《测量学和缺陷检测》PPT课件

测量学和缺陷检测,现代半导体器件物理与工艺,Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices,2004,7,30,测量学和缺陷检测,从硅片制造的最初阶段就开始进行检查。半导体生产的熟练工人在简单观察硅片表面的氧化物薄膜后就能预测相应的薄膜厚度。无论氧化薄膜出现何种色泽，都可以与比色表对比，比色表时由每种色泽相结合的不同膜厚的一片片硅片组成的。 硅片工艺流程的检查技术经历了重大的改变。特征尺寸不断缩小，现在缩小到0.25um以下。同时，在硅片上的芯片密度不断增加。每一步都决定着成功还是失败的关键问题：沾污、结深、薄膜的质量等。另外，新材料和工艺的引入都会带来芯片失效的新问题。测量对于描绘硅片的特性与检查其成品率非常关键。 为了维持良好的工艺生产能力并提高器件的特性，硅片制造厂已提高了对工艺参数的控制，并减少了在制造中缺陷的来源。,测量学是关于确定尺寸、数量和容积的测量的科学。测量学指的是在工艺流程中为了确定硅片的物理和电学特性的技术与过程。用于制造中的测量学使用测试设备和传感器来收集并分析关于硅片参数和缺陷的数据。缺陷是指导致不符合硅片规范要求的硅片特性或硅片制造工艺的结果。硅片的缺陷密度是指硅片表面单位面积的缺陷数，通常以cm2为单位。硅片缺陷按类型和尺寸来划分。制造人员应用测量学以确保产品性能，并做出关系到改善工艺性能的有意义的决定。 对硅片性能的精确评估必须贯穿于制造工艺，以验证产品满足规范要求。要达到这一点，在硅片制造的每一工艺步骤都有严格的质量测量，为使芯片通过电学测试并满足使用中的可靠性规范，质量测量定义了每一步需求的要求。质量测量要求在测试样片或生产硅片上大量收集数据以说明芯片生产的工艺满足要求。,集成电路测量学,集成电路测量学使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。,无图形的表面测试系统,为进行在线工具的监控，许多半导体制造厂已经开始使用生产的硅片，有时是用有图形的硅片（见图）。用实际生产硅片模拟更接近工艺流水中发生的情况，为制造团队成员做出决定提供了更好的信息。,监控片与有图形的硅片,测量设备,在硅片制造中，用于性能测量的测量学设备有不同的类型。区分这些设备最主要的方法是看这些设备怎样运作，是与工艺分离的独立测试工具还是与工艺设备集成在一起的测量学设备。表1展示了测量设备的两种主要分类。独立的测试设备进行测量学测试时，不依附于工艺。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其作用并发生实时数据。,成品率,成品率时一个硅片工厂生产高质量管芯能力的重要标志。成品率定义为产出的合格部分于整个部分的百分比。例如，在一个硅片有200个管芯，其中190个是合格的，那么硅片的成品率就是：,计算成品率有不同的方法。一种测量成品率的方法涉及一个时期产出的那部分类型。对应于半导体生产的某一特定工艺的成品率也能进行测量，如在刻蚀工艺中管芯的成品率。对于半导体制造来说重要的成品率测量是硅片的品质成品率，它标志着功能测试之后合格管芯的百分比。 成品率广泛用于半导体生产，用它来反映工艺流程是否正常。高的成品率标准着工艺生产的产品合格并按设想进行。低的成品率说明在产品设计和制造中有质量问题，必须进行改进予以解决。,质量测量,在整个硅片生产工艺中有许多质量测量，说明了集成电路工艺测量学的广泛性。通过电学测量，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。表中展示了主要的质量测量，包括每一步进行测量的工艺部分。半导体制造商为使其产品在工艺的每一步都符合精确的要求，制定了特殊的质量测量规范。,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。为生产可靠的管芯，这些薄膜的质量是高成品率制造工艺的基础。 膜的关键质量参数是它们的厚度。膜厚测量可以划分为两个基本类型：它们或是测量不透明（遮光物，如金属）薄膜或是透明薄膜。在一些情况下，例如栅氧化电介质，膜的厚度必须精确到1埃（）或者更小来测试。膜的其他质量参数包括表面粗糙度、反射率、密度以及缺少针孔和空洞。,电阻率和薄层电阻（方块电阻） 估算导电膜厚度一种最实用的方法是测量方块电阻Rs。薄层电阻（Rs）可以理解为在硅片上正方形薄膜两端之间的电阻。它与薄膜的电阻率和厚度有关。方块电阻与正方形薄层的尺寸无关。测量方块电阻时，相同厚度等距离的两点间会得到相同的电阻。