CN114235764A - 一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，运用三通道函数发生器，其中的两个通道分别产生两个频率为f1和f2的正弦信号，共同驱动一个激光器使其发出调制激光束用来激励待测半导体晶圆，并在其中产生非平衡载流子；载流子辐射复合所发出的动态荧光信号的图像由CCD采样拍摄；函数发生器的第三个通道产生一个频率为|f1‑f2|的正弦信号作为参考信号，对CCD每个像素点在帧序列中形成的离散时域信号作数字锁相运算，将频率为|f1‑f2|的信号分量的幅度提取出来；通过分析不同频率下的幅度图像可以得到该晶圆的载流子表面复合速率定量图像，可为半导体生产线提供一种非接触、无损、定量、快速的晶圆表面电学质量评估与成像表征的方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料特性检测领域，特别涉及一种半导体晶圆载流子表面复合速率空间分布的非接触式、无损、定量成像的光学表征方法。
背景技术
表面制备是半导体器件制造业中非常重要的一环。新一代半导体器件需要先进的表面处理工艺提供稳定的、洁净的、无氧的、氢钝化的晶圆表面，以实现低热预算的要求。当前全球的半导体表面制备专家所共同面临的关键问题是，如何定量地评价裸露的晶圆表面的载流子动力学特性，这些动力学特性在空气中或在保护气体中随时间的演化规律是什么，什么样的表面制备工艺可以更好地抑制这种自然演化过程。评估超净表面电学质量的方法和参数有很多，比如散射法测量表面粗糙度、质谱仪测量污染物种类、表面电荷分析仪测量有害杂质面密度等等。其中，非平衡载流子表面复合速率能很灵敏地反映一切对电学质量产生有害作用的因素，如金属、有机物、氧离子、微粗糙度等等。
光学检测方法具有非接触、无损、无污染、快速等优点，在如今的半导体载流子复合与输运特性表征领域中已经成为新一代重点发展的检测技术。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)技术以能够测量过剩载流子复合与输运性能而著称，包括测量体复合寿命、迁移率、扩散系数、表面复合速率等非平衡载流子输运参数。光致荧光技术在实现载流子复合与输运参数测量的过程中，通常采用激励光强调制的模式，样品中被激发的非平衡载流子通过辐射复合所产生的荧光信号(一般在近红外波段)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，从中提取出过剩载流子复合与输运参数。但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)，传统的基于单点探测的光致荧光技术只能做到局域抽检，无法做到整个大尺寸晶圆的全覆盖扫描测量，而如果采用逐点扫描模式来实现成像，则耗时过长，无法实现在线快检。
当今近红外CCD性能的飞速发展使得基于光致荧光技术的大尺寸晶圆全覆盖快速成像成为可能，本发明提出用CCD取代传统光致荧光技术中的单点探测器；同时，为了克服有限的CCD帧率的限制，本发明提出使用两束非同频调制的高频激光激励样品，利用半导体材料本征的非线性光载流子辐射信号特性，将待测样品作为非线性混频器，构造出一个携带有高频信号信息的差频信号分量，此拍频信号分量的频率足够低，目前的InGaAs相机足以准确记录，并且有非常好的信噪比。高频图像之所以携带了重要信息是因为，在不同的激励光调制频率下，载流子体复合特性与表面复合特性对总的荧光信号的贡献权重是不一样的；低频时体贡献大，而高频时表面贡献大；因此，获得高频图像并定量分析全频段信号特征，才能实现载流子体复合特性和表面复合特性的精确分离。
发明内容
本发明提出一种半导体晶圆非平衡载流子表面复合速率空间分布的快速定量成像表征方法，其系统包括三通道函数发生器1、激励激光器2、准直扩束系统3、待表征晶圆样品4、荧光成像CCD5、长通滤波片6、计算机7，其特征在于：
