测量学与缺陷检查

第7章测量学和缺陷检查7.1集成电路测量学集成电路测量学是测量制造工艺的性能以确保达到质量规范标准的一种必要的方法。为了完成这种测量，需要样片、测量设备和分析数据的方法。传统上，数据是在监控片(又称样片)上收集，样片是空白（或无图形）的硅片，包含在工艺流程中，专门为表征工艺的特性。而使用实际生产硅片模拟更接近在工艺流程中发生的情况，可以提供更好的信息。无图形的表面测试系统PhotographcourtesyofKLA-Tencor监控片与有图形的硅片PatternedwaferMonitorwafer用于性能测量的测量设备有不同的类型，分为与工艺分离的独立测试设备和与工艺设备集成在一起的测量设备。独立的测试设备进行测量学测试时，不依附于工艺，但通常对硅片有破坏性或沾污。集成的测量仪器具有传感器，这些传感器允许测试工具作为工艺的一部分起作用并发送实时数据。成品率定义为产出产品的合格数量与整体数量的百分比。成品率是一个硅片工厂生产高质量管芯能力的重要标志。为了查出不同缺陷怎样影响硅片的成品率，缺陷分析应该能区分出随机因素和非随机因素，并能与电学和其他测试数据相联系。7.2质量测量在整个硅片生产工艺中有许多质量测量。为使产品在工艺的每一步都符合精确的要求，半导体质量测量定义了硅片制造的规范要求，以确保满足器件的性能和可靠性。表5.1展示了每一步工艺后主要的质量测量。表5.1在硅片制造生产区的质量测量一．膜厚由于硅片工艺是成膜工艺，在整个制造工艺中硅片表面有多种类型不同的膜。这些不同类型的膜有金属、绝缘体、光刻胶和多晶硅。它们或是不透明薄膜或是透明薄膜。膜的关键质量参数是它们的厚度。不透明导电膜的厚度可用四探针法来测量。WCu方形的薄层图形ltwCross-sectionalarea=w×tR=r(l)a(ohms)四探针法的原理示意图WaferRVoltmeterConstantcurrentsourceVIrs=VIx2ps(ohms-cm)slRarawtsRtrt：膜厚ρ：膜电阻率RS：方块电阻RS=4.53V/I（Ω/□）常量4.53是在探针间距很小且膜尺寸无限大的假设下的修正系数。四探针电阻仪透明薄膜的厚度一般用椭偏仪来测量。椭偏仪的基本原理是用线性的偏振激光光源，当光在样本中发生反射时，变成椭圆的偏振。椭偏仪测量反射得到的椭圆偏振，并根据已知的输入值（例如反射角）精确的确定薄膜的厚度。椭偏仪测试具有小的测试点、图形识别软件和高精度的硅片定位特色。椭偏仪椭偏仪的基本原理椭偏仪实物照片椭偏仪能够测量几十埃量级厚度的不同类型的薄膜，如可测量栅的厚度小于40埃。可测量的材料包括介质，金属和涂覆的聚合物。最基本的要求是膜层为透明或半透明的。薄的金属层（500A）被看作是半透膜，可以用椭偏仪测量。例如铜互连工艺中用到的铜种子层。(厚度大于1000A的金属层通常被认为是不透明的，不能用椭偏仪进行测量。)椭偏仪应用：椭偏仪可以被直接集成到工艺设备中，应用于注入刻蚀和平坦化一些领域的原位（实时）测试，可以精确的确定工艺中加工膜厚的终点。反射光谱学反射光谱学是三种基本的光学测试技术之一，另外两种分别是光学椭偏仪和光学显微镜。结构的反射经常用于描述位于不吸收光的硅片衬底上的吸收光的介质层的层厚特性。根据光在薄膜层顶部和底部反射的关系，反射仪能够被用于计算膜厚。X射线测量薄膜厚度X射线束能聚焦在表面上，通过X射线荧光技术（XRF）来测量膜厚度。当X射线射到薄膜时，吸收的辐射激活薄膜中的电子。当受激电子落入低的能态，就发射出X射线光子（荧光），光子的能量代表薄膜原子的特性，通过测量这些X射线光子，就可以确定膜厚。XRF技术主要用于单层薄膜。全反射X光荧光谱仪光声技术光声技术是在测量金属薄膜方面的最新进展，是一种非接触技术。根据入射光的声学节拍，撞击表面及膜下界时，产生反弹的回声。反弹回来的脉冲回声消耗的时间可用来计算薄膜的厚度。