半導(dǎo)體膜厚缺陷測(cè)試技術(shù)課件

測(cè)量學(xué)和缺陷檢測(cè)現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30測(cè)量學(xué)和缺陷檢測(cè)從硅片制造的最初階段就開(kāi)始進(jìn)行檢查。半導(dǎo)體生產(chǎn)的熟練工人在簡(jiǎn)單觀察硅片表面的氧化物薄膜后就能預(yù)測(cè)相應(yīng)的薄膜厚度。無(wú)論氧化薄膜出現(xiàn)何種色澤，都可以與比色表對(duì)比，比色表時(shí)由每種色澤相結(jié)合的不同膜厚的一片片硅片組成的。硅片工藝流程的檢查技術(shù)經(jīng)歷了重大的改變。特征尺寸不斷縮小，現(xiàn)在縮小到0.25um以下。同時(shí)，在硅片上的芯片密度不斷增加。每一步都決定著成功還是失敗的關(guān)鍵問(wèn)題：沾污、結(jié)深、薄膜的質(zhì)量等。另外，新材料和工藝的引入都會(huì)帶來(lái)芯片失效的新問(wèn)題。測(cè)量對(duì)于描繪硅片的特性與檢查其成品率非常關(guān)鍵。為了維持良好的工藝生產(chǎn)能力并提高器件的特性，硅片制造廠已提高了對(duì)工藝參數(shù)的控制，并減少了在制造中缺陷的來(lái)源。測(cè)量學(xué)是關(guān)于確定尺寸、數(shù)量和容積的測(cè)量的科學(xué)。測(cè)量學(xué)指的是在工藝流程中為了確定硅片的物理和電學(xué)特性的技術(shù)與過(guò)程。用于制造中的測(cè)量學(xué)使用測(cè)試設(shè)備和傳感器來(lái)收集并分析關(guān)于硅片參數(shù)和缺陷的數(shù)據(jù)。缺陷是指導(dǎo)致不符合硅片規(guī)范要求的硅片特性或硅片制造工藝的結(jié)果。硅片的缺陷密度是指硅片表面單位面積的缺陷數(shù)，通常以cm2為單位。硅片缺陷按類型和尺寸來(lái)劃分。制造人員應(yīng)用測(cè)量學(xué)以確保產(chǎn)品性能，并做出關(guān)系到改善工藝性能的有意義的決定。對(duì)硅片性能的精確評(píng)估必須貫穿于制造工藝，以驗(yàn)證產(chǎn)品滿足規(guī)范要求。要達(dá)到這一點(diǎn)，在硅片制造的每一工藝步驟都有嚴(yán)格的質(zhì)量測(cè)量，為使芯片通過(guò)電學(xué)測(cè)試并滿足使用中的可靠性規(guī)范，質(zhì)量測(cè)量定義了每一步需求的要求。質(zhì)量測(cè)量要求在測(cè)試樣片或生產(chǎn)硅片上大量收集數(shù)據(jù)以說(shuō)明芯片生產(chǎn)的工藝滿足要求。為進(jìn)行在線工具的監(jiān)控，許多半導(dǎo)體制造廠已經(jīng)開(kāi)始使用生產(chǎn)的硅片，有時(shí)是用有圖形的硅片（見(jiàn)圖）。用實(shí)際生產(chǎn)硅片模擬更接近工藝流水中發(fā)生的情況，為制造團(tuán)隊(duì)成員做出決定提供了更好的信息。監(jiān)控片與有圖形的硅片測(cè)量設(shè)備在硅片制造中，用于性能測(cè)量的測(cè)量學(xué)設(shè)備有不同的類型。區(qū)分這些設(shè)備最主要的方法是看這些設(shè)備怎樣運(yùn)作，是與工藝分離的獨(dú)立測(cè)試工具還是與工藝設(shè)備集成在一起的測(cè)量學(xué)設(shè)備。表1展示了測(cè)量設(shè)備的兩種主要分類。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。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其作用并發(fā)生實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。成品率成品率時(shí)一個(gè)硅片工廠生產(chǎn)高質(zhì)量管芯能力的重要標(biāo)志。成品率定義為產(chǎn)出的合格部分于整個(gè)部分的百分比。例如，在一個(gè)硅片有200個(gè)管芯，其中190個(gè)是合格的，那么硅片的成品率就是：計(jì)算成品率有不同的方法。一種測(cè)量成品率的方法涉及一個(gè)時(shí)期產(chǎn)出的那部分類型。對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體生產(chǎn)的某一特定工藝的成品率也能進(jìn)行測(cè)量，如在刻蝕工藝中管芯的成品率。