运用三通道函数发生器1，其中的两个通道分别产生两个频率为f1和f2的正弦信号，共同驱动激光器2使其产生光强随时间调制的激光束，经准直扩束系统3后形成大光斑，用来激励待测半导体晶圆4并在其中产生非平衡载流子；载流子辐射复合所发出的动态荧光信号的图像由CCD5采样拍摄，放置于CCD5镜头前的长通滤波片6可滤除激光器2所发出的激励光、但允许荧光信号进入CCD5，所拍摄到的动态图像数据传输给计算机7；函数发生器1的第三个通道产生一个频率为|f1-f2|的正弦信号，计算机7以此作为参考信号对CCD5每个像素点在帧序列中形成的离散时域信号作数字锁相运算，将频率为|f1-f2|的信号分量的幅度提取出来；通过分析不同频率下的幅度图像可以得到该晶圆的载流子表面复合速率定量图像。
所述的函数发生器1所产生的用于驱动激光器2的双频信号，两个频率f1和f2不同但相近，即|f1-f2|很小，使得CCD5的帧率足以能对差频信号|f1-f2|进行充分采样，即应满足奈奎斯特采样定理，即CCD帧率大于差频|f1-f2|信号频率的两倍；。
所述的激光器2必须是光功率可模拟调制的激光器，且其所发出的激光光子能量应大于待测半导体晶圆材料的禁带宽度，从而可以激发非平衡载流子；同时，激光器的光功率应足够高，扩束后的光强能满足载流子注入剂量的要求，由具体半导体材料和具体表征需求决定。
所述的从激光器2出射的激光束经准直扩束系统3后，形成光强空间均匀分布的大尺寸光斑且能覆盖整个待测晶圆，可以实现对晶圆样品的均匀激励。
所述的CCD5的感光波段选为待测半导体的荧光波段，且CCD5放置在晶圆背面，即激励光所在的另一侧，因此晶圆前表面对激励光的反射光无法抵达CCD5，而置于CCD5前的长通滤波片6可以进一步滤除杂散激励光，以保证CCD5所拍摄到的图像为纯荧光图像。
所述的CCD5具有外部触发的功能，其帧率可调，CCD5的拍摄触发序列信号由计算机7产生，且整个系统的同步控制由计算机7实现。
所述的CCD5获得的图像序列的整体时长为差频|f1-f2|信号周期的整数倍；当差频|f1-f2|信号频率设为1赫兹的整数倍、图像序列的整体时长选为1秒的整数倍时，该条件满足。
所述的半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，需要将调制频率f1从低频扫描到高频，并获得各频点下的幅度图像；扫描过程中，差频|f1-f2|始终保持不变，因此给定一个f1就能唯一确定一个f2；这里低频定义为满足2πfτ＜＜1的频率，其中τ为待测晶圆的等效载流子复合寿命，而高频定义为2πfτ＞＞1。
所述的半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，在获得了不同频点下的幅度图像后，利用理论模型对每个像素点的幅度-频率测量数据进行最佳参数拟合，即可获得该像素点的载流子表面复合速率，所用的理论模型为
其中y(f1)为荧光信号的差频|f1-f2|信号分量，L为晶圆厚度，*为取复共轭，G0为激励光的非平衡载流子产生率，β为半导体晶圆材料对激励光的光吸收系数，D为非平衡载流子的扩散系数，σ＝[(τb -1+i2πf)/D]1/2，τb载流子体复合寿命，i为虚数单位，s为载流子表面复合速率。
本发明的有益效果是：将传统的调制光致荧光载流子表面复合速率检测技术从单点局域测量拓展到空间面成像，并将基于CCD的光致荧光成像从一种定性成像技术发展成为一种定量成像方法，图像中的每一个像素点的数值具有绝对的物理意义和量纲，即半导体晶圆的非平衡载流子表面复合速率，可以为大尺寸半导体晶圆生产线提供一种非接触、无损、定量、快速的晶圆表面电学质量评估与成像表征的方法。
附图说明
图1为本发明的实验系统示意图，其中1为三通道函数发生器、2为激励激光器、3为准直扩束系统、4为待表征晶圆样品、5为荧光成像CCD、6为长通滤波片、7为计算机。
图2为某一单晶硅晶圆样品在经过锁相运算后得到的三个不同频率下的幅度图像，图中所标出的频率值为f1，而差频f2-f1＝10Hz始终保持不变。
图3为单晶硅晶圆样品载流子表面复合速率的定量成像结果示意图。(a)为该样品两个不同地方(对应于两个像素点)的幅度随频率的实测变化关系(离散符号)以及相应的理论最佳拟合曲线，(b)为该样品的载流子表面复合速率空间分布定量图像，右侧的灰度棒数值的单位为“米每秒”。
