GB/T 26068-2018 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

　　ICS 77 . 040 H 2 1

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 26068—2018

　　代替 GB/T 26068—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

　　Testmethodforcarrierrecombinationlifetimeinsiliconwafersand siliconingots—Non-contactmeasurementofphotoconductivitydecay

　　bymicrowavereflectancemethod

　　2018-12-28 发布 2019-1 1-01 实施

　　国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 26068—2018

　　GB/T 26068—2018

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准代替 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》。本标准与 GB/T 26068—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减测试方法》改为《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》;

　　— 增加了使用微波反射光电导衰减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) ;

　　— 将范围中测试样品的室温电阻率下限由“0.05 Ω · cm~1 Ω · cm”改为“0.05 Ω · cm~10 Ω · cm”,载流子复合寿命的测试范围由“0 . 25 μs 到 >1 ms”改为“>0 . 1 μs”,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/T 1551,删除了 GB/T 1552、SEMI MF1388、SEMI MF1530,删除了 GB/T 1553—2009、YS/T 679—2008 中的年代号，增加了 GB/T 11446 . 1 的年代号 2013 (见第 2 章，2010 年版的第 2 章);

　　— 修改了术语注入水平、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 150 μm,宜使用非金属硅片支架托”(见 6 . 5) ;

　　— 修改水的要求为“满足 GB/T 11446.1—2013 中 EW-Ⅲ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/T 26068—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 E. 3(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/TC 203) 与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分会(SAC/TC 203/SC 2)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、中国计量科学研究院、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、王昕、张雪囡、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/T 26068—2010 。

　　GB/T 26068—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

　　1 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 1 mm 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 . 05 Ω · cm~ 10 Ω · cm 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 0.1 μs,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。

　　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，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 1551 硅单晶电阻率测定方法

　　GB/T 1553 硅和锗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试方法 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—2013 电子级水

　　GB/T 13389 掺硼掺磷掺砷硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程

　　GB/T 14264 半导体材料术语

　　YS/T 679 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

　　SEMI MF978 半导体深能级的瞬态电容测试方法(Test method for characterizing semiconductor deep levels by transient capacitance techniques)

　　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 injectionlevel

　　η

　　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：注入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/T 26068—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 surfacerecombinationvelocity

　　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 bulkrecombinationlifetime

　　τb

　　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 primarymodelifetime

　　τ1

　　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/e lifetime

　　τe

　　从激光脉冲注入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。

　　4 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(注入水平)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入水平或温度的不同数值下，进行重复测试。

　　4 . 4 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/T 26068—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 τb , 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，1/e 寿命τe和基本模式寿命 τ1两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入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：

　　a) 存在平行于表面的 p-n结或高-低(p-p+或 n-n+)结 ;

　　b ) 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)。

　　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 18 ℃ ~25 ℃,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，激光注入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。

　　5 . 7 光注入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[1] 。在高次模消失之后进行测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 初始注入水平也对寿命测试值有影响。 初始注入水平足够低，测试的寿命不会被注入水平影响。但是为了提高信噪比(S/N)常采用高的注入水平，因此在衰减的初始阶段，注入水平可能会影响测试寿命，本测试方法仍然被允许使用。 注入水平[2] 的相关内容参见附录 A、附录 B,低注入水平下测试的载流子复合寿命与温度的关系[3] 参见附录 C。

　　5 . 9 小信号条件经常被描述成低水平注入条件。 在这种情况下，当注入脉冲停止后，过剩载流子呈指数衰减。 但即使不是低水平注入，在注入脉冲停止后，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 . 1 1 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，衰减可能是两个或多个时间常数的作用所组成。 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 . 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/T 26068—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 SEMI MF978 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[4] 。

　　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入到样品中，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 GB/T 1553 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/T 679 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 在低注入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[5] 。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/T 1553 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 SEMI MF1388[24]包含硅片产生寿命的测试方法，但需在高于 70 ℃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[6] 。

　　5 . 17 1 / e 寿命与注入水平和激光透入深度有关，并强烈的受到表面条件的影响，因为在刚注入之后，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τe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 5 mm。

