专利名称：一种基于双探测光束的半导体材料特性测量装置及方法
技术领域：
本发明属于半导体材料无损检测技术领域，特别涉及联合自由载流子吸收技术和光 调制反射技术，即双探测光束探测技术来确定半导体材料特性测量装置和测量方法。
背景技术：
对半导体材料进行掺杂，使其结构和电阻率等发生改变，半导体材料才能成为一种 有用的功能材料。而对半导体材料中掺入的杂质浓度及退火等加工工艺的精确监控在很 大程度上决定了半导体器件的性能。在监控过程中通过对半导体材料一些特性参数进行 测量来判断材料加工是否达标。现在半导体晶片尺寸越来越大，若掺入半导体的杂质浓 度或相关加工工艺不能达标，将导致成品率下降。因此，能够准确地监测掺杂半导体材 料的特性参数是半导体制造技术中一项很重要的课题。随着微电子器件特征尺寸的縮 小，超浅结成为必然趋势。对超浅结，除了需要测量掺杂浓度、电阻率和载流子寿命等 常规参数外，还需要测量其掺杂后的结深以及浓度分布的陡度，因而需要发展检测其特 性的测量技术。
目前用于工业上测量半导体材料特性的传统方法，如四探针测量法、扩展电阻探针 法、二次离子质谱仪和卢瑟福后向散射法等，由于各自存在一定缺点，其应用受到一定 的限制四探针测量法测量精度受到探针尺寸大小的限制，主要应用于高掺杂浓度的监 测，此外可用于测量材料特征参数，但为接触性测量，具有一定的破坏性；扩散电阻法 缺陷是需要熟练的操作者、样品制备和破坏性地测试；二次离子质谱仪本质上是一种破 坏性的测量方法，且测量需花费很长的时间；卢瑟福后向散射用于监测掺杂浓度时只能 探测质量较大离子的掺杂浓度。
公开号为CN1971868的中国专利描述自由载流子吸收测量技术，通过探测光透射过 载流子区域后强度发生的变化得到被测样品的掺杂浓度。自由载流子吸收测量技术中载 流子吸收信号仅与载流子密度波场有关，检测信号随掺杂浓度单调变化。此外，自由载 流子吸收技术还可用于测量半导体材料电子输运特征参数，特别是测量扩散系数时具有 较高灵敏度。光调制反射测量技术则是通过被测样品对激励光光能的吸收，导致探测光 反射系数的变化，探测变化的反射光强度可监测掺杂半导体的掺杂浓度(参考W. Lee Smith, Allan Rosencwaig， and David L. Willenborg， " Ion implant monitoring with thermal wave technology", Appl. Phys. Lett. 47， 584-586 (1984))。光调制反射测量技术在测量掺杂浓度为中低剂量范围时测量精度高，但光调制反射信号受半导体内 温度场和载流子密度波场的双重影响，在高掺杂浓度时其信号振幅值和掺杂浓度关系是 非单调的。公开号为US7248367的美国专利描述了通过光调制反射技术表征超浅结特性， 测量超浅结的结深及陡度。有时在应用上需要同时用该两种独立的测量方法来测量半导 体材料的特性参数，若分别通过两套独立的测量装置来测量，很难保证测量是在同一个 位置上进行，且增加设备的成本。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种集成了自由载流子吸收技 术和光调制反射技术的半导体材料特性测量装置及方法，以解决现有技术存在的问题， 能够在同一测量装置中同时获取自由载流子吸收信号和光调制反射信号来测量半导体 材料掺杂浓度，弥补光调制反射技术测量掺杂浓度非单调的缺点；在样品同一点上用两 种独立的方法测量同一个参数，提高测量可信度及精度。
本发明的技术解决方案本发明第一方面涉及一种基于双探测光束的半导体材料特 性测量装置，包括产生激励光的激励光源(1);产生光调制反射信号探测光的探测光 源(2);产生自由载流子吸收信号探测光的探测光源(3);用于调制激发光强度的激 励光调制系统(4);用于控制系统自动运行及存储、处理信号数据的计算机(5);用 于反射激励光并使激励光照射在样品表面、并让上述两个探测光透射至样品表面的第一 分光镜(7);用于改变第一分光镜(7)的位置以改变激励光光束和两个探测光光束在 样品表面的间距的精密位移平台(6);用于改变两个探测光光路的第二分光镜(8)、 第三分光镜(9)和第四分光镜(10);固定样品的样品台(11);用于探测自由载流 子吸收信号的探测器(12)及探测光调制反射信号的探测器(13);用于记录信号的数 字存储示波器或数据采集卡(14)、锁相放大器(15);收集探测自由载流子吸收信号 