專利名稱：一種半導(dǎo)體晶片亞表面損傷層的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種半導(dǎo)體晶片亞表面損傷層的測量方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體晶片的亞表面損傷層通常位于晶片表面下亞微米尺度范圍，一般認(rèn)為是具有高密度位錯(cuò)的損傷區(qū)，產(chǎn)生于晶片化學(xué)機(jī)械拋光過程。隨著半導(dǎo)體器件芯片尺寸日趨微小、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，亞表面損傷層對器件的影響日益重要，尤其是用于外延材料生長的開盒即用的半導(dǎo)體晶片，亞表面損傷層直接影響到外延材料乃至器件的光電性能。雖然可以通過化學(xué)腐蝕的辦法去掉亞表面損傷層，但是化學(xué)腐蝕會引起表面的粗糙不平，這對外延材料生長和器件生產(chǎn)是很不利的。
采用光散射、X射線衍射和透射電鏡等方法可以對晶片的亞表面損傷層進(jìn)行一定程度上的表征。光散射方法是通過測量亞表面損傷區(qū)對激光的散射強(qiáng)度來表征亞表面損傷，亞表面損傷強(qiáng)的地方散射光也較強(qiáng)。激光光斑在樣品表面進(jìn)行二維掃描，可以得到晶片亞表面損傷的空間分布信息。除了亞表面損傷，表面粗糙不平等其它因素也會產(chǎn)生光散射，如何扣除其它因素的影響是比較困難的一個(gè)問題。X射線衍射利用了亞表面損傷層對X射線衍射峰的展寬效應(yīng)來檢測亞表面損傷，由于X射線穿透深度較大(在通常入射角下穿透數(shù)十微米)，而亞表面損傷層只有微米量級，因此由亞表面損傷引起的展寬只占百分之幾，測量誤差較大。透射電鏡可以直接觀測晶片的亞表面損傷，具有直觀的優(yōu)點(diǎn)。但是以下三個(gè)缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用；1)破壞性檢測，2)統(tǒng)計(jì)誤差較大，3)檢測樣條制備工藝復(fù)雜，材料和工藝費(fèi)用大、檢測時(shí)間長、效率低。因此急需找到一種快速簡便、無破壞的亞表面損傷表征辦法。
由于不同類型的位錯(cuò)(例如和位錯(cuò))形成能不一樣，亞表面損傷層中不同類型的位錯(cuò)密度是不一樣的，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)凈的各向異性應(yīng)變。由于彈光效應(yīng)，該各向異性應(yīng)變會產(chǎn)生光學(xué)各向異性。光學(xué)各向異性的大小直接反映了各向異性應(yīng)變也就是亞表面損傷的強(qiáng)弱。通常這種光學(xué)各向異性只是出現(xiàn)在表面下1微米的范圍，非常微弱的，利用傳統(tǒng)的光學(xué)偏振技術(shù)往往無法測量出來。利用偏振反射差分譜技術(shù)則可以將這種微弱光學(xué)各向異性信號檢測出來，從而對晶片的亞表面損傷進(jìn)行表征。由于測量的是光學(xué)各向異性，來自亞表面損傷層下體材料內(nèi)部的光學(xué)信號將互相抵消，不出現(xiàn)在RDS譜中，因此RDS是一種表面敏感的光譜技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種半導(dǎo)體晶片亞表面損傷的測試方法，稱為偏振反射差分譜法(簡稱RDS法)。該方法利用偏振調(diào)制光譜技術(shù)，通過測量晶片表面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向上反射系數(shù)的各向異性光譜，再根據(jù)各向異性光譜中在帶隙能量或者其它臨界點(diǎn)能量附近處的特征結(jié)構(gòu)得到材料表面亞損傷的強(qiáng)弱信息。從而得到材料表面亞損傷的信息。該測試方法對于材料不具有損傷性，測試過程簡單快捷，測試精度高。
