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引言
? ? ? 紫外熒光(UVF)是一種新穎而通用的檢測(cè)硅片表面金屬雜質(zhì)污染的方法。我們證明了UVF在硅片加工中污染控制的有效性。實(shí)驗(yàn)顯示了室溫下鐵、銅、鎳、鈉等主要特征峰。與其他表面敏感技術(shù)相比,UVF的主要優(yōu)勢(shì)是低檢測(cè)限、多元素同時(shí)分析和高靈敏度。
? ? ? 每個(gè)晶圓加工步驟都是潛在的污染源,可能導(dǎo)致缺陷形成和器件故障。晶片清洗必須在每個(gè)處理步驟之后和每個(gè)高溫操作之前進(jìn)行。一些金屬雜質(zhì),如鐵、銅、鎳和鈉,可能會(huì)在某些加工步驟中摻入硅片,如熱氧化、反應(yīng)離子蝕刻和離子注入。到目前為止,還沒(méi)有任何可用的方法來(lái)同時(shí)檢測(cè)鐵和鈉的污染。在此,我們首次報(bào)道了一種新的技術(shù):紫外熒光(UVF ),它可以作為一種快速的、實(shí)際上無(wú)需制備的無(wú)損檢測(cè)方法,用于評(píng)估VLSI晶片在實(shí)際工藝中的清潔性能。
實(shí)驗(yàn)
? ? ? 樣品用記錄熒光光度計(jì)測(cè)量。光源是氙氣。測(cè)量系統(tǒng)完全由計(jì)算機(jī)控制,可以研究直徑達(dá)6英寸的晶片。晶片上的測(cè)量面積可以在大約1×1和5×5 cm2之間變化。激發(fā)熒光單色儀的光柵常數(shù)為900/mm。它們對(duì)波長(zhǎng)的測(cè)量精度可以達(dá)到2納米以下。注入的紫外光束只透過(guò)硅表面約30納米。所有測(cè)量都是在硼注入直拉(Cz)和浮動(dòng)區(qū)(FZ)晶圓(直徑3-6英寸)上進(jìn)行的。所研究樣品的硼濃度范圍約為104-106cm-3,但主要使用了1-2×1015cm-3的樣品。
結(jié)果和討論
? ? ? 在UVF測(cè)量中,當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)在220-300納米范圍內(nèi)時(shí),我們獲得了室溫下300-400納米范圍內(nèi)微量雜質(zhì)鐵、鎳、銅和鈉的特征峰。這些峰值波長(zhǎng)分別為:鐵371納米、383納米和398納米,鈉330納米,銅325納米和378納米,鎳341納米和352納米。圖1顯示了鐵和鈉污染的UVF光譜。由于純硅不是300-400納米范圍內(nèi)的熒光材料,所以它沒(méi)有曲線(a)所示的特征峰。圖2顯示了失效的超大規(guī)模集成電路芯片的UVF頻譜。
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圖1 熱氧化后清洗晶片鐵和鈉污染的UVF光譜。曲線(a)是熱氧化前的UVF光譜
圖2 失效超大規(guī)模集成電路芯片硅表面銅、鎳、鉬雜質(zhì)的UVF光譜
? ? ? 如圖3所示,UVF峰強(qiáng)度(If)與金屬雜質(zhì)的濃度(Ci)和熒光效率(φI)的乘積成正比。它們服從斯托克斯定律,當(dāng)(Ci/Cmi)<<1時(shí),可以寫(xiě)成方程(1),其中A為常數(shù),Cmi為單晶硅的濃度。因此,硅片的清潔度水平可以根據(jù)上述光譜峰值強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。
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圖3 顯示了硅拋光表面的熒光峰值強(qiáng)度與雜質(zhì)含量的關(guān)系
? ? ? 在圖4中,少數(shù)載流子產(chǎn)生壽命τg隨著氧化膜下硅表面附近鐵雜質(zhì)的增加而迅速下降。圖5顯示了在140℃退火120分鐘的鐵注入晶片上的鐵的UVF光譜。圖6顯示了鐵熒光強(qiáng)度與其離子注入劑量之間的關(guān)系。
? ? ? 其中Imi和Ii分別是標(biāo)準(zhǔn)樣品和檢測(cè)晶片上金屬雜質(zhì)的熒光強(qiáng)度。顯然,金屬雜質(zhì)的含量越小,金屬雜質(zhì)的類(lèi)型越少,晶圓表面的清潔度性能就越高。
結(jié)論
? ? ? 紫外熒光測(cè)量是檢測(cè)硅片表面附近鐵、銅、鎳、鈉污染的靈敏方法。結(jié)果表明,該方法在實(shí)際工藝中監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)超大規(guī)模集成電路晶片的清潔性能是簡(jiǎn)單有效的。