測量學和缺陷檢測,現(xiàn)代半導體器件物理與工藝,Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices,2004,7,30,測量學和缺陷檢測,從硅片制造的最初階段就開始進行檢查。半導體生產(chǎn)的熟練工人在簡單觀察硅片表面的氧化物薄膜后就能預測相應的薄膜厚度。無論氧化薄膜出現(xiàn)何種色澤，都可以與比色表對比，比色表時由每種色澤相結(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，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鍵問題：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帶來芯片失效的新問題。測量對于描繪硅片的特性與檢查其成品率非常關鍵。 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工藝參數(shù)的控制，并減少了在制造中缺陷的來源。,測量學是關于確定尺寸、數(shù)量和容積的測量的科學。測量學指的是在工藝流程中為了確定硅片的物理和電學特性的技術(shù)與過程。用于制造中的測量學使用測試設備和傳感器來收集并分析關于硅片參數(shù)和缺陷的數(shù)據(jù)。缺陷是指導致不符合硅片規(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劃分。制造人員應用測量學以確保產(chǎn)品性能，并做出關系到改善工藝性能的有意義的決定。 對硅片性能的精確評估必須貫穿于制造工藝，以驗證產(chǎn)品滿足規(guī)范要求。要達到這一點，在硅片制造的每一工藝步驟都有嚴格的質(zhì)量測量，為使芯片通過電學測試并滿足使用中的可靠性規(guī)范，質(zhì)量測量定義了每一步需求的要求。質(zhì)量測量要求在測試樣片或生產(chǎn)硅片上大量收集數(shù)據(jù)以說明芯片生產(chǎn)的工藝滿足要求。,集成電路測量學,集成電路測量學使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、測量設備和分析數(shù)據(jù)的方法。,無圖形的表面測試系統(tǒng),為進行在線工具的監(jiān)控，許多半導體制造廠已經(jīng)開始使用生產(chǎn)的硅片，有時是用有圖形的硅片（見圖）。用實際生產(chǎn)硅片模擬更接近工藝流水中發(fā)生的情況，為制造團隊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,測量設備,在硅片制造中，用于性能測量的測量學設備有不同的類型。區(qū)分這些設備最主要的方法是看這些設備怎樣運作，是與工藝分離的獨立測試工具還是與工藝設備集成在一起的測量學設備。表1展示了測量設備的兩種主要分類。獨立的測試設備進行測量學測試時，不依附于工藝。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其作用并發(fā)生實時數(shù)據(jù)。,成品率,成品率時一個硅片工廠生產(chǎn)高質(zhì)量管芯能力的重要標志。成品率定義為產(chǎn)出的合格部分于整個部分的百分比。例如，在一個硅片有200個管芯，其中190個是合格的，那么硅片的成品率就是：,計算成品率有不同的方法。一種測量成品率的方法涉及一個時期產(chǎn)出的那部分類型。對應于半導體生產(chǎn)的某一特定工藝的成品率也能進行測量，如在刻蝕工藝中管芯的成品率。對于半導體制造來說重要的成品率測量是硅片的品質(zhì)成品率，它標志著功能測試之后合格管芯的百分比。 成品率廣泛用于半導體生產(chǎn)，用它來反映工藝流程是否正常。高的成品率標準著工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品合格并按設想進行。低的成品率說明在產(chǎn)品設計和制造中有質(zhì)量問題，必須進行改進予以解決。,質(zhì)量測量,在整個硅片生產(chǎn)工藝中有許多質(zhì)量測量，說明了集成電路工藝測量學的廣泛性。通過電學測量，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。表中展示了主要的質(zhì)量測量，包括每一步進行測量的工藝部分。半導體制造商為使其產(chǎn)品在工藝的每一步都符合精確的要求，制定了特殊的質(zhì)量測量規(guī)范。,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。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。 膜的關鍵質(zhì)量參數(shù)是它們的厚度。膜厚測量可以劃分為兩個基本類型：它們或是測量不透明（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（）或者更小來測試。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） 估算導電膜厚度一種最實用的方法是測量方塊電阻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。方塊電阻與正方形薄層的尺寸無關。測量方塊電阻時，相同厚度等距離的兩點間會得到相同的電阻。基于這一原因，Rs的單位為歐姆/（/）。