探测光束的聚焦透镜(16)、收集探测光调制反射信号探测光束的聚焦透镜(17);探 测光波长窄带的第一滤光镜(18)和第二滤光镜(19);其中激励光源(1)产生的周 期性变化的激励光经第一分光镜(7)反射到置于样品台(11)的样品表面，样品因吸 收激励光的能量而在被照射处产生周期性变化的温度场和载流子密度波场，导致样品被 激励光照射处反射率发生周期性变化；探测光源(2)产生的光调制反射信号探测光分 别经第四分光镜(10)、第三分光镜(9)、第一分光镜(7)后照到样品被激励光照射 处或相邻位置上，反射的光调制反射信号探测光经第一分光镜(7)、第三分光镜(9)、 第四分光镜(10)后，再通过第二滤光镜(19)滤光，聚焦透镜(17)聚焦收集，并由 探测器(13)探测得到光调制反射信号；另外一方面，探测光源(3)产生的自由载流子吸收信号探测光分别经第二分光镜(8)、第三分光镜(9)、第一分光镜(7)后照
到样品被激励光照射处或相邻位置上，自由载流子吸收信号探测光被样品内产生的过剩
载流子吸收后从样品后表面射出，经第一滤光镜(18)滤光，聚焦透镜(16)聚焦收集，
并由探测器(12)探测得到自由载流子吸收信号；用于探测自由载流子吸收信号的探测
器(12)及探测光调制反射信号的探测器(13)的信号输出端口连接至锁相放'犬器(15) 的信号输入端口和数字存储示波器或数据采集卡(14)的输入端口，以记录自由载流子 吸收信号的直流幅值、交流幅值以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值；激励光调 制系统(4)的信号输出端口连接至激励光源(1)的调制输入端口，使激励光的强度被 周期性调制；激励光调制系统(4)的同步信号输出端口连接至锁相放大器(15)的参 考信号输入端口，以实现信号的采集；计算机(5)通过通讯端口与数字存储示波器或 数据采集卡(14)、锁相放大器(15)、电控精密位移台(6)、激励光调制系统(4) 连接，实现对系统的自动控制和数据采集及存储、处理。
所述的装置中也可以使用两台锁相放大器(15)分别记录自由载流子吸收信号的直 流幅值、交流幅值以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值。
所述的激励光源(1)采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激 光器作为光源；且所述激励光源(1)产生的激励光的光子能量大于被测半导体的本征 半导体禁带宽度。
所述的激励光源(1)产生的激励光的强度须被激励光调制系统(4)周期性地调制， 产生调制激励光；调制激励光的强度可在调制系统(4)里通过调制半导体激光器的驱 动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器调制连续激光束来实 现。
所述的产生光调制反射信号探测光的探测光源(2)和产生自由载流子吸收信号探测 光的探测光源(3)采用低功率的连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体 激光器作为光源，其中产生自由载流子吸收信号探测光的探测光源(3)光束的光子能 量小于被测半导体的本征半导体禁带宽度。
所述的激励光源(1)、自由载流子吸收信号探测光源(3)和光调制反射信号探测 光源(2)出射的光束分别采用不同的透镜聚焦或者采用同一消色散透镜或显微物镜聚 焦到待测样品表面或不聚焦；激励光、自由载流子吸收信号探测光和光调制反射信号探' 测光可垂直入射或斜入射到样品表面；自由载流子吸收信号探测光、光调制反射信号探 测光和激励光在样品表面重合或者相距在载流子扩散长度的范围内。
所述的用于探测自由载流子吸收信号的探测器(12)和探测光调制反射信号的探测器(13)采用光电二极管探测器或光电倍增管探测器。
在所述的用于探测自由载流子吸收信号的探测器(12)及探测光调制反射信号的探 测器(13)后、锁相放大器(15)前加前置放大器对信号进行放大。
所述的第一分光镜(7)、第二分光镜(8)、第三分光镜(9)和第四分光镜(10) 相对于入射光光线45度放置。
所述的第四分光镜(10)采用半透半反式分光片，或采用偏振分光镜；采用偏振分 光镜时，需要在第三分光镜(9)和第四分光镜(10)的光路之间加一块对应于光调制 反射信号探测光波长的四分之一波片。
在第二方面中，提供一种利用上述装置的基于双探测光束的半导体材料特性测量方