技術(shù)方案如下該測試方法的核心是采用了偏振調(diào)制器，可以在不旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件和樣品的條件下測量出亞表面損傷層相關(guān)的各向異性光譜。該測試方法包括以下設(shè)備連續(xù)光源、起偏棱鏡、檢偏棱鏡、反射樣品架、偏振調(diào)制器、探測器、鎖相放大器以及控制采集系統(tǒng)。
其中所述的連續(xù)光源為氙弧燈或鎢燈。
其中所述的偏棱鏡和檢偏棱鏡采用格蘭泰勒型偏振棱鏡，起偏棱鏡的主軸與晶片的主軸(x和y方向)成45度，檢偏棱鏡的主軸方向與晶片主軸之一重合。偏振棱鏡安裝在可進(jìn)行角度調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)架上。
其中所述的光偏振調(diào)制器的主軸方向與起偏棱鏡的主軸方向平行，平行于主軸方向通過的光波分量相對于垂直分量將增加一個(gè)隨時(shí)間周期變化的相位。
其中所述的探測器，將入射的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，其時(shí)間響應(yīng)快于1微秒。探測器探測到的光強(qiáng)信號將包含了三部分信號R[1+2Re(Δr/r)J2(φ)cos(2ωt)+2Im(Δr/r)J1(φ)sin(ωt)]。
其中，R是晶片的反射率，ω是PEM的調(diào)制頻率，Re()和Im()分別代表括號里宗量的實(shí)部和虛部，Jn表示n階的貝塞爾函數(shù)。直流部分信號反映的是樣品的反射率；一倍頻(ω)信號正比于Δr/r的實(shí)部，即Re(Δr/r)；二倍頻(2ω)信號正比于Δr/r的虛部，即Im(Δr/r)。
其中所述的鎖相放大器(三臺)，分別提取探測器電響應(yīng)信號中的直流分量以及偏振調(diào)制頻率一倍頻和二倍頻分量。
其中所述的控制采集系統(tǒng)包括單色儀和偏振調(diào)制器的控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
一種半導(dǎo)體材料表面亞損傷的測試方法，其特征在于(1)所測量的半導(dǎo)體材料具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其表面取向?yàn)?br> 或者其它等價(jià)方向；(2)亞表面損傷導(dǎo)致的光學(xué)各向異性在材料的表面一般體現(xiàn)在相互垂直的兩個(gè)方向上，通常為[110]和[110]方向(以下簡稱為x和y方向)；(3)測試系統(tǒng)包含有具有連續(xù)譜的光源、單色儀、起偏器、偏振調(diào)制器、檢偏器、光探測器以及電子信號處理系統(tǒng)；(4)采用了偏振調(diào)制器對穿透光的偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制，使得主軸方向上的電磁場分量相對于垂直主軸方向上的分量有一個(gè)隨時(shí)間周期變化的相位差，偏振調(diào)制器包括光彈性調(diào)制器和電光調(diào)制器(Pockels盒)；(5)由光源發(fā)出的光經(jīng)過穿過起偏器，以近乎垂直的方式入射到樣品并被樣品反射，反射光然后通過偏振調(diào)制器和檢偏器，最后被光探測器探測；(6)(5)中所描述的光路中，光源和探測器的位置可以對調(diào)；(7)起偏器、偏振調(diào)制器和檢偏器構(gòu)成了測試光路核心部分，三者的光軸以及樣品各向異性光軸的取向要滿足一定條件檢偏器光軸與樣品x和y方向夾角相等，與偏振調(diào)制器主軸平行或者垂直，與檢偏器的主軸成45度角。
