基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法
2023-05-02 23:52:31 2
專利名稱：基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體缺陷檢測方法，涉及一種基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，用於檢測半導體表面平整度或半導體薄膜內部缺陷。
背景技術：
半導體器件需要高度的晶體完美，但即使使用了最成熟的技術，完美的半導體晶體還是不能保證百分之百得到。晶體缺陷會產生不平均的二氧化矽膜生長、差的外延膜的澱積、不均勻的摻雜層及其他問題而導致工藝問題。在完成的器件中，晶體缺陷會引起有害的電流漏出，阻止器件在正常電壓下工作。半導體組件工業中，人們對精確、全面地檢測出特殊的生產技術條件造成的特定的破損和缺陷提出了特別高的要求。因此，在充分考慮半導體表面平整度和純淨度的情況下，對其進行無損檢測很有必要。檢測半導體拋光表面平整度或半導體薄膜內部微小缺陷現在一般採用相干光幹涉的方法或者採用電容位移傳感的方法。相干光幹涉的方法只能檢測半導體表面的平整度，對於半導體內部的缺陷無法檢測。而電容位移傳感的方法可以檢測半導體內部的缺陷，但是它只能測量厚度均勻的片狀半導體，而對於厚度不均勻或者生長在較大體積物體上或者導電體上的半導體薄膜，很難根據半導體各處上下兩端電容的一致性檢測是否存在缺陷。而且電容位移傳感的方法只能逐點測量，存在測量速度較慢的劣勢。當然，採用透射成像的方法也可以檢測表面平整度或內部缺陷，而且檢測速度較快，但是由於受衍射效應的影響，檢測的空間解析度不夠。因為很多半導體產品或半產品(如晶圓)採用的是薄膜或片狀結構，其內部缺陷靠近表面，而表面等離子體波由於其能量主要局域在表面附近，因此可以考慮利用表面等離子體波來檢測半導體表面平整度或半導體薄膜表面附近的內部微小缺陷。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術的不足，提供一種基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，用於檢測半導體表面平整度或半導體薄膜內部缺陷。本發明具體採用以下技術方案解決上述技術問題。基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，用於檢測半導體表面平整度或半導體薄膜內部缺陷，包括以下步驟
步驟I、將兩個金屬刀片第一刀片、第二刀片平行放置於待測半導體的上方，刀身垂直於半導體表面而且刃口向下；由第一刀片的外側向第一刀片的刃口與待測半導體之間的狹縫處發射頻率小於所述半導體等離子體頻率的電磁波，在第一刀片與第二刀片之間的半導體表面有表面等離子體波傳播；在第二刀片外側固定位置設置一探測器對第二刀片刃口與待測半導體之間的狹縫處耦合出的電磁波進行檢測；
步驟2、調節兩個刀片的位置以及入射波的頻率，使得滿足以下條件兩個刀片的刃口與半導體上表面之間的距離小於表面等離子體波在空氣中的衰減距離；兩個刀片之間的距、離小於表面等離子體波在半導體表面的傳播距離；半導體的厚度大於表面等離子體波在半導體內的衰減距離；
步驟3、保持兩個刀片的刃口與半導體上表面之間的距離不變，改變兩個刀片與半導體在水平方向上的相對位置，使半導體上表面各位置均通過兩個刀片在半導體表面的投影所包圍區域，在此過程中，如探測器檢測到的信號產生明顯變化，則此時位於兩個刀片在半導體表面的投影所包圍區域內的半導體表面不平整或者內部有缺陷。採用以上技術方案，可對半導體表面是否平整或者半導體薄膜內部是否存在缺陷進行定性判定，並可找到缺陷的大致位置，但無法確定缺陷的精確位置，為了能夠對缺陷位置進行精確定位，本發明進一步採用以下技術方案
所述基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，還包括 步驟4、固定第一刀片的位置，水平移動第二刀片使兩個刀片之間的距離減小；水平移動半導體，使第一刀片在半導體表面的投影經過剛才令探測器信號產生變化的位置，如果此時探測器所測信號在半導體移動過程中依然有變化，則再次水平移動第二刀片使兩個刀片之間的距離進一步減小，並再次重複以上動作，直至半導體移動過程中探測器所測信號不再發生變化；
