国家标准 GB/T26068一2018 代替GB/T26068一2010 硅片和硅锭载流子复合寿命的测试非接触微波反射光电导衰减法 Testmethodforcarrierrecombinationlifetimeisiliconwafersand siliconingots一Non-contactmeasurementofphotoconductivitydecay bymierowavereflectancemethod 2018-12-28发布 2019-11-01实施国家市场监督管理总局发布币国国家标准化管理委员会国家标准
GB/T26068一2018 目次前言范围 2 规范性引用文件术语和定义方法原理干扰因素仪器设备试剂样品测试步骤 10精密度 1 试验报告附录A资料性附录注人水平的修正附录B(资料性附录)注人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)测试体复合寿命、少数载流子寿命和铁含量的进一步说明 19 附录F(资料性附录sEMIMF1535-1015中的测试方法目的和精密度 23 参考文献 24
GB/T26068一2018 前言本标谁按照GB/TI.1一209给出的规则起草 -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》. 本标准代替GB/T26068一本标准与GB/T26068一2010相比,除编辑性修改外,主要技术变化如下 -将标准名称《硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰碱测试方法》改为《鲑片和硅绽载流子复合寿命的测试非接触微波反射光电导衰减法》; -增加了使用微波反射光电导衰诚法测试单晶硅锭和铸造多晶硅片、硅锭载流子复合寿命的内容(见第1章、9.2); cm10Q -将范围中测试样品的室温电阻率下限由“0.05Qcm~1Qcm”改为“0.05Q cm”,载流子复合寿命的测试范围由“0.25!s到>1ms”改为“>0.l4s”,删除了2010年版的 1.3(见第1章,2010年版的1.2、1.3); 规范性引用文件中增加了GB/T1551,删除了GB/T1552,SEMIMF1388,SEMIMF1530,删 -2008中的年代号,增加了GB/T11446.1的年代号2013 除了GB/T15532009、YS/T679- 见第2章,2010年版的第2章); 修改了术语注人水平、复合寿命、表面复合速率、体复合寿命和1/e寿命的定义(见第3章， 2010年版的第3章); -将2010年版1/e寿命定义的部分内容调整到干扰因素5.16,1/e寿命定义的注调整为干扰因素5.13见5.10,5.17,2010年版的3.6) 增加了“载流子的扩散长度小于硅片厚度的0.1倍时,可以考虑不处理样品表面,直接检测”, 表面处理方法增加了“表面持续电晕充电”(见5.1); -增加了推荐的测试温度以及湿度、小信号条件,载流子陷阱或耗尽区、测试点距边缘距离对测试结果的影响见5.5、5.6,5.9,5.18,5.20); -将2010年版的7.1部分调整到5.19(见5.19,2010年版的7.1) -增加了“薄膜、薄层,薄硅片或者其他材料的波长段的使用需经相关部门或组织测试认定”(见 6.2); -增加了“如果硅片厚度小于150Mm,宜使用非金属硅片支架托”(见6.5); 修改水的要求为“满足GB/Tll446.1一2013中Ew-I级或更优级别要求(见7.1,2010年版的 7.2); -明确了碘无水乙醇、氢氟酸、硝酸的纯度级别(见7.2、7.3、7.4、7.5); -删除了关于取样的内容(见2010年版的8.1); 样品制备增加了“需要通过机械研磨和化学机械抛光或只通过化学抛光去除样品表面的残留损伤后”(见8.2) -明确了硅片氧化处理的具体操作方式[见8.2a),2010年版8.4.1] -样品制备中增加了“硅片表面持续电晕充电”的表面处理方法[见8.2c)]; 删除了关于钝化之前用氢氟酸腐蚀掉样品表面氧化物的腐蚀时间的内容(见2010年版的 8.4.2.1); 硅片测试步骤中增加了“如果需要,记录并使用9.1.1中正、背面的状态”和“使用合适的波长，记录所使用的激光波长和脉冲光斑大小"(见9.1.3,9.1.5) -根据试验情况修订了精密度(见第10章,2010年版第11章)
GB/T26068一2018 增加了资料性附录E,并将2010年版8.3部分调整为附录E的E3(见附录E,2010年版的8.3) 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/Tc203)与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归口本标准起草单位;有研半导体材料有限公司、,瑟米莱伯贸易(上海)有限公司、计量科学研究院、浙江省硅材料质量检验中心、广州市昆德科技有限公司、江苏协鑫硅材料科技发展有限公司、天津市环欧半导体材料技术有限公司、北京合能阳光新能源技术有限公司本标准主要起草人:曹孜、孙燕、黄黎,赵而敬、徐红骞、高英、石宇,楼春兰、王听,张雪因、林清香、刘卓、肖宗杰本标准所代替标准的历次版本发布情况为 GB/T260682010 IN
GB/T26068一2018 硅片和硅锭载流子复合寿命的测试非接触微波反射光电导衰减法范围本标准规定了单晶和铸造多晶的硅片及硅锭的载流子复合寿命的非接触微波反射光电导衰减测试方法本标准适用于硅锭和经过抛光处理的n型或p型硅片(当硅片厚度大于1mm时,通常称为硅块) 载流子复合寿命的测试在电导率检测系统灵敏度足够的条件下,本标准也可用于测试切割或经过研磨、腐蚀的硅片的载流子复合寿命通常,被测样品的室温电阻率下限在0.05Qcm10Qcm之间由检测系统灵敏度的极限确定载流子复合寿命的测试范围为大于0.14s,可测的最短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,最长可测值取决于样品的几何条件及其表面的钝化程度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/T1550非本征半导体材料导电类型测试方法 GB/T1551硅单晶电阻率测定方法 GB/T1553硅和错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试方法非接触涡流法 GB/T6618硅片厚度和总厚度变化测试方法 GB/T1l446.1一2013电子级水 GB/T13389掺砌掺磷掺呻硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程 GB/T14264半导体材料术语 Ys/T679非本征半导体中少数载流子扩散长度的稳态表面光电压测试方法 SEMIMF978半导体深能级的瞬态电容测试方法(Testmethodforeharacterizingsemiconduetor deeplevelsbytransientcapacitancetechniques) 3 术语和定义 GB/T14264界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 注入水平injetiomeel 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度之比注注人水平与激发脉冲停止后立即产生的初始过剩载流子浓度有关
