CN1896718A - 一种半导体晶片亚表面损伤层的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体晶片测量技术领域，特别是一种半导体晶片亚表面损伤层的测量方法。该方法利用了偏振调制光谱技术，通过测量材料表面内相互垂直的两个方向上反射系数的各向异性光谱，根据光谱中在带隙能量或者其它临界点能量附近处的各向异性信号强弱，从而得到材料表面亚损伤的信息。该测试方法对于材料不具有损伤性，测试过程简单快捷，测试精度高。

Description

一种半导体晶片亚表面损伤层的测量方法

技术领域

本发明涉及半导体晶片测量技术领域，特别是一种半导体晶片亚表面损伤层的测量方法。

背景技术

半导体晶片的亚表面损伤层通常位于晶片表面下亚微米尺度范围，一般认为是具有高密度位错的损伤区，产生于晶片化学机械抛光过程。随着半导体器件芯片尺寸日趋微小、结构日趋复杂，亚表面损伤层对器件的影响日益重要，尤其是用于外延材料生长的开盒即用的半导体晶片，亚表面损伤层直接影响到外延材料乃至器件的光电性能。虽然可以通过化学腐蚀的办法去掉亚表面损伤层，但是化学腐蚀会引起表面的粗糙不平，这对外延材料生长和器件生产是很不利的。

采用光散射、X射线衍射和透射电镜等方法可以对晶片的亚表面损伤层进行一定程度上的表征。光散射方法是通过测量亚表面损伤区对激光的散射强度来表征亚表面损伤，亚表面损伤强的地方散射光也较强。激光光斑在样品表面进行二维扫描，可以得到晶片亚表面损伤的空间分布信息。除了亚表面损伤，表面粗糙不平等其它因素也会产生光散射，如何扣除其它因素的影响是比较困难的一个问题。X射线衍射利用了亚表面损伤层对X射线衍射峰的展宽效应来检测亚表面损伤，由于X射线穿透深度较大(在通常入射角下穿透数十微米)，而亚表面损伤层只有微米量级，因此由亚表面损伤引起的展宽只占百分之几，测量误差较大。透射电镜可以直接观测晶片的亚表面损伤，具有直观的优点。但是以下三个缺点限制了它的应用；1)破坏性检测，2)统计误差较大，3)检测样条制备工艺复杂，材料和工艺费用大、检测时间长、效率低。因此急需找到一种快速简便、无破坏的亚表面损伤表征办法。

由于不同类型的位错(例如和位错)形成能不一样，亚表面损伤层中不同类型的位错密度是不一样的，结果产生一个净的各向异性应变。由于弹光效应，该各向异性应变会产生光学各向异性。光学各向异性的大小直接反映了各向异性应变也就是亚表面损伤的强弱。通常这种光学各向异性只是出现在表面下1微米的范围，非常微弱的，利用传统的光学偏振技术往往无法测量出来。利用偏振反射差分谱技术则可以将这种微弱光学各向异性信号检测出来，从而对晶片的亚表面损伤进行表征。由于测量的是光学各向异性，来自亚表面损伤层下体材料内部的光学信号将互相抵消，不出现在RDS谱中，因此RDS是一种表面敏感的光谱技术。

发明内容

本发明是一种半导体晶片亚表面损伤的测试方法，称为偏振反射差分谱法(简称RDS法)。该方法利用偏振调制光谱技术，通过测量晶片表面内相互垂直的两个方向上反射系数的各向异性光谱，再根据各向异性光谱中在带隙能量或者其它临界点能量附近处的特征结构得到材料表面亚损伤的强弱信息。从而得到材料表面亚损伤的信息。该测试方法对于材料不具有损伤性，测试过程简单快捷，测试精度高。

技术方案如下：

该测试方法的核心是采用了偏振调制器，可以在不旋转光学元件和样品的条件下测量出亚表面损伤层相关的各向异性光谱。该测试方法包括以下设备：连续光源、起偏棱镜、检偏棱镜、反射样品架、偏振调制器、探测器、锁相放大器以及控制采集***。

