一种可以同时频率扫描以及温度扫描的导纳谱测量系统

技术领域

本发明属于半导体缺陷信息检测技术领域，涉及一种可以同时频率扫描以及温度扫描的导纳谱测量系统。

背景技术

半导体材料在电子设备制造、光电子学、能源、传感器等领域发挥着至关重要的作用。为了提高半导体器件的性能，半导体缺陷的问题受到越来越多的关注。半导体缺陷产生可能是制备过程、加工过程或外界环境因素等原因。例如，在半导体材料的制备过程中，可能会出现晶体缺陷、杂质污染、晶界缺陷等由于制备产生的缺陷。在半导体器件的加工过程中，如采用光刻、薄膜沉积、离子注入等工艺，可能会由于接触问题、结构偏差、残余应力等引入一些缺陷。这些缺陷对器件的影响主要表现在器件功能降低、性能不稳定、热量和能耗增加，以及制造成本和产能降低等方面。因此，缺陷检测在半导体制造过程中是非常重要的环节。

目前对于半导体缺陷的主流检测手段有深能级瞬态谱法(DLTS)，及导纳谱法(AS)，DLTS可以表征半导体器件中的杂质、缺陷深能级、界面态等特性，并且其具有精度高、速度快等优点，但是深能级瞬态谱对设备的要求高、缺陷浓度计算过程复杂，而导纳谱可以在一些半导体缺陷的表征中在实现不输DLTS的灵敏度的前提下，导纳谱的光谱分辨率更高以及测试工作量少，此外导纳谱可以表征更快的载流子发射过程，因此我们使用了导纳谱来表征半导体缺陷。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提出了一种基于MFIA阻抗分析仪的导纳谱测试系统。

本发明测试系统基于MFIA阻抗分析仪可以同时产生脉冲信号以及高速的数据采集能力，将MFIA做为脉冲激励源以及电导信息采集部分，相当于将脉冲发生器与电导仪的功能用一台MFIA同时实现，并且跳过了电阻和电容的电路分析，可以直接得到实验所需电阻与电容值。

本发明阻抗分析仪中内置脉冲发生模块，用于替换传统的脉冲发生器的组件。内置脉冲发生模块提供了更宽的频率，更高的脉冲、更低的噪声、更好的数据采集能力，这些功能提供的更灵活的测试条件，更准确的数据采集，对于测试结果的影响体现为噪声较小，可以根据不同样品的特性来选用不同的测试频率和测试脉冲幅值。

该系统适用于各种类型半导体缺陷的检测，通过对半导体施加直流电压达到稳定后，再施加交流电压，通过对温度逐步升温，之后进行频率扫描，定量获得电容，电导值，最后通过数学方法处理分析鉴别更为准确的捕获速度、缺陷激活能、缺陷浓度及俘获截面积等缺陷信息。

一种可以同时频率扫描以及温度扫描的导纳谱测量系统，包括：真空泵、压缩机、样品室、温度控制仪(LAKESHORE336)、阻抗分析仪(MFIA)、计算机；

所述真空泵、所述压缩机、所述样品室、所述温度控制仪、所述阻抗分析仪均与所述样品室相连，所述计算机与所述阻抗分析仪相连；本系统中不存在制冷机，低温通过压缩机压缩的低温氦气来降低温度；压缩机通过两根平行的管道连接样品腔，其冷头必须均匀地支撑在所有四个防振支架上，以使低温恒温器主体垂直；样品腔通过过一个管道与真空泵连接；样品腔通过四根线缆与MFIA阻抗分析仪相连接；样品腔内的温度传感器连接温控仪；MFIA阻抗分析仪与所述计算机通过USB相连；所述计算机安装有我们自行开发的控制阻抗分析仪的软件，用于对对所需所有设备的操作控制，以及实验所需数据的填写与记录，触发测试并记录测试数据，并将测试数据保存于本地；所述MFIA阻抗分析仪中内置有脉冲发生模块，用于数据采集模块；MFIA阻抗分析仪可以以最高807KSa/S的速率采集瞬态电容信号，并且对采集到的瞬态电容信号进行多次平均的数学处理；所述样品腔包括样品座、电阻温度传感器、加热器；所述样品座用于固定待测的半导体；所述电阻温度传感器，用于测定样品室内的温度；所述加热器用来加热样品；所述真空泵用于抽取样品室内的空气，营造真空的隔热环境，以达到精准控制温度的目的；所述压缩机用于将低压氦气通过压缩机压缩成高压氦气，样品腔与压缩机通过两个管道相连，管道一将高压氦气在样品腔室释放为低压氦气，该过程温度快速下降，而低压氦气再通过管道二返回压缩机，形成一个制冷循环；所述温度控制仪用于控制样品腔内部的加热器，若样品室内温度低于设定值，则使样品腔内加热器，对样品进行加热；若高于设定值时，则控制加热器停止工作，仅进行压缩机的制冷工作；

