一種改進(jìn)的硅片薄層電阻及其均勻性表征方法

1、一種改進(jìn)的硅片薄層電阻及其均勻性表征方法劉新福3,劉東升,孫以材(河北工業(yè)大學(xué)微電子技術(shù)與材料研究所,天津300130摘要:概述了微區(qū)電阻測(cè)試方法及其均勻性表征方法的應(yīng)用,利用自主研制的斜置式方形四探針微區(qū)薄層電阻測(cè)試儀,對(duì)P 型硅芯片進(jìn)行了無圖形Rymaszewski 法測(cè)試,在3寸芯片上測(cè)試了598個(gè)366m ×366m 方形微區(qū)的薄層電阻,并用等值線圖表示了其分布,得到了薄層電阻的不均勻度及平均值,這種微區(qū)薄層電阻表示方法適用于評(píng)價(jià)材料質(zhì)量及改進(jìn)制造工藝。關(guān)鍵詞:Rymaszewski 法;等值線圖;薄層電阻中圖分類號(hào):T N304.07文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0258-70

2、76(200403-0594-04隨著超大規(guī)模和甚大規(guī)模集成電路的發(fā)展,特征尺寸已經(jīng)達(dá)到0.13m ,在不久的將來將達(dá)到0.07m 1,DRAM 達(dá)到64G b ,MPU 和ASIC 集成度分別達(dá)到90M 和40M 個(gè)晶體管/cm 2;另一方面襯底晶園直徑將從目前的300mm 逐漸發(fā)展到450mm 。在集成電路的生產(chǎn)中,為保證最后器件性能的完善,特別是考慮對(duì)器件的擊穿電壓、閾值電壓等參數(shù)的影響,薄層電阻在線監(jiān)控工序在整個(gè)IC 生產(chǎn)過程中越來越重要,可用于判定雜質(zhì)濃度及其分布的均勻度等。經(jīng)常使用的是范德堡法2和Rymaszewski 法3作為普通直線四探針法的補(bǔ)充方法,本文應(yīng)用改進(jìn)的Rymasz

3、ewski 法及獨(dú)立研制的方形薄層電阻測(cè)試儀對(duì)3寸芯片進(jìn)行了測(cè)試,并用等值線圖方法分析了片內(nèi)均勻性,以達(dá)到改進(jìn)工藝過程及提高器件性能的目標(biāo)。1薄層電阻測(cè)量等值線方法1.1薄層電阻測(cè)量方法如今,國(guó)內(nèi)外都開展了薄層電阻測(cè)試研究工作,現(xiàn)將電阻測(cè)試的方法匯總?cè)绫?所示。孫以材教授課題組提出的改進(jìn)范德堡法2,811是利用斜置的剛性探針,不要求等距、共線,只要求針尖在樣品光刻圖形4個(gè)角區(qū)邊緣附近的一定界線內(nèi),用改進(jìn)范德堡公式2,由4次電壓電流輪流測(cè)量得到薄層電阻且探針的游移不影響測(cè)量結(jié)果。表1微區(qū)電阻測(cè)試方法T able 1Measurement method for microarea sheet re

4、sistance 電阻測(cè)試方法測(cè)試條件最小測(cè)試區(qū)域能否用于微區(qū)R s 測(cè)定常規(guī)直線四探針法43個(gè)探針間距1mm>3mm不能Rymaszewski 法3要求容納下4個(gè)豎直探針,會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)一般>1mm 不能范德堡法5要求觸點(diǎn)制備在樣品邊緣整個(gè)樣品測(cè)試不能擴(kuò)展電阻法4,6要求背面大面積歐姆接觸,并要求是體樣品>10m 不能美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NBS 測(cè)試方法4需要設(shè)置4個(gè)等長(zhǎng)臂及4個(gè)大的金屬電極>200m不能Sm ith 測(cè)試方法7需要精確知道探針相對(duì)樣品的幾何位置不適合渦電流法需要先測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)片的電阻整片樣品測(cè)試不能改進(jìn)范德堡法2沒有特殊要求2090m 適合改進(jìn)Rymaszews

