專利名稱：半導(dǎo)體中的微缺陷的檢測和分類的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體或者硅結(jié)構(gòu)中的微缺陷檢測和分類的設(shè)備和方法，尤其(但并非只限于)涉及對硅—絕緣體晶片、多晶硅、鍺硅(SiGe)外延層和類似結(jié)構(gòu)中的微缺陷檢測和分類的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
高性能電路的迅速收縮器件的幾何形狀和技術(shù)要求非常需要了解涉及材料微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的物理現(xiàn)象。為減少材料中缺陷的數(shù)量以及這些缺陷對于使集成電路性質(zhì)劣化和產(chǎn)量下降的影響，必需了解這些性質(zhì)。所有的硅晶片包含某一等級的缺陷，其性質(zhì)和密度取決于晶體生長條件和晶片在后續(xù)處理中熱量與時(shí)間的關(guān)系(熱關(guān)系曲線)。硅—絕緣體制造技術(shù)引入了其自身的缺陷類型，對于制造方法來說有些是共同的，而有些是特殊的。為了在改進(jìn)材料方面取得成功，了解處理?xiàng)l件如何影響缺陷的形成、缺陷的性質(zhì)及其對于器件特性的作用是很重要的。
在使用注入氧分離(SIMOX)制造硅—絕緣(SOI)材料中出現(xiàn)缺陷。用這種方法制造的晶片的缺陷是在SIMOX中的特殊類型缺陷，諸如硅橋以及在結(jié)構(gòu)的埋置氧(BOX)部分的硅內(nèi)含物。能夠用本發(fā)明來定出這些缺陷的位置并說明其特征。
多晶硅包含晶界(即兩個(gè)不同取向的晶體區(qū)域的邊界)，它們是物理缺陷。在樣品表面上這些缺陷也將具有影響材料性能的電活動性。能夠用本發(fā)明來定出這些缺陷的位置并說明其特征。
晶體生長技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)能夠制造出無位錯(cuò)硅晶片。然而，在晶片經(jīng)受高溫處理之后，無位錯(cuò)晶片可能無法保持無位錯(cuò)。一般，在晶片的器件活動或有源區(qū)域中形成的缺陷和在柵極氧化物中產(chǎn)生的缺陷會使器件性能劣化，導(dǎo)致產(chǎn)量損失和可靠性問題。能夠用本發(fā)明來定出這些缺陷的位置并說明其特征。
過渡金屬(它們是在硅中的快擴(kuò)散體)容易形成深能級(即離開價(jià)帶或?qū)н吘?，并且也導(dǎo)致點(diǎn)缺陷和延伸缺陷的形成，這些缺陷最終使器件失效。這些過渡金屬雜質(zhì)還形成了復(fù)合中心和陷阱，它們能夠極大地縮短載流子壽命，并且也能起產(chǎn)生暗電流(即在沒有光線的情形下將出現(xiàn)電荷泄漏)位置的作用。已經(jīng)開發(fā)了從器件有源或活動區(qū)域去除過渡金屬的吸雜技術(shù)，在吸雜技術(shù)中一般采取機(jī)械損傷(諸如磨損)來提供受損部位，它有效地起著吸收晶片中雜質(zhì)的海綿狀物的作用。因此可以得出，故意把上述損傷對著晶片中的遠(yuǎn)離器件的區(qū)域。這樣，內(nèi)吸雜技術(shù)在硅襯底中引入缺陷，這些缺陷吸引有害的雜質(zhì)離開器件區(qū)域。需要說明吸雜場所的特征，以對于不同的處理?xiàng)l件控制其分布，這是一個(gè)用本發(fā)明完成的任務(wù)。
已經(jīng)使用外延硅(它是最上面的硅淀積層，其厚度一般為微米數(shù)量級)來克服生長成的CZ晶片的問題。換言之，當(dāng)外延硅的厚度增加時(shí)，假定能夠以無缺陷的方式來生長此層，則可將它用作電器件的場所而不必?fù)?dān)心晶片體中的污染會影響器件的活動性。然而，對于此活動性并非總是可以使用足夠厚的外延層，而當(dāng)外延層較薄時(shí)，則晶片體中的缺陷能夠妨礙電器件。此外，外延層還因金屬污染的問題而受害。
已經(jīng)有一些技術(shù)用于檢測生長成的材料中的缺陷，這些技術(shù)包括濕法化學(xué)蝕刻，用以展現(xiàn)流型缺陷；光散射形貌術(shù)，該方法使用光來檢查晶片表面的形貌以檢測波動，該波動指出亞結(jié)構(gòu)中的缺陷；以及透射干涉反差顯微術(shù)，該方法檢查通過晶片的透射光，并且使用由于路徑的微小改變而產(chǎn)生的相移，以對晶片中的缺陷成象。所有的這些技術(shù)被使用來測量晶片中缺陷的物理存在。然而，它們不測量缺陷的電氣性質(zhì)，并且在某些情形中它們是破壞性的。于是，作為確定晶片結(jié)構(gòu)完整性的技術(shù)，它們?nèi)鄙儆伤鼈兲峁┑男畔ⅲ送?，它們確實(shí)能夠是破壞性的。