對(duì)于半導(dǎo)體制造來(lái)說(shuō)重要的成品率測(cè)量是硅片的品質(zhì)成品率，它標(biāo)志著功能測(cè)試之后合格管芯的百分比。成品率廣泛用于半導(dǎo)體生產(chǎn)，用它來(lái)反映工藝流程是否正常。高的成品率標(biāo)準(zhǔn)著工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品合格并按設(shè)想進(jìn)行。低的成品率說(shuō)明在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中有質(zhì)量問(wèn)題，必須進(jìn)行改進(jìn)予以解決。膜厚由于硅片工藝是成膜工藝，在整個(gè)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。為生產(chǎn)可靠的管芯，這些薄膜的質(zhì)量是高成品率制造工藝的基礎(chǔ)。膜的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)是它們的厚度。膜厚測(cè)量可以劃分為兩個(gè)基本類型：它們或是測(cè)量不透明（遮光物，如金屬）薄膜或是透明薄膜。在一些情況下，例如柵氧化電介質(zhì)，膜的厚度必須精確到1埃（?）或者更小來(lái)測(cè)試。膜的其他質(zhì)量參數(shù)包括表面粗糙度、反射率、密度以及缺少針孔和空洞。電阻率和薄層電阻（方塊電阻）估算導(dǎo)電膜厚度一種最實(shí)用的方法是測(cè)量方塊電阻Rs。薄層電阻（Rs）可以理解為在硅片上正方形薄膜兩端之間的電阻。它與薄膜的電阻率和厚度有關(guān)。方塊電阻與正方形薄層的尺寸無(wú)關(guān)。測(cè)量方塊電阻時(shí)，相同厚度等距離的兩點(diǎn)間會(huì)得到相同的電阻?；谶@一原因，Rs的單位為歐姆/□（Ω/□）。橢偏儀（透明薄膜）橢偏儀是非破壞性、非接觸的光學(xué)薄膜厚度測(cè)試技術(shù)，主要用于測(cè)透明的薄膜。橢偏儀的基本原理是用線性的偏振激光源，當(dāng)光在樣片中發(fā)生反射時(shí)，變成橢圓的偏振（見(jiàn)圖）偏振光由通過(guò)一個(gè)平面的所有光線組成。橢偏儀測(cè)量反射得到的橢圓形，并根據(jù)已知的輸入值（例如反射角）精確地確定薄膜的厚度。反射光譜學(xué)當(dāng)光在一個(gè)物體表面反射時(shí)，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介質(zhì)層的層厚特性（見(jiàn)圖）。根據(jù)光是怎樣在薄膜層頂部和底部反射的光學(xué)，反射儀能被用于計(jì)算膜厚。X射線薄膜厚度X射線束聚焦在表面，通過(guò)很少用到的X射線熒光技術(shù)（XRF）來(lái)測(cè)量膜厚。當(dāng)X射線射到薄膜時(shí)，吸收的輻射激活薄膜中的電子。當(dāng)受激電阻落入低的能態(tài)，發(fā)射出X射線光子（簡(jiǎn)稱熒光），光子的能量代表薄膜原子的特性。通過(guò)測(cè)量這些X射線光子，就可以確定膜厚（見(jiàn)圖）。膜應(yīng)力在通常的制造工藝中，薄膜上可能引入強(qiáng)的局部應(yīng)力。造成襯底變形，并產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。通過(guò)分析由于薄膜淀積造成的襯底曲率半徑變化來(lái)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，并應(yīng)用于包括金屬、介質(zhì)和聚合物在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)薄膜。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(cè)量硅片半徑，以繪制硅片應(yīng)力的剖面圖（見(jiàn)圖）。自動(dòng)應(yīng)力測(cè)試以有SMIF傳送能力。折射率折射是透明物質(zhì)的特性，它表明光通過(guò)透明物質(zhì)的彎曲程度（見(jiàn)圖）。折射率的改變表明薄層中有沾污，并造成厚度測(cè)量不正確。對(duì)于純的二氧化硅折射率是1.46。對(duì)于薄層的折射率可以通過(guò)干涉和橢圓偏振技術(shù)來(lái)測(cè)量，與用于確定薄膜厚度的橢偏儀相同。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(dǎo)體器件的性能（見(jiàn)圖）。