偏振調(diào)制器可對平行于主軸方向的透射光進(jìn)行相位調(diào)制，結(jié)果使得在平行調(diào)制器主軸和垂直調(diào)制器主軸兩個(gè)方向的光透射分量產(chǎn)生相位差Δ，該相位差是一個(gè)隨時(shí)間做正弦變化的周期函數(shù)，即Δ＝φsinωt，其中ω是調(diào)制器的調(diào)制頻率，而φ為偏振調(diào)制器對相位的調(diào)制幅度。探測器探測到電信號中包含有正比于反射系數(shù)光學(xué)各向異性的電信號，利用鎖相放大技術(shù)可得到該反射各向異性信號以及普通反射信號，經(jīng)過理論校準(zhǔn)，可以得到半導(dǎo)體材料在x和y方向上反射系數(shù)(rx和ry)的相對差異(Δr/r＝2(rx-ry)/(rx+ry))隨波長的變化，即光學(xué)各向異性光譜，該各向異性光譜在臨界點(diǎn)能量處具有光譜特征結(jié)構(gòu)，用該光譜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱來表征表面亞損傷的強(qiáng)弱，由于反射系數(shù)(rx和ry)是復(fù)數(shù)，因此Δr/r各向異性光譜具有實(shí)部和虛部兩部分，亦即Δr/r＝Re(Δr/r)+iIm(Δr/r)。
光源選用采用氙弧燈(光波可從紫外覆蓋到可見光波段)或鎢燈(主要用在可見光到近紅外波段)。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征(和效果)，下面結(jié)合附圖(和實(shí)例)對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，其中圖1是半導(dǎo)體晶片亞表面損傷的測量系統(tǒng)示意圖。
圖2是三個(gè)半絕緣GaAs樣品在帶隙能量附近的各向異性光譜圖。
圖3是半導(dǎo)體材料亞表面損傷測量原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中，從采用250瓦的鎢燈為光源，經(jīng)過反射鏡、凸透鏡和斬波器(斬波頻率200Hz)后聚焦進(jìn)入到單色議(卓立漢光BP300型單色儀)得到單色光，采用凸透鏡和柱面鏡等單色光變成平行光，該平行光依次穿過與起偏器(方解石格蘭泰勒偏光棱鏡，主軸與水平面成45度)，光彈性調(diào)制器(美國Hinds公司PEM90型，調(diào)制器主軸與水平面平行，調(diào)制平率為50KHz)，入射到晶片表面(晶片表面與水平面垂直，晶片的光學(xué)主軸與水平面成45度，光線入射角約7度)，反射光穿過檢偏器(方解石格蘭泰勒偏光棱鏡，主軸與水平面垂直)，經(jīng)過鍍鋁球面鏡聚焦進(jìn)入光探測器(帶前置放大器的硅pin探測器)。探測器的電信號分三路送到三個(gè)鎖相放大器，分別獲得正比于反射率、Δr/r虛部和實(shí)部的電壓信號，電壓信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用計(jì)算機(jī)設(shè)定單色議波長，逐點(diǎn)測量晶片在各波長的光學(xué)各向異性，最后得到晶片在一定波長范圍內(nèi)的光學(xué)各向異性譜(Δr/r光譜)。
圖2為根據(jù)本發(fā)明獲得的三個(gè)半絕緣GaAs晶片的光學(xué)各向異性譜(Δr/r光譜的實(shí)部)。曲線a和b來自不同單晶錠的國產(chǎn)半絕緣GaAs晶片，有亞表面損傷的半絕緣GaAs晶片，光學(xué)各向異性譜在GaAs的帶隙能量(1.42eV)位置處顯示出一個(gè)峰形的光譜結(jié)構(gòu)，說明晶片有較強(qiáng)的光學(xué)各向異性，峰的高度反映了亞表面損傷的強(qiáng)弱。曲線c來自于國外進(jìn)口的無亞表面損傷的晶片，整個(gè)光譜光滑平直，在GaAs臨界能量處無光譜結(jié)構(gòu)，光學(xué)各向異性幾乎為零。