光致發(fā)光(PL)光譜術(shù)是一種研究在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷處的內(nèi)秉和外賦電子躍遷的很靈敏的技術(shù)。當(dāng)在低溫下用激光輻射激發(fā)硅超過材料的帶隙時(shí)，產(chǎn)生電子空穴對。這些載流子能夠以各種不同的方式復(fù)合，有些載流子產(chǎn)生了光致發(fā)光。在低溫下產(chǎn)生的電子空穴對能夠在硅中的雜質(zhì)處被陷獲，并且它們發(fā)出作為此相互作用的特征的光子，由此在光致發(fā)光譜中給出雜質(zhì)特定信息。PL光譜術(shù)對于硅而言有大量的應(yīng)用，包括在不同的處理步驟之后硅的特征、器件制造的特征(例如注入、氧化、等離子蝕刻)、點(diǎn)缺陷復(fù)合體的檢測和位錯(cuò)的存在。最重要的應(yīng)用之一包括淺施主和受主(諸如砷、硼和磷)的非破壞性測量。特別，此技術(shù)能夠進(jìn)行這些淺施主和受主的濃度的測量。然而，在常規(guī)的應(yīng)用中，為了獲得此光譜信息和對于光中心進(jìn)行的明確的化學(xué)識別，需要在液氦溫度下進(jìn)行測量。在工業(yè)界普遍知道，在室溫下PL信號顯著地變?nèi)?，因而能夠獲得的有用的光譜信息極少。
國際專利申請WO97/09649描述了一種實(shí)用的非破壞性技術(shù)，它基于室溫PL檢測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的電活動性缺陷。該專利申請揭示了一種具有工業(yè)應(yīng)用的PL技術(shù)，它使得要產(chǎn)生的圖象能在數(shù)分鐘內(nèi)產(chǎn)生，并且它還在產(chǎn)生單獨(dú)的細(xì)小缺陷的圖象方面有好處，這些缺陷特別靠近制造器件的晶片表面。
該技術(shù)以適合工業(yè)使用的速率提供涉及在半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)中的缺陷的信息，尤其使我們能夠目視半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域中(特別是靠近其表面處)的缺陷。該技術(shù)在觀看圖象方面利用在半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)中缺陷處的電子空穴對的增強(qiáng)非輻射復(fù)合，以增強(qiáng)所述半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)的PL圖象的反差，從而能夠更好地觀看半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)中的缺陷。
該技術(shù)檢測某些電活動性微缺陷并且允許以很高的準(zhǔn)確度對其高分辨率成象。然而，它不檢測所有有關(guān)的缺陷，因?yàn)橛行┤毕菰谑覝叵聨缀醪划a(chǎn)生光致發(fā)光。它不區(qū)別具有相似的電活動性的不同的缺陷，而實(shí)際上在確定某個(gè)缺陷是否將對最終的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有無法接受的有害作用方面，識別特定的缺陷可能是很關(guān)鍵的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是減輕在現(xiàn)有技術(shù)的室溫PL技術(shù)方面的這些缺點(diǎn)中的一些或所有的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)特別的目的是發(fā)展和修改諸如上面描述的現(xiàn)有技術(shù)的室溫PL技術(shù)和設(shè)備，從而也可以有效識別缺陷和/或?qū)θ毕蓊愋瓦M(jìn)行分類。
本發(fā)明的一個(gè)特別的目的是發(fā)展利用室溫PL的室溫PL技術(shù)和設(shè)備，允許對于在SOI尤其是SIMOX和鍵合晶片中、在多晶硅中、以及在SiGe和類似的外延層中的微缺陷準(zhǔn)確成象和說明其特征。

發(fā)明內(nèi)容
于是，按照本發(fā)明的最寬的方面，一種用于檢測硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的缺陷和對其分類的方法包括把一束高強(qiáng)度光束(諸如高強(qiáng)度激光)引至待測硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的樣品的表面上；由光束對硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)激發(fā)產(chǎn)生的光致發(fā)光產(chǎn)生第一光致發(fā)光圖象；由光束射在硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面而反射的光產(chǎn)生第二反射光圖象；把在所述兩個(gè)圖象中的信息加以組合，以檢測、標(biāo)記和識別硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的微缺陷和/或說明其特征。
在最寬的方面本發(fā)明基于收集半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)在所選擇的條件下的室溫光致發(fā)光和反射激光圖象數(shù)據(jù)，然后比較數(shù)據(jù)以說明缺陷的特征并且標(biāo)繪缺陷圖。
