半导体制造技术--测量学和缺陷检查.

1、Mar 15, 2005Semiconductor Manufacturing Technology Chapter 7 Measurement & Defect DetectionVivian Tang1 目标1.为何进行集成电路测量为何进行集成电路测量, 并讨论与测量有关并讨论与测量有关的问题。的问题。2.认识认识集成电路集成电路制作中的各种质量量测。制作中的各种质量量测。3.描述不同质量测量相关的测技学方法和设备。描述不同质量测量相关的测技学方法和设备。4.列出几种适合列出几种适合集成电路测量的集成电路测量的分析仪器。分析仪器。2 集成电路测量学2.1 集成电路量测的重要工具集成

2、电路量测的重要工具-控片控片普通控片普通控片图案化控片图案化控片控片用于制造过程测量相关重要特性以确保标准之品质，因此集成控片用于制造过程测量相关重要特性以确保标准之品质，因此集成电路量测具其重要性，特别是借控片（电路量测具其重要性，特别是借控片（Monitor Wafer) Monitor Wafer) 可以了解制可以了解制程参数的变化，以对工艺进行监控。程参数的变化，以对工艺进行监控。2 集成电路测量学良率（良率（% %）= =（可正常工作之晶粒（可正常工作之晶粒制作之全部晶粒）制作之全部晶粒）100%100%2.2 成品率成品率-良率（良率（Yield）良率是一个芯片厂生产高质量产品的重

3、要标志良率是一个芯片厂生产高质量产品的重要标志2.3 测量设备分类测量设备分类2 集成电路测量学金属金属介电层介电层薄膜厚度薄膜厚度vvvvvv片电阻片电阻vvv薄膜应力薄膜应力vvv折射率折射率vv掺质浓度掺质浓度v未图案化的表面缺陷未图案化的表面缺陷vvvvvv图案化的表面缺陷图案化的表面缺陷vv临界尺寸临界尺寸vv阶梯覆盖阶梯覆盖vv重叠对准重叠对准v电容电容-电压电压v接触角度接触角度v蚀刻蚀刻 光学显影光学显影薄膜薄膜品质检验品质检验植入植入扩散扩散研磨研磨2.4 质量测量规范质量测量规范2 集成电路测量学2.5 质量测量质量测量高良率制程以制造可靠度元件之首要条件即为品质良好之薄膜

4、高良率制程以制造可靠度元件之首要条件即为品质良好之薄膜. .薄膜品薄膜品质量测还包括表面粗糙度、反射率、密度、针孔与孔洞缺少的量测。质量测还包括表面粗糙度、反射率、密度、针孔与孔洞缺少的量测。经常用四针探法的方块电阻（不透明的膜），椭偏仪（透明膜）和反射光谱来测膜的厚度。X射线和光声学是很少使用的方法。2.5.1 膜厚度膜厚度(Thickness)Rudolph Thickness EQ反反射射光光谱谱2 集成电路测量学2.5.2 膜应力膜应力(Stress)高度区域性之薄膜应力高度区域性之薄膜应力( (film stress)film stress)出现于晶圆表面之薄膜上，造成晶圆出现于晶圆

5、表面之薄膜上，造成晶圆变形或是可靠度之问题。变形或是可靠度之问题。应力可借由测量晶圆半径曲率之改变而得。通过测硅片的曲率可以确定硅片上的膜的压力。 四点探针法四点探针法(Four-point probe) 四点探针技术可避免接触电阻的影响。 t (薄膜厚度薄膜厚度)= (薄膜电阻率薄膜电阻率) /Rs (方块方块电阻电阻) s=V/I2s(/cm) s:方块电阻的电阻率； V:通过探针的直流电压； I:通过探针的直流定流； s: :探针之间距离； Rs= /t =4.53*V/I （当薄膜够大而探针间距够小）四点探针四点探针2 集成电路测量学2.5.4 掺杂浓度掺杂浓度晶圆之掺质浓度约在晶圆之

