1、ICS 29.045 H 80 中华人民11: -、道B不日国国家标准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Test method for carrier recombination lifetime in silicon wafers by non-contact measurement of photoconductivity decay by microwave reflectance 2011-01-10发布数码防伪中华人民共和国国家质量监督检验检菇总局中国国家标准化管理委员会2011-10-01实施发布GB/T 26068-2010 目次
2、前言.m 1 范围.2 规范性引用文件-3 术语和定义4 检测方法概述.2 5 干扰因素6 设备.4 7 试剂.8 取样及样片制备.9 测试步骤10 报告811 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. 20 I G/T 26068-2010 剧吕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/SC 2)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
3、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。E 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GB/T 26068-2010 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、元接触测量。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。1. 2 被测硅片的室温电阻率下限由检测系统灵敏度的极限确定，通常在0.05n . cml n . cm之间。注:本检测方法适用于测量
4、0.25问到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，如热氧化或浸入适当的溶液中，对于GB/T12964(硅单品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，
5、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、错单晶电阻率测定直排四探针测量方法GB/T 1553-2009 硅和错体内少数载流子寿命测定光电导衰减法GB/T 6616 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/T 6618 硅片厚度和总厚度变化测试方法GB/T 11446. 1 电子级水GB/T 13389 掺棚、掺磷硅单晶电阻率与掺杂浓度换算规则GB/T 14264 半导体材料术语YS/T 679二2008非本征半导体少数载流子扩散长度的稳态表面光电压测
6、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 MF1388 金属氧化物-硅(MOS)电容的电容-时间关系测量硅材料产生寿命和产生速率的测试方法SEMI MF1530 自动元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 注入水平injection level 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GB/T 26068-2010 度之比。3.2 复合寿命recombination Iifetime 在应用于小浓度复合中心的S-R-H模型中，
7、假定过剩载流子浓度与多数载流子浓度相比很小(低注人)，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 3.4 3.5 表面复合速率surface recombination velocity 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。体复合寿命bulk recombination lifetime b 体复合寿命即为少数载流子寿命。基本模式寿命primary mode lifetime I 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
8、的复合寿命，受体和表面性质的影响。3.6 l/e寿命1/ e lifetime r 将反射功率衰减到峰值的l/e的时刻t和过剩载流子被光脉冲注入到样品的时刻to之间的间隔计算为l/e寿命。其与注入比和激光透人深度有关，并强烈地受到表面条件的影响，因为在刚注人之后，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，飞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、高注入水平下，若假定硅片中只含有单-复合中心，则根据Shockley-Read-H al
9、l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-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:一样片表面经过处理，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
10、的时间常数确定的。一一基准模式寿命由衰减曲线指数部分的衰减时间常数决定。l/e寿命由激光脉冲注入到过剩载流子浓度减小为l/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 5 干扰因素硅片循环器监测器IE 图1脉冲光和微波系统方框圄GB/T 26068-2010 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o.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(
