第5章 測(cè)量學(xué)和缺陷檢查

1、 集成電路測(cè)量學(xué)是測(cè)量制造工藝的性能以確保達(dá)到質(zhì)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一種必要的方法。為了完成這種測(cè)量，需要樣片樣片、測(cè)量設(shè)備測(cè)量設(shè)備和分析分析數(shù)據(jù)的方法數(shù)據(jù)的方法。 傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)是在監(jiān)控片(又稱樣片)上收集，樣片是空白（或無(wú)圖形）的硅片，包含在工藝流程中，專門為表征工藝的特性。而使用實(shí)際生產(chǎn)硅片模擬更接近在工藝流程中發(fā)生的情況，可以提供更好的信息。 Photograph courtesy of KLA-Tencor 監(jiān)控片與有圖形的硅片監(jiān)控片與有圖形的硅片Patterned waferMonitor wafer 用于性能測(cè)量的測(cè)量設(shè)備有不同的類型，分為與工藝分離的獨(dú)立測(cè)試設(shè)備和與工藝設(shè)備集成在一起的測(cè)

2、量設(shè)備。 獨(dú)立的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量學(xué)測(cè)試時(shí)，不依附于工藝，但通常對(duì)硅片有破壞性或沾污。集成的測(cè)量?jī)x器具有傳感器，這些傳感器允許測(cè)試工具作為工藝的一部分起作用并發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 成品率成品率定義為產(chǎn)出產(chǎn)品的合格數(shù)量與整體數(shù)量的百分比。成品率是一個(gè)硅片工廠生產(chǎn)高質(zhì)量管芯能力的重要標(biāo)志。為了查出不同缺陷怎樣影響硅片的成品率，缺陷分析應(yīng)該能區(qū)分出隨機(jī)因素和非隨機(jī)因素，并能與電學(xué)和其他測(cè)試數(shù)據(jù)相聯(lián)系。 在整個(gè)硅片生產(chǎn)工藝中有許多質(zhì)量測(cè)量。為使產(chǎn)品在工藝的每一步都符合精確的要求，半導(dǎo)體質(zhì)量測(cè)量定義了硅片制造的規(guī)范要求，以確保滿足器件的性能和可靠性。 表5.1展示了每一步工藝后主要的質(zhì)量測(cè)量。 表表5.1 5.

3、1 在硅片制造生產(chǎn)區(qū)的質(zhì)量測(cè)量在硅片制造生產(chǎn)區(qū)的質(zhì)量測(cè)量 WCu 方形的薄層圖形方形的薄層圖形ltwCross-sectional area = w tR = r(l)a(ohms) 四探針法的原理示意圖四探針法的原理示意圖WaferRVoltmeterConstant current sourceVIrs = VIx 2ps (ohms-cm)slRaraw tsRtr t ： 膜厚 ：膜電阻率 RS ：方塊電阻 RS =4.53V/I （/） 常量4.53是在探針間距很小且膜尺寸無(wú)限大的假設(shè)下的修正系數(shù)。 橢偏儀橢偏儀 橢偏儀的基本原理橢偏儀的基本原理LaserFilterPolarize

4、rQuarter wave plateFilm being measuredAnalyzerDetectorq 橢偏儀橢偏儀 實(shí)物照片實(shí)物照片 光聲法膜厚測(cè)量光聲法膜厚測(cè)量Detection laser beamHigh outputEcho 2Echo 1Change in surface reflectivity(d)Echo 1Detection laser beamNominal output(c)Detection laser beamNominal output(b)HeatSound waveOptical detectorPump laser beamLow output(a)

5、 硅片中的應(yīng)力分布硅片中的應(yīng)力分布薄膜應(yīng)力通常用圓片在淀積前后的彎曲薄膜應(yīng)力通常用圓片在淀積前后的彎曲變化來(lái)測(cè)量。膜應(yīng)力由下式給出：變化來(lái)測(cè)量。膜應(yīng)力由下式給出：2213ETtR其中，其中，是泊松比是泊松比，E是楊氏彈性模量，是楊氏彈性模量，是是圓片中心的彎曲量，圓片中心的彎曲量，t是薄膜厚度，是薄膜厚度，R為圓片為圓片半徑，半徑，T是圓片厚度。是圓片厚度。淀積膜淀積膜硅片硅片 例例1 利用激光干涉測(cè)量分析硅片鍵合后的表面翹曲利用激光干涉測(cè)量分析硅片鍵合后的表面翹曲 例例1 表面翹曲的干涉條文圖樣分布表面翹曲的干涉條文圖樣分布 折射率折射率nIndex of Refraction, n = s