　　5 . 2 1 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 . 9 μm~1 . 1 μm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 2.5×1010 个/cm2 ~2.5×1015 个/cm2 。脉冲宽度 ≤200 ns, 上升沿和下降沿 ≤25 ns, 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/T 26068—2018

　　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入标准的恒定水平上。

　　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 10 GHz±0.5 GHz 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，以便测试低注入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 x-y 或者r-θ 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 150 μm,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 40 MHz,或最小采样时间不大于 25 ns。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：

　　a) 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/T 26068—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 950 ℃ ~1 050 ℃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。

　　7 试剂

　　7. 1 水：推荐使用满足 GB/T 11446.1—2013 中 EW-Ⅲ级或更优级别要求的水。

　　7 . 2 碘(I2) ：w(质量分数)>99 . 8%,优级纯及以上。

　　7 . 3 无水乙醇(CH 3 CH2 OH) ：w(质量分数)≥99 . 9%,优级纯及以上。

　　7.4 氢氟酸(HF)：w(质量分数)为 49.00%±0.25%,优级纯及以上。

　　7.5 硝酸(HNO3)：w(质量分数)为 70.0%~71.0%,优级纯及以上。

　　7.6 碘-乙醇钝化溶液：碘含量为 0.02 mol/L~0.2 mol/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τb的预期值。

　　8 . 2 如果样品体复合寿命τb不大于表面复合寿命 τs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τb大于表面复合寿命τs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 . 1τs≥τb的条件：

　　a) 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;

　　b ) 氧化：将硅片清洗干燥后，放入干氧氧化的清洁炉子中。 温度控制在 950 ℃ ~ 1 050 ℃ ,得到具有厚度大于 100 nm 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 . 5 cm/s~2 . 5 cm/s,而通过氢氟酸去除氧化层之后表面复合速率能低至 0 . 25 cm/ s [7] 。参考文献[7]也略述了确定表面复合速率的测试方法。 碘-乙醇钝化溶液浸泡可将无氧化层的抛光面的表面复合速率降至 10 cm/ s 以下。 在参考文献[ 8 ] 中介绍了多种界面态密度(Dit ) 测量技术，但这些技术还未标准化。

　　c) 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 ms~ 1 ms 载流子衰减寿命，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/T 26068—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。

　　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。

　　9 测试步骤

　　9 . 1 硅片

　　9 . 1 . 1 依据 GB/T 1550 测试硅片的导电类型，依据 GB/T 6618 测量硅片中心点厚度，依据 GB/T 1551或 GB/T 6616 测试硅片的中心点电阻率。 依据 GB/T 13389 将电阻率换算成多数载流子浓度(nmaj) 。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)。

　　9 . 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。

　　9 . 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 ΦI,使注入水平 η 达到所需值。

　　注：如未规定注入水平，宜将其设为小于 1 。如果注入水平可精确测量并记录，则可采用较高的注入水平。 较高的

　　注入水平通常会有较好的信噪比。 如果设备不能自动调节注入水平，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减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t 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 t 的函数曲线上，从而测定时间常数。

　　9 . 1 . 9 从记录下的衰减曲线，即光注入后反射微波功率的变化曲线可计算出寿命，见图 3,该曲线即是光注入后反射微波功率 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：

　　a) 基本模式寿命或者基本模式衰减时间 τ1 ：通常可将衰减曲线上满足指数衰减部分的时间常数作为基本模式的复合寿命。 如果反射功率在t(时间)=tA时为VA,在t=tB时指数性地衰减到VB=VA/e,则 τ1 =tB-tA 。或者，计算 t2 -t1 , 记t1 为反射功率衰减到峰值 1 / e 的时刻，t2为反

　　GB/T 26068—2018

　　射功率衰减到峰值 1/e2 的时刻，如果从 t1到 t2 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 t2-t1视为 τ1(见图 3) ;

　　b ) 体复合寿命τb：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 V0 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;

　　c) 1 / e 寿命τe：将 t1和 t0之间的间隔计算为 1 / e 寿命，其中 t0为过剩载流子被光脉冲注入到样品的时刻，t1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。

