一種基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于：在半導(dǎo)體材料激光退火裝置中加入一光學(xué)檢測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對激光退火的實時在線檢測。該光學(xué)檢測系統(tǒng)包含一束光子能量大于本征半導(dǎo)體材料禁帶寬度的強度周期性調(diào)制的激勵光束，以及一光載流子紅外輻射信號收集裝置。通過與參考樣品的光載流子輻射信號數(shù)據(jù)進行比較，進而實時調(diào)整激光退火參數(shù)，實現(xiàn)預(yù)期退火效果，提高半導(dǎo)體材料的退火效率。
【專利說明】一種基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體材料激光退火在線檢測方法，特別涉及一種基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體工藝特征尺寸的不斷減小，超淺結(jié)工藝已經(jīng)成為半導(dǎo)體工藝技術(shù)研究中的熱點。為了減小雜質(zhì)的擴散以滿足淺結(jié)的要求，需要采用新的退火技術(shù)進行雜質(zhì)的激活和晶格損傷的修復(fù)。相對于常規(guī)熱退火，在準分子激光退火(S.Do，S.Kong, Y.Lee, J.0h, J.Lee, M.Ju, S.Jeon and J.Ku, Ultra-shallow Junction FormationUsing Plasma Doping and Excimer Laser Annealing for Nano-technology CMOSApplications, Journal of the Korean Physical Society.55, 1065(2009))過程中，慘雜離子的再分布可以通過調(diào)節(jié)準分子激光器的參數(shù)進行有效控制，同時可以獲得高的激活效率。另外，準分子激光退火在薄膜晶體管和液晶顯示屏的應(yīng)用中也越來越廣泛，作為一個關(guān)鍵的加工工藝，準分子激光退火將非晶硅(a-Si)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч?P-Si)，使電子遷移率提高數(shù)百倍，提升高端薄膜晶體管或顯示屏中的像素密度。由于退火程度及其均勻性直接決定了器件的性能和生產(chǎn)效率，因此對激光退火進行精確快速地在線檢測和無損表征在半導(dǎo)體超淺結(jié)和高端薄膜晶體管或顯示屏制造技術(shù)中至關(guān)重要。
[0003]目前常用的退火檢測技術(shù)主要有電化學(xué)方法和光學(xué)檢測方法，其中透射電子顯微鏡(TEM:Transmission Electron Microscopy)和 二次離子質(zhì)譜(SIMS: Secondary-1on-Mass Spectrometry)測量方法是具有代表性的兩種電化學(xué)檢測方法，由于測量過程中均需要與材料接觸，對材料具有破壞性，同時其測量過程耗時長，影響生產(chǎn)效率。專利號為US6656749B1的美國專利提出通過測量光反射系數(shù)的變化在線監(jiān)測激光退火MOS器件源漏結(jié)的結(jié)深，由于測量過程中要同時考慮溫度場和載流子分布的影響，影響測量精度。光載流子福射(PCR:Photo-Carrier Radiometry)技術(shù)自提出以來,廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料載流子輸運參數(shù)的表征和摻雜濃度及均勻性的檢測，由于完全濾除了溫度場的影響，測量信號僅與探測區(qū)域內(nèi)光激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度和材料內(nèi)部的缺陷能級有關(guān)，相比熱波測量方法，具有信號穩(wěn)定，靈敏度高等諸多優(yōu)點，具有較強的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，具有測量靈敏度高和可實時在線檢測等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于包括:
[0006]在半導(dǎo)體材料激光退火裝置中加入一基于光載流子輻射技術(shù)的光學(xué)檢測系統(tǒng)，SP將強度周期性調(diào)制的激勵光束照射到退火半導(dǎo)體材料表面，產(chǎn)生周期性調(diào)制的載流子經(jīng)輻射復(fù)合產(chǎn)生紅外輻射信號，即光載流子輻射信號，通過收集并比較退火半導(dǎo)體材料和參考樣品的光載流子輻射信號的振幅值和/或相位值，進而實時調(diào)節(jié)激光退火參數(shù)，達到預(yù)期退火效果，實現(xiàn)對激光退火的實時在線檢測和/或控制。
[0007]其中，所述的激光退火裝置為點掃描式或線掃描式退火。所述的激光退火參數(shù)為退火脈沖激光能量，脈沖數(shù)和脈沖重復(fù)率等參數(shù)。
[0008]其中，所述的半導(dǎo)體材料為離子注入晶體硅材料或非晶硅薄膜材料。
[0009]其中，所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)包含一光子能量大于被測半導(dǎo)體材料禁帶寬度的強度周期性調(diào)制的激勵光束和光載流子紅外輻射信號收集探測裝置。