GB/T26068一2018 3.2 复合寿命recombinationlifetime 在均匀半导体内空穴-电子对的产生和复合的平均时间间隔 3.3 表面复合速率surfacerecombinationveoeity 过剩少数载流子在半导体晶体或晶片表面处的复合量度由流向表面的空穴(电子)电流与空穴电子)电荷和表面处空穴(电子)浓度乘积之比得出 3.4 体复合寿命bulkrecombinationIifetime T 在空穴-电子对表面复合可以忽略不计的情况下,只是通过晶体内杂质和缺陷的复合作用所决定的复合寿命 3.5 基本模式寿命primmarymodelifetime 衰减曲线上满足指数衰减部分的时间常数注1基本模式寿命受材料基体和表面性质的影响注2:基本模式寿命开始的起点是由计算机系统确认衰减曲线满足指数衰减后计算出的 3.6 1/e寿命1/elifetimme 从激光脉冲注人的结束到微波衰减信号降到初始信号的1/e时的持续时间方法原理 4.1本方法通过微波反射信号监测由于光脉冲激发样品产生过剩载流子引起的电导率的衰减,从而测试过剩载流子的复合情况即用特定功率密度(注人水平)且能量略大于禁带宽度的短脉冲光使样品瞬间局部产生过剩的空穴-电子对光脉冲终止后,通过微波反射方法监控电导率的衰减进而获得体复合寿命,基本模式寿命和1/e寿命 4.2使用窄束光源在样品表面不同区域进行重复测试,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,可以在特定参数如注人水平或温度的不同数值下,进行重复测试本方法是非破坏性、非接触的在测试后,如果样品的清洁度保持良好,可对其进行后续的工艺 4.4 操作 5 干扰因素 5.1样品的表面状况以及如何处理样品会影响测试结果当载流子的扩散长度不大于硅片厚度的 0.1倍时,可以考虑不处理硅片表面,直接检测当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,应通过钝化,热氧化或者表面持续电晕充电的方法来消除硅片表面复合所产生的影响使用钝化液的处理方法,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
GB/T26068一2018 高氧含量的硅片,氧化时可能在硅片体内形成氧化物沉淀这类沉淀物的存在会改变硅片的复合特性，使得该硅片不再适合采用本方法来测试另外,在热氧化过程需要特别注意外来的沾污可能会造成测试寿命的大幅下降在某些情况下,如外吸杂硅片,使用本方法测试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,需要进行研究和论证 5.2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r,,但通常完全抑制表面复合是很困难的在大多数情况下,寿命测试都是在未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因此,l1/e寿命和基本模式寿命T两个不依赖表面钝化状态影响的参数将被本标准采纳 5.3本方法不适于检测非常薄的硅薄膜的载流子复合特性如果样品的厚度接近或小于人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 5.4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: 存在平行于表面的pn结或高-低(pp十或-n十)结 a 存在不同复合特性的区域(例如硅片上有氧沉淀和没有这种沉淀的表面洁净区) b 5.5温度对载流子复合寿命的影响主要体现在载流子迁移率和杂质能级随温度的变化这些变化都会对测试产生影响,建议测试温度控制在18C一25C,对于电子级材料的测试宜控制到更窄范围硅中杂质的复合特性和温度密切相关,如果需要对比测试结果(比如,在一个工艺过程之前和之后,或在供需方之间),应在相同温度下进行测试 5.6在测试的两个主要阶段,激光注人及探测微波反射信号的过程中,湿度的变化不会产生影响,因此,湿度不作为载流子复合寿命测试的干扰因素光注人高次模的衰减会影响衰减曲线的形状,特别是在其早期阶段在高次模消失之后进行测 5.7 试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初始注人水平也对寿命测试值有影响初始注人水平足够低,测试的寿命不会被注人水平影响但是为了提高信噪比(S/N)常采用高的注人水平,因此在衰碱的初始阶段,注人水平可能会影响测试寿命,本测试方法仍然被允许使用注人水平的相关内容参见附录A,附录B,低注人水平下测试的载流子复合寿命与温度的关系参见附录C 5.9小信号条件经常被描述成低水平注人条件在这种情况下,当注人脉冲停止后,过剩载流子呈指数衰减但即使不是低水平注人,在注人脉冲停止后,衰减的曲线形状仍然会随着时间变化,并且通过这部分衰减曲线测试载流子复合寿命在这部分衰减曲线里,过剩载流子浓度少于多数载流子平衡浓度因此,这部分衰减曲线可近似认为是指数衰减以及具备小信号条件 5.10根据光激发水平,按本方法测试的载流子复合寿命可能是少数载流子寿命(低注人水平)或少数载流子和多数载流子的混合考命中,高注人水平) 在中,高让人水平下,若假定样品中只含有单一复合中心,则根据Shockley-Read-Hall模型(应用于小浓度复合中心的情况)进行分析,在某些情况下,可以区分少数载流子寿命和多数载流子寿命 5.11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(参见附录D,D.2) 不同的杂质中心有不同的复合特征因此,如果在样品中存在不止一种类型的复合中心 -的复哀减可能是两个或多个时间常数的作用所组成这样哀诚曲线得出的复合寿命不能代表任何单- 合中心 5.12通过本方法得到的数据进行分析,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试中可得到的此方面的某些信息在附录B附录C中讨论
GB/T26068一2018 通过对复合寿命进行测试,识别样品中的杂质中心及浓度,通常可使用更可靠的SEMIMF978中的方法,或者在沾污类型已知时,利用其他电容或电流瞬态谱技术g 5.13影响载流子复合寿命的金属杂质可在各道工艺中被引人到样品中,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不在本方法范围内 5.14在某些情况下,例如非常快的双极开关器件和高功率器件,为获得所需的器件性能应仔细控制复合特性但是对于当今大多数电子级硅片,只需要通过控制过程来保证这些杂质不出现虽然本方法测试的载流子复合寿命是样品内所有杂质,缺陷等因素的综合反映,但是在非常有限的条件下,某些个别的杂质种类能被识别出来(参见附录B和附录C) 5.15大尺寸样品的载流子复合寿命可按G;B/T1553中的方法进行测试这些测试方法,都是基于光电导衰减(PCD)测试法,需在样品表面制备电接触另外,若样品所有表面都具有很快的复合速率,测试寿命的上限由样品的尺寸决定少数载流子寿命也可按照Ys/T679中的表面光电压(sPv)法测试得到的载流子扩散长度推算得到 5.16在低注人水平的情况下进行测试,SPV法和PCD法在一定条件下将得到相同的少数载流子寿命时这首先应没有载流子陷阱产生,其次应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,再者在进行PCD法测试时,应消除表面复合的影响(如按本标准规定的方法),或者做出适当的评估(如在GB/T1553规定的方法中) 产生寿命是半导体材料的另一个瞬态特性,其通常比复合寿命要大几个数量级虽然sEMIMF1388n包含硅片产生寿命的测试方法,但需在高于70C条件下使用相同的MOS电容结构,通过其电容-时间的测试推导出复合寿命时 5. 17 1/e寿命与注人水平和激光透人深度有关,并强烈的受到表面条件的影响,因为在刚注人之后,过剩载流子分布在表面附近,另一方面,在衰减曲线的初始阶段,由于信噪比好且数据分析简单,1/e寿命 r,的测试是快速易行的 5.18载流子陷阱或者耗尽区会影响衰减时间的测试 5.19化学试剂的纯度可能会对测试结果造成影响 5.20考虑到在样品边缘处光斑范围及其样品边缘损伤的影响,建议测试点距离边缘大于5m mm 5.21因为复合中心的浓度在样品中的分布一般是不均匀的,所以在测试复合寿命时应对样品进行多点测试,测试点的密度及在样品上的位置应由测试相关各方协商一致 6 仪器设备 6.1总则载流子复合寿命的测试设备一般由脉冲光源、光子监测器、微波采样系统、样品台、衰减信号分析系统和计算机系统组成,如图1所示 6.2脉冲光源建议选取波长在0.94m一1.lm之间的激光二极管,薄膜,薄层,薄硅片或者其他材料的波长段的使用需经相关部门或组织测试后确定认定光源输出功率可调,脉冲作用期间在样品表面产生的光子密度为2.5×10"个/em=一2.5×10个/em' 脉冲宽度<200ns.上升沿和下降沿<25ns,脉冲光源的上升沿、下降沿和信号调节器的采样时间应不大于待测寿命最小值的0.1倍
