L’inspection des tranches de silicium avec la spectroscopie d’émission térahertz pourrait fournir de nouvelles options de semi-conducteurs

Le silicium (Si) est au centre de l’industrie des semi-conducteurs et de l’industrie électronique moderne depuis un demi-siècle. Cependant, ses propriétés de surface restent un mystère.

Les propriétés de la surface de Si varient considérablement mais sont essentielles à la fabrication de dispositifs à base de Si. Le fluorure d’hydrogène (HF) et ses solutions tamponnées (BHF) sont souvent utilisés pour traiter la surface et éliminer la couche d’oxyde natif. Après gravure BHF, une surface à terminaison hydrogène (H) se forme et les propriétés de surface changent de manière significative en raison de la variation des états de surface et de la génération de dipôles de surface.

Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applications, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Masayoshi Tonouchi de l’Université d’Osaka a étudié les propriétés d’émission térahertz (THz) des surfaces Si. L’article, intitulé “Caractérisation rapide, sans contact, sensible et semi-quantitative des surfaces de plaquettes de silicium traitées au fluorure d’hydrogène tamponné par spectroscopie d’émission térahertz”, impliquait une connexion semi-quantitative entre l’émission THz et la bande de surface se pliant avec les dipôles de surface.

Actuellement, diverses méthodes sont utilisées pour caractériser les défauts à la surface de la plaquette afin de confirmer une meilleure surface pour le processus de photolithographie dans l’industrie des semi-conducteurs.

Les techniques d’inspection standard des plaquettes comprennent l’inspection sur fond clair et sur fond noir en utilisant un faisceau laser et sa réflexion à un angle spécifique, l’inspection par faisceau d’électrons et l’inspection multifaisceaux en utilisant un faisceau d’électrons pour une résolution plus élevée. Outre les défauts à la surface de la tranche de Si, les propriétés électriques de surface sont également importantes pour poursuivre la fabrication et influencer la qualité du dispositif.

Pour améliorer le rendement des produits intégrés dans la tranche de Si, il est essentiel de caractériser les propriétés de surface de la tranche de Si rapidement, efficacement et quantitativement avant et après le traitement chimique au cours du processus de fabrication. Plusieurs outils utiles mais compliqués ont été proposés pour estimer le potentiel de surface.

Celles-ci incluent la spectroscopie photoélectronique à rayons X, la mesure de la phototension de surface et la microscopie à force Kelvin. Les méthodes d’évaluation locale sensible des surfaces et de cartographie rapide des propriétés de surface font encore défaut et sont nécessaires de toute urgence.

L’équipe de recherche a proposé la spectroscopie d’émission térahertz induite par laser (THz) (TES) et la microscopie d’émission térahertz induite par laser (LTEM) comme candidats les plus prometteurs. Celles-ci sont réalisées en tant que méthode de caractérisation locale sans contact sensible et semi-quantitative. Il offre une fonction de cartographie supplémentaire qui peut évaluer efficacement les propriétés de surface, telles que le potentiel de surface, une couche de passivation et la densité de charge de surface.

L’excitation laser ultra-rapide à la surface d’un semi-conducteur génère un rayonnement THz en raison du transport de charge ultra-rapide. Le mécanisme peut être classé principalement en deux catégories : la diffusion des photoporteurs et la dérive des photoporteurs. L’émission THz de la structure Si métal-oxyde-semi-conducteur est considérée comme le résultat combiné du courant de dérive et de la diffusion dans les rapports précédents. L’effet photo-Dember sur la surface de Si nu est relativement faible par rapport au courant de dérive résultant du champ électrique de surface.

Les chercheurs observent l’émission THz de la surface de Si avant et après le retrait de la couche d’oxyde natif à l’aide d’une solution de BHF. Pendant ce temps, les paramètres des types de dopage et de la concentration de dopage indiquent également leur impact sur les formes d’onde d’émission THz observées en termes d’amplitude et de polarité. Le retournement de la forme d’onde THz révèle la forte dépendance de l’émission THz à la courbure de la bande de surface. Il est dominé par l’énergie de l’état de surface et les niveaux de Fermi en vrac.

De plus, les chercheurs ont discuté des paramètres des propriétés de surface. Ils ont fourni une image LTEM de la distribution de potentiel de surface sur la surface de Si avec un motif d’espacement linéaire après gravure BHF comme exemple d’application. LTEM-TES est un outil prometteur pour réaliser une caractérisation rapide sans contact et sensible des propriétés de surface du Si et bénéficiera à l’industrie moderne du Si.