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紅外光譜橢偏儀

       一、在半導(dǎo)體工藝中，摻雜雜質(zhì)類型、濃度及結(jié)深的改變都會(huì)引起不同頻率的紅外光譜，介紹了一種通過(guò)紅外橢偏儀測(cè)量淺結(jié)雜質(zhì)分布的方法：利用 Drude 方程將 Si 中不同摻雜與其引起的光學(xué)常量的變化對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)紅外橢偏分量 Ψ 和 Δ 的測(cè)量及模型擬合來(lái)測(cè)定半導(dǎo)體中載流子的濃度分布。并建立高斯?jié)u變層模型，即將離子注入退火后的非均勻摻雜層分成 n 小層，各層載流子濃度之間符合高斯分布，且每一層載流子濃度可以用 Drude 方程來(lái)描述。測(cè)量采用了可變角度的紅外光譜橢偏儀，該測(cè)量方法具有非接觸性、非破壞性的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量快捷方便。

       本文介紹一種利用紅外橢偏光譜儀測(cè)量半導(dǎo)體中載流子濃度的方法。利用紅外橢偏儀測(cè)量 Si 中離子注入退火后的雜質(zhì)濃度分布，具有測(cè)量精度高﹑非損傷性以及能區(qū)分不同物理效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。摻雜半導(dǎo)體的光學(xué)吸收系數(shù)和折射率與其中自由電子或空穴濃度有關(guān)。從原理上說(shuō)，可以借助測(cè)量吸收系數(shù)或反射率來(lái)確定半導(dǎo)體中載流子濃度。同時(shí)半導(dǎo)體雜質(zhì)注入退火后的載流子分布近似服從高斯分布，紅外橢偏儀正是基于以上兩點(diǎn)完成測(cè)量、模型建立及數(shù)據(jù)擬合，從而確定雜質(zhì)濃度分布的。利用這種光學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)在于非接觸和非破壞性的，適用于淺結(jié)雜質(zhì)分布的測(cè)量。

       紅外橢偏儀的測(cè)量原理與普通的光譜橢偏儀一樣，也是測(cè)量橢偏參量 ψ 和 Δ。不同的是普通橢偏儀的光譜范圍為 0. 37 ～ 1 μm，通常用來(lái)測(cè)量介質(zhì)層、聚合物等薄膜厚度及光學(xué)常數(shù)。紅外橢偏儀的光譜范圍為 2 ～ 30 μm，在這一光譜范圍內(nèi)，半導(dǎo)體的光學(xué)吸收系數(shù)和折射率與其中自由電子或空穴濃度有關(guān)?？梢越柚跍y(cè)量吸收系數(shù)或反射率來(lái)確定半導(dǎo)體中載流子濃度。

二、模型的建立

      注入退火后載流子分布與 SiO2 和 SiN 等固定介電常數(shù)介質(zhì)膜不同。注入退火后載流子分布是非均勻分布，其介電常數(shù)隨結(jié)深的不同而變化，因此可以建立一個(gè)漸變層模型，即將整個(gè)摻雜層分為 n層，n 取值足夠大時(shí)，即可假定在每一小層內(nèi)有固定的介電常數(shù)。每一層的光學(xué)特性可以用經(jīng)典Drude 模型來(lái)描述，該模型是將半導(dǎo)體的電特性和光學(xué)特性相對(duì)應(yīng)的一種模型。本次測(cè)量建立了兩個(gè)模型: ①在 n 型襯底注入p 型雜質(zhì)并退火的模型; ②在 p 型稱底注入 n 型雜質(zhì)并退火的模型。橢偏測(cè)量模型先通過(guò) Drude 模型定義各層摻雜濃度，再通過(guò)高斯分布將測(cè)得的各層雜質(zhì)原子分?jǐn)?shù)聯(lián)系起來(lái)得到一個(gè)連貫的濃度分布圖。

三、結(jié)論

       通過(guò)紅外光譜橢偏儀對(duì)摻雜半導(dǎo)體進(jìn)行橢偏數(shù)據(jù)測(cè)量，又通過(guò) Drude 漸變層模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到載流子的雜質(zhì)分布圖。從雜質(zhì)分布圖可以得到峰值濃度雜質(zhì)的、結(jié)深等摻雜層信息。

       紅外橢偏測(cè)量具有非接觸性、非破壞性的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量快捷方便，可作為半導(dǎo)體制造工藝中在線監(jiān)控雜質(zhì)分布、結(jié)深的有效手段。尤其能夠?qū)\結(jié)雜質(zhì)分布進(jìn)行測(cè)量。缺點(diǎn)是摻雜濃度低時(shí)，通常是低于 10 18 cm-3 ，雜質(zhì)在紅外波段引起的折射率及介電常數(shù)變化不靈敏，因此測(cè)量精確度不太高。