一种改进的硅片薄层电阻及其均匀性表征方法

1、一种改进的硅片薄层电阻及其均匀性表征方法刘新福3,刘东升,孙以材(河北工业大学微电子技术与材料研究所,天津300130摘要:概述了微区电阻测试方法及其均匀性表征方法的应用,利用自主研制的斜置式方形四探针微区薄层电阻测试仪,对P 型硅芯片进行了无图形Rymaszewski 法测试,在3寸芯片上测试了598个366m ×366m 方形微区的薄层电阻,并用等值线图表示了其分布,得到了薄层电阻的不均匀度及平均值,这种微区薄层电阻表示方法适用于评价材料质量及改进制造工艺。关键词:Rymaszewski 法;等值线图;薄层电阻中图分类号:T N304.07文献标识码:A 文章编号:0258-70

2、76(200403-0594-04随着超大规模和甚大规模集成电路的发展,特征尺寸已经达到0.13m ,在不久的将来将达到0.07m 1,DRAM 达到64G b ,MPU 和ASIC 集成度分别达到90M 和40M 个晶体管/cm 2;另一方面衬底晶园直径将从目前的300mm 逐渐发展到450mm 。在集成电路的生产中,为保证最后器件性能的完善,特别是考虑对器件的击穿电压、阈值电压等参数的影响,薄层电阻在线监控工序在整个IC 生产过程中越来越重要,可用于判定杂质浓度及其分布的均匀度等。经常使用的是范德堡法2和Rymaszewski 法3作为普通直线四探针法的补充方法,本文应用改进的Rymasz

3、ewski 法及独立研制的方形薄层电阻测试仪对3寸芯片进行了测试,并用等值线图方法分析了片内均匀性,以达到改进工艺过程及提高器件性能的目标。1薄层电阻测量等值线方法1.1薄层电阻测量方法如今,国内外都开展了薄层电阻测试研究工作,现将电阻测试的方法汇总如表1所示。孙以材教授课题组提出的改进范德堡法2,811是利用斜置的刚性探针,不要求等距、共线,只要求针尖在样品光刻图形4个角区边缘附近的一定界线内,用改进范德堡公式2,由4次电压电流轮流测量得到薄层电阻且探针的游移不影响测量结果。表1微区电阻测试方法T able 1Measurement method for microarea sheet re

4、sistance 电阻测试方法测试条件最小测试区域能否用于微区R s 测定常规直线四探针法43个探针间距1mm>3mm不能Rymaszewski 法3要求容纳下4个竖直探针,会产生边缘效应一般>1mm 不能范德堡法5要求触点制备在样品边缘整个样品测试不能扩展电阻法4,6要求背面大面积欧姆接触,并要求是体样品>10m 不能美国国家标准NBS 测试方法4需要设置4个等长臂及4个大的金属电极>200m不能Sm ith 测试方法7需要精确知道探针相对样品的几何位置不适合涡电流法需要先测试标准片的电阻整片样品测试不能改进范德堡法2没有特殊要求2090m 适合改进Rymaszews

5、ki 法没有特殊要求2090m适合第28卷第3期V ol.28.3稀有金属CHI NESE JOURNA L OF RARE MET A LS 2004年6月June 2004收稿日期:2003-08-05;修订日期:2003-03-31基金项目:国家自然科学基金资助项目(69272001;河北省自然科学基金资助项目(602076;天津市自然科学基金资助项目(013602011作者简介:刘新福(1963-,男,河北顺平人,博士,副研究员;研究方向:微区薄层电阻测试3通讯联系人(E 2mail :liux f R s=1464n=12ln2(V n+V n+1If(V n+1V n(1其中f(V

6、 n+1/V n是范德堡修正函数。I是所用测试电流,V n是第n次测量所得的电压。改进Rymaszewski方法的特点也是利用斜置的探针,探针有足够的直径以保证刚性,4个探针置于方形微区的4个角点上。样品面上探针间距取决于针尖半径,因此可以用于小至90m微区的薄层电阻的测定。不需要制备测试图形,不需要制备从微区伸出的测试臂和金属化电极,只需要在测试过程中利用图像识别装置通过计算机显示器监控测试探针的位置,判断其是否位于方形微区的各个角点上,依靠探针各自驱动的伺服电机进行自动微调,补偿由于平台移动变化造成的探针位置误差,即可保证测试位置的准确性,用下面的改进Rymaszewski公式,由4次电压

