-1）對(duì)于所有實(shí)際的電阻率值，費(fèi)米能級(jí)都在 接近禁帶中央能級(jí)的元素鐵中心以下好幾個(gè) kT 的位置上。因此，缺陷中心是空的。復(fù)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(fù)合。所以，小信 號(hào)載流子復(fù)合壽命等于電子（少數(shù)載流子）俘獲時(shí)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(duì)于所有的電阻率值，費(fèi) 米能級(jí)都遠(yuǎn)高于缺陷中心能級(jí)，所有的缺陷中心都填滿，空穴俘獲受空穴俘獲時(shí)間常數(shù)tp0 支配。由于費(fèi)米能級(jí)接近導(dǎo)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 填。因之，限定的過程

57、乃是空穴的俘獲，小信號(hào)載流子復(fù)合壽命等于空穴（少數(shù)載流子）俘 獲時(shí)間常數(shù)：t0=tp0。 R3-4.3 p 型硅（摻硼）中的鐵硼對(duì)（見圖 R3-3）此缺陷中心非?？拷鼉r(jià)帶邊。除 了電阻率很低的片子外，費(fèi)米能級(jí)都在缺陷中心能級(jí)之上，以致缺陷中心有些是填滿的。在 這種情況下， 限定的過程仍是少數(shù)載流子電子的俘獲。 但由于僅有一部分缺陷中心能俘獲電 子，小信號(hào)復(fù)合壽命將大于電子俘獲時(shí)間常數(shù)。定量上，因?yàn)?n0< >tp0n0，所以，小信號(hào)壽命受此項(xiàng)支配， 少數(shù)載流子的 性質(zhì)對(duì)復(fù)合過程無影響。 R3-5 因此，對(duì)于深能級(jí)缺陷中心，小注入（小信號(hào)）載流子復(fù)合壽命等于少數(shù)載流子 俘獲時(shí)間常數(shù)（

58、或少數(shù)載流子壽命） ，而對(duì)于靠近能帶邊的缺陷中心，小信號(hào)載流子復(fù)合壽 命可能會(huì)比少數(shù)載流子俘獲時(shí)間常數(shù)大得多。 圖 R3-1 室溫 p 型硅元素鐵情況下小注入復(fù)合壽命（實(shí)線）與電阻率的關(guān)系。 圖 R3-2 室溫 n 型硅元素鐵情況下小注入復(fù)合壽命（實(shí)線）與電阻率的關(guān)系。 圖 R3-3 室溫 p 型硅鐵硼對(duì)情況下小注入復(fù)合壽命（實(shí)線）與電阻率的關(guān)系。 注：對(duì)此處提出的標(biāo)準(zhǔn)在任何特定應(yīng)用中的適用性，SEMI 不作保證或表示。標(biāo)準(zhǔn)適用性的決定，僅為 使用者的責(zé)任。對(duì)于本文提到的材料和設(shè)備，使用者被告誡應(yīng)查閱制造商的說明書、產(chǎn)品標(biāo)簽、產(chǎn)品數(shù)據(jù) 單及其它相關(guān)資料。此處的標(biāo)準(zhǔn)常會(huì)進(jìn)行更改而不預(yù)先告知。 出

59、版本標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)宣稱與本標(biāo)準(zhǔn)中提及的任一條款有關(guān)的任何專利權(quán)和版權(quán)的合法性，半導(dǎo)體設(shè)備和 材料國(guó)際（SEMI）不表示立場(chǎng)。本標(biāo)準(zhǔn)的使用者被明確告知，任何此類專利權(quán)和版權(quán)的判斷以及侵犯這類 權(quán)利的風(fēng)險(xiǎn)，全由他們自行承擔(dān)。 1 Saritas, M., and McKell, H. D., “Comparison of Minority-Carrier Diffusion Length Measurements in Silicon by the Photoconductive Decay and Surface Photovoltage Methods,” J. Appl. Phys. 63, 4562-4567(1988 2 Schroder, D. K., Whitfield, J. D., and Varker, C. J., “Recombination Lifetime Using the Pulsed MOS Capacitor,” IEEE Trans. Electron Devices ED-31, 462-467(1984 3 Ferenczi, G., Pavelka, T., and Tütt?, P., “Injection Level Spectroscopy: A Novel Non-Contact Contamination An