TWI696822B - 載子濃度的量測方法及其設備 - Google Patents

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    • G01J3/28—Investigating the spectrum
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Abstract

一種載子濃度的量測方法及設備，具有對焦器、光譜儀及處理器。於量測方法中，以雷射訊號對待測物進行量測，分析經待測物反射的拉曼訊號，以取得待測物的量測結果。依據量測結果，判斷比例關係或拉曼位移。依據資料庫的內容，比對比例關係或拉曼位移，以取得待測物的載子濃度。

Description

載子濃度的量測方法及其設備
本發明係關於一種載子濃度的量測方法及其設備，特別是一種用以量測被載子佈植的晶圓，以取得晶圓中的載子濃度。
隨著半導體元件的尺寸越來越薄化，半導體元件可以佈植載子以形成接面的深度也越來越小。在這樣的情形下，半導體元件接面的摻雜載子的濃度分佈也就越顯重要。半導體元件接面摻雜載子的濃度受到許多製程與材料特性影響，例如摻雜載子的種類、製程的溫度、是否經過熱退火或是半導體元件在製程上的缺陷都會造成載子佈質濃度的不同。
目前量測摻雜載子濃度分佈的技術是以破壞性的二次離子質譜儀（Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS）來進行分析，但二次離子質譜儀破壞性的量測，不僅會造成待測物的破壞，而且只能從多個待測物中取幾個進行量測，使得二次離子質譜儀無法成為線上量測設備。
本發明在於提供一種載子濃度的量測方法及其設備，藉以解決先前技術必須以破壞性的方式才能進行載子濃度量測的問題。
本發明所揭露的載子濃度的量測方法，具有以雷射訊號對待測物進行量測，分析經待測物反射的拉曼訊號，以取得待測物的量測結果。依據量測結果，判斷比例關係或拉曼位移。依據資料庫的內容，比對比例關係或拉曼位移，以取得待測物的載子濃度。
本發明所揭露的載子濃度的量測設備，具有對焦器、光譜儀及處理器。對焦器用以將雷射訊號對焦於待測物，並接收待測物反射的拉曼訊號。光譜儀用以接收及分析經待測物反射的拉曼訊號，以產生待測物的量測結果。處理器用以接收光譜儀產生的量測結果，並依據量測結果判斷比例關係或拉曼位移。處理器依據資料庫的內容，比對比例關係或拉曼位移，以取得待測物的載子濃度。
根據上述本發明所揭露的載子濃度的量測方法及其設備，藉由雷射訊號來量測待測物，以取得待測物反射雷射訊號所分析出來的比例關係或拉曼位移，並依據資料庫的內容比對比例關係或拉曼位移，以取得待測物的載子濃度。藉此，本發明所揭露的載子濃度量測方法和設備可以達到以非破壞性的方式來量測待測物，從而降低量測成本，並可以做為生產線上，任何一個工作站用以量測載子濃度的方法和設備。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
圖1係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之量測設備的功能方塊圖。如圖所示，載子濃度的量測設備10具有對焦器11、光譜儀13及處理器15。對焦器11例如為共軛焦快速自動對焦系統，對焦器11的輸入端用以接收雷射光源17提供的雷射訊號，並將接收到的雷射訊號對焦於待測物20。當待測物20反射來自於對焦器11的雷射訊號時，對焦器11接收待測物20反射的拉曼訊號，並將拉曼訊號由輸出端輸出至光譜儀13。
於實際的例子中，雷射光源17以光纖將雷射訊號傳送至對焦器11，且對焦器11亦以光纖將待測物20反射的拉曼訊號經由光纖傳送至光譜儀13。於一個實施例中，雷射訊號例如為具有高強度、單色性及方向性的雷射光或激發光。依據拉曼效應（Raman effect），當雷射光照射到待測物20時，雷射光會被待測物20內的物質作彈性和非彈性反應，而產生瑞利散射（Rayleigh Scattering）和拉曼散射（Raman Scattering），也就是說，本實施例所述的拉曼訊號可以為瑞利散射光、拉曼散射光或其組合，本實施例不予限制。