獲得該光譜的具體步驟1、光譜測量前的光路調(diào)整1.1將單色儀和光彈性調(diào)制器設(shè)定到某一特定波長(632納米)，設(shè)定好偏振調(diào)制幅度；1.2將5×5毫米見方的(001)面半絕緣砷化鎵晶片放入樣品架；1.3調(diào)整樣品使得樣品解理邊(沿[110]和[1-10]方向，樣品的各向異性主軸)與水平面成45度；1.4調(diào)整樣品架的角度，使得探測器探測到反射光信號最大；調(diào)整起偏器、檢偏器以及光彈性調(diào)制器的角度，使之符合要求；2、光譜測量(計(jì)算機(jī)自動控制)2.1計(jì)算機(jī)控制將單色儀和光彈性調(diào)制器設(shè)定到初始波長；2.2計(jì)算機(jī)采集三個(gè)鎖相放大器上電壓信號，進(jìn)行累加和平均，得到該波長處的各向異性信號；2.4保持光彈性調(diào)制器的偏振調(diào)制幅度不變，利用計(jì)算機(jī)將單色儀和光彈性調(diào)制器設(shè)定到一個(gè)新的波長，測量晶片在新波長處的光學(xué)各向異性信號；重復(fù)以上2.1-2.3步驟，可以獲得該砷化鎵晶片光學(xué)各向異性光譜；3、更換樣品，重新調(diào)整光路和進(jìn)行光譜測量。
圖3是半導(dǎo)體材料亞表面損傷測量原理經(jīng)過單色議分光后的單色光通過起偏器后，其偏振方向沿垂直方向，與樣品上的兩個(gè)光學(xué)主軸方向(x和y方向)程45度角。如果樣品中沒有表面亞損傷導(dǎo)致的各向異性應(yīng)變存在，那么經(jīng)過樣品反射后的反射光的偏振方向還是沿著垂直方向。這樣，反射光通過偏振調(diào)制器和檢偏器時(shí)就不暉發(fā)生偏振干涉，探測器探測不到調(diào)制信號。如果有表面亞損傷導(dǎo)致的各向異性應(yīng)變存在，x和y方向上反射系數(shù)(rx和ry)就有差異，反射光的偏振方向相對垂直方向就會有一個(gè)小的轉(zhuǎn)動。在這種情況下，光通過偏振調(diào)制器和檢偏器就會發(fā)生偏振干涉，探測器中出現(xiàn)調(diào)制信號。該調(diào)制信號的強(qiáng)弱直接正比于rx和ry的差異。
本發(fā)明與以往的技術(shù)相比，該發(fā)明具有以下意義1)無制樣工藝，可以選擇晶片的任何區(qū)域進(jìn)行測試；2)快速、靈敏、無損傷；3)測量到的Δr/r信號是絕對量，可在不同樣品間進(jìn)行比較。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體材料表面亞損傷的測試方法，其特征在于(1)所測量的半導(dǎo)體材料具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其表面取向?yàn)?br> 或者其它等價(jià)方向；(2)亞表面損傷導(dǎo)致的光學(xué)各向異性在材料的表面一般體現(xiàn)在相互垂直的兩個(gè)方向上，通常為[110]和[110]方向；(3)測試系統(tǒng)包含有具有連續(xù)譜的光源、單色儀、起偏器、偏振調(diào)制器、檢偏器、光探測器以及電子信號處理系統(tǒng)；(4)采用了偏振調(diào)制器對穿透光的偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制，使得主軸方向上的電磁場分量相對于垂直主軸方向上的分量有一個(gè)隨時(shí)間周期變化的相位差，偏振調(diào)制器包括光彈性調(diào)制器和電光調(diào)制器；(5)由光源發(fā)出的光經(jīng)過穿過起偏器，以近乎垂直的方式入射到樣品并被樣品反射，反射光然后通過偏振調(diào)制器和檢偏器，最后被光探測器探測；(6)(5)中所描述的光路中，光源和探測器的位置可以對調(diào)；(7)起偏器、偏振調(diào)制器和檢偏器構(gòu)成了測試光路核心部分，三者的光軸以及樣品各向異性光軸的取向要滿足一定條件檢偏器光軸與樣品x和y方向夾角相等，與偏振調(diào)制器主軸平行或者垂直，與檢偏器的主軸成45度角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料表面亞損傷的測試方法，其特征