[发明专利]一种半导体扩散长度测量仪

说明书

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（Phatecauduetai 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    Suntace    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US    4，333，051、US    4，433，288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，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，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，其特征是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2的工作频率为25Hz，且与50Hz的工频同步，脉冲持续时间为400μs～500μs;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，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;Y型光缆4两端口4A、4B的光能分配比为49∶1～64∶1。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。

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。