本技術(shù)案大體上涉及寬帶隙半導體中的半導體摻雜的表征，且更特定來說，涉及用于外延層中的摻雜的非接觸式測量的方法及用于執(zhí)行所述測量的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、用施主或受主雜質(zhì)摻雜的半導體改變了半導體的電性質(zhì)，并且是半導體器件制造中的關(guān)鍵技術(shù)要素。摻雜通常通過引入代替半導體晶格中的主體原子的雜質(zhì)原子來完成。摻雜濃度是每體積半導體的摻雜原子濃度，并且其測量通常用于半導體器件生產(chǎn)中的質(zhì)量控制。

2、例如，基于寬帶隙半導體(包括sic、gan、algan和algan/gan)的器件廣泛用于電力電子和高頻應用中。這種器件通常包括摻雜外延層，其中外延晶片的嚴格摻雜控制是必要的。為了滿足快速發(fā)展的寬帶隙半導體技術(shù)和大規(guī)模外延片(epi-wafer)制造的需求，需要相應的大規(guī)模摻雜測試。為此目的，非接觸測量技術(shù)可以是優(yōu)選的。非接觸計量可以消除制造測試器件所涉及的成本和時間，并且可以避免在許多常規(guī)摻雜測量方法(例如汞探針(mercury?probe)方法)的情況下所需的測量后晶片清潔。

3、us10,969,370b2中描述的用于寬帶隙半導體的無制備非破壞性摻雜測量方法的示例可以使用由semilab?sdi制造的市售電暈非接觸電容電壓(cncv)工具來執(zhí)行。cncv使用電暈充電將半導體表面電偏置到深度耗盡，類似于金屬肖特基勢壘的電壓偏置，然而，在沒有金屬接觸半導體表面的情況下實現(xiàn)。在cncv方法中，用開爾文探針監(jiān)測對于電荷偏置劑量δqc的表面電壓響應δv。順序電荷測量中的差分電容c＝δqc/δv給出非接觸c-v特性。摻雜濃度nd由1/c2?vs?v的斜率確定，這是c-v方法中的標準程序。對于典型的12位點圖案，使用市售工具的cncv測量通量目前限于每小時約5個晶片。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、傳統(tǒng)的cncv技術(shù)可以被修改以采用新的摻雜敏感現(xiàn)象，該摻雜敏感現(xiàn)象可以被利用以增加測試通量。常規(guī)cncv使用電暈電荷偏置到耗盡，其通過多個增量電暈電荷沉積步驟實現(xiàn)。響應于沉積的電荷，表面電壓v變化，并且用非接觸式振動開爾文探針測量。類似于汞探針和肖特基結(jié)器件，cncv采用耗盡中1/c2-v特性的斜率來確定摻雜濃度。cncv是一種準靜態(tài)技術(shù)，其具有在獲取c-v特性中涉及的許多相對慢的電荷偏置步驟。這通常限制了多個晶片監(jiān)測中的測量速度和通量，其中每個晶片通常具有9個或12個測試位點，并且具有49個位點的晶片映射。

2、沉積的電暈電荷可以通過短波長照射從寬帶隙半導體的裸表面快速中和和去除。相應的電暈光中和的時間常數(shù)可以很短，使得能夠快速清掃耗盡勢壘。在對不同摻雜的外延sic的測量中，確定了電暈電荷光中和時間常數(shù)與摻雜濃度之間的直接關(guān)系。這種關(guān)系對于其他寬帶隙半導體是證實的，并且在寬的摻雜濃度范圍內(nèi)是有效的。本公開中的增強通量摻雜測量方法是基于此新識別的關(guān)系。

3、因此，在本發(fā)明中，描述具有新穎摻雜測量原理的電荷偏置方法，其可增加測量速度及通量，例如與上文所描述的常規(guī)cncv技術(shù)相比增加多達十倍。

4、這里描述的方法可以用單個大電暈充電到深度耗盡來代替累積電荷步驟的序列。之后，使用產(chǎn)生過量載流子的近uv照射對半導體表面上沉積的電荷進行光中和。光中和時間常數(shù)由時間分辨表面電壓測量確定，并且該時間常數(shù)是摻雜測量參數(shù)。

