测量学与缺陷检查解析课件

1、测量学与缺陷检查解析测量学与缺陷检查解析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。 7.1 集成电路测量学 集成电路测量学是测无图形的表面测试系统Photograph courtesy of KLA-Tencor无图形的表面测试系统Photograph courtesy 监控片与有图形的硅片Patter

2、ned waferMonitor wafer 监控片与有图形的硅片Patterne 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。 用于性能测量的测量设备有不同的类型，分为与工 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

3、系。 成品率定义为产出产品的合格数量与整体数量的百7.2 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。 7.2 质量测量 在整个硅片生产工艺中有许 表5.1 在硅片制造生产区的质量测量 表5.1 在硅片制造生产区的质一膜厚 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。

4、WCu一膜厚 WCu 方形的薄层图形ltwCross-sectional area = w tR = r(l)a(ohms) 方形的薄层图形ltwCross 四探针法的原理示意图WaferRVoltmeterConstant current sourceVIrs = VIx 2ps (ohms-cm) 四探针法的原理示意图WaferRV t ： 膜厚 ：膜电阻率 RS ：方块电阻 RS =4.53V/I （/） 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。 t ： 膜厚四探针电阻仪四探针电阻仪 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

5、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 透明薄膜的厚度一般用椭偏仪来测量。 椭偏仪的基本原理 椭偏仪的基本原理 椭偏仪 实物照片 椭偏仪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（ X2, Y1 Y2X1X2Y1Y2Ideal overlay registratonX1 = X2, Y1 = Y2X1X2Y1Y2 套准精度检查图

6、形Misregi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）。十. 电容电压（C-V）测试理解栅氧特性的理想模型是平行板电容器。在CV测试时，氧化层和硅衬底等效为串联电容（见图）。 理解栅氧特性的理想模型是平行板电容器。在CV测试时，氧化层CV测试 在CV沾污测试中，使用专用的硅片模拟栅区的两个串联电容

7、。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）。 CV测试 在CV沾污测试中，使用专用的硅片模拟栅区的两十一. 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）。十一. 接触角度 接触角接触角小滴衬底 接触角接触角小滴视频光学接触角测量仪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。7.3 分析设备 本节介绍支持硅片

8、生产的主要分 二次离子质谱仪（SIMS） Second Ion Mass Spectrometer 飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS） Time of Flying-SIMS 原子力显微镜（AFM） Atom Force Microscopy 俄歇电子能谱仪（AES） Auger Electron Spectrometer X射线光电能谱仪（XPS） X-ray Photoelectron Spectrometer 透射电子显微镜（TEM） Transmission Electron Microscopy 能量弥散谱仪（EDX）和波长弥散谱仪（WDX） 聚焦离子束（FIB） Focus

9、ing Ion Beam 二次离子质谱仪（SIMS）一. 二次离子质谱仪二次离子质谱仪由离子源、质量分析器和离子探测器组成。它的基本原理是在超真空状况下用高能量离子或中子束轰击试样表面然后分析所产生的二次离子成份和含量。 在电场下聚焦的高能离子束被引导在分析样品表面微区上扫描。 在扫描中溅射出来的粒子含量和速率取决于高能离子的能量、质量及强度、以及样品本身的物理化学性质。 溅射出来的粒子中只有小部分被电离而形成二次离子质谱分析中的二次离子。 由此产生的二次离子在加速到质谱仪的过程中按照它们的质量与电荷比率分离出来。 在此过程中所收集的二次离子的密度被转换成浓度曲线。 一. 二次离子质谱仪二次离

10、子质谱仪由离子源、质量分析器和离子二次离子质谱分析能够分辨元素周期表中的所有元素、包括他们的同位素。 二次离子质谱分析对大多数元素的灵敏度可达百万分之一以下、某些元素可达十亿分之一以下。 二次离子质谱分析的主要特征是： *探测从H到U的所有元素 *微量元素分析达到0.1ppb-0.1ppm的水平 *依据标样的定量分析 *深度分辨率 10nm * 小区域分析(25um) *单层深度信息 *同位素测量 二次离子质谱分析能够分辨元素周期表中的所有元素、包括他们的同当样品表面逐渐地被入射离子束侵蚀剥离时、记录下的二次离子连续谱线则形成从样品表面的深度剖面。 二次离子强度可通过由标样测定获得的转换系数进