當(dāng)用超過帶的照度激發(fā)半導(dǎo)體材料時(shí)產(chǎn)生電子和空穴，返回至平衡態(tài)的復(fù)合能夠以輻射方式發(fā)生以產(chǎn)生光(光致發(fā)光)PL或者以非輻射方式發(fā)生以產(chǎn)生熱。這兩個(gè)過程進(jìn)行直接的競爭；在間接帶材料(諸如Si)中，非輻射過程更快和更有效。缺陷和深能級雜質(zhì)增加了非輻射過程。光致發(fā)光發(fā)射過程在缺陷或被污染之處減少或平息。因此能夠把激光光束聚焦在半導(dǎo)體表面然后收集PL信號以監(jiān)測缺陷的存在。
通過收集PL和反射激光圖象(表面圖，SM)，能夠獲得關(guān)于缺陷特征的信息并且能夠用以對缺陷類型進(jìn)行分類。它依賴于這樣的事實(shí)，不同缺陷的響應(yīng)在兩中情況下不同。特別，PL技術(shù)檢測電活動性缺陷，它它們可能影響或者不影響反射激光強(qiáng)度，而直接的反射激光圖象示出缺陷，它們可能是或者不是電活動性的。
把結(jié)果與合適的關(guān)于缺陷或缺陷類型的預(yù)定參考信息作比較，允許能夠比單用PL對檢測到的缺陷作更準(zhǔn)確的識別或分類，以產(chǎn)生實(shí)用價(jià)值更高的結(jié)果?？梢詫煞N圖象進(jìn)行協(xié)同處理，從而產(chǎn)生既可定出缺陷位置又能說明其特征的缺陷圖，用于對這些缺陷對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的有害影響作后續(xù)估計(jì)。
此方法的例子對于Si晶片的例子示于圖1-3中。由于缺陷平息了在其出現(xiàn)之處的PL信號，故在圖1中，缺陷僅出現(xiàn)在PL圖象中并且將它們稱之為電活動性的。假如把器件做在缺陷所在之處，則這些缺陷將使器件的性能劣化。在圖2中觀察到的缺陷是表面?zhèn)?，在PL和SM圖象中都能觀察到。圖3示出表面粒子的圖象，它們在PL和SM圖象中都出現(xiàn)。
第一和第二圖象的組合可以僅僅是同時(shí)觀察。然而，較佳的做法是對圖象作統(tǒng)計(jì)分析，例如，在進(jìn)行數(shù)值比較/分析之前對圖象進(jìn)行數(shù)字化。
較佳的做法是，該方法包括產(chǎn)生代表第一個(gè)PL圖象強(qiáng)度的數(shù)字化強(qiáng)度測量值(例如逐點(diǎn)讀取但最好是數(shù)字化強(qiáng)度圖)；產(chǎn)生代表第二個(gè)SM圖象強(qiáng)度的數(shù)字化強(qiáng)度測量值(例如逐點(diǎn)讀取但最好是數(shù)字化強(qiáng)度圖)；對數(shù)字化的測量值進(jìn)行數(shù)值比較以產(chǎn)生組合結(jié)果；將組合結(jié)果與關(guān)于缺陷性質(zhì)的參考數(shù)據(jù)作比較以說明檢測到的缺陷的特征。
作為激光激發(fā)的結(jié)果產(chǎn)生的PL信號由下式給出l=(1-R)C∫VA(z)ηp(z)τdz----(1)]]>這里V是樣品的體積，η是內(nèi)電子效率(τ/τnrad)，而p(z)是由于光激發(fā)而產(chǎn)生的過剩載流子密度。C表示收集和檢測其效率，而A和R是計(jì)及樣品中的吸收和反射損耗的校正因子。記錄在PL圖中的PL強(qiáng)度的改變由η的改變展現(xiàn)。通過總復(fù)合率τ或者輻射率τrad的改變能夠產(chǎn)生PL強(qiáng)度的改變。一般，在Si中，τ近似等于非輻射壽命τnrad，并且如果我們假設(shè)當(dāng)光束掃過缺陷時(shí)，只有τnrad的空間變化，者也將改變τ。實(shí)驗(yàn)證明，PL信號改變與τ的改變直接有關(guān)。因此，在缺陷處的過剩載流子分布與在無缺陷的材料中的過剩載流子分布不同，從而能夠檢測缺陷。
如此從硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)收集光致發(fā)光，從而通過產(chǎn)生圖象來目視和觀察硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的缺陷，在圖中，在缺陷的物理位置處，作為圖象中的變暗區(qū)域檢測出電子對的非輻射復(fù)合。類似地，從硅和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)收集反射的激光光線，從而通過產(chǎn)生圖象來目視和觀察硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的缺陷，在圖中，在缺陷的物理位置處，作為圖象中的變暗區(qū)域檢測出從缺陷所在之處不反射的光線。
