專利名稱：一種基于雙探測光束的半導體材料特性測量裝置及方法
技術領域：
本發明屬于半導體材料無損檢測技術領域，特別涉及聯合自由載流子吸收技術和光 調制反射技術，即雙探測光束探測技術來確定半導體材料特性測量裝置和測量方法。
背景技術：
對半導體材料進行摻雜，使其結構和電阻率等發生改變，半導體材料才能成為一種 有用的功能材料。而對半導體材料中摻入的雜質濃度及退火等加工工藝的精確監控在很 大程度上決定了半導體器件的性能。在監控過程中通過對半導體材料一些特性參數進行 測量來判斷材料加工是否達標。現在半導體晶片尺寸越來越大，若摻入半導體的雜質濃 度或相關加工工藝不能達標，將導致成品率下降。因此，能夠準確地監測摻雜半導體材 料的特性參數是半導體制造技術中一項很重要的課題。隨著微電子器件特征尺寸的縮 小，超淺結成為必然趨勢。對超淺結，除了需要測量摻雜濃度、電阻率和載流子壽命等 常規參數外，還需要測量其摻雜后的結深以及濃度分布的陡度，因而需要發展檢測其特 性的測量技術。
目前用于工業上測量半導體材料特性的傳統方法，如四探針測量法、擴展電阻探針 法、二次離子質譜儀和盧瑟福后向散射法等，由于各自存在一定缺點，其應用受到一定 的限制四探針測量法測量精度受到探針尺寸大小的限制，主要應用于高摻雜濃度的監 測，此外可用于測量材料特征參數，但為接觸性測量，具有一定的破壞性；擴散電阻法 缺陷是需要熟練的操作者、樣品制備和破壞性地測試；二次離子質譜儀本質上是一種破 壞性的測量方法，且測量需花費很長的時間；盧瑟福后向散射用于監測摻雜濃度時只能 探測質量較大離子的摻雜濃度。
公開號為CN1971868的中國專利描述自由載流子吸收測量技術，通過探測光透射過 載流子區域后強度發生的變化得到被測樣品的摻雜濃度。自由載流子吸收測量技術中載 流子吸收信號僅與載流子密度波場有關，檢測信號隨摻雜濃度單調變化。此外，自由載 流子吸收技術還可用于測量半導體材料電子輸運特征參數，特別是測量擴散系數時具有 較高靈敏度。光調制反射測量技術則是通過被測樣品對激勵光光能的吸收，導致探測光 反射系數的變化，探測變化的反射光強度可監測摻雜半導體的摻雜濃度(參考W. Lee Smith, Allan Rosencwaig， and David L. Willenborg， " Ion implant monitoring with thermal wave technology", Appl. Phys. Lett. 47， 584-586 (1984))。光調制反射測量技術在測量摻雜濃度為中低劑量范圍時測量精度高，但光調制反射信號受半導體內 溫度場和載流子密度波場的雙重影響，在高摻雜濃度時其信號振幅值和摻雜濃度關系是 非單調的。公開號為US7248367的美國專利描述了通過光調制反射技術表征超淺結特性， 測量超淺結的結深及陡度。有時在應用上需要同時用該兩種獨立的測量方法來測量半導 體材料的特性參數，若分別通過兩套獨立的測量裝置來測量，很難保證測量是在同一個 位置上進行，且增加設備的成本。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種集成了自由載流子吸收技 術和光調制反射技術的半導體材料特性測量裝置及方法，以解決現有技術存在的問題， 能夠在同一測量裝置中同時獲取自由載流子吸收信號和光調制反射信號來測量半導體 材料摻雜濃度，彌補光調制反射技術測量摻雜濃度非單調的缺點；在樣品同一點上用兩 種獨立的方法測量同一個參數，提高測量可信度及精度。
本發明的技術解決方案本發明第一方面涉及一種基于雙探測光束的半導體材料特 性測量裝置，包括產生激勵光的激勵光源(1);產生光調制反射信號探測光的探測光 源(2);產生自由載流子吸收信號探測光的探測光源(3);用于調制激發光強度的激 勵光調制系統(4);用于控制系統自動運行及存儲、處理信號數據的計算機(5);用 于反射激勵光并使激勵光照射在樣品表面、并讓上述兩個探測光透射至樣品表面的第一 分光鏡(7);用于改變第一分光鏡(7)的位置以改變激勵光光束和兩個探測光光束在 樣品表面的間距的精密位移平臺(6);用于改變兩個探測光光路的第二分光鏡(8)、 第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10);固定樣品的樣品臺(11);用于探測自由載流 子吸收信號的探測器(12)及探測光調制反射信號的探測器(13);用于記錄信號的數 字存儲示波器或數據采集卡(14)、鎖相放大器(15);收集探測自由載流子吸收信號 