11、行校准。 样品刻蚀深度则通过轮廓曲线仪测定。二者所共同产生的结果便是二次离子质谱分析的深度剖面。 SIMS可以鉴别出剂量和结深同时指出结出任何不满足要求的金属杂质，因此成为验证离子注入机性能的主要工具。当样品表面逐渐地被入射离子束侵蚀剥离时、记录下的二次离子连续SIMS的缺点 （1）受质量因素的干扰； （2）离子产率受基质的影响； （3）离子产率变化较大，可达106的差异； （4）需要各种标准品来作定量分析； （5）需要平坦的表面进行分析； （6）因为离子束比电子束具有更大的动能，撞击材料表面时会造成溅射（Sputtering），容易造成表面的改变或破损，属于破坏性的分析技术。SIMS的缺点

12、（1）受质量因素的干扰；TOF-SIMS：飞行时间二次离子质谱仪TOF-SIMS：飞行时间二次离子质谱仪二. 原子力显微镜 它的工作原理是将一个对微弱力及敏感的微悬臂（cantilever）一端固定，另一端有一微小的针尖与样品的表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在及微弱的排斥力，即原子范德华力（10-8_10-6 N），通过悬臂另一端的压电驱动部件，在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。 。激光束从探针针尖顶上的表面反射，直接照到光敏二极管上。，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，产生表面形貌的电

13、子图形。 原子力显微镜（AFM）是一种表面形貌仪。用一个较小的平衡探针头扫描硅片表面产生三维的表面图形。二. 原子力显微镜 它的工作原理是将一个对微AFM：原子力显微镜AFM：原子力显微镜原子力显微镜及图像原子力显微镜及图像三. 俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪（AES）测量入射电子束照射样本时，样本表面发射的俄歇电子的能量。俄歇电子只占样本中产生的总电子量的一小部分（0.1%）。俄歇电子的能量提供了母体原子的情况，主要用于样本元素的识别。俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子，也就是说H和He元素不能被探测。俄歇电子易于被样本吸收，只有表面外部单层的电子逃逸并别

14、检测，使得俄歇技术特别适合分析通常是2nm厚的材料表面。三. 俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪（AES）测量入射电子束俄歇电子能谱仪及谱图俄歇电子能谱仪及谱图四. X射线光电能谱仪XPS 是用X射线光子激发原子的内层电子发生电离，产生光电子，这些内层能级的结合能对特定的元素具有特定的值，因此通过测定电子的结合能和谱峰强度，可鉴定除H和He（因为它们没有内层能级）之外的全部元素以及元素的定量分析。XPS分析大约2nm的样本厚度。四. X射线光电能谱仪XPS 是用X射线光子激发原子的内层XPS：X射线光电能谱仪XPS：X射线光电能谱仪 例7：Ni-P合金的Ni 2p3/2 XPS谱a 清洁表面； b

15、1barO2、403K氧化1小时金属态的镍Ni较高氧化态的镍Ni3+ 例7：Ni-P合金的Ni 2p3/2 XPS谱a 清洁表面五. 透射电子显微镜 TEM的工作原理与SEM类似，差别是发射的电子束穿过超薄的样片（10到100nm的数量级），然后被收集形成图像。五. 透射电子显微镜 TEM的工作原理与SEM类 例1：硫化银纳米粒 子的TEM和SEM图像对比 例1：硫化银纳米粒 子的TEM和SEM图像对比例2：浅槽隔离工艺中缺角的TEM图像 集成电路中，在有源区和被填充的隔离沟槽之间会出现一个divot（缺角）。例2：浅槽隔离工艺中缺角的TEM图像 集成电路中，在浅槽隔离（STI）工艺的化学机械

16、抛光模块中，沿着SiO2/Si界面出现的机械应力通常会导致缺角的产生。在后续的硅化物工艺步骤中，硅化物会在缺角内部生长并形成枝状晶体，从而为载流子提供泄漏到掺杂区之外的路径。当然，这一般会引起器件失效。深的缺角会对电路的速度和低功耗性能造成相当不利影响，从而迫使CMOS器件制造商需要对这种异常拓扑结构的深度进行严密的监视。在浅槽隔离（STI）工艺的化学机械抛光模块中，沿着SiO2/六. 能量弥散谱仪和波长弥散谱仪 能量弥散谱仪（EDX）是为识别元素使用的最广的X射线探测方法，并且是对SEM的补充。它在样本表面穿透性很好，所以不能被看作是表面分析。EDX的工作原理基于高质量的掺杂硅做的大二极管，并由薄的铍窗（约25um）与SEM真空隔离。X射线通过窗口产生一系列电子空穴对，能根据X射线的能及探测到并识别。 波长弥散谱仪（WDX）是根据衍射晶格和光计数器的原理工作。晶体根据波长分离并分散入射的X射线，这些射线之后在光计数器中被收集。WDX测量缓慢，但是准确率极高。六. 能量弥散谱仪和波长弥散谱仪 能量弥散谱仪（ 能量弥散谱仪（EDX）薄铍窗光电子路径SiSiK