TWI397968B - Evaluation Method of Dye Contamination of Semiconductor Wafer - Google Patents

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Description

半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法
本發明係有關於一種半導體晶圓的摻雜物污染的評價方法。
近年來，伴隨著LSI(大規模積體電路；Large Scale Integrated Circuit)的高積體化及半導體元件的微細化日益進展，在可能的範圍內提高對半導體元件製造用的半導體晶圓、例如矽晶圓中的載體濃度的控制性，已成為必要。特別是，在矽晶圓的表面附近的載體濃度，因為會重大地影響電阻率等半導體元件的特性，因此，要求能夠高精確度、且高感度地測定在矽晶圓的表面附近所含有之添加不純物(摻雜物)的濃度。
又，在此所稱的摻雜物係指為了控制半導體晶圓中的載體濃度、控制其電阻率而故意添加之物。
通常，為了控制矽晶圓中的載體濃度，導電型p型時係使用以硼(B)為主、n型時係使用以磷(P)為主，作為摻雜物。半導體晶圓廠商在培育作為矽晶圓材料之矽單結晶時等，係調整摻雜物的添加量，以使所製造的矽晶圓具有想要之載體濃或電阻值的方式，來製造矽晶圓。
另一方面，半導體元件的廠商例如設定電阻率為8~12Ω．cm之規格時，要求將符合該規格的半導體晶圓放入晶盒中而交貨。因此，在交貨之晶盒內的半導體晶圓係各自 在規格內(8~12Ω．cm)但不相同。半導體元件的廠商係將此種在規格內而各自具有不相同的電阻率之矽晶圓投入半導體元件製程，來製造半導體元件。
但是，製造半導體元件時，會有不是為了調整電阻率而添加，而是來自其周圍環境等無意中混入，產生所謂摻雜物污染的問題存在。特別是使用電阻率非常高的矽晶圓時，因為原本摻雜物濃度非常低，只要在晶圓中混入微量的摻雜物時，會有載體濃度變化、電阻率產生大變化的問題存在。
例如，半導體元件製造時，來自熱處理爐內的環境或熱處理爐等之不必要的硼或磷等污染摻雜物混入半導體晶圓而污染半導體晶圓，載體的濃度會產生變化。此種摻雜物污染會導致半導體元件製造良率(yield rate)降低、品質降低。因此，在半導體晶圓的製程及半導體元件的製程，對摻雜物污染進行評價而管理係特別重要的。
此種摻雜物污染的評價方法，有一種方法(例如，特開2004-207601號公報)，揭示將晶片從半導體晶圓切下，藉由二次離子質量(二次離子質譜)分析法(SIMS)等進行評價半導體晶圓之摻雜污染。
SIMS係對所切下的晶片表面進行用一次離子衝擊，使表面物質濺射離子化，使用質量分析器來分析之方法。而且，藉此，首先求得半導體晶圓深度方向的摻雜物濃度分布，接著，從該濃度分布求得半導體晶圓的表層摻雜物濃度之值與體積部的摻雜物濃度之值的差異，然後，由此差 異求得半導體晶圓表層部的摻雜物污染量。
但是，此方法係從半導體晶圓切下晶片來進行測定之破壞評價，又，只能夠測定所切下晶片的部分，不但需要花費許多時間及成本，卻無法得到摻雜物之面內測繪圖。
本發明之目的係鑒於上述問題點，提供一種半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，該方法能夠以非接觸、非破壞的方式，正確地求得半導體晶圓表層整體的摻雜物污染量。
