专利名称：一种半导体扩散长度测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单个半导体器件的电性能测试装置。
半导体少数载流子扩散长度(简称扩散长度)L;因而少数载流子寿命τ，τ＝L2/D，式中D为少数载流子扩散系数;是表征半导体材料电学性能的一项基本参数。光电导衰减(Photocauduetai Deeay)法适用于块状材料的测试，但对于器件实际工艺过程中的片状材料，由于表面复合修正过大而不能作精确测量。
稳态表面光电压(Steady-State Saibace Photoualtage，简称SPV)法是美国试验及材料协会(ASTM)推荐的一种标准测试方法，用于测量半导体扩散长度，其测量结果不受表面复合影响，可灵敏地检测材料加工过程和器件工艺过程寿命的微小变化，用于评价硅、砷化镓、磷化铟等半导体材料原始片质量和外延工艺质量，检查表面损伤、切磨抛残余损伤、清洗表面的残留沾污、工艺引入的缺陷和沾污、离子注入及退火的沾污、氧化及扩散引入的沾污状况。
现有的半导体扩散长度测量仪，如美国专利US4，333，051、US4，433，288提供的测量仪皆根据SPV法设计，其光源光学系统由卤钨灯、斩波器、单色仪(或滤波轮)构成，或者由脉冲氙灯、单色仪(或滤波轮)构成，在8000A°～11000A°波长范围内分离出5～10个单色光，样品正面通过透明介质，如涂氧化锡的玻璃片加云母片，或液态介质构成耦合电极，样品背面为与样品构成欧姆接触的下电极，单色光透过耦合电极照射到样品正面，从耦合电极和下电极间获取表面光电压，调节光强，使在不同波长下获得相同的表面光电压值，将产生恒定表面光电压所要求的光强对每个波长的吸收系数的倒数作图，负截距值即为材料的扩散长度。
现有技术存在以下缺陷1.光照强度难以稳定，测量误差大。卤钨灯为热辐射光源，其光谱稳定性取决于灯丝温度，同时与环境温度有关;氙灯光源不仅光谱特性差，而且每次闪光的强度很难一致。
2.光谱响应慢，每一波长达到测试所需的光强需要较长的时间，测试时间长达几分钟，样品表面态可能随时间变化，测量重复性差。
3.卤钨灯光源利用效率低，99.9%以上的能量为滤光片吸收，因温升使滤光片参数变化。
4.结构复杂，造价高。需用机械斩波器调制和光学元件聚焦、准直、分光，使光源光学系统复杂。与之相应，电子学系统必需采用两套锁相放大器及高稳定性的DIP光强自动控制系统，仪器价格高，售价为＄50000。
本发明的任务在于提供一种稳定性高、测试快速、造价低的半导体扩散长度测量仪，由计算机进行测试控制和数据处理，实现自动测试。
本发明的半导体扩散长度测量仪，其光源光学系统由红外发光二极管1、用于激励红外发光二极管1的恒流脉冲发生器2、滤波轮3以及Y型光缆4构成。其中恒流脉冲发生器的工作频率为25Hz，且与50Hz的工频同步，脉冲持续时间为400μs～500μs;红外发光二极管1的中心波长为9300A°～9500A°，充许脉冲电流最大值为16A，其脉冲平均光功率最大值为10mW;在8500A°～10500A°波长范围内，滤波轮3分离出10～12个单色光，该单色光的半幅宽为140A°～200A°，光脉冲持续时间为400μs～500μs;采用Y型光缆4，单色光由Y型光缆4的4A端透过耦合电极5照射到样品6的正面，由Y型光缆4的4B端照射到PIN光电二极管11上。Y型光缆4两端口4A、4B的光能分配比为49∶1～64∶1。
样品架由耦合电极5和基座7组成。测试时样品6置于耦合电极5和基座7之间并使样品6的正面与耦合电极5之间形成电容性接触，其背面与基座7构成欧姆接触。耦合电极5由导电环51、ITO导电玻璃52、树脂膜片53组成，ITO导电玻璃52导电面与树脂膜片53紧贴，ITO导电玻璃52与导电环51之间用导体胶粘接，导电环51套装在Y型光缆4的4A端部。
光能探测系统包括PIN光电二极管11、I/V变换及放大电路12、峰值采样保持器13、光谱响应度补偿电路14、A/D转换器15和光强数值显示器16。Y型光缆4的4B端由PIN光电二极管11将光能耦合到I/V变换放大电路12;经峰值采样保持器13将脉冲峰值转换成直流;经光谱响应度补偿电路14后获得4B端的实际光能;经A/D转换器15，一路供光强数值显示器16显示光强值，另一路供计算机J采集光强数据。
表面光电压检测与控制系统包括高输入阻抗低噪放大器8、峰值采样保持器9和误差放大器20。导电环51和基座7之间检测到的表面光电压用高频电缆馈入高输入阻抗低噪放大器8，高输入阻抗低噪放大器8输出一路输入峰值采样保持器9，另一路接入示波器的Y轴输入端。峰值采样保持器9的输出作为误差放大器20的比较电平，参考电平由计算机J给出设定数字量经D/A转换器19后成模拟量，误差放大器20输出误差电平控制恒流脉冲发生器2的输出电流，从而控制红外发光二极管1的发光功率。恒流脉冲发生器2向示波器提供同步信号。
