一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法与流程

本发明涉及半导体材料特性检测领域，特别涉及一种硅晶圆电阻率的非接触式、无损、定量测量的光学方法。

背景技术：

电阻率是表征掺杂半导体材料导电性能的重要参数之一。在当今的集成电路工业和光伏能源工业生产线上，测量半导体材料的电阻率已经成为常规例行的一道工序。测量电阻率的方法有很多，其中，四探针法是一种在全球半导体行业内被广泛采用的标准方法，它的优点是设备简单、精确度高，对样品形状无严格要求。但是，四探针法的缺点也很明显：第一，四探针法是一种接触式的测量方法，探针与样品接触的过程会不可避免地引入破坏和污染；第二，对于表面有绝缘层的晶圆片(如经过表面氧化钝化的硅晶圆)，四探针法除非用探针刺穿(有损)表面绝缘层、否则无法测量晶圆片的体电阻率；第三，四探针法属于局域探测技术，对于当今半导体基底尺寸不断增大的趋势(16寸的晶圆已逐渐成为主流)，四探针法只能做到局域抽检，无法做到整个大尺寸晶圆的全覆盖扫描测量。

光学检测方法具有非接触、无损、无污染、快速等先天优点，在如今的半导体材料特性检测领域中已经成为新一代重点发展的检测技术；ccd性能的飞速发展使得基于光学成像技术的大尺寸晶圆全覆盖成像测量成为可能。在应用于半导体材料特性检测领域的诸多光学检测技术中，光致荧光(photoluminescence)技术以能够测量半导体少数载流子输运性能而著称，包括测量载流子寿命、载流子迁移率、表面复合速率等少数载流子输运参数。光致荧光技术在实现少数载流子输运参数测量的过程中，通常采用激励光强调制的模式，样品中被激发的自由电子/空穴对通过辐射复合所产生的近红外荧光信号携带有相同的频率分量，利用锁相放大器来解调该频率下的幅度和相位，并通过调制频率从低频到高频的扫描来获得幅度和相位随频率变化的数据，从中提取出少数载流子输运参数。

基于光致荧光效应的发光光强正比于少子浓度和多子浓度乘积的理论基础，以及掺杂半导体材料的电阻率与平衡多子浓度直接相关的事实，本发明提出利用一种利用光致荧光效应测量硅晶圆平衡多子浓度及电阻率的方法。与频率扫描模式的光致荧光技术测量少数载流子输运性能不同，该方法是一种基于强度扫描模式的光致荧光技术，利用光致荧光信号随激励光强呈非线性关系的特征，从荧光信号幅度和相位随激励光强变化的关系来测出硅晶圆平衡多子浓度以及电阻率。该方法具有非接触、无损、无污染、定量、快速等优点，而且对晶圆表面导电性能无要求(即便待检晶圆表面有很厚的绝缘层也可以测量)。该方法无需施加电极即可测量晶圆电阻率的特征有望成为半导体生产线上在线快检/在线监测的理想选择。

技术实现要素：

本发明提出一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，其测量系统包括函数发生器1、激励激光器2、光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5、离轴抛物面镜7、长通滤波片8、两个光电探测器9和11、锁相放大器10、计算机12，其特征在于：

运用函数发生器1产生的信号调制激光器2使其发出光强随时间呈周期性变化的激光，经过光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5后形成光强均匀分布的大光斑入射硅晶圆样品6并在其中产生浓度随时间呈周期性变化的自由电子/空穴对，自由电子/空穴对通过辐射复合所产生的近红外荧光信号由一对离轴抛物面镜7收集后、经长通滤波片8、由近红外光电探测器9记录，再由锁相放大器10解调、获得荧光信号的幅度与相位，通过调节中性滤波片4可以连续地改变激励光强从而得到一组强度扫描的荧光信号，激励光强的相对改变由另一个光电探测器11实时记录，通过分析强度扫描数据可以求出硅晶圆的平衡多数载流子浓度，进而可以得到其电阻率，整个系统的控制以及数据存储与分析由计算机12完成。