GB/T26068一2018 循环器监测器微波源光子监测器天线硅片脉冲光渊样品安放台图1测试设备示意图 6.3光子监测器采用适当的方法,如在光路上放置一个45"角半透镜和一个硅光子监测器,提供反馈控制使激光功率维持在符合规定注人标准的恒定水平上 6.4微波采样系统微波采样系统包括一个标称工作频率为10GHz士0.5GHz的微波源及一个测量反射功率的设备，如循环器,天线及监测器(见图1) 探测系统的灵敏度应尽可能大,以便测试低注人水平下的光电导衰减 6.5样品台将样品固定如用真空吸牢)在脉冲光源下所需的位置样品台可装一个加热器以便在高于室温的一个小的温度范围内控制其温度该样品台可由计算机控制的马达驱动,提供r-y或者r0方式的动作,以实现在整个样品表面的扫描功能另外可配置自动装片及传输装置,以便于依次测试一组样品如果硅片厚度小于150m,宜使用非金属支架托 6.6衰减信号分析系统衰减信号分析系统应有适当的信号调节器和显示单元(比如时间扫描和信号灵敏度都适用的真实或虚拟示波器) 信号调节器带宽应不小于40MHz,或最小采样时间不大于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 6.7计算机系统虽然可以手动进行测试,但推荐采用匹配的计算机系统控制样品的装载、样品台驱动、脉冲和监测器的运作,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 6.8腐蚀和钝化设施测试前,如需对样品表面进行腐蚀和钝化,可采用下列设施化学处理设施:具备有防酸水槽的通风橱,能够在室温下盛放氢氟酸等液体化学试剂的烧杯或
GB/T26068一2018 其他容器,及适用于所用化学试剂的防护用品; b 氧化钝化设施;可在950C1050C温度下进行高质量干氧氧化的清洁炉子,及相关的样品清洗、干燥和传输设备 6.9样品容器必要时,需要平整的、化学性质不活泼的,光学透明的容器,用于盛放样品或钝化液等试剂 7.1水:推荐使用满足GB/T11446.1一2013中Ew-级或更优级别要求的水 7.2碘(L,);w(质量分数)>99.8%,优级纯及以上 7.3无水乙醉(CHCH.OH);w质量分数)>99.9%,优级纯及以上 7.4氢叙酸(HF);u(质量分数)为49.00%士0.25%,优级纯及以上 7.5硝酸(HNG,);w(质量分数)为70.0%~71.0%,优级纯及以上 7.6碘-乙醉钝化溶液;碘含量为0.02nmol/儿~0.2mol/L 注其他的钝化溶液若可以获得稳定的表面,且能够将样品表面载流子复合速率降低到不再干扰体复合寿命的程度,则也可使用 7.7化学抛光腐蚀溶液;硝酸;氢氟酸=95;5(体积比)混合液 7.8腐蚀去除样品表面氧化层的氢氟酸溶液:氢氟酸:纯水=4:96(体积比)混合液 8 样品 8.1对待测样品的处理过程取决于其表面状态及对体复合寿命r,的预期值 8.2如果样品体复合寿命T,不大于表面复合寿命乙,的1/10,则无需对待测样品进行处理,可精确测试的最大体复合寿命约为表面复合寿命的1/10 表面复合寿命的相关内容参见附录E 如果样品体复合寿命r大于表面复合寿命r,的1/10,在进行测试之前,采用确保获得稳定、可重复测量结果的钝化技术是关键,需通过机械研磨和化学机械抛光或只通过化学抛光去除样品表面的残留损伤后,再参考下列方法之一对样品表面进行处理,以满足0.lt,>r的条件: 钝化:将样品置于碘-乙醇钝化溶液(见7.6)或其他可选择的钝化溶液中做预处理然后将样 a 品封存在小塑料袋或其他含有足够钝化溶液的容器中,使得在测试进行时,有一层钝化液薄膜覆盖在样品表面氧化:将硅片清洗干燥后,放人干氧氧化的清洁炉子中温度控制在950C1050,得到 b 具有厚度大于100nm的高质量干氧热氧化膜的硅片样品注长有热氧化层或通过化学溶液钝化的抛光面的复合速率将大大降低例如长有高质量氧化层的硅片的表面复合速率可低至1.5cm/s2.5em/s,而通过氢氟酸去除氧化层之后表面复合速率能低至0.25cm/s7 参考文献[7]也略述了确定表面复合速率的测试方法乙醇钝化溶液没浸泡可将无氧化层的抛光面的表面复合速率降至10cm/s以下在参考文献[8]中介绍了多种界面态密度(D,)测量技术,但这些技术还未标准化硅片表面持续电晕充电:在测试具有自然氧化层的抛光裸片时,为了获得0.5 1、载流 mS一lms 子衰减寿命,需要在硅片两面进行表面原位电晕充电图2显示了对于一组具有不同体复合寿命的p型氧化硅片,电晕充电量对衰减时间的影响衰减时间为沉积电荷量的函数关系,当沉积正电荷或负电荷增大,衰减时间相应增加并接近常量,在这种情况下,表面复合的影响可以忽略不计 8.3如果样品表面被氧化过,先用稀氢氟酸腐蚀掉氧化物后再用碘-乙醇钝化溶液或其他可选的钝化
GB/T26068一2018 溶液进行钝化腐蚀时间依据氧化层厚度而定,应确保氧化层完全去除 2000 180o 600 400 200 o0 800 600 S12 400 20o 一25 -20 -15 一10 10 15 20 电荷/C 图2不同体复合寿命的p型氧化硅片表面沉积电荷量和载流子寿命函数关系图 8.4经各测试相关方协商同意,可以使用其他表面钝化方法,并验证其结果具有可比性测试步骤 9 g.1硅片 9.1.1依据GB/T1550测试硅片的导电类型,依据GB/T6618测量硅片中心点厚度,依据GB/T1551 或GB/T6616测试硅片的中心点电阻率依据GB/T13389将电阻率换算成多数载流子浓度(n. 记录数据和样片的标称直径及正、背面的状态(抛光、腐蚀,研磨、切割等 .1.2记录测试温度如果样品台具有温控系统,则记录样品台表面温度 o g.1.3如果需要,记录并使用9.1.1中的正、背面的状态 9.1.4将样片置于样品台上,使脉冲光能照射到待测的区域 9.1.5打开脉冲激光光源开关,使用合适的波长,记录所使用的激光波长和脉冲光斑大小 9.1.6调节光强p,使注人水平达到所需值注:如未规定注人水平,宜将其设为小于1 如果注人水平可精确测量并记录,则可采用较高的注人水平较高的注人水平通常会有较好的信噪比如果设备不能自动调节注人水平,可参照附录A对其进行设定 9.1.7打开微波源电源,在显示设备上观察光电导衰减,调整时间及电压值的显示范围以便能观察到所需的衰减信号部分 9.1.8分析衰减曲线,确认所选范围内的衰碱信号符合指数衰减模式,通过将指数曲线拟合到电压V 与时间1的函数曲线上,或在手动数据采集时,将一条直线拟合到lnV与的丽数曲线上,从而测定时间常数 9.1.9从记录下的衰减曲线,即光注人后反射微波功率的变化曲线可计算出寿命,见图3,该曲线即是光注人后反射微波功率V的变化测试一次衰减曲线即有可能得到寿命测试值,但如果信噪比不太高,建议进行重复测试并取平均具体如下基本模式寿命或者基本模式衰减时间r;通常可将衰减曲线上满足指数衰减部分的时间常数 a 作为基本模式的复合寿命如果反射功率在1(时间)=tA时为V,在/=t时指数性地衰减到 V=VN/e,则r=n一'A 或者,计算/一'i,记1为反射功率衰减到峰值1/e的时刻,/为反
