导读

在半导体制造领域，精准测量硅片中埋层PN结深度一直是工艺优化的核心难题。传统检测手段依赖破坏性采样，不仅效率低下，还造成晶圆损耗。日本大阪大学与韩国三星公司研究团队近期提出的太赫兹发射光谱（TES）技术，以非接触方式实现了5纳米级分辨率的深度测量，为行业带来颠覆性解决方案。本文将从技术原理、实验验证、产业价值三方面解析这一突破，并探讨其未来挑战与潜力。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上，题为“Non-contact and nanometer-scale measurement of PN junction depth buried in Si wafers using terahertz emission spectroscopy”。

研究背景

在三维晶体管（如DRAM中的埋沟道阵列晶体管）制造中，PN结深度与耗尽层载流子动态直接影响器件性能。传统检测手段如二次离子质谱（SIMS）虽精度高，但需破坏性采样且耗时，难以满足现代半导体工业对快速、无损、全晶圆检测的需求。行业亟需一种“无创”技术，既能精准“透视”硅片内部结构，又能适应量产节奏。

研究亮点

技术原理：太赫兹光谱的“穿透力”

研究团队提出的太赫兹发射光谱（TES）技术，通过飞秒激光激发PN结区域的光生载流子，利用其在耗尽层电场作用下的瞬态漂移电流辐射太赫兹波（图1）。通过解析太赫兹波的幅度衰减规律与相位极性变化，可同步反推结深与电场方向。这一技术的核心优势体现在三方面：其一，非接触特性避免晶圆损耗；其二，当前系统分辨率达5纳米，超越传统方法精度；其三，支持全晶圆扫描，适配产线级检测场景。

图1. PN结深度的非接触式检查

实验验证：精度与可靠性的双重背书

为验证技术可靠性，团队对8组不同结深（120–200纳米）的硅片样本进行测试（图2）。实验显示，在400纳米波长激光激发下，太赫兹波振幅随结深增加呈指数衰减，与理论模型高度吻合（图3）。通过时间域波形噪声分析（4–8皮秒区间），系统信噪比可稳定分辨5纳米级深度差异。此外，调整激光入射角度（如45°）可进一步优化灵敏度，结合太赫兹光电倍增管等新型探测器，未来分辨率有望突破至1纳米级。

图2. 实验样品

图3. PN结的太赫兹辐射

产业价值：成本、性能与可持续性三重收益

从实验室到产线，TES技术展现出多重应用价值：在工艺端，实时反馈PN结深度数据，可优化三维晶体管设计，缓解短沟道效应；在成本端，避免破坏性检测的晶圆损耗，单次检测成本降低；在可持续性层面，减少废品率与资源浪费，推动半导体制造绿色转型。

总结与展望

太赫兹发射光谱技术将实验室级的精密测量推向产业前线，其非接触、高分辨的特性，或成为3D集成器件制造的“质检新标尺”。随着检测效率提升与生态协同（如与工业物联网平台联动），这项技术有望推动半导体行业向高效化、数字化、可持续化加速迈进。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01911-0