步驟5、微調第二刀片的位置，以擴大兩個刀片的距離；水平移動半導體，使第一刀片在半導體表面的投影經過步驟4中令探測器信號產生變化的位置，如在探測器的最大靈敏度下所測信號未發生變化，則再次微調第二刀片的位置，進一步增大兩個刀片的距離，並水平移動半導體，使第一刀片在半導體表面的投影經過步驟4中令探測器信號產生變化的位置；重複以上動作，直至探測器在最大靈敏度下剛好能探測到微小變化，則半導體表面不平整或半導體內部有缺陷的位置位於此時第二刀片的下方。步驟6、對於步驟3中檢測到的其它半導體表面不平整或者內部有缺陷的位置，重複步驟4、步驟5，從而獲得半導體表面不平整或者內部有缺陷的精確位置。更進一步地，所述基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，還包括
步驟7、採用寬頻入射波並重複步驟I一步驟6，根據不同頻率波在該半導體表面形成
的表面等離子體波的衰減距離推算半導體內部缺陷的深度範圍。因為寬頻入射波中不同頻率的電磁波所產生的表面等離子體波在銻化銦半導體中的衰減距離不一樣。衰減距離可由表面等離子體波沿垂直於半導體表面方向在半導體中的衰減常數計算求得。所以通過觀測不同頻率的波在半導體移動時探測器所測波譜的變化，就可以根據不同頻率波在該半導體表面形成的表面等離子體波的衰減距離推算半導體內部缺陷的深度範圍。本發明利用表面等離子體波檢測半導體表面平整度或半導體薄膜內部缺陷，其方法簡單靈活，可根據實際檢測需要進行選擇如果只需要檢測半導體表面是否平整或表面附近是否有內部缺陷，可以只進行上述步驟的前三步；如果還需要檢測半導體表面不平整或內部缺陷的位置，可以進行上述步驟的前六步；如果需要進一步檢測半導體內部缺陷的深度範圍，則需要進行上述全部步驟。相比現有技術，本發明方法具有以下有益效果
I、利用表面等離子體波進行檢測，與透射成像的方法相比，靈敏度高；而半導體的等離子體頻率決定了用於檢測的是比可見光表面等離子體波波長更長的表面等離子體波，與可見光波段的表面等離子體波相比該表面等離子體波具有傳播距離長，穿透深度深的優點，更適合於半導體薄膜的快速無損檢測。
2、與電容位移傳感的方法相比，檢測速度快；由於檢測裝置只在半導體的上表面，而電容位移傳感法需要在半導體的上下兩個面同時放置探測裝置，因此本發明可以對於生長在其他物體上的半導體薄膜進行表面平整或內部缺陷檢測。3、可以探測半導體表面附近的內部缺陷，而相干光幹涉法只能探測半導體表面平整度。4、非接觸式檢測，不破壞半導體樣品本身，而且對任何半導體材料都可以檢測。
圖I為本發明的半導體缺陷檢測方法的原理示意圖；其中，1、2為刀片，3為入射電磁波、4為出射電磁波，5為表面等離子體波，6為半導體，7為半導體缺陷；
圖2為具體實施方式
中刀片與半導體相對移動過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明
本發明的思路是在待測半導體表面上方垂直放置兩個平行刀片，將頻率小於半導體等離子體頻率的電磁波入射向其中一個刀片刃口與半導體的間隙，從而在兩刀片之間半導體表面產生表面等離子體波，水平移動半導體與刀片的相對位置，當表面等離子體波經過半導體表面或內部存在的缺陷時，從另一個刀片刃口與半導體的間隙中出射的電磁波信號，與表面等離子體波在半導體表面上經過同樣距離但半導體表面或內部不存在的缺陷時相比會產生變化，從而可根據此原理對半導體表面不平整或半導體內部缺陷進行檢測。為了便於公眾理解本發明的技術方案，下面以在300K的溫度下測量銻化銦本徵半導體薄膜內部的微小缺陷為例，來對本發明技術方案進行詳細說明，其具體步驟如下
步驟一，如圖I所示，將待測的銻化銦半導體晶片6放置於光學平臺上，在銻化銦半導體晶片6上方放置兩個金屬刀片1、2，刀身垂直於銻化銦晶體薄膜的上表面而且刃口向下。將頻率小於銻化銦在300K溫度下等離子體頻率(如頻率範圍在O. 2THz - O. 8THz)的電磁波3，射向刀片I的刃口，使得在銻化銦半導體6表面形成表面等離子體波5，該表面等離子體波5向刀片2的刃口所在的方向傳播。步驟二，調節兩個刀片的位置以及入射波的頻率，使得滿足以下條件兩個刀片I和2的刃口與銻化銦半導體6上表面之間的距離小於表面等離子體波5在空氣中的衰減距離；兩個刀片之間的距離小於表面等離子體波5在銻化銦半導體6表面的傳播距離；銻化銦半導體6的厚度大於表面等離子體波5在銻化銦半導體6內的衰減距離。當表面等離子體波5從刀片I的刃口處傳播到刀片2的刃口處，將有部分表面等離子體波由刀片2的刃口轉化為輻射波4，並被固定設置於刀片2外側的探測器所接收。表面等離子體波的傳播距離以及在空氣和銻化銦半導體中的衰減距離可根據表面等離子體的色散方程求得，表面等離子體的色散方程是