　　9 . 1 . 1 1 如有需要，移动样片位置，重复 9 . 1 . 7~9 . 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，或不同注入水平下，在同一位置重复 9.1.6~9.1.9 的测试。

　　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/T 1550 测试硅锭的导电类型，依据 GB/T 1551 或 GB/T 6616 使用二探针法测试硅锭的电阻率，并记录。

　　9 . 2 . 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。

　　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 调整或检测入射脉冲照度水平，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 τ1 ,并记录。 如果反射功率在 t=tA时为VA,在 t=tB时指数性地衰减到VB,VB=VA/e,则 τ1 = tB-tA 。若记t1为反射功率衰减到峰值 1 / e 的时刻，t2为反射功率衰减到峰值 1/e2 的时刻，如果从 t1 到 t2 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 t2-t1视为 τ1 。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/T 26068—2018

　　9 . 2 . 9 如有需要，移动样品位置，重复 9 . 2 . 7~9 . 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。

　　9 . 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，或不同注入水平下，在同一位置重复 9.2.5~9.2.8 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 7.070 Ω · cm、7.377 Ω · cm、8.278 Ω · cm,硅片厚度分别为 631.84 μm、629.23 μm、629.80 μm, 载流子复合寿命范围为 10.14 μs~13.12 μs。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 6.708 Ω · cm、9.344 Ω · cm、54.73 Ω · cm,硅片厚度分别为 608.51 μm、619.40 μm、704.89 μm, 载流子复合寿命范围在 12.05 μs~494.11 μs。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 片铸造多晶硅片测试载流子复合寿命，电阻率分别为 1.404 Ω · cm、1.511 Ω · cm、3.500 Ω · cm,硅片厚度分别为 2 154 μm、1 656 μm、1 058 μm,载流子复合寿命范围为 3.62 μs~8.82 μs。样片表面未经任何处理，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 . 4 SEMI MF1535-1015[25] 中关于精密度的介绍参见附录 F。

　　1 1 试验报告

　　1 1 . 1 试验报告应包括以下内容：

　　a) 测试的 日期和地点;

　　b) 仪器的型号和序号，如为计算机控制，应注明软件版本;

　　c) 确定时间常数的衰减曲线部分;

　　d) 注入水平;

　　e) 所用的表面钝化工艺;

　　f) 载流子复合寿命，应说明所测寿命是 τe或 τ1 ;

　　g) 如果在几个不同的注入水平下进行测试，应报告每个注入水平时的寿命;

　　h) 本标准编号;

　　i) 其他与本标准不一致的内容。

　　1 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/T 26068—2018

　　附 录 A

　　(资料性附录)注入水平的修正

　　A.1 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，并记录其厚度 。通过图 A. 1 虚线确定并记录入射光穿过氧化层被样品吸收的比率。

　　注：计算时假定入射光波长λ 为 905 nm,硅的折射率取 3 . 610, SiO 2 的折射率取 1 . 462 。最大吸收发生在氧化层厚度d=(2n+1)λ/4,最小吸收发生在 d=nλ/2 ,n=0 , 1 ,2 , ……。当入射光波长 λl不等于 905 nm,要用氧化层有效厚度 d0=905dl/λ使用这些曲线求相对强度，其中 dl为氧化层实际厚度。

　　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

　　A.2 调整光源强度，使脉冲作用期间样品吸收的光子密度 φ 等于η×nmaj 。其中 η 是所需的注入水平， nmaj是依据电阻率换算成的多数载流子浓度。 光子密度 φ 由式(A. 1)计算出：

　　tp

　　………………………( A.1 )

　　式中：

　　φ —光子密度，单位为光子数每立方厘米(光子数/cm3 ) ;

　　f —从图 3 求出的吸收部分的比率;

　　φI —入射光强，单位为光子数每平方厘米秒[光子数/(cm2 · s)] ;

　　tp —光脉冲长度，单位为秒(s) ;

