紅外光譜橢偏儀
一、在半導體工藝中,摻雜雜質(zhì)類型、濃度及結(jié)深的改變都會引起不同頻率的紅外光譜,介紹了一種通過紅外橢偏儀測量淺結(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常量的變化對應起來,通過紅外橢偏分量 Ψ 和 Δ 的測量及模型擬合來測定半導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 方程來描述。測量采用了可變角度的紅外光譜橢偏儀,該測量方法具有非接觸性、非破壞性的優(yōu)點,測量快捷方便。
本文介紹一種利用紅外橢偏光譜儀測量半導體中載流子濃度的方法。利用紅外橢偏儀測量 Si 中離子注入退火后的雜質(zhì)濃度分布,具有測量精度高﹑非損傷性以及能區(qū)分不同物理效應等優(yōu)點。摻雜半導體的光學吸收系數(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,可以借助測量吸收系數(shù)或反射率來確定半導體中載流子濃度。同時半導體雜質(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完成測量、模型建立及數(shù)據(jù)擬合,從而確定雜質(zhì)濃度分布的。利用這種光學方法的優(yōu)點在于非接觸和非破壞性的,適用于淺結(jié)雜質(zhì)分布的測量。
紅外橢偏儀的測量原理與普通的光譜橢偏儀一樣,也是測量橢偏參量 ψ 和 Δ。不同的是普通橢偏儀的光譜范圍為 0. 37 ~ 1 μm,通常用來測量介質(zhì)層、聚合物等薄膜厚度及光學常數(shù)。紅外橢偏儀的光譜范圍為 2 ~ 30 μm,在這一光譜范圍內(nèi),半導體的光學吸收系數(shù)和折射率與其中自由電子或空穴濃度有關(guān)。可以借助于測量吸收系數(shù)或反射率來確定半導體中載流子濃度。
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,因此可以建立一個漸變層模型,即將整個摻雜層分為 n層,n 取值足夠大時,即可假定在每一小層內(nèi)有固定的介電常數(shù)。每一層的光學特性可以用經(jīng)典Drude 模型來描述,該模型是將半導體的電特性和光學特性相對應的一種模型。本次測量建立了兩個模型: 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。橢偏測量模型先通過 Drude 模型定義各層摻雜濃度,再通過高斯分布將測得的各層雜質(zhì)原子分數(shù)聯(lián)系起來得到一個連貫的濃度分布圖。
三、結(jié)論
通過紅外光譜橢偏儀對摻雜半導體進行橢偏數(shù)據(jù)測量,又通過 Drude 漸變層模型對測量數(shù)據(jù)進行擬合,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。
紅外橢偏測量具有非接觸性、非破壞性的優(yōu)點,測量快捷方便,可作為半導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)分布進行測量。缺點是摻雜濃度低時,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,因此測量精確度不太高。
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