當光譜儀13接收到待測物20反射的拉曼訊號時，光譜儀13會分析拉曼訊號的拉曼位移強度分佈，並以拉曼訊號的拉曼位移強度分佈做為待測物20的量測結果。光譜儀13電性連接處理器15，以將待測物20的量測結果傳輸給處理器15，使處理器15依據待測物20的量測結果，判斷比例關係或拉曼位移，並將比例關係或拉曼位移與儲存於資料庫內的內容進行比對，據以取得待測物20的載子濃度。
於一個實施例中，所述載子濃度的量測設備10更具有控制器19。控制器19連接對焦器11，以控制對焦器11產生具有調變波長的雷射訊號，並控制對焦器11將雷射訊號對焦於待測物20不同的位置，以對待測物20於一個深度範圍內的量測區域進行量測。當雷射訊號的波長越大時，可以量測到待測物20的深度範圍越深，例如當待測物為經硼載子佈植後但未經熱退火的晶圓時，405nm波長的雷射訊號可以量測到待測物於125nm左右的深度範圍，325nm波長的雷射訊號可以量測到待測物於17nm左右的深度範圍。當待測物為經磷載子佈植後且經熱退火的晶圓時，405nm波長的雷射訊號可以量測到待測物於120nm左右的深度範圍，325nm波長的雷射訊號可以量測到待測物於20nm左右的深度範圍。
本實施例可以進行載子濃度量測的待測物例如為經載子佈植後的晶圓、經載子佈植且經過熱退火的晶圓或其他合適的待測物，其中晶圓經載子佈植後是否有經過熱退火，會使雷射訊號量測出來的量測結果有所不同。以下將分別就未經過熱退火和有經過熱退火的晶圓進行說明。
以硼（Boron）載子佈植後且未經過熱退火的矽晶圓為待測物20的實驗例來說明，請參照圖2A，圖2A係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之拉曼位移與強度關係分佈圖。如圖所示，於圖2A上方之分佈圖中，係以405nm波長的雷射訊號對待測物進行量測，以取得待測物於125nm左右的深度範圍內的量測結果。於圖2A下方之分佈圖中，係以532nm波長的雷射訊號對待測物進行量測，以取得待測物於160nm左右的深度範圍內的量測結果。
於125nm左右的深度範圍的量測結果中的第一訊號點，也就是拉曼位移約為460cm-1 處的一個峰值點（peak），所對應的強度為1670a.u（arbitrary unit），於125nm左右的深度範圍的量測結果中的第二訊號點，也就是拉曼位移約為520 cm-1 處的峰值點，對應到的強度為1400a.u。接著，依據460cm-1 拉曼位移對應的強度1670a.u和520cm-1 拉曼位移對應的強度1400a.u，判斷比例關係為1670/1400＝1.19，然後再依據1.19的比例關係，從資料庫的內容中查找出硼載子濃度為4.14×1017 （atom/cm3 ）。
承上述，第一訊號點關連於待測物中的載子，第二訊號點關連於待測物中的原子。更詳細來說，第一訊號點係依據硼載子反射雷射訊號的拉曼位移所對應到的訊號點，而第二訊號點係依據矽原子反射雷射訊號的拉曼位移所對應到的訊號點。而拉曼位移指的是瑞利散射譜線與拉曼散射譜線的波數差。於本實施例中，雖然以拉曼位移為460cm-1 的位置作為第一訊號點，以拉曼位移為520cm-1 的位置作為第二訊號點，然而在實際的例子中，第一訊號點和第二訊號點並非絕對為460cm-1 和520cm-1 的位置，第一訊號點和第二訊號點可以為460cm-1 和520cm-1 附近之強度相對高點的位置。
至於160nm深度範圍的量測結果中，由於拉曼位移強度分佈僅於拉曼位移約為520cm-1 處具有峰值點，因此可知於160nm左右的深度範圍中，硼載子佈植的濃度非常的低，於160nm左右的的深度範圍中大多為單晶矽。