　　ΦI —每次脉冲时的光密度，单位为光子数每平方厘米(光子数/cm2 ) ;

　　L —样品厚度，单位为厘米(cm) 。

　　示例：

　　ΦI 设定为 5×10 13 (1±20%) 光子数/(cm2 ) ,对 1 mm 厚的硅片，相当于 φ 为 10 14 光子数/cm3 数量级。 以电阻率10 Ω · cm 的硅片为例，多数载流子浓度约为 10 15 /cm3 ,因此 η 变成 0 . 1 数量级。 在测试电阻率低于 1 Ω · cm 的硅片时也可采用较高的入射光强。

　　GB/T 26068—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入水平时测定的，即 η (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 η<1 时，低注入(小信号)载流子复合寿命值与η 的数值无关。 但在本方法中，要在低注入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入水平的函数。

　　B.2 半导体中载流子通过缺陷中心复合的基本模型，是由 Hall[9] 及由 Shockley 和 Read[10] 各自独立推出的。此模型由 Blakemore进行了详尽的讨论[11] 。在 Shockley-Read-Hall(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，Blakemore 还讨论了当缺陷中心浓度相对于多数载流子浓度并不小[12] ,及存在载流子陷阱[13] 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(ne) 与过剩空穴的浓度(np) 相等，并且通过位于禁带中能级为 εT的缺陷中心复合的电子寿命(τn) 与空穴寿命(τp) 相等。 载流子寿命可表示为式(B. 1) :

　　式中：

　　τn0 —被填充的缺陷中心俘获电子的时间常数，单位微秒(μs) ;

　　p0 —非简并半导体中空穴的平衡浓度，单位为个每立方厘米(个/cm3 ) ;

　　p1 — 费米能级εF=εT时，非简并半导体中空穴的浓度，单位为个每立方厘米(个/cm3 ) ;

　　τp0 — 已被填充的缺陷中心俘获空穴的时间常数，单位微秒(μs) ;

　　1 — 费米能级εF=εT时，非简并半导体中电子的浓度，单位为个每立方厘米(个/cm3 )。

　　B.5 在低注入范围内，ne可以忽略，式 (B. 1)简化为小信号复合寿命 τ0 ,见式(B. 2) :

　　另一方面，在高注入范围内，ne是主要项，复合寿命变成式(B. 3) :

　　τ∞ = τn0 + τp0 ………………………( B.3 )

　　中等注入时，复合寿命可由 τ0和 τ∞联合表示，见式(B. 4) :

　　因此，当以τ(1+η)对 η 作图时，可得一直线。 这条直线的零截距为 τ0 ,其斜率为 τ∞ 。此函数的直线性可用以验证 S-R-H 模型的正确性以及检查样品中多种缺陷中心的存在。

　　B.6 n 型和 p 型硅中通过元素铁缺陷中心以及 p 型硅通过铁硼对复合的线性关系见图 B. 1,计算时所用的参数见表 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，τ0 = τn0 ,对于铁硼对，τ0远大于 τn0 ;对于 n 型硅中的元素铁，τ0 = τp0 。

　　GB/T 26068—2018

　　a)元素铁 b)铁硼对

　　图 B.1 由复合寿命与注入水平的拟合曲线导出 τ0和 τ∞

　　表 B.1 用于计算复合寿命与注入水平关系的参数

　　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入水平谱在τ0和 τ∞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[14] ;(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 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 τ0和 τ∞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。

　　GB/T 26068—2018

　　a)元素铁 b)铁硼对

　　图 B.2 复合寿命与注入水平的函数关系曲线

　　GB/T 26068—2018

　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　载流子复合寿命与温度的关系

　　C.1 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 载流子复合寿命由式(B. 2) 给出。 在非简并半导体内，载流子浓度 n0 、p0 、n1及 p1都是温度的指数函数。 在平衡状态下，电子浓度(n0)和空穴浓度(p0)可分别记为式(C. 1)、式 (C. 2) :

　　n0 = N p0 = N

　　式中：

　　NC —导带态密度，单位为每立方厘米(cm-3 ) ;