現(xiàn)在的工藝使用雜質(zhì)濃度界于1010個(gè)原子每平方厘米到大約1018個(gè)原子每平方厘米之間。有幾種技術(shù)用于測(cè)量硅中雜質(zhì)濃度或硅原子的劑量。熱波系統(tǒng)廣泛用于檢測(cè)離子注入劑量濃度，這種方法測(cè)量由于離子注入而在被注入的硅片中形成的晶格缺陷。這種方法是通過(guò)測(cè)量硅片上聚焦在同一點(diǎn)的兩束激光在硅片表面反射率的變化量來(lái)進(jìn)行的（見(jiàn)圖）。擴(kuò)展電阻探針擴(kuò)展電阻探針（SRP）從20世紀(jì)60年代起就成為硅片工藝的一種測(cè)量工具，并用于測(cè)量摻雜濃度深度的剖面和電阻率。它能描繪出非常淺的pn結(jié)深的剖面圖。擴(kuò)展電阻探針有兩個(gè)精對(duì)準(zhǔn)的探針，這兩個(gè)探針能沿著傾斜的硅片表面步進(jìn)移動(dòng)，每移動(dòng)一步測(cè)一下探針間的電阻（見(jiàn)圖）。隨著探針移動(dòng)過(guò)結(jié)，可感知導(dǎo)電類型（n或p）的變化。由于探針要被精心安置，通常<1°，這使得SRP成為破壞性得測(cè)試。在電阻率為的半無(wú)限材料平整表面上，半徑為r的圓環(huán)接觸的擴(kuò)展電阻有下式給出：無(wú)圖形的表面缺陷無(wú)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(cè)試片，在工藝進(jìn)行時(shí)使用以提供工藝條件的特征信息。無(wú)圖形的硅片可能被拋光到鏡面光潔度或者有一個(gè)粗糙面的薄膜。用于工藝監(jiān)控的無(wú)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(duì)硅片表面的缺陷檢測(cè)分為兩種類型：暗場(chǎng)和亮場(chǎng)的光學(xué)探測(cè)。亮場(chǎng)探測(cè)是用顯微鏡傳統(tǒng)光源，它直接用反射的可見(jiàn)光測(cè)量硅片表面的缺陷。用亮場(chǎng)探測(cè)，水平表面反射大部分分，而傾斜和豎直方向幾乎不反射。暗場(chǎng)探測(cè)檢測(cè)檢查位于硅片表面的缺陷散射出的光。從物鏡外，以小角度將光線定向到硅片表面（見(jiàn)圖）。這束光照射到硅片表面，并通過(guò)透鏡中央反射回來(lái)。這種作用表現(xiàn)為所有平坦表面都是黑的，而不平整處出現(xiàn)亮線。這說(shuō)明在硅片表面的暗場(chǎng)探測(cè)找出的微小缺陷非常有用，這些小缺陷用亮場(chǎng)探測(cè)比較困難。暗場(chǎng)探測(cè)就像在暗室中用一束陽(yáng)光看灰塵顆粒。這兩種系統(tǒng)通常根據(jù)收到來(lái)自硅片表面的光信號(hào)，通過(guò)一些信號(hào)或圖像處理來(lái)確定缺陷的位置。光學(xué)顯微鏡它是檢測(cè)硅片表面最常用的方法之一，例如檢查顆粒和劃傷這類缺陷。光學(xué)顯微鏡提供了硅片的低倍放大視圖，典型的放大倍數(shù)是小于1000倍。依賴所使用光學(xué)系統(tǒng)的類型，目前能檢查的顆粒缺陷降到0.1um的尺寸?，F(xiàn)代的光學(xué)顯微鏡被集成在硅片檢測(cè)臺(tái)中，檢測(cè)臺(tái)還包括自動(dòng)傳送硅片及圖像和缺陷分類的軟件界面。圖顯示了典型的光學(xué)系統(tǒng)。光散射缺陷探測(cè)在半導(dǎo)體這種初期，是操作員用光源和顯微鏡來(lái)檢查顆粒和表面缺陷。這種方法受操作員主觀因素影響，因此是不可靠的。以光散射為基礎(chǔ)的識(shí)別顆粒技術(shù)在20世紀(jì)80年代中葉開(kāi)始廣泛使用。這種暗場(chǎng)探測(cè)通過(guò)激光照射表面，然后用光學(xué)成像來(lái)探測(cè)顆粒散射的光線，從而鑒別表面顆粒和其他缺陷（見(jiàn)圖）。由單個(gè)顆粒得到的散射光強(qiáng)依賴諸如尺寸、外形、成分、硅片表面狀況（例如，粗糙度和混濁度）以及使用的設(shè)備類型等因素。當(dāng)前，使用光的散射設(shè)備能檢查的顆粒尺寸降到大約0.1um。關(guān)鍵尺寸（CD）關(guān)鍵尺寸測(cè)量的一個(gè)重要原因是要達(dá)到對(duì)產(chǎn)品所有線寬的準(zhǔn)確控制。關(guān)鍵尺寸的變化通常顯示半導(dǎo)體制造工藝中一些關(guān)鍵部分的不穩(wěn)定。據(jù)預(yù)測(cè)，到2006年16GbDRAM的關(guān)鍵尺寸將會(huì)是0.1um。