GB/T26068一2018 射功率衰减到峰值1/e的时刻,如果从到a的这段时间内衰减曲线与指数曲线的偏离并不大,则可以将t一'视为r(见图3); 体复合寿命T;如果样片表面已按8.2的方法进行了减小表面复合速率处理,从衰减曲线的指 b 数部分可计算时间常数在没有相反的迹象时,利用峰值电压V.的5%45%范围内的衰减信号进行计算计算方法与基本模式寿命的情况相同" 1/e寿命r ;将1和t,之间的间隔计算为1/e寿命,其中t为过剩载流子被光脉冲注人到样品的时刻，为反射功率衰减到峰值的1/e的时刻(见图3) 9.1.10记录测试复合寿命所选取的计算方法和数值 g.1.11如有需要,移动样片位置,重复9.1.79.,1.9的测试,以获得该样品复合寿命的分布图,注明所测点的间距、模型及分布区域的半径 9.1.12如有需要,在不同温度下,在相同位置重复9.1.2,9.1.7~9.1.9的测试,或不同注人水平下,在同 -位置重复9.1.6~9.1.9的测试反射微波功率指数区域 '(=o/ '(='/e) a(='/e) 时间基本模式寿命n 1/e寿命图3反射微波功率衰减曲线和复合寿命关系 9.2硅锭 9.2.1依据GB/T1550测试硅锭的导电类型,依据GB/T1551或GB/T6616使用二探针法测试硅锭的电阻率,并记录 9.22记录测试温度如果样品台具有温控系统.则记录样品台表面温度 9.2.3记录所使用的激光波长和脉冲光斑大小 9.2.4将硅锭置于样品台上,使脉冲光能照射到待测的区域 9.2.5打开脉冲激光光源开关,使用合适的波长,记录所使用的激光波长和脉冲光斑大小 9.2.6调整或检测人射脉冲照度水平,获得足够好的信噪比,记录数值 9.2.7打开微波源电源,在显示设备上观察光电导衰减,调整时间及电压值的显示范围以便能观察到所需的衰减信号部分 9.2.8分析合适的衰减曲线,确认所选范围内的衰减信号符合指数衰减模式,获得基本模式寿命r,并若记如果反射功率在1 记录 =t时为VA,在1= i=t一tA =看时指数性地就诚到va,Mw=v/e.,则 1为反射功率衰减到峰值1/e的时刻,/为反射功率衰减到峰值1/e'的时刻,如果从/到1的这段时间内衰减曲线与指数曲线的偏离并不大,则可以将一1视为r1 测试一次衰减曲线即有可能得到寿命测试值,但如果信噪比不太高,建议进行重复测试并取平均
GB/T26068一2018 g.2.9如有需要,移动样品位置,重复9.2.79.2.8的测试,以获得该样品复合寿命的分布图,注明所测点的间距、模型及分布区域的半径 g.2.10如有需要,在不同温度下,在同一位置重复9.2.2、9.2.5~9.2.8的测试,或不同注人水平下,在同位置重复9.2.59.2.8的测试 10精密度 10.1选择3片硅单晶抛光片测试载流子复合寿命,电阻率分别为7.070Q”cm、7.377Qcm,8.278Qcm. 硅片厚度分别为631.84 从m,629.234m,629.80m, 载流子复合寿命范围为10.14s~13.12s 样片表面未经任何处理,选择6个不同实验室进行巡回测试,所用测试设备为相同厂家制造的不同型号设备,每个样片测试5次测试结果显示,各实验室每个样片使用同一设备测试的相对标准偏差在1%内的占91.7%,在不区分实验室和设备型号情况下,每个样片的测试相对标准偏差均不大于6.83% 10.2选择3片硅单晶抛光片测试载流子复合寿命,电阻率分别为6.708Qcm、9.344Qcm、54.73Qem. 硅片厚度分别为608.51m、619.40 704.89um,载流子复合寿命范围在12.05As494.l1丛s 样片表面进行氧化处理,选择3个实验室进行巡回测试,所用测试设备为不同厂家制造的不同型号设备,每个样片测试5次测试结果显示,各实验室每个样片使用同一设备测试的相对标准偏差在3.75%内的占93.3%,在不区分实验室和设备型号的情况下,每个样片的测试相对标准偏差均不大于12.19% 10.3选择3片铸造多品硅片测试载流子复合寿命,电阻率分别为1.404Q. ”cm、1.511Qcm3,500Qcm, 载流子复合寿命范围为3.62s一8.82us 样片表面未硅片厚度分别为2154m、1656Mm、10584m，经任何处理,选择4个实验室进行巡回测试,所用测试设备为相同厂家制造的不同型号设备,每个样片测试5次测试结果显示,各实验室每个样片使用同一设备测试的相对标准偏差在1.5%内的占 93.3%,在不区分实验室和设备型号情况下,每个样片的测试相对标准偏差均不大于22.0% 10.4SEMIMF1535-1015'中关于精密度的介绍参见附录F 试验报告 11 11.1试验报告应包括以下内容: 测试的日期和地点; a 仪器的型号和序号,如为计算机控制,应注明软件版本 b 确定时间常数的衰减曲线部分; c 注人水平 d 所用的表面钝化工艺; 载流子复合寿命,应说明所测寿命是丈,或了; 如果在几个不同的注人水平下进行测试,应报告每个注人水平时的寿命; g 本标准编号; h) 其他与本标准不一致的内容 1.2如果需要,试验报告中应给出测试样品的信息,包括识别标记电阻率,硅片中心点厚度、导电类型、表面状态(正面和背面)以及外观尺寸;若对测试样品的载流子复合寿命作图,除了载流子复合寿命分布图外还应报告测试点间距,测试点分布以及分布图区域的半径;若在特定的或多个温度下进行测试,应报告每次测试的温度
GB/T26068一2018 附录 A 资料性附录) 注入水平的修正如果样品被氧化,且氧化层厚度未知,采用测试各方都接受的方法进行测量或估计,并记录其厚 A.1 度通过图A.1虚线确定并记录人射光穿过氧化层被样品吸收的比率注计算时假定人射光波长入为905nm,硅的折射率取3.610,sio的折射率取l.462 最大吸收发生在氧化层厚度 d=(2n十1)A/4,最小吸收发生在d=A/2,n=0,l,2 当人射光波长入不等于905nm,要用氧化层有效厚度d=905d/入使用这些曲线求相对强度,其中d为氧化层实际厚度 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 200 800 000 400 600 氧化层厚度/nm 图A.1硅片上入射光的反射部分(实线)或吸收部分(虚线)的比率 h2调整光源强度,使脉冲作用期间样品吸收的光子密度必等于刀Xn 其中》是所需的注人水平是依据电阻率换算成的多数载流子浓度光子密度由式(A.1)计算出 71mai dt fp A.1) = 式中: 光子密度,单位为光子数每立方厘米(光子数/cenm'); 从图3求出的吸收部分的比率; 人射光强,单位为光子数每平方厘米秒[光子数/(cms)] 声光脉冲长度,单位为秒(s); 每次脉冲时的光密度,单位为光子数每平方厘米(光子数/em=). 样品厚度,单位为厘米em) 示例 p设定为5×10u(1士20%)光子数/cm'),对1mm厚的硅片,相当于为10光子数/em'数量级以电阻率 10ncm的硅片为例,多数载流子浓度约为1o/cm',因此刀变成0.1数量级在测试电阻率低于1ncm的硅片时也可采用较高的人射光强 10