　　NV —价带态密度，单位为每立方厘米(cm-3 ) ;

　　εF — 费米能级或平衡电化学势，单位为电子伏(eV) ;

　　εC —导带底，单位为电子伏(eV) ;

　　εV —价带顶，单位为电子伏(eV) ;

　　k —波尔茨曼常数，为 8.617 3 × 10- 5 eV/K;

　　T — 温度，单位为开尔文(K) 。

　　C.3 类似地，当费米能级位于缺陷中心能级εT时，电子浓度(n1)和空穴浓度(p1)可分别表示为式(C. 3)和式(C. 4) :

　　n1 = N p1 = N

　　C.4 从式(B. 2)可知，低注入(小信号)载流子复合寿命τ0可由电子(τn0)和空穴(τp0)俘获时间常数表示为四项和的形式，见式(C. 5) :

　　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 p1或n1 的项在小信号复合寿命起支配作用)的温度范围内，根据 lnτ0与 1/T关系曲线的斜率，可得缺陷中心能级εT 。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：

　　a) 对 n 型和 p 型硅中存在元素铁及 p 型硅中存在铁硼对，这 3 种情况进行讨论。 在每种情况下都假定铁浓度(原子数)为 5 × 10 11 cm- 3 ,掺杂浓度(原子数)假定为 1 × 10 15 cm- 3 。对 p 型硅，这种掺杂浓度相当于电阻率为 10 Ω · cm~15 Ω · cm;对 n型硅，相当于电阻率为 3 Ω · cm~

　　5 Ω · cm。考虑的温度范围从 -23.15 ℃ (250 K) ~726.85 ℃ (1 000 K),在此范围内可假定掺

　　杂原子完全电离。 元素铁是施主中心，它位于如表 B. 1 所示的禁带下半部远高于价带顶的位置上。 铁硼对也是施主中心，但它离价带顶要近得多。 于是，在这两种情况下，p1 n1 ,其差

　　GB/T 26068—2018

　　别在铁硼对的情况下更大。

　　b ) n型硅中存在元素铁的情况下，低注入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，n0p1n1p0 ,于是 τ0 = τp0 。在约 200 ℃ ~225 ℃之间，p1>n0>p0, p1 项是最

　　大的单项。 这时，p1项和 p0项之间的差别更小，τ0 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，p0变得可与 n0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。

　　图 C.1 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

　　c) p 型硅中存在元素铁的情况下，低注入复合寿命与温度倒数的函数关系曲线见图 C. 2 。在室温以下，p0p1 n1 n0 ,于是 τ0 = τn0 。在约 150 ℃ ~200 ℃之间，p1>p0>n0, p1 项为最大的

　　单项。 但由于 p1和 p0差别不大，τ0 曲线的斜率也不是很接近 p1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，n0变得可与 p0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。

　　图 C.2 p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(掺硼)硅中存在铁硼对的情况下，低注入复合寿命与温度倒数的函数关系曲线见图 C. 3 。

　　此时，p1 p0 n0 n1 ,所以从远低于室温到 225 ℃左右，p1 项在式(C. 5) 中 占主导。 由于p0 = N所以从 lnτ0 与 1/T 关系曲线的负斜率可获得铁硼对的激活能△ε= εFe-B - εV 。在更高的温度，材料变成近本征的，分母增大，导致 τ0减小。

　　GB/T 26068—2018

　　图 C.3 p型硅中存在铁硼对的情况下，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。

　　GB/T 26068—2018

　　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，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[11]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 τn0 。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 τp0 。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。

　　D.4 例如，在室温(300 K)时，主要考虑以下三种情况，n 型或 p 型硅中存在元素铁及 p 型硅中存在铁硼对。 在三种情况下，都假定铁浓度(原子数)为 5 × 10 11 cm- 3 。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：

　　a) n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：τ0 = τp0 。室温下 n 型硅中存在元素铁的情况下，低注入复合寿命与电阻率的函数关系曲线见图 D. 1 ;