法。该方法包括以下步骤
(1) 将自由载流子吸收信号探测光、光调制反射信号探测光和强度周期调制的激 励光同时照射到被测半导体样品同一或相邻位置处，样品因吸收激励光能量在被照射处
产生周期性变化的温度场和载流子密度波场，使得被照射处反射率也发生周期性变化；
光调制反射信号探测光经样品反射率周期性变化的表面反射回去而形成光调制反射信
号；透射的自由载流子吸收信号探测光因半导体材料内自由载流子的吸收而形成自由载 流子吸收信号；通过锁相放大器解调可同时测得两种信号的交流幅值；通过数字存储示 波器或数据采集卡可同时测得两种信号的直流幅值；
(2) 改变激励光的调制频率，重复步骤.(1)得到激励光光束和两个探测光光束同 一间距时每一频率所对应的输出信号，包括自由载流子吸收信号的直流幅值、交流幅值 以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值；
(3) 改变照射在样品表面上的激励光光束和两个探测光光束的间距，重复步骤(1) 得到某一固定频率不同激励光和两个探测光光束间距时所对应的输出信号，包括自由载 流子吸收信号的直流幅值、交流幅值以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值；
(4) 处理步骤(2)和步骤(3)得到的测量数据，利用拟合处理后的数据或将处 理后的数据与定标样品的信号数据比较，得到待测样品的多个特性参数，具体过程如下
a. 在对某一半导体样品进行测量时，其自由载流子吸收信号和光调制反射信号的 频率扫描曲线或位置扫描曲线都是唯一的，不同特性参数、不同加工条件的样品对应不 同的信号曲线，这种性质可用于材料特性参数的测量和加工工艺的监控。将测量所得信 号与定标样品的信号数据比较，可得到掺杂浓度、缺陷浓度、电阻率等参数。
b. 自由载流子吸收信号与样品内产生的载流子场分布有关，不同的载流子输运参 数对应不同的载流子场分布和不同的自由载流子吸收信号。通过对测量得到的自由载流
8子吸收信号频率扫描曲线或位置扫描曲线与相关理论模型进行拟合，可得到半导体材料 的电子输运特征参数，包括少数载流子寿命、扩散系数、前后表面复合速度。其中位置 扫描结果直接反映载流子在半导体材料内的三维扩散情况，其测量载流子扩散系数时相 比其它测量方式具有更高的精确度。
C.光调制反射信号除了和样品内产生的载流子场有关外，还和热波场有关，则通 过对光调制反射信号的频率扫描曲线或位置扫描曲线与相关理论模型进行拟合，除可得 到载流子输运参数外，还可得到样品的热学参数，如热扩散系数等。但此时需要拟合的 参数多，精度下降；可将b得到的载流子输运参数作为己知量应用于光调制反射信号处 理中，拟合得到热学参数。
d. 样品在不同的退火条件下退火，其缺陷得以修复的程度不同。本发明中的自由 载流子吸收信号和光调制反射信号对缺陷的浓度很敏感，因而本发明可用于监控样品的 退火程度。可通过测量待测样品的自由载流子吸收信号和光调制反射信号来表征退火程 度。
e. 将本发明应用于超浅结特性的检测。本发明除了可利用所述的a、 b、 c、 d方案 测量浅结或超浅结材料的掺杂浓度、缺陷浓度、电阻率等参数外，还可测量浅结或超浅 结很重要的两个参数结深和陡度。光调制反射信号对样品表面及亚表面状态比较敏感， 则光调制反射技术适用于浅结或超浅结特性参数的表征。在本发明所述装置中的锁相放 大器(15)有四个输出方式，即对同一个信号可输出其同相分量/、正交分量g、振幅 爿m; /"wcfe和相位P/zose ，它们之间的关系满足Jm; towde =々2 + Q2 ， 户/ ose-arctan(g//)。光调制反射信号的振幅对样品缺陷比较敏感，若样品退火后大 部分缺陷得以修复，用振幅信号测量灵敏度下降。而对载流子密度波敏感的g分量对退 火后及不同结深的样品灵敏度高，故用^分量表征不同离子注入能量的样品的结深。具 体为测量某一样品的光调制反射信号G分量值，再与定标样品的相应数据比较即可得到 样品的结深。此外，用光调制反射信号的/和g分量表征掺入杂质浓度分布的陡度。分 别测量激励光和光调制反射探测光光束在样品上相距为零和某一定距离时光调制反射 信号的/和^分量值，将所测得值标在/-^坐标图两点上，可利用通过该两点直线的斜 率来表征样品杂质浓度分布的陡度，因为不同的陡度对应不同的斜率。具体为将测量得 到的斜率与定标样品信号相应数据比较，即可得到样品掺杂浓度分布的陡度。
