一种IC级硅晶片少子寿命测试方法与流程

本发明涉及一种ic级硅晶片少子寿命测试方法，主要涉及硅晶片表面状态分析及表面介质膜的生长控制。

背景技术：

单晶硅晶片是制作集成电路的衬底材料，硅晶片的质量直接影响晶圆的制造，从而影响芯片的性能和质量。因此，集成电路用单晶硅晶片在出厂前要进行许多检测，其中少子寿命是重要的参数指标之一，反应晶体生长情况、表面缺陷、表面金属污染等综合性能。

少子寿命的检测方法是一个非接触式精密检测技术，其原理为检测非平衡状态下少子的寿命和扩散长度的指标。在平衡状态下，ic级硅晶片的电子和空穴的浓度为：

(1-1)

通过光激发，单晶体中会出现额外的电子和空穴，这些电子和空穴称为非平衡载流子。撤除激发光后，这些电子和空穴会向相互扩散，当电子和空穴相遇后就会复合消失，最终单晶体内的电子和空穴的浓度恢复到平衡时的状态。

从激发光源撤除到电子和空穴的浓度恢复到平衡状态的时间，称为少数载流子寿命(τ)，是一个时间常数。从激发光源撤除到电子和空穴的浓度恢复到平衡状态过程中，电子和空穴迁移的距离，称为扩散长度()。在实际计算中，晶体中非平衡载流子由产生（激发源撤除计算）到复合存在平均时间的间隔，等于非平衡少数载流子浓度衰减到起始值的1/e(e=2.718)所需要的时间，即为少数载流子寿命，少子寿命(τ)。扩散长度()和少子寿命(τ)的关系为：

(1-2)

式中，为电子或空穴的扩散系数。

目前测量硅晶片少子寿命和扩散长度的方法主要有微波光电导衰减法(μ-pcd)、高频光电导衰减法(c-pcd)和表面光电压法(spv)。

微波光电导衰减法(μ-pcd)采用红外光入射晶体表面，放射深度大约为30μm，微波探测源的频率通常为10ghz，其强度i随时间t的衰减变化规律为

(1-3)

式中，为光激发时的强度。少子寿命τ为测量的平均寿命，由下式确定：

(1-4)

(1-5)

(1-6)

式中，为晶体内的少子寿命，为少子从样品体内扩散到表面所需时间。为由于样品表面复合产生的表面寿命，为样品的测试寿命，d为硅晶片样品的厚度，分别为电子和空穴的扩散系数；s为表面复合速度。

从上式可以看出，硅晶片的表面复合对少子寿命的测量产生直接的影响。一般情况，表面复合速率s相当高，则测量的少子寿命主要体现了样品表面的特征。即：

（1-7）

其数值通常在30μs以下，而且重复性不好，数据离散性较大。主要体现的是表面复合速率s，不能充分反映晶体的实际质量。

因此，为测量晶体实际的少子寿命，避免硅晶片表面电子和空穴复合速率s的影响，目前主要采用对硅晶片表面进行钝化处理的方法。硅晶片的表面钝化主要分为化学钝化和场钝化两类。化学钝化是利用h或卤素元素对硅晶片表面悬挂键进行饱和，从而降低表面复合速率；场钝化则利用介质膜中的固定电荷形成电场屏蔽效应来降低表面复合速率，常用的场钝化介质膜有：siox、sixny、a-sih等。化学钝化则利用hf溶液、碘酒溶液等对硅晶片表面钝化。

目前，ic级硅晶片少子寿命的测量较多地采用高频光电导衰减法(c-pcd)，其基本原理为，在硅晶片表面制备一层氧化硅（sio2）膜层，并对硅晶片氧化硅介质膜层施加固定电荷，利用电场屏蔽效在硅晶片表面形成一个钝化层，使电子和空穴在此时表面复合速率s趋近于0，此时几乎可以忽略，实际测得的即可认为是晶体中少子的，反映了晶体内部的特征。即：

（1-8）

（1-9）

（1-10）

从以上的分析可以看出，采用高频光电导衰减法(c-pcd)测量ic级硅晶片少子寿命，纯化膜的质量是关键因素之一。氧化膜的质量不合格可能是两种原因造成的，第一种情况是氧化膜不完整，不连续，硅晶片表面未形成完全钝化。此时电子和空穴在此时表面复合速率s不趋近于0。式1-8、式1-9和式1-10不成立，测量出的数值将明显偏低，不是晶体内部的特征。

另一种情况是氧化膜过厚。虽然式1-8和式1-9成立，但是式1-10不成立。因为氧化膜（sio2）过厚，微波信号在氧化膜（sio2）中的特征不能忽略，少子寿命是包含了在单晶硅晶体中的特性和氧化膜的特性。而氧化膜的成分是sio2，对于电子和空穴而言可以视为绝缘体，复合速度为0，寿命趋近于∞。因此测量的结果将偏高，而且随着膜厚的增加，影响越来越显著。

理想的氧化膜的状态满足两个条件：一是完全覆盖硅晶片表面；二是厚度要尽可能低，达到固定电荷的要求即可。部分研究结果表明，氧化膜（sio2）的厚度在100å左右最佳。

目前的测量过程中，氧化膜的生成采用各种氧化工艺法，最主要的是o3氧化法。采用单一的工艺参数，具体为：在425℃条件下，采用紫外线照射生成o3，氧化10min。实践结果表明，这种工艺生成氧化膜不稳定，不均匀、不能完全保证氧化膜的状态满足理想条件。尤其是不完全覆盖硅晶片表面的情况出现较多，测量结果与真实值相比偏低，稳定性和重复性都较低，离散性大。而氧化膜过厚就会使测量结果与真实值相比偏高。