接下來說明建立資料庫內容的方式，請參照圖2B及圖2C，圖2B係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之載子濃度與深度分佈關係圖，圖2C係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之比例關係與載子濃度的關係圖。如圖所示，先取得已知載子濃度與深度分佈關係的第一樣品，第一樣品為以硼載子佈植後且未經過熱退火的矽晶圓為例。先取得已知載子濃度與深度分佈關係的方式，例如以二次離子質譜儀分析經載子佈植的第一樣品，來預先取得第一樣品於不同深度下的載子濃度分佈。接著，如前述的方式，以不同波長的雷射訊號對第一樣品進行量測，以取得第一樣品於不同深度下，第一訊號點及第二訊號點的比例關係。
承上述，比對第一樣品於預設深度的載子濃度和不同波長的雷射訊號於對應的預設深度下取得的比例關係，建立資料庫的內容。以圖式來說明，當以二次離子質譜儀分析第一樣品的濃度與深度關係如圖2B所示時，第一樣品於125nm左右的深度下的載子濃度為4.14×1017 （atom/cm3 ），而以405nm波長的雷射訊號量測第一樣品時，可以測得第一樣品於125nm左右的深度下的比例關係為1.19。此時，就可以比對二次離子質譜儀測得的載子濃度4.14×1017 （atom/cm3 ）與比例關係1.19，而建立出如圖2C所示的比例關係和濃度的關係圖。
藉此，之後當分析拉曼訊號得到第一訊號點與第二訊號點的比例關係為1.19時，就可以依據圖2C所示的比例關係和濃度的關係圖，查找出比例關係1.19所對應的載子濃度為4.14×1017 （atom/cm3 ）。
接下來，將說明有經過熱退火的待測物的量測結果與分析方式，以磷（Phosphorous）載子佈植後且經過熱退火的矽晶圓做為待測物為例，請一併參照圖1及圖3A，圖3A係為根據本發明揭露之另一實施例所繪示之拉曼位移與強度關係分佈圖。如圖所示，對焦器11以405nm的雷射訊號來量測待測物於120nm左右的深度範圍的載子濃度。光譜儀13依據待測物反射的拉曼訊號，產生量測結果。處理器15判斷光譜儀13產生的量測結果中的第三訊號點，並判斷第三訊號點的拉曼位移，接著再依據資料庫的內容，比對拉曼位移以取得待測物的載子濃度。
於一個實施例中，第三訊號點例如為量測結果中，強度最高的訊號點，於圖3A中，Undoped Si的曲線上強度最大的第三訊號點所對應的拉曼位移為520 cm-1 ，亦即單晶矽所量測出來的拉曼位移。於900℃的曲線中，強度最大的第三訊號點所對應的拉曼位移為519.78cm-1 ，於1000℃的曲線中，強度最大的第三訊號點所對應的拉曼位移為516.38cm-1 ，其中900℃和1000℃的差別在於退火步驟中的溫度條件。
接著，依據519.78cm-1 的拉曼位移，從資料庫的內容中查找出磷載子濃度為4.25×1019 （atom/cm3 ）。依據516.38cm-1 的拉曼位移，從資料庫的內容中查找出磷載子濃度為8.82×1019 （atom/cm3 ）。據以得知以900℃退火的矽晶圓中，於120nm左右的深度範圍下，磷載子佈植的濃度為4.25×1019 （atom/cm3 ），而以1000℃退火的矽晶圓中，於120nm左右的深度範圍下，磷載子佈植的濃度為8.82×1019 （atom/cm3 ）。
接下來說明建立資料庫內容的方式，請參照圖3B及圖3C，圖3B係為根據本發明揭露之另一實施例所繪示之載子濃度與深度分佈關係圖，圖3C係為根據本發明揭露之另一實施例所繪示之比例關係與載子濃度的關係圖。如圖所示，先取得已知載子濃度與深度分佈關係的第二樣品，第二樣品為以磷載子佈植後且經過熱退火的矽晶圓。例如以二次離子質譜儀分析經載子佈植的第二樣品，以取得第二樣品於不同深度下的載子濃度分佈。接著，如前述的方式，以不同波長的雷射訊號對第二樣品進行量測，以取得第二樣品於不同深度下，第三訊號點的拉曼位移。