其中所述的连续光源为氙弧灯或钨灯。

其中所述的偏棱镜和检偏棱镜采用格兰泰勒型偏振棱镜，起偏棱镜的主轴与晶片的主轴(x和y方向)成45度，检偏棱镜的主轴方向与晶片主轴之一重合。偏振棱镜安装在可进行角度调节的旋转架上。

其中所述的光偏振调制器的主轴方向与起偏棱镜的主轴方向平行，平行于主轴方向通过的光波分量相对于垂直分量将增加一个随时间周期变化的相位。

其中所述的探测器，将入射的光信号转换成电信号，其时间响应快于1微秒。探测器探测到的光强信号将包含了三部分信号

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的调制频率，Re()和Im()分别代表括号里宗量的实部和虚部，J_n表示n阶的贝塞尔函数。直流部分信号反映的是样品的反射率；一倍频(ω)信号正比于Δr/r的实部，即Re(Δr/r)；二倍频(2ω)信号正比于Δr/r的虚部，即Im(Δr/r)。

其中所述的锁相放大器(三台)，分别提取探测器电响应信号中的直流分量以及偏振调制频率一倍频和二倍频分量。

其中所述的控制采集***包括单色仪和偏振调制器的控制***，数据采集***以及数据处理***。

一种半导体材料表面亚损伤的测试方法，其特征在于：

(1)所测量的半导体材料具有闪锌矿结构，其表面取向为[001]或者其它等价方向；

(2)亚表面损伤导致的光学各向异性在材料的表面一般体现在相互垂直的两个方向上，通常为[110]和[110]方向(以下简称为x和y方向)；

(3)测试***包含有具有连续谱的光源、单色仪、起偏器、偏振调制器、检偏器、光探测器以及电子信号处理***；

(4)采用了偏振调制器对穿透光的偏振状态进行调制，使得主轴方向上的电磁场分量相对于垂直主轴方向上的分量有一个随时间周期变化的相位差，偏振调制器包括光弹性调制器和电光调制器(Pockels盒)；

(5)由光源发出的光经过穿过起偏器，以近乎垂直的方式入射到样品并被样品反射，反射光然后通过偏振调制器和检偏器，最后被光探测器探测；

(6)(5)中所描述的光路中，光源和探测器的位置可以对调；

(7)起偏器、偏振调制器和检偏器构成了测试光路核心部分，三者的光轴以及样品各向异性光轴的取向要满足一定条件：检偏器光轴与样品x和y方向夹角相等，与偏振调制器主轴平行或者垂直，与检偏器的主轴成45度角。

偏振调制器可对平行于主轴方向的透射光进行相位调制，结果使得在平行调制器主轴和垂直调制器主轴两个方向的光透射分量产生相位差Δ，该相位差是一个随时间做正弦变化的周期函数，即Δ＝φsinωt，其中ω是调制器的调制频率，而φ为偏振调制器对相位的调制幅度。探测器探测到电信号中包含有正比于反射系数光学各向异性的电信号，利用锁相放大技术可得到该反射各向异性信号以及普通反射信号，经过理论校准，可以得到半导体材料在x和y方向上反射系数(r_x和r_y)的相对差异(Δr/r＝2(r_x-r_y)/(r_x+r_y))随波长的变化，即光学各向异性光谱，该各向异性光谱在临界点能量处具有光谱特征结构，用该光谱结构的强弱来表征表面亚损伤的强弱，由于反射系数(r_x和r_y)是复数，因此Δr/r各向异性光谱具有实部和虚部两部分，亦即Δr/r＝Re(Δr/r)+iIm(Δr/r)。