计算机J控制波长转换伺服电路17，使其一路输出驱动滤波轮3，另一路驱动波长编码器18，对对应波长编码，波长编码器18输出一路与计算机J联接，另一路与光谱响应度补偿电路14相联。
所有测试控制程序，计算公式，校正因子都装入软件包中，通过IEEE-488标准接口实现通讯。
同现有技术比较，本方案具有以下优点1.光源采用红外发光二极管，光谱特性稳定，响应速度快，克服了卤钨灯光源光谱特性不稳、响应时间长的缺点，提高了测量精度。
2.采用恒流脉冲驱动红外发光二极管，能产生光照强度和重复频率都十分稳定的矩形光脉冲，避免了传统光源光学系统中因机械斩波引起光学系统和测量系统的振动、光脉冲频率不稳的缺陷。
3.采用矩形光脉冲作SPV测试，克服了传统光源光脉冲过渡时间长、稳态时间短的缺点，使测试更接近理论条件。
4.光脉冲与50Hz工频同步，使SPV信号不受工频干扰的影响，利于测量和用示波器有效地观察SPV的耦合和样品背面非欧姆接触状况。
5.光学系统省去了斩波、聚焦、准直、分光环节，测试系统中省去了SPV放大、光能检测用的二套锁相放大器和DIP光能自动控制装置，使仪器结构简化，造价降低70%以上。
6.本测量仪易于计算机联机，实现自动测量和数据处理，置信度高，测试速度提高到1分钟，现有水平为5分钟以上。
图1为本方案的结构示意2为SPV法光强与吸收系数倒数的关系图。图中纵坐标为相对光强I(任意单位)，横坐标为吸收系数倒数1/α(μm)。
图3～图5为本发明实施例的实测数据图，并按ASTM标准，由计算机经最小均方法拟合数据后绘制。
实施例1采用结构如图1所示的半导体扩散长度测量仪，计算机采用IBM-PC机和自制IEEE-488标准接品，GaAsSi红外发光二极管，自制Y型光缆，光能分配比为62∶1，滤光片中心波长为8500、8810、9250、9500、9730、9930、10120、10160、10270、10500A°，半幅宽≤170A°。导电环和基座为硬质合金铝，介质采用100μm厚树脂薄膜。光能探测器采用PIN光电二极管，I/V转换后经20倍直流放大，高输入阻抗低噪放大器输入阻抗为107Ω，增益54db，带宽1～600KHz。样品为直拉(CZ)法生长的N型硅片，其厚度为400μm，电阻率ρ＝8Ω·cm，测量时表面光电压取0.7mV。测量结果示于图3，样品的扩散长度L＝108μm，一次∑精度的标准偏差Sbo＝3.7μm，线性相关系数γ＝0.998，按N型样品少子扩散系数Dp＝13cm2/s推算，其少子寿命τ＝9μs。
实施例2样品为区熔(FZ)法生长的P型硅片，厚度为1mm电阻率ρ＝104Ω·cm。测量时表面光电压取0.7mV，其它条件与实施例1相同，测试结果示于图4，扩散长度L＝170μm，Sbo＝4.7μm，γ＝0.996，按P型样品少子扩散系数Dn＝35cm2/s推算，少子寿命τ＝8μs。
实施例3样品为N+/N型外延硅片，厚度为400μm，衬底电阻率ρ＝3×10-2Ω·cm，外延层厚度约为10μm，测量时表面光电压取0.4mV，其它条件与实施例1相同，测量结果示于图5，扩散长度L＝28μm，Sbo＝5.5μm，γ＝0.991，按N型样品Dp＝13cm2/s推算，少子寿命τ＝0.6μs。
权利要求
1.一种半导体扩散长度测量仪，包括光源光学系统，样品架，光能探测系统，表面光电压检测与控制系统，其特征在于-光源光学系统由红外发光二极管1、激励红外发光二极管1的恒流脉冲发生器2、滤波轮3以及Y型光缆4构成，其中恒流脉冲发生器2的工作频率为25Hz，且与50Hz工频同步，脉冲持续时间为400μs～500μs；红外发光二极管1的中心波长为9300A°～9500A°，允许脉冲电流最大值为16A，脉冲平均光功率最大值为10mW；-在8500A°～10500A°波长范围内，滤波轮3分离出10～12个单色光，其半幅宽为140A°～200A°，光脉冲持续时间为400μs～500μs；-采用Y型光缆4，单色光由Y型光缆4的4A端通过耦合电极5照射到测试样品6的正面，由Y型光缆4的4B端耦合到PIN光电二极管11上。
2.根据权利要求1的测量仪，其特征在于Y型光缆4两端口4A、4B的光能分配比为49∶1～64∶1。
全文摘要
一种半导体扩散长度测量仪，其特征是光源由恒流脉冲发生器和红外发光二极管构成，用多个干涉滤光片将波长为8500～10500的光谱分离成不同中心波长的单色光，采用Y型光缆将光能耦合到测试样品正面和PIN光电二极管，设有光谱响应度补偿电路，所有测试控制程序，计算公式，校正因子都装入软件包。与现有技术比较，具有光源光强稳定、测试迅速、测量精度高、结构简单、造价低、实现自动测量等优点。
文档编号G01R31/26GK1066730SQ9210844
公开日1992年12月2日 申请日期1992年6月2日 优先权日1992年6月2日
发明者姚野, 张焕林, 宋晨路, 聂劲松, 姚奎鸿 申请人:浙江大学