11、见8.的。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。5.3 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
12、可能是:1) 存在平行于表面的p-n结或高-低(p-p+或正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
13、减会影响衰减曲线的形状，特别是在其早期阶段1。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2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时的利用在附录C中讨论。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SEMIMF978 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问。3 G/T 26068-2
14、010 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人到样片中，特别是那些涉及高温处理的过程。分析工艺过程以检查沽污源(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。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(b)。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。此外，注入比也对寿命测量值有影响。在小注入时，寿命值不受注人比的影响，体复合寿命即为少数载流子寿命，但是为了
15、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(b=r=re)。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，b与r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/T1553-2009中的方法A和方法B进行测试。这些测试方法，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。
16、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/T1553-2009中的方法B规定，在低注入情况下进行测试，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/T679-2008 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5J。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 1553一
17、2009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SEMIMF 1388包含硅片产生寿命的测试方法，但在高于室温(注700C)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归。6 设备6. 1 脉冲光源波长在0.9m1.1m之间的激光二极管。标称脉冲宽度200ns，上升沿和下降沿25ns(见4.口，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O. 1倍。光源输出功率建议可调，在脉冲作用期间使样片表面产生的光强介于2.5 X 1010 2. 5 X 1015 之间。6.2 光子探测器采用适当的方
18、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x-y或者r-8方式的动作，GB/T 26068-2010 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
19、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注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。注: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、数据
20、采集和分析。在这种情况下，所采用的测试步骤和算法需与本节内容等效。6. 7 如需要样片表面腐蚀和钝化，可采用下列设施:6.7.1 化学钝化设施: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其他容器，及适用于所用化学试剂的防护用品。6.7.2 氧化设施:可在950oCl 050 oC温度下进行高质量干氧氧化的清洁炉子，及相关的硅片清洗、干燥和传输设备。6.8 样片容器:在某些情况下，需要将样片浸在钝化液中进行测量(见8.4.2)，这时需要一个平的、化学性质不活泼的、光学透明的容器来盛放样片和钝化液。7 试剂7. 1 对所有规格的化学试剂，应考虑其纯度不会造成对硅片的沾污;
21、使用后不会使测试精度下降。7.2 水的纯度应符合GB/T11446. 1的要求。7.3 推荐的常用化学品的标称规格如下所示:7.3. 1 元水乙醇(CH3CH2 OH):二三99.9%。7.3.2腆(2):99. 8%。7.3.3 氢氟酸(HF):49. 00士0.25%。7.3.4 硝酸(HN03):70. 0%71. 0%。7.4 腆-乙醇钝化溶液:腆含量为O.02 mol/LO. 2 mol/L。注:其他的钝化溶液符合下述条件也可使用，1)能够将表面复合速率降低到不再干扰体复合寿命的程度(见8.3); 2)可以得到稳定的表面(见4.1)。7.5 化学抛光腐蚀溶液:95mL HN03中混合