探測光束的聚焦透鏡(16)、收集探測光調制反射信號探測光束的聚焦透鏡(17);探 測光波長窄帶的第一濾光鏡(18)和第二濾光鏡(19);其中激勵光源(1)產生的周 期性變化的激勵光經第一分光鏡(7)反射到置于樣品臺(11)的樣品表面，樣品因吸 收激勵光的能量而在被照射處產生周期性變化的溫度場和載流子密度波場，導致樣品被 激勵光照射處反射率發生周期性變化；探測光源(2)產生的光調制反射信號探測光分 別經第四分光鏡(10)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照到樣品被激勵光照射 處或相鄰位置上，反射的光調制反射信號探測光經第一分光鏡(7)、第三分光鏡(9)、 第四分光鏡(10)后，再通過第二濾光鏡(19)濾光，聚焦透鏡(17)聚焦收集，并由 探測器(13)探測得到光調制反射信號；另外一方面，探測光源(3)產生的自由載流子吸收信號探測光分別經第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照
到樣品被激勵光照射處或相鄰位置上，自由載流子吸收信號探測光被樣品內產生的過剩
載流子吸收后從樣品后表面射出，經第一濾光鏡(18)濾光，聚焦透鏡(16)聚焦收集，
并由探測器(12)探測得到自由載流子吸收信號；用于探測自由載流子吸收信號的探測
器(12)及探測光調制反射信號的探測器(13)的信號輸出端口連接至鎖相放'犬器(15) 的信號輸入端口和數字存儲示波器或數據采集卡(14)的輸入端口，以記錄自由載流子 吸收信號的直流幅值、交流幅值以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值；激勵光調 制系統(4)的信號輸出端口連接至激勵光源(1)的調制輸入端口，使激勵光的強度被 周期性調制；激勵光調制系統(4)的同步信號輸出端口連接至鎖相放大器(15)的參 考信號輸入端口，以實現信號的采集；計算機(5)通過通訊端口與數字存儲示波器或 數據采集卡(14)、鎖相放大器(15)、電控精密位移臺(6)、激勵光調制系統(4) 連接，實現對系統的自動控制和數據采集及存儲、處理。
所述的裝置中也可以使用兩臺鎖相放大器(15)分別記錄自由載流子吸收信號的直 流幅值、交流幅值以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值。
所述的激勵光源(1)采用連續半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激 光器作為光源；且所述激勵光源(1)產生的激勵光的光子能量大于被測半導體的本征 半導體禁帶寬度。
所述的激勵光源(1)產生的激勵光的強度須被激勵光調制系統(4)周期性地調制， 產生調制激勵光；調制激勵光的強度可在調制系統(4)里通過調制半導體激光器的驅 動電流或電壓，或采用聲光調制器、或電光調制器、或機械斬波器調制連續激光束來實 現。
所述的產生光調制反射信號探測光的探測光源(2)和產生自由載流子吸收信號探測 光的探測光源(3)采用低功率的連續半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體 激光器作為光源，其中產生自由載流子吸收信號探測光的探測光源(3)光束的光子能 量小于被測半導體的本征半導體禁帶寬度。
所述的激勵光源(1)、自由載流子吸收信號探測光源(3)和光調制反射信號探測 光源(2)出射的光束分別采用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散透鏡或顯微物鏡聚 焦到待測樣品表面或不聚焦；激勵光、自由載流子吸收信號探測光和光調制反射信號探' 測光可垂直入射或斜入射到樣品表面；自由載流子吸收信號探測光、光調制反射信號探 測光和激勵光在樣品表面重合或者相距在載流子擴散長度的范圍內。
所述的用于探測自由載流子吸收信號的探測器(12)和探測光調制反射信號的探測器(13)采用光電二極管探測器或光電倍增管探測器。
在所述的用于探測自由載流子吸收信號的探測器(12)及探測光調制反射信號的探 測器(13)后、鎖相放大器(15)前加前置放大器對信號進行放大。
所述的第一分光鏡(7)、第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10) 相對于入射光光線45度放置。
所述的第四分光鏡(10)采用半透半反式分光片，或采用偏振分光鏡；采用偏振分 光鏡時，需要在第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)的光路之間加一塊對應于光調制 反射信號探測光波長的四分之一波片。