[0010]其中，所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)中的激勵光束由連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器輸出，其強度調(diào)制可通過調(diào)制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流或電壓，或采用聲光調(diào)制器、或電光調(diào)制器、或機械斬波器調(diào)制連續(xù)激光束來實現(xiàn)。
[0011]其中，所述的收集光載流子紅外輻射信號的收集設(shè)備為光電二極管探測器或光電倍增管或紅外相機，紅外相機用來對退火區(qū)域進行成像。
[0012]其中，所述的采用紅外相機對退火區(qū)域進行成像時，成像大小可通過調(diào)節(jié)入射到半導(dǎo)體材料表面的激勵光束的光斑大小來實現(xiàn)。
[0013]其中，所述的退火激光光束與光學(xué)檢測激勵光束的間距需通過優(yōu)化選擇，以避免由于兩者間距過小使得檢測位置的激光退火過程尚未完成而導(dǎo)致檢測結(jié)果不實，同時避免由于兩者間距過大而達不到實時檢測的目的。
[0014]其中，所述的收集光載流子紅外輻射信號的收集裝置中需加濾光片濾除激勵光束和退火激光光束的散射光的影響。
[0015]本發(fā)明的原理是:
[0016]退火激光光束照射到半導(dǎo)體材料表面，其光能通過電磁相互作用被半導(dǎo)體材料吸收。當吸收的激光能量低于半導(dǎo)體材料的熔融閾值時，半導(dǎo)體材料通過固相外延再結(jié)晶，從而使得離子注入引起的晶格損傷或非晶薄膜中的缺陷得到一定程度的修復(fù)，而當吸收的激光能量高于半導(dǎo)體材料的熔融閾值時，半導(dǎo)體材料通過液相外延再結(jié)晶，使摻雜離子很好地完成晶格結(jié)構(gòu)替位，同樣達到修復(fù)晶格損傷的目的，因此修復(fù)的程度與激光退火參數(shù)密切相關(guān)。如果將一束光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的合適功率激勵光束照射到退火半導(dǎo)體材料表面，半導(dǎo)體中的電子將從價帶躍遷到導(dǎo)帶，同時在價帶產(chǎn)生空穴。這些因激發(fā)產(chǎn)生的非平衡載流子通過帶帶間直接復(fù)合和雜質(zhì)缺陷能級相對應(yīng)的間接復(fù)合產(chǎn)生紅外輻射信號，即光載流子輻射信號。由于光載流子輻射信號與被測半導(dǎo)體中載流子的輸運參數(shù)(如載流子壽命，遷移率和表面復(fù)合速率等)有關(guān)，而載流子輸運參數(shù)與被測區(qū)域中缺陷損傷密切相關(guān)，因此與退火參數(shù)直接相關(guān)。通過測量并比較退火半導(dǎo)體樣品和參考樣品的光載流子輻射信號的振幅值和/或相位值，進而對激光退火參數(shù)進行實時調(diào)整，以實現(xiàn)預(yù)期退火效果，提聞退火效率。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0018](I)與電化學(xué)方法相比，可實現(xiàn)無損、無接觸、實時在線檢測，提高生產(chǎn)效率；
[0019](2)與熱探針方法相比，消除了溫度場的影響，提高測量精度和靈敏度。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]圖1為本發(fā)明具有光學(xué)檢測系統(tǒng)的激光退火裝置示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明中光學(xué)檢測系統(tǒng)測得的兩個不同調(diào)制頻率下的光載流子輻射信號振幅值與退火激光脈沖能量密度的關(guān)系圖；
[0022]圖3為本發(fā)明中光學(xué)檢測系統(tǒng)測得的兩個不同調(diào)制頻率下的光載流子輻射信號相位值與退火激光脈沖能量密度的關(guān)系圖；
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖以及具體實施例進一步說明本發(fā)明。
[0024]如圖1所示，ArF準分子激光退火裝置輸出的退火激光光束I對半導(dǎo)體材料2進行退火處理。光學(xué)檢測系統(tǒng)中的激勵光束3由中心波長為405nm (該激勵光產(chǎn)生的光子能量為3.06eV，大于硅的本征禁帶寬度1.1eV)的半導(dǎo)體激光器輸出，其輸出功率為53mW，并通過函數(shù)信號發(fā)生器進行周期性調(diào)制；光載流子輻射信號由紅外光探測裝置4收集探測，該探測裝置包含一濾除退火激光光束和激勵光束散射光的長波通濾光片，探測光載流子紅外輻射信號的InP/InGaAs光電倍增管(PMT)探測器，其探測波長范圍為0.95-1.7 μ m，用來解調(diào)探測到的光載流子輻射信號的鎖相放大器，其最大探測頻率為2MHz，以及用于控制系統(tǒng)自動運行及存儲、處理信號數(shù)據(jù)的計算機。其中參考半導(dǎo)體硅片樣品參數(shù):P型，晶向〈100〉，電阻率 15-25 Ω.cm，厚度 725±25 μ m，As+注入能量 IkeV，劑量 I X 1015cnT2。激光退火參數(shù):準分子激光器輸出光束波長193nm，脈沖寬度約7ns。
[0025]圖1為本發(fā)明具有光學(xué)檢測系統(tǒng)的激光退火裝置示意圖，將半導(dǎo)體硅片樣品2放置在準分子激光退火反應(yīng)室(未顯示)中，調(diào)節(jié)ArF準分子激光退火裝置，將預(yù)設(shè)退火參數(shù)的脈沖激光光束I照射到半導(dǎo)體硅片表面，進行準分子激光退火。退火過程中，樣品在樣品架(未顯示)的作用下沿箭頭方向進行移動，進行點掃描式退火。由于退火效應(yīng)，離子注入引起的晶格損傷得到一定程度的修復(fù)，圖1半導(dǎo)體硅片樣品中虛線形象的表示未退火區(qū)域中存在大量的晶格損傷。
