一种测量晶圆表面电荷密度变化的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量晶圆表面电荷密度变化的方法：测量未生长薄膜的裸晶圆(或薄膜处理前晶圆)的表面方块电阻(记为R0)；沉积薄膜于晶圆表面后(或已沉积薄膜经过一定工艺处理后)测量晶圆表面方块电阻(记为R)。如果采用P型晶圆衬底，那么表面电荷密度变化值为ΔQ＝‑(1/R‑1/R0)/eμp；如果采用N型晶圆衬底，那么表面电荷密度变化值为ΔQ＝(1/R‑1/R0)/eμn，其中电荷变化的极性由公式的正负值给出：正值代表正电荷的增加或者负电荷的减少；负值代表负电荷的增加或者正电荷的减少，其中e为基本电荷；μp和μn分别为空穴迁移率和电子迁移率，二者对于具体采用的晶圆是固定值。

A method of measuring the change of charge density on wafer surface

【技术实现步骤摘要】
一种测量晶圆表面电荷密度变化的方法
本专利技术涉及半导体晶体管制造及光电器件制造等领域中涉及晶圆表面沉积的功能薄膜，在薄膜内部和/或薄膜与晶圆间界面所含固定电荷密度的分析检测。
技术介绍
氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪等氧化物薄膜和氮化硅、氮化钛等氮化物薄膜以及非晶硅、非晶硅氧等非晶半导体薄膜等材料目前被广泛应用于晶体半导体太阳电池的钝化层和作为金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管中的绝缘层而直接沉积于晶圆表面。这些薄膜内部及薄膜与晶圆间界面上所含有的固定电荷，会对器件性能产生显著的影响。需要在研发和生产中实时监控，以确保器件质量达到所需要求。固定电荷的来源可能是内部含有掺杂元素，或存在污染，或源于材料本身的结构缺陷等。本专利中将这些在薄膜内部或者薄膜与晶圆界面上存在的非自由载流子(电子和空穴)引起的固定的电荷统称为“晶圆表面电荷”。晶圆表面电荷密的存在导致了晶圆内部自由载流子(电子和空穴)浓度相对于晶圆体内浓度值重新分布，因而显著影响半导体器件的性能。以晶体硅太阳电池为例，覆盖在晶体硅表面的钝化层薄膜，如果带有一定表面电荷，会在硅片表面引起与表面电荷异性的载流子的堆积，于此同时，与表面电荷同性的载流子被排斥。当晶圆的表面缺陷态密度不变时，表面复合率就取决于两种载流子达到表面的浓度。因此，两种载流子在表面的浓度直接决定了钝化层的钝化质量，从而显著影响晶体硅太阳电池的光电转换效率。以MOS管的栅极下的绝缘薄膜为例，其内部含有的固定电荷量亦能影响晶硅表面附近载流子的分布状态，从而改变源区和漏区间导电沟道的状态，由此引起栅极的阈值电压的漂移等现象。此外，这些功能薄膜经过一定的工艺处理(如退火)等很可能引起材料特性的变化从而导致晶圆表面电荷的再变化。由此可见，监测晶圆表面电荷变化对半导体器件的研发测试和生产监控非常重要。目前，估算晶圆表面电荷的方法为电容-电压(C-V)测试法，这种方法需要特别的样品结构，在晶圆/薄膜这种核心结构基础上，如图1(a)所示，还需要在薄膜的表面和晶圆另一面沉积金属电极以确保电路导通，同时对电极的形状和尺寸有一定限制，如图1(b)。而实际器件结构往往没有专门制备这种样品结构的环节。此外，对于某些工艺方法如原子层沉积(ALD)和低压化学气相沉积(LPCVD)，薄膜会沉积在晶圆衬底的两侧，如图1(c)所示，这往往需要去除一侧的薄膜才能实现C-V测试所需结构。本专利提测量表面电荷密度变化的方法仅需测量出晶圆的表面的方块电阻即可，无需金属电极结构而且薄膜沉积在晶圆的一侧和双侧均可。
