GB/T 26068-2010 硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测试方法

ICS29．04．5

H80

a雪

中华人民共和国国家标准

1

26068--200

GB／T

硅片载流子复合寿命的无接触微波反射

光电导衰减测试方法

forlifetimeinsiliconwafers

Testmethodcarrierrecombinationby

measurementofmicrowavereflectance

by

phOtoconductiVitydecay

2011-01-10发布

宰瞀鳃鬻瓣警矬瞥星发布中国国家标准化管理委员会促19

GB／T

目次

前言………·………………····…………

1范围…………………·Ⅲ1

2规范性引用文件……·1

3术语和定义………………·······……1

4检测方法概述……·····……··…···…2

5干扰因素…··………一3

6设备…···……···……·4

7试剂………·…………···……………5

8取样及样片制备·…···………………5

9测试步骤……·…………·…………··7

10报告………······……·8

11精密度和偏差………·8

附录A(规范性附录)注入水平的修正……………·

附录B(资料性附录)注入水平的相关探讨·………··

附录C(资料性附录)载流子复合寿命与温度的关系

附录D(资料性附录)少数载流子复合寿命………··

附录E(资料性附录)测试方法目的和精密度·……-·

参考文献……………···………····……··9如n：2¨加

26068--2010

GB／T

刖昌

本标准由全国半导体设备和材料标准化委员会材料分技术委员会(SAC／TC203／SC2)归口。

本标准起草单位：有研半导体材料股份有限公司、瑟米莱伯贸易(上海)有限公司、中国计量科学研

究院、万向硅峰电子有限公司、广州昆德科技有限公司、洛阳单晶硅有限责任公司。

本标准主要起草人：曹孜、孙燕、黄黎、高英、石宇、楼春兰、王世进、张静雯。

Ⅲ

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6B／T

硅片载流子复合寿命的无接触微波反射

光电导衰减测试方法

1范围

1．1本方法适用于测量均匀掺杂、经过抛光处理的n型或P型硅片的载流子复合寿命。本方法是非破

坏性、无接触测量。在电导率检测系统的灵敏度足够的条件下，本方法也可应用于测试切割或者经过研

磨、腐蚀硅片的载流子复合寿命。

注：本检测方法适用于测量0．25肛s到>1ms范围内的载流子复合寿命。最短可测寿命值取决于光源的关断特性

及衰减信号测定器的采样频率，最长可测值取决于试样的几何条件以及样片表面的钝化程度。配以适当的钝

化工艺，如热氧化或畏人适当的溶液中，对于GB／T12964(硅单晶抛光片》中规定厚度的抛光片，长到数十毫秒

的寿命值也可被测定。

1．3分析工艺过程、检查沾污源以及对测量数据进行解释以判别杂质中心的形成机理和本质不在本方

法范围内。本方法仅在非常有限的条件下，例如通过比对某特定工艺前后载流子复合寿命测试值，可以

识别引入沾污的工序，识别某些个别的杂质种类。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB／T

1550非本征半导体材料导电类型测试方法

GB／T

1552硅、锗单晶电阻率测定直排四探针测量方法

1553

GB／T2009硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰减法

GB／T6616半导体硅片电阻率及硅薄膜薄层电阻测定非接触涡流法

GB／T6618硅片厚度和总厚度变化测试方法

11446．1

GB／T电子级水

GB／T13389掺硼、掺磷硅单晶电阻率与掺杂浓度换算规则

GB／T14264半导体材料术语

679

Ys／T2008非本征半导体少数载流子扩散长度的稳态表面光电压测试方法

SEMI

MF978瞬态电容技术测量半导体深能级的测试方法

SEMI

测试方法

SEMIMFl530

自动无接触扫描测量硅片平整度、厚度和厚度变化的测试方法

3术语和定义

GB／T

14264界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3．1

level

注入水平injection

在非本征半导体晶体或晶片内，由光子或其他手段产生的过剩载流子浓度与多数载流子的平衡浓

1

26068--2010

GB／T

度之比。