J~
L· = — I~= A^Bi r Cpl^e權利要求
1.基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，用於檢測半導體表面平整度或半導體薄膜內部缺陷，其特徵在於，包括以下步驟 步驟I、將兩個金屬刀片第一刀片、第二刀片平行放置於待測半導體的上方，刀身垂直於半導體表面而且刃口向下；由第一刀片的外側向第一刀片的刃口與待測半導體之間的狹縫處發射頻率小於所述半導體等離子體頻率的電磁波，在第一刀片與第二刀片之間的半導體表面有表面等離子體波傳播；在第二刀片外側固定位置設置一探測器對第二刀片刃口與待測半導體之間的狹縫處耦合出的電磁波進行檢測； 步驟2、調節兩個刀片的位置以及入射波的頻率，使得滿足以下條件兩個刀片的刃口與半導體上表面之間的距離小於表面等離子體波在空氣中的衰減距離；兩個刀片之間的距離小於表面等離子體波在半導體表面的傳播距離；半導體的厚度大於表面等離子體波在半導體內的衰減距離； 步驟3、保持兩個刀片的刃口與半導體上表面之間的距離不變，改變兩個刀片與半導體在水平方向上的相對位置，使半導體上表面各位置均通過兩個刀片在半導體表面的投影所包圍區域，在此過程中，如探測器檢測到的信號產生明顯變化，則此時位於兩個刀片在半導體表面的投影所包圍區域內的半導體表面不平整或者內部有缺陷。
2.如權利要求I所述基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，其特徵在於，還包括 步驟4、固定第一刀片的位置，水平移動第二刀片使兩個刀片之間的距離減小；水平移動半導體，使第一刀片在半導體表面的投影經過剛才令探測器信號產生變化的位置，如果此時探測器所測信號在半導體移動過程中依然有變化，則再次水平移動第二刀片使兩個刀片之間的距離進一步減小，並再次重複以上動作，直至半導體移動過程中探測器所測信號不再發生變化； 步驟5、微調第二刀片的位置，以擴大兩個刀片的距離；水平移動半導體，使第一刀片在半導體表面的投影經過步驟4中令探測器信號產生變化的位置，如在探測器的最大靈敏度下所測信號未發生變化，則再次微調第二刀片的位置，進一步增大兩個刀片的距離，並水平移動半導體，使第一刀片在半導體表面的投影經過步驟4中令探測器信號產生變化的位置；重複以上動作，直至探測器在最大靈敏度下剛好能探測到微小變化，則半導體表面不平整或半導體內部有缺陷的位置位於此時第二刀片的下方； 步驟6、對於步驟3中檢測到的其它半導體表面不平整或者內部有缺陷的位置，重複步驟4、步驟5，從而獲得半導體表面不平整或者內部有缺陷的精確位置。
3.如權利要求2所述基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，其特徵在於，還包括 步驟7、採用寬頻入射波並重複步驟I一步驟6，根據不同頻率波在該半導體表面形成的表面等離子體波的衰減距離推算半導體內部缺陷的深度範圍。
全文摘要
本發明公開了一種基於表面等離子體波的半導體缺陷檢測方法，用於檢測半導體表面平整度或半導體薄膜內部缺陷。本發明利用頻率小於半導體等離子體頻率的電磁波入射向刀片刃口與待測半導體之間的狹縫，從而在半導體表面產生表面等離子體波。該表面等離子體波可以從另一刀片刃口與待測半導體之間的狹縫位置處耦合為空間輻射電磁波，從而被探測器接收。通過改變刀片與半導體在水平方向的相對位置，當待測半導體表面或內部存在的缺陷的位置有表面等離子體波經過時，出射電磁波信號會產生相應變化，從而可根據此原理對半導體表面不平整或半導體內部缺陷進行檢測。相比現有技術，本發明方法具有適用範圍廣、使用靈活、檢測精度高、檢測樣品無損傷等優點。
文檔編號G01N21/88GK102636491SQ201210111269
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者何浩培, 周馨慧, 李興鰲, 楊濤, 黃維 申請人:南京郵電大學