　　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：τ0 = τn0 。室温下 p 型硅中存在元素铁的情况下，低注入复合寿命与电阻率的函数关系曲线见图 D. 2 ;

　　c) p 型硅(掺硼)中存在铁硼对：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子，其俘获仍然是极限过程。 但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n0

　　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 型材料中不存在铁硼对，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，τn0p1 τp0 n0 ,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。

　　GB/T 26068—2018

　　图 D.1 室温下 n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

　　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

　　图 D.3 室温下 p型硅中存在铁硼对的情况，低注入复合寿命( 实线)与电阻率的函数关系曲线

　　GB/T 26068—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-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(τb)、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 τb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入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 。

　　E.2 表面复合寿命

　　E.2 . 1 表面复合寿命τs 由两项构成：载流子扩散到样品表面所引起的扩散项 τdiff和表面复合引起的复合项 τsr , 因此，表面复合寿命可通过下列近似关系式(E. 1)计算[15] :

　　………………………( E.1 )

　　式中：

　　犇 —少数载流子扩散系数，单位为平方厘米每秒(cm2 /s) ;

　　犔 —样品厚度，单位为厘米(cm) ;

　　犛 —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。

　　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[16]如图 E. 1 所示。

　　a) 电子表面复合寿命(Dn = 33.5 cm2 /s) b)空穴表面复合寿命(Dp = 12.4 cm2 /s)

　　说明：

　　犇n — 电子的扩散系数;

　　犇p —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

　　GB/T 26068—2018

　　注：如果 s非常大( >10 4 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 τdiff 。良好抛光面的表面复合速率约为 10 4 cm/s,而研磨面的表面复合速率更大( 约为 10 7 cm/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 μs,对 n 型硅片大约为

　　2 μs。 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 . 5 ms~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 100 μs 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，需要将样品放入化学腐蚀抛光液 中 处 理1 min。

　　E.3 硅片的测试复合寿命

　　硅片的测试复合寿命τmeas包含表面寿命和体寿命，具体见式(E. 2)、式 (E. 3) :

　　…………………………( E.2 )

　　为准确的测定 τb ,τs至少为 τmeas 的 10 倍[17] 。

　　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：

　　a) 俄歇复合，复合的能量传递到第 3 个载流子;

　　b ) 辐射复合，复合能量转化为光子;

　　c) 通过位于能带隙的杂质中心复合。

　　E.5 俄歇复合

　　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 15 cm-3 的低电阻率样品来说，这个模式显得尤为重要。 Passari 和 SuSi[18] 已对该复合模式进行深入研究，他发现俄歇复合寿命在 n 型硅片中为 9 . 328×10 25 Nd -1.76 s(Nd 为施主掺杂浓度)，在 p 型硅片中为 5 . 828×10 25 NA -1.67 s(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[19] 最近的文献报道，在低注入情况下，n 型硅片中俄歇复合寿命为 1 . 15 × 10 28 Nd -1.91 s,在 p 型硅片中为 1 . 67 × 10 29 NA - 1.94 s。这篇文章也包括高注入情况。 文章中的低注入的结果，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 Richter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[19] 和 Trupker等人[20] 的文献中，辐射复合寿命为

　　2 . 114 × 1024 Ndop - 1 ,式中 Ndop=NA+ND 。

　　E.7 本征复合寿命

　　E.7 . 1 正如 Richter等人[19] 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

　　GB/T 26068—2018

　　影响可认为是硅材料本身，因此总测试复合寿命 τmeas也可写为式(E. 4)或式(E. 5) :

　　…………………( E.4 )

　　…………………( E.5 )

　　式中：

　　τAuger —体内的俄歇复合寿命;

　　τrad —体内的辐射复合寿命;

　　τb(SRH) —体内的缺陷中心复合寿命;

　　τs —表面复合寿命;

　　τintr —本征复合寿命(由俄歇复合和辐射机理产生);

　　τextr —体内和表面缺陷复合寿命。

　　E.7 . 2 体内和表面缺陷复合寿命τextr按式(E. 6)计算 ：

　　………………………( E.6 )