22、5mL的HF。7.6 腐蚀去除样片表面氧化层的稀HF溶液:将4mL HF与96mL水混合，得到100mL 2%的HF溶液。8 取样及样片制备8. 1 如果采用抽样检测，取样过程、抽样频率及组批规定应征得测试有关各方的认可。8.2 待测样片的制备过程取决于其表面状态及对体复合寿命凡的预期值。8.3 如果凡不大于表面复合寿命的1/10，则元需对待测样片进行制备。表面复合寿命由两项构成:载流子扩散到样片表面所引起扩散项Tdiff和表面复合引起的复合项盯，因此，表面复合寿命可通过近似关系式(1)计算7J: 5 G/T 26068-2010 L2 , L T _j:ll -+- r 一一一一一-一一s一
23、diff-, - 1(2 D I 2S ( 1 ) 式中:D 少数载流子扩散系数，单位为平方厘米每秒(cm2/s);L 样片厚度，单位为厘米(cm); S 表面复合速率，单位为厘米每秒(cm/吟，假设样片的两个表面的复合速率相等。不同厚度样片的电子(空穴)的表面复合寿命与表面复合速率的函数关系问如图2所示。1 000 000 1 000000 这远、苓喜怒蛮、t(m 电苓3等这三三1院三三m) 至1OOOHh 10 0 供1000阻书目100 tt-.ffil 10 ;: 100000 &3 10000 龄1000阻刑100K 创1010. 1 1 10 100 1 000 1 0000 1
24、00000 表面复合速度S/(cm/s)10. 1 1 10 100 1000 10000 100000 表面复合速度S/(cm/s)a)电子表面复合寿命(D.= 33.5 cm2/s) b)空穴表面复合寿命(Dp= 12. 4 cm2/s) 注:如果S非常大(10 cm/ 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difg良好抛光面的表面复合速率约为10cm/s，而研磨面的表面复合速率更大(约为10cm/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1阳，对n型硅片大约为2阳。尽管对准确测量体复合寿命有诸多限制，
25、但在满足一定条件下，高达0.5ms-1 ms的未钝化抛光片的体复合寿命的相对变化仍然可以被测定。这些条件包括:1)整个样片扩散系数和表面复合速率是均匀的;2)微波探测系统要足够灵敏，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，需要将样片放入化学腐蚀抛光液(见7.5)中处理n m 咽A图2扩散系数一定时，不同厚度样片的电子(空穴)的表面复合寿命与表面复合速率的函数关系8.4 可精确测量的最大体复合寿命约为表面寿命的1/10，如果要测体复合寿命大于O.lr，的样片，则样片表面应使用下列方法之一进行钝化处理，
26、以满足O.lrs口的条件。8.4.1 氧化:在具有高质量(干氧)热氧化膜(DitnO;对于n型硅中的元素铁，TO=pO Q 图B.1B. 6 表B.1参数元素铁CFe)铁砌对CFe-B)温度/K300 300 棚浓度(户。)/cm-31X1015 1 X1015 no/cm-3 1. 16 X 1016 1. 16X1016 铁浓度/C原子数/cm3)5X lQ11 5 X 1011 缺陷能级/eVC相对于价带顶)0.400 O. 100 r呻/s3.64 0.400 同/p.s30.3 3.33 nl/cm-3 1. 96X10 179 户l/cm-35.91 X 1012 6.48 X 1
27、017 B.7 参考文献2J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TO和凡之间的关系，可对杂质进行辨识。基于如下事实:(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16; (2)对于这两种状态，注入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 然后需要指出的是，如果同时存在多种沾污，且其浓度相近，则测得的。和凡之比表示的是这些沽污的某种平均结果，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。11 GB/T 26068-2010 40 35 301 n
28、型25 1的20 号、.15 10 5 300 100 250 200 nU Fhu m-h 50 飞0-410-3 10-2 10-1 100川时103注入水平a)元素铁nu nu nu n7 m耐对W配制4KM nu nu 4 nu nVEA 图B.2复合寿命与注入水平的函数关系曲线12 GB/T 26068-2010 附录C(资料性附录)载流子复合寿命与温度的关系C.l 参考文献3J建议，可根据低注人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质，但是这种方法只在低注入情况而且非常严格的条件下才成立。C.2 在低注入时，S-R-H载流子复合寿命由公式(B.2)给出。在非简并半导
29、体内，载流子浓度no、PO、nl及1都是温度的指数函数。在平衡状态下，电子(no)和空穴(Po)浓度可分别见式(C.l): EF - Ec . T (E巳-EFno -闪巳巳xp飞一百一)，如=Nv巳xp飞kT一)式中zNc 导带态密度，单位为每立方厘米(cm); Nv一一价带态密度，单位为每立方厘米(cm-3); EF一一费米能级或平衡电化学势，单位为电子伏(eV); EC一一导带底，单位为电子伏(eV); EV一一价带顶，单位为电子伏(eV); 是一一波尔茨曼常数，为8.6173X10-5 eV/K; T二-温度，单位为开尔文(K)。.( C.1 ) 类似地，当费米能级位于缺陷中心能级ET
30、时，电子浓度(nl)和空穴浓度(户1)可分别表示为式(C.2)和式(C.3): nl=Ncexp!生平EC)= noexp(旦二生.(C.2 ) kT I飞kTI PI=Nvexp(旦二生1=户cexp(生二三斗.( C.3 ) 飞kTI 飞走TJ C.3 从公式(B.2)可知，低注入(小信号)载流子复合寿命。可由电子(nO)和空穴。同)俘获时间常数，表示为四项和的形式，见式(C.4):。=三旦旦L十二盟主!_+二旦旦oT旦旦LU。十no户。+no。十no户。十no( C.4 ) 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.的中各项分母为常数。另外，如果假定俘获时间