GB/T26068一2018 附录 B 资料性附录注入水平的相关探讨 B.1载流子复合寿命与少数载流子寿命通常是相关的如果复合寿命是在低注人水平时测定的,即" 过剩光生载流子浓度与平衡多数载流子浓度之比)远小于1,同时其他某些条件也满足(参见附录C和附录D),则这种相关性是正确的当<1时,低注人(小信号)载流子复合寿命值与刀的数值无关但在本方法中,要在低注人水平范围内进行测试,常常是不可能也不方便的在这种情况下测得的复合寿命是注人水平的函数 B.2半导体中载流子通过缺陷中心复合的基本模型,是由HalI及由Shoekley和Read叼各自独立推出的此模型由Bakemore进行了详尽的讨论在Shockley-ReadHal(S-R-H)模型中,假定半导体的掺杂水平不太高,没有使半导体产生简并,而且缺陷中心浓度与多数载流子浓度相比很小 B.3参阅Blakemore的文章,可获得比本附录更全面的论述,包括S-R-H载流子寿命表达式(式B.1) 的推导及费米能级对小信号复合寿命影响的讨论此外,Bakemore还讨论了当缺陷中心浓度相对于多数载流子浓度并不小a,及存在载流子陷阱切的情况引起的复杂性 B.4对于本方法要测试的样品,构成S-R-H模型基础的两个假定通常是合适的在这两个假定下,过剩电子的浓度(n.)与过剩空穴的浓度(n)相等,并且通过位于禁带中能级为e吓的缺陷中心复合的电子寿命(r,)与空穴寿命(r,)相等载流子寿命可表示为式(B.1): Te 十p1十n 十Tno十n1十n (B.1 no十po十n) 式中: -被填充的缺陷中心俘获电子的时间常数,单位微秒(4s); To 非简并半导体中空穴的平衡浓度,单位为个每立方厘米(个/em') po 费米能级ep=eT时,非简并半导体中空穴的浓度,单位为个每立方厘米(个/cmi'); p 已被填充的缺陷中心俘获空穴的时间常数,单位微秒(4s); Tm 非简并半导体中电子的平衡浓度,单位为个每立方厘米(个/emi) n -费米能级e=e干时,非简并半导体中电子的浓度,单位为个每立方厘米(个/em) n B,5在低注人范围内,n,可以忽略,式(B.1)简化为小信号复合寿命T ,见式(B.2) 1n十1 十了 B.2 ToTn0" M0十另一方面,在高注人范围内,n 是主要项,复合寿命变成式(B.3): B.3 r =T十T 中等注人时,复合寿命可由r,和不联合表示,见式(B.4). no十)十". (B.4 7 no十力 0十n 因此,当以r(1十)对7作图时,可得一直线这条直线的零截距为T,其斜率为T四此函数的直线性可用以验证sR-H模型的正确性以及检查样品中多种缺陷中心的存在 n型和p型硅中通过元素铁缺陷中心以及p型硅通过铁碉对复合的线性关系见图Bl,计算时所 B.6 用的参数见表B.1 在各种情况下都假定铁全部为缺陷态对于p型硅中的元素铁,T,=r朋,对于铁棚对,T,远大于不那;对于n型硅中的元素铁,，T =T 1
GB/T26068一2018 3500 700 3000 月-型: r(十)=259.53+3.733n 600 :(I+)=30.30+33.94n 2500 500 2000 500 400 000 p型 300 r(1+)=3.64+33.94n 500 20o 020304050607080 90 0203040 50 60708090100 100 注入水平n 注入水平n 元素铁铁础对 a 图B.1由复合寿命与注入水平的拟合曲线导出T和下表B.1用于计算复合寿命与注入水平关系的参数参数铁棚对(Fe-B) 元素铁(Fe) 温度/ 26.85(300K 26.85(300K 1×101 1×1o1 棚浓度(原子数)/ /cm一" 1.16×10" 1.16×10" /cm no 铁浓度(原子数)/cem 5x10" 5x1o" 0.400 0.100 缺陷能级eV相对于价带顶 rm/4s 3.64 0.400 30.3 3.33 rn/4s 1.96×10 179 川1/cmn 5.91×1o' 6.48×1o'7 /em B.7参考文献[2]提出在特定掺杂条件下,根据作为杂质中心浓度函数的注人水平谱在r,和r.之间的关系,可对杂质进行辨识基于以下事实:(1)对样品进行适当处理后,可确保所有铁基本上处于元素态或配对态;(2)对于这两种状态,注人水平的关系有着显著的不同,见图B.2 所以,此方法分析p型硅中的铁元素特别有效 B.8需要指出的是,如果同时存在多种沾污,且其浓度相近,则测得的乙和下.之比表示的是这些沾污的某种平均结果,因为此技术并不像深能级瞬态谱或其他频谱技术那样,在空间电荷层通过缺陷中心的填充和释放,来确定特定的杂质 12
GB/T26068一2018 40 300 35 250 30 外型 200 25 20 150 p型 15 0o 10 50 10 10-2 10-l 10 102 103 10m 0-10-310-210-" 10 102 10 10r 注入水平n 注入水平n a b 元素铁铁棚对图B.2复合寿命与注入水平的函数关系曲线 13
GB/T26068一2018 附录 C 资料性附录) 载流子复合寿命与温度的关系参考文献[3]建议,可根据低注水平条件下载流子复合寿命对温度的依赖性,来辨识硅中的金属杂 C.1 质,但是这种方法只在低注人情况而且非常严格的条件下才成立在低注人时,SRH载流子复合寿命由式(B.2)给出在非简并半导体内,载流子浓度na C.2 lo、po、n 及户都是温度的指数函数在平衡状态下,电子浓度(n)和空穴浓度()可分别记为式(C.1),式(C.2): E n0=Neexp C.1 =N C.2 po vexp 式中 N 导带态密度,单位为每立方厘米(emm-a); 价带态密度,单位为每立方厘米(cemm-3) N -费米能级或平衡电化学势,单位为电子伏(eV) E -导带底,单位为电子伏(eV); e 价带顶,单位为电子伏(eV); E -波尔茨曼常数,为8.6173×10-eV/K; 温度,单位为开尔文(K) C3类似地,当费米能级位于缺陷中心能级e时,电子浓度(n)和空穴浓度(p)可分别表示为式(c.3)和式(C.4) C.3 =Ncesp n =naexp 1=Nvexp =cexp C.4 c.4从式(B.2)可知,低注人(小信号)载流子复合寿命乙可由电子()和空穴(T)俘获时间常数表示为四项和的形式,见式(C.5) T力a T T间no rn C.5 p n 0十na 0十n 十na 在冻结区和本征区之间的温度区域内,多数载流子浓度等于净掺杂浓度,式(C.5)中各项分母为常数另外,如果假定俘获时间常数不依赖于温度,则在缺陷中心被部分填满即含或n的项在小信号复合寿命起支配作用)的温度范围内,根据lnr,与1/T关系曲线的斜率,可得缺陷中心能级er 尽管该假设通常并不是非常正确,但俘获时间常数随温度的变化通常比载流子浓度随温度的指数变化要小很多 C.5不同情况下,载流子复合寿命与温度的关系如下对n型和p型硅中存在元素铁及p型硅中存在铁砌对,这3种情况进行讨论在每种情况下 a ,擅杂浓度(原子数)假定为1xI0oe 都假定铁浓度(原子数)为5×10lcm "emm 对p型硅这种掺杂浓度相当于电阻率为10Q cm15Qcm;对n型硅,相当于电阻率为3Q cm一 5Qcm -726.85笔lo00K),在此范围内可殿定惨考虑的温度范围从一23.15C(250K) 杂原子完全电离元素铁是施主中心,它位于如表B1所示的禁带下半部远高于价带顶的位铁碉对也是施主中心,但它离价带顶要近得多于是,在这两种情况下,>n,其差置上 14