光声法膜厚测量DetectionlaserbeamHighoutputEcho2Echo1Changeinsurfacereflectivity(d)Echo1DetectionlaserbeamNominaloutput(c)DetectionlaserbeamNominaloutput(b)HeatSoundwaveOpticaldetectorPumplaserbeamLowoutput(a)二.膜应力在通常的制造工艺中，薄膜上可能引入强的局部应力。这些应力会造成衬底形变，并产生可靠性问题。用薄层应力测量工具可以测量这种形变。在薄膜淀积前后，利用扫描激光束技术或分束激光技术测量硅片半径，绘制硅片应力的剖面图。硅片中的应力分布薄膜应力通常用圆片在淀积前后的弯曲变化来测量。膜应力由下式给出：2213ETtR其中，ν是泊松比，E是杨氏弹性模量，δ是圆片中心的弯曲量，t是薄膜厚度，R为圆片半径，T是圆片厚度。δ淀积膜硅片例1表面翘曲的干涉条文图样分布三.折射率折射是透明物质的特性，它表明光通过透明物质的弯曲程度。折射率的改变表明薄层中有沾污，并造成厚度测量不正确。对于纯的二氧化硅折射率是1.46。对于薄层的折射率可以通过干涉和椭圆偏振技术来测量，与用于确定薄膜厚度的椭偏仪相同。折射率IndexofRefraction,n=sini/sinrExamplesofn:air=1.00SiO2=1.46diamond=2.12Air(n1.0)SiO2(n1.46)FastmediumSlowmediumAir(n1.0)Glass(n1.5)FastmediumSlowmedium四.掺杂浓度在硅的一些区域（如pn结、外延层、掺杂多晶硅）中杂质原子的分布情况直接影响到半导体器件的性能。常用的在线测量方法是四探针法（用于高掺杂浓度）、热波系统（用于低掺杂浓度），在生产线外的测量方面，有二次离子质谱仪、扩展电阻探针、电容—电压特性测试等几种方法。热波系统广泛应用于监测离子注入剂量浓度。测量由于离子注入而在硅片中形成的晶格缺陷。使用方便，有图形或没图形的硅片都可通用。其缺点主要是测量过程会导致硅片的损伤，因而需要校正曲线以间接估算掺杂浓度。热波系统扩展电阻探针扩展电阻探针（SRP）用于测量掺杂浓度的剖面和电阻率。SRP的弱点是需要熟练的操作者，样片制备和破坏性的测试，优点是不受结深限制便能进行精确的掺杂浓度测量。扩展电阻探针（SRP）五.无图形的表面缺陷无图形的硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。后者用做测试片，在工艺进行时使用以提供工艺条件的特征信息。用于工艺监控的无图形硅片上典型的缺陷包括颗粒、划伤、裂纹和其他材料缺陷。对硅片表面的缺陷检测分为两种类型：暗场和亮场的光学探测。亮场探测是用显微镜传统光源，它直接用反射的可见光测量硅片表面的缺陷。暗场探测检查位于硅片表面的缺陷散射出的光，对检查微小缺陷非常有用。光学显微镜光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃照相底板光学显微镜明场和暗场探测光学显微镜－它是检测硅片表面最常用的方法之一，例如检查颗粒和划伤这类缺陷。光学显微镜提供了硅片的低倍放大视图，典型的放大倍数是小于1000倍。依赖所使用光学系统的类型，目前能检查的颗粒缺陷降到0.1um的尺寸。现代的光学显微镜被集成在硅片检测台中，检测台还包括自动传送硅片及图像和缺陷分类的软件界面。图显示了典型的光学系统。六.有图形的表面缺陷工艺过程中对有图形硅片的监控越来越普遍。在生产硅片上最主要的缺陷是颗粒、划伤和图形缺陷。使用光散射技术在有图形的硅片上进行缺陷检测与无图形的硅片类似。然而测量设备必须能够区分出是颗粒散射光还是图形边缘散射光。七.关键尺寸（CD）关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。在CMOS技术中，晶体管的栅结构非常关键。栅宽决定了沟道的长度，而沟道的长度影响了速度。关键尺寸的变化通常显示半导体制造工艺中一些关键部分的不稳定。