本發明為了解決上述問題，提供一種半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中藉由渦電流法測定半導體晶圓體積部的電阻率，藉由表面光電壓法測定前述半導體晶圓表層的電阻率，由前述渦電流法所測定得到的體積部電阻率之值與由表面光電壓法所測定得到的表層電阻率之值的差異，來求得前述半導體晶圓的摻雜物污染量。
本發明係藉由渦電流法測定半導體晶圓體積部的電阻率。藉由該渦電流法，即使表層已受到摻雜物污染，亦幾乎沒有受到影響地能夠正確地測定體積部的電阻率。另一方面，本發明係藉由表面光電壓法測定半導體晶圓表層的電阻率，亦同樣地能夠正確地測定表層的電阻率。因此，藉由渦電流法所測定體積部的電阻率之值與藉由表面光電壓法所測定表層的電阻率之值的差異，能夠求得正確的摻雜物污染量。
而且，藉由渦電流法及表面光電壓法，能夠以非接觸、 非破壞的方式，迅速地對半導體晶圓面內的廣闊領域進行測定。因此，能夠以非接觸、非破壞的方式，容易且正確地求得半導體晶圓表層整體的摻雜物污染量。
此時，藉由前述渦電流法及表面光電壓法，可以對熱處理後的半導體晶圓進行測定。
熱處理後的半導體晶圓的表層，會受到來自熱處理爐內的環境或熱處理爐等的摻雜物之污染。然而，因為本發明係如前述，藉由渦電流法測定半導體晶圓體積部的電阻率，與晶圓的表層是否受到摻雜物的污染無關，能夠正確地測定晶圓體積部的電阻率。因此，藉由本發明，即使是熱處理後的半導體晶圓，亦能夠正確地求得摻雜物的污染量。
當然，藉由前述渦電流法亦可以對熱處理前的半導體晶圓進行測定，藉由前述表面光電壓法亦可以對熱處理後的半導體晶圓進行測定。
但是，因為晶圓體積部的電阻率本身，會有因熱處理(其中一個例子為消除氧氣供體(donor killer)熱處理)而變化的情形，此時，為了正確地求得摻雜物污染量，較佳是使藉由前述渦電流法之測定、及藉由前述表面光電壓法之測定，都是對熱處理後半導體晶圓進行。
又，本發明的半導體晶圓的摻雜物污染的評價方法，能夠對P、B、Al、Ga、In、Sb、As中至少1種摻雜物進行評價前述污染。
依據本發明，能夠對於通常被使用於半導體晶圓中，並 會對其電阻率造成重大影響之摻雜物所產生的污染量，正確地進行測定。
而且，本發明之半導體晶圓的摻雜物污染的評價方法，前述評價摻雜物的半導體晶圓可以是矽晶圓。
因為矽晶圓只要有微量的摻雜物混入，載體濃度即產生變化，電阻率大幅地變化，所以正確地評價管理其摻雜物污染係特別重要的。本發明方法特別適合評價此種矽晶圓的摻雜物污染。
而且，本發明之半導體晶圓的摻雜物污染的評價方法，從前述求得之半導體晶圓摻雜物的污染量，能夠製成顯示半導體晶圓表層摻雜物污染分布之測繪圖。
如前述，依據表面光電壓法，能夠測定晶圓面內廣闊領域之電阻率。因此，藉由本發明之方法，對晶圓全面進行表層的電阻率測定，使用該測定結果，能夠製成顯示半導體晶圓表層摻雜物污染分布之測繪圖。而且，使用如此製成之顯示摻雜物污染分布之測繪圖時，能夠容易地評價半導體晶圓表層整體之摻雜物污染。
如上述說明，依據本發明，藉由渦電流法測定半導體晶圓體積部的電阻率，藉由表面光電壓法測定前述半導體晶圓表層的電阻率，由前述渦電流法所測定得到的體積部電阻率之值與由表面光電壓法所測定得到的表層電阻率之值的差異，來求得前述半導體晶圓的摻雜物污染量。因此，能夠以非接觸、非破壞的方式，正確且迅速地求得半導體晶圓表層整體的摻雜物污染量。
以下，詳細說明本發明，但是本發明並未限定於此等。