GB/T26068一2018 别在铁碉对的情况下更大 b n型硅中存在元素铁的情况下,低注人复合寿命与温度倒数的函数关系曲线见图C.1 在约 100°以下,n>>ni>声,于是r =r郎在约200C225C之间,>n >p0,项是最大的单项这时,p项和p,项之间的差别更小,,曲线的斜率不受任单项支配,所以元素铁中心的能级不能从曲线上精确获得在更高的温度，p变得可与n,相比较(接近本征条件),载流子复合寿命下降,但对于近本征的p型材料,没有一个单项占主导地位,所以曲线斜率没有物理意义 10' 10 10 101 109 M Le2 10- p十no Tnon 10- 十厢 10-！ 10 3.0 000/r(K-)y 图c.1n型硅中存在铁元素的情况下,低注入复合寿命(实线)与温度倒数的函数关系曲线 p型硅中存在元素铁的情况下,低注人复合寿命与温度倒数的丽数关系曲线见图C.2 在室温以下力>力>n>n,于是了,=了在约150C 200C之间>i>n,项为最大的单项但由于！和户差别不大,曲线的斜率也不是很接近项的斜率,所以元素铁中心的能级不能从曲线上精确获得在更高的温度,n变得可与力相比较(接近本征条件),载流子复合寿命下降,没有一个单项占主导地位,曲线斜率没有物理意义 0r 10" 102 10 10 十n 10 ToP p十 B+n 10- 10- 10 2.0 3.0 1000/r(K-) 图C.2p型硅中存在铁元素的情况下,低注入复合寿命(实线)与温度倒数的函数关系曲线 d p型(掺棚)硅中存在铁碉对的情况下,低注人复合寿命与温度倒数的函数关系曲线见图C.3 此时,p>p>n>n1,所以从远低于室温到225C左右,项在式(C.5)中占主导由于 ,所以从lnr 与1/T关系曲线的负斜率可获得铁棚对的激活能 p =Nrm,,T， e=eB-ev 在更高的温度,材料变成近本征的,分母增大,导致减小 15
GB/T26068一2018 10 10 Tn 10 十 10 10 10 n 0- Dnn 10 10 3.0 2.0 1000/r(K-I)y 图c.3p型硅中存在铁棚对的情况下,低注入复合寿命实线)与温度倒数的函数关系曲线 C.6上述例证说明,在有限的条件下,从测量得到的载流子复合寿命与稍高于室温的温度关系中获得的激活能是可以与接近禁带中心的缺陷中心的能级相联系的,这正是大多数元素金属杂质的情况 16
GB/T26068一2018 录附 D 资料性附录少数载流子复合寿命 D.1过剩电子空穴对在缺陷中心的复合是一个两步过程,包含两种情况,一是空的缺陷中心俘获一个电子,接着再俘获一个空穴;而是已经被填满的缺陷中心俘获一个空穴,接着再俘获一个电子因此,复合时间取决于空的或者已经被填满的缺陷中心数目以及俘获时间常数 D.2正如参考文献[l1]中所述,缺陷中心的占据率取决于费米能级所处的位置如果所有的缺陷中心都是空的,电子复合时间就取决于电子俘获时间常数了这种情况发生在费米能级远低于缺陷中心能级之时如果所有的缺陷中心都是被填满的,空穴复合时间就取决于空穴俘获时间常数r的这种情况发生在费米能级远高于缺陷中心能级之时另外,费米能级的位置主要取决于掺杂浓度,因此对于不同电阻率的硅片,其缺陷中心的占据率一般不同 D.3存在两类等效的情况,即缺陷中心与费米能级位于禁带中心的同侧或异侧,如缺陷中心处于p型半导体禁带下半部与缺陷中心处于n型半导体禁带上半部的情况是相同的,类似的,缺陷中心处于p型半导体禁带上半部与缺陷中心处于n型半导体禁带下半部的情况也相同 D4例如,在室温(300K)时,主要考虑以下三种情况,n型或p型硅中存在元索铁及p型硅中存在铁砌对在三种情况下,都假定铁浓度(原子数)为5×10'cm-" 需要注意的是,对于电阻率很低的硅片,S-R-H模型所要求的非简并条件可能得不到满足具体如下型硅中存在元素铁;这种情况下,对于所有电阻率,费米能级都远高于缺陷中心能级,所有的 n 缺陷中心都被填满,空穴俘获取决于空穴俘获时间常数因为费米能级接近存在大量电子的导带底,所以一旦有空穴被俘获,缺陷中心马上又会被填满因此,空穴的俘获同样为极限过程,小信号载流子复合寿命等于空穴(少数载流子)俘获时间常数;T,=rp 室温下n型硅中存在元素铁的情况下,低注人复合寿命与电阻率的函数关系曲线见图D.l; b p型硅中存在元素铁;在所有实际电阻率的情况下,费米能级在元素铁的靠近禁带中心能级以下数个KT的位置上,而元素铁中心能级靠近禁带中部因此,缺陷中心为空,这种极限过程首先过剩的少数载流子电子被俘获,然后大量存在的空穴立即与之复合所以,小信号载流子复合寿命等于电子(少数载流子)俘获时间常数:T =不m 室温下p型硅中存在元素铁的情况下,低注人复合寿命与电阻率的函数关系曲线见图D.2; p型硅(掺棚)中存在铁碉对;缺陷中心非常接近价带顶除电阻率特别低的硅片外,费米能级都在缺陷中心能级之上,因此有些缺陷中心是被填满的,在这种情况下,作为少数载流子的电一小部分缺陷中心能俘获电子,小信号复合寿命将大于子,其俘获仍然是极限过程但是仅有- 电子俘获时间常数定量地,因为n)<,小信号载流子复合寿命由r，=T 给出室温下p型硅中存在铁棚对的情况下,低注人复合寿命与电阻率的函数关系曲线见图D.3 d 第4种可能的情况是缺陷中心非常接近n型材料价带顶虽然在n型材料中不存在铁棚对但是对于缺陷中心能级接近价带顶的缺陷中心的情况,除重掺之外的所有材料,Tp1>rpna 所以小信号寿命受此项支配,少数载流子的性质不会影响复合过程 D.5 因此,对于译能级缺陷中心,低注人(小信号)载流子复合寿命等于少数载流子伴获时间常数(或少数载流子寿命),而对于能级靠近能带边缘的缺陷中心,小信号载流子复合寿命通常比少数载流子俘获时间常数大得多 17
GB/T26068一2018 10' 10 r=300K 10' I 10 n十%o 10-！ Top 0-" 十o 10 10- Ton 10- 0十po 10- 10-" 10 10 10-" 10m' 电阻率/(Qcm) 图D.1室温下型硅中存在元素铁的情况下,低注入复合寿命(实线)与电阻率的函数关系曲线 10r 10 =300K 10 10 oo n十P% 10 Top 10 而十 0- foPn 10- 十D 10 Ton 0 十o 10 10-2 10-I 10p 10 10?" 电阻率/(Qcm) 图D.2室温下p型硅中存在元素铁的情况下,低注入复合寿命(实线)与电阻率的函数关系曲线 10' 10°' T-300K 1o 10' 10 ;m 10" n十no To2 0-" 胸十凡 0-" 10 10- 10-6 10- 10 10 10 10-" 电阻率/(Qcm) 图D.3室温下p型硅中存在铁碉对的情况,低注入复合寿命(实线)与电阻率的函数关系曲线 18
GB/T26068一2018 附录 E 资料性附录测试体复合寿命,少数载流子寿命和铁含量的进一步说明 E.1目的 E.1.1为进一步采用本方法测定体复合寿命(r),少数载流子和金属铁含量,对硅片表面进行钝化处理是非常有必要的适当的表面钝化处理方法取决于样品的表面状态以及所预估值的大小为完成必须的表面钝化处理,本附录相关信息明确了附加参考标准,设备、试剂危害和样品制备技术 E.1.2本附录讨论了硅体内的复合模式,并对用于识别被测硅片中杂质源或少数载流子寿命的电阻率和寿命值进行了额外限定 E.1.3本附录提供了一种使用注人光谱法测定硅片中铁含量的方法 E.1.4当本方法用于测定任何其他量值时,本附录提供了可以增加到报告中的附加项目 B.2表面复合寿命 E.2.1表面复合寿命t,由两项构成;载流子扩散到样品表面所引起的扩散项血和表面复合引起的复合项r,因此,表面复合寿命可通过下列近似关系式(E.1)计算1可 E.1 T，=Tar、= 十式中: D 少数载流子扩散系数,单位为平方厘米每秒(em'/s); -样品厚度,单位为厘米em). 表面复合速率,单位为厘米每秒cm/s),假设样品的两个表面的复合速率相等 [u时 E.2.2扩散系数一定时,不同厚度样品的电子(空穴)的表面复合寿命与表面复合速率的函数关系" 如图E.1所示 1000000 1000000 100000 100000 10000 10000 1000 000 mm /mm 00 100 =智 10 10 10 100100010000100000 100100010000100000 10 表面复合速度s(cm/s 表面复合速度s/(cm/) 电子表面复合寿命(D.=33.5cm`/s) 空穴表面复合寿命(D,=12.4cmr/s) a b 说明 D -电子的扩散系数; D. 空穴的扩散系数图E.1不同厚度样品的电子(空穴)的表面复合寿命与表面复合速率的函数关系 19
