FT-IR自动分析系统测量硅晶圆中的元素杂质

引言 随着半导体需求的增加，特别是消费电 子产品、汽车以及日益增长的太阳能发 电行业中硅器件的使用，硅晶圆的产量 预计在未来几年将出现高速增长。 硅晶圆的生产目前采用了多种工艺，最常见的两种是 Float Zone（FZ）和 Czochralski （CZ）工艺。FZ 工艺可以生产高纯度硅晶圆，而 CZ 工艺生产的晶圆相对来说含有更多 的元素杂质（特别是碳和氧）。然而，与 FZ 工艺相比，CZ 工艺具有一些重要优势，如更 好的热应力特性、制造速度更快、成本更低等。此外，氧杂质的存在有一个好处，可起 到吸气剂的作用，可以去除微量金属杂质。因此，在硅晶圆制造行业中，CZ 工艺的使用 范围广。 我们需要测定硅晶圆中的碳和氧杂质水平，避免杂质水平过高，导致电活性缺陷和产品 故障/报废。根据全球标准方法，红外光谱提供了快速和简易的测量方法，用于测定这些 杂质水平 1,2,3,4。

材料和方法 测量系统由配备 MappIR 晶圆支架以及安装有自动化 软件的 PerkinElmer Spectrum 3™ FT-IR 红外光谱仪组成， 如图 1 所示。

该系统能够在透射或反射模式下分析从 2 英寸到 8 英寸 （MappIR）或 12 英寸（Mapp300）尺寸范围的晶圆。 自动化软件可实现在无人值守情况下自动绘制晶圆图 谱，根据预先设置或用户定义的图谱绘制安排，采集整 个晶圆的光谱。数据采集完成后，根据规定的分析方法 进行计算。 在透射模式下采集直径为 6 英寸的硅晶圆光谱，光谱分 辨率为 4 cm-1，使用 32 次扫描进行数据采集。Spectrum  3 和 MappIR 使用干燥氮气连续吹扫，以从光谱中去除 大气光谱干扰。 500 微米厚 Float Zone 工艺硅晶圆的光谱如图 2 所示。

红外光谱显示在 1500 cm-1 以下存在多个硅晶格振动的 吸收带。图 3 显示了相同的 FZ 晶圆和 CZ 晶圆在 1500  cm-1 以下光谱范围放大的叠加光谱图。

从光谱可以看出，两个晶圆的光谱之间存在差异，特别是 CZ 光谱中 1100cm-1 附近的吸收峰。为了更清楚地查看光谱差异 并对光谱进行计算，标准方法规定从待分析的 CZ 工艺样品中 扣减高纯度 FZ 参考晶圆的光谱。这将生成如图 4 所示的光谱 图。

1107 和 513 cm-1 处的谱带是由于存在间隙氧，而 605 cm-1 处 的谱带则是由于存在替代碳。这些谱带允许对光谱进行定量分 析。具有不同氧浓度范围的晶圆光谱如图 5 所示。 此计算方法允许使用一系列校准标准品做线性回归或使用标 准校准因子。以前可从 NIST 机构获取硅晶圆中的氧标准物质 用于校准工作，由于 NIST 已不销售此系列标样，此方法已不 再可行，因此绝大多数分析都直接使用标准校准因子。

可以清楚地看到，在不同测量中，氧的峰具有不同强度。计 算每个点的氧和碳浓度，如表 2 所示。

结果显示，氧在整个晶圆上存在显著变化，而碳的测量结果 更加一致。理想的晶圆应当在整个晶圆上具有一致的测量结 果，以避免在晶圆被切割成较小的单片时出现不一致。

摘要 配备 MappIR 晶圆分析系统的珀金埃尔默 Spectrum 3 证明 能够测量硅晶圆中存在的杂质水平，这是一个对晶圆性能非 常重要的参数。可以通过使用软件中的“宏程序”实现自动 化数据采集和计算，计算方法可以根据监管实体要求的方法 进行定制。还可以执行其他半导体应用，如涂层、电介质以 及外延膜的测量。 Spectrum 3 还可用于半导体行业中的原材料鉴定，并可整合 至 Spotlight FT-IR 显微镜用于缺陷分析