本發明係藉由表面光電壓法來測定半導體晶圓表層的電阻率。藉由該方法時，能夠以非接觸、非破壞的方式，迅速地求得半導體晶圓表層的電阻率分布。但是，該方法只能夠測定表層的電阻率。因此，為了藉由表面光電壓法來評價半導體晶圓的摻雜污染，只能夠進行相對評價而已，例如，將所得到晶圓面內的電阻率分布中之晶圓中心部的電阻率視為基板晶圓的電阻率，從與該電阻率的差異來評價摻雜物污染等。若欲評價正確的污染量時，如前述，必須從晶圓切下晶片，藉由SIMS評價、或是藉由擴散電阻(Spreading resistance；SR)法來求得深度方向的電阻率分布。此種方法係破壞檢查，切下晶片等亦需要時間、成本。
相對地，在本發明，發現若藉由渦電流法測定半導體晶圓體積部的電阻率時，即使表層有摻雜物污染，亦能夠正確地測定體積部的電阻率，藉由組合該渦電流法與前述表面光電壓法，能夠以非接觸、非破壞的方式，簡單且正確地測定半導體晶圓之摻雜物污染，而完成的本發明。
第1圖係本發明之半導體晶圓的摻雜物污染的評價方法之一個例子的流程圖。
首先，如第1圖(a)所示，藉由渦電流法測定半導體晶圓的體積部的電阻率，藉由表面光電壓法測定前述半導體 晶圓表層的電阻率。
接著，如第1圖(b)所示，由渦電流法所測定得到的體積部電阻率之值與由表面光電壓法所測定得到的表層電阻率之值的差異，求得前述半導體晶圓的摻雜物污染量。
體積部電阻率係半導體晶圓本來的電阻率，係表示污染前的半導體晶圓的電阻率，表層電阻率係表示因受到熱處理等的污染時，具有與體積部不同的電阻率。因此，從此等測定電阻率的差異，能夠求得摻雜物污染量。
例如，參照第3圖來說明時，對污染前的電阻率(體積部的電阻率)為8Ω．cm之P型矽晶圓進行熱處理，測定該熱處理後的矽晶圓表層的電阻率時，熱處理後的表層電阻率(污染後的電阻率)若提高為15Ω．cm時，表示受到n型摻雜物的污染，其摻雜物污染量為8e14 atoms/cm3 (8×1014 )atoms/cm3 。
另一方面，由第3圖得知，例如，將實際上污染前的電阻率為8Ω．cm之矽晶圓，錯誤測定成10Ω．cm時，熱處理後的表層電阻率(污染後的電阻率)若提高為15Ω．cm時，藉由上述計算方法所求得的n型摻雜物的污染量應為8e14 atoms/cm3 ，結果卻被低估為4e14 atoms/cm3 ，比實際低。若以例如1 e14 atoms/cm3 以下之低濃度來管理摻雜物的污染量時，其誤差相當大。而且，交貨之矽晶圓，其規格如前述，電阻率的偏差係在例如8~12Ω．cm的規格內。因而，有可能使摻雜物污染量的計算精確度更加變差。
又，換言之，即使受到同等量程度的摻雜物污染之半導 體晶圓，亦會因污染前的電阻率不同，污染部分的電阻率會有重大的改變(參照第4圖)。
第4圖中，橫軸為污染前的半導體晶圓的電阻率，縱軸係污染後的表層的電阻率。例如，因n型摻雜物之污染量，即使同樣是8e14 atoms/cm3 ，污染前的電阻率為8Ω．cm和10Ω．cm時，污染部分的表層電阻率有大幅度的差異。
又，在此，第3、4圖係利用艾敏(Irvin)之計算式(參照ASTM F723)製成。
因此，為了正確地求得摻雜物的污染量，特別是，使污染前的半導體晶圓的電阻率(體積部的電阻率)的測定值正確係有必要的。因而，如前述，只藉由表面光電壓法測定表層的電阻率分布，並無法正確地評價摻雜物污染。
因此，本發明使用渦電流法來測定體積部的電阻率。得知該渦電流法，係一種即使表層有摻雜物污染，亦能夠以非接觸、非破壞的方式，正確地測定半導體晶圓體積部的電阻率之方法。
