[发明专利]一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体材料激光退火在线检测方法，特别涉及一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法。

背景技术

随着半导体工艺特征尺寸的不断减小，超浅结工艺已经成为半导体工艺技术研究中的热点。为了减小杂质的扩散以满足浅结的要求，需要采用新的退火技术进行杂质的激活和晶格损伤的修复。相对于常规热退火，在准分子激光退火(S.Do,S.Kong,Y.Lee,J.Oh,J.Lee,M.Ju,S.Jeon and J.Ku,Ultra-shallow Junction Formation Using Plasma Doping and Excimer Laser Annealing for Nano-technology CMOS Applications,Journal of the Korean Physical Society.55,1065(2009))过程中，掺杂离子的再分布可以通过调节准分子激光器的参数进行有效控制，同时可以获得高的激活效率。另外，准分子激光退火在薄膜晶体管和液晶显示屏的应用中也越来越广泛，作为一个关键的加工工艺，准分子激光退火将非晶硅(a-Si)转变为多晶硅(p-Si)，使电子迁移率提高数百倍，提升高端薄膜晶体管或显示屏中的像素密度。由于退火程度及其均匀性直接决定了器件的性能和生产效率，因此对激光退火进行精确快速地在线检测和无损表征在半导体超浅结和高端薄膜晶体管或显示屏制造技术中至关重要。

目前常用的退火检测技术主要有电化学方法和光学检测方法，其中透射电子显微镜(TEM:Transmission Electron Microscopy)和二次离子质谱(SIMS:Secondary-Ion-Mass Spectrometry)测量方法是具有代表性的两种电化学检测方法，由于测量过程中均需要与材料接触，对材料具有破坏性，同时其测量过程耗时长，影响生产效率。专利号为US6656749B1的美国专利提出通过测量光反射系数的变化在线监测激光退火MOS器件源漏结的结深，由于测量过程中要同时考虑温度场和载流子分布的影响，影响测量精度。光载流子辐射(PCR：Photo-Carrier Radiometry)技术自提出以来，广泛应用于半导体材料载流子输运参数的表征和掺杂浓度及均匀性的检测，由于完全滤除了温度场的影响，测量信号仅与探测区域内光激发产生的载流子浓度和材料内部的缺陷能级有关，相比热波测量方法，具有信号稳定，灵敏度高等诸多优点，具有较强的工业化应用潜力。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，具有测量灵敏度高和可实时在线检测等优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于光载流子辐射技术的半导体硅片激光退火在线检测方法，其特征在于包括：

在半导体材料激光退火装置中加入一基于光载流子辐射技术的光学检测系统，即将强度周期性调制的激励光束照射到退火半导体材料表面，产生周期性调制的载流子经辐射复合产生红外辐射信号，即光载流子辐射信号，通过收集并比较退火半导体材料和参考样品的光载流子辐射信号的振幅值和/或相位值，进而实时调节激光退火参数，达到预期退火效果，实现对激光退火的实时在线检测和/或控制。

其中，所述的激光退火装置为点扫描式或线扫描式退火。所述的激光退火参数为退火脉冲激光能量，脉冲数和脉冲重复率等参数。

其中，所述的半导体材料为离子注入晶体硅材料或非晶硅薄膜材料。

其中，所述的光学检测系统包含一光子能量大于被测半导体材料禁带宽度的强度周期性调制的激励光束和光载流子红外辐射信号收集探测装置。

其中，所述的光学检测系统中的激励光束由连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器输出，其强度调制可通过调制半导体激光器的驱动电流或电压，或采用声光调制器、或电光调制器、或机械斩波器调制连续激光束来实现。

其中，所述的收集光载流子红外辐射信号的收集设备为光电二极管探测器或光电倍增管或红外相机，红外相机用来对退火区域进行成像。

其中，所述的采用红外相机对退火区域进行成像时，成像大小可通过调节入射到半导体材料表面的激励光束的光斑大小来实现。

其中，所述的退火激光光束与光学检测激励光束的间距需通过优化选择，以避免由于两者间距过小使得检测位置的激光退火过程尚未完成而导致检测结果不实，同时避免由于两者间距过大而达不到实时检测的目的。