傅立葉轉換紅外光譜技術於晶圓碳氧含量鑑定

傅立葉轉換紅外光譜於晶圓量測間隙氧及置換碳的濃度

矽原子與晶格結構中的碳原子 (Si-C) 和氧原子 (Si-O-Si) 形成鍵結。紅外光譜使用波長（2-25 μm）的光照射樣品。矽對這些波長是透明的，當光穿過樣品時，與波長共振的化學鍵可以吸收一部分光。吸收的光量與形成鍵的原子濃度成正比，因此可以建立檢量線(Stand Curve)用於定量濃度。在紅外光譜技術中，用X軸單位使用cm^-1，將波長表示為波數頻率更為方便顯示。在這些紅外吸收光譜中，間隙氧(OI)吸收集中在 1107 cm^-1，置換碳(CS)吸收集中在 605 cm_^-1，如圖3所示。

圖3. 間隙氧(OI)及置換碳(CS)於紅外光譜上的吸收位置

矽晶圓的矽-矽晶格鍵結(Si-Si)也會在紅外光譜上產生了一些獨特的吸收。這些已經將間隙氧以及置換碳(CS)都去除掉，純化過的矽晶圓。這紅外光譜的吸收度便可以用於測定磊晶(EPI)的厚度，如圖4所示。

圖4. 光譜上的標記為矽中不同的晶格振動。
TA = 橫向聲學，TO = 橫向光學，LA = 縱向聲學以及LO = 縱向光學

FZ(Float Zone)精煉法，是透過將矽錠經過不同溫度區域的鑄爐，來進行純化的。在這些區域中，矽被加熱到接近熔化，並且這些區域沿著矽錠移動，便會將現行移動的雜質“掃”到晶體的某一端集中。該過程重複操作幾次便以提高矽的純度。真空浮區(VFZ)方法在真空中執行該過程以幫助去除氣態雜質。利用這兩種方法中，反覆執行越多次，雜質的濃度就跟著越低。

因為置換碳(CS)的吸收發生在與來自矽晶格的最強吸收相同的位置，所以需要FZ 矽光譜圖做為參考，見圖5。矽的 TO + TA 聲子(有時稱為“雙聲子帶”)集中在630 cm^-1處，並且由於較低的訊噪比(S/N)使測量變得困難，在這個光譜區域存在的碳濃度相對較低。存在於1118 cm^-1氧區域(TO + TO + TA 或“三聲子帶”)中的聲子強度要小得多。這種吸收在間隙氧(OI) 峰下方產生非線性的基線，並利用FZ矽參考光譜圖進行光譜相減，見圖6。

圖5. 顯示置換碳(CS)區域的矽光譜之碳吸收特性：
(A)含1 ppmA碳的光譜；(B)FZ矽的參考光譜；(C)光譜相減的結果。

圖6. 顯示間隙氧(OI)區域的矽光譜之氧吸收特性：
(A)含30 ppmA氧的光譜；(B)FZ矽的參考光譜；(C)光譜相減的結果。

根據Beer’s Law我們可以得到當光徑(樣品厚度)固定時，即吸收度與濃度會成一線性關係，如下公式。

該方程式解釋，對於已知光徑(樣品厚度)，濃度和吸光度之間存在線性關係，如圖7所示。若忽略雜質水平不計，矽濃度的遞增與光譜吸收度被認為是一致的，便可以使用該光區帶計算磊晶(EPI)厚度，如圖8所示。

圖7. 顯示間隙氧(OI)各不同濃度的紅外光譜：
(A)含40 ppmA氧的光譜；(B)含30 ppmA氧的光譜；
(C)含20 ppmA氧的光譜；(D)含15 ppmA氧的光譜。

圖8. 顯示各不同厚度的晶圓紅外光譜：
(A)2.0 mm厚度的光譜；(B) 1.5 mm厚度的光譜；
(C) 1.0 mm厚度的光譜；(D) 0.5 mm厚度的光譜。