第5章測量學和缺陷檢查

第五章

測量學和缺陷檢查

5.1集成電路測量學

集成電路測量學是測量制造工藝的性能以確保達到質(zhì)量規(guī)范標準的一種必要的方法。為了完成這種測量，需要樣片、測量設(shè)備和分析數(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。無圖形的表面測試系統(tǒng)PhotographcourtesyofKLA-Tencor

監(jiān)控片與有圖形的硅片PatternedwaferMonitorwafer

用于性能測量的測量設(shè)備有不同的類型，分為與工藝分離的獨立測試設(shè)備和與工藝設(shè)備集成在一起的測量設(shè)備。獨立的測試設(shè)備進行測量學測試時，不依附于工藝，但通常對硅片有破壞性或沾污。集成的測量儀器具有傳感器，這些傳感器允許測試工具作為工藝的一部分起作用并發(fā)送實時數(shù)據(jù)。

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。成品率是一個硅片工廠生產(chǎn)高質(zhì)量管芯能力的重要標志。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)分出隨機因素和非隨機因素，并能與電學和其他測試數(shù)據(jù)相聯(lián)系。5.2質(zhì)量測量

在整個硅片生產(chǎn)工藝中有許多質(zhì)量測量。為使產(chǎn)品在工藝的每一步都符合精確的要求，半導體質(zhì)量測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)量測量。表5.1在硅片制造生產(chǎn)區(qū)的質(zhì)量測量一．膜厚

由于硅片工藝是成膜工藝，在整個制造工藝中硅片表面有多種類型不同的膜。這些不同類型的膜有金屬、絕緣體、光刻膠和多晶硅。它們或是不透明薄膜或是透明薄膜。膜的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)是它們的厚度。

不透明導電膜的厚度可用四探針法來測量。

WCu

方形的薄層圖形ltwCross-sectionalarea=w×tR=r(l)a(ohms)

四探針法的原理示意圖WaferRVoltmeterConstantcurrentsourceVIrs=VIx

2ps(ohms-cm)

t

：膜厚ρ：膜電阻率

RS：方塊電阻

RS=4.53V/I（Ω/□）

常量4.53是在探針間距很小且膜尺寸無限大的假設(shè)下的修正系數(shù)。四探針電阻儀

透明薄膜的厚度一般用橢偏儀來測量。橢偏儀的基本原理是用線性的偏振激光光源，當光在樣本中發(fā)生反射時，變成橢圓的偏振。橢偏儀測量反射得到的橢圓偏振，并根據(jù)已知的輸入值（例如反射角）精確的確定薄膜的厚度。橢偏儀測試具有小的測試點、圖形識別軟件和高精度的硅片定位特色。

橢偏儀

橢偏儀的基本原理 LaserFilterPolarizerQuarterwaveplateFilmbeingmeasuredAnalyzerDetectorq橢偏儀實物照片橢偏儀能夠測量幾十埃量級厚度的不同類型的薄膜，如可測量柵的厚度小于40埃?？蓽y量的材料包括介質(zhì)，金屬和涂覆的聚合物。最基本的要求是膜層為透明或半透明的。薄的金屬層（<500A）被看作是半透膜，可以用橢偏儀測量。例如銅互連工藝中用到的銅種子層。(厚度大于1000A的金屬層通常被認為是不透明的，不能用橢偏儀進行測量。)橢偏儀應(yīng)用：橢偏儀可以被直接集成到工藝設(shè)備中，應(yīng)用于注入刻蝕和平坦化一些領(lǐng)域的原位（實時）測試，可以精確的確定工藝中加工膜厚的終點。反射光譜學反射光譜學是三種基本的光學測試技術(shù)之一，另外兩種分別是光學橢偏儀和光學顯微鏡。結(jié)構(gòu)的反射經(jīng)常用于描述位于不吸收光的硅片襯底上的吸收光的介質(zhì)層的層厚特性。根據(jù)光在薄膜層頂部和底部反射的關(guān)系，反射儀能夠被用于計算膜厚。X射線測量薄膜厚度

X射線束能聚焦在表面上，通過X射線熒光技術(shù)（XRF）來測量膜厚度。當X射線射到薄膜時，吸收的輻射激活薄膜中的電子。當受激電子落入低的能態(tài)，就發(fā)射出X射線光子（熒光），光子的能量代表薄膜原子的特性，通過測量這些X射線光子，就可以確定膜厚。

XRF技術(shù)主要用于單層薄膜。全反射X光熒光譜儀光聲技術(shù)光聲技術(shù)是在測量金屬薄膜方面的最新進展，是一種非接觸技術(shù)。根據(jù)入射光的聲學節(jié)拍，撞擊表面及膜下界時，產(chǎn)生反彈的回聲。反彈回來的脈沖回聲消耗的時間可用來計算薄膜的厚度。