6、in qi / sin qr nExamples of n:air = 1.00SiO2 = 1.46diamond = 2.12Air (n 1.0)SiO2 (n 1.46)Fast mediumSlow mediumAir (n 1.0)Glass (n 1.5)Fast mediumSlow mediumThermal Wave System for Measuring Dopant ConcentrationProbe laser(HeNe )Pump laser(Argon )Thermal wave signal detectorX-Y stageWaferTwo-way mir

7、rorTwo-way mirror 擴(kuò)展電阻探針（擴(kuò)展電阻探針（SRP）Probe laser(HeNe )Pump laser(Argon )Thermal wave signal detectorX-Y stageWaferTwo-way mirrorTwo-way mirror光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板SEM的功能是通過產(chǎn)生高度聚焦電子束掃描目標(biāo)，同時(shí)用探測(cè)器測(cè)量最終散射電子。電子槍發(fā)射的電子通過磁聚焦系統(tǒng)，會(huì)聚成2-6nm的束斑，打在試樣上，產(chǎn)生二次電子，背散射電子以及其他電子，X射線和光子。 其中最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來(lái)的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生

8、于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區(qū)域，其產(chǎn)生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號(hào)。 二次電子被收集，產(chǎn)生光電信號(hào)，最后在顯示屏上成像。 SEM的工作原理的工作原理局限性：局限性：n 需要高真空；n 成像前需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋絕緣的樣本。 例例2 晶體管的晶體管的SEM圖像圖像 臺(tái)階覆蓋臺(tái)階覆蓋共型臺(tái)階覆蓋非共型臺(tái)階覆蓋(空洞) 表面形貌儀表面形貌儀CRTProximity sensorStylus motionStylusX-Y StageDirection of scan Wafer surfaceLinear drive

9、 unitControl electronicsAmp+5V-5V+24 VDI 套準(zhǔn)精度檢查圖形套準(zhǔn)精度檢查圖形MisregistratonX1 X2, Y1 Y2X1X2Y1Y2Ideal overlay registratonX1 = X2, Y1 = Y2X1X2Y1Y2C-V 測(cè)試的建立和繪圖測(cè)試的建立和繪圖氧化層電容儀電源測(cè)量每個(gè)偏壓對(duì)應(yīng)的電容設(shè)置范圍從 -5V 到 +5V，以1V為間隔N型硅金屬金屬 n型硅的電容與電壓的關(guān)系型硅的電容與電壓的關(guān)系-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏壓0電容N型硅的C-V曲線Cmax在在C-V測(cè)試中離子電荷的采集測(cè)試中離子電荷的采集

10、N-type siliconMetalAl+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +溫度范圍近似200 - 300 C電源氧化層在在n型硅中的電壓漂移型硅中的電壓漂移0-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏壓電容N型硅的C-V曲線CminDV 接觸角接觸角接觸角小滴襯底二次離子質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器和離子探測(cè)器組成。它的基本原理是在超真空狀況下用高能量離子或中子束轟擊試樣表面然后分析所產(chǎn)生的二次離子成份和含量。 在電場(chǎng)下聚焦的高能離子束被引導(dǎo)在分析樣品表面微區(qū)上掃描。 在掃描中濺射出來(lái)的粒子含量和速率取決于高能離子的能量、質(zhì)量及強(qiáng)度、以

11、及樣品本身的物理化學(xué)性質(zhì)。 濺射出來(lái)的粒子中只有小部分被電離而形成二次離子質(zhì)譜分析中的二次離子。 由此產(chǎn)生的二次離子在加速到質(zhì)譜儀的過程中按照它們的質(zhì)量與電荷比率分離出來(lái)。 在此過程中所收集的二次離子的密度被轉(zhuǎn)換成濃度曲線。 二次離子質(zhì)譜分析能夠分辨元素周期表中的所有元素、包括他們的同位素。 二次離子質(zhì)譜分析對(duì)大多數(shù)元素的靈敏度可達(dá)百萬(wàn)分之一以下、某些元素可達(dá)十億分之一以下。 二次離子質(zhì)譜分析的主要特征是： *探測(cè)從H到U的所有元素 *微量元素分析達(dá)到0.1ppb-0.1ppm的水平 *依據(jù)標(biāo)樣的定量分析 *深度分辨率 10nm * 小區(qū)域分析(25um) *單層深度信息 *同位素測(cè)量 當(dāng)樣品