31、常数不依赖于温度，则在缺陷中心被部分填满(即，含PI或nl的项在小信号复合寿命起支配作用)的温度范围内，根据ln。与l/T关系曲线的斜率，可得缺陷中心能级ET0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的。C.4 对n型和p型硅中存在元素铁，及p型硅中存在铁棚对，这三种情况进行讨论，可印证以上考虑。在每种情况下铁浓度都假定为5X 1013个原子/cm3，掺杂浓度假定为5X 1015个原子/cm3o对p型硅，这种掺杂浓度相当于电阻率p:;(lO15)n cm;对n型硅，它相当于电阻率p:;(35)n cmo考虑的温度范围从2501000，在此
32、范围内可假定掺杂原子完全电离。元素铁是施主中心，它位于如表B.1所示的禁带下半部分远高于价带顶的位置上。铁跚对也是施主中心，但它离价带顶要近得多。于是，在这两种情况下，PI矶，其差别在铁棚对的情况下更大。p型硅中存在的元素铁的情况(见图C.1):在室温以下，户。PInl no，于是TO=nO 0在约150。和200。之间，如。no，PI项为最大的单项。但由于1和。差别不大，所以TO曲线的斜率也不是很接G/T 26068-2010 近户1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，no变得可与Po相比较(接近本征条件)，载流子复合寿命下降，公式中没有一个单项占主导，曲线斜率
33、没有物理意义。-一-、毛F、=二二:斗三芝fTnOPO、飞po+no Tponl .，、 Po-问。、-rnOPl 、阴祸. 吨、飞E ._ cf lo00.r1/(K ) 104 103 102 101 的主丁子100 10-1 10-2 。民ES10-3 4.0 3.5 3.0 1. 5 10-4 1. 0 p型硅中，存在铁元素的情况，低注入复合寿命(实线)与温度倒数的函数关系曲线n型硅中存在元素铁的情况(见图C.2):在约100。以下，no户1nl扣，于是。=阳。在约2000和225。之间，PIno户。，PI项又是最大的单项。这时，PI项和户1项之间的差别更小，To曲线的斜率不受任单项支
34、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，。变得可与no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，公式中没有一个单项起主导，所以曲线斜率没有物理意义。固C.1104 103 10-10-3 nu 1 4 nu 1 10-2 4.0 3.5 3.0 2.0 2.5 looo.r1/(K-1) 1. 5 n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图C.2p型(掺砌)硅中存在铁棚对的情况(见图C.3):此时，PIpononl ，所以从远低于室温到2250C/I 左右，1项在低注入复合寿命公式中占主导。由于户。=N boro
35、n ，。no()所以从ln。与l/T关系飞14boron I 曲线的负斜率可获得铁棚对的激活能=FE_B-y。在更高的温度，材料变成近本征的，分母增大，导致TO减小。14 GB/T 26068-2010 10 102 3 nu A 10 .2- L _ _ _ _ _ rnopo 一一一- -, 计no-一一一一一主-1， ，、nOn.10- 1; ，兰-.-:-. 1-0.0 、庄, II 、。, Tpono 哥no 飞 10-3 nu 唔EA?4 nu 1 1. 5 2.0 2.5 1 000 T-/(K-) 3.0 3.5 4.0 圄C.3p型硅中，存在铁珊对的情况下，低注入复合寿命(实
36、线)与温度倒数的函数关系曲线C.5 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。15 GB/T 26068-2010 附录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。它包含以下两种情况:(a)空的缺陷中心俘获一个电子，接着再俘获一个空穴;或(b)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Blakemore在参考文献17J中所述，缺陷中心的
37、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TnO0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TpO0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: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，仅需将电子和空穴所扮演的角色互换一下。类似的，缺陷中心处于p型半导体禁带上半
38、部与缺陷中心处于n型半导体禁带下半部的情况也相同。D.4 例如，在室温(300K)时，考虑如下三种情况:ll型或p型硅中存在元素铁及p型硅中存在铁棚，且在三种情况下，都假定铁浓度都为5X 1011个原子/cm3。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。D. 4.1 p型硅中的元素铁(见图D.l):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，这种极限过程为: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
