[发明专利]一种测量晶圆表面电荷密度变化的方法

说明书

本发明公开了一种测量晶圆表面电荷密度变化的方法：测量未生长薄膜的裸晶圆(或薄膜处理前晶圆)的表面方块电阻(记为R₀)；沉积薄膜于晶圆表面后(或已沉积薄膜经过一定工艺处理后)测量晶圆表面方块电阻(记为R)。如果采用P型晶圆衬底，那么表面电荷密度变化值为ΔQ＝‑(1/R‑1/R₀)/eμ_p；如果采用N型晶圆衬底，那么表面电荷密度变化值为ΔQ＝(1/R‑1/R₀)/eμ_n，其中电荷变化的极性由公式的正负值给出：正值代表正电荷的增加或者负电荷的减少；负值代表负电荷的增加或者正电荷的减少，其中e为基本电荷；μ_p和μ_n分别为空穴迁移率和电子迁移率，二者对于具体采用的晶圆是固定值。

技术领域

本发明涉及半导体晶体管制造及光电器件制造等领域中涉及晶圆表面沉积的功能薄膜，在薄膜内部和/或薄膜与晶圆间界面所含固定电荷密度的分析检测。

背景技术

氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪等氧化物薄膜和氮化硅、氮化钛等氮化物薄膜以及非晶硅、非晶硅氧等非晶半导体薄膜等材料目前被广泛应用于晶体半导体太阳电池的钝化层和作为金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管中的绝缘层而直接沉积于晶圆表面。这些薄膜内部及薄膜与晶圆间界面上所含有的固定电荷，会对器件性能产生显著的影响。需要在研发和生产中实时监控，以确保器件质量达到所需要求。固定电荷的来源可能是内部含有掺杂元素，或存在污染，或源于材料本身的结构缺陷等。本专利中将这些在薄膜内部或者薄膜与晶圆界面上存在的非自由载流子(电子和空穴)引起的固定的电荷统称为“晶圆表面电荷”。晶圆表面电荷密的存在导致了晶圆内部自由载流子(电子和空穴)浓度相对于晶圆体内浓度值重新分布，因而显著影响半导体器件的性能。以晶体硅太阳电池为例，覆盖在晶体硅表面的钝化层薄膜，如果带有一定表面电荷，会在硅片表面引起与表面电荷异性的载流子的堆积，于此同时，与表面电荷同性的载流子被排斥。当晶圆的表面缺陷态密度不变时，表面复合率就取决于两种载流子达到表面的浓度。因此，两种载流子在表面的浓度直接决定了钝化层的钝化质量，从而显著影响晶体硅太阳电池的光电转换效率。以MOS管的栅极下的绝缘薄膜为例，其内部含有的固定电荷量亦能影响晶硅表面附近载流子的分布状态，从而改变源区和漏区间导电沟道的状态，由此引起栅极的阈值电压的漂移等现象。此外，这些功能薄膜经过一定的工艺处理(如退火)等很可能引起材料特性的变化从而导致晶圆表面电荷的再变化。由此可见，监测晶圆表面电荷变化对半导体器件的研发测试和生产监控非常重要。

目前，估算晶圆表面电荷的方法为电容-电压(C-V)测试法，这种方法需要特别的样品结构，在晶圆/薄膜这种核心结构基础上，如图1(a)所示，还需要在薄膜的表面和晶圆另一面沉积金属电极以确保电路导通，同时对电极的形状和尺寸有一定限制，如图1(b)。而实际器件结构往往没有专门制备这种样品结构的环节。此外，对于某些工艺方法如原子层沉积(ALD)和低压化学气相沉积(LPCVD)，薄膜会沉积在晶圆衬底的两侧，如图1(c)所示，这往往需要去除一侧的薄膜才能实现C-V测试所需结构。本专利提测量表面电荷密度变化的方法仅需测量出晶圆的表面的方块电阻即可，无需金属电极结构而且薄膜沉积在晶圆的一侧和双侧均可。

发明内容：

为了解决现有技术中存在的表面电荷测量成本高技术问题，本发明专利提出了一种测量快速且推算方法简单，鲁棒性强，可以作为半导体生产和研发中指示薄膜质量的一种在线监测方法。

本发明方法的原理如下：

本发明技术方案中的表面电荷密度定义为薄膜中携带固定的电荷密度与薄膜与晶圆间界面中含有的固定的电荷密度的总和；