為了獲得對(duì)這種關(guān)鍵尺寸的控制，需要精度和準(zhǔn)確性優(yōu)于2nm的測(cè)量?jī)x器（2nm相當(dāng)于4個(gè)硅原子并排的尺寸）。能獲得這種測(cè)量水平的儀器是掃描電子顯微鏡（SEM）。掃描電子顯微鏡（SEM）從20世紀(jì)90年代初，掃描電子顯微鏡就已成為在整個(gè)亞微米時(shí)代檢驗(yàn)合格的關(guān)鍵尺寸控制的主要儀器。掃描電子顯微鏡的圖形分辨率是40到50?的數(shù)量級(jí)。其結(jié)構(gòu)如圖所示。AA臺(tái)階覆蓋硅片制造中形成表面形貌，因此取得好的臺(tái)階覆蓋能力是材料的必要特征（見(jiàn)圖）。良好的臺(tái)階覆蓋要求有厚度均勻的材料覆蓋于臺(tái)階的全部區(qū)域，包括側(cè)墻和拐角。一種高分辨率帶觸針的非破壞性形貌儀常用來(lái)測(cè)量臺(tái)階覆蓋和硅片表面的其他特征。這種自動(dòng)化表面測(cè)量?jī)x器使用一根觸針加以低至0.05mg的力接觸硅片表面，輕輕地繪出硅膜形貌圖而不損傷硅片表面（見(jiàn)圖）。觸針通常有半徑0.1um的金剛石尖，永久了的針尖半徑可達(dá)到12.5um。當(dāng)前，形貌儀可以以7.5?的步長(zhǎng)高度重復(fù)測(cè)量硅片上0.1um的細(xì)小特征。套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)精度是用在光刻工藝之后，測(cè)量光刻機(jī)和光刻膠圖形與硅片前面刻蝕圖形的套刻的能力。隨著特征尺寸的縮小，套刻標(biāo)記的容差減小，掩膜板上的圖形標(biāo)記與硅片上的對(duì)準(zhǔn)成為挑戰(zhàn)?；瘜W(xué)機(jī)械平坦化（CMP）的使用在硅片上產(chǎn)生了對(duì)比度很小的圖像，這些圖像難以分辯。這種情況使得硅片與掩膜板的對(duì)準(zhǔn)更加復(fù)雜（見(jiàn)圖）。電容－電壓（C－V）測(cè)試MOS器件的可靠性高度依賴于柵結(jié)構(gòu)中高質(zhì)量的氧化薄層。柵氧化區(qū)域的沾污可能導(dǎo)致正常的閾值電壓的漂移，導(dǎo)致器件失效?？蓜?dòng)離子沾污（MIC）和其他不希望的電荷狀況可以在氧化工藝步驟后用電容－電壓測(cè)試進(jìn)行檢測(cè)。通常做C－V特性以檢測(cè)氧化步驟之后的離子污染。另外，C－V特性測(cè)試提供了柵氧化層完整性的形（GOI），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。理解柵氧特性的理想模型是平行板電熱器。在C－V測(cè)試時(shí)，氧化層和硅襯底等效為串聯(lián)電容（見(jiàn)圖）。C－V測(cè)試在C－V沾污測(cè)試中，使用專用的硅片模擬柵區(qū)的兩個(gè)串聯(lián)電容。柵氧化層上方金屬區(qū)域與氧化層下方輕摻雜的硅之間施加以可變電壓（見(jiàn)左圖）。在測(cè)試中畫(huà)出電容電壓的關(guān)系曲線（見(jiàn)右圖）。接觸角度接觸角度儀用于測(cè)量液體與硅片表面的黏附性，并計(jì)算表面能或黏附性力。這種測(cè)量表征了硅片表面的參數(shù)，比如疏水性、清潔度、光潔度和黏附性（見(jiàn)圖所示）。在液滴與支撐表面之間形成的接觸（正切）角度與固/液或液/液界面的相互作用力相關(guān)，并能用于硅片測(cè)試規(guī)范或用做硅片質(zhì)量特性。直接角度測(cè)量法和間接尺寸測(cè)量法都可用于獲得高度精確和可重復(fù)的接觸角度的測(cè)量。分析設(shè)備這些分析儀器提供高度精確的硅片測(cè)量，它們通常位于線外的實(shí)驗(yàn)室，以解決生產(chǎn)問(wèn)題。圖顯示了這些設(shè)備中一些首次使用的時(shí)間，以及每一種時(shí)如何重要或是如何計(jì)劃用于工藝開(kāi)發(fā)或制造的。這些分析設(shè)備綜述如下：二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀（TOF－SIMS）原子力顯微鏡（AFM）俄歇電子能譜儀（AES）X射線光電能譜儀（XPS）透射電子顯微鏡（TEM）能量和波長(zhǎng)彌散譜儀（EDX和WDX）聚焦離子束（FIB）TOF-SIMS：飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀AFM：原子力顯微鏡XPS：X射線光電能譜儀TEM：透射電子顯微鏡EDX：能量彌散譜儀