光聲法膜厚測量DetectionlaserbeamHighoutputEcho2Echo1Changeinsurfacereflectivity(d)Echo1DetectionlaserbeamNominaloutput(c)DetectionlaserbeamNominaloutput(b)HeatSoundwaveOpticaldetectorPumplaserbeamLowoutput(a)二.膜應(yīng)力在通常的制造工藝中，薄膜上可能引入強的局部應(yīng)力。這些應(yīng)力會造成襯底形變，并產(chǎn)生可靠性問題。用薄層應(yīng)力測量工具可以測量這種形變。在薄膜淀積前后，利用掃描激光束技術(shù)或分束激光技術(shù)測量硅片半徑，繪制硅片應(yīng)力的剖面圖。

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變化來測量。膜應(yīng)力由下式給出：其中，ν是泊松比，E是楊氏彈性模量，δ是圓片中心的彎曲量，t是薄膜厚度，R為圓片半徑，T是圓片厚度。δ淀積膜硅片例1利用激光干涉測量分析硅片鍵合后的表面翹曲

例1表面翹曲的干涉條文圖樣分布三.折射率折射是透明物質(zhì)的特性，它表明光通過透明物質(zhì)的彎曲程度。折射率的改變表明薄層中有沾污，并造成厚度測量不正確。對于純的二氧化硅折射率是1.46。對于薄層的折射率可以通過干涉和橢圓偏振技術(shù)來測量，與用于確定薄膜厚度的橢偏儀相同。

折射率IndexofRefraction,n=sini/sinrExamplesofn:air=1.00SiO2=1.46diamond =2.12Air(n1.0)SiO2(n1.46)FastmediumSlowmediumAir(n1.0)Glass(n1.5)FastmediumSlowmedium四.摻雜濃度在硅的一些區(qū)域（如pn結(jié)、外延層、摻雜多晶硅）中雜質(zhì)原子的分布情況直接影響到半導體器件的性能。常用的在線測量方法是四探針法（用于高摻雜濃度）、熱波系統(tǒng)（用于低摻雜濃度），在生產(chǎn)線外的測量方面，有二次離子質(zhì)譜儀、擴展電阻探針、電容—電壓特性測試等幾種方法。熱波系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測離子注入劑量濃度。測量由于離子注入而在硅片中形成的晶格缺陷。使用方便，有圖形或沒圖形的硅片都可通用。其缺點主要是測量過程會導致硅片的損傷，因而需要校正曲線以間接估算摻雜濃度。ThermalWaveSystemforMeasuring

DopantConcentrationProbelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirror擴展電阻探針擴展電阻探針（SRP）用于測量摻雜濃度的剖面和電阻率。SRP的弱點是需要熟練的操作者，樣片制備和破壞性的測試，優(yōu)點是不受結(jié)深限制便能進行精確的摻雜濃度測量。

擴展電阻探針（SRP）Probelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirror五.無圖形的表面缺陷

無圖形的硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。后者用做測試片，在工藝進行時使用以提供工藝條件的特征信息。用于工藝監(jiān)控的無圖形硅片上典型的缺陷包括顆粒、劃傷、裂紋和其他材料缺陷。對硅片表面的缺陷檢測分為兩種類型：暗場和亮場的光學探測。亮場探測是用顯微鏡傳統(tǒng)光源，它直接用反射的可見光測量硅片表面的缺陷。暗場探測檢查位于硅片表面的缺陷散射出的光，對檢查微小缺陷非常有用。光學顯微鏡光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板光學顯微鏡明場和暗場探測

硅片檢查系統(tǒng)六.有圖形的表面缺陷工藝過程中對有圖形硅片的監(jiān)控越來越普遍。在生產(chǎn)硅片上最主要的缺陷是顆粒、劃傷和圖形缺陷。使用光散射技術(shù)在有圖形的硅片上進行缺陷檢測與無圖形的硅片類似。然而測量設(shè)備必須能夠區(qū)分出是顆粒散射光還是圖形邊緣散射光。七.關(guān)鍵尺寸（CD）

關(guān)鍵尺寸測量的一個重要原因是要達到對產(chǎn)品所有線寬的準確控制。在CMOS技術(shù)中，晶體管的柵結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。柵寬決定了溝道的長度，而溝道的長度影響了速度。關(guān)鍵尺寸的變化通常顯示半導體制造工藝中一些關(guān)鍵部分的不穩(wěn)定。由于關(guān)鍵尺寸越來越小，能獲得這種測量水平的儀器是掃描電子顯微鏡（SEM）。電子顯微鏡是利用電子束對樣品放大成像的顯微鏡，簡稱電鏡。電鏡的放大倍率可達百萬，可分辨樣品的最小細節(jié)為幾個埃,而光學顯微鏡的放大倍率不過幾千,其分辨率在理論上不能小于0.2微米。根據(jù)波動學說，運動著的電子可以看作是一種電子波。電子運動的速度越高，電子波的波長越短。例如受200千伏高壓加速的電子，其波長僅為0.025埃。掃描電子顯微鏡SEM的功能是通過產(chǎn)生高度聚焦電子束掃描目標，同時用探測器測量最終散射電子。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)出來的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生于樣品表面以下幾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。二次電子被收集，產(chǎn)生光電信號，最后在顯示屏上成像。