3．2

lifetime

复合寿命recombination

在应用于小浓度复合中心的S-R—H模型中，假定过剩载流子浓度与多数载流子浓度相比很小(低

注入)，能级不太靠近能带边缘的复合中心的复合寿命为少数载流子俘获时间常数。当注入载流子浓度

大大超过多数载流子浓度(高注入)时，复合寿命是少数和多数载流子俘获时间常数之和(见附录A)。

3．3

recombination

表面复合速率surfacevelocity

指非平衡少数载流子在半导体晶体或晶片表面处复合速度的量度。

3．4

recombinationlifetime

体复合寿命bulk

“

体复合寿命即为少数载流子寿命。

3．5

modelifetime

基本模式寿命primary

rI

通常将衰减曲线上满足指数衰减的部分的时间常数作为基本模式的复合寿命，受体和表面性质的

影响。

3．6

1／e寿命1／elifetime

r。

将反射功率衰减到峰值的1／e的时刻“和过剩载流子被光脉冲注入到样品的时刻“之间的间隔

计算为1／e寿命。其与注入比和激光透入深度有关，并强烈地受到表面条件的影响，因为在刚注入之

后，过剩载流子的分布在表面附近。另一方面，在衰减曲线的初始阶段，由于信噪比好以及数据分析简

单，r。的测量是快速易行的。

注：根据光激发水平，按本方法测定的载流子复合寿命可能是少数载流子寿命(低注入水平)或少数载流子和多数

载流子的混合寿命(中、高注入水平)。在中、高注人水平下，若假定硅片中只含有单一复合中心，则根据

Read

ShockleyHall模型(应用于小浓度复合中心的情况)进行分析，可以得出在某些情况下。少数载流子寿命

和多数载流子寿命是可以区分的。

4检测方法概述

4．1本方法通过微波反射信号监测由于光脉冲激发样片产生过剩载流子引起的电导率的衰减，从而测

定过剩载流子的复合情况。即用特定功率密度(注入水平)且能量略大于禁带宽度的短脉冲光(宽度不

大于200ns，上升沿和下降沿时间不大于≤25ns)使硅片瞬间局部产生过剩的电子一空穴对。光脉冲终

止后，光电导的衰减通过微波反射方法监控，载流子复合寿命按以下步骤确定：

——样片表面经过处理，在可以忽略表面复合对光电导衰减影响的条件下，有望获得体复合寿命。

载流子复合寿命是由符合电导率指数衰减部分的时间常数确定的。

——基准模式寿命由衰减曲线指数部分的衰减时间常数决定。

——1／e寿命由激光脉冲注入到过剩载流子浓度减小为1／e时的时间间隔决定。

4．2使用窄束光源在硅片表面不同区域可重复测量以获得载流子复合寿命的分布图。

4．3为了获得复合中心更详细的信息，可以对特定参数如注入水平(光源强度)或温度，在不同数值下，

进行重复测试。

2

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GB／T

循环嚣监测器

图I脉冲光和微波系统方框图

5干扰因素

5．1载流子的寿命在某种情况下，比如载流子的扩散长度大于硅片厚度的0．1倍时，为了获得体复合

寿命，应通过热氧化或者通过把样片浸入适当的电解液来消除样片表面复合所产生的影响(见8．4)。

使用电解液的处理方法，应确保获得稳定的表面以保证测试结果的可靠性。

采用热氧化的方法，特别是高氧含量的硅片，氧化时氧化物沉淀可能在样片体内形成。这类沉淀物

的存在会改变样片的复合特性，使得该样片不再适合采用本方法来测量。

在某些情况下，外吸杂硅片用本方法测量可能得出错误的载流子复合寿命值。对这类硅片的测试

结果是否有效，需要经过彻底检查。

5．2本方法不适于检测非常薄的硅膜的载流子复合特性。如果样片的厚度接近或小于入射辐射的吸

收系数的倒数时，衰减曲线可能会由于额外载流子产生过程的空间相关性而扭曲。

5．3在硅片表面垂直方向上载流子复合特性的变化可导致体复合寿命测试的不正确。导致这种变化

的原因可能是：

1)存在平行于表面的p-n结或高一低(p—P+或n—n+)结；

2)有不同复合特性的区域存在(例如片子有氧沉淀和一个没有这种沉淀的表面洁净区)。

5．4硅中杂质的复合特性和温度密切相关。如果需要对比检测结果(比如，在一个工艺过程之前和之

后，或在供需方之间)，检测应在相同温度下进行。

5．5不同的杂质中心有不同的复合特征。因此，如果在硅片中存在不止一种类型的复合中心，衰减可

能是两个或多个时间常数的作用所组成。由这样衰减曲线得出的复合寿命不能代表任何单一的复合

中心。

5．6杂质中心的复合特性依赖于掺杂剂的类型和浓度，以及杂质中心能级在禁带中的位置(见附

录D．2)。

5．7光注入高次模的衰减会影响衰减瞳线的形状，特别是在其早期阶段口]。在高次模消失之后进行测

