華林科納在紫外熒光在晶圓表面清潔分析中的應用

引言

紫外熒光（UVF）是一種新穎而通用的檢測矽片表面金屬雜質汙染的方法。我們證明了UVF在矽片加工中汙染控制的有效性。實驗顯示了室溫下鐵、銅、鎳、鈉等主要特徵峰。與其他表面敏感技術相比，UVF的主要優勢是低檢測限、多元素同時分析和高靈敏度。

每個晶圓加工步驟都是潛在的汙染源，可能導致缺陷形成和器件故障。晶片清洗必須在每個處理步驟之後和每個高溫操作之前進行。一些金屬雜質，如鐵、銅、鎳和鈉，可能會在某些加工步驟中摻入矽片，如熱氧化、反應離子蝕刻和離子注入。到目前為止，還沒有任何可用的方法來同時檢測鐵和鈉的汙染。在此，我們首次報道了一種新的技術：紫外熒光（UVF ），它可以作為一種快速的、實際上無需製備的無損檢測方法，用於評估VLSI晶片在實際工藝中的清潔效能。

實驗

樣品用記錄熒光光度計測量。光源是氙氣。測量系統完全由計算機控制，可以研究直徑達6英寸的晶片。晶片上的測量面積可以在大約1×1和5×5 cm²之間變化。激發熒光單色儀的光柵常數為900/mm。它們對波長的測量精度可以達到2奈米以下。注入的紫外光束只透過矽表面約30奈米。所有測量都是在硼注入直拉（Cz）和浮動區（FZ）晶圓（直徑3-6英寸）上進行的。所研究樣品的硼濃度範圍約為104-106cm-3，但主要使用了1-2×1015cm-3的樣品。

結果和討論

在UVF測量中，當激發波長在220-300奈米範圍內時，我們獲得了室溫下300-400奈米範圍內微量雜質鐵、鎳、銅和鈉的特徵峰。這些峰值波長分別為：鐵371奈米、383奈米和398奈米，鈉330奈米，銅325奈米和378奈米，鎳341奈米和352奈米。圖1顯示了鐵和鈉汙染的UVF光譜。由於純矽不是300-400奈米範圍內的熒光材料，所以它沒有曲線（a）所示的特徵峰。圖2顯示了失效的超大規模積體電路晶片的UVF頻譜。

如圖3所示，UVF峰強度（If）與金屬雜質的濃度（Ci）和熒光效率（φI）的乘積成正比。它們服從斯托克斯定律，當（Ci/Cmi）<<1時，可以寫成方程（1），其中A為常數，Cmi為單晶矽的濃度。因此，矽片的清潔度水平可以根據上述光譜峰值強度進行評估。

在圖4中，少數載流子產生壽命τg隨著氧化膜下矽表面附近鐵雜質的增加而迅速下降。圖5顯示了在140℃退火120分鐘的鐵注入晶片上的鐵的UVF光譜。圖6顯示了鐵熒光強度與其離子注入劑量之間的關係。

最後，矽晶片清潔度（θ）的效能可以表示為方程（2）：

其中Imi和Ii分別是標準樣品和檢測晶片上金屬雜質的熒光強度。顯然，金屬雜質的含量越小，金屬雜質的型別越少，晶圓表面的清潔度效能就越高。

結論

紫外熒光測量是檢測矽片表面附近鐵、銅、鎳、鈉汙染的靈敏方法。結果表明，該方法在實際工藝中監測和評價超大規模積體電路晶片的清潔效能是簡單有效的。

收錄於《華林科納——半導體工藝》