本发明还提出了对传统导纳谱的改进办法，包含如下方面：

方面一、MFIA阻抗分析仪可以同时产生脉冲信号以及高速的数据采集能力，将MFIA做为脉冲激励源以及电导信息采集部分，相当于将脉冲发生器与电导仪的功能用一台MFIA同时实现，并且跳过了电阻和电容的电路分析，可以直接得到实验所需电阻与电容值。任何用于连接被测设备与阻抗测量的电缆或夹具将不可避免地引入测量偏差(相对于真实值的精度)。消除夹具的剩余阻抗和电缆的影响是进行高精度测量的一个重要部分。在我们的系统中，利用MFIA内置补偿模块，可以轻松解决这一影响。

方面二、在导纳谱测试中，常用的方法有两种，分别是温度扫描与频率扫描。在一般情况下，温度扫描与频率扫描是两个互不相关的过程，所以需要进行两次不同的实验，这样在花费了时间的同时也花费了实验者的精力，而我们的系统，采用在温度扫描的同时进行频率扫描，从而在之前一次实验的时间内，做完两次实验，并且可以获得各个频率扫描或者温度扫描的值。与传统的单一的温度扫描或者频率扫描实验相比，既有更加充分的数据，又节省了人力与时间。

方面三、使用自主编程的控制程序和数据处理。通过编写程序控制仪器，可以实现自动化操作，减少人工介入的错误和不精确性。程序可以精确地控制仪器的各个参数，使用一个控制面板，控制所有需要操作的仪器，从而提高实验的可重复性和准确性。电脑程序可以直接和仪器进行数据交互，实时监测和记录实验数据。同时，程序还可以对数据进行处理和分析，例如绘制曲线图、计算统计数据等，从而加快数据处理的速度和提高分析的准确性。可以对实验进行系统性的设计和优化。程序可以调节仪器的参数，进行不同条件下的实验，然后根据实验结果自动调整参数，寻找最佳实验条件。这样可以大大提高实验的效率和节约时间。

本发明还提出了利用上述导纳谱测试系统对半导体缺陷进行测试的方法，包括如下步骤：

步骤一、将待测的半导体固定在探针台上，封闭探针台并将腔室抽成真空，打开压缩机，并通过我们自行设计的计算机程序进行期望温度的设定从而来进行温度控制；

步骤二、启动阻抗分析仪，在计算机上运行我们自己编写的控制程序，对实验所需偏置电压，脉冲宽度，采样频率，期望温度等基本参数进行填写，实现对仪器的控制；

步骤三、通过我们的程序，对样品施加直流电压，等待一段时间，对样品进行CV测量，使样品达到稳定的工作状态。

步骤四、通过程序设定，在直流电压稳定后，施加交流电压信号到待测样品上；

步骤五、当腔室内温度达到步骤二设定温度参数后，保温一段时间，以步骤二所设定的频率范围开始进行频率扫描，并根据设定的步径升温，并在每个温度点对样品进行同样的频率扫描，直到温度达到设定的末温，在计算机上采集数据；

步骤六、计算机上再次运行我们自己编写的控制程序，对计算机上采集的数据进行处理，获得待测的半导体是否具有缺陷，以及对应的缺陷信息。

本发明的有益效果包括：

本发明所述的导纳谱测试系统，可用于检测各种半导体的深能级缺陷。本发明中的测试系统利用MFIA内置的脉冲发生模块产生偏置电压施加在待测样品上，代替传统导纳谱系统中的脉冲发生器，在准确检测信息的同时，极大的降低系统的成本，简化系统结构。本发明使用自行编写的程序，来实现仪器的控制，数据的采集以及处理，从而减少每次实验所需的时间与操作步骤。

附图说明

图1为本发明导纳谱检测系统的系统结构图；

图2为温度扫描下不同频率的G/w图；

图3为温度扫描下极点Arrhenius图；

图4为频率扫描下不同温度的G/w图；

图5为频率扫描的Arrhenius图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明公开了一种导纳谱测试系统。本测试系统基于Zurich Instrument研制的阻抗分析仪MFIA搭建，该系统取消了以往单独的频率扫描与温度扫描，通过一次实验实现频率扫描与温度扫描的双重实验效果。

本发明提出了一种导纳谱测试系统，用于各种半导体的缺陷检测，所述测试系统包括以下设备：

设备一：温度控制仪；可以选用Lakeshore336温度控制仪。它专为控制低温系统的温度而设计,可以为我们提供更加精密的温度控制，而且它较高的兼容性也为我们的实验提供了便捷。

设备二：压缩机；可以选用Sumitomo Heavy Industries公司开发的F-50水冷液氦压缩机，这个压缩机使用SRDK制冷头，为制冷系统提供高效压缩液氦的功能，可以很好的进行制冷。

设备三：阻抗分析仪；具体地可以采用Zurich Instrument公司MFIA高速阻抗分析仪，这是一种先进的和操作友好的阻抗分析仪，可以使用内置脉冲发生模块代替传统DLTS系统中的脉冲发生器，同时可以提供了更宽的频率设置(1Hz～5MHz)，更高的脉冲选择(-10V～10V)，更低的噪声影响，和较好的数据采集能力。

