测量学与缺陷检查

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1、第第7 7章章 测量学和缺陷检查测量学和缺陷检查7.1 7.1 集成电路测量学集成电路测量学 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。 无图形的表面测试系统无图形的表面测试系统Photograph courtesy of KLA-Tencor监控片与有图形的硅片Patterned waferMonitor waf

2、er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。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系。7.2 7.2 质量测量质量测量 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

3、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。 表5.1 在硅片制造生产区的质量测量一膜厚一膜厚由于硅片工艺是成膜工艺，在整个制造工艺中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明薄膜或是透明薄膜。膜的关键质量参数是它们的 厚度厚度。不透明导电膜不透明导电膜的厚度可用的厚度可用四探针法四探针法

4、来测量。来测量。WCu方形的薄层图形ltwCross-sectional area = w tR = r(l) a(ohms)四探针法的原理示意图WaferRVoltmeterConstant current sourceVI rs = V Ix 2ps (ohms-cm)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。四探针电阻仪四探针电阻仪透明薄膜透明薄膜的厚度一般用的厚度一般用椭偏仪椭偏仪来测量。来测量。椭偏仪的基本原理是用线性的偏振激光光源椭偏仪的基本原理是用线性的偏振激光光源 ，当光在样本中发生反射

5、时，变成椭圆的，当光在样本中发生反射时，变成椭圆的 偏振。椭偏仪测量反射得到的椭圆偏振，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）精确并根据已知的输入值（例如反射角）精确 的确定薄膜的厚度。的确定薄膜的厚度。椭偏仪测试具有小的测试点、图形识别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。软件和高精度的硅片定位特色。椭偏仪椭偏仪的基本原理椭偏仪实物照片n n椭偏仪能够测量几十埃量级厚度的不同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类型的薄膜，如可测量栅的厚度小于4040 埃。可测量的材料包括介质，金属和涂埃。可测量的材料包

6、括介质，金属和涂 覆的聚合物。最基本的要求是膜层覆的聚合物。最基本的要求是膜层为透为透 明或半透明的。明或半透明的。n n薄的金属层（薄的金属层（ X2, Y1 Y2X1X2Y1Y2Ideal overlay registraton X1 = X2, Y1 = Y2X1X2Y1Y2十十. . 电容电容电压（电压（C-VC-V）测试）测试MOSMOS器件的可靠性高度依赖于栅结构高质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，通常做正常的阈值电压的漂移，通常做C-VC-V特性以检特性以检 测氧化步骤后的离

7、子污染。另外，测氧化步骤后的离子污染。另外，C-VC-V特性测特性测 试提供了栅氧化层完整性的信息，包括介质厚试提供了栅氧化层完整性的信息，包括介质厚 度、介电常数（度、介电常数（k k）、电极之间硅的电阻率（）、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）。化层结构中没有电势差的电压）。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） 。 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。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

8、电压（见左图）。在测试中画出电容 电压的关系曲线（见右图）。 十一十一. . 接触角度接触角度接触角度仪用于测量液体与硅片表面的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（见图洁度、光洁度和粘附性（见图5.55.5）。）。接触角接触角小滴衬底视频光学接触角测量仪视频光学接触角测量仪7.3 7.3 分析设备分析设备本节介绍支持硅片生产的主要分析设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备，这些分析仪提

9、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，它们通常位于生产区外的实验室，以决 决生产问题。决生产问题。 二次离子质谱仪（二次离子质谱仪（SIMSSIMS）Second Ion Mass SpectrometerSecond Ion Mass Spectrometer 飞行时间二次离子质谱仪（飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMSTOF-SIMS）Time of Flying-SIMSTime of Flying-SIMS 原子力显微镜（原子力显微镜（AFMAFM）Atom Force MicroscopyAtom Force Microscopy 俄歇电子能谱仪（俄歇电子能

10、谱仪（AESAES）Auger Electron SpectrometerAuger Electron Spectrometer X X射线光电能谱仪（射线光电能谱仪（XPSXPS）X-ray Photoelectron SpectrometerX-ray Photoelectron Spectrometer 透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEMTEM）Transmission Electron MicroscopyTransmission Electron Microscopy 能量弥散谱仪（能量弥散谱仪（EDXEDX）和波长弥散谱仪（）和波长弥散谱仪（WDXWDX） 聚焦离子束（聚焦离子

11、束（FIBFIB）Focusing Ion BeamFocusing Ion Beam一一. . 二次离子质谱仪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

12、过程中所收集的二次离子的密度被 转换成浓度曲线。 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 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 获得的转换系数进行校 准。 样品刻

13、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。 n 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。SIMSSIMS的缺点的缺点（1 1）受质量因素的干扰；）受质量因素的干扰；（2 2）离子产率受基质的影响；）离子产率受基质的影响；（3 3）离子产率变化较大，可达）离子产率变化较大，可达10106 6的差异；的差异；（4 4）需要各种标准品来作定量分析；）需要各种标准品来作定量分析；（5 5）需要平坦的表面进行分析；）需要平坦的表面进行分析；（6 6）因为离子束比电子束具有更大的动能，撞击材）

14、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（料表面时会造成溅射（SputteringSputtering），容易造成表面），容易造成表面 的改变或破损，属于破坏性的分析技术。的改变或破损，属于破坏性的分析技术。TOF-SIMSTOF-SIMS：飞行时间二次离子：飞行时间二次离子 质谱仪质谱仪二二. . 原子力显微镜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，

15、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。AFMAFM：原子力显微镜：原子力显微镜原子力显微镜及图像原子力显微镜及图像三三. . 俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪n n俄歇电子能谱仪（俄歇电子能谱仪（AESAES）测量入射电子束照射）测量入射电子束照射 样本时，样本表面发射的俄歇电子的

16、能量。俄样本时，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歇电子只占样本中产生的总电子量的一小部分 （0.1%0.1%）。）。n n俄歇电子的能量提供了母体原子的情况，主要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。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。n n俄歇电子易于被样本吸收，只有表面外部单层俄歇电子易于被样本吸收，只有表面外部单层 的电子逃逸并别检测，使得俄歇技术特别适合的电子逃逸并别检测，使得俄歇技术特别适合 分析通常是分析通常是2nm2nm厚的材料表面。厚的材料表面。俄歇电子能谱仪及谱图俄歇电子能谱仪及谱图四四. X. X射线光电能谱仪射线光电能谱仪nXPS 是用X射线光子激发原子的内层电子发 生电离，产