[发明专利]一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法

说明书

本发明公开了一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，运用强度周期性调制的、光子能量大于硅禁带宽度的激光经准直、扩束后激励硅晶圆，在其中产生浓度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发出的近红外荧光信号由一组离轴抛物面镜收集后由近红外光电探测器记录，并由锁相放大器解调、获得荧光信号的幅度与相位；连续地改变平均激励光强可以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，进而得到其电阻率。本方法可以非接触地测量硅晶圆电阻率，为半导体制造业的晶圆在线监测/检测提供一种全光学的、无损、定量的表征方法。

技术领域

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。

发明内容

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：