渦電流法係以非接觸的方式藉由渦電流來測定電阻率，其中在藉由激勵線圈檢測的方法，使用空心線圈時之半導體晶圓的片傳導率σw與渦電流檢測出電壓Vσ之關係，係以下式來提供。
Vσ=σwf2 n1 n2 I0 akσ
在此，f係激發頻率、n1 n2 係線圈捲數、I0 係在激勵線圈流動的電流、kσ為係數、a為線圈半徑。
而且，第2圖係比較藉由渦電流法(測定裝置1：Kobelco 公司製、測定裝置3：ADE公司製)及其他方法(測定裝置4：CV法、測定裝置5：SR法)，測定經熱處理後的矽晶圓電阻率結果之圖。
此處之測定係依照以下順序進行。首先，預先使用四探針法(測定裝置2：Napson公司製)測定矽晶圓的電阻率。接著，對該矽晶圓施加熱處理。在該熱處理時，矽晶圓表層受到摻雜物的污染。接著使用渦電流法(測定裝置1、3)及其他方法(測定裝置4、5)，測定經熱處理過的晶圓之電阻率。接著，藉由蝕刻去除矽晶圓的表層6微米。接著，最後再次藉由四探針法測定去除表層後之矽晶圓的電阻率。將該去除表層後藉由四探針法之測定結果，作為熱處理後的矽晶圓的體積部的真正電阻率。該值與前述在熱處理前使用四探針法測定晶圓表面所測得的電阻率完全一致。
在第2圖中，縱軸係藉由渦電流法及其他方法測定熱處理後的矽晶圓時之電阻率，橫軸係其後使用四探針法測定去除表層後的矽晶圓時之電阻率。亦即，藉由渦電流法等所測得之電阻率越接近藉由四探針法測定時之電阻率的情況，意指藉由該測定方法能夠正確地測定體積部的電阻率。又，體積部的電阻率，如上述，與最初所測定的晶圓電阻率一致。
從第2圖可以知道，藉由渦電流法(測定裝置1、3)，即使表層受到摻雜物污染，亦正確地與體積部的電阻率一致，能夠高精確地測定。因此，藉由渦電流法，能夠對熱 處理後的半導體晶圓進行測定體積部的電阻率。
另一方面，為了正確地求得摻雜物的污染量，當然必須正確地測定熱處理後(污染後)的半導體晶圓的表層電阻率。因此，本發明使用表面光電壓法來測定表層的電阻率。該表面光電壓法能夠以非接觸、非破壞的方式，正確地測定半導體表層的電阻率及其分布。
表面光電壓法之測定原理如下。對熱平衡狀態之晶圓之試樣表面，照射大於Si的帶隙能量(band gap energy)之光(hν)時，在對應所照射光的波長之侵入深度，會產生過剩的載體。所產生的電子會係往表面側、電洞(hole)會往耗盡層(空乏層(depletion layer))端移動。所產生的少數載體(在p型半導體係電子e)會使表面的障壁高度變化δ VS程度。將該電位δ VS稱為SPV值。使用該SPV值，可以依照以下(1)的計算式算出耗盡層寬度Wd。
δ VS=-j(δ Φ/ω)(1-R)q(Wd/ε S)．．．(1)
在此，j係虛數單位，Φ係激發光強度，ω係激發光的角頻率，R係晶圓表面的反射率，q係單位電荷量，ε S係半導體的介電常數。而且，藉由表面光電壓法所求得的耗盡層寬度Wd係假設為最大耗盡層寬度Wmax，藉由以下的(2)式能夠算出載體濃度NS。
Wmax=[2 ε S kTln(NS/ni)/q2 NS]1/2 ．．．(2)
在此，k係表示波耳茲曼常數(Boltzmann constant)，T係絕對溫度，ni係固有自由載體濃度。
此時，測定所使用的激發光源可以使用較通常的表面光 電壓法所使用的光源更短的波長，例如使用450奈米的激發光源時，光的侵入深度為0.4奈米以下，能夠只求得表面層之載體濃度(嚴格說係摻雜物濃度)。
而且，如此求得的載體濃度，從載體濃度轉變成電阻率，可以使用艾敏(Irvin)之計算式(參照ASTM F723)來進行。