在第二方面中，提供一種利用上述裝置的基于雙探測光束的半導體材料特性測量方
法。該方法包括以下步驟
(1) 將自由載流子吸收信號探測光、光調制反射信號探測光和強度周期調制的激 勵光同時照射到被測半導體樣品同一或相鄰位置處，樣品因吸收激勵光能量在被照射處
產生周期性變化的溫度場和載流子密度波場，使得被照射處反射率也發生周期性變化；
光調制反射信號探測光經樣品反射率周期性變化的表面反射回去而形成光調制反射信
號；透射的自由載流子吸收信號探測光因半導體材料內自由載流子的吸收而形成自由載 流子吸收信號；通過鎖相放大器解調可同時測得兩種信號的交流幅值；通過數字存儲示 波器或數據采集卡可同時測得兩種信號的直流幅值；
(2) 改變激勵光的調制頻率，重復步驟.(1)得到激勵光光束和兩個探測光光束同 一間距時每一頻率所對應的輸出信號，包括自由載流子吸收信號的直流幅值、交流幅值 以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值；
(3) 改變照射在樣品表面上的激勵光光束和兩個探測光光束的間距，重復步驟(1) 得到某一固定頻率不同激勵光和兩個探測光光束間距時所對應的輸出信號，包括自由載 流子吸收信號的直流幅值、交流幅值以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值；
(4) 處理步驟(2)和步驟(3)得到的測量數據，利用擬合處理后的數據或將處 理后的數據與定標樣品的信號數據比較，得到待測樣品的多個特性參數，具體過程如下
a. 在對某一半導體樣品進行測量時，其自由載流子吸收信號和光調制反射信號的 頻率掃描曲線或位置掃描曲線都是唯一的，不同特性參數、不同加工條件的樣品對應不 同的信號曲線，這種性質可用于材料特性參數的測量和加工工藝的監控。將測量所得信 號與定標樣品的信號數據比較，可得到摻雜濃度、缺陷濃度、電阻率等參數。
b. 自由載流子吸收信號與樣品內產生的載流子場分布有關，不同的載流子輸運參 數對應不同的載流子場分布和不同的自由載流子吸收信號。通過對測量得到的自由載流
8子吸收信號頻率掃描曲線或位置掃描曲線與相關理論模型進行擬合，可得到半導體材料 的電子輸運特征參數，包括少數載流子壽命、擴散系數、前后表面復合速度。其中位置 掃描結果直接反映載流子在半導體材料內的三維擴散情況，其測量載流子擴散系數時相 比其它測量方式具有更高的精確度。
C.光調制反射信號除了和樣品內產生的載流子場有關外，還和熱波場有關，則通 過對光調制反射信號的頻率掃描曲線或位置掃描曲線與相關理論模型進行擬合，除可得 到載流子輸運參數外，還可得到樣品的熱學參數，如熱擴散系數等。但此時需要擬合的 參數多，精度下降；可將b得到的載流子輸運參數作為己知量應用于光調制反射信號處 理中，擬合得到熱學參數。
d. 樣品在不同的退火條件下退火，其缺陷得以修復的程度不同。本發明中的自由 載流子吸收信號和光調制反射信號對缺陷的濃度很敏感，因而本發明可用于監控樣品的 退火程度。可通過測量待測樣品的自由載流子吸收信號和光調制反射信號來表征退火程 度。
e. 將本發明應用于超淺結特性的檢測。本發明除了可利用所述的a、 b、 c、 d方案 測量淺結或超淺結材料的摻雜濃度、缺陷濃度、電阻率等參數外，還可測量淺結或超淺 結很重要的兩個參數結深和陡度。光調制反射信號對樣品表面及亞表面狀態比較敏感， 則光調制反射技術適用于淺結或超淺結特性參數的表征。在本發明所述裝置中的鎖相放 大器(15)有四個輸出方式，即對同一個信號可輸出其同相分量/、正交分量g、振幅 爿m; /"wcfe和相位P/zose ，它們之間的關系滿足Jm; towde =々2 + Q2 ， 戶/ ose-arctan(g//)。光調制反射信號的振幅對樣品缺陷比較敏感，若樣品退火后大 部分缺陷得以修復，用振幅信號測量靈敏度下降。而對載流子密度波敏感的g分量對退 火后及不同結深的樣品靈敏度高，故用^分量表征不同離子注入能量的樣品的結深。具 體為測量某一樣品的光調制反射信號G分量值，再與定標樣品的相應數據比較即可得到 樣品的結深。此外，用光調制反射信號的/和g分量表征摻入雜質濃度分布的陡度。分 別測量激勵光和光調制反射探測光光束在樣品上相距為零和某一定距離時光調制反射 信號的/和^分量值，將所測得值標在/-^坐標圖兩點上，可利用通過該兩點直線的斜 率來表征樣品雜質濃度分布的陡度，因為不同的陡度對應不同的斜率。具體為將測量得 到的斜率與定標樣品信號相應數據比較，即可得到樣品摻雜濃度分布的陡度。