5、ki 法沒有特殊要求2090m適合第28卷第3期V ol.28.3稀有金屬CHI NESE JOURNA L OF RARE MET A LS 2004年6月June 2004收稿日期:2003-08-05;修訂日期:2003-03-31基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(69272001;河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(602076;天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(013602011作者簡(jiǎn)介:劉新福(1963-,男,河北順平人,博士,副研究員;研究方向:微區(qū)薄層電阻測(cè)試3通訊聯(lián)系人(E 2mail :liux f R s=1464n=12ln2(V n+V n+1If(V n+1V n(1其中f(V

6、 n+1/V n是范德堡修正函數(shù)。I是所用測(cè)試電流,V n是第n次測(cè)量所得的電壓。改進(jìn)Rymaszewski方法的特點(diǎn)也是利用斜置的探針,探針有足夠的直徑以保證剛性,4個(gè)探針置于方形微區(qū)的4個(gè)角點(diǎn)上。樣品面上探針間距取決于針尖半徑,因此可以用于小至90m微區(qū)的薄層電阻的測(cè)定。不需要制備測(cè)試圖形,不需要制備從微區(qū)伸出的測(cè)試臂和金屬化電極,只需要在測(cè)試過程中利用圖像識(shí)別裝置通過計(jì)算機(jī)顯示器監(jiān)控測(cè)試探針的位置,判斷其是否位于方形微區(qū)的各個(gè)角點(diǎn)上,依靠探針各自驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)微調(diào),補(bǔ)償由于平臺(tái)移動(dòng)變化造成的探針位置誤差,即可保證測(cè)試位置的準(zhǔn)確性,用下面的改進(jìn)Rymaszewski公式,由4次電壓

7、電流輪流測(cè)量得到薄層電阻值,簡(jiǎn)便、快捷、可行。R s=1464n=1ln2(V n+V n+1If(V n+1V n(2其中f(V n+1/V n,I,V n同公式(1。1.2薄層電阻等值線圖方法薄層電阻等值線圖能清楚地顯示出整個(gè)面上的電阻分布情況,因此,在世界先進(jìn)的集成電路工業(yè)中已將這種等值圖列為控制硅片襯底、外延、擴(kuò)散、離子注入、吸雜、退火等工藝質(zhì)量的手段。目前,國(guó)外一些大的半導(dǎo)體公司都進(jìn)行薄層電阻等值圖監(jiān)測(cè),因而可以用它來對(duì)各道工藝質(zhì)量進(jìn)行有效的監(jiān)控。采用等值圖監(jiān)控離子注入等工藝的質(zhì)量確實(shí)有效、實(shí)用。隨著硅片直徑的越來越大,片子的均勻性要求越來越高,僅靠過去測(cè)量幾點(diǎn)的方式,已經(jīng)無法滿足要

8、求,因此有必要采用等值圖監(jiān)視整片的電阻率變化。1.2.1薄層電阻等值線方法可用于研磨片檢查12如圖1所示, 左圖表示均勻性好的硅片,圖面上只有一條表示電阻率平均值的粗線,沒有其他細(xì)線出現(xiàn),整個(gè)面均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%;而右圖為均勻性差的表面,除了中間的平均值粗線外,還打著 “+”、“-”的細(xì)線,每根線之間相差±1%,顯然線越多,則均勻性越差。1.2.2可用于外延生長(zhǎng)監(jiān)控13圖2表示存在圖1薄層電阻測(cè)試等值線圖方法Fig.1Equal value line method of testing sheet resistance圖2存在傾向性梯度的外延片等值線圖Fig.2Equal2val