本发明提供的集成了自由载流子吸收技术和光调制反射技术的半导体材料特性测 量装置及方法具有以下的优点
(1)本发明在同一套测量装置中集成了自由载流子吸收技术和光调制反射技术来测量样品的掺杂浓度，补偿光调制反射技术在测量较低和较高掺杂浓度范围时测量精度 不高的缺点。
(2) 本发明在同一套测量装置中同时获取原理不同、互不干扰的自由载流子吸收 信号和光调制反射信号在样品同一位置上对同一 (或同一组)参数(如掺杂浓度、电阻 率等)进行测量可提高测量的可信度及精度。
(3) 本发明在同一套测量装置中集成自由载流子吸收技术和光调制反射技术较单 一技术可获取更多精确的半导体材料特性参数。
(4) 本发明在同一套测量系统对样品迸行频率扫描或位置扫描获取频率或空间域 的自由载流子吸收信号和光调制反射信号。对不同的待测参数，可选择最佳的扫描方式 或组合来获取信号对参数进行分析，提高了测量精度。
图1为本发明测量装置的结构框图2为本发明具体实施例的实验详图1和图2中激励光源l、探测光源2、探测光源3、激励光调制系统4、计算机 5、电控精密位移台6、第一分光镜7，第二分光镜8，第三分光镜9，第四分光镜IO、 样品架ll、探测自由载流子吸收信号的探测器12、探测光调制反射信号的探测器13、 数字存储示波器或数据采集卡14、锁相放大器15、聚焦透镜16，聚焦透镜17、第一滤 光镜18，第二滤_光镜19、聚焦透镜20，聚焦透镜21，聚焦透镜22、前置放大器23。
图3为本发明中自由载流子吸收信号与掺杂剂量的关系图；其中信号发生器调制频 率为lOKHz，激励光光束和两个探测光光束间距为零；横坐标为掺杂剂量范围，纵坐标 为自由载流子吸收信号的一次谐波振幅值和直流幅值的比值；
图4为本发明中光调制反射信号与掺杂剂量的关系图；其中信号发生器调制频率为 lOKHz，激励光光束和两个探测光光束间距为零；横坐标为掺杂剂量范围，纵坐标为光 调制反射信号的一次谐波振幅值和直流幅值的比值；
图5为本发明中测得样品的自由载流子吸收信号在不同频率下的位置扫描曲线的 测量结果和理论拟合结果，图5a为振幅曲线，图5b为相位曲线。
具体实施例方式
通过下面的详细描述能够更加彻底地理解本发明的实施方案，下面的描述应当结合 附图进行阅读。但是，应注意的是具体实施例只给出了部分半导体材料特性参数的测量 描述，但本发明并不局限于该具体实施例，在不背离本发明的精神和范围的前提下可进 行各种变化。首先介绍本发明提供的一种基于双探测光束的半导体材料特性测量装置，装置如附 图1所示，包括产生激励光的激励光源1;产生光调制反射信号探测光的探测光源2; 产生自由载流子吸收信号探测光的探测光源3;用于调制激发光强度的激励光调制系统 4;用于控制系统自动运行及存储、处理信号数据的计算机5;用于反射激励光并将激励 光照射在样品表面、并让上述两个探测光透射至样品表面的第一分光镜7;用于改变第 一分光镜7的位置以改变激励光光束和两个探测光光束在样品表面的间距的电控精密位 移平台6;用于改变两个探测光光路的第二分光镜8、第三分光镜9、第四分光镜10;
固定样品的样品架(或样品台)11;探测自由载流子吸收信号的探测器12及探测光调
制反射信号的探测器13;记录信号的数字存储示波器或数据采集卡14和锁相放大器15;
收集探测自由载流子吸收信号探测光束的聚焦透镜16、收集探测光调制反射信号探测光 束的聚焦透镜17;第一滤光镜18、第二滤光镜19。装置中第四分光镜IO可采用半透半 反式分光片，或采用偏振分光镜；采用偏振分光镜时，需要在第三分光镜9和第四分光 镜10的光路之间加一块对应于光调制反射信号探测光波长的四分之一波片来增加光调 制反射信号的强度和信噪比。激励光源l、探测光源2和探测光源3出射的光束分别采 用不同的透镜聚焦或者采用同一消色散透镜或显微物镜聚焦到待测样品表面或不聚焦； 激励光、自由载流子吸收信号探测光和光调制反射信号探测光可垂直入射或斜入射到样 品表面。可在探测自由载流子吸收信号的探测器12及探测光调制反射信号的探测器13 后、锁相放大器15前加前置放大器对信号进行放大.。装置中也可以使用两台锁相放大 器分别记录自由载流子吸收信号和光调制反射信号的交流幅值。