　　为准确测试体内和表面缺陷复合寿命，τintr至少为 τmeas的 10 倍 。

　　E.7 . 3 在低注入状态下，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[20] ) 显示为黑色十字叉，俄歇寿命显示为圆点线( Richter 等人[19] ) 。 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。

　　图 E.2 硅的本征复合寿命

　　GB/T 26068—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 S-R-H[9.10] 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) :

　　式中，c1 , c2 ,…cn为常数;τ01 , τ02 ,…τ0n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 在硼掺杂硅中，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 . 4 eV 的价带边缘，铁硼对在高于 0 . 100 eV 的价带边缘[21] 。 因此可以通过处理样品使得所有金属铁处于电子状态或 Fe-B状态[14] 。

　　E.10 . 2 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硼键(Fe-B)解离前后的小信号扩散长度 L 或者载流子复合寿命τ 来测定，见式(E. 8) :

　　= A

　　式中，A=DnC，Dn 为少数载流子( 电子)扩散系数，对于受主浓度范围 1 × 1015 cm- 3 ~3 × 1015 cm-3 的硅片，Zoth 和 Bergholz[14] 发现 A= 1.06 × 1016 μm2 · cm- 3 。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 Macdonald等人[22] 关于 A 值变化检测硅片中铁含量的更多信息。

　　E.10 . 3 Rotondaro[23] 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。

　　GB/T 26068—2018

　　附 录 F

　　(资料性附录)

　　SEMIMF1535-1015 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 1010 cm- 3 ~ 10 13 cm-3 ) 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。

　　F.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

　　SEMI MF1535-1015[25] 中关于精密度的叙述：为编制 JEIDA 53(现今的 JEITA EM3502) , 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 150 mm 的直拉硅单晶(100)p 型和

　　n型的热氧化片，电阻率 3 Ω · cm~47 Ω · cm 分为 2 挡，寿命 2 μs~1 500 μs 分为 3 挡，总共 12 种硅片 。有 19 个组织(17 家公司和 2 所大学)参与了测试。 在 5×10 13 光子数/cm2 的注入光子密度条件下，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。 更高的注入水平将带来更长的 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。

　　GB/T 26068—2018

　　参 考 文 献

　　[1] Blakemore , J. S. , Semiconductor Statistics ,( Dover Publications , New York , 1987 ) § 10 . 4 .

　　[2] Ferenczi,G. ,Pavelka,T. ,and Tüttδ,P. ,“Injection Level Spectroscopy: A Novel Non-Contact Con- tamination Analysis Technique in Silicon,”Jap.J.Appl.Phys.30,3630-3633(1991)

　　[3] Kirino , Y. , Buczkowski , A. , Radzimski , Z.J. , Rozgonyi , G. A. , and Shimura, F. ,“Noncontact Energy Level Analysis of Metallic Impurities in Silicon Crystals , ”Appl. Phys. Lett. 57 , 2832-2834 (1990)

　　[4] Schultz, M. , ed, in Semiconductors: Impurities and Defects in Group Ⅳ Elements and Ⅲ-Ⅴ Compounds, Landolt-Brnstein, New Series Ⅲ/22b,(Springer Verlag, Heidelberg,1989) § 4.2.3.1.

　　[5] Saritas , M. , and McKell , H.D. ,“Comparison of Minority-Carrier Diffusion Length Measure- ments in Silicon by the Photoconductive Decay and Surface Photovoltage Methods , ”J.Appl.Phys.63 , 4562-4567(1988) .

　　[6] Schroder, D.K. , Whitfield,J.D. , and Varker, C.J. ,“Recombination Lifetime Using the Pulsed MOS Capacitor, ”IEEE Trans.Electron Devices ED-31,462-467(1984) .

　　[7] Yablonovitch, E. , Allara, D. L. , Chang, C.C. , Gmitter, T. , and Bright, T.B. ,“Unusually Low Surface-Recombination Velocity on Silicon and Germanium Surfaces , ”Phys. Re