,方塊電阻（不透明薄層）方塊電阻間接用于測量淀積在絕緣襯底的不透明導電膜的厚度，例如金屬、硅化物或半導體膜。只要薄層大且探針的間距小，方塊電阻（Rs）就可由下式得到：,橢偏儀（透明薄膜） 橢偏儀是非破壞性、非接觸的光學薄膜厚度測試技術(shù)，主要用于測透明的薄膜。橢偏儀的基本原理是用線性的偏振激光源，當光在樣片中發(fā)生反射時，變成橢圓的偏振（見圖）偏振光由通過一個平面的所有光線組成。橢偏儀測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 當光在一個物體表面反射時，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（見圖）。根據(jù)光是怎樣在薄膜層頂部和底部反射的光學，反射儀能被用于計算膜厚。,X射線薄膜厚度 X射線束聚焦在表面，通過很少用到的X射線熒光技術(shù)（XRF）來測量膜厚。當X射線射到薄膜時，吸收的輻射激活薄膜中的電子。當受激電阻落入低的能態(tài)，發(fā)射出X射線光子（簡稱熒光），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（見圖）。,光聲技術(shù) 根據(jù)入射光的聲學節(jié)拍，它是產(chǎn)生指向復合薄膜的聲學節(jié)拍。當聲學節(jié)拍撞擊表面及膜下界時，產(chǎn)生反彈回表面的回聲。這種回聲引起了反射率的輕微改變，該變化在硅片表面可被測得（見圖）。反彈回的脈沖回聲消耗的時間被用于計算薄膜厚度。,膜應力,在通常的制造工藝中，薄膜上可能引入強的局部應力。造成襯底變形，并產(chǎn)生可靠性問題。通過分析由于薄膜淀積造成的襯底曲率半徑變化來進行應力測量，并應用于包括金屬、介質(zhì)和聚合物在內(nèi)的標準薄膜。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)測量硅片半徑，以繪制硅片應力的剖面圖（見圖）。自動應力測試以有SMIF傳送能力。,折射率,折射是透明物質(zhì)的特性，它表明光通過透明物質(zhì)的彎曲程度（見圖）。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。,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（見圖）。現(xiàn)在的工藝使用雜質(zhì)濃度界于1010個原子每平方厘米到大約1018個原子每平方厘米之間。有幾種技術(shù)用于測量硅中雜質(zhì)濃度或硅原子的劑量。,常用的在線方法是四探針法，最典型的應用是高摻雜濃度。在線使用的還有熱波系統(tǒng)，它可用于低劑量。在生產(chǎn)線外的測量方面，具有整個硅片定位的二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）近來已被用作摻雜濃度工藝控制的替代方法。電容電壓（CV）特性測試也能用于測量摻雜濃度。,熱波系統(tǒng) 廣泛用于檢測離子注入劑量濃度，這種方法測量由于離子注入而在被注入的硅片中形成的晶格缺陷。這種方法是通過測量硅片上聚焦在同一點的兩束激光在硅片表面反射率的變化量來進行的（見圖）。,擴展電阻探針 擴展電阻探針（SRP）從20世紀60年代起就成為硅片工藝的一種測量工具，并用于測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。擴展電阻探針有兩個精對準的探針，這兩個探針能沿著傾斜的硅片表面步進移動，每移動一步測一下探針間的電阻（見圖）。隨著探針移動過結(jié)，可感知導電類型（n或p）的變化。由于探針要被精心安置，通常<1，這使得SRP成為破壞性得測試。在電阻率為的半無限材料平整表面上，半徑為r的圓環(huán)接觸的擴展電阻有下式給出：,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。無圖形的硅片可能被拋光到鏡面光潔度或者有一個粗糙面的薄膜。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。用亮場探測，水平表面反射大部分分，而傾斜和豎直方向幾乎不反射。暗場探測檢測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（見圖）。這束光照射到硅片表面，并通過透鏡中央反射回來。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。這說明在硅片表面的暗場探測找出的微小缺陷非常有用，這些小缺陷用亮場探測比較困難。暗場探測就像在暗室中用一束陽光看灰塵顆粒。這兩種系統(tǒng)通常根據(jù)收到來自硅片表面的光信號，通過一些信號或圖像處理來確定缺陷的位置。,光學顯微鏡 它是檢測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。依賴所使用光學系統(tǒng)的類型，目前能檢查的顆粒缺陷降到0.1um的尺寸。 現(xiàn)代的光學顯微鏡被集成在硅片檢測臺中，檢測臺還包括自動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系統(tǒng)。,光散射缺陷探測 在半導體這種初期，是操作員用光源和顯微鏡來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。以光散射為基礎的識別顆粒技術(shù)在20世紀80年代中葉開始廣泛使用。