某些類型的缺陷能夠更改由激光激發(fā)的電子和空穴的激發(fā)密度，這可以由散射或反射引起。這也將導(dǎo)致PL信號的改變(式1中的因子A和R)。較佳的做法是，方法對此作出校正。較佳的做法是，通過對收集的絕對強(qiáng)度數(shù)值施加合適的數(shù)值校正因子來產(chǎn)生代表PL圖象強(qiáng)度的數(shù)字化強(qiáng)度測量值(諸如逐點(diǎn)讀取但最好是數(shù)值強(qiáng)度圖)，以在與SM強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較之前校正激發(fā)密度的這些變化。
在較佳的實(shí)施例中，使用一種軟件算法以對PL圖象作激發(fā)密度變化的校正。為做此事，我們使用在SM圖象中檢測到的信號改變來校正PL圖象。
此校正取PL的范圍和表面強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并把PL范圍除以SM。然后使用標(biāo)準(zhǔn)偏差(s.d)把這個(gè)結(jié)果乘以偏離其平均值的表面變化，以作出此轉(zhuǎn)換的因式分解。
然后可以把最終值加至PL強(qiáng)度數(shù)據(jù)，以給出新的PL強(qiáng)度數(shù)據(jù)以與SM強(qiáng)度數(shù)據(jù)作比較，特別為與SM圖作比較而產(chǎn)生一經(jīng)校正的PL強(qiáng)度圖。
+PL]]>通過比較強(qiáng)度特別是來自強(qiáng)度圖的數(shù)字化強(qiáng)度數(shù)據(jù)和對于特定的缺陷類型參考一組參考數(shù)據(jù)來說明缺陷的特征或者對其進(jìn)行識別，強(qiáng)度圖與PL和表面圖(特別是作上述校正的PL數(shù)據(jù)和表面圖)有關(guān)。
在本發(fā)明的方法中最好使用高注入水平條件以產(chǎn)生PL圖象，以及因在缺陷所在之處的載流子壽命的局部改變來檢測缺陷。一般作為在缺陷的物理位置處的變暗區(qū)域來觀察這些缺陷，但在有些情況中，考慮到背景，增強(qiáng)的輻射復(fù)合引起相對變亮的區(qū)域。通過提高注入水平來增強(qiáng)在缺陷處的復(fù)合，從而不受少數(shù)載流子可用性的限制。較佳的PL技術(shù)是在通過引用包括于此的WO97/09649中的技術(shù)。
在這里揭示的室溫PL方法的成功之處在于，一部分是由于激光的探查體積很小，較佳的空間分辨率是0.1-20微米，理想的空間分辨率是2-5微米，并且峰值或平均功率密度在104-109瓦/厘米2之間，從而局部缺陷對測得的PL強(qiáng)度有大得多的影響，并且還相信，一部分是由于激發(fā)是聚焦的，因此注入的載流子密度很高。這大大提高了在缺陷處(因而在取向的物理位置處)的非輻射復(fù)合的概率。本發(fā)明展現(xiàn)了這一點(diǎn)，但還進(jìn)一步應(yīng)用成象信息以比單用PL產(chǎn)生更多有用的缺陷總圖。
這里，參考高強(qiáng)度激光是指包括(但不限于)高功率密度激光，即不管激光的功率大小，其輻射都是聚焦的。
在本發(fā)明的較佳的方法中，使用脈沖式的激光激發(fā)源并且理想地測量發(fā)光數(shù)據(jù)和/或作為時(shí)間的函數(shù)收集發(fā)光圖象。這意味著改進(jìn)了深度和空間分辨率并且能夠用來獲得缺陷俘獲截面的信息。也能夠使用時(shí)間分辨測量來測量有效載流子壽命并且獲得壽命圖。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，使用共焦光學(xué)元件從而通過用激光激發(fā)大體積的所述半導(dǎo)體以及從一系列的焦平面收集圖象而辨別缺陷的深度當(dāng)對于在SOI和外延SIMOX以及鍵合晶片中、在多晶硅中、在SiGe和類似的外延層中檢測成象和說明接近表面的微缺陷時(shí)，該方法特別有效。
可以用合適的計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)施圖象強(qiáng)度信息的數(shù)字化和/或把校正因子施加于PL圖象數(shù)據(jù)和/或把數(shù)字化的PL和SM圖象數(shù)據(jù)作數(shù)值比較和/或?qū)⑵浣Y(jié)果與參考數(shù)據(jù)作比較。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明包括計(jì)算機(jī)軟件，它用以實(shí)施下述方法步驟把圖象強(qiáng)度信息數(shù)字化和/或把校正因子施加于PL圖象數(shù)據(jù)和/或把數(shù)字化的PL和SM圖象數(shù)據(jù)作數(shù)值比較和/或?qū)⑵浣Y(jié)果與參考數(shù)據(jù)作比較；承載該軟件的一個(gè)合適的數(shù)據(jù)載體，所述數(shù)據(jù)載體可選地進(jìn)一步包括所述參考數(shù)據(jù)；以及一臺合適地編程的計(jì)算機(jī)，它用所述的軟件編程，并且可選地用所述參考數(shù)據(jù)編程。
按照本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了用于同時(shí)或順序進(jìn)行半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光成象和反射光成象的設(shè)備，以完成上述方法。