GB/T26068一2018 注:如果s非常大(>10'em/s),非平衡载流子到达表面之后便立即被复合,那么表面复合寿命主要为ii 良好抛光面的表面复合速率约为10'cm/s,而研磨面的表面复合速率更大(约为10cm/s s,为载流子的饱和速率在这种情况下,标准厚度硅片的最大可测体寿命(测试精度10%),对p型硅片大约为1s,对"型硅片大约为尽管对准确测试体复合寿命有诸多限制,但在满足一定条件下,高达0.5ms~1ms的未钝化抛光片的体 21As 复合寿命的相对变化仍然可以被测定这些条件包括.(1)整个样品扩散系数和表面复合速率是均匀的;(2)微波探测系统足够灵敏,能够分辨少子寿命1%的变化在相同条件下,对于体寿命高达100s的研磨片也能进行相对测量在这种情况下,为了得到足够均匀的表面复合速率,需要将样品放人化学腐蚀抛光液中处理 min E.3硅片的测试复合寿命硅片的测试复合寿命Tm包含表面寿命和体寿命,具体见式(E.2,式(E.3): E.2 -+ E.3 -[]-[H] 为准确的测定ri,,至少为Tm的10倍[m E.4 硅体内的复合模型硅体内的过剩载流子有以下三种复合机理俄歇复合,复合的能量传递到第3个载流子; a b)辐射复合,复合能量转化为光子; 通过位于能带隙的杂质中心复合 c E.5俄歇复合 cnm"的低电阻率样品来说在俄歇复合中,复合能量传递到第3个载流子,对于掺杂浓度高于10 这个模式显得尤为重要 Passari和SuSi们已对该复合模式进行深人研究,他发现俄歇复合寿命在 n型硅片中为9.328×10*N 一li"s(N 为施主掺杂浓度),在p型硅片中为5.828×10N-ls(NA为受主掺杂浓度) 他们注意到这些数值有些不同于其他的出版文献中数值,但也未提出解决这些差异的办法根据Richter等人最近的文献报道,在低注人情况下,n型硅片中俄歇复合寿命为1.15×10" -l,9l -、这篇文察也包括高注人情况文草中的低注人的结果 N 's,在p型硅片中为1.67X10NA 俄歇复合寿命明显低于Passari和Susi报道的俄歇复合寿命,所以本附录使用Riehter等报道的数值作为当前讨论 E.6辐射复合在辐射复合中,复合能量转化为光子因为硅材料中相比价带顶部,导带底部产生不同动量,直接跃迁的机会很少,所以辐射复合相对比较少,但是辐射复合在某些条件下可能影响少子寿命的测试目前广为接受的辐射复合测试方法是来自Richter等人叼和Trupker等人[的文献中,辐射复合寿命为 2.114×10N-',式中N=NANp E.7本征复合寿命 E.7.1正如Riehter等人[叼报道,由于俄歇复合和辐射复合并不取决于杂质和表面影响,杂质和表面 20
GB/T26068一2018 影响可认为是硅材料本身,因此总测试复合寿命Tm也可写为式(E.4)或式(E.5): E.4 一十 TxsR Tmea TAer E.5) Tmet TimtrTen 式中: 体内的俄歇复合寿命; TAug 体内的辐射复合寿命; Trad 体内的缺陷中心复合寿命 TsRD) 表面复合寿命; -本征复合寿命(由俄歇复合和辐射机理产生); Tntr 体内和表面缺陷复合寿命 Textr E.7.2体内和表面缺陷复合寿命T按式(E.6)计算 -+ E.6 为准确测试体内和表面缺陷复合寿命,了至少为下m的10倍 B.7.3在低注人状态下,不论p型或n型硅,其总本征复合寿命(实线标注)和掺杂剂的浓度成函数变化,在这些图中,辐射寿命(Trupker等人[)显示为黑色十字叉,俄歇寿命显示为圆点线Richter等人m) 由于n型和p型硅片的复合寿命不同,n型硅的总本征寿命和俄歇寿命显示为红色p型硅的总本征寿命和俄歇寿命显示为蓝色如图E.2所示 100s 10s 100ms 10ms 1ms 100s 10!s 1Hs 1013 1016 10s 1016 1017 10" 10 10o 拨杂浓度/cem- 图E.2硅的本征复合寿命 21
GB/T26068一2018 E.8深能级杂质中心复合深能级杂质中心复合的相关内容参见附录B E.9少数载流子寿命 E.9.1如果(1)仅由单一中心占主导地位,(2)载流子复合不被辐射和俄歇复合过程影响,s-R-H寿命可以与少数载流子寿命相关联如果表面复合被完全抑制,不同掺杂浓度水平的半导体材料的最大 S-R-H寿命可以很容易由图E.2测定 E.9.2满足以上两种条件时,与深能级杂质中心相关的少数载流子寿命才具有意义,此外,测试样品的掺杂剂浓度或者过剩载流子浓度低于俄歇复合或辐射复合是SRH复合机理(单一缺陷中心应占主导地位,或者有大量不同类型中心引起的复合)很重要的条件这种大量复合相互增加导致载流子复合寿命见式(E.7) E.7 [一十是十+-” rtl= 式中.c.为常数irata.为不同中心的少数载流子寿命,这种情况非常普遍,使得具有特殊深能级杂质中心的载流子复合寿命难以确定 E.10铁的测定 E.10.1在棚掺杂硅中,金属铁能够在两个不同的电活化中心相互转化,间隙铁Fe在高于约0.4eV的价带边缘,铁棚对在商于0.100eV的价带边缘n 因此可以通过处理样品使得所有金属铁处于电子状态或FeB状态在这种情况下,假定其他复合过程不被改变,硅中的铁浓度可以通过测量铁棚键(FeB)解离前 E.10.2 后的小信号扩散长度L或者载流子复合寿命r来测定,见式(E.8) -A(-)-(-一 [Fe]- E.8 式中,A=D,C,D,为少数载流子(电子)扩散系数,对于受主浓度范围1X10cm一8×10cm"的一硅片,Zoth和Bergholz门发现A=1.06×10m' cm 然而这个数值并不能应用于更宽的电阻率范围的样品可参阅Maedonald等人关于A值变化检测哇片中铁含量的更多信息 E.10.3Rotondaro的文章中强调了关于使用光电导衰减法测试硅片铁含量时,完全处理表面的重要性 22
GB/T26068一2018 附录资料性附录 SEMMF1535-1015中的测试方法目的和精密度 F.1目的 F.1.1如果半导体中载流子浓度不太高,载流子复合寿命由能级位于禁带中的杂质中心决定很多金属杂质在硅中形成这样的复合中心在大多数情况下,这些杂质在很低的浓度(原子数)(约10"cm了~ 10'cmm-\)下即可使复合寿命降低,对器件和电路起有害的作用在某些情况下,例如高速双极开关器件和大功率器件,复合特性应谨慎地控制以达到所需的器件性能 .1.2本方法包含多种类型硅片载流子复合寿命的测试步骤由于测试时在硅片上没有制作电接触点,在测试后,如果硅片的清洁度保持良好,可以对其进行后续的工艺操作 F.1.3本方法适用于研究开发、工艺控制以及材料的验收但由本方法获得的结果与表面钝化程度有关当本方法用于材料的检验验收时,供方和需方应对测试中的表面处理达成共识 F.2精密度 SEMIMF1535-1015i的中关于精密度的叙述;为编制JEIDA53(现今的JEITAEM3502),1996年 5月至1996年11月围绕本方法进行巡回试验测试选用了直径150mm的直拉硅单晶(100)p型和型的热氧化片,电阻率3Q em47Qem分为2挡,寿命24s1 1500s分为3挡,总共12种硅 n 片有19个组织(17家公司和2所大学)参与了测试在5×10光子数/cm'的注人光子密度条件下每个硅片中心位置的基本模式寿命值的标准偏差为11.8%对于所有组织),其中A组成员使用了不同厂家的设备)为16.8%,B组(成员使用了同一厂家的设备)为6.8% 1/e寿命通常比基本模式寿命长更高的注人水平将带来更长的1/e寿命但是基本模式寿命与 1/e寿命很接近,两者都与样品的寿命水平相关联所有尽管1/e寿命不等同于少数载流子寿命,但是两个寿命值对于评价样品都是有意义的 23