本發明提供的集成了自由載流子吸收技術和光調制反射技術的半導體材料特性測 量裝置及方法具有以下的優點
(1)本發明在同一套測量裝置中集成了自由載流子吸收技術和光調制反射技術來測量樣品的摻雜濃度，補償光調制反射技術在測量較低和較高摻雜濃度范圍時測量精度 不高的缺點。
(2) 本發明在同一套測量裝置中同時獲取原理不同、互不干擾的自由載流子吸收 信號和光調制反射信號在樣品同一位置上對同一 (或同一組)參數(如摻雜濃度、電阻 率等)進行測量可提高測量的可信度及精度。
(3) 本發明在同一套測量裝置中集成自由載流子吸收技術和光調制反射技術較單 一技術可獲取更多精確的半導體材料特性參數。
(4) 本發明在同一套測量系統對樣品迸行頻率掃描或位置掃描獲取頻率或空間域 的自由載流子吸收信號和光調制反射信號。對不同的待測參數，可選擇最佳的掃描方式 或組合來獲取信號對參數進行分析，提高了測量精度。
圖1為本發明測量裝置的結構框圖2為本發明具體實施例的實驗詳圖1和圖2中激勵光源l、探測光源2、探測光源3、激勵光調制系統4、計算機 5、電控精密位移臺6、第一分光鏡7，第二分光鏡8，第三分光鏡9，第四分光鏡IO、 樣品架ll、探測自由載流子吸收信號的探測器12、探測光調制反射信號的探測器13、 數字存儲示波器或數據采集卡14、鎖相放大器15、聚焦透鏡16，聚焦透鏡17、第一濾 光鏡18，第二濾_光鏡19、聚焦透鏡20，聚焦透鏡21，聚焦透鏡22、前置放大器23。
圖3為本發明中自由載流子吸收信號與摻雜劑量的關系圖；其中信號發生器調制頻 率為lOKHz，激勵光光束和兩個探測光光束間距為零；橫坐標為摻雜劑量范圍，縱坐標 為自由載流子吸收信號的一次諧波振幅值和直流幅值的比值；
圖4為本發明中光調制反射信號與摻雜劑量的關系圖；其中信號發生器調制頻率為 lOKHz，激勵光光束和兩個探測光光束間距為零；橫坐標為摻雜劑量范圍，縱坐標為光 調制反射信號的一次諧波振幅值和直流幅值的比值；
圖5為本發明中測得樣品的自由載流子吸收信號在不同頻率下的位置掃描曲線的 測量結果和理論擬合結果，圖5a為振幅曲線，圖5b為相位曲線。
具體實施例方式
通過下面的詳細描述能夠更加徹底地理解本發明的實施方案，下面的描述應當結合 附圖進行閱讀。但是，應注意的是具體實施例只給出了部分半導體材料特性參數的測量 描述，但本發明并不局限于該具體實施例，在不背離本發明的精神和范圍的前提下可進 行各種變化。首先介紹本發明提供的一種基于雙探測光束的半導體材料特性測量裝置，裝置如附 圖1所示，包括產生激勵光的激勵光源1;產生光調制反射信號探測光的探測光源2; 產生自由載流子吸收信號探測光的探測光源3;用于調制激發光強度的激勵光調制系統 4;用于控制系統自動運行及存儲、處理信號數據的計算機5;用于反射激勵光并將激勵 光照射在樣品表面、并讓上述兩個探測光透射至樣品表面的第一分光鏡7;用于改變第 一分光鏡7的位置以改變激勵光光束和兩個探測光光束在樣品表面的間距的電控精密位 移平臺6;用于改變兩個探測光光路的第二分光鏡8、第三分光鏡9、第四分光鏡10;
固定樣品的樣品架(或樣品臺)11;探測自由載流子吸收信號的探測器12及探測光調
制反射信號的探測器13;記錄信號的數字存儲示波器或數據采集卡14和鎖相放大器15;
收集探測自由載流子吸收信號探測光束的聚焦透鏡16、收集探測光調制反射信號探測光 束的聚焦透鏡17;第一濾光鏡18、第二濾光鏡19。裝置中第四分光鏡IO可采用半透半 反式分光片，或采用偏振分光鏡；采用偏振分光鏡時，需要在第三分光鏡9和第四分光 鏡10的光路之間加一塊對應于光調制反射信號探測光波長的四分之一波片來增加光調 制反射信號的強度和信噪比。激勵光源l、探測光源2和探測光源3出射的光束分別采 用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散透鏡或顯微物鏡聚焦到待測樣品表面或不聚焦； 激勵光、自由載流子吸收信號探測光和光調制反射信號探測光可垂直入射或斜入射到樣 品表面。可在探測自由載流子吸收信號的探測器12及探測光調制反射信號的探測器13 后、鎖相放大器15前加前置放大器對信號進行放大.。裝置中也可以使用兩臺鎖相放大 器分別記錄自由載流子吸收信號和光調制反射信號的交流幅值。