又，如上述之表面光電壓法，雖然係能夠正確地測定半導體晶圓表層的電阻率之方法，如前述，只有藉由表面光電壓法所測得的電阻率，欲求得摻雜物的污染量時並無法正確地測定。
這是因為表面光電壓法只能測定半導體晶圓表層的電阻率，只藉由表面光電壓法來求得摻雜物的污染量時，例如將晶圓中心部表層的電阻率視為體積部的電阻率，由其與表層污染部的電阻率的差異，求得摻雜物的污染量。因此，係以晶圓中心部的表層未受到摻雜物的污染為前提。
因此，該方法，當晶圓中心部的表層受到污染時，會有計算出錯誤的摻雜物污染量之問題產生。
例示一個例子時，第5圖係顯示熱處理後矽晶圓的磷濃度分布之圖。藉由SIMS測定2個試樣(第5圖(a)：試樣1、第5圖(b)：試樣2)之表面~深度7微米之磷濃度，使用其結果作成。測定點如第8圖所示，係在晶圓10之中心部A及外周部B。
又，第6圖係只使用表面光電壓法(藉由晶圓中心部表 層之電阻率與污染部表層的電阻率之差異作為污染量)求得第5圖中之各試樣(試樣1、2)的磷污染量時，與藉由本發明方法求得時(藉由渦電流法求得試樣1、2的體積部的電阻率，以其與表面光電壓法所得到的值之差異作為污染量)之比較圖。各條狀圖的左方係只藉由表面光電壓法得到，右側係使用本發明方法。
第5圖中，試樣1之晶圓中心部的表層磷濃度為1.1×1014 atoms/cm3 左右，幾乎未受到摻雜物的污染，又，在晶圓外周部表層的磷濃度為約7×1014 atoms/cm3 。相對地，試樣2之晶圓中心部的表層磷濃度為7×1014 atoms/cm3 左右，受到磷的污染，又，在晶圓外周部表層的磷濃度為約1.1×1015 atoms/cm3 ，在此亦相當地受到污染。
儘管如此，參照第6圖，只藉由表面光電壓法求得時，試樣1與試樣2之摻雜物污染量幾乎相同。這是因為晶圓中心部表層的電阻率與污染部表層的電阻率之差異，試樣1與試樣2幾乎相同之緣故。如此，當半導體晶圓的中心部表層受到污染時，只藉由表面光電壓法並無法正確地進行測定。
相對地，由第5、6圖可以知道，藉由本發明的方法，能夠正確地求得摻雜物的污染量。
又，藉由渦電流法或表面光電壓法，能夠以非接觸、非破壞的方式來測定面內廣闊的領域。如此，因為能夠以非接觸、非破壞的方式來測定，測定後的半導體晶圓能夠直接當作產品使用，或是使用於其他檢查。
又，藉由渦電流法，如上述，即使表層已受到污染之半導晶圓，亦能夠正確地測定體積部之電阻率。因此，亦能夠將藉由渦電流法之測定與藉由表面光壓電壓法之測定，一同對熱處理後的半導體晶圓進行測定。此時，可以先進行藉由渦電流法之測定，然後進行藉由表面光壓電壓法之測定。相反地，亦可以先進行藉由表面光壓電壓法之測定，然後進行藉由渦電流法之測定。
而且，如此，對熱處理後的半導體晶圓連續地進行藉由渦電流法及藉由表面光壓電壓法之測定時，藉由渦電流法所測定之物與藉由表面光電壓法測定之物，可以不必進行核對，測定結果能夠容易地彙總。
當然，亦可以藉由渦電流法來進行測定熱處理前的半導體晶圓，藉由表面光電壓法來進行測定熱處理後的半導體晶圓。
而且，本發明如第1圖(c)所示，從所求得半導體晶圓的摻雜物污染量，亦可以進而製成顯示半導體晶圓表層的摻雜物污染分布之測繪圖。這是如前述，因為藉由表面光電壓法時，能夠正確地測定在面內的廣闊領域之表層電阻率分布，使用該數據時，能夠簡單地求得與體積部的電阻率之差異分布之緣故。
第7圖係顯示如此所製成摻雜物污染分布之測繪圖。越深的顏色表示污染量越大。從第7圖可以得知摻雜物污染量並非晶圓整體都是均勻，且與中心部比較時周邊部的污染量較大。而且，如此，藉由使污染分布視覺化，可以容 易對半導體晶圓的摻雜物污染進行評價。