該設(shè)備包括高強(qiáng)度光束源，諸如可以把光束引至待測硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的樣品表面的高強(qiáng)度激光器；第一成象裝置，用于由光束激發(fā)硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光致發(fā)光產(chǎn)生第一圖象；第二成象裝置，用于由硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面反射的光產(chǎn)生第二反射光圖象；能夠?qū)蓚€(gè)圖象進(jìn)行比較的裝置。
成象裝置可以只是允許觀察者同時(shí)觀察的顯示器(直接屏幕、照相、照相機(jī)和屏幕、等等)?？晒┻x擇的還有數(shù)字成象器，諸如數(shù)字照相機(jī)，它們收集要進(jìn)行上述數(shù)值處理的數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
該設(shè)備最好還包括處理數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)的裝置。特別，它還包括存儲來自PL成象的數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)的第一數(shù)據(jù)寄存器、存儲來自RL成象的數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)的第二數(shù)據(jù)寄存器、包含表明缺陷類型特征的強(qiáng)度數(shù)據(jù)參考寄存器，還可選地包括對第一寄存器中的數(shù)據(jù)施加圖象校正數(shù)據(jù)校正器、組合來自第一和第二寄存器的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生組合結(jié)果來說明缺陷的特征的圖象比較器、用于顯示檢測到的和說明了特征的缺陷結(jié)果的顯示器。
在本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例中，激光器是其波長激發(fā)可以調(diào)節(jié)的可調(diào)制式激光器，由此該設(shè)備的使用者能夠在不同的深度對所述半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)取樣。例如，可以用短波長在所述半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)的表面附近取樣，而用較長的波長來觀看半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)的更深之處。
在本發(fā)明的又一個(gè)較佳實(shí)施例中，該設(shè)備設(shè)有能夠?qū)λ黾す馄魇┘用}沖的裝置，由此得到要作為時(shí)間的函數(shù)得到的PL圖象。
在本發(fā)明的又一個(gè)較佳實(shí)施例中，該設(shè)備設(shè)有以高頻(0.1-100MHz)調(diào)制所述激光器的裝置，由此所述設(shè)備的使用者能夠?qū)λ霭雽?dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)樣品在不同的深度取樣。
在本發(fā)明的又一個(gè)較佳實(shí)施例中，該設(shè)備包括一臺激光器，其光點(diǎn)尺寸在0.1毫米至0.5微米之間或者其功率密度在104至109瓦/厘米2之間。
在本發(fā)明的又一個(gè)較佳實(shí)施例中，該設(shè)備包括共焦光學(xué)元件，使用該共焦光學(xué)元件通過用激光激發(fā)大體積的所述半導(dǎo)體以及從一系列的焦平面收集圖象而辨別缺陷的深度。
按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，包括用上述方法或上述設(shè)備得到的以可視形式和/或可進(jìn)行數(shù)字處理形式的硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的PL和SM圖象和/或PL和SM數(shù)字化強(qiáng)度圖，這些圖象或圖適于比較，以檢測、標(biāo)繪和識別硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的微缺陷和/或說明其特征。