其中激励光源1产生的周期性变化的激励光经第一分光镜7反射到置于样品台11 的样品表面，样品因吸收激励光的能量而在被照射处产生周期性变化的温度场和载流子 密度波场，导致样品被激励光照射处反射率发生周期性变化；探测光源2产生的光调制 反射信号探测光分别经第西分光镜IO、第三分光镜9、第一分光镜7后照到样品被激励 光照射处或相邻位置上，反射的光调制反射信号探测光经第一分光镜7、第三分光镜9、 第四分光镜10后，再通过第二滤光镜19滤光，聚焦透镜17聚焦收集，并由探测器13 探测得到光调制反射信号；另外一方面，探测光源3产生的自由载流子吸收信号探测光 分别经第二分光镜8、第三分光镜9、第一分光镜7后照到样品被激励光照射处或相邻 位置上，自由载流子吸收信号探测光被样品内产生的过剩载流子吸收后从样品后表面射 出，经第一滤光镜18滤光，聚焦透镜16聚焦收集，并由探测器12探测得到自由载流 子吸收信号；探测器12和探测器13的信号输出端口连接至锁相放大器15的信号输入 端口和数字存储示波器(或数据采集卡)14的输入端口，以记录自由载流子吸收信号和光调制反射信号的交流幅值和直流幅值；激励光调制系统4的信号输出端口连接至激励 光源l的调制输入端口，使激励光的强度被周期性调制；激励光调制系统4的同步信号 输出端口连接至锁相放大器15的参考信号输入端口，以实现信号的采集；计算机5通 过通讯端口与数字存储示波器(或数据采集卡)14、锁相放大器15、电控精密位移台6、 激励光调制系统4连接，并利用相关程序实现对系统的自动控制和数据采集及存储、处 理。
下面详细介绍本发明具体实施例的实验装置，装置如图2所示。实验中激励光源l 采用波长为785mn(该激励光产生的光子能量为1. 58eV，大于硅的本征禁带宽度1. 1 eV) 的半导体激光器，其最大输出功率为95nm;激发光调制系统4的功能由函数信号发生器 实现，函数信号发生器4产生的周期性方波信号(或其它波形的周期信号)直接调制激 光器的驱动电压使激励光源l输出强度周期性调制的激励光(激励光强度的周期性调制 也可通过函数信号发生器输出的周期性信号驱动声光调制器、电光调制器或机械斩波器 调制连续的激励光来实现)；探测光源2和探测光源3采用连续的气体激光器和半导体 激光器，其波长分别为632.8nm、 1310nm，其最大输出功率分别为15，、 5mw;实验中 第一分光镜7、第二分光镜8、第三分光镜9、第四分光镜10相对入射光线45度放置； 第一分光镜7对785nm的光反射率为85%，对1310nm和632. 8nm的光透射率分别为70% 和80%;第三分光镜9对1310nm的光透射率为85%,对632. 8nm的光反射率为80%;聚 焦透镜20使激励光光束聚焦到样品表面上(也可不聚焦)；聚焦透镜21和聚焦透镜22
分别使光调制反射信号探测光和自由载流子吸收信号探测光光束聚焦到样品表面上(也 可不聚焦)；自由载流子吸收信号被短焦距透镜16聚焦收集并由探测器12探测，该探
测器为InGaAs光电二极管探测器，探测波长范围为800-1700nm;光调制反射信号被短 焦透镜17聚焦收集并由探测器13探测，该探测器为Si光电二极管探测器，探测波长 范围为200nm-llOOnm;前置放大器23可隔直流而只放大光调制反射信号的交流幅值(若 自由载流子吸收信号也很小的情况下，可在探测器12和探测器13后、锁相放大器15 前加入前置放大器23对两个信号都进行放大)；锁相放大器15最大探测频率为2MHz， 本具体实施例中仅采用一台锁相放大器来记录自由载流子吸收信号及光调制反射信号 的交流幅值(也可使用两台分别记录)；第一滤光镜18为高通滤光镜，对波长 lOOOnm-1250nm的光波透过率小于0. 1%,对1310nm的光透过率为76%，置于探测器12之 前；第二滤光镜19为低通滤光镜，对波长780nm-1310nm的光透过率小于0. 1%，对632. 8rnn 的光透过率为50%，置于探测器13之前。
下面介绍基于具体实施例所述测量装置的半导体材料特性测量方法的实现步骤，同时为本发明装置的使用方法。本发明的测量装置产生自由载流子吸收信号和光调制反射 信号将自由载流子吸收信号探测光、光调制反射信号探测光和强度周期调制的激励光 同时垂直照射到被测样品同一个或相邻位置处(相距在载流子扩散长度的范围内)，样 品因吸收激励光能量在被照射处产生周期性变化的温度场和载流子密度波场，使得被照 射处反射率也发生厨期性变化；光调制反射信号探测光经样品反射率周期性变化的表面 反射回去而形成光调制反射信号，并被探测器13探测；透射的自由载流子吸收信号探 测光因半导体材料内自由载流子的吸收而形成自由载流子吸收信号，并被探测器12探 观!l;通过锁相放大器15解调可同时测得两种信号的交流幅值；通过数字存储示波器(或 数据采集卡)14可同时测得两种信号的直流幅值。其中这里实验中选取的样品为硅片， 其参数下文中将提到。 测量步骤