其中激勵光源1產生的周期性變化的激勵光經第一分光鏡7反射到置于樣品臺11 的樣品表面，樣品因吸收激勵光的能量而在被照射處產生周期性變化的溫度場和載流子 密度波場，導致樣品被激勵光照射處反射率發生周期性變化；探測光源2產生的光調制 反射信號探測光分別經第西分光鏡IO、第三分光鏡9、第一分光鏡7后照到樣品被激勵 光照射處或相鄰位置上，反射的光調制反射信號探測光經第一分光鏡7、第三分光鏡9、 第四分光鏡10后，再通過第二濾光鏡19濾光，聚焦透鏡17聚焦收集，并由探測器13 探測得到光調制反射信號；另外一方面，探測光源3產生的自由載流子吸收信號探測光 分別經第二分光鏡8、第三分光鏡9、第一分光鏡7后照到樣品被激勵光照射處或相鄰 位置上，自由載流子吸收信號探測光被樣品內產生的過剩載流子吸收后從樣品后表面射 出，經第一濾光鏡18濾光，聚焦透鏡16聚焦收集，并由探測器12探測得到自由載流 子吸收信號；探測器12和探測器13的信號輸出端口連接至鎖相放大器15的信號輸入 端口和數字存儲示波器(或數據采集卡)14的輸入端口，以記錄自由載流子吸收信號和光調制反射信號的交流幅值和直流幅值；激勵光調制系統4的信號輸出端口連接至激勵 光源l的調制輸入端口，使激勵光的強度被周期性調制；激勵光調制系統4的同步信號 輸出端口連接至鎖相放大器15的參考信號輸入端口，以實現信號的采集；計算機5通 過通訊端口與數字存儲示波器(或數據采集卡)14、鎖相放大器15、電控精密位移臺6、 激勵光調制系統4連接，并利用相關程序實現對系統的自動控制和數據采集及存儲、處 理。
下面詳細介紹本發明具體實施例的實驗裝置，裝置如圖2所示。實驗中激勵光源l 采用波長為785mn(該激勵光產生的光子能量為1. 58eV，大于硅的本征禁帶寬度1. 1 eV) 的半導體激光器，其最大輸出功率為95nm;激發光調制系統4的功能由函數信號發生器 實現，函數信號發生器4產生的周期性方波信號(或其它波形的周期信號)直接調制激 光器的驅動電壓使激勵光源l輸出強度周期性調制的激勵光(激勵光強度的周期性調制 也可通過函數信號發生器輸出的周期性信號驅動聲光調制器、電光調制器或機械斬波器 調制連續的激勵光來實現)；探測光源2和探測光源3采用連續的氣體激光器和半導體 激光器，其波長分別為632.8nm、 1310nm，其最大輸出功率分別為15，、 5mw;實驗中 第一分光鏡7、第二分光鏡8、第三分光鏡9、第四分光鏡10相對入射光線45度放置； 第一分光鏡7對785nm的光反射率為85%，對1310nm和632. 8nm的光透射率分別為70% 和80%;第三分光鏡9對1310nm的光透射率為85%,對632. 8nm的光反射率為80%;聚 焦透鏡20使激勵光光束聚焦到樣品表面上(也可不聚焦)；聚焦透鏡21和聚焦透鏡22
分別使光調制反射信號探測光和自由載流子吸收信號探測光光束聚焦到樣品表面上(也 可不聚焦)；自由載流子吸收信號被短焦距透鏡16聚焦收集并由探測器12探測，該探
測器為InGaAs光電二極管探測器，探測波長范圍為800-1700nm;光調制反射信號被短 焦透鏡17聚焦收集并由探測器13探測，該探測器為Si光電二極管探測器，探測波長 范圍為200nm-llOOnm;前置放大器23可隔直流而只放大光調制反射信號的交流幅值(若 自由載流子吸收信號也很小的情況下，可在探測器12和探測器13后、鎖相放大器15 前加入前置放大器23對兩個信號都進行放大)；鎖相放大器15最大探測頻率為2MHz， 本具體實施例中僅采用一臺鎖相放大器來記錄自由載流子吸收信號及光調制反射信號 的交流幅值(也可使用兩臺分別記錄)；第一濾光鏡18為高通濾光鏡，對波長 lOOOnm-1250nm的光波透過率小于0. 1%,對1310nm的光透過率為76%，置于探測器12之 前；第二濾光鏡19為低通濾光鏡，對波長780nm-1310nm的光透過率小于0. 1%，對632. 8rnn 的光透過率為50%，置于探測器13之前。
下面介紹基于具體實施例所述測量裝置的半導體材料特性測量方法的實現步驟，同時為本發明裝置的使用方法。本發明的測量裝置產生自由載流子吸收信號和光調制反射 信號將自由載流子吸收信號探測光、光調制反射信號探測光和強度周期調制的激勵光 同時垂直照射到被測樣品同一個或相鄰位置處(相距在載流子擴散長度的范圍內)，樣 品因吸收激勵光能量在被照射處產生周期性變化的溫度場和載流子密度波場，使得被照 射處反射率也發生廚期性變化；光調制反射信號探測光經樣品反射率周期性變化的表面 反射回去而形成光調制反射信號，并被探測器13探測；透射的自由載流子吸收信號探 測光因半導體材料內自由載流子的吸收而形成自由載流子吸收信號，并被探測器12探 觀!l;通過鎖相放大器15解調可同時測得兩種信號的交流幅值；通過數字存儲示波器(或 數據采集卡)14可同時測得兩種信號的直流幅值。其中這里實驗中選取的樣品為硅片， 其參數下文中將提到。 測量步驟