12、表面逐漸地被入射離子束侵蝕剝離時(shí)、記錄下的二次離子連續(xù)譜線則形成從樣品表面的深度剖面。 二次離子強(qiáng)度可通過由標(biāo)樣測(cè)定獲得的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。 樣品刻蝕深度則通過輪廓曲線儀測(cè)定。二者所共同產(chǎn)生的結(jié)果便是二次離子質(zhì)譜分析的深度剖面。 n SIMS可以鑒別出劑量和結(jié)深同時(shí)指出結(jié)出任何不滿足要求的金屬雜質(zhì)，因此成為驗(yàn)證離子注入機(jī)性能的主要工具。 它的工作原理是將一個(gè)對(duì)微弱力及敏感的微懸臂（cantilever）一端固定，另一端有一微小的針尖與樣品的表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在及微弱的排斥力，即原子范德華力（10-8_10-6 N），通過懸臂另一端的壓電驅(qū)動(dòng)部件，在掃描時(shí)控制這種力

13、的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。 。激光束從探針針尖頂上的表面反射，直接照到光敏二極管上。，可以測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，產(chǎn)生表面形貌的電子圖形。 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）是一種表面形貌儀。用一個(gè)較小的平衡探針頭掃描硅片表面產(chǎn)生三維的表面圖形。 光學(xué)表面形貌儀光學(xué)表面形貌儀俄歇過程至少有兩個(gè)能級(jí)和三個(gè)電子參與，所以氫原子和氦原子不能產(chǎn)生俄歇電子，也就是說H和He元素不能被探測(cè)。nXPS 是用X射線光子激發(fā)原子的內(nèi)層電子發(fā)生電離，產(chǎn)生光電子，這些內(nèi)層能級(jí)的結(jié)合能對(duì)特定的元素具有特定的值，因此通過測(cè)定電子的結(jié)

14、合能和譜峰強(qiáng)度，可鑒定除H和He（因?yàn)樗鼈儧]有內(nèi)層能級(jí)）之外的全部元素以及元素的定量分析。nXPS分析大約2nm的樣本厚度。a a 清潔表面；清潔表面； b 1barOb 1barO2 2、403K403K氧化氧化1 1小時(shí)小時(shí)金屬態(tài)的鎳金屬態(tài)的鎳Ni較較高高氧氧化化態(tài)態(tài)的的鎳鎳NiNi3+3+ TEM的工作原理與的工作原理與SEM類似，類似，差別是發(fā)射的電子束穿過超薄的差別是發(fā)射的電子束穿過超薄的樣片（樣片（10到到100nm的數(shù)量級(jí)），的數(shù)量級(jí)），然后被收集形成圖像。然后被收集形成圖像。 例例8：硫化銀硫化銀納米粒納米粒 子的子的TEM和和SEM圖圖像對(duì)比像對(duì)比 能量彌散譜儀（EDX）是為

15、識(shí)別元素使用的最廣的X射線探測(cè)方法，并且是對(duì)SEM的補(bǔ)充。它在樣本表面穿透性很好，所以不能被看作是表面分析。EDX的工作原理基于高質(zhì)量的摻雜硅做的大二極管，并由薄的鈹窗（約25um）與SEM真空隔離。X射線通過窗口產(chǎn)生一系列電子空穴對(duì)，能根據(jù)X射線的能及探測(cè)到并識(shí)別。 波長(zhǎng)彌散譜儀（WDX）是根據(jù)衍射晶格和光計(jì)數(shù)器的原理工作。晶體根據(jù)波長(zhǎng)分離并分散入射的X射線，這些射線之后在光計(jì)數(shù)器中被收集。WDX測(cè)量緩慢，但是準(zhǔn)確率極高。 能量彌散譜儀（能量彌散譜儀（EDX）薄鈹窗光電子路徑SiSiKaSi(Li) 晶體H.V. 偏壓至放大器X射線電子空穴對(duì)Si(Li) 探測(cè)器r放大器窗口能量SiP 聚焦離

16、子束（聚焦離子束（FIB）銑）銑FIB 束環(huán)氧粘貼在柵格上的樣本柵格由FIB束銑的樣本TEM束 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)的工的工作原理是基于量子力學(xué)中的作原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)。 對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說，當(dāng)對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)低于前方勢(shì)壘的高度壘的高度V0時(shí)，它不可能越時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢(shì)壘，穿過比它能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道