引言

紫外熒光(UVF)是一種新穎而通用的檢測硅片表面金屬雜質(zhì)污染的方法。我們證明了UVF在硅片加工中污染控制的有效性。實驗顯示了室溫下鐵、銅、鎳、鈉等主要特征峰。與其他表面敏感技術(shù)相比，UVF的主要優(yōu)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污染源，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后和每個高溫操作之前進行。一些金屬雜質(zhì)，如鐵、銅、鎳和鈉，可能會在某些加工步驟中摻入硅片，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污染。在此，我們首次報道了一種新的技術(shù)：紫外熒光(UVF )，它可以作為一種快速的、實際上無需制備的無損檢測方法，用于評估VLSI晶片在實際工藝中的清潔性能。

實驗

樣品用記錄熒光光度計測量。光源是氙氣。測量系統(tǒng)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(fā)熒光單色儀的光柵常數(shù)為900/mm。它們對波長的測量精度可以達到2納米以下。注入的紫外光束只透過硅表面約30納米。所有測量都是在硼注入直拉(Cz)和浮動區(qū)(FZ)晶圓（直徑3-6英寸）上進行的。所研究樣品的硼濃度范圍約為104-106cm-3，但主要使用了1-2×1015cm-3的樣品。

結(jié)果和討論

在UVF測量中，當激發(fā)波長在220-300納米范圍內(nèi)時，我們獲得了室溫下300-400納米范圍內(nèi)微量雜質(zhì)鐵、鎳、銅和鈉的特征峰。這些峰值波長分別為:鐵371納米、383納米和398納米，鈉330納米，銅325納米和378納米，鎳341納米和352納米。圖1顯示了鐵和鈉污染的UVF光譜。由于純硅不是300-400納米范圍內(nèi)的熒光材料，所以它沒有曲線(a)所示的特征峰。圖2顯示了失效的超大規(guī)模集成電路芯片的UVF頻譜。

圖1 熱氧化后清洗晶片鐵和鈉污染的UVF光譜。曲線(a)是熱氧化前的UVF光譜
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圖2 失效超大規(guī)模集成電路芯片硅表面銅、鎳、鉬雜質(zhì)的UVF光譜
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如圖3所示，UVF峰強度(If)與金屬雜質(zhì)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(shù)，Cmi為單晶硅的濃度。因此，硅片的清潔度水平可以根據(jù)上述光譜峰值強度進行評估。

方程（1）

圖3 顯示了硅拋光表面的熒光峰值強度與雜質(zhì)含量的關(guān)系

在圖4中，少數(shù)載流子產(chǎn)生壽命τg隨著氧化膜下硅表面附近鐵雜質(zhì)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(guān)系。

圖4 壽命τg與熱氧化物晶片上鐵雜質(zhì)污染的關(guān)系

圖5 在140℃退火120分鐘的鐵離子注入晶片的UVF光譜

圖6 鐵熒光峰強度與其離子注入劑量的關(guān)系

最后，硅晶片清潔度（θ）的性能可以表示為方程（2）：

其中Imi和Ii分別是標準樣品和檢測晶片上金屬雜質(zhì)的熒光強度。顯然，金屬雜質(zhì)的含量越小，金屬雜質(zhì)的類型越少，晶圓表面的清潔度性能就越高。

結(jié)論

紫外熒光測量是檢測硅片表面附近鐵、銅、鎳、鈉污染的靈敏方法。結(jié)果表明，該方法在實際工藝中監(jiān)測和評價超大規(guī)模集成電路晶片的清潔性能是簡單有效的。

審核編輯：湯梓紅