技术实现思路
：为了解决现有技术中存在的表面电荷测量成本高技术问题，本专利技术专利提出了一种测量快速且推算方法简单，鲁棒性强，可以作为半导体生产和研发中指示薄膜质量的一种在线监测方法。本专利技术方法的原理如下：本专利技术技术方案中的表面电荷密度定义为薄膜中携带固定的电荷密度与薄膜与晶圆间界面中含有的固定的电荷密度的总和；如图2所示，采用P型单晶硅硅片作为衬底晶圆，即空穴浓度远远高于电子浓度，假设裸硅片或对已有薄膜硅片工艺处理前的空穴浓度和电子浓度分别为p0和n0。如果表面无电荷影响或影响极小，它们可认为是随硅片深度x为恒定值。当表面沉积一层薄膜并引入电荷量时，可以认为二者是x的函数。当沉积薄膜后或薄膜经历工艺处理后，假设表面出现了负电荷，或负电荷量增加，或正电荷量减少，空穴会被吸引到表面附近形成积累，此时空穴浓度为p(x)；与此同时电子被排斥而远离晶体硅表面，可设为n(x)。假设表面电荷量(Q)等于载流子浓度变化引起的镜像电荷量，则表面电荷量的变化值(ΔQ)符合如下式(1)其中d为引起载流子分布变化的最小深度，假设大于d的深度上表面电荷已无影响。同时，要求表面方块电阻的探测深度高于d值，这在几种典型的方块电阻测试方法上，如四探针法和霍尔效应法等很容易实现。假设方块电阻的探测电流方向与晶圆表面平行，这相当于总电阻值为不同深度上的晶圆材料的并联，从而使得方块电阻符合式(2)和(3)其中R0和R分别为表面电荷变化前后的方块电阻，其中e为基本电荷；μp和μn分别为空穴迁移率和电子迁移率，在室温下对一定材料和电阻率的晶圆二者是常数，见参考文献[1]。在P型晶圆中常有p0＞＞n0，当表面电荷为负值时，表面附近的空穴浓度增加，电子浓度降低，因此p(x)＞＞n(x)也成立，这样式(2)和式(3)积分式中第二项可以忽略。同时假设p(x)-p0＞＞n(x)-n0，这在多数情况下是合理的，因此式(1)中n(x)-n0可以忽略，以此推到出式(4)当表面电荷为正值时，表面附近的空穴浓度降低，电子浓度升高，当表面正电荷量不高时，仍满足p(x)＞＞n(x)，此时式(4)亦适用。仅当表面电荷量非常高以致p(x)和n(x)相当，甚至发生p(x)＜＜n(x)表面反型时式(4)不再正确。因此，当采用P型晶圆时，表面带负电和不使得晶圆表面接近反型的正电荷，可以采用式(4)估算表面电荷密度变化量，其中正值代表正电荷的增加或负电荷的减少；负值代表负电荷的增加或正电荷的减少。同理，当采用N型晶圆时，有式(5)类似地，其适用条件为表面带正电荷和不使得晶圆表面接近反型的负电荷，其中正值代表正电荷的增加或负电荷的减少；负值代表负电荷的增加或正电荷的减少。如式(4)和式(5)所示，采用P型晶圆作为样品衬底要采用空穴迁移率，而采用N型晶圆作为样品衬底要采用电子迁移率。可以看到，表面电荷密度变化与两次测量的方阻值倒数的差值成正比。本专利技术的技术方案如下：一种判断晶圆表面电荷密度变化的方法，判断晶圆表面电荷密度变化方法的步骤如下：(1)采用薄膜沉积工艺方法生长薄膜于N型或者P型的裸晶圆表面，形成晶圆/薄膜的样品结构；(2)对未沉积任何薄膜的裸晶圆表面，或者其上已沉积有薄膜的晶圆表面在工艺处理前，进行方块电阻测量，测量值记为R0；(3)对薄膜生长后的晶圆表面，或者已有薄膜的晶圆表面在工艺处理以后，进行方块电阻测量，测量值记为R；(4)采用上述R0和R值计算晶圆表面电荷密度变化如下：若采用P型晶圆衬底，则表面电荷密度变化值为ΔQ＝-(1/R-1/R0)/eμp；若采用N型晶圆衬底，则表面电荷密度变化值为ΔQ＝(1/R-1/R0)/eμn；其中电荷变化的极性由公式的正负值给出：正值代表正电荷的增加或者负电荷的减少；负值代表负电荷的增加或者正电荷的减少；其中e为基本电荷；μp和μn分别为空穴迁移率和电子迁移率，在室温下对一定材料和电阻率的晶圆二者是常数。