量可将此效应减至最小(在衰减信号最大值的50％以下开始)。

5．8通过本方法得到的数据进行分析测量，进而辨别杂质中心的形成机理和本质仅在非常有限的条件

下对个别杂质适用，单从载流子复合寿命的测量中可得到的此方面的某些信息在附录中讨论。“注入水

平谱”口1的利用在附录B中讨论，低注入水平下测定的载流子复合寿命温度关系01的利用在附录c中

MF978

讨论。通过对复合寿命进行测量，从而识别样片中的杂质中心及浓度，通常使用更可靠的SEMI

深能级瞬态谱(DLTS)方法，或者在沾污类型已知时，利用其他电容或电流瞬态谱技术“]。

3

10

26068--20

GB／T

5．9影响载流子复合寿命的金属杂质可在各道工艺中被引入到样片中，特别是那些涉及高温处理的过

程。分析工艺过程以检查沾污源(见1．3)不在本方法范围内。虽然本方法通常是非选择性的，但在非

常有限的条件下，某些个别的杂质种类是可以被识别出来的(见4．3，参见附录B和附录C)。

5．10在测试载流子复合寿命时，理想情况下，若能消除表面复合的影响，得到的将是体复合寿命(“)。

但通常完全抑制表面复合是很困难的。在大多数情况下，寿命测量都是在来做过表面钝化或表面钝化

是否完善未被证实的情况下进行的。此外，注入比也对寿命测量值有影响。在小注入时，寿命值不受注

入比的影响，体复合寿命即为少数载流子寿命，但是为了提高信噪比(S／N)常采用高水平的注入。因此

本方法也包含“非理想”情况下(表面复合不可忽略或者非小注入水平时)载流子复合寿命的测试：

当表面复合可忽略以及注入水平足够低时，上述三种寿命相等(“一rr一‘)。在表面复合可忽略的

情况下，即使在激光辐照后的注入水平较高，rb与rz也相等。

5．11因为复合中心的浓度在样片中的分布一般是不均匀的，所以在测试复合寿命时须对样片进行多

点测试，所测点的密度及在样片上的位置须征得测试有关各方的同意。

5．12大尺寸样块的载流子复合寿命可由GB／T

试方法，都是基于光电导衰减(PCD)测试法，需要在样片表面制备电接触。另外，若样片所有表面都具

有很快的复合速率，测试寿命的上限由样片的尺寸决定。GB／T

679--2008

人情况下进行测试，才能确保测试的是少数载流子寿命。少数载流子寿命也可由按照Ys／T

中的方法A或方法B即表面光电压(SPV)法测试得到的载流子扩散长度推算得到。在低注入情况下

进行测试，SPV法和PCD法在一定条件下将得到相同的少数载流子寿命。5]。首先，必须没有载流子陷

阱产生。其次，必须采用正确的吸收系数和少数载流子迁移率用来进行SPV测试分析。第三，在进行

PCD测试时，须消除表面复合的影响(如在本方法中)，或者做出适当的评估(如在测试方法

GB／T

MF

级。虽然sEMI1388包含硅片产生寿命的测试方法，但在高于室温(≥70℃)条件下使用相同的

MOS电容结构，通过其电容一时问的测试推导出复合寿命“]。

6设备

6．1脉冲光源

ns(见

波长在0．9／zm～1．1pm之间的激光二极管。标称脉冲宽度≤200ns，上升沿和下降沿≤25

4．1)，脉冲光源的上升沿、下降沿和信号调节器的采样时间(参照6．5)应小于等于待测寿命最小值的

之间。

6．2光子探测器

采用适当的方法，如在光路上放置一个成45。角的半透镜和一个硅光子探测器，提供反馈控制使激

光功率维持在符合规定注入标准的恒定的水平上。

6．3微波采样系统

GHz士0．5

包括一个标称工作频率为10GHz的微波源及一个测量反射功率的设备，如循环器、天

线及探测器(见图1)。探测系统的灵敏度应尽可能大，以便测量低注入水平下的光电导衰减。

6．4样片台

将样片固定(用真空吸牢)在脉冲光源之下所需的位置。样片可装一个加热器以便在室温之上一个

小小的温度范围内控制其温度。该样片台可由计算机控制的马达驱动，提供z—y或者r一口方式的动作，

4

GBIT

以实现在整个样片表面的扫描功能。另外可配置自动装片及传输装置，以便于顺序测量一组样片。

6．5衰减信号分析系统

适当的信号调节器和显示单元(有合适的时间扫描和信号灵敏度的真实或虚拟的示波器)。信号调

节器带宽要求≥40MHz，或最小采样时间≤25ns。显示单元应具有精度和线性都优于3％的连续刻度

的时间基准。系统应能独立确定使用者选定的衰减信号部分的时间常数。

6．6计算机系统

虽然测量可以手动进行，但还是推荐采用匹配的计算机系统控制样片的装载、样片台动作、脉冲和

探测器的操作、衰减信号分析、数据统计分析、数据记录、存储以及打印和绘制结果。

洼：手动数据采集和分析的详细操作将在第9章测量步骤中介绍。强烈推荐采用具备数据存储和显示功能的电脑

控制系统进行设备设置、