为解决以上的问题，本发明提供一种ic级硅晶片少子寿命测量方法，使硅晶片表面生成理想氧化膜，准确反映硅晶片的性能，测量结果稳定性和重复性好，离散性小。

技术实现要素：

本发明提供一种ic级硅晶片少子寿命测试方法，首先测量硅晶片表面粗糙度，清洗硅晶片后，其次根据硅晶片表面粗糙度确定钝化膜生长工艺，最后采用c-pcd法测量硅晶片的少子寿命。本发明技术在硅晶片表面生成既完全覆盖硅晶片表面又稳定固定电荷的低厚度氧化膜，准确测量硅晶片的少子寿命，测量结果稳定性和重复性好，离散性小。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一步，测量硅晶片的表面粗糙度ra。

第二步，对硅晶片进行表面清洗，去除硅晶片表面自然生成的氧化膜。清洗的条件为：用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。

第三步，制备完全覆盖硅晶片表面的钝化膜，固定表面电荷，且不影响信号。采用紫外线照射空气生成o3，氧化硅单晶片的表面，生成成分为sio2的钝化膜。

钝化膜生成工艺技术是本发明专利关键技术特征，硅与o3反应生成（sio2）是一个氧化还原反应，反应方程为：

(2-1)

根据其热力学方程，可以得出在300℃以上，反应为自发反应。其反应符合阿伦尼乌斯方程：

(2-2)

式中，k为反应速率，a为反应温度下的反应常数，为表观反应活化能，r为摩尔气体常量，t为反应温度。

与硅晶片的表面状态相关，当硅晶片表面越接近理想平面，即表面光洁度越高，ra越小，值越大，反应也越难以发生，相应地反应速度也越低。当硅晶片表面光洁度越低，ra越大，值越小，反应也越容易发生，反应速度也越高。原因是当硅晶片表面为平面时，反应在平面发生，难度大。当硅晶片表面粗糙时，反应优先在表面尖点处发生，难度小。

本发明专利定义与ra的关系为：

,即(2-3)

则硅晶片表面氧化膜的生成厚度为：

(2-4)

为了保证硅晶片表面生成完全覆盖，且厚度均匀一致的氧化膜，要求如果ra越小，反应温度t越高，时间t越小。相反如果ra越大，反应温度t越小，时间t越长。

因此，本发明专利选择的工艺参数为：

(3-1)

(3-2)

(3-3)

式中，ra的单位为μm；为最高反应温度，500℃；t为时间，单位为s；为理想表面时的膜厚，100å；为实际膜厚，单位为å。

第四步，选择紫外光的波长和强度。

第五步，测量少子寿命，采用c-pcd法测量硅晶片少子寿命。

附图说明

图1为本发明专利钝化膜生成的温度和时间与粗糙度的关系

具体实施例说明

实施例1

硅晶片直径为200mm，厚度规格为725μm，抛光片。测量表面粗糙度为0.05μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度476℃，时间576s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可以看出本发明专利技术的重复性非常好，最小值大于100μs，平均值均大于400μs，数值标准差为5.56μs。

对比例1

采用常规的钝化膜制备工艺，测量实施例1相同的硅晶片少子寿命。测量表面粗糙度为0.05μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度425℃，时间600s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可见，测量结果中出现了小于100μs的数值，出现这种情况原因有两个，一是钝化膜没有完全覆盖硅晶片面，另一种是硅晶片污染。而从实施例1可知，硅晶片没有污染，说明硅晶片的氧化温度不足。同时，平均值的离散性也非常大，标准差达到了48.68μs，表明测量结果不准确。

实施例2

硅晶片直径为200mm，厚度规格为726μm，抛光片。测量表面粗糙度为0.11μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度448℃，时间619s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可以本发明专利技术的重复性非常好，最小值大于100μs，平均值均大于400μs，数值标准差为7.02μs。

实施例3

硅晶片直径为300mm，厚度规格为836μm，抛光片。测量表面粗糙度为0.25μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度389℃，时间732s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可以本发明专利技术的重复性非常好，最小值大于100μs，平均值均大于400μs，数值标准差为9.50μs。

实施例4

硅晶片直径为300mm，厚度规格为833μm，抛光片。测量表面粗糙度为0.35μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度352℃，时间827s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可以本发明专利技术的重复性非常好，最小值大于100μs，平均值均大于400μs，数值标准差为8.89μs。

实施例5

硅晶片直径为200mm，厚度规格为726μm，抛光片。测量表面粗糙度为0.45μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度319℃，时间933s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可以本发明专利技术的重复性非常好，最小值大于100μs，平均值均大于400μs，数值标准差为7.77μs。

实施例6

硅晶片直径为200mm，厚度规格为725μm，抛光片。测量表面粗糙度为0.50μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度303℃，时间992s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可以本发明专利技术的重复性非常好，最小值大于100μs，平均值均大于400μs，数值标准差为8.50μs。

对比例2

采用常规的钝化膜制备工艺，测量实施例6相同的硅晶片少子寿命。测量表面粗糙度为0.50μm，采用10%的hf溶液将硅晶片浸泡10min，接着用超纯水将其冲洗10min后放入甩干机中用600r/min的速度甩干。钝化膜生长工艺为：紫外光o3氧化，温度425℃，时间600s。钝化膜制备后测量硅晶片的少子寿命，重复三次测量，结果见表1。可见，测量结果中出现了大于280μs的数值，说明硅晶片的氧化温度过高，氧化膜厚。同时，平均值的离散性也非常大，标准差达到了86.37μs，表明测量结果不准确。

表1硅晶片少子寿命测试结果