6、掺质浓度约在101010atoms/cmatoms/cm2至至101018atoms/cmatoms/cm2。四点探针法是最常用之同步测量技术，热波系统适于较小惨质剂量之测量。另外还有二次离子质谱仪（Second-ion mass spectrometry, SIMS)；扩展电阻探针（SRP）；电容-电压测试法。2.5.3 折射率折射率(Refractive index)根据折射率之改变，可判断薄膜内之污染情况，另一方面不均匀之折射根据折射率之改变，可判断薄膜内之污染情况，另一方面不均匀之折射率将导致不正确的薄膜厚度测量。率将导致不正确的薄膜厚度测量。薄膜之折射率可经由干涉仪与椭圆偏光仪之量测

7、而得。一般用椭偏仪来测透明物质的折射率。2 集成电路测量学2.5.6 图案化表面缺陷（图案化表面缺陷（Patterned defects）一般使用光学显微镜侦测图案化表面之缺陷,主要利用光散射技术或数位对比技术。2.5.5 未图案化表面之缺陷（未图案化表面之缺陷（Unpatterned defects)晶圆表面缺陷分析可分为两类：暗场和亮场的光学侦测。晶圆表面缺陷分析可分为两类：暗场和亮场的光学侦测。亮场探测是用光学显微镜传统光源，它是借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。2 集成电路测量学2.5.7 临界尺寸临界尺寸(Critical Dimensio

8、n, CD)闸极之宽度决定通道的长度。闸极之宽度决定通道的长度。CDCD的变化量通常用来描述半导体的变化量通常用来描述半导体之关键步骤的不稳定度之关键步骤的不稳定度。用扫描电子显微镜(SEM)做关键尺寸的测量。2.5.8 阶梯覆盖阶梯覆盖(Step coverage)具有尖针的高解析度、非破坏性之表面轮廓仪（具有尖针的高解析度、非破坏性之表面轮廓仪（surface surface profiler) profiler) 能够测量表面阶梯覆盖与其它特征。能够测量表面阶梯覆盖与其它特征。2.5.9 电容电容-电压测试（电压测试（C-V test)MOSMOS电晶体元件之可靠度直接受到闸极结构之氧化

9、层控制，高电晶体元件之可靠度直接受到闸极结构之氧化层控制，高品质的氧化层是获得高可靠度元件之基本条件之一品质的氧化层是获得高可靠度元件之基本条件之一。2 集成电路测量学2.5.10 接触角度接触角度(contact angle meter)主要测量晶圆表面液体之吸附与计算表面能量及吸附张力等主要测量晶圆表面液体之吸附与计算表面能量及吸附张力等接触角度滴状液体基板阶梯覆盖阶梯覆盖 顺形阶梯覆盖非顺形阶梯覆盖孔洞2 集成电路测量学K-T F5xK-T SP1Veeco AFM K-T RS100Rudolph Matrix300Rudolph MetaPULSEAMAT ExciteAMAT SE

10、MVisionK-T ViperBIO-RAD FTIRPhilip XRFBoxer Cross BX-10K-T QuantoxThicknessDefectDepthOther2 集成电路测量学二次离子质谱仪二次离子质谱仪SIMS Secondary-ion mass spectrometrySIMS Secondary-ion mass spectrometry - 破坏性测试，用加速离子轰击硅片表面并撞出二次离子以检测其种类 和浓度。飞行式二次离子质谱仪飞行式二次离子质谱仪TOF-SIMS TOF-SIMS （Time of Flight-SIMS)Time of Flight-SI

11、MS) -适用于超薄材料，非破坏性测试。原子力显微镜原子力显微镜AFM (atomic force microscopic)AFM (atomic force microscopic) -平衡式探针扫描晶圆表面，测量速度过慢，不适合在线测量。AugerAuger电子光谱仪电子光谱仪AES(Auger electron spectroscopy)AES(Auger electron spectroscopy) -根据Auger电子能量判断样本材料的特性X X射线电子光光谱仪射线电子光光谱仪XPS XPS （X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) -主要用于分析样本表面之化学形式，与AES相等。穿透式电子显微镜穿透式电子显微镜TEM (transmission electron microscopy)TEM (transmission electron microscopy) -与SEM相似，可穿透非常薄的试片（10100