非接触晶圆测试原理及应用

非接触晶圆测试原理及应用张林海张俊赖海波无锡华润华晶微电子有限公司五分厂摘要：本文介绍非接触晶圆测试系统的原理和在半导体生产中的主要应用，包括以表面光电压测试（SPV）为基础的介质层可动电荷测试、C-V测试和I-V测试，体硅表面掺杂以及扩散长度、载流子寿命等应用。关键词：非接触、电荷、SPVAbstract：Thispaperintroducingnon-contactelectricalmeasurementsystemproduceamediumapplicationinthesemi-conductor,mainlyincludethetestprinciple,Surfacephotovoltage，Mobilecharge,C-VandI-V,atthesametimestillsomeapplicationsaimingatotherequipmentsesandmaterialsinthesemi-conductor.Keyword:non-contactchargeSPV一、引言随着非接触测量技术的快速发展，在晶圆制造厂已经能够有效的控制金属、缺陷衍生以及材料等，尤其是在扩散工艺过程中。多点或整片扫描测试结果的图片已经整合了表面电压、不同接触以及对整片表面连续洒电荷等的应用，完全能够替代昂贵的、缓慢的电学测试设备，已经逐步得到广泛的应用。二、非接触晶圆测试原理图1CPD测量示意图Non-ContactC-Vmeasurement非接触式C-V测量原理与MOSC-V测试相同，但非接触式不需要表面有金属。它通过在表面喷洒电荷来给表面施加偏置电压。表面偏置电压通过原片表面的高速非接触开尔文探头监控。该系统名称叫做SDIFAaST230，可以测量氧化层总电荷、平带电压、界面陷阱电荷、介质层可动电荷[1]。图2MOS电容及电荷分布示意图接触电势差（Contactpotentialdifference）CPD的测量可以由图1所示，在两端加交流电J可测量，tC由vibratingfork控制，所以根据公式（1）可以得出VCPD。J=tQ=VCPDtC（1）VCPD=ms(功函数)+VSB（空间电荷区电势差）+VD（介质层电势差）（2）Φms是常数，那么当CPD发生变化时有公式（3）：ΔVCPD=ΔVOX+ΔVSB（3）当用光照射圆片表面时ΔVOX=0，所以根据图2所示，可以得到：ΔVSB=ΔVill(光照)-ΔVdark（无光照）（4）当光照很强的时候，有VSB≈0，即处于平带，代入公式（3）（4）有：ΔVOX=ΔVill（5）得出ΔVOX+ΔVSB值之后，ΔQC是可测量的，根据下面公式就可以计算出ΔQSC、Dit和COX。||||||itSCCQQQ（6）COX=OXCVQ（7）QSC=00,2pnVFqLkTSBDs（8）00,pnVFSB=210011SBVSBVVepnVeSBSB（9）SBitVQitD（10）其中，徳拜长度LD=210qps，kTq。以下所有SPV的可动电荷、C-V和I-V等应用，都是根据以上测量手段及计算公式为依据[2]。三、非接触晶圆测试应用1、SPV（表面光电压）经过工艺加工的硅片进行SPV测试时，不需要做任何特殊的准备，通过使用者对测量所定义好的序列，可以自动的获得一系列的参数，要较传统的C-V测试明显获得更多的数据（如：可动电荷、固定电荷、缺陷态密度、表面掺杂以及载流子寿命）。在这种情况下，这些数据都会被上传到一个图表制成系统进行编辑。这种程度的数据从来没有这么快速的得到过，随着氧化层生长完成，在列表内的所有参数可以在3小时内测得。电介体各项性质，如VFB和Vit能自动的获得，不需要制定相应的样品等。扩散炉需要控制的一些参数，如扩散长度、铁离子分布、表面或者其他复合中心分布，可动电荷密度，以及包括830到大于6000个测量点形成的整个晶圆扫描图像在内的各项测试，每项10到30分钟即可做完SPV测试。表1SPV测试获得的各项参数ParametersandmapsTermAveragemeasurementVCPDＣontact－potential-differencevoltage0.421VVOXOxidevoltage﹣0.104VVSBSurfacebarriervoltage0.526VQSCChargeinsurfacespace-chargeregion13.87×1010q/cm2DitInterfacetrapdensity1.388×1010/cm2eVNitNumberofinterfacetraps0×1010/cm2VFBFlatbandvoltage﹣0.459VVMIDMid-bandvoltage0.029VCOXOxidecapacitance173.2nFTOXOxidethickness199.5AQEFFEffectivecharge49.65×1010q/cm2SDNear-surfacedoping2.892×1015/cm3VCPDmap(～6200sites）Contact－potential-differencemap0.339VLBEFmap(～830sites）Diffusionlengthpriortoopticalactivation418.1μmLAFTmap(～830sites）Diffusionlengthafteropticalactivation416.6μmFemap(～830sites）Ironconcentrationmap0.076×1010/cm3Nrmap(～830sites）Otherrecombinationcentersmap7.560×1010/cm3Namap(～6200sites）Sodiumconcentrationmap1.463×1010/cm2BDFmap(～6200sites）Softbreakdownfield5.817MV/cmQLKmap(～6200sites）Chargeleakage241.8×1010q/cmSPV是对晶圆实现监控的最小要求，重要的观点是铁离子密度测试[3]，用于挑选晶圆的材料特性和材料的掺杂水平。图3描述了铁离子界限与晶圆少数载流子扩散长度之间的关系。举个例子，初始的扩散长度分布＞300μm，将会提供铁离子的密度在109/cm3[4]。因为铁离子在硅中积累，这一关系也被用来建立晶圆质量监测或铁离子沾污控制。对于晶圆测试另外需要考虑的是SPV取决于表面空间电荷与潜在的表面缺陷，而这又依赖与晶圆的掺杂水平，P型电阻率约为10Ω·cm的材料适合用于SPV测试。图3：晶圆扫描测试能以初始扩散长度为基础选择铁离子界限，扩散长度图像能够显示无法接受的晶圆片。（例如：小的扩散长度的环可能是由a）硅中的氧或b）引入的铁离子造成。我们对这些方法的使用，主要列举以下事例（如图4），这些事例都是通过SPV的监测能够反映出半导体生产线上部分工序的异常以及存在的问题，从一定程度提升了在线的质量控制能力。图4：生产线在线SPV监控结果2、MobileCharge（可动电荷）在SPV扫描测试的基础上，只需要增加一个加热的WAFERCHUCK，利用SPV测试C-V原理，就能够完成可动电荷的测试。测试步骤如下（图5）：图5：MobileCharge测试步骤根据测试结果得到的2oxV与1oxV以及事先得到的oxd，则可计算可动电荷量：oxoxoxmdVVQ)(120（11）图6是对现场初始氧化炉管生长的10000A初始氧化进行MobileCharge测试的结果，不同颜色分布代表氧化层内不同Na+浓度分布，根据分布可以明显看到局部的Na+沾污均较为严重。图6高温生长的初始氧化MobileCharge测试MAP图及数据分布3、C-V&I-V根据前面Non-ContactC-Vmeasurement非接触式C-V测量原理与公式（1）~（10）基础上，通过SPV测量系统的应用，可以得到图7的测试结果。图7C-V&I-V测试曲线根据图7的C-V&I-V曲线，我们可以得到VFB，COX，V0，Qtot以及Jleak，其中Jleak是通过公式（12）换算得到的。J=CDVLeak/t（12）这种C-V&I-V测试方式较之传统的C-V测量有以下优势：a、测试过程对表面喷洒的电荷不会损伤介质表面；b、电荷量可以精确控制；c、电荷量不会引起MOS器件栅的开启，也不会对介质产生陷阱；d、这些电荷在250℃以下，在氧化层表面是热稳定的，而且可以通过DI水冲洗轻易的移除；四、结论SPV是一种非接触的，可以直接取代MOSC-V/I-V技术，他能被用于监控薄栅氧的可靠性，比如显示电场作用下的界面陷阱与平带电压漂移。使用离子电场与SPV的I-V技术，薄氧化层硅片可以被快速的研究，新的SPV测试产生的数据能够指出铁离子沾污在5×1011/cm3的水平下对栅氧厚度为70A时是有害的。同时，SPV等测试无须对测试样片表面进行处理或做进行MOS结构的工艺加工，在氧化后即可进行测试，时间上可实现快速测量；采用非接触的方式测试，对硅片表面无污染，无须特殊清洗，测试样片可正常流通或重复利用，这一技术已经逐步被广泛应用于半导体生产，尤其是纳米制程工艺。参考文献：1.NicolasPic,”In-line90nmTechnologyGateOxideNitrogenMonitoringWithNon-ContactElectricalTech-nique”,PhysicalElectronics,Inc20072.MarshallWilson,JacekLagowski,AlexandreSavtchouk,“COCOSMETROLOGY:PHYSICALPRINCIPLESANDAPPLICATIONS”,ASTMConferenceonGateDielectricOxideIntegritySanJose,CaliforniaJanuary19993.J.Lagowskietal.“IronDetectioninthePartsPerQuadrittionRangeinSiliconUsingSurfacePhotovoltageandPhoto-dissociationofIron-BoronPairs.”Appl.Phys.Lett,Vol.63.pp.3043-3045.1993.4.W.Henley,L.Jastrzebski,N.Haddad,Mat.Res.Soc.Symp.Proc.,Vol.315.p.299.1993.