7、电流轮流测量得到薄层电阻值,简便、快捷、可行。R s=1464n=1ln2(V n+V n+1If(V n+1V n(2其中f(V n+1/V n,I,V n同公式(1。1.2薄层电阻等值线图方法薄层电阻等值线图能清楚地显示出整个面上的电阻分布情况,因此,在世界先进的集成电路工业中已将这种等值图列为控制硅片衬底、外延、扩散、离子注入、吸杂、退火等工艺质量的手段。目前,国外一些大的半导体公司都进行薄层电阻等值图监测,因而可以用它来对各道工艺质量进行有效的监控。采用等值图监控离子注入等工艺的质量确实有效、实用。随着硅片直径的越来越大,片子的均匀性要求越来越高,仅靠过去测量几点的方式,已经无法满足要

8、求,因此有必要采用等值图监视整片的电阻率变化。1.2.1薄层电阻等值线方法可用于研磨片检查12如图1所示, 左图表示均匀性好的硅片,图面上只有一条表示电阻率平均值的粗线,没有其他细线出现,整个面均匀性标准偏差小于1%;而右图为均匀性差的表面,除了中间的平均值粗线外,还打着 “+”、“-”的细线,每根线之间相差±1%,显然线越多,则均匀性越差。1.2.2可用于外延生长监控13图2表示存在图1薄层电阻测试等值线图方法Fig.1Equal value line method of testing sheet resistance图2存在倾向性梯度的外延片等值线图Fig.2Equal2val

9、ue2line map of extension slice with tendentious grads着倾向性梯度的外延片等值线图,其标准偏差S> 8%,经过工艺调整后得到图3,此时标准偏差只有1.92%,R S均匀性有了明显的提高。1.2.3对离子注入工艺问题进行判断14图4为离子注入好的情况。图中粗线是整个面上的平均值,没有其它等值线,说明整个面上最大、最小薄层电阻值均与平均值相差在±1%以内。图3工艺调整后的外延片等值线图Fig.3Equal2value2line map of extension slice adjusted technics5953期刘新福等一种改

10、进的硅片薄层电阻及其均匀性表征方法 图4离子注入较好的等值线图Fig.4A better equal value line map on afflux of ions1.2.4适用于薄层电阻等值线图表示的基片14通常可测试薄层电阻的材料有:硅衬底片、研磨片、抛光片、外延片、扩散片、离子注入片、吸杂片;退火硅片、金属膜和涂层等都可用薄层电阻等值图法进行测试。以上各图为采用美国Prometrix公司制造的RS35电阻Mapping测试系统进行测试,采用的是直线四探针双电测量法原理。2薄层电阻等值线图测试条件2.1测试设备简介所用测试设备为自主研制的带有摄像头的探针全自动四探针仪。该仪器包括探针架上

11、下移动以及250mm样品平台(换标准底盘后可加大到400mm。平台的X,Y二方向及探针的移动共有7个驱动电机。图像采集与控制功能框如图5所示。探针的最小进给为2.5m。视场用物镜配合摄像头可放大到320倍。电机的驱动用鼠标命令十分方便。该仪器不仅适合于有图形的改进范德堡法薄层电阻测试技术,还适合于无图形的Rymaszewski体电阻(经厚度修正测试技术(即等值线图方法。本次测量即采用Rymaszews2 ki体电阻等值线方法进行测试与表征。2.2测试样品及测试方法测试样品为P型3寸厚=1.2mm硅片,选择测试电流为75A,使用仪器自带的纵、横向均可移动的控制台控制测试的位置,首先调整探针使各个