SEM的工作原理SEM的優(yōu)點非破壞性，非接觸性的測量儀器。景深長，獲得的圖像立體感比較強。樣品準備所需的處理較簡單，不需切薄片。樣品可在腔體內(nèi)作三維平移或旋轉(zhuǎn)，可以從各個角度觀察。圖像放大范圍廣，分辨率高。局限性：需要高真空；成像前需要用導電薄膜覆蓋絕緣的樣本。溝道長度為0.15微米的晶體管

柵長為90納米的柵圖形照片例2晶體管的SEM圖像例3半導體加工中的SEM缺陷照片例4：微加工結(jié)構(gòu)的SEM圖片八.臺階覆蓋

硅片制造中形成表面形貌，因此取得好的臺階覆蓋能力是材料的必要特征。良好的臺階覆蓋要求有厚度均勻的材料覆蓋于臺階的全部區(qū)域，包括側(cè)墻和拐角。（圖5.4）一種高分辨帶觸針的非破壞性形貌儀常用來測量臺階覆蓋和硅片表面的其他特征。

臺階覆蓋

共型臺階覆蓋非共型臺階覆蓋(空洞)

表面形貌儀CRTProximitysensorStylusmotionStylusX-YStageDirectionofscanWafersurfaceLineardriveunitControlelectronicsAmp+5V-5V+24VDI表面輪廓儀（SurfaceProfiler）九.套準精度套準精度使用在光刻工藝之后，測量光刻機和光刻膠圖形與硅片前面刻蝕圖形的套刻的能力。測量套準精度的主要方法是相干探測顯微鏡（CPM）。

套準精度檢查圖形MisregistratonX1>X2,Y1>Y2X1X2Y1Y2IdealoverlayregistratonX1=X2,Y1=Y2X1X2Y1Y2十.電容—電壓（C-V）測試

MOS器件的可靠性高度依賴于柵結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的氧化薄層。柵氧化層區(qū)域的沾污可能導致正常的閾值電壓的漂移，通常做C-V特性以檢測氧化步驟后的離子污染。另外，C-V特性測試提供了柵氧化層完整性的信息，包括介質(zhì)厚度、介電常數(shù)（k）、電極之間硅的電阻率（表征多數(shù)載流子的濃度）以及平帶電壓（在氧化層結(jié)構(gòu)中沒有電勢差的電壓）。C-V測試的步驟第一步是在被測氧化層的金屬接觸面與氧化層下方輕摻雜的硅之間施以可變的電壓偏置，目的是將金屬區(qū)域正下方的硅中的多數(shù)載流子耗盡。在測試中畫出電容電壓關(guān)系曲線。第二步將硅片加熱到300攝氏度保持5分鐘，同時在金屬區(qū)域加恒定正電壓，然后冷卻，移去偏置，這一步是通過升溫增加沾污離子的遷移率，并通過正電壓偏置排斥正離子，將其驅(qū)趕到氧化物和硅的界面。C-V測試的建立和繪圖氧化層電容儀電源測量每個偏壓對應(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-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C-V測試中離子電荷的采集

N-typesiliconMetalAl+++++++++++++++++++++溫度范圍近似200-300°C電源氧化層第三步是重復(fù)第一步的C-V曲線圖。如果在Si與SiO2界面有聚集的正離子沾污，要使電容中的電荷相等就要求施加更負的電壓。第三步的曲線與第一步曲線的偏差就是電壓漂移（Vs），可以通過它來計算氧化物中沾污離子的數(shù)量。最后一步是驗證。加熱襯底使沾污離子離開硅與二氧化硅的界面，再次進行C-V測試，如果產(chǎn)生最初的圖形，證明電壓漂移是沾污離子產(chǎn)生的而不是氧化物充電。在n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十一.接觸角度

接觸角度儀用于測量液體與硅片表面的粘附性，并計算表面能或粘附性力。這種測量表征了硅片表面的參數(shù)，比如疏水性、清潔度、光潔度和粘附性（見圖5.5）。

接觸角接觸角小滴襯底視頻光學接觸角測量儀5.3分析設(shè)備本節(jié)介紹支持硅片生產(chǎn)的主要分析設(shè)備，這些分析儀提供高度精確的硅片測量，它們通常位于生產(chǎn)區(qū)外的實驗室，以決決生產(chǎn)問題?！穸坞x子質(zhì)譜儀（SIMS）