參照所附的圖1-8描述本發(fā)明，其中圖1示出按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了電活動性缺陷；圖2示出按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了表面?zhèn)?；圖3示出按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了表面粒子；圖4示出了TEM截面顯微照片，其中a)示出硅橋，b)示出Si內(nèi)容物；圖5示出了按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了包含Si橋接缺陷的SIMOX晶片；圖6示出了按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了包含Si內(nèi)容物缺陷的SIMOX晶片；圖7示出了按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了在鍵合晶片中的SOI空位缺陷；圖8和9示出了按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了在多晶硅中的缺陷；圖10示出了按照本發(fā)明產(chǎn)生的PL和表面圖，它們圖示了在SiG外延層中的缺陷。
較佳實(shí)施例的描述圖1至3示出了硅晶片。在圖1中，缺陷只出現(xiàn)在PL圖象中，這是因?yàn)槿毕萜较⒘嗽谄涑霈F(xiàn)之處的PL信號，因而將它們稱之為電活動性的。假如把器件做在缺陷所在之處，則這些缺陷將使器件的性能劣化。在圖2中觀察到的缺陷是表面?zhèn)?，在PL和表面象中都能觀察到表面?zhèn)?。圖3示出表面粒子的圖象，它們在PL和表面象中都出現(xiàn)。
已經(jīng)對于用注入氧分離(SIMOX)制造硅—絕緣體(SOI)測量了PL圖。為了說明此方法的有效性，故意制造晶片，使之具有在SIMOX中特定類型的缺陷、硅橋和在結(jié)構(gòu)的埋置氧(BOX)部分的硅內(nèi)含物。使用高分辨率透射電子顯微術(shù)(TEM)來識別不同的缺陷。圖4a示出截面TEM圖象，它代表了在具有Si橋的樣品中檢測到的缺陷。含有Si內(nèi)容物的樣品在圖4b中示出。
經(jīng)軟件校正后，含有Si橋的樣品的PL圖象在圖5中示出。作為PL強(qiáng)度減小的小的局部區(qū)域來檢測這些單獨(dú)的缺陷，每個(gè)黑點(diǎn)相應(yīng)于一個(gè)Si橋缺陷。由包含Si內(nèi)容物的樣品的得到的PL圖象示出PL強(qiáng)度增加的局部區(qū)域。每個(gè)單獨(dú)的缺陷相應(yīng)于一個(gè)Si內(nèi)容物。在從這些公知的缺陷類型獲得PL圖象以及校正這些圖象之后，現(xiàn)在可以根據(jù)在缺陷處的PL信號上的作用來對缺陷類型加以分類。由此允許作出分類并且能夠檢測出缺陷。
能夠把這種軟件過程應(yīng)用于在SOI結(jié)構(gòu)中檢測到的其他缺陷。對于用直接晶片結(jié)合或鍵合制造的SOI晶片，能夠在晶片未鍵合處形成缺陷，稱之為空位。由PL檢測的這種類型的空位缺陷的一例在圖6中示出。校正PL圖象而能夠?qū)Σ煌愋偷目瘴蝗毕菁右苑诸?。能夠由粒子、表面粗糙或污染產(chǎn)生這些空位(空隙)。
多晶Si包含晶界(即兩個(gè)不同取向的晶體區(qū)域的邊界)，它們是在樣品表面上的物理缺陷。這些缺陷也將具有電活動性。為了去除晶界的物理影響，我們已經(jīng)應(yīng)用軟件校正模型來校正PL圖象，其結(jié)果適于圖7和8。這使得能夠?qū)Ы绲碾娦再|(zhì)和晶粒間缺陷進(jìn)行評估和分類。
也能檢測在SiGe外延層中的缺陷，其典型缺陷的PL圖在圖9中示出。顯然，能夠再次使用軟件校正以便對缺陷類型加以分類。
能夠應(yīng)用與反射表面圖結(jié)合在一起的PL標(biāo)繪來校正PL圖象以展現(xiàn)真實(shí)的電活動性并且能夠?qū)θ毕莘诸悺?br> 權(quán)利要求
1.一種對于硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的缺陷檢測和分類的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟把一束高強(qiáng)度光束引至待測硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的樣品的表面上；由光束對硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)激發(fā)產(chǎn)生的光致發(fā)光產(chǎn)生第一光致發(fā)光圖象；由光束射在硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面而反射的光產(chǎn)生第二反射光圖象；把在所述兩個(gè)圖象中的信息加以組合，以檢測、標(biāo)記和識別硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的微缺陷和/或表明其特征。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，把光致發(fā)光圖象數(shù)據(jù)和反射激光圖象數(shù)據(jù)與關(guān)于缺陷或缺陷類型的合適的預(yù)定參考信息進(jìn)行比較，從而對檢測到的缺陷進(jìn)行空間標(biāo)記和識別或者表明其特征。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將兩個(gè)圖象進(jìn)行合并處理以產(chǎn)生一幅缺陷圖，為了對這些缺陷可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害影響作后續(xù)評估，該圖可確定缺陷的位置并表明其特征。