又，本發明不限定於上述實施例。上述實施例係例示性，在實質上具有與本發明申請專利範圍記載的技術思想相同的構成、達成相同的作用效果之物，無論如何都包含在本發明之技術範圍內。
例如，上述主要說明有關矽晶圓的污染，但是若是因污染會導致電阻率變化之物時，本發明亦能夠應用來評價半導體晶圓通常使用的摻雜物如B、Al、Ga、In、P、Sb、As等所引起的污染。又，評價所使用的半導體晶圓，亦可以是GaAs等化合物半導體的晶圓。
10‧‧‧晶圓
A‧‧‧中心部
B‧‧‧外周部
第1圖係本發明之摻雜物污染的評價方法之一個例子的流程圖。
第2圖係比較藉由渦電流法及其他方法測定熱處理後的矽晶圓電阻率結果之圖。
第3圖係熱處理後的矽晶圓表層電阻率與n型摻雜物污染量的關係之圖。
第4圖係矽晶圓污染前的電阻率與污染後的電阻率的關係之圖。
第5圖係矽晶圓(試樣1、2)的磷濃度分布之圖。(a)試樣1、(b)試樣2。
第6圖係只使用表面光電壓法求得第5圖中之各試樣(試樣1、2)的n型摻雜物污染量時，與藉由本發明方法求得時之 比較圖。
第7圖係摻雜物污染分布之測繪圖。
第8圖係第5圖之磷濃度分布的測定點之模式圖。

Claims (9)

  1. 一種半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中藉由渦電流法測定半導體晶圓體積部的電阻率，藉由表面光電壓法測定該半導體晶圓表層的電阻率，由該渦電流法所測定得到的體積部電阻率之值與由該表面光電壓法所測定得到的表層電阻率之值的差異，來求得該半導體晶圓的摻雜物污染量。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中藉由該渦電流法及該表面光電壓法，來對熱處理後的半導體晶圓進行測定。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中藉由該渦電流法來對熱處理前的半導體晶圓進行測定，並藉由該表面光電壓法來對熱處理後的半導體晶圓進行測定。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中係對P、B、Al、Ga、In、Sb、As中至少1種摻雜物進行評價該污染。
  5. 如申請專利範圍第2項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中係對P、B、Al、Ga、In、Sb、As中至少1種摻雜物進行評價該污染。
  6. 如申請專利範圍第3項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中係對P、B、Al、Ga、In、Sb、As中至少1種摻雜物進行評價該污染。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中該評價摻雜物污染的半導體晶圓係矽晶圓。
  8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中從該求得之半導體晶圓的摻雜物污染量，製成顯示半導體晶圓表層的摻雜物污染分布之測繪圖。
  9. 如申請專利範圍第7項之半導體晶圓之摻雜物污染的評價方法，其中從該求得之半導體晶圓的摻雜物污染量，製成顯示半導體晶圓表層的摻雜物污染分布之測繪圖。
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