在于，偏振調(diào)制器可對平行于主軸方向的透射光進(jìn)行相位調(diào)制，結(jié)果使得在平行調(diào)制器主軸和垂直調(diào)制器主軸兩個(gè)方向的光透射分量產(chǎn)生相位差Δ，該相位差是一個(gè)隨時(shí)間做正弦變化的周期函數(shù)，即Δ＝φsinωt，其中ω是調(diào)制器的調(diào)制頻率，而φ為偏振調(diào)制器對相位的調(diào)制幅度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料表面亞損傷的測試方法，其特征在于，探測器探測到電信號中包含有正比于反射系數(shù)光學(xué)各向異性的電信號，利用鎖相放大技術(shù)可得到該反射各向異性信號以及普通反射信號，經(jīng)過理論校準(zhǔn)，可以得到半導(dǎo)體材料在x和y方向上反射系數(shù)(rx和ry)的相對差異(Δr/r＝2(rx-ry)/(rx+ry))隨波長的變化，即光學(xué)各向異性光譜，該各向異性光譜在臨界點(diǎn)能量處具有光譜特征結(jié)構(gòu)，用該光譜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱來表征表面亞損傷的強(qiáng)弱，由于反射系數(shù)(rx和ry)是復(fù)數(shù)，因此Δr/r各向異性光譜具有實(shí)部和虛部兩部分，亦即Δr/r＝Re(Δr/r)+iIm(Δr/r)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料表面亞損傷的測試方法，其特征在于，光源選用采用氙弧燈或鎢燈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料表面亞損傷的測試方法，其特征在于，獲得該光譜的具體步驟1、光譜測量前的光路調(diào)整1.1將單色儀和光彈性調(diào)制器設(shè)定到某一特定波長，設(shè)定好偏振調(diào)制幅度；1.2將5×5毫米見方的面半絕緣砷化鎵晶片放入樣品架；1.3調(diào)整樣品使得樣品解理邊與水平面成45度；1.4調(diào)整樣品架的角度，使得探測器探測到反射光信號最大；調(diào)整起偏器、檢偏器以及光彈性調(diào)制器的角度，使之符合要求；2、光譜測量2.1計(jì)算機(jī)控制將單色儀和光彈性調(diào)制器設(shè)定到初始波長；2.2計(jì)算機(jī)采集三個(gè)鎖相放大器上電壓信號，進(jìn)行累加和平均，得到該波長處的各向異性信號；2.3保持光彈性調(diào)制器的偏振調(diào)制幅度不變，利用計(jì)算機(jī)將單色儀和光彈性調(diào)制器設(shè)定到一個(gè)新的波長，測量晶片在新波長處的光學(xué)各向異性信號；重復(fù)以上2.1-2.3步驟，可以獲得該砷化鎵晶片光學(xué)各向異性光譜；3、更換樣品，重新調(diào)整光路和進(jìn)行光譜測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種半導(dǎo)體晶片亞表面損傷層的測量方法。該方法利用了偏振調(diào)制光譜技術(shù)，通過測量材料表面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向上反射系數(shù)的各向異性光譜，根據(jù)光譜中在帶隙能量或者其它臨界點(diǎn)能量附近處的各向異性信號強(qiáng)弱，從而得到材料表面亞損傷的信息。該測試方法對于材料不具有損傷性，測試過程簡單快捷，測試精度高。
文檔編號G01N21/21GK1896718SQ20051001217
公開日2007年1月17日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者陳涌海, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所