9、ue2line map of extension slice with tendentious grads著傾向性梯度的外延片等值線圖,其標(biāo)準(zhǔn)偏差S> 8%,經(jīng)過工藝調(diào)整后得到圖3,此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差只有1.92%,R S均勻性有了明顯的提高。1.2.3對(duì)離子注入工藝問題進(jìn)行判斷14圖4為離子注入好的情況。圖中粗線是整個(gè)面上的平均值,沒有其它等值線,說明整個(gè)面上最大、最小薄層電阻值均與平均值相差在±1%以內(nèi)。圖3工藝調(diào)整后的外延片等值線圖Fig.3Equal2value2line map of extension slice adjusted technics5953期劉新福等一種改

10、進(jìn)的硅片薄層電阻及其均勻性表征方法 圖4離子注入較好的等值線圖Fig.4A better equal value line map on afflux of ions1.2.4適用于薄層電阻等值線圖表示的基片14通?？蓽y(cè)試薄層電阻的材料有:硅襯底片、研磨片、拋光片、外延片、擴(kuò)散片、離子注入片、吸雜片;退火硅片、金屬膜和涂層等都可用薄層電阻等值圖法進(jìn)行測(cè)試。以上各圖為采用美國(guó)Prometrix公司制造的RS35電阻Mapping測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,采用的是直線四探針雙電測(cè)量法原理。2薄層電阻等值線圖測(cè)試條件2.1測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)介所用測(cè)試設(shè)備為自主研制的帶有攝像頭的探針全自動(dòng)四探針儀。該儀器包括探針架上

11、下移動(dòng)以及250mm樣品平臺(tái)(換標(biāo)準(zhǔn)底盤后可加大到400mm。平臺(tái)的X,Y二方向及探針的移動(dòng)共有7個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。圖像采集與控制功能框如圖5所示。探針的最小進(jìn)給為2.5m。視場(chǎng)用物鏡配合攝像頭可放大到320倍。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)用鼠標(biāo)命令十分方便。該儀器不僅適合于有圖形的改進(jìn)范德堡法薄層電阻測(cè)試技術(shù),還適合于無圖形的Rymaszewski體電阻(經(jīng)厚度修正測(cè)試技術(shù)(即等值線圖方法。本次測(cè)量即采用Rymaszews2 ki體電阻等值線方法進(jìn)行測(cè)試與表征。2.2測(cè)試樣品及測(cè)試方法測(cè)試樣品為P型3寸厚=1.2mm硅片,選擇測(cè)試電流為75A,使用儀器自帶的縱、橫向均可移動(dòng)的控制臺(tái)控制測(cè)試的位置,首先調(diào)整探針使各個(gè)

12、測(cè)試的區(qū)域相同,并通過控制臺(tái)的移動(dòng)使測(cè)試的間隔相等。實(shí)際測(cè)試中測(cè)試的區(qū)域?yàn)?66m×366m,測(cè)試間距控制在1.87mm(為了調(diào)整的方便來確定,測(cè)試順序由左至右、由上至下進(jìn)行 。圖5圖像采集與控制功能框圖Fig.5Frame chart for getting and controlling image采用斜置式方形Rymaszewski四探針法進(jìn)行測(cè)試,所用恒流源為75A,選用這樣小的測(cè)試電流,據(jù)文獻(xiàn)2理論分析,可以保證少子牽引半徑遠(yuǎn)小于探針間距。3測(cè)試結(jié)果及分析用我們?cè)O(shè)計(jì)的薄層電阻測(cè)試電路,測(cè)得3寸片(=1.2mm的全片薄層電阻率分布結(jié)果如圖6所示,共得有效測(cè)試數(shù)據(jù)598組。根據(jù)

