非接触式判断半导体材料导电类型的方法与流程

本发明属于半导体技术领域，涉及一种非接触式判断半导体材料导电类型的方法。

背景技术：

半导体材料的导电类型是半导体材料重要的参数之一。施主掺杂的半导体材料为n型，导电以导带电子为主；受主掺杂的半导体材料的p型，导电以价带空穴为主。在研究和生产中，技术人员经常需要了解半导体材料的导电类型。常用的判断半导体材料导电类型的方法包括热电势、整流、霍尔效应等。其中热电势法又可以分为热探针法和冷探针法。上述方法都有一个共同的缺点，就是都需要有探针或者电极与半导体材料接触，导致测试后半导体材料表面受到损坏，造成经济上的损失。发明专利201711362145.6提出了一种利用吸收光谱无损判断导sic材料电类型的方法。该方法先测量出sic的吸收光谱，再通过吸收光谱计算出禁带宽度，然后根据禁带宽度数值判断sic的导电类型。该方法存在以下不足：1)该方法仅对sic材料适用；2)对正面抛光但背面喷砂的晶片，因测量透射光谱困难(吸收光谱一般由透射光谱换算得到，背面喷砂的晶片无法透光)，所以很难获得禁带宽度的数据；3)从透射光谱确定禁带宽度的方法不够规范，极易引起禁带宽度测量上的误差，从而得出错误的结论，严格说应该按照tauc方程定义的切线法确定禁带宽度；4)由于从测量吸收光谱及计算禁带宽度过程复杂，需要人工参与，速度慢，很难实现自动化大批量筛选。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种非接触式判断半导体材料导电类型的方法，可以无损判断半导体材料的导电类型，具有易实现、分析速度快、实现自动化大批量测量等优点。

本发明方法具体是：

在待测半导体晶片表面上方布置测量电极和参考电极；所述的测量电极和参考电极为尺寸形状相同的透明导电玻璃；

测量电极和参考电极靠近待测半导体晶片表面，导电玻璃的导电面朝下，面对晶片表面，测量电极和参考电极与待测半导体晶片表面距离相同；

将测量电极的导电面接运算放大器的同向输入端，参考电极的导电面接运算放大器的反向输入端，运算放大器的输出端接检测仪器；

在测量电极正上方设置光源，光源出射光通过凸透镜，透过测量电极后聚焦在待测半导体晶片表面。

检测时，首先关闭光源，调节运算放大器的偏置使输出电压v0为0；然后开启光源，使测量电极正下方的晶片局部表面的温度逐步升高，同时检测仪器监测运算放大器的输出端；当监测到运算放大器有信号输出时，关闭光源；等待3～5秒后，通过检测仪器检测运算放大器的输出电压极性：如果输出电压极性为正，则半导体材料为p型；如果输出电压极性为负，则半导体材料为n型。

进一步，所述的测量电极和参考电极的正投影在待测半导体晶片范围内，同时二者之间的中心距离大于电极自身尺寸的3倍。

进一步，所述的运算放大器为前级是mos器件的仪表放大器。

进一步，所述的检测仪器为万用表或数据采集系统。

本发明方法以光照热替代接触式加热，以电容耦合代替接触连接，避免了常规热探针法、整流法及霍尔效应测试法等判断半导体材料导电类型过程中样品的损伤。由于没有电极接触，整个操作过程非常简单，测量过程极易实现自动化。本发明方法有效避免半导体材料因受热而进入本征激发状态，导致导电类型判断失效或者不正确的情况。

附图说明

图1为本发明方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种非接触式判断半导体材料导电类型的方法，具体是：

在待测半导体晶片1表面上方布置测量电极2和参考电极3。测量电极2和参考电极3为尺寸形状相同的透明导电玻璃。测量电极2和参考电极3的正投影在待测半导体晶片1范围内，同时二者的相互中心距离大于电极自身尺寸的3倍。

测量电极2和参考电极3靠近待测半导体晶片1表面，其导电面朝下，面对待测半导体晶片1的表面，测量电极2和参考电极3与待测半导体晶片1表面的距离相同，导电面与晶片表面的距离越近越好，但不能接触晶片表面，以免造成损伤。测量电极2的导电面和参考电极3的导电面分别与晶片局部表面形成电容结构。

测量电极2的导电面接运算放大器4的同向输入端，参考电极3的导电面接运算放大器4的反向输入端，运算放大器4为前级是mos器件的仪表放大器。通过万用表5测量仪表放大器的输出，或者仪表放大器的输出端接数据采集系统6，通过数据收集系统6的屏幕观测信号随时间的变化，数据采集系统6为成熟产品。