4.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，如此進(jìn)行第一和第二圖象的組合，從而在進(jìn)行數(shù)值比較/分析之前用數(shù)字化方式先對圖象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，組合分析包括下述步驟產(chǎn)生代表第一個(gè)PL圖象強(qiáng)度的數(shù)字化強(qiáng)度測量值；產(chǎn)生代表第二個(gè)SM圖象強(qiáng)度的數(shù)字化強(qiáng)度測量值；對數(shù)字化的測量值進(jìn)行數(shù)值比較以產(chǎn)生組合結(jié)果；將組合結(jié)果與關(guān)于缺陷性質(zhì)的參考數(shù)據(jù)作比較以表明檢測到的缺陷的特征。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所產(chǎn)生的數(shù)字化強(qiáng)度測量值之一或兩者是作為強(qiáng)度數(shù)字化空間圖而產(chǎn)生的。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括下述步驟通過對收集到的絕對強(qiáng)度數(shù)據(jù)施加適當(dāng)?shù)臄?shù)值校正因子來校正與某些缺陷有關(guān)的激發(fā)密度修正的PL數(shù)字化強(qiáng)度測量值，以在與SM數(shù)字化強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較之前校正激發(fā)密度中的這些變化。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，使用一種軟件算法對PL圖作激發(fā)密度變化的校正。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，通過下述步驟實(shí)現(xiàn)校正估計(jì)測得的PL圖和表面圖的強(qiáng)度范圍；將PL范圍除以SM范圍；使用標(biāo)準(zhǔn)偏差(s.d)把這個(gè)結(jié)果乘以偏離其平均值的表面變化，以作出此轉(zhuǎn)換的因式分解；把最終值與收集到的絕對PL強(qiáng)度數(shù)據(jù)相加，以給出新的PL強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
10.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括在室溫下把高強(qiáng)度激光時(shí)引至樣品的表面上。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，激光的探查體積很小，其空間分辨率在0.1-20微米之間。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，理想的空間分辨率在2至5微米之間。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，峰值或平均功率密度在104-109瓦/厘米2。
14.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，使用脈沖激光激發(fā)源并測量發(fā)光數(shù)據(jù)和/或作為時(shí)間的函數(shù)收集發(fā)光圖象。
15.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，使用共焦光學(xué)元件從而通過用激光激發(fā)大體積的所述半導(dǎo)體以及從一系列的焦平面收集圖象而辨別缺陷的深度。
16.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，可以用合適的計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)施圖象強(qiáng)度信息的數(shù)字化和/或把校正因子施加于PL圖象數(shù)據(jù)和/或把數(shù)字化的PL和SM圖象數(shù)據(jù)作數(shù)值比較和/或?qū)⑵浣Y(jié)果與參考數(shù)據(jù)作比較。
17.通過完成數(shù)字化圖象強(qiáng)度信息和/或把校正因子施加于PL圖象數(shù)據(jù)和/或把數(shù)字化的PL和SM圖象數(shù)據(jù)作數(shù)值比較和/或?qū)⑵浣Y(jié)果與參考數(shù)據(jù)作比較的一個(gè)或多個(gè)所述方法步驟來實(shí)施權(quán)利要求16的方法的計(jì)算機(jī)軟件。