承上述，比對第二樣品於預設深度的載子濃度和不同波長的雷射訊號於對應的預設深度下取得的拉曼位移，建立資料庫的內容。以退火的溫度條件為1000℃的矽晶圓為例，已知矽晶圓濃度與深度關係如圖3B所示，第二樣品於120nm左右的深度下的載子濃度為8.82×1019 （atom/cm3 ），而以405nm波長的雷射訊號量測第二樣品時，可以測得第二樣品於120nm左右的深度下的拉曼位移為516.38cm-1 。此時，就可以比對二次離子質譜儀測得的載子濃度8.82×1019 （atom/cm3 ）與拉曼位移為516.38cm-1 ，而建立出如圖3C所示的比例關係和濃度的關係圖。
如此一來，之後當分析量測結果中第三訊號點的拉曼位移為516.38cm-1 時，就可以依據圖3C所示的比例關係和濃度的關係圖，查找出拉曼位移為516.38cm-1 所對應的載子濃度為8.82×1019 （atom/cm3 ）。
前述所舉的實施例中，包含所舉的數值、載子的種類、晶圓的原子種類、退火的溫度條件、拉曼位移、強度和波長等數值僅為方便說明之用，並非用以限制本發明。此外，如圖1所示，對焦器11除了可以受控於控制器19調整雷射訊號的波長大小外，對焦器11的反射鏡111亦可以受控於控制器19，以調整反射鏡111角度的方式，將雷射訊號發射於待測物20上的多個點，藉以掃描的方式來量測待測物20。
為了更清楚地說明載子濃度的量測方法，請參照圖4，圖4係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之載子濃度的量測方法的步驟流程圖。如圖4所示，於步驟S201中，以雷射訊號對待測物進行量測。於步驟202中，分析經待測物反射的拉曼訊號，以取得待測物的量測結果。於步驟S203中，依據量測結果，判斷比例關係或拉曼位移量。接著，於步驟S204中，依據資料庫的內容，比對比例關係或拉曼位移量，以取得待測物的載子濃度。
綜合以上所述，本發明實施例提供一種載子濃度的量測方法及設備，透過拉曼效應的現象，藉由雷射訊號來量測待測物以取得待測物與雷射訊號反應所散射的拉曼訊號，接著再分析拉曼訊號的拉曼位移強度分佈，從拉曼位移強度分佈中判斷出關於待測物的比例關係或拉曼位移，並依據資料庫的內容取得待測物的載子濃度。此外，本發明實施例更提供建立資料庫的方式，藉此本發明所揭露的載子濃度量測方法和設備可以非破壞性的方式來量測待測物外，還可方便地運用於生產線上，作為任何一個工作站用以量測載子濃度的手段。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
10‧‧‧量測設備11‧‧‧對焦器111‧‧‧反射鏡13‧‧‧光譜儀15‧‧‧處理器17‧‧‧雷射光源19‧‧‧控制器20‧‧‧待測物
圖1係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之量測設備的功能方塊圖。 圖2A係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之拉曼位移與強度關係分佈圖 圖2B係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之載子濃度與深度分佈關係圖 圖2C係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之比例關係與載子濃度的關係圖。 圖3A係為根據本發明揭露之另一實施例所繪示之拉曼位移與強度關係分佈圖。 圖3B係為根據本發明揭露之另一實施例所繪示之載子濃度與深度分佈關係圖。 圖3C係為根據本發明揭露之另一實施例所繪示之比例關係與載子濃度的關係圖。 圖4係為根據本發明揭露之一實施例所繪示之載子濃度的量測方法的步驟流程圖。
10‧‧‧量測設備
11‧‧‧對焦器
111‧‧‧反射鏡
13‧‧‧光譜儀
15‧‧‧處理器
17‧‧‧雷射光源
19‧‧‧控制器
20‧‧‧待測物

Claims (10)