39、)俘获时间常数z。=TnO。D.4.2 II型硅中的元素铁(见图D.2):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，所有的缺陷中心都被填满，空穴俘获取决于空穴俘获时间常数TpO0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:TO=阳。D. 4. 3 II型硅(掺砌)中的铁棚对(见图D.3):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子，其俘获仍然是极限过程。但
40、是仅有一小部分缺陷中心能俘获电子，小信号复合寿命将大于电子俘获时间常数。定量地，因为K川、信号载流子复合寿命由TO=叫去)给出。D. 4. 4 第四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，nOPlT国nO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，对于深能级缺陷中心，低注入(小信号)载流子复合寿命等于少数载流子俘获时间常数(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。16 G/T 26068-2
41、010 k n nu qJ 一-1 ti廿乒h432 nununu -101 pono no十几 三三10U O 、乌画- p，写/，/，/，/-，.，e-no土/ no+po :1/号，二;110寸10-2 10-3 10-1 100 电阻率/W.cm)101 102 图D.l室温下p型硅中，存在铁元素的情况，低注入复合寿命(实线)与电阻率的函数关系曲线10r二十103 102 =:lOO K 100 TnOPO no十几 1 、，O 10-1 10-2 10-3 102 图D.2室温下n型硅中，存在铁元素的情况，低注入复合寿命(实线)与电阻率的函数关系曲线17 GB/T 26068-201
42、0 104 103 102 10 1=300 K 31:lf气?乡:一一一一-JE一/ 十几10.2仨马oP，no十Po10-3 10-4 10-5 10-6 10-2 10- 100 10 102 电阻率/(Q.cm)图D.3室温下p型硅中，存在铁珊对的情况，低注入复合寿命(实线)与电阻率的函数关系曲线18 GB/T 26068-2010 附录E(资料性附录)测试方法目的和精密度E. 1 目的E. 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(:101O1013个原子/cm3)
43、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，例如甚高速双极开关器件和大功率器件，复合特性必须谨慎地控制以达到所需的器件性能。E. 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，如果片子的清洁度保持良好，可以对其进行后续的工艺操作。E. 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。当本法用于材料的规格和验收时，供方和需方须对测试中的表面处理达成共识。E.2 精密度SEMI MF1535中关于精密度=为建立JEIDA53(现今的JEITAEM3502) , 1996年5月至
44、1996年11月围绕本方法进行的巡回试验。测试选用了直径150mm的直拉单晶(100)p型和n型的热氧化片，电阻率3(0 cm)至47(0 cm)分为两档，寿命2s至1500s分为三档，总共12种片子。有19个组织(17家公司和2所大学参与了测试。在5X 1013个光子/c旷的注人光强条件下，每个片子误差的标准偏差中心值为9.6%(r1)9. 4%(e)。19 GB/T 26068-2010 参考文献lJ Blakemore ，J.丘，SemiconductorStatistics, (Dovcr Publications,New York,1987) 10.4. 2J Ferenczi,G.
45、 ,Pavclka, T. ,and Ttt,P. ，勺njectionLevcl Spcctroscopy: A Novel Non-Con tact Contamination Analysis Tcchniquc in Silicon, Jap. J. Appl. Phys. 30 , 3630-3633 (1 99 1). 3J Kirino , Y. , Buczkowski, A. , Radzimski, Z. J. , Rozgonyi , G. A. , and Shimura，丑，Noncontact Energy Levcl Analysis of Metallic Im
46、purities in Silicon Crystals, Appl. Phys. Lett. 57 ,2832-2834(1990). 4J Schultz,M. ,ed ,in Semiconductors: Impurities and Defects in Group IV Elements and Ill -V Compounds, Landolt-Brnstein, New Series皿/22b，(Springer Verlag, Heidelberg, 1989) 4. 2. 3. 1. 5J Saritas，队伍，andMcKell, H. D. , Comparison o
47、f Minority-Carrier Diffusion Length Meas urements in Silicon by the Photoconductive Decay and Surface Photovoltage Methods, J. Appl. Phys. 63 ,4562-4567(1988). 6J Schroder, D. K. , Whitfield, J. D. , and Varker, C. J. , Recombination Lifetime Using the Pulsed孔tlOSCapacitor, IEEE Trans. Electron Devices ED-31,462-467 (1 984). 7J Hornyi , T.丘，Pavelka，T. ,and Ttt，P. ,In Situ Bulk Lifet