1. 將被測樣品固定在樣品架上，依次打開信號發生器4、激光器1、 2和3、光電
探測器12和13、前置放大器23、示波器14、鎖相放大器15、及計算機5。
2. 組合調節聚焦透鏡17、第四分光鏡10及探測器13的位置，使得探測器13輸出 的光調制反射信號的振幅值達到最大，此時激勵光和光調制反射信號探測光聚焦在樣品 同一點。
3. 組合調節聚焦透鏡18、第二分光鏡8及探測器12的位置，使得探測器12輸出 的自由載流子吸收信號的振幅值達到最大，此對激勵光和自由載流子吸收信號探測光聚 焦在樣品同一點。
4. 固定激勵光和兩個探測光在樣品上間距為零或通過電控精密位移臺的移動后固 定為某一間距Ad，通過激勵光調制系統多次改變激勵光的調制頻率，得到Ad不變時每 一頻率所對應的自由載流子吸收信號S^和光調制反射信號S^,。
5. 多次改變iW，重復步驟4，得到不同間距不同調制頻率下的自由載流子吸收信 號和光調制反射信號。
下面介紹一下本發明的測量結果 (l)對參數為P型，晶向〈100〉，電阻率15-25Q.c附，厚度550/i附，前表面拋光， 表面自然氧化，表面注入P離子摻雜，注入能量為100KeV，摻雜劑量范圍為lxl(^/cm2 ——lxl0"/cm2的硅片樣品進行測試；分別得到如圖2和圖3所示的結果。
(2)對參數為P型，晶向〈100〉，電阻率8-12Q乂m，厚度550/z;n，前表面拋光， 表面自然氧化的一個樣品進行測量。此時得到不同頻率/不同間距Ad下的自由載流子 吸收信號&^，信號為/、 Ad及待測參數的函數(在此為載流子輸運參數即載流子壽命、擴散系數、前表面復合速度)。在測量中/和Ad為已知，可根據信號的相關理論公式[相 關公式詳見張希仁，李斌成，劉顯明. 〃源劍房磁載流f級欲資/量豐導沐載蔬f薪運參教 游三/,潘訟物理學報，57(11), 7310 (2008)]，對測量得到的信號數據進行擬合， 得到待測參數(在此得到擴散系數#=15. lcm7s、載流子壽命r=31.8u s和前表面復合 速度s產3.51X103cni/s)。圖4給出了實驗信號數據以及用擬合參數計算的理論信號數 據圖，圖中點為實驗結果，實線為擬合結果。
本發明具體實施例中所采用的鎖相放大器可輸出信號的振幅^(附; /// ^及相位 戶/zose外，還可輸出信號的同相分量/、正交分量^，它們之間的關系滿足 ^一Y油-^/2 + g2 ，尸/^^-arctan(g//)。若要實現本發明公開的利用光調制反
射技術測量超淺結的結深和陡度時，可采取如下技術方案固定激勵光和兩個探測光在 樣品上間距Ad為零，改變調制頻率/，測量ZW為零時不同頻率下光調制反射信號的/和 g分量值；固定激勵光和兩個探測光在樣品上間距Ad為某一距離(該距離小于載流子 的擴散長度)，改變調制頻率/，測量Ad為某一距離時不同頻率下光調制反射信號的/ 和g分量值；選取樣品在/和Ad最佳組合下的g分量值，將該值與定標樣品相應的信 號數據比較即可得到樣品的結深。在某個調制頻率下，分別記錄在Ad為零和另外一個 值時的/和g分量值，并將所測得值標在/-^坐標圖兩點上，可利用通過該兩點直線的 斜率來表征樣品雜質濃度分布的陡度，因為不同的陡度對應不同的斜率。具體為將測量
得到的斜率與定標樣品信號相應數據比較，即可得到樣品摻雜濃度分布的陡度。
在此具體實施例中只給出載流子輸運參數及摻雜濃度的測量結果、測量超淺結結深
和陡度的技術方案；但對于本發明能測量的其他待測參數，可參考上述實施例的操作方 法。有一點需要指出的是對不同的待測參數，可選擇最佳的掃描方式或組合來獲取信號 對參數進行分析，提高測量精度。
本發明提供的集成了自由.載流子吸收技術和光調制反射技術的半導體材料特性測 量裝置及方法適用于但不限于半導體外延摻雜、離子注入、熱處理以及污染金屬含量的 監測。
盡管這里僅具體說明和描述了較佳實施例，可以理解，但在本發明的啟示下可對本 發明進行多種修改和變形，且在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，其均在本發明所 附權利要求的范圍內。
權利要求