5、在光中和過程中，在電荷誘導表面耗盡層內(nèi)光生成的少數(shù)載流子是活動的。它們通過耗盡電場被引導到表面，并被具有相反極性的電暈離子捕獲，從而中和電暈電荷并減小耗盡寬度。該技術(shù)包括測量和分析表面電壓相對于照射時間的相應變化。

6、在寬帶隙半導體中，電暈離子的光中和是不可逆的。電暈電荷在光中和后不會恢復，并且光中和誘導的表面電壓變化在黑暗中不會逆轉(zhuǎn)。這使得能夠在照射充電區(qū)域時或在連續(xù)照射脈沖之后通過測量表面電壓來監(jiān)測過程。本公開涵蓋這兩種測量配置。具體地，在照射充電區(qū)域時的測量這樣的系統(tǒng)配置中采用，該系統(tǒng)配置中的照射在表面電壓探針下方。在照射脈沖之后的測量用于這樣的系統(tǒng)配置中，該系統(tǒng)配置中的照射在與表面電壓探針分離的位置處。

7、該測量技術(shù)利用光照引起的表面電壓變化的不可逆特性，將電荷光中和與其他表面光電壓效應分開。相應的測試涉及在停止照射之后在黑暗中監(jiān)測表面電壓。對于良好的測量條件，暗恢復應可忽略不計，例如在0.1％的范圍內(nèi)。

8、在某些實施方式中，測量技術(shù)采用耗盡層肖特基勢壘靜電電荷-電壓關(guān)系來提取電荷光中和率，并從表面電壓與照射時間的對數(shù)特性確定光中和時間常數(shù)τph?；跁r間常數(shù)τph和τph?vs?nd的校準相關(guān)性來確定摻雜濃度nd。時間常數(shù)vs表面電壓特性τph-v提供了用于評估摻雜深度分布的手段。均勻摻雜通過恒定的τph值來識別。在對數(shù)光中和表面電壓特性中，不同摻雜的多層膜在一定時間段內(nèi)將顯示出不同的τph值。相應的表面電壓反映了表面下方的不同深度。

9、通常，測量裝置包括具有以下能力的三個系統(tǒng)部件：

10、(a)-電暈充電，用于將半導體表面電荷偏置到深度耗盡。

11、(b)-非接觸表面電壓測量。

12、(c)-具有高于半導體能隙的光子能量的短波長照射。

13、半導體樣品晶片可以放置在具有快速移動能力的導電卡盤上，用于根據(jù)測量循環(huán)將測試樣品區(qū)域(即，晶片上的測試位點)定位在系統(tǒng)部件(a)、(b)和(c)下方。

14、可提供用于測量系統(tǒng)的外殼以防止雜散光(例如，短波長雜散光)到達晶片。否則，這種雜散光會在晶片表面上引起不受控制的電暈電荷中和。

15、時間常數(shù)τph可以直接用作相對摻雜濃度指數(shù)。為了精確定量測量摻雜濃度，該方法可以包括時間常數(shù)的校準函數(shù)，其通過對具有已知摻雜濃度的參考樣品晶片的測量來確定。替代地或附加地，可以利用在與光中和時間常數(shù)τph的測量相同的樣品區(qū)域(相同的晶片位點)上執(zhí)行的電暈c-v摻雜測量來執(zhí)行晶片特定校準。

16、在用于半導體和電介質(zhì)表征的常規(guī)電暈充電方法中，通常通過測量表面電壓的相應變化來監(jiān)測對沉積電暈電荷密度變化的響應。在本技術(shù)中，也采用表面電壓的測量，然而，電暈沉積的電荷密度的變化是通過電荷的光中和而不是通過電荷沉積來實現(xiàn)的。電荷光中和和表面電壓的測量可以同時或順序地執(zhí)行，這取決于光源和表面電壓探針的配置。探針下的照射使得能夠在實際電暈光中和期間進行測量。這允許在不在照射與測量探針之間轉(zhuǎn)移晶片的情況下照射及測量樣品位點，這可有益于測量的速度及通量。具有單獨光源的配置可以促進比表面電壓探針下的照射更高的照射均勻性。這可以有益于準確性和工具到工具匹配。

