CN103730386A - 一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法 - Google Patents

一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：在半导体材料激光退火装置中加入一光学检测系统，以实现对激光退火的实时在线检测。该光学检测系统包含一束光子能量大于本征半导体材料禁带宽度的强度周期性调制的激励光束，以及一光载流子红外辐射信号收集装置。通过与参考样品的光载流子辐射信号数据进行比较，进而实时调整激光退火参数，实现预期退火效果，提高半导体材料的退火效率。

Description

一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法
技术领域
本发明涉及一种半导体材料激光退火在线检测方法，特别涉及一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法。
背景技术
随着半导体工艺特征尺寸的不断减小，超浅结工艺已经成为半导体工艺技术研究中的热点。为了减小杂质的扩散以满足浅结的要求，需要采用新的退火技术进行杂质的激活和晶格损伤的修复。相对于常规热退火，在准分子激光退火(S.Do,S.Kong,Y.Lee,J.Oh,J.Lee,M.Ju,S.Jeon and J.Ku,Ultra-shallow Junction Formation Using Plasma Doping and Excimer LaserAnnealing for Nano-technology CMOS Applications,Journal of the Korean Physical Society.55,1065(2009))过程中，掺杂离子的再分布可以通过调节准分子激光器的参数进行有效控制，同时可以获得高的激活效率。另外，准分子激光退火在薄膜晶体管和液晶显示屏的应用中也越来越广泛，作为一个关键的加工工艺，准分子激光退火将非晶硅(a-Si)转变为多晶硅(p-Si)，使电子迁移率提高数百倍，提升高端薄膜晶体管或显示屏中的像素密度。由于退火程度及其均匀性直接决定了器件的性能和生产效率，因此对激光退火进行精确快速地在线检测和无损表征在半导体超浅结和高端薄膜晶体管或显示屏制造技术中至关重要。
目前常用的退火检测技术主要有电化学方法和光学检测方法，其中透射电子显微镜(TEM:Transmission Electron Microscopy)和二次离子质谱(SIMS:Secondary-Ion-MassSpectrometry)测量方法是具有代表性的两种电化学检测方法，由于测量过程中均需要与材料接触，对材料具有破坏性，同时其测量过程耗时长，影响生产效率。专利号为US6656749B1的美国专利提出通过测量光反射系数的变化在线监测激光退火MOS器件源漏结的结深，由于测量过程中要同时考虑温度场和载流子分布的影响，影响测量精度。光载流子辐射(PCR：Photo-Carrier Radiometry)技术自提出以来，广泛应用于半导体材料载流子输运参数的表征和掺杂浓度及均匀性的检测，由于完全滤除了温度场的影响，测量信号仅与探测区域内光激发产生的载流子浓度和材料内部的缺陷能级有关，相比热波测量方法，具有信号稳定，灵敏度高等诸多优点，具有较强的工业化应用潜力。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，具有测量灵敏度高和可实时在线检测等优点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于包括：
在半导体材料激光退火装置中加入一基于光载流子辐射技术的光学检测系统，即将强度周期性调制的激励光束照射到退火半导体材料表面，产生周期性调制的载流子经辐射复合产生红外辐射信号，即光载流子辐射信号，通过收集并比较退火半导体材料和参考样品的光载流子辐射信号的振幅值和/或相位值，进而实时调节激光退火参数，达到预期退火效果，实现对激光退火的实时在线检测和/或控制。
其中，所述的激光退火装置为点扫描式或线扫描式退火。所述的激光退火参数为退火脉冲激光能量，脉冲数和脉冲重复率等参数。
其中，所述的半导体材料为离子注入晶体硅材料或非晶硅薄膜材料。
其中，所述的光学检测系统包含一光子能量大于被测半导体材料禁带宽度的强度周期性调制的激励光束和光载流子红外辐射信号收集探测装置。
其中，所述的光学检测系统中的激励光束由连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器输出，其强度调制可通过调制半导体激光器的驱动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器调制连续激光束来实现。
其中，所述的收集光载流子红外辐射信号的收集设备为光电二极管探测器或光电倍增管或红外相机，红外相机用来对退火区域进行成像。
其中，所述的采用红外相机对退火区域进行成像时，成像大小可通过调节入射到半导体材料表面的激励光束的光斑大小来实现。
其中，所述的退火激光光束与光学检测激励光束的间距需通过优化选择，以避免由于两者间距过小使得检测位置的激光退火过程尚未完成而导致检测结果不实，同时避免由于两者间距过大而达不到实时检测的目的。
其中，所述的收集光载流子红外辐射信号的收集装置中需加滤光片滤除激励光束和退火激光光束的散射光的影响。
本发明的原理是：
退火激光光束照射到半导体材料表面，其光能通过电磁相互作用被半导体材料吸收。当吸收的激光能量低于半导体材料的熔融阈值时，半导体材料通过固相外延再结晶，从而使得离子注入引起的晶格损伤或非晶薄膜中的缺陷得到一定程度的修复，而当吸收的激光能量高于半导体材料的熔融阈值时，半导体材料通过液相外延再结晶，使掺杂离子很好地完成晶格结构替位，同样达到修复晶格损伤的目的，因此修复的程度与激光退火参数密切相关。如果将一束光子能量大于半导体禁带宽度的合适功率激励光束照射到退火半导体材料表面，半导体中的电子将从价带跃迁到导带，同时在价带产生空穴。这些因激发产生的非平衡载流子通过带带间直接复合和杂质缺陷能级相对应的间接复合产生红外辐射信号，即光载流子辐射信号。由于光载流子辐射信号与被测半导体中载流子的输运参数（如载流子寿命，迁移率和表面复合速率等）有关，而载流子输运参数与被测区域中缺陷损伤密切相关，因此与退火参数直接相关。通过测量并比较退火半导体样品和参考样品的光载流子辐射信号的振幅值和/或相位值，进而对激光退火参数进行实时调整，以实现预期退火效果，提高退火效率。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）与电化学方法相比，可实现无损、无接触、实时在线检测，提高生产效率；