1. 将被测样品固定在样品架上，依次打开信号发生器4、激光器1、 2和3、光电
探测器12和13、前置放大器23、示波器14、锁相放大器15、及计算机5。
2. 组合调节聚焦透镜17、第四分光镜10及探测器13的位置，使得探测器13输出 的光调制反射信号的振幅值达到最大，此时激励光和光调制反射信号探测光聚焦在样品 同一点。
3. 组合调节聚焦透镜18、第二分光镜8及探测器12的位置，使得探测器12输出 的自由载流子吸收信号的振幅值达到最大，此对激励光和自由载流子吸收信号探测光聚 焦在样品同一点。
4. 固定激励光和两个探测光在样品上间距为零或通过电控精密位移台的移动后固 定为某一间距Ad，通过激励光调制系统多次改变激励光的调制频率，得到Ad不变时每 一频率所对应的自由载流子吸收信号S^和光调制反射信号S^,。
5. 多次改变iW，重复步骤4，得到不同间距不同调制频率下的自由载流子吸收信 号和光调制反射信号。
下面介绍一下本发明的测量结果 (l)对参数为P型，晶向〈100〉，电阻率15-25Q.c附，厚度550/i附，前表面抛光， 表面自然氧化，表面注入P离子掺杂，注入能量为100KeV，掺杂剂量范围为lxl(^/cm2 ——lxl0"/cm2的硅片样品进行测试；分别得到如图2和图3所示的结果。
(2)对参数为P型，晶向〈100〉，电阻率8-12Q乂m，厚度550/z;n，前表面抛光， 表面自然氧化的一个样品进行测量。此时得到不同频率/不同间距Ad下的自由载流子 吸收信号&^，信号为/、 Ad及待测参数的函数(在此为载流子输运参数即载流子寿命、扩散系数、前表面复合速度)。在测量中/和Ad为已知，可根据信号的相关理论公式[相 关公式详见张希仁，李斌成，刘显明. 〃源劍房磁载流f级欲资/量丰导沐载蔬f薪运参教 游三/,潘讼物理学报，57(11), 7310 (2008)]，对测量得到的信号数据进行拟合， 得到待测参数(在此得到扩散系数#=15. lcm7s、载流子寿命r=31.8u s和前表面复合 速度s产3.51X103cni/s)。图4给出了实验信号数据以及用拟合参数计算的理论信号数 据图，图中点为实验结果，实线为拟合结果。
本发明具体实施例中所采用的锁相放大器可输出信号的振幅^(附; /// ^及相位 户/zose外，还可输出信号的同相分量/、正交分量^，它们之间的关系满足 ^一Y油-^/2 + g2 ，尸/^^-arctan(g//)。若要实现本发明公开的利用光调制反
射技术测量超浅结的结深和陡度时，可采取如下技术方案固定激励光和两个探测光在 样品上间距Ad为零，改变调制频率/，测量ZW为零时不同频率下光调制反射信号的/和 g分量值；固定激励光和两个探测光在样品上间距Ad为某一距离(该距离小于载流子 的扩散长度)，改变调制频率/，测量Ad为某一距离时不同频率下光调制反射信号的/ 和g分量值；选取样品在/和Ad最佳组合下的g分量值，将该值与定标样品相应的信 号数据比较即可得到样品的结深。在某个调制频率下，分别记录在Ad为零和另外一个 值时的/和g分量值，并将所测得值标在/-^坐标图两点上，可利用通过该两点直线的 斜率来表征样品杂质浓度分布的陡度，因为不同的陡度对应不同的斜率。具体为将测量
得到的斜率与定标样品信号相应数据比较，即可得到样品掺杂浓度分布的陡度。
在此具体实施例中只给出载流子输运参数及掺杂浓度的测量结果、测量超浅结结深
和陡度的技术方案；但对于本发明能测量的其他待测参数，可参考上述实施例的操作方 法。有一点需要指出的是对不同的待测参数，可选择最佳的扫描方式或组合来获取信号 对参数进行分析，提高测量精度。
本发明提供的集成了自由.载流子吸收技术和光调制反射技术的半导体材料特性测 量装置及方法适用于但不限于半导体外延掺杂、离子注入、热处理以及污染金属含量的 监测。
尽管这里仅具体说明和描述了较佳实施例，可以理解，但在本发明的启示下可对本 发明进行多种修改和变形，且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，其均在本发明所 附权利要求的范围内。
权利要求