12、测试的区域相同,并通过控制台的移动使测试的间隔相等。实际测试中测试的区域为366m×366m,测试间距控制在1.87mm(为了调整的方便来确定,测试顺序由左至右、由上至下进行 。图5图像采集与控制功能框图Fig.5Frame chart for getting and controlling image采用斜置式方形Rymaszewski四探针法进行测试,所用恒流源为75A,选用这样小的测试电流,据文献2理论分析,可以保证少子牵引半径远小于探针间距。3测试结果及分析用我们设计的薄层电阻测试电路,测得3寸片(=1.2mm的全片薄层电阻率分布结果如图6所示,共得有效测试数据598组。根据

13、厚度,以及样品的薄层电阻R S与体电阻率之间有如下关系(式3,再考虑厚度修正后得出各电阻率值。=RS(3全片薄层电阻平均值:R s=1N6Ni=1R Si=218.4(N=598(4 图6测试样品的薄层电阻等值线图Fig.6Equal value line map of a testing sam ple on sheet resis2 tance695稀有金属28卷图6为整个样片的薄层电阻等值线图(单位,对于相同尺寸的样品来说,等值轮廓线越少,片子越均匀,从图中可知片子的电阻率分布情况不是很好,通过计算整个片子的不均匀度,可以判定该片子的均匀性很差,本测试片的不均匀度为:E=大-小12(大+

14、小=3214-201412(3214+2014=45%(5该测试仪器所进行的薄层电阻等值线图测试,由于是在无测试图形的条件下进行的,因而不仅测试的区域可以达到尽可能小(可实现边长100m 以内的方形微区电阻测试,而且测试点数可达到尽可能多(不受限制,测试间隔任意确定,并且可在测试的相应位置进行测试数值的标定,更有利于观察材料出现的异常情况,有利于改进工艺和评价芯片内部材料的质量。参考文献:1孙以材,王静,赵彦晓,等.动态随机存储器IC芯片制造技术的进展与展望J.半导体技术,2002,27(12:10. 2孙以材,张林在.用改进的Van der Pauw法测定方形微区的方块电阻J.物理学报,19

15、94,43(4:530.3Rymaszewski R.Em pirical method of calibrating A42point m icroar2ry for measuring thin2film2sheet resistanceJ.E lectronics Letters, 1967,3(2:57.4孙以材.半导体测试技术M.北京:冶金工业出版社,1984.13.5Van Der Pauw L J.A method of measuring specific resistivity andhall effect of discs of arbitrary shapeJ.J Phi

16、lips Researc Reports, 1958,13(1:1.6孙冰.微区电学测试探针技术J.半导体杂志,1996,21(2:38.7Sm ith F M.M easurement of sheet resistivities with the four2pointprobeJ.Bell Syst T ech J,1958,37:711.8Sun Y icai,Shi Jungsheng,M eng Qinghao.M easurement of sheetresistance of cross m icroareas using a m odified van der pauwJ.Se

17、2 m i C onductor Sci.&T ech.,1996,11:805.9孙以材,刘新福,高振斌,等.微区薄层电阻四探针测试仪及其应用J.固体电子学研究与进展,2002,22(1:93. 10孟庆浩,孙新宇,孙以材,等.薄层电阻测试M apping技术J.半导体学报,1997,18(9:701.11孙以材,石俊生.在矩形样品中Rymaszewski公式的适用条件的分析J.物理学报,1995,12:1869.12周全德.RS的M apping测试在硅片生产上的应用J.上海计量测试,1999,6:47.13周全德.薄层电阻标样及M apping在IC制造中的应用研究J.半导体情报

18、,2000,37(4:38.14周全德.IC离子注入工艺的薄层电阻等值图监控J.微电子学,2000,30(6:410.A Modified I ndicial Method of Sheet R esistance and U niformityfor Silicon W aferLiu X infu3,Liu Dongsheng,Sun Y icai(Institute o f Microelectronic Technology and Materials,Hebei U2 niver sity o f Technology,Tianjin300130,ChinaAbstract:A m odified probe technique of rymaszewski method is used for measuring the sheet resistance of a sil2 icon wafer with the e