具体实施方式
下面结合图1-3具体描述本发明提出的一种半导体晶圆载流子表面复合速率空间分布的快速定量成像表征方法。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，不应该理解成对本发明的限制。具体的实施步骤如下：
(1)搭建实验系统。
搭建如图1所示的单晶硅晶圆载流子表面复合速率空间分布的快速定量成像表征实验系统，包括三通道函数发生器1、激励激光器2、准直扩束系统3、待表征晶圆样品4、铟镓砷CCD5、长通滤波片6、计算机7。
a.将函数发生器与激光器连接，基于激光器说明书所提供的驱动信号数据，设定函数发生器输出信号幅度的安全范围。
b.激励激光选为808nm、峰值功率为30W的连续激光，其光子能量大于硅禁带宽度，从而可以激发过剩载流子，其光功率可以满足绝大多数硅晶圆载流子表征的注入剂量需求。
c.调节光束准直扩束器3，形成光强均匀分布的大尺寸光斑入射晶圆表面，实现对样品的均匀激励。
d.在铟镓砷CCD前放置长通滤波片，使之完全滤除杂散的激励光、仅通过硅晶圆中过剩载流子辐射复合所产生的近红外荧光信号。
e.调节CCD镜头，使其焦平面处于晶圆样品平面位置。
(2)晶圆光致荧光锁相外差成像。
基于上述实验系统，开展光致荧光锁相外差成像，通过调制信号选取与设置、绝对光强测量与校准、同步控制软件编写、动态图像数据获取四个步骤，最终获得光致荧光锁相外差成像数据。作为示例，待测的硅晶圆样品为p型FZ单晶硅，电阻率大于103Ω·cm，表面经HF刻蚀后形成氢钝化。
a.根据待测样品的基本信息，得知其等效载流子寿命τ在百微秒量级，因此设置三通道函数发生器的第一通道所产生的正弦信号的频率从100Hz扫描到10kHz，满足从低频扫描到高频的条件，这里低频条件为满足2πfτ＜＜1的频率，高频条件为2πfτ＞＞1；扫描过程中，差频|f1-f2|始终保持不变，恒为10Hz，例如，当f1＝100Hz时，f2＝110Hz。
b.测量样品位置处的入射光功率以及光斑面积，计算出绝对光强作为本表征的载流子注入剂量依据。
c.利用LABVIEW编写系统的同步控制软件，计算机发出主触发信号后，函数发生器开始调制激光器出光，同时以10-Hz调制频率的四倍作为CCD的触发信号，即CCD的帧率为40fps，满足奈奎斯特采样定理。
d.按照前述系统控制方案，CCD开始不断抓取图像序列，为保证优异的信噪比，持续记录了100个调制周期的图像信号。
(3)图像数据处理与载流子表面复合速率计算。
基于前面所得到的图像序列数据，可以计算出该硅晶圆在每一个调制频点下的幅度图像。
a.以10Hz的正弦信号(差频)为参考信号，对每一个像素点的离散时域序列作数字锁相运算，可以计算出每一个像素点的幅度，计算公式如下所示
其中，S0和S90分别为同向和正交信号，N为时域信号的点数，f(tj)为tj时刻、某一像素点的数值，ωr为参考信号的角频率，A为幅度。由此可以得到不同频率下的幅度图像，如图2所示。
b.分析处理幅度随频率变化的数据，图3(a)所示为该样品两个不同地方(对应于两个像素点)的幅度随频率的实测变化关系(离散符号)以及相应的理论最佳拟合曲线。
c.运用理论模型对图像所用像素点的数据逐个进行最佳参数拟合，即可得到该单晶硅晶圆样品载流子表面复合速率的定量图像，如图3(b)所示。
Claims (9)
1.一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：运用三通道函数发生器1，其中的两个通道分别产生两个频率为f1和f2的正弦信号，共同驱动激光器2使其产生光强随时间调制的激光束，经准直扩束系统3后形成大光斑，用来激励待测半导体晶圆4并在其中产生非平衡载流子；载流子辐射复合所发出的动态荧光信号的图像由CCD5采样拍摄，放置于CCD5镜头前的长通滤波片6可滤除激光器2所发出的激励光、但允许荧光信号进入CCD5，所拍摄到的动态图像数据传输给计算机7；函数发生器1的第三个通道产生一个频率为|f1-f2|的正弦信号，计算机7以此作为参考信号对CCD5每个像素点在帧序列中形成的离散时域信号作数字锁相运算，将频率为|f1-f2|的信号分量的幅度提取出来；通过分析不同频率下的幅度图像可以得到该晶圆的载流子表面复合速率定量图像。