光源选用采用氙弧灯(光波可从紫外覆盖到可见光波段)或钨灯(主要用在可见光到近红外波段)。

附图说明

为了进一步说明本发明的特征(和效果)，下面结合附图(和实例)对本发明做进一步的说明，其中：

图1是半导体晶片亚表面损伤的测量***示意图。

图2是三个半绝缘GaAs样品在带隙能量附近的各向异性光谱图。

图3是半导体材料亚表面损伤测量原理示意图。

具体实施方式

图1中，从采用250瓦的钨灯为光源，经过反射镜、凸透镜和斩波器(斩波频率200Hz)后聚焦进入到单色议(卓立汉光BP300型单色仪)得到单色光，采用凸透镜和柱面镜等单色光变成平行光，该平行光依次穿过与起偏器(方解石格兰泰勒偏光棱镜，主轴与水平面成45度)，光弹性调制器(美国Hinds公司PEM90型，调制器主轴与水平面平行，调制平率为50KHz)，入射到晶片表面(晶片表面与水平面垂直，晶片的光学主轴与水平面成45度，光线入射角约7度)，反射光穿过检偏器(方解石格兰泰勒偏光棱镜，主轴与水平面垂直)，经过镀铝球面镜聚焦进入光探测器(带前置放大器的硅pin探测器)。探测器的电信号分三路送到三个锁相放大器，分别获得正比于反射率、Δr/r虚部和实部的电压信号，电压信号经模数转换卡进入计算机进行数据处理。利用计算机设定单色议波长，逐点测量晶片在各波长的光学各向异性，最后得到晶片在一定波长范围内的光学各向异性谱(Δr/r光谱)。

图2为根据本发明获得的三个半绝缘GaAs晶片的光学各向异性谱(Δr/r光谱的实部)。曲线a和b来自不同单晶锭的国产半绝缘GaAs晶片，有亚表面损伤的半绝缘GaAs晶片，光学各向异性谱在GaAs的带隙能量(1.42eV)位置处显示出一个峰形的光谱结构，说明晶片有较强的光学各向异性，峰的高度反映了亚表面损伤的强弱。曲线c来自于国外进口的无亚表面损伤的晶片，整个光谱光滑平直，在GaAs临界能量处无光谱结构，光学各向异性几乎为零。获得该光谱的具体步骤：

1、光谱测量前的光路调整：

1.1将单色仪和光弹性调制器设定到某一特定波长(632纳米)，设定好偏振调制幅度；

1.2将5×5毫米见方的(001)面半绝缘砷化镓晶片放入样品架；

1.3调整样品使得样品解理边(沿[110]和[1-10]方向，样品的各向异性主轴)与水平面成45度；

1.4调整样品架的角度，使得探测器探测到反射光信号最大；调整起偏器、检偏器以及光弹性调制器的角度，使之符合要求；

2、光谱测量(计算机自动控制)：

2.1计算机控制将单色仪和光弹性调制器设定到初始波长；

2.2计算机采集三个锁相放大器上电压信号，进行累加和平均，得到该波长处的各向异性信号；

2.4保持光弹性调制器的偏振调制幅度不变，利用计算机将单色仪和光弹性调制器设定到一个新的波长，测量晶片在新波长处的光学各向异性信号；重复以上2.1-2.3步骤，可以获得该砷化镓晶片光学各向异性光谱；

3、更换样品，重新调整光路和进行光谱测量。

图3是半导体材料亚表面损伤测量原理

经过单色议分光后的单色光通过起偏器后，其偏振方向沿垂直方向，与样品上的两个光学主轴方向(x和y方向)程45度角。如果样品中没有表面亚损伤导致的各向异性应变存在，那么经过样品反射后的反射光的偏振方向还是沿着垂直方向。这样，反射光通过偏振调制器和检偏器时就不晖发生偏振干涉，探测器探测不到调制信号。如果有表面亚损伤导致的各向异性应变存在，x和y方向上反射系数(r_x和r_y)就有差异，反射光的偏振方向相对垂直方向就会有一个小的转动。在这种情况下，光通过偏振调制器和检偏器就会发生偏振干涉，探测器中出现调制信号。该调制信号的强弱直接正比于r_x和r_y的差异。