18.一種數(shù)據(jù)媒體以可執(zhí)行的形式攜帶按照權(quán)利要求17的用于至少完成把數(shù)字化的PL和SM圖象數(shù)據(jù)作數(shù)值比較和將其結(jié)果與參考數(shù)據(jù)作比較的步驟的軟件，并且以可讀取的形式攜帶這種參考數(shù)據(jù)。
19.一種用于同時(shí)或連續(xù)進(jìn)行半導(dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光成象和反射光成象的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括高強(qiáng)度光束源，諸如可以把光束引至待測硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的樣品表面的高強(qiáng)度激光器；第一成象裝置，用于由光束激發(fā)硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光致發(fā)光產(chǎn)生第一圖象；第二成象裝置，用于由硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面反射的光產(chǎn)生第二反射光圖象；能夠?qū)蓚€(gè)圖象進(jìn)行比較的裝置。
20.按照權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，成象裝置是允許觀察者同時(shí)觀看的顯示器。
21.按照權(quán)利要求19或20中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，成象裝置包括適合于收集要進(jìn)行數(shù)值處理的數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)的數(shù)字成象器，該設(shè)備還包括處理數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)的裝置，其形式為存儲來自PL成象的數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)的第一數(shù)據(jù)寄存器、存儲來自RL成象的數(shù)字化圖象強(qiáng)度數(shù)據(jù)的第二數(shù)據(jù)寄存器、包含表明缺陷類型特征的強(qiáng)度數(shù)據(jù)參考寄存器，還可選地包括對第一寄存器中的數(shù)據(jù)施加圖象校正數(shù)據(jù)校正器、組合來自第一和第二寄存器的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生組合結(jié)果來說明缺陷的特征的圖象比較器、用于顯示檢測到的和表明了特征的缺陷結(jié)果的顯示器。
22.按照權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還設(shè)有能夠?qū)λ黾す馄魇┘用}沖的裝置，由此得到要作為時(shí)間的函數(shù)得到的PL圖象。
23.按照權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還設(shè)有可調(diào)制的激光器和以高頻(0.1-100MHz)調(diào)制所述激光器的控制裝置，由此所述設(shè)備的使用者能夠?qū)λ霭雽?dǎo)體或硅結(jié)構(gòu)樣品在不同的深度取樣。
24.用權(quán)利要求1至16之一的方法或使用權(quán)利要求19至23之一的設(shè)備得到的以可視形式和/或可進(jìn)行數(shù)字處理形式的硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的PL和SM圖象和/或PL和SM數(shù)字化強(qiáng)度圖。
全文摘要
本發(fā)明描述了在硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的缺陷檢測和分類的方法和設(shè)備，特別使用室溫光致發(fā)光效應(yīng)對此結(jié)構(gòu)中的缺陷檢測和分類的方法和設(shè)備。該方法包括把一束高強(qiáng)度光束引至待測硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的樣品的表面以產(chǎn)生光致發(fā)光圖象；產(chǎn)生一反射光圖象；把兩個(gè)圖象中的信息加以組合，以檢測、標(biāo)繪和識別硅或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的微缺陷和/或說明其特征。
文檔編號G01N21/55GK1620601SQ02810537
公開日2005年5月25日 申請日期2002年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月27日
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