非接触晶圆测试原理及应用.doc

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除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：This paper introducing non-contact electrical measurement system produce a medium application in the semi-conductor, mainly include the test principle, Surface photo voltage，Mobile charge, C-V and I-V, at the same time still some applications aiming at other equipmentses and materials in the semi-conductor.Key word: non-contact charge SPV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1 CPD测量示意图Non-Contact C-V measurement非接触式C-V测量原理与MOS C-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SDI FAaST 230，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2 MOS电容及电荷分布示意图接触电势差（Contact potential difference）CPD的测量可以由图1所示，在两端加交流电J可测量，由vibrating fork控制，所以根据公式（1）可以得出VCPD。J=VCPD （1）VCPD=(功函数) +VSB（空间电荷区电势差）+VD（介质层电势差）（2）ms是常数，那么当CPD发生变化时有公式（3）：VCPD=VOX+VSB （3）当用光照射圆片表面时VOX=0，所以根据图2所示，可以得到：VSB=Vill(光照)-Vdark（无光照） （4）当光照很强的时候，有VSB0，即处于平带，代入公式（3）（4）有：VOX=Vill （5）得出VOX+VSB值之后，QC是可测量的，根据下面公式就可以计算出QSC 、Dit和COX 。 （6）COX= （7）QSC= （8）= （9） （10）其中，徳拜长度LD=，。 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1 SPV测试获得的各项参数Parameters and mapsTermAverage measurementVCPDontactpotential-differencevoltage0.421VVOXOxide voltage0.104VVSBSurface barrier voltage0.526VQSCCharge in surface space-charge region13.871010q/cm2shot n. 射击；枪炮声Ditset about 开始；着手Interface trap densityembarrassed adj. 尴尬的；陷入困境的1.3881010/cm2 eVNitNumber of interface trapsn.钻；钻机01010/cm2VFBFlatband voltage0.459VVMIDMid-band voltage0.029VCOXsqueeze out 榨出；挤出Oxide capacitanceCarla n. 卡拉（女名）173.2nFburst vi. (burst, burst) 爆裂；爆发TOXOxide thickness199.5AQEFFEffective charge49.651010q/cm2accuse vt. 指责；谴责；控告SDparticipate vi. 参与；参加Near-surface dopingentrance n. 入口2.8921015/cm3VCPD map(6200sites）Contactpotential-differencemap0.339VLBEF map(830sites）Diffusion length prior to optical activation418.1mLAFT map(830sites）Diffusion length after optical activation416.6mFe map(830sites）Iron concentration map0.0761010/cm3Nr map(830sites）Other recombination centers map7.5601010/cm3Na map(6200sites）Sodium concentration map1.4631010/cm2BDF map(6200sites）Soft breakdown field5.817MV/cmQLK map(6200sites）Charge leakage241.81010q/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300m，将会提供铁离子的密度在109/cm34。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10cm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、Mobile Charge（可动电荷）在SPV扫描测试的基础上，只需要增加一个加热的WAFER CHUCK，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：Mobile Charge 测试步骤根据测试结果得到的与以及事先得到的，则可计算可动电荷量： （11）图6是对现场初始氧化炉管生长的10000A初始氧化进行Mobile Charge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Mobile Charge测试MAP图及数据分布3、C-V&I-V 根据前面Non-Contact C-V measurement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7 C-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=CDVLeak/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MOS C-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51011/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.Nicolas Pic , ”In-line 90 nm Technology Gate Oxide Nitrogen Monitoring With Non-Contact Electrical Tech- nique” , Physical Electronics, Inc20072.Marshall Wilson, Jacek Lagowski, Alexandre Savtchouk, “COCOS METROLOGY: PHYSICAL PRINCIPLES AND APPLICATIONS”, ASTM Conference on Gate Dielectric Oxide Integrity San Jose, California January 19993.J.Lagowski et al.“Iron Detection in the Par