由于关键尺寸越来越小，能获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜（SEM）。电子显微镜是利用电子束对样品放大成像的显微镜，简称电镜。电镜的放大倍率可达百万，可分辨样品的最小细节为几个埃,而光学显微镜的放大倍率不过几千,其分辨率在理论上不能小于0.2微米。根据波动学说，运动着的电子可以看作是一种电子波。电子运动的速度越高，电子波的波长越短。例如受200千伏高压加速的电子，其波长仅为0.025埃。扫描电子显微镜SEM的功能是通过产生高度聚焦电子束扫描目标，同时用探测器测量最终散射电子。电子枪发射的电子通过磁聚焦系统，会聚成2-6nm的束斑，打在试样上，产生二次电子，背散射电子以及其他电子，X射线和光子。其中最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。通常所说的扫描电镜像指的就是二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。二次电子被收集，产生光电信号，最后在显示屏上成像。SEM的工作原理SEM的优点非破坏性，非接触性的测量仪器。景深长，获得的图像立体感比较强。样品准备所需的处理较简单，不需切薄片。样品可在腔体内作三维平移或旋转，可以从各个角度观察。图像放大范围广，分辨率高。局限性：需要高真空；成像前需要用导电薄膜覆盖绝缘的样本。沟道长度为0.15微米的晶体管栅长为90纳米的栅图形照片例1晶体管的SEM图像例2：微加工结构的SEM图片八.台阶覆盖硅片制造中形成表面形貌，因此取得好的台阶覆盖能力是材料的必要特征。良好的台阶覆盖要求有厚度均匀的材料覆盖于台阶的全部区域，包括侧墙和拐角。（图5.4）一种高分辨带触针的非破坏性形貌仪常用来测量台阶覆盖和硅片表面的其他特征。台阶覆盖共型台阶覆盖非共型台阶覆盖(空洞)表面形貌仪表面轮廓仪（SurfaceProfiler）九.套准精度套准精度使用在光刻工艺之后，测量光刻机和光刻胶图形与硅片前面刻蚀图形的套刻的能力。测量套准精度的主要方法是相干探测显微镜（CPM）。套准精度检查图形MisregistratonX1X2,Y1Y2X1X2Y1Y2IdealoverlayregistratonX1=X2,Y1=Y2X1X2Y1Y2十.电容—电压（C-V）测试MOS器件的可靠性高度依赖于栅结构高质量的氧化薄层。栅氧化层区域的沾污可能导致正常的阈值电压的漂移，通常做C-V特性以检测氧化步骤后的离子污染。另外，C-V特性测试提供了栅氧化层完整性的信息，包括介质厚度、介电常数（k）、电极之间硅的电阻率（表征多数载流子的浓度）以及平带电压（在氧化层结构中没有电势差的电压）。理解栅氧特性的理想模型是平行板电容器。在C－V测试时，氧化层和硅衬底等效为串联电容（见图）。C－V测试－在C－V沾污测试中，使用专用的硅片模拟栅区的两个串联电容。栅氧化层上方金属区域与氧化层下方轻掺杂的硅之间施加以可变电压（见左图）。在测试中画出电容电压的关系曲线（见右图）。十一.接触角度接触角度仪用于测量液体与硅片表面的粘附性，并计算表面能或粘附性力。这种测量表征了硅片表面的参数，比如疏水性、清洁度、光洁度和粘附性（见图5.5）。接触角接触角小滴衬底视频光学接触角测量仪7.3分析设备本节介绍支持硅片生产的主要分析设备，这些分析仪提供高度精确的硅片测量，它们通常位于生产区外的实验室，以决决生产问题。●二次离子质谱仪（SIMS）SecondIonMassSpectrometer●飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）TimeofFlying-SIMS●原子力显微镜（AFM）AtomForceMicroscopy●俄歇电子能谱仪（AES）AugerElectronSpectrometer●X射线光电能谱仪（XPS）X-rayPhotoelectronSpectrometer●透射电子显微镜（TEM）TransmissionElectronMicroscopy●能量弥散谱仪（EDX）和波