GB/T26068一2018 参考文献 Blakemore,J.S.,SemiconductorStatistics,(DoverPublications,NewYork,198710.4 Ferenci,G.,Pavelka ka,T.andTiutto,P“njectionLevepectroscopy:ANovelNon-ContactCon- taminationAnalysisTechniqueinSilicon Jap.J.Appl.Phys.,30,3630-3633(1991 Kirino,Y.,Buczkowski,A.,Radzimski,Z.J.,Ro yi,G.A.,andSimura,F.,“Noncontact ozgony hys.Lett.57,2832-2834 EnergyLevelAnalysisofMetallielmpuritiesinsiliconCrystals， Apl.h 1990 andDefetsimGroupNElememtsand-V [[4]Sschultz,M.,ed,inSemiconductors:Impurities Compounds,LandoltEBornstein,NewSeries/22b,(SpringerVerlag,Heidlberg,1989)$4.2.3.1. Saritas,M.,andMcKell,H.D.,“Commpari arisonofMinority-CarrierDiffusionLengthMeasure mentsinSiliconbythePhotoconduetiveDeeayandsuracePhotovoltageMethods,”J.Appl.Phys.63 4562-4567(1988). L6Schroder,D,K.,Whitfield,J.D.,andVarker,C.J.,“RecombinationLifetimeUsingthePulsed MOSCapacitor,”IEEETrans.ElectronDevicesED-31,462-4671984). Yablonovitch,E.,Allara,D.I.,Chang,CC.,(Gmitter,T.,andBright,T.B.,“UnusuallyLow Surface-RecombinationVelocityonSiliconandGermaniumSurfaces,”Phys.Rev.Lett.57,249-252 1986). [8]sdhroder,D.K.,semiconductorMaterialandDeviceCharacterization(Johnwiley&.Sons, NewYork,1990pp.267-286. [9]Hall,R.N.,“Electron-HHoleRecombinationinGermanium,”Phys.Rev,.87,387(1952) [10]Shockley,w.,andRead,w.T.,“StatisticsoftheRecombinationofHolesandEleetrons. Phys,.Rev.87,835-842(1952) [11]Bakemore.J.s.op.cGit.s8.2and8.3. [12]Blakemore,Js.,op.cit.s8.4and8.5 [13]Blakenmore,J.S.,op,.eit.,$8.2 .w [14]Zoth.G..andBergholz， ,“AFast,Preparation-FreeMethodtoDefectlroninSilicon J.Appl.Phys.G7,6764-6771(1990) [[15]Horanyi,T.S.,Pavelka,T.,andTutto,P.,“InSituBulkLifetimeMeasurementonSiliconm withChemicallyPassivatedSurface. AppliedSurfaceSeience,63,306-311(1993). [[16]Fortheseestimates,thediffusioncoeffieentswereassumedtobeconstantatthefolowing limitingvalues:D=33.5cm"/sandD,=12.4cm'/s.Thesevaluesaresomewhatsmallerthanthelim itingvaluesgiveninthe1993editionofDIN50440,Pa [17] Ballis,w.M,andHuff,H.R.,“IntepretationofcarierRecombinationandDfusionLength Measurementsinsilicon”J.Electrochem.Soc.143(1996 l399-1405. );Ppl [18] Passari,L.,andSusi,E.,“RecombinationMechanismsandDopingDensityinsillieon”J. Appl.Phys.,.54(1983);PP.3953-37. .,wemer.,F.,Shmidtr,J.,mdcuevas.A“lmprovedQuamnmtitative [[19]Riehter,A.,Glunz,s.w. .c ystalimesilireon" .”Phys.Rev.B86,165202-1-165202-14,2012. DeseriptionofAugerRecombinationin 心 [[20] rpke e,T..Gree,M.A..wUrtfdl,P,Altermatt,PP,Wang,A.,Zhao.J.,andCorkish,R “Ter emperatureDependence ofRadiativeRecombinationCoefieientofIntrinsicCrystallineSilicon.”J. Appl.Phys.94(2003);pp.4930-37. 24
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硅片和硅锭载流子复合寿命的测试非接触微波反射光电导衰减法GB/T26068-2018

什么是硅片和硅锭载流子复合寿命测试非接触微波反射光电导衰减法？

硅片和硅锭载流子复合寿命测试非接触微波反射光电导衰减法是一种利用微波反射技术和光电导衰减原理进行半导体材料质量检测的方法。它主要用于对硅片和硅锭中载流子复合寿命等参数的测量和分析。

硅片和硅锭载流子复合寿命测试的分类

根据测量原理和应用领域的不同，目前市面上的硅片和硅锭载流子复合寿命测试仪器可以分为接触式、非接触式等多种类型。

硅片和硅锭载流子复合寿命测试的工作原理

硅片和硅锭载流子复合寿命测试非接触微波反射光电导衰减法是利用微波信号在半导体材料中的反射特性，通过对微波信号的强度和相位进行测量和分析，来确定半导体材料中载流子复合寿命等参数的方法。其基本原理是：硅片或硅锭中的载流子被微波激励后，会产生局部电场，并发射出受激发的荧光。这些荧光进一步被探测器接收到，通过对荧光信号的强度和相位进行测量和分析，就可以计算出硅片或硅锭中载流子复合寿命等参数。

硅片和硅锭载流子复合寿命测试的应用

硅片和硅锭载流子复合寿命测试非接触微波反射光电导衰减法广泛应用于硅片和硅锭材料的制造和质量检测中。它可以提高硅片和硅锭的生产效率、降低成本、提高产品质量等。

GB/T26068-2018标准介绍

GB/T26068-2018是中国国家质量监督检验检疫总局发布的一项关于硅片和硅锭载流子复合寿命测试非接触微波反射光电导衰减法规范的标准，主要涉及该检测方法的术语、定义、技术指标、测试方法、设备要求以及使用和维护等方面的内容。本标准适用于在生产和质量控制领域中的硅片和硅锭载流子复合寿命测试非接触微波反射光电导衰减法。

结论

硅片和硅锭载流子复合寿命测试非接触微波反射光电导衰减法是一种先进的半导体材料质量检测方法，具有高精度、高效率、高自动化等特点。GB/T26068-2018标准的推出和实施，将对该检测方法的规范和指导起到重要作用，为硅片和硅锭材料的生产和质量控制提供有力支撑。