所述的函数发生器1所产生的调制信号的频率应为低频，即满足准稳态近似ωτ<<1，其中ω为光强调制角频率，τ为待测硅晶圆的等效载流子寿命。

所述的函数发生器1所产生的调制信号的直流分量应远大于交流分量，使得激光光强为一个小的交流信号叠加在一个大的直流背景上。

所述的激光器2所发出激光的光子能量应大于硅禁带宽度，从而可以激发自由电子/空穴对。

所述的激光器2的光功率应足以在待测硅晶圆样品中产生与其平衡多子浓度相当的光载流子浓度。

所述的从激光器出射的激光束经光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5后，形成光强均匀分布、平均光功率可以连续调节的大尺寸光斑，从而可以实现对样品的均匀激励。

所述的长通滤波片8可以滤除激励激光、只通过硅晶圆中载流子辐射复合所产生的近红外荧光信号。

所述的近红外光电探测器9对硅晶圆中载流子辐射复合所产生的荧光波长应具有很好的响应，如ingaas光电探测器，而光电探测器11对激励激光的波长应具有很好的响应，如硅光电探测器。

所述的光电探测器11实时记录强度扫描中光强的相对变化，而绝对光强的定量信息由测量开始前的一次光强绝对测量来校准获得。

所述的锁相放大器10应具有至少两个通道同时探测的能力，可以同时解调光电探测器9和11的信号，锁相放大器10的参考信号由函数发生器1提供，参考信号的频率与激光调制的频率相同。

所述的强度扫描数据处理，先从相位数据求出硅晶圆的光载流子寿命随光强的变化关系，以此计算出各个光强下的光载流子浓度，然后利用幅度数据求出硅晶圆的平衡多数载流子浓度，从而计算出该硅晶圆的电阻率。

本发明的有益效果是：在不接触硅晶圆样品的情况下，可以实现样品电阻率的定量测量，这种全光学的测量方法不仅具有无损、无污染、对待测样品表面特性无要求等优点，其无需施加电极即可测量电学性能的特征有望成为半导体生产线上在线快检/在线监测的理想选择。

附图说明

图1为本发明的实验系统示意图，其中1为函数发生器、2为激励激光器、3为光束准直器、4为可调节中性滤波片、5为均匀扩束器、6为待测硅晶圆样品、7为一对离轴抛物面镜、8为长通滤波片、9为近红外光电探测器、10为锁相放大器、11为可响应激励激光的光电探测器、12为计算机。

图2为通过强度扫描得到的光致荧光信号幅度和相位数据示例，样品一为n型硅晶圆，样品二为p型硅晶圆，激励光波长为808nm，调制频率为100hz。(a)为幅度随平均激励光强的关系，(b)为相位随平均激励光强的关系。

图3为基于图2所示实验数据的分析处理与最佳拟合。(a)为从相位随平均激励光强的关系推得的光载流子寿命随光载流子浓度的关系，(b)为理论模型对幅度随光载流子浓度关系的最佳拟合，拟合输出参数即为硅晶圆的平衡多数载流子浓度，进而可以计算出电阻率。

具体实施方式

下面结合图1-3具体描述本发明提出的一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，不应该理解成对本发明的限制。具体的实施步骤如下：

(1)搭建实验系统。搭建如图1所示的非接触式测量硅晶圆电阻率的光学实验系统，包括函数发生器1、激励激光器2、光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5、离轴抛物面镜7、长通滤波片8、两个光电探测器9和11、锁相放大器10、计算机12。

a.将函数发生器与激光器连接，基于激光器说明书所提供的驱动信号数据，设定函数发生器输出信号幅度的安全范围。

b.激励激光选为808nm、10w的连续激光，其光子能量大于硅禁带宽度，从而可以激发自由电子/空穴对，10w的光功率应足以在待测的两个硅晶圆样品中产生与其平衡多子浓度相当的光载流子浓度。

c.调节光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5，形成光强均匀分布、平均光功率可以连续调节的大尺寸光斑入射样品表面，实现对样品的均匀激励。