13、厚度,以及樣品的薄層電阻R S與體電阻率之間有如下關(guān)系(式3,再考慮厚度修正后得出各電阻率值。=RS(3全片薄層電阻平均值:R s=1N6Ni=1R Si=218.4(N=598(4 圖6測(cè)試樣品的薄層電阻等值線圖Fig.6Equal value line map of a testing sam ple on sheet resis2 tance695稀有金屬28卷圖6為整個(gè)樣片的薄層電阻等值線圖(單位,對(duì)于相同尺寸的樣品來說,等值輪廓線越少,片子越均勻,從圖中可知片子的電阻率分布情況不是很好,通過計(jì)算整個(gè)片子的不均勻度,可以判定該片子的均勻性很差,本測(cè)試片的不均勻度為:E=大-小12(大+

14、小=3214-201412(3214+2014=45%(5該測(cè)試儀器所進(jìn)行的薄層電阻等值線圖測(cè)試,由于是在無測(cè)試圖形的條件下進(jìn)行的,因而不僅測(cè)試的區(qū)域可以達(dá)到盡可能小(可實(shí)現(xiàn)邊長(zhǎng)100m 以內(nèi)的方形微區(qū)電阻測(cè)試,而且測(cè)試點(diǎn)數(shù)可達(dá)到盡可能多(不受限制,測(cè)試間隔任意確定,并且可在測(cè)試的相應(yīng)位置進(jìn)行測(cè)試數(shù)值的標(biāo)定,更有利于觀察材料出現(xiàn)的異常情況,有利于改進(jìn)工藝和評(píng)價(jià)芯片內(nèi)部材料的質(zhì)量。參考文獻(xiàn):1孫以材,王靜,趙彥曉,等.動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器IC芯片制造技術(shù)的進(jìn)展與展望J.半導(dǎo)體技術(shù),2002,27(12:10. 2孫以材,張林在.用改進(jìn)的Van der Pauw法測(cè)定方形微區(qū)的方塊電阻J.物理學(xué)報(bào),19

15、94,43(4:530.3Rymaszewski R.Em pirical method of calibrating A42point m icroar2ry for measuring thin2film2sheet resistanceJ.E lectronics Letters, 1967,3(2:57.4孫以材.半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)M.北京:冶金工業(yè)出版社,1984.13.5Van Der Pauw L J.A method of measuring specific resistivity andhall effect of discs of arbitrary shapeJ.J Phi

16、lips Researc Reports, 1958,13(1:1.6孫冰.微區(qū)電學(xué)測(cè)試探針技術(shù)J.半導(dǎo)體雜志,1996,21(2:38.7Sm ith F M.M easurement of sheet resistivities with the four2pointprobeJ.Bell Syst T ech J,1958,37:711.8Sun Y icai,Shi Jungsheng,M eng Qinghao.M easurement of sheetresistance of cross m icroareas using a m odified van der pauwJ.Se

17、2 m i C onductor Sci.&T ech.,1996,11:805.9孫以材,劉新福,高振斌,等.微區(qū)薄層電阻四探針測(cè)試儀及其應(yīng)用J.固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2002,22(1:93. 10孟慶浩,孫新宇,孫以材,等.薄層電阻測(cè)試M apping技術(shù)J.半導(dǎo)體學(xué)報(bào),1997,18(9:701.11孫以材,石俊生.在矩形樣品中Rymaszewski公式的適用條件的分析J.物理學(xué)報(bào),1995,12:1869.12周全德.RS的M apping測(cè)試在硅片生產(chǎn)上的應(yīng)用J.上海計(jì)量測(cè)試,1999,6:47.13周全德.薄層電阻標(biāo)樣及M apping在IC制造中的應(yīng)用研究J.半導(dǎo)體情報(bào)

18、,2000,37(4:38.14周全德.IC離子注入工藝的薄層電阻等值圖監(jiān)控J.微電子學(xué),2000,30(6:410.A Modified I ndicial Method of Sheet R esistance and U niformityfor Silicon W aferLiu X infu3,Liu Dongsheng,Sun Y icai(Institute o f Microelectronic Technology and Materials,Hebei U2 niver sity o f Technology,Tianjin300130,ChinaAbstract:A m odified probe technique of rymaszewski method is used for measuring the sheet resistance of a sil2 icon wafer with the e