1、一種基于雙探測光束的半導體材料特性測量裝置，其特征在于包括產生激勵光的激勵光源(1)；產生光調制反射信號探測光的探測光源(2)；產生自由載流子吸收信號探測光的探測光源(3)；用于調制激發光強度的激勵光調制系統(4)；用于控制系統自動運行及存儲、處理信號數據的計算機(5)；用于反射激勵光并使激勵光照射在樣品表面、并讓上述兩個探測光透射至樣品表面的第一分光鏡(7)；用于改變第一分光鏡(7)的位置以改變激勵光光束和兩個探測光光束在樣品表面的間距的精密位移平臺(6)；用于改變兩個探測光光路的第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)；固定樣品的樣品臺(11)；用于探測自由載流子吸收信號的探測器(12)及探測光調制反射信號的探測器(13)；用于記錄信號的數字存儲示波器或數據采集卡(14)、鎖相放大器(15)；收集探測自由載流子吸收信號探測光束的聚焦透鏡(16)、收集探測光調制反射信號探測光束的聚焦透鏡(17)；探測光波長窄帶的第一濾光鏡(18)和第二濾光鏡(19)；其中激勵光源(1)產生的周期性變化的激勵光經第一分光鏡(7)反射到置于樣品臺(11)的樣品表面，樣品因吸收激勵光的能量而在被照射處產生周期性變化的溫度場和載流子密度波場，導致樣品被激勵光照射處反射率發生周期性變化；探測光源(2)產生的光調制反射信號探測光分別經第四分光鏡(10)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照到樣品被激勵光照射處或相鄰位置上，反射的光調制反射信號探測光經第一分光鏡(7)、第三分光鏡(9)、第四分光鏡(10)后，再通過第二濾光鏡(19)濾光，聚焦透鏡(17)聚焦收集，并由探測器(13)探測得到光調制反射信號；另外一方面，探測光源(3)產生的自由載流子吸收信號探測光分別經第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照到樣品被激勵光照射處或相鄰位置上，自由載流子吸收信號探測光被樣品內產生的過剩載流子吸收后從樣品后表面射出，經第一濾光鏡(18)濾光，聚焦透鏡(16)聚焦收集，并由探測器(12)探測得到自由載流子吸收信號；用于探測自由載流子吸收信號的探測器(12)及探測光調制反射信號的探測器(13)的信號輸出端口連接至鎖相放大器(15)的信號輸入端口和數字存儲示波器或數據采集卡(14)的輸入端口，以記錄自由載流子吸收信號的直流幅值、交流幅值以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值；激勵光調制系統(4)的信號輸出端口連接至激勵光源(1)的調制輸入端口，使激勵光的強度被周期性調制；激勵光調制系統(4)的同步信號輸出端口連接至鎖相放大器(15)的參考信號輸入端口，以實現信號的采集；計算機(5)通過通訊端口與數字存儲示波器或數據采集卡(14)、鎖相放大器(15)、電控精密位移臺(6)、激勵光調制系統(4)連接，實現對系統的自動控制和數據采集及存儲、處理。
2、 根據權利要求1所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的裝置中也可以使用兩臺鎖相放大器(15)分別記錄自由載流子吸收信號的直流幅值、交流幅 值以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值。
3、 根據權利要求1或2所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的激勵光源(1)采用連續半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作為光 源；且所述激勵光源(1)產生的激勵光的光子能量大于被測半導體的本征半導體禁帶寬度。
4、 根據權利要求1或2所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的 激勵光源(1)產生的激勵光的強度須被激勵光調制系統(4)周期性地調制，產生調制 激勵光；調制激勵光的強度可在調制系統(4)里通過調制半導體激光器的驅動電流或 電壓，或采用聲光調制器、或電光調制器、或機械斬波器調制連續激光束來實現。
5、 根據權利要求1或2所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的 產生光調制反射信號探測光的探測光源(2)和產生自由載流子吸收信號探測光的探測 光源(3)采用低功率的連續半導體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作 為光源，其中產生自由載流子吸收信號探測光的探測光源(3)光束的光子能量小于被 測半導體的本征^^導體禁帶寬度。