该晶圆材料的电阻率范围为10-3Ω-cm到1010Ω-cm，配合方块电阻的测量深度，以所采用方块电阻的测量方法所能达到的精度为准。比如，如果采用四探针测量法，采用高阻硅片(＞1000Ω-cm)更容易测量出表面电荷引起的电阻差异，如果采用低阻值硅片，对方块电阻测量仪的精度要求会比较高。此外，在薄膜沉积前，采用RCA法清洗硅片表面，再在HF溶液浸泡可以清除一般镜面抛光硅片晶圆表面的污染物和自然氧化层，此时测量硅片方阻可以认为无表面电荷的影响或表面缺陷引起的影响可以忽略。在此清洁硅片上沉积薄膜后，再测量硅片方阻，然后采用上述方法计算得到的表面电荷量变化可以认为是薄膜引入的电荷量。也可以沉积先后几种薄膜于晶圆衬底表面，可以采用该方案观测不同种类本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种判断晶圆表面电荷密度变化的方法，其特征在于：判断晶圆表面电荷密度变化方法的步骤如下：(1)采用薄膜沉积工艺方法生长薄膜于N型或者P型的裸晶圆表面，形成晶圆/薄膜的样品结构；(2)对未沉积任何薄膜的裸晶圆表面，或者其上已沉积有薄膜的晶圆表面在工艺处理前，进行方块电阻测量，测量值记为R0；(3)对薄膜生长后的晶圆表面，或者已有薄膜的晶圆表面在工艺处理以后，进行方块电阻测量，测量值记为R；(4)采用上述R0和R值计算晶圆表面电荷密度变化如下：若采用P型晶圆衬底，则表面电荷密度变化值为ΔQ＝‑(1/R‑1/R0)/eμp；若采用N型晶圆衬底，则表面电荷密度变化值为ΔQ＝(1/R‑1/R0)/eμn；其中电荷变化的极性由公式的正负值给出：正值代表正电荷的增加或者负电荷的减少；负值代表负电荷的增加或者正电荷的减少；其中e为基本电荷；μp和μn分别为空穴迁移率和电子迁移率，在室温下对一定材料和电阻率的晶圆二者是常数。

【技术特征摘要】
1.一种判断晶圆表面电荷密度变化的方法，其特征在于：判断晶圆表面电荷密度变化方法的步骤如下：(1)采用薄膜沉积工艺方法生长薄膜于N型或者P型的裸晶圆表面，形成晶圆/薄膜的样品结构；(2)对未沉积任何薄膜的裸晶圆表面，或者其上已沉积有薄膜的晶圆表面在工艺处理前，进行方块电阻测量，测量值记为R0；(3)对薄膜生长后的晶圆表面，或者已有薄膜的晶圆表面在工艺处理以后，进行方块电阻测量，测量值记为R；(4)采用上述R0和R值计算晶圆表面电荷密度变化如下：若采用P型晶圆衬底，则表面电荷密度变化值为ΔQ＝-(1/R-1/R0)/eμp；若采用N型晶圆衬底，则表面电荷密度变化值为ΔQ＝(1/R-1/R0)/eμn；其中电荷变化的极性由公式的正负值给出：正值代表正电荷的增加或者负电荷的减少；负值代表负电荷的增加或者正电荷的减少；其中e为基本电荷；μp和μn分别为空穴迁移率和电子迁移率，在室温下对一定材料和电阻率的晶圆二者是常数。2.根据权利要求1所述的一种判断晶圆表面电荷密度变化的方法，其特征在于：晶圆为半导体材料，所述晶圆材料的电阻率范围为10-3Ω-cm到1010Ω-cm。3.根据权利要求2所述的一种判断晶圆表面电荷密度变化的方法，其特征在于：所述晶圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹤，李翔，黎微明，
申请(专利权)人：江苏微导纳米装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32