SecondIonMassSpectrometer●飛行時間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）

TimeofFlying-SIMS●原子力顯微鏡（AFM）

AtomForceMicroscopy●俄歇電子能譜儀（AES）

AugerElectronSpectrometer●X射線光電能譜儀（XPS）

X-rayPhotoelectronSpectrometer●透射電子顯微鏡（TEM）

TransmissionElectronMicroscopy●能量彌散譜儀（EDX）和波長彌散譜儀（WDX）●聚焦離子束（FIB）

FocusingIonBeam一.二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器和離子探測器組成。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。在電場下聚焦的高能離子束被引導在分析樣品表面微區(qū)上掃描。在掃描中濺射出來的粒子含量和速率取決于高能離子的能量、質(zhì)量及強度、以及樣品本身的物理化學性質(zhì)。濺射出來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。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)譜分析對大多數(shù)元素的靈敏度可達百萬分之一以下、某些元素可達十億分之一以下。二次離子質(zhì)譜分析的主要特征是：

*探測從H到U的所有元素*微量元素分析達到0.1ppb-0.1ppm的水平*依據(jù)標樣的定量分析*深度分辨率~10nm*小區(qū)域分析(<25um)*單層深度信息*同位素測量當樣品表面逐漸地被入射離子束侵蝕剝離時、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。二次離子強度可通過由標樣測定獲得的轉(zhuǎn)換系數(shù)進行校準。樣品刻蝕深度則通過輪廓曲線儀測定。。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。

SIMS可以鑒別出劑量和結(jié)深同時指出結(jié)出任何不滿足要求的金屬雜質(zhì)，因此成為驗證離子注入機性能的主要工具。SIMS的缺點

（1）受質(zhì)量因素的干擾；（2）離子產(chǎn)率受基質(zhì)的影響；（3）離子產(chǎn)率變化較大，可達106的差異；（4）需要各種標準品來作定量分析；（5）需要平坦的表面進行分析；（6）因為離子束比電子束具有更大的動能，撞擊材料表面時會造成濺射（Sputtering），容易造成表面的改變或破損，屬于破壞性的分析技術(shù)。二.原子力顯微鏡

它的工作原理是將一個對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_10-6N），通過懸臂另一端的壓電驅(qū)動部件，在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(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動。。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。，可以測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，產(chǎn)生表面形貌的電子圖形。

原子力顯微鏡（AFM）是一種表面形貌儀。用一個較小的平衡探針頭掃描硅片表面產(chǎn)生三維的表面圖形。原子力顯微鏡及圖像

光學表面形貌儀例6：光學表面形貌儀的粗糙度分析三.俄歇電子能譜儀俄歇電子能譜儀（AES）測量入射電子束照射樣本時，樣本表面發(fā)射的俄歇電子的能量。俄歇電子只占樣本中產(chǎn)生的總電子量的一小部分（<0.1%）。俄歇電子的能量提供了母體原子的情況，主要用于樣本元素的識別。俄歇過程至少有兩個能級和三個電子參與，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。俄歇電子易于被樣本吸收，只有表面外部單層的電子逃逸并別檢測，使得俄歇技術(shù)特別適合分析通常是2nm厚的材料表面。俄歇電子能譜儀及譜圖四.X射線光電能譜儀XPS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)層能級的結(jié)合能對特定的元素具有特定的值，因此通過測定電子的結(jié)合能和譜峰強度，可鑒定除H和He（因為它們沒有內(nèi)層能級）之外的全部元素以及元素的定量分析。XPS分析大約2nm的樣本厚度。

例7：Ni-P合金的Ni2p3/2XPS譜a清潔表面；b1barO2、403K氧化1小時金屬態(tài)的鎳Ni較高氧化態(tài)的鎳Ni3+五.透射電子顯微鏡

TEM的工作原理與SEM類似，差別是發(fā)射的電子束穿過超薄的樣片（10到100nm的數(shù)量級），然后被收集形成圖像。例8：硫化銀納米粒子的TEM和SEM圖像對比例9：淺槽隔離工藝中缺角的TEM圖像集成電路中，在有源區(qū)和被填充的隔離溝槽之間會出現(xiàn)一個divot（缺角）。在淺槽隔離（STI）工藝的化學機械拋光模塊中，沿著SiO2/Si界面出現(xiàn)的機械應(yīng)力通常會導致缺角的產(chǎn)生。在后續(xù)的硅化物工藝步驟中，硅化物會在缺角內(nèi)部生長并形成枝狀晶體，從而為載流子提供泄漏到摻雜區(qū)之外的路徑。