6、 根據權利要求或2所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的激 勵光源(1)、自由載流子吸收信號探測光源(3)和光調制反射信號探測光源(2)出 射的光束分別采用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散透鏡或顯微物鏡聚焦到待測樣 品表面或不聚焦；激勵光、自由載流子吸收信號探測光和光調制反射信號探測光可垂直 入射或斜入射到樣品表面；自由載流子吸收信號探測光、光調制反射信號探測光和激勵 光在樣品表面重合或者相距在載流子擴散長度的范圍內。
7、 根據權利要求1或2所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的 用于探測自由載流子吸收信號的探測器(12)和探測光調制反射信號的探測器(13)采 用光電二極管探測器或光電倍增管探測器。
8、 根據權利要求1或2所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于在所述 的用于探測自由載流子吸收信號的探測器(12)及探測光調制反射信號的探測器(13) 后、鎖相放大器(15)前加前置放大器對信號進行放大。
9、 根據權利要求1或2所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的第一分光鏡(7)、第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)相對于入 射光光線45度放置。
10、 根據權利要求1所述的半導體材料特性的測量裝置，其特征在于所述的第 四分光鏡(10)采用半透半反式分光片，或采用偏振分光鏡；采用偏振分光鏡時，需要 在第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)的光路之間加一塊對應于光調制反射信號探測 光波長的四分之一波片。
11、 一種基于雙探測光束的半導體材料特性測量方法，其特征在于步驟如下(1) 將自由載流子吸收信號探測光、光調制反射信號探測光和強度周期調制的激 勵光同時照射到被測半導體樣品同一或相鄰位置處，樣品因吸收激勵光能量在被照射處產生周期性變化的溫度場和載流子密度波場，使得被照射處反射率也發生周期性變化； 光調制反射信號探測光經樣品反射率周期性變化的表面反射回去而形成光調制反射信 號；透射的自由載流子吸收信號探測光因半導體材料內自由載流子的吸收而形成自由載 流子吸收信號；通過鎖相放大器解調可同時測得兩種信號的交流幅值；通過數字存儲示 波器或數據采集卡可同時測得兩種信號的直流幅值；(2) 改變激勵光的調制頻率，重復步驟(1)得到激勵光光束和兩個探測光光束同 一間距時每一頻率所對應的輸出信號，包括自由載流子吸收信號的直流幅值、交流幅值 以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值；(3) 改變照射在樣品表面上的激勵光光束和兩個探測光光束的間距，重復步驟(1) 得到某一固定頻率不同激勵光和兩個探測光光束間距時所對應的輸出信號，包括自由載 流子吸收信號的直流幅值、交流幅值以及光調制反射信號的直流幅值、交流幅值；(4)處理步驟(2)和步驟(3)得到的測量數據；利用擬合處理后的數據或將處 理后的數據與定標樣品的信號數據比較，得到待測樣品的多個特性參數，裝置中也可以 使用兩臺鎖相放大器分別記錄自由載流子吸收信號和光調制反射信號的交流幅值。
全文摘要
一種基于雙探測光束的半導體材料特性測量裝置及方法，用于測量半導體材料特征參數和監控摻雜等工藝過程。基于半導體材料對強度周期性調制的激勵光的吸收，在同一套測試系統中同時獲得自由載流子吸收信號和光調制反射信號；通過改變激勵光的調制頻率，得到頻域的自由載流子吸收信號和光調制反射信號；通過改變激勵光和探測光之間的間距，得到空間域的自由載流子吸收信號和光調制反射信號；通過分析處理所得信號或通過與定標樣品的信號數據比較，可得到半導體材料的特征參數及摻雜濃度等工藝參數。本發明彌補單一技術存在的缺點及提高測量精度；在一個裝置中同時獲取兩種信號，較單一技術獲得半導體材料更多的重要參數。
文檔編號G01N21/17GK101551324SQ20091008356
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月8日 優先權日2009年5月8日
發明者劉顯明, 李斌成, 韓艷玲, 黃秋萍 申請人:中國科學院光電技術研究所