2.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：函数发生器1所产生的用于驱动激光器2的双频信号，两个频率f1和f2不同但相近，即|f1-f2|很小，使得CCD5的帧率足以能对差频信号|f1-f2|进行充分采样，即应满足奈奎斯特采样定理，即CCD帧率大于差频|f1-f2|信号频率的两倍；。
3.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：激光器2必须是光功率可模拟调制的激光器，且其所发出的激光光子能量应大于待测半导体晶圆材料的禁带宽度，从而可以激发非平衡载流子；同时，激光器的光功率应足够高，扩束后的光强能满足载流子注入剂量的要求，由具体半导体材料和具体表征需求决定。
4.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：从激光器2出射的激光束经准直扩束系统3后，形成光强空间均匀分布的大尺寸光斑且能覆盖整个待测晶圆，可以实现对晶圆样品的均匀激励。
5.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：CCD5的感光波段选为待测半导体的荧光波段，且CCD5放置在晶圆背面，即激励光所在的另一侧，因此晶圆前表面对激励光的反射光无法抵达CCD5，而置于CCD5前的长通滤波片6可以进一步滤除杂散激励光，以保证CCD5所拍摄到的图像为纯荧光图像。
6.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：CCD5具有外部触发的功能，其帧率可调，CCD5的拍摄触发序列信号由计算机7产生，且整个系统的同步控制由计算机7实现。
7.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：CCD5获得的图像序列的整体时长为差频|f1-f2|信号周期的整数倍；当差频|f1-f2|信号频率设为1赫兹的整数倍、图像序列的整体时长选为1秒的整数倍时，该条件满足。
8.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：为了获得载流子表面复合速率的定量图像，需要将调制频率f1从低频扫描到高频，并获得各频点下的幅度图像；扫描过程中，差频|f1-f2|始终保持不变，因此给定一个f1就能唯一确定一个f2；这里低频定义为满足2πfτ＜＜1的频率，其中τ为待测晶圆的等效载流子复合寿命，而高频定义为2πfτ＞＞1。
9.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆载流子表面复合速率的定量成像表征方法，其特征在于：在获得了不同频点下的幅度图像后，利用理论模型对每个像素点的幅度-频率测量数据进行最佳参数拟合，即可获得该像素点的载流子表面复合速率，所用的理论模型为
其中y(f1)为荧光信号的差频|f1-f2|信号分量，L为晶圆厚度，*为取复共轭，G0为激励光的非平衡载流子产生率，β为半导体晶圆材料对激励光的光吸收系数，D为非平衡载流子的扩散系数，σ＝[(τb -1+i2πf)/D]1/2，τb载流子体复合寿命，i为虚数单位，s为载流子表面复合速率。
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| CN1135041A (zh) * | 1995-03-31 | 1996-11-06 | 杨光学公开有限公司 | 光激发半导体材料响应分析的方法和装置 |
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