1、一种基于双探测光束的半导体材料特性测量装置，其特征在于包括产生激励光的激励光源(1)；产生光调制反射信号探测光的探测光源(2)；产生自由载流子吸收信号探测光的探测光源(3)；用于调制激发光强度的激励光调制系统(4)；用于控制系统自动运行及存储、处理信号数据的计算机(5)；用于反射激励光并使激励光照射在样品表面、并让上述两个探测光透射至样品表面的第一分光镜(7)；用于改变第一分光镜(7)的位置以改变激励光光束和两个探测光光束在样品表面的间距的精密位移平台(6)；用于改变两个探测光光路的第二分光镜(8)、第三分光镜(9)和第四分光镜(10)；固定样品的样品台(11)；用于探测自由载流子吸收信号的探测器(12)及探测光调制反射信号的探测器(13)；用于记录信号的数字存储示波器或数据采集卡(14)、锁相放大器(15)；收集探测自由载流子吸收信号探测光束的聚焦透镜(16)、收集探测光调制反射信号探测光束的聚焦透镜(17)；探测光波长窄带的第一滤光镜(18)和第二滤光镜(19)；其中激励光源(1)产生的周期性变化的激励光经第一分光镜(7)反射到置于样品台(11)的样品表面，样品因吸收激励光的能量而在被照射处产生周期性变化的温度场和载流子密度波场，导致样品被激励光照射处反射率发生周期性变化；探测光源(2)产生的光调制反射信号探测光分别经第四分光镜(10)、第三分光镜(9)、第一分光镜(7)后照到样品被激励光照射处或相邻位置上，反射的光调制反射信号探测光经第一分光镜(7)、第三分光镜(9)、第四分光镜(10)后，再通过第二滤光镜(19)滤光，聚焦透镜(17)聚焦收集，并由探测器(13)探测得到光调制反射信号；另外一方面，探测光源(3)产生的自由载流子吸收信号探测光分别经第二分光镜(8)、第三分光镜(9)、第一分光镜(7)后照到样品被激励光照射处或相邻位置上，自由载流子吸收信号探测光被样品内产生的过剩载流子吸收后从样品后表面射出，经第一滤光镜(18)滤光，聚焦透镜(16)聚焦收集，并由探测器(12)探测得到自由载流子吸收信号；用于探测自由载流子吸收信号的探测器(12)及探测光调制反射信号的探测器(13)的信号输出端口连接至锁相放大器(15)的信号输入端口和数字存储示波器或数据采集卡(14)的输入端口，以记录自由载流子吸收信号的直流幅值、交流幅值以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值；激励光调制系统(4)的信号输出端口连接至激励光源(1)的调制输入端口，使激励光的强度被周期性调制；激励光调制系统(4)的同步信号输出端口连接至锁相放大器(15)的参考信号输入端口，以实现信号的采集；计算机(5)通过通讯端口与数字存储示波器或数据采集卡(14)、锁相放大器(15)、电控精密位移台(6)、激励光调制系统(4)连接，实现对系统的自动控制和数据采集及存储、处理。
2、 根据权利要求1所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的装置中也可以使用两台锁相放大器(15)分别记录自由载流子吸收信号的直流幅值、交流幅 值以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值。
3、 根据权利要求1或2所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的激励光源(1)采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作为光 源；且所述激励光源(1)产生的激励光的光子能量大于被测半导体的本征半导体禁带宽度。
4、 根据权利要求1或2所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的 激励光源(1)产生的激励光的强度须被激励光调制系统(4)周期性地调制，产生调制 激励光；调制激励光的强度可在调制系统(4)里通过调制半导体激光器的驱动电流或 电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器调制连续激光束来实现。
5、 根据权利要求1或2所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的 产生光调制反射信号探测光的探测光源(2)和产生自由载流子吸收信号探测光的探测 光源(3)采用低功率的连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作 为光源，其中产生自由载流子吸收信号探测光的探测光源(3)光束的光子能量小于被 测半导体的本征^^导体禁带宽度。