本发明与以往的技术相比，该发明具有以下意义：

1)无制样工艺，可以选择晶片的任何区域进行测试；

2)快速、灵敏、无损伤；

3)测量到的Δr/r信号是绝对量，可在不同样品间进行比较。

Claims (5)

1、一种半导体材料表面亚损伤的测试方法，其特征在于：

(1)所测量的半导体材料具有闪锌矿结构，其表面取向为[001]或者其它等价方向；

(2)亚表面损伤导致的光学各向异性在材料的表面一般体现在相互垂直的两个方向上，通常为[110]和[110]方向；

(3)测试***包含有具有连续谱的光源、单色仪、起偏器、偏振调制器、检偏器、光探测器以及电子信号处理***；

(4)采用了偏振调制器对穿透光的偏振状态进行调制，使得主轴方向上的电磁场分量相对于垂直主轴方向上的分量有一个随时间周期变化的相位差，偏振调制器包括光弹性调制器和电光调制器；

(5)由光源发出的光经过穿过起偏器，以近乎垂直的方式入射到样品并被样品反射，反射光然后通过偏振调制器和检偏器，最后被光探测器探测；

(6)(5)中所描述的光路中，光源和探测器的位置可以对调；

(7)起偏器、偏振调制器和检偏器构成了测试光路核心部分，三者的光轴以及样品各向异性光轴的取向要满足一定条件：检偏器光轴与样品x和y方向夹角相等，与偏振调制器主轴平行或者垂直，与检偏器的主轴成45度角。

2、根据权利要求1所述的半导体材料表面亚损伤的测试方法，其特征在于，偏振调制器可对平行于主轴方向的透射光进行相位调制，结果使得在平行调制器主轴和垂直调制器主轴两个方向的光透射分量产生相位差Δ，该相位差是一个随时间做正弦变化的周期函数，即Δ＝φsinωt，其中ω是调制器的调制频率，而φ为偏振调制器对相位的调制幅度。

3、根据权利要求1所述的半导体材料表面亚损伤的测试方法，其特征在于，探测器探测到电信号中包含有正比于反射系数光学各向异性的电信号，利用锁相放大技术可得到该反射各向异性信号以及普通反射信号，经过理论校准，可以得到半导体材料在x和y方向上反射系数(r_x和r_y)的相对差异(Δr/r＝2(r_x-r_y)/(r_x+r_y))随波长的变化，即光学各向异性光谱，该各向异性光谱在临界点能量处具有光谱特征结构，用该光谱结构的强弱来表征表面亚损伤的强弱，由于反射系数(r_x和r_y)是复数，因此Δr/r各向异性光谱具有实部和虚部两部分，亦即Δr/r＝Re(Δr/r)+iIm(Δr/r)。

4.根据权利要求1所述的半导体材料表面亚损伤的测试方法，其特征在于，光源选用采用氙弧灯或钨灯。

5.根据权利要求1所述的半导体材料表面亚损伤的测试方法，其特征在于，获得该光谱的具体步骤：

1、光谱测量前的光路调整：

1.1将单色仪和光弹性调制器设定到某一特定波长，设定好偏振调制幅度；

1.2将5×5毫米见方的面半绝缘砷化镓晶片放入样品架；

1.3调整样品使得样品解理边与水平面成45度；

1.4调整样品架的角度，使得探测器探测到反射光信号最大；调整起偏器、检偏器以及光弹性调制器的角度，使之符合要求；

2、光谱测量：

2.1计算机控制将单色仪和光弹性调制器设定到初始波长；

2.2计算机采集三个锁相放大器上电压信号，进行累加和平均，得到该波长处的各向异性信号；

2.3保持光弹性调制器的偏振调制幅度不变，利用计算机将单色仪和光弹性调制器设定到一个新的波长，测量晶片在新波长处的光学各向异性信号；重复以上2.1-2.3步骤，可以获得该砷化镓晶片光学各向异性光谱；

3、更换样品，重新调整光路和进行光谱测量。

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