  1. 一種載子濃度的量測方法，包括：以一雷射訊號對一待測物進行量測；分析經該待測物反射的一拉曼訊號，以取得該待測物的一量測結果，其中該量測結果包含對應一第一拉曼位移的一第一訊號點及對應一第二拉曼位移的一第二訊號點，其中該待測物為經載子佈植的晶圓，該第一訊號點關連於該待測物中的載子，該第二訊號點關連於該待測物中的原子；判斷該量測結果於該第一訊號點的強度及於該第二訊號點的強度；依據該第一訊號點的強度及該第二訊號點的強度，判斷一比例關係；以及依據一資料庫的內容，比對該比例關係，以取得該待測物的載子濃度。
  2. 如請求項1所述之載子濃度的量測方法，其中當以具有一調變波長的該雷射訊號對該待測物進行量測時，該雷射訊號被該待測物於一深度範圍的量測區域反射，且於分析該拉曼訊號的步驟中，包括分析該拉曼訊號的一拉曼位移強度分佈，並以該拉曼位移強度分佈做為該待測物於該深度範圍的量測結果。
  3. 如請求項1所述之載子濃度的量測方法，更包括：以一二次離子質譜儀分析經載子佈植的一第一樣品於多個預設深度的載子濃度； 以不同波長的該雷射訊號對該第一樣品進行量測，以取得該第一樣品於該些預設深度的該比例關係；比對該第一樣品於該些預設深度的載子濃度和以該雷射訊號於該些預設深度下取得的該比例關係；以及以該第一樣品於該些預設深度的載子濃度及該比例關係，建立該資料庫的內容。
  4. 如請求項2所述之載子濃度的量測方法，其中經載子佈植的該待測物熱退後，該載子濃度的量測方法更包含：以該雷射訊號對熱退火後的該待測物進行量測；分析經熱退火後的該待測物反射的該拉曼訊號，以取得該待測物的該量測結果，該量測結果包含對應一第三拉曼位移的一第三訊號點；以及判斷該量測結果中的一第三訊號點，並依據該第三訊號點，判斷一拉曼位移。
  5. 如請求項4所述之載子濃度的量測方法，其中於該量測結果中，該第三訊號點的強度高於其他鄰近的訊號點的強度。
  6. 如請求項5所述之載子濃度的量測方法，更包括：以一二次離子質譜儀分析經載子佈植及熱退火的一第二樣品於多個預設深度的載子濃度；以不同波長的該雷射訊號對該第二樣品進行量測，以取得該第二樣品於該些預設深度的該拉曼位移； 比對該第二樣品於該些預設深度的載子濃度和以該雷射訊號於該些預設深度下取得的該拉曼位移；以及以該第二樣品於該些預設深度的載子濃度及該拉曼位移，建立該資料庫的內容。
  7. 一種載子濃度的量測設備，包括：一對焦器，用以將一雷射訊號對焦於一待測物，並接收該待測物反射的一拉曼訊號；一光譜儀，接收並分析該待測物反射的該拉曼訊號，以產生該待測物的一量測結果，該量測結果包含對應一第一拉曼位移的一第一訊號點及對應一第二拉曼位移的一第二訊號點，其中該待測物為經載子佈植的晶圓，該第一訊號點關連於該待測物中的載子，該第二訊號點關連於該待測物中的原子；以及一處理器，接收該光譜儀產生的該量測結果，並判斷該量測結果於該第一訊號點的強度及於該第二訊號點的強度，該處理器依據該第一訊號點的強度及該第二訊號點的強度，判斷一比例關係，並依據一資料庫的內容，比對該比例關係，以取得該待測物的載子濃度。
  8. 如請求項7所述之載子濃度的量測設備，更包括：一雷射光源，用以提供該雷射訊號至該對焦器；以及一控制器，用以控制該對焦器以產生具有一調變波長的該雷射訊號，並控制該對焦器將該雷射訊號對焦於該待測物不同的位置，以對該待測物於一深度範圍的量測區域進行量測，且該量測結果為該拉曼訊號的一拉曼位移強度分佈。
  9. 如請求項7所述之載子濃度的量測設備，其中經載子佈植的該待測物熱退火後，該對焦器以該雷射訊號對焦於熱退火後的該待測物，並接收熱退火後的該待測物反射的該拉曼訊號，該光譜儀接收並分析熱退火後的該待測物反射的該拉曼訊號，以產生熱退火後的該待測物的該量測結果，該處理器判斷熱退火後的該量測結果中對應一第三拉曼訊號的一第三訊號點，並依據該第三訊號點，判斷一拉曼位移。
  10. 如請求項9所述之載子濃度的量測設備，其中於熱退火後的該量測結果中，該第三訊號點的強度高於其他鄰近的訊號點的強度。
TW104132673A 2015-10-05 2015-10-05 載子濃度的量測方法及其設備 TWI696822B (zh)

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