（2）与热探针方法相比，消除了温度场的影响，提高测量精度和灵敏度。
附图说明
图1为本发明具有光学检测系统的激光退火装置示意图；
图2为本发明中光学检测系统测得的两个不同调制频率下的光载流子辐射信号振幅值与退火激光脉冲能量密度的关系图；
图3为本发明中光学检测系统测得的两个不同调制频率下的光载流子辐射信号相位值与退火激光脉冲能量密度的关系图；
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，ArF准分子激光退火装置输出的退火激光光束1对半导体材料2进行退火处理。光学检测系统中的激励光束3由中心波长为405nm（该激励光产生的光子能量为3.06eV，大于硅的本征禁带宽度1.1eV）的半导体激光器输出，其输出功率为53mW，并通过函数信号发生器进行周期性调制；光载流子辐射信号由红外光探测装置4收集探测，该探测装置包含一滤除退火激光光束和激励光束散射光的长波通滤光片，探测光载流子红外辐射信号的InP/InGaAs光电倍增管（PMT）探测器，其探测波长范围为0.95-1.7μm，用来解调探测到的光载流子辐射信号的锁相放大器，其最大探测频率为2MHz，以及用于控制系统自动运行及存储、处理信号数据的计算机。其中参考半导体硅片样品参数：P型，晶向<100>，电阻率15-25Ω·cm，厚度725±25μm，As+注入能量1keV，剂量1×1015cm-2。激光退火参数：准分子激光器输出光束波长193nm，脉冲宽度约7ns。
图1为本发明具有光学检测系统的激光退火装置示意图，将半导体硅片样品2放置在准分子激光退火反应室（未显示）中，调节ArF准分子激光退火装置，将预设退火参数的脉冲激光光束1照射到半导体硅片表面，进行准分子激光退火。退火过程中，样品在样品架（未显示）的作用下沿箭头方向进行移动，进行点扫描式退火。由于退火效应，离子注入引起的晶格损伤得到一定程度的修复，图1半导体硅片样品中虚线形象的表示未退火区域中存在大量的晶格损伤。
为了实时检测离子注入引起的晶格损伤在准分子激光退火过程中的修复程度，利用基于光载流子辐射技术的光学检测装置进行测量。将方波（或其它波形）调制的405nm半导体激光器输出的激励光束1照射到已退火区域表面，样品因吸收激励光束能量在被照射处产生周期性变化的载流子密度波场，载流子经辐射复合产生光载流子红外辐射信号，经红外光探测设备4收集探测，具体为经滤光片滤除激励光束和退火激光光束的散射光后，再经红外探测器进行探测，最后通过锁相放大器解调获得光载流子辐射信号的一次谐波振幅值和相位值。
图2和图3分别为在光学检测系统中测量得到的参考样品在两个不同调制频率下光载流子辐射信号的振幅值和相位值与准分子激光退火能量密度的关系曲线，两者均随能量密度的增加呈单调变化，且低频振幅和高频相位对脉冲能量密度的变化更为敏感，因此有利于定标处理。通过与参考样品的光载流子辐射振幅和/或相位信号进行比较，进而实时调节退火脉冲激光能量（可通过调节其他激光退火参数实现，需先标定），达到预期退火效果，提高退火效率。
本发明提供的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法适用于但不限于超浅PN结和低温多晶硅薄膜晶体管等半导体器件激光退火工艺过程中的实时在线检测。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：该方法在半导体材料激光退火装置中加入一基于光载流子辐射技术的光学检测系统，即将一束强度周期性调制的激励光束照射到退火半导体材料表面，产生的周期性调制载流子经辐射复合产生红外辐射信号，即光载流子辐射信号，通过收集并比较退火半导体材料和参考样品的光载流子辐射信号的振幅值和/或相位值，进而实时调节激光退火参数，达到预期退火效果，实现对激光退火的实时在线检测和/或控制。
2.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：所述的激光退火装置为点扫描式或线扫描式退火，所述的激光退火参数为退火脉冲激光能量，脉冲数和脉冲重复率等参数。
3.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：所述的半导体材料为离子注入半导体硅材料或非晶硅薄膜材料。
4.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：所述的光学检测系统包含一光子能量大于被测半导体材料禁带宽度的强度周期性调制的激励光束和光载流子红外辐射信号收集探测装置。
5.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：所述的光学检测系统中的激励光束由连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器输出，其强度调制可通过调制半导体激光器的驱动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器调制连续激光束来实现。
6.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：所述的收集光载流子红外辐射信号的收集设备为光电二极管探测器或光电倍增管或红外相机，红外相机用来对退火区域进行成像。
7.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：采用权利要求6所述的红外相机对退火区域进行成像时，成像大小可通过调节入射到半导体材料表面的激励光束的光斑大小来实现。
8.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：所述的退火激光光束与光学检测激励光束的间距需通过优化选择，以避免由于两者间距过小使得检测位置处的激光退火过程尚未完成而导致检测结果不实，同时避免由于两者间距过大而达不到实时检测的目的。
9.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于：所述的收集光载流子红外辐射信号的收集装置中需加滤光片滤除激励光束和退火激光光束的散射光的影响。
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