设备四：计算机；计算机型号没有具体要求，但需要安装有我们自行编写的一个控制程序，我们自行编写的控制程序可以对仪器进行参数设置和数据记录，并可在实验进行时显示和记录实验状态，在实验结束后进行数据处理，可以帮助我们更快更方便的操作仪器进行实验。

设备五：真空泵；使用的是EDWARD EXT75DX涡轮无油分子真空泵，抽速可达61|s-1，要求提供无油和无震动的操作，以保证在将样品室抽取真空的同时，保证样品腔的纯净和测试稳定性；

设备六：样品腔：选用的是Oxford Instruments公司开发的OptistatDry BL4cryogenic system，良好的密封性可以保证我们的实验结果更加准确。

利用本发明的导纳谱检测系统，检测半导体缺陷包括以下步骤：

步骤一、将待测的半导体固定在探针台上，封闭探针台并将腔室抽成真空，打开压缩机，在计算机上运行我们自己编写的控制程序，并通过我们自行设计的计算机程序进行期望温度的设定从而来进行温度控制，计算机控制过程如下：

1.1使用程序通过温度控制仪lakeshore336探测样品腔内实际温度，并显示于程序面板；

1.2使用程序设定实验所需的起始温度，结束温度，以及升温的步长和可接受的误差范围，对样品腔温度先进行温度重置，直到达到误差范围内的起始温度后，开始准备进行导纳谱实验。

步骤二、启动阻抗分析仪，对实验所需偏置电压，交流小信号，采样频率等基本参数进行填写并上传，实现对仪器的控制，计算机详细控制过程如下：

2.1使用程序填写实验所需要的相关信息并在上传参数后，首先对样品两端施加相对应的直流电压，等待一段时间，使样品达到稳定的工作状态；

2.2程序按照设定的时间，自动检测样品状态，在样品达到稳定的工作状态后，控制仪器按照之前填写的实验参数对样品进行CV测试，将实验结果与时间等信息保存在电脑上，并在控制面板上实时显示实验状态。

2.3当CV测试结束后，程序控制仪器休眠三分钟，之后通过程序控制MFIA生成所填写的交流小信号，并将其加在样品两端。

2.4程序控制lakeshore336开始按照所设定的温度步长逐渐升温，并在每个温度点处停留一段时间进行保温，之后开始控制MFIA开始对样品开始做频率扫描，并将所有的实验数据与结果进行记录以及实时的显示在控制面板上，在频率扫描结束后，再次控制lakeshore336进行升温，之后再控制MFIA进行频率扫描，一次循环往复，直至温度到达终止温度。

2.5做完终止温度下的频率扫描后，将实验所产生的所有的数据以及设备情况和实验参数按照我们提前编好的程序进行储存，并在实验面板上显示实验已经做完。

步骤三、当实验做完以后，在计算机上运行我们的数据处理程序，对计算机上采集的数据进行处理，获得待测的半导体是否具有缺陷，以及对应的缺陷信息，数据处理详细过程为：

3.1按照所填路径打开我们的数据文件，并将实验所进行的基本参数，以及试验所选取的频率扫描和温度扫描的起始值，终止值以及步长等实验相关信息显示在数据处理程序面板上，并将测量数据点以散点图的形式显示出来。

3.2由用户填写需要进行数据处理的温度值和频率值，上传参数以后，将所选取的数据点在数据处理界上显示，并开始进行数据处理。

3.3将处理好的数据结果分别以图片形式显示在图画框和文本形式显示在文本框中，并可以再图上选取点和线进行感兴趣的地方进行分析，并将生成的结果和实验参数以及处理时间等一系列信息保存在在电脑上。

实施例

下面我们将对SiC样品进行测量，并对结果进行说明。

首先，将SiC样品固定在探针台上，封闭腔室并抽取真空；然后打开压缩机，并调节温控仪至10K，最后打开阻抗分析仪和PC端的控制软件操作界面，将参数输入软件中。待温度降至10K后，停留一段时间后，开始以1K为步数升温试，在每一个温度下，停留一段时间，施加550mv的直流偏压，等待稳定后，使用幅值为30mv的交流小信号，进行频率为100k到3M的频率扫描，之后逐渐升温测至290K，结束测试并保存数据。

在导纳谱分析中，需要对所测数据进行数学处理才可以得到缺陷的相关信息；在对频率扫描与温度扫描的图像取其峰值进行数据分析，然后根据不同温度测量的峰值，绘制关于ln(w/T

根据拟合得到直线的斜率和截距就可以分别得出能级位置和捕获截面。通过上述数据处理后，得到结果如图2、图3、图4、图5。图2是根据温度扫描下不同频率的G/w变化示意图，图中可以观察到两个波峰，一个波谷，即检测到三个缺陷。图3是通过拟合得到的三个陷阱的Arrhenius图，可以得到E1陷阱中心的激活能为-0.08592148839295928eV，陷阱中心俘获面积为11.079560517495624cm

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。