[0026]為了實時檢測離子注入引起的晶格損傷在準分子激光退火過程中的修復(fù)程度，利用基于光載流子輻射技術(shù)的光學(xué)檢測裝置進行測量。將方波(或其它波形)調(diào)制的405nm半導(dǎo)體激光器輸出的激勵光束I照射到已退火區(qū)域表面，樣品因吸收激勵光束能量在被照射處產(chǎn)生周期性變化的載流子密度波場，載流子經(jīng)輻射復(fù)合產(chǎn)生光載流子紅外輻射信號，經(jīng)紅外光探測設(shè)備4收集探測，具體為經(jīng)濾光片濾除激勵光束和退火激光光束的散射光后，再經(jīng)紅外探測器進行探測，最后通過鎖相放大器解調(diào)獲得光載流子輻射信號的一次諧波振幅值和相位值。
[0027]圖2和圖3分別為在光學(xué)檢測系統(tǒng)中測量得到的參考樣品在兩個不同調(diào)制頻率下光載流子輻射信號的振幅值和相位值與準分子激光退火能量密度的關(guān)系曲線，兩者均隨能量密度的增加呈單調(diào)變化，且低頻振幅和高頻相位對脈沖能量密度的變化更為敏感，因此有利于定標處理。通過與參考樣品的光載流子輻射振幅和/或相位信號進行比較，進而實時調(diào)節(jié)退火脈沖激光能量(可通過調(diào)節(jié)其他激光退火參數(shù)實現(xiàn)，需先標定)，達到預(yù)期退火效果，提聞退火效率。
[0028]本發(fā)明提供的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法適用于但不限于超淺PN結(jié)和低溫多晶硅薄膜晶體管等半導(dǎo)體器件激光退火工藝過程中的實時在線檢測。
[0029]本發(fā)明未詳細公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0030]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:該方法在半導(dǎo)體材料激光退火裝置中加入一基于光載流子輻射技術(shù)的光學(xué)檢測系統(tǒng)，即將一束強度周期性調(diào)制的激勵光束照射到退火半導(dǎo)體材料表面，產(chǎn)生的周期性調(diào)制載流子經(jīng)輻射復(fù)合產(chǎn)生紅外輻射信號，即光載流子輻射信號，通過收集并比較退火半導(dǎo)體材料和參考樣品的光載流子輻射信號的振幅值和/或相位值，進而實時調(diào)節(jié)激光退火參數(shù)，達到預(yù)期退火效果，實現(xiàn)對激光退火的實時在線檢測和/或控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:所述的激光退火裝置為點掃描式或線掃描式退火，所述的激光退火參數(shù)為退火脈沖激光能量，脈沖數(shù)和脈沖重復(fù)率等參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:所述的半導(dǎo)體材料為離子注入半導(dǎo)體硅材料或非晶硅薄膜材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)包含一光子能量大于被測半導(dǎo)體材料禁帶寬度的強度周期性調(diào)制的激勵光束和光載流子紅外輻射信號收集探測裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)中的激勵光束由連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器輸出，其強度調(diào)制可通過調(diào)制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流或電壓，或采用聲光調(diào)制器、或電光調(diào)制器、或機械斬波器調(diào)制連續(xù)激光束來實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:所述的收集光載流子紅外輻射信號的收集設(shè)備為光電二極管探測器或光電倍增管或紅外相機，紅外相機用來對退火區(qū)域進行成像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:采用權(quán)利要求6所述的紅外相機對退火區(qū)域進行成像時，成像大小可通過調(diào)節(jié)入射到半導(dǎo)體材料表面的激勵光束的光斑大小來實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:所述的退火激光光束與光學(xué)檢測激勵光束的間距需通過優(yōu)化選擇，以避免由于兩者間距過小使得檢測位置處的激光退火過程尚未完成而導(dǎo)致檢測結(jié)果不實，同時避免由于兩者間距過大而達不到實時檢測的目的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光載流子輻射技術(shù)的半導(dǎo)體硅片激光退火在線檢測方法，其特征在于:所述的收集光載流子紅外輻射信號的收集裝置中需加濾光片濾除激勵光束和退火激光光束的散射光的影響。
【文檔編號】H01L21/66GK103730386SQ201410006809
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】李斌成, 王謙 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所