這種暗場探測通過激光照射表面，然后用光學成像來探測顆粒散射的光線，從而鑒別表面顆粒和其他缺陷（見圖）。由單個顆粒得到的散射光強依賴諸如尺寸、外形、成分、硅片表面狀況（例如，粗糙度和混濁度）以及使用的設備類型等因素。當前，使用光的散射設備能檢查的顆粒尺寸降到大約0.1um。,有圖形的表面缺陷,為進行制造測量使用的有圖形的硅片通常是用于表面缺陷在線監(jiān)測的生產(chǎn)硅片。通常集成電路中的生產(chǎn)硅片可能有多達六層金屬或其他薄層，這些層已經(jīng)在高溫爐和多腔集成設備中生長或淀積這些多層膜使得區(qū)分硅片上表面缺陷和電路圖形更具挑戰(zhàn)性。用光散射技術(shù)可以檢查有圖形的硅片上的主要缺陷。光學顯微鏡通常用于有圖形的硅片上的表面缺陷檢測。還有一種不常用的方法是進行數(shù)字比較法，即降硅片表面于無缺陷的參考片比較。,關鍵尺寸（CD）,關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。關鍵尺寸的變化通常顯示半導體制造工藝中一些關鍵部分的不穩(wěn)定。據(jù)預測，到2006年16Gb DRAM的關鍵尺寸將會是0.1um。為了獲得對這種關鍵尺寸的控制，需要精度和準確性優(yōu)于2nm的測量儀器（2nm相當于4個硅原子并排的尺寸）。能獲得這種測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90年代初，掃描電子顯微鏡就已成為在整個亞微米時代檢驗合格的關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。其結(jié)構(gòu)如圖所示。,A,A,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（見圖）。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。,一種高分辨率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。這種自動化表面測量儀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到12.5um。當前，形貌儀可以以7.5的步長高度重復測量硅片上0.1um的細小特征。,套準精度,套準精度是用在光刻工藝之后，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。隨著特征尺寸的縮小，套刻標記的容差減小，掩膜板上的圖形標記與硅片上的對準成為挑戰(zhàn)。化學機械平坦化（CMP）的使用在硅片上產(chǎn)生了對比度很小的圖像，這些圖像難以分辯。這種情況使得硅片與掩膜板的對準更加復雜（見圖）。,電容電壓（CV）測試,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)域的沾污可能導致正常的閾值電壓的漂移，導致器件失效。可動離子沾污（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試進行檢測。通常做CV特性以檢測氧化步驟之后的離子污染。另外，CV特性測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CV測試時，氧化層和硅襯底等效為串聯(lián)電容（見圖）。,CV測試 在CV沾污測試中，使用專用的硅片模擬柵區(qū)的兩個串聯(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（見左圖）。在測試中畫出電容電壓的關系曲線（見右圖）。,接觸角度,接觸角度儀用于測量液體與硅片表面的黏附性，并計算表面能或黏附性力。這種測量表征了硅片表面的參數(shù)，比如疏水性、清潔度、光潔度和黏附性（見圖所示）。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，并能用于硅片測試規(guī)范或用做硅片質(zhì)量特性。直接角度測量法和間接尺寸測量法都可用于獲得高度精確和可重復的接觸角度的測量。,分析設備,這些分析儀器提供高度精確的硅片測量，它們通常位于線外的實驗室，以解決生產(chǎn)問題。圖顯示了這些設備中一些首次使用的時間，以及每一種時如何重要或是如何計劃用于工藝開發(fā)或制造的。這些分析設備綜述如下： 二次離子質(zhì)譜儀（SIMS） 飛行時間二次離子質(zhì)譜儀（TOFSIMS） 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） 能量和波長彌散譜儀（EDX和WDX） 聚焦離子束（FIB）,TOF-SIMS：飛行時間二次離子質(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,FIB：聚焦離子束,從一般概念上看，這樣的良品率是乎太低了。但是要知道，在極其苛刻的潔凈空間中，在1/2平方英寸的芯片范圍內(nèi)，制作出數(shù)百萬個微米數(shù)量級的元器件平面構(gòu)造和立體層次，就會覺得能夠生產(chǎn)出任何這樣的芯片是半導體工業(yè)了不起的成就了。 另外一個抑制良品率的重要方面是大多數(shù)缺陷的不可修復性。不象有缺陷的汽車零部件可以更換，這樣的機會對半導體制造來說通常是不存在的。缺陷芯片或晶園一般是不可修復的。在某些情況下沒有滿足性能要求的芯片可以被降級處理做低端應用。,良品率測量點,Thanks for listening,