6、 根据权利要求或2所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的激 励光源(1)、自由载流子吸收信号探测光源(3)和光调制反射信号探测光源(2)出 射的光束分别采用不同的透镜聚焦或者采用同一消色散透镜或显微物镜聚焦到待测样 品表面或不聚焦；激励光、自由载流子吸收信号探测光和光调制反射信号探测光可垂直 入射或斜入射到样品表面；自由载流子吸收信号探测光、光调制反射信号探测光和激励 光在样品表面重合或者相距在载流子扩散长度的范围内。
7、 根据权利要求1或2所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的 用于探测自由载流子吸收信号的探测器(12)和探测光调制反射信号的探测器(13)采 用光电二极管探测器或光电倍增管探测器。
8、 根据权利要求1或2所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于在所述 的用于探测自由载流子吸收信号的探测器(12)及探测光调制反射信号的探测器(13) 后、锁相放大器(15)前加前置放大器对信号进行放大。
9、 根据权利要求1或2所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的第一分光镜(7)、第二分光镜(8)、第三分光镜(9)和第四分光镜(10)相对于入 射光光线45度放置。
10、 根据权利要求1所述的半导体材料特性的测量装置，其特征在于所述的第 四分光镜(10)采用半透半反式分光片，或采用偏振分光镜；采用偏振分光镜时，需要 在第三分光镜(9)和第四分光镜(10)的光路之间加一块对应于光调制反射信号探测 光波长的四分之一波片。
11、 一种基于双探测光束的半导体材料特性测量方法，其特征在于步骤如下(1) 将自由载流子吸收信号探测光、光调制反射信号探测光和强度周期调制的激 励光同时照射到被测半导体样品同一或相邻位置处，样品因吸收激励光能量在被照射处产生周期性变化的温度场和载流子密度波场，使得被照射处反射率也发生周期性变化； 光调制反射信号探测光经样品反射率周期性变化的表面反射回去而形成光调制反射信 号；透射的自由载流子吸收信号探测光因半导体材料内自由载流子的吸收而形成自由载 流子吸收信号；通过锁相放大器解调可同时测得两种信号的交流幅值；通过数字存储示 波器或数据采集卡可同时测得两种信号的直流幅值；(2) 改变激励光的调制频率，重复步骤(1)得到激励光光束和两个探测光光束同 一间距时每一频率所对应的输出信号，包括自由载流子吸收信号的直流幅值、交流幅值 以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值；(3) 改变照射在样品表面上的激励光光束和两个探测光光束的间距，重复步骤(1) 得到某一固定频率不同激励光和两个探测光光束间距时所对应的输出信号，包括自由载 流子吸收信号的直流幅值、交流幅值以及光调制反射信号的直流幅值、交流幅值；(4)处理步骤(2)和步骤(3)得到的测量数据；利用拟合处理后的数据或将处 理后的数据与定标样品的信号数据比较，得到待测样品的多个特性参数，装置中也可以 使用两台锁相放大器分别记录自由载流子吸收信号和光调制反射信号的交流幅值。
全文摘要
一种基于双探测光束的半导体材料特性测量装置及方法，用于测量半导体材料特征参数和监控掺杂等工艺过程。基于半导体材料对强度周期性调制的激励光的吸收，在同一套测试系统中同时获得自由载流子吸收信号和光调制反射信号；通过改变激励光的调制频率，得到频域的自由载流子吸收信号和光调制反射信号；通过改变激励光和探测光之间的间距，得到空间域的自由载流子吸收信号和光调制反射信号；通过分析处理所得信号或通过与定标样品的信号数据比较，可得到半导体材料的特征参数及掺杂浓度等工艺参数。本发明弥补单一技术存在的缺点及提高测量精度；在一个装置中同时获取两种信号，较单一技术获得半导体材料更多的重要参数。
文档编号G01N21/17GK101551324SQ20091008356
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月8日 优先权日2009年5月8日
发明者刘显明, 李斌成, 韩艳玲, 黄秋萍 申请人:中国科学院光电技术研究所