测量电极2正上方设置光源7，光源出射光直射测量电极2，光路上设置聚焦用凸透镜8。光源7发出的光穿过凸透镜8、测量电极2聚焦在待测半导体晶片1表面。

检测时，首先关闭光源7，调节运算放大器4的偏置使输出电压v0为0；然后开启光源7，使测量电极2正下方的晶片局部表面的温度逐步升高，该部位载流子向四周扩散，导致该部位处的载流子浓度下降，同时监测运算放大器4的输出端；当监测到运算放大器4有信号输出，关闭光源7；3～5秒后，通过万用表5或数据采集系统6检测运算放大器4的输出电压极性：如果输出电压极性为正，即测量电极2带正电，而与其相对的半导体材料表面带负电，表明测量电极2下方的半导体表面缺少正电荷，即热扩散流失的是带正电的空穴，因此半导体材料为p型；反之，如果输出电压极性为负，即测量电极2带负电，而与其相对的半导体材料表面带正电，表明测量电极2下方的半导体表面缺少负电荷，即热扩散流失的是带负电的电子，因此半导体材料为n型。

对于半导体材料，测量时需要避免半导体材料表面温升过高导致半导体进入本征激发状态，因为当半导体材料进入本征激发状态时，p型、n型和本征si无法区分。半导体材料进入本征激发状态的温度与其禁带宽度有关，禁带宽度越大，容许的温升越高，反之容许的温升越低。本方法在测量时实时监控放大器输出端的电压，一旦出现信号即停止光照加热，可有效防止半导体材料因为温度过高而进入本征激发状态。为了避免光照产生的本征激发对载流子浓度的影响，导电类型测量必须在光照结束后进行。一般情况下光照激发产生的非平衡载流子寿命不会超过1秒，因此光照结束3～5秒后进行导电类型测量，即可避免光照产生的本征激发载流子的影响。

技术特征：

1.非接触式判断半导体材料导电类型的方法，其特征在于，该方法具体是：

在待测半导体晶片表面上方布置测量电极和参考电极；所述的测量电极和参考电极为尺寸形状相同的透明导电玻璃；

测量电极和参考电极靠近待测半导体晶片表面，导电玻璃的导电面朝下，面对晶片表面，测量电极和参考电极与待测半导体晶片表面距离相同；

将测量电极的导电面接运算放大器的同向输入端，参考电极的导电面接运算放大器的反向输入端，运算放大器的输出端接检测仪器；

在测量电极正上方设置光源，光源出射光通过凸透镜，透过测量电极后聚焦在待测半导体晶片表面；

检测时，首先关闭光源，调节运算放大器的偏置使输出电压v0为0；然后开启光源，使测量电极正下方的晶片局部表面的温度逐步升高，同时检测仪器监测运算放大器的输出端；当监测到运算放大器有信号输出时，关闭光源；等待3～5秒后，通过检测仪器检测运算放大器的输出电压极性：如果输出电压极性为正，则半导体材料为p型；如果输出电压极性为负，则半导体材料为n型。

2.如权利要求1所述的非接触式判断半导体材料导电类型的方法，其特征在于：所述的测量电极和参考电极的正投影在待测半导体晶片范围内，同时二者之间的中心距离大于电极自身尺寸的3倍。

3.如权利要求1所述的非接触式判断半导体材料导电类型的方法，其特征在于：所述的运算放大器为前级是mos器件的仪表放大器。

4.如权利要求1所述的非接触式判断半导体材料导电类型的方法，其特征在于：所述的检测仪器为万用表。

5.如权利要求1所述的非接触式判断半导体材料导电类型的方法，其特征在于：所述的检测仪器为数据采集系统。

技术总结
本发明公开了非接触式判断半导体材料导电类型的方法。现有方法在测试后会造成半导体材料表面损坏。本发明方法在待测半导体晶片表面上方布置测量电极和参考电极，电极为透明导电玻璃，导电面朝下；两个电极的导电面分别接接运算放大器的同向和反向输入端；测量电极上方设置加热用光源。首先关闭光源，调节运算放大器输出电压为0，然后开启光源加热晶片局部表面，当运算放大器有信号输出，关闭光源；3～5秒后，检测运算放大器的输出电压极性：如果极性为正，则半导体材料为P型；如果极性为负，则半导体材料为N型。本发明方法避免了样品损伤，操作简单，易实现自动化，同时避免半导体材料因受热而进入本征激发状态，导致判断失效或者错误判断。

技术研发人员：季振国;李阳阳;席俊华
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2020.07.22
技术公布日：2020.11.10