FT-IR自動分析系統(tǒng)測量硅晶圓中的元素雜質(zhì)

引言 隨著半導(dǎo)體需求的增加，特別是消費(fèi)電 子產(chǎn)品、汽車以及日益增長的太陽能發(fā) 電行業(yè)中硅器件的使用，硅晶圓的產(chǎn)量 預(yù)計在未來幾年將出現(xiàn)高速增長。 硅晶圓的生產(chǎn)目前采用了多種工藝，最常見的兩種是 Float Zone（FZ）和 Czochralski （CZ）工藝。FZ 工藝可以生產(chǎn)高純度硅晶圓，而 CZ 工藝生產(chǎn)的晶圓相對來說含有更多 的元素雜質(zhì)（特別是碳和氧）。然而，與 FZ 工藝相比，CZ 工藝具有一些重要優(yōu)勢，如更 好的熱應(yīng)力特性、制造速度更快、成本更低等。此外，氧雜質(zhì)的存在有一個好處，可起 到吸氣劑的作用，可以去除微量金屬雜質(zhì)。因此，在硅晶圓制造行業(yè)中，CZ 工藝的使用 范圍廣。 我們需要測定硅晶圓中的碳和氧雜質(zhì)水平，避免雜質(zhì)水平過高，導(dǎo)致電活性缺陷和產(chǎn)品 故障/報廢。根據(jù)全球標(biāo)準(zhǔn)方法，紅外光譜提供了快速和簡易的測量方法，用于測定這些 雜質(zhì)水平 1,2,3,4。

材料和方法 測量系統(tǒng)由配備 MappIR 晶圓支架以及安裝有自動化 軟件的 PerkinElmer Spectrum 3™ FT-IR 紅外光譜儀組成， 如圖 1 所示。

該系統(tǒng)能夠在透射或反射模式下分析從 2 英寸到 8 英寸 （MappIR）或 12 英寸（Mapp300）尺寸范圍的晶圓。 自動化軟件可實(shí)現(xiàn)在無人值守情況下自動繪制晶圓圖 譜，根據(jù)預(yù)先設(shè)置或用戶定義的圖譜繪制安排，采集整 個晶圓的光譜。數(shù)據(jù)采集完成后，根據(jù)規(guī)定的分析方法 進(jìn)行計算。 在透射模式下采集直徑為 6 英寸的硅晶圓光譜，光譜分 辨率為 4 cm-1，使用 32 次掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。Spectrum  3 和 MappIR 使用干燥氮?dú)膺B續(xù)吹掃，以從光譜中去除 大氣光譜干擾。 500 微米厚 Float Zone 工藝硅晶圓的光譜如圖 2 所示。

紅外光譜顯示在 1500 cm-1 以下存在多個硅晶格振動的 吸收帶。圖 3 顯示了相同的 FZ 晶圓和 CZ 晶圓在 1500  cm-1 以下光譜范圍放大的疊加光譜圖。

從光譜可以看出，兩個晶圓的光譜之間存在差異，特別是 CZ 光譜中 1100cm-1 附近的吸收峰。為了更清楚地查看光譜差異 并對光譜進(jìn)行計算，標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定從待分析的 CZ 工藝樣品中 扣減高純度 FZ 參考晶圓的光譜。這將生成如圖 4 所示的光譜 圖。

1107 和 513 cm-1 處的譜帶是由于存在間隙氧，而 605 cm-1 處 的譜帶則是由于存在替代碳。這些譜帶允許對光譜進(jìn)行定量分 析。具有不同氧濃度范圍的晶圓光譜如圖 5 所示。 此計算方法允許使用一系列校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)品做線性回歸或使用標(biāo) 準(zhǔn)校準(zhǔn)因子。以前可從 NIST 機(jī)構(gòu)獲取硅晶圓中的氧標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 用于校準(zhǔn)工作，由于 NIST 已不銷售此系列標(biāo)樣，此方法已不 再可行，因此絕大多數(shù)分析都直接使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)因子。

可以清楚地看到，在不同測量中，氧的峰具有不同強(qiáng)度。計 算每個點(diǎn)的氧和碳濃度，如表 2 所示。

結(jié)果顯示，氧在整個晶圓上存在顯著變化，而碳的測量結(jié)果 更加一致。理想的晶圓應(yīng)當(dāng)在整個晶圓上具有一致的測量結(jié) 果，以避免在晶圓被切割成較小的單片時出現(xiàn)不一致。

摘要 配備 MappIR 晶圓分析系統(tǒng)的珀金埃爾默 Spectrum 3 證明 能夠測量硅晶圓中存在的雜質(zhì)水平，這是一個對晶圓性能非 常重要的參數(shù)?？梢酝ㄟ^使用軟件中的“宏程序”實(shí)現(xiàn)自動 化數(shù)據(jù)采集和計算，計算方法可以根據(jù)監(jiān)管實(shí)體要求的方法 進(jìn)行定制。還可以執(zhí)行其他半導(dǎo)體應(yīng)用，如涂層、電介質(zhì)以 及外延膜的測量。 Spectrum 3 還可用于半導(dǎo)體行業(yè)中的原材料鑒定，并可整合 至 Spotlight FT-IR 顯微鏡用于缺陷分析