17、所公開的技術(shù)可以使用具有不同配置和波長的多個光源，這些配置和波長可以根據(jù)使用該技術(shù)的特定半導體晶片制造的要求來選擇和優(yōu)化。

18、一般來說，在一個方面中，本發(fā)明的特征在于一種表征寬帶隙半導體樣品中的半導體摻雜的方法，所述方法包含：在黑暗中測量所述半導體樣品的表面的區(qū)域處的表面電壓的初始值v0；通過在所述區(qū)域處沉積規(guī)定的電暈電荷，在黑暗中將所述區(qū)域充電至深度耗盡；在充電之后在黑暗中測量所述區(qū)域處的表面電壓值；用特定光子通量feff的光照射充電的區(qū)域，所述特定光子通量φeff具有足以在所述半導體樣品中產(chǎn)生自由少數(shù)載流子從而引起所述電暈電荷的光中和的高于所述半導體帶隙的光子能量；使用表面電壓v(t)的非接觸時間分辨測量來監(jiān)測區(qū)域處的光中和誘導的電暈電荷衰減vs照射時間t；分析所監(jiān)測的時間分辨表面電壓衰減數(shù)據(jù)v(t)以確定光中和時間常數(shù)τph；以及使用特定光子通量feff下的光中和時間常數(shù)τph作為半導體摻雜指數(shù)，并基于其值表征該區(qū)域處的半導體摻雜濃度。

19、該方法的實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。

20、該方法可以包括基于表面電壓特定電暈電荷光中和時間常數(shù)τph?vs?v來表征半導體樣品的摻雜濃度深度分布。

21、該方法可以包括基于表面電壓范圍內(nèi)的平均τph值來表征單個外延層的摻雜。

22、在一些示例中，根據(jù)以下等式確定τph：

23、

24、其中t是照射時間，vconst是表面電壓探針偏移。該方法可以包括使用對具有已知摻雜濃度值nd的一個或多個參考樣品的τph的校準測量來確定校準函數(shù)τphvs?nd以及逆校準函數(shù)nd?vsτph(表示為fcal)。在一些示例中，該方法包括將在有效光子通量φeff下測量的時間常數(shù)τph歸一化到校準光子通量φeff，如下：以及根據(jù)以下等式使用歸一化時間常數(shù)確定絕對摻雜濃度：

25、該方法可以包括針對摻雜濃度校準τph，其中校準特定于半導體晶片樣品，并且在晶片樣品的多位點(例如，9個位點、12個位點或49個位點)基于τph的表征期間在測量的晶片樣品的一個位點上執(zhí)行校準，其中所有τph測量在相同的照射條件下執(zhí)行。校準可以包括利用電暈非接觸c-v(cncv)方法測量電暈電荷光中和時間常數(shù)τph和獨立測量摻雜濃度nd，其中兩個測量在相同的晶片位點處并且在類似的電暈電荷誘導的耗盡電壓范圍內(nèi)依次一個接一個地執(zhí)行。該方法可以包括使用τph和nd來確定滿足nd＝τph·fcal的晶片特定逆校準函數(shù)值fcal。

26、在一些示例中，該方法包括基于確定每個晶片位點處的τph并使用在單個位點上確定的fcal的晶片特定值來確定所有不同晶片位點處的摻雜濃度。

27、電容探針可以是非接觸式振動開爾文探針。

28、可以在監(jiān)測表面電壓的同時照射該區(qū)域，或者可以與監(jiān)測表面電壓分開地照射該區(qū)域。

29、半導體樣品可以包括選自由sic、gan和algan組成的組的半導體。

30、該方法可以包括基于在電暈充電之后但在照射之前測量的vdark和暗衰減率δvdark/δtdark來識別半導體樣品的缺陷區(qū)域。

31、該方法可以包括基于在照射之后測量的暗衰減幅度δvdark來識別除電暈光中和之外的表面光伏效應對所監(jiān)測的表面電壓的貢獻。

32、根據(jù)附圖、說明書和權(quán)利要求書，其他特征和優(yōu)點將是顯而易見的。