d.调节离轴抛物面镜，使得样品位于一个离轴抛物面镜焦平面，近红外光电探测器位于另一个离轴抛物面镜的焦点。

e.在近红外光电探测器前放置长通滤波片，使之完全滤除激励光、仅通过硅晶圆中载流子辐射复合所产生的近红外荧光信号。。

f.在样品上方不阻挡离轴抛物面镜光路的位置放置光电探测器，通过接收样品表面对激励光的漫反射光实现对激励光强相对变化的实时监测。

g.将函数发生器驱动激光器的信号分出一路接入锁相放大器的参考输入，将两个光电探测器的输出作为锁相放大器待测信号的输入。

(2)强度扫描数据的获取。基于上述实验系统，开展测量，通过调制信号选取与设置、绝对光强测量与校准、激励光强度扫描三个步骤，最终获得光致荧光信号的幅度和相位随激励光强变化的数据。作为示例，待测的两个样品分别为电阻率在1ω^.cm左右的n型硅晶圆和电阻率在20～40ω^.cm的p型硅晶圆。

a.根据待测样品的基本信息，得知其等效载流子寿命在微秒量级，因此设置函数发生器产生的调制频率为100hz，满足准稳态近似ωτ<<1，其中ω为光强调制角频率，τ为待测硅晶圆的等效载流子寿命；同时，设置函数发生器的输出信号，使其产生直流偏置比交流幅度大10倍的调制信号用以驱动激光器。

b.测量样品位置处的入射光功率以及光斑面积，计算出绝对光强，并记录下此时光电探测器11的信号幅值，利用此对应关系为之后的光强相对变化数据提供校准。

c.通过旋转可调节中性滤波片4，连续地改变激励光强，同时，用计算机从锁相放大器中读取光电探测器9和11的幅度和信号。

图2所示为通过上述强度扫描测量得到的光致荧光信号幅度和相位数据，样品一为n型硅晶圆，样品二为p型硅晶圆。(a)为幅度随平均激励光强的关系，(b)为相位随平均激励光强的关系。

(3)实验数据处理与电阻率计算。基于前面所得到的强度扫描数据，可以计算出硅晶圆的电阻率。

a.处理相位数据，利用关系可以得到不同激励光强下的准稳态等效载流子寿命，其中为测得的相位，ω为光强调制角频率，τ为待测硅晶圆的等效载流子寿命。

b.利用校准获得的绝对光强信息以及前面得到的等效载流子寿命，利用关系δn＝i0(1-r)τ/(el)，计算出不同激励光强下的光载流子浓度δn，其中i0为平均激励光强，r为晶圆对808nm激光的反射率，e为光子能量，l为样品厚度，这样就可以得到载流子寿命随光载流子浓度的关系，如图3(a)所示。

c.再利用前面得到的幅度数据a以及上面得到的不同激励光强下的光载流子浓度δn，利用公式a＝c(2δn+nd)δn/(1+ω²τ²)^1/2，对实验数据进行最小二乘法最佳拟合，平衡多子浓度nd为待拟合参量，其中c为一比例因子，对拟合过程没有影响。拟合结果如图3(b)所示，求得的样品一的平衡多子浓度为2.0×10¹⁵cm^-3，样品二的平衡多子浓度为6.4×10¹⁴cm^-3。

d.根据所得到的平衡多子浓度nd，利用其与电阻率关系的公式，即可计算出待测硅晶圆的电阻率。下式分别给出对于掺硼的p型硅晶圆和掺磷的n型硅晶圆的平衡多子浓度与电阻率关系的公式为

其中y＝1og10(nd)-16。，nd的单位为cm^-3。根据上式以及前面所求得的平衡多子浓度，得到样品一和样品二的电阻率分别为2.3和20.8ω^.cm。

本发明提出的非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，在不接触硅晶圆样品的情况下，可以实现样品电阻率的定量测量，这种全光学的测量方法不仅具有无损、无污染、对待测样品表面特性无要求等优点，其无需施加电极即可测量电学性能的特征有望成为半导体生产线上在线快检/在线监测的理想选择。