基于这一原因，Rs的单位为欧姆/（/）。,方块电阻（不透明薄层）方块电阻间接用于测量淀积在绝缘衬底的不透明导电膜的厚度，例如金属、硅化物或半导体膜。只要薄层大且探针的间距小，方块电阻（Rs）就可由下式得到：,椭偏仪（透明薄膜） 椭偏仪是非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术，主要用于测透明的薄膜。椭偏仪的基本原理是用线性的偏振激光源，当光在样片中发生反射时，变成椭圆的偏振（见图）偏振光由通过一个平面的所有光线组成。椭偏仪测量反射得到的椭圆形，并根据已知的输入值（例如反射角）精确地确定薄膜的厚度。,反射光谱学 当光在一个物体表面反射时，结构的反射经常用于描述位于不吸收光的硅片衬底上的吸收光介质层的层厚特性（见图）。根据光是怎样在薄膜层顶部和底部反射的光学，反射仪能被用于计算膜厚。,X射线薄膜厚度 X射线束聚焦在表面，通过很少用到的X射线荧光技术（XRF）来测量膜厚。当X射线射到薄膜时，吸收的辐射激活薄膜中的电子。当受激电阻落入低的能态，发射出X射线光子（简称荧光），光子的能量代表薄膜原子的特性。通过测量这些X射线光子，就可以确定膜厚（见图）。,光声技术 根据入射光的声学节拍，它是产生指向复合薄膜的声学节拍。当声学节拍撞击表面及膜下界时，产生反弹回表面的回声。这种回声引起了反射率的轻微改变，该变化在硅片表面可被测得（见图）。反弹回的脉冲回声消耗的时间被用于计算薄膜厚度。,膜应力,在通常的制造工艺中，薄膜上可能引入强的局部应力。造成衬底变形，并产生可靠性问题。通过分析由于薄膜淀积造成的衬底曲率半径变化来进行应力测量，并应用于包括金属、介质和聚合物在内的标准薄膜。在薄膜淀积前后，利用扫描激光束技术或分束激光技术测量硅片半径，以绘制硅片应力的剖面图（见图）。自动应力测试以有SMIF传送能力。,折射率,折射是透明物质的特性，它表明光通过透明物质的弯曲程度（见图）。折射率的改变表明薄层中有沾污，并造成厚度测量不正确。对于纯的二氧化硅折射率是1.46。对于薄层的折射率可以通过干涉和椭圆偏振技术来测量，与用于确定薄膜厚度的椭偏仪相同。,掺杂浓度,在硅的一些区域（如pn结、外延层、掺杂多晶硅）中杂质原子的分布情况直接影响到半导体器件的性能（见图）。现在的工艺使用杂质浓度界于1010个原子每平方厘米到大约1018个原子每平方厘米之间。有几种技术用于测量硅中杂质浓度或硅原子的剂量。,常用的在线方法是四探针法，最典型的应用是高掺杂浓度。在线使用的还有热波系统，它可用于低剂量。在生产线外的测量方面，具有整个硅片定位的二次离子质谱仪（SIMS）近来已被用作掺杂浓度工艺控制的替代方法。电容电压（CV）特性测试也能用于测量掺杂浓度。,热波系统 广泛用于检测离子注入剂量浓度，这种方法测量由于离子注入而在被注入的硅片中形成的晶格缺陷。这种方法是通过测量硅片上聚焦在同一点的两束激光在硅片表面反射率的变化量来进行的（见图）。,扩展电阻探针 扩展电阻探针（SRP）从20世纪60年代起就成为硅片工艺的一种测量工具，并用于测量掺杂浓度深度的剖面和电阻率。它能描绘出非常浅的pn结深的剖面图。扩展电阻探针有两个精对准的探针，这两个探针能沿着倾斜的硅片表面步进移动，每移动一步测一下探针间的电阻（见图）。随着探针移动过结，可感知导电类型（n或p）的变化。由于探针要被精心安置，通常1，这使得SRP成为破坏性得测试。在电阻率为的半无限材料平整表面上，半径为r的圆环接触的扩展电阻有下式给出：,无图形的表面缺陷,无图形的硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。后者用做测试片，在工艺进行时使用以提供工艺条件的特征信息。无图形的硅片可能被抛光到镜面光洁度或者有一个粗糙面的薄膜。用于工艺监控的无图形硅片上典型的缺陷包括颗粒、划伤、裂纹和其他材料缺陷。 对硅片表面的缺陷检测分为两种类型：暗场和亮场的光学探测。亮场探测是用显微镜传统光源，它直接用反射的可见光测量硅片表面的缺陷。用亮场探测，水平表面反射大部分分，而倾斜和竖直方向几乎不反射。暗场探测检测检查位于硅片表面的缺陷散射出的光。从物镜外，以小角度将光线定向到硅片表面（见图）。这束光照射到硅片表面，并通过透镜中央反射回来。这种作用表现为所有平坦表面都是黑的，而不平整处出现亮线。这说明在硅片表面的暗场探测找出的微小缺陷非常有用，这些小缺陷用亮场探测比较困难。暗场探测就像在暗室中用一束阳光看灰尘颗粒。这两种系统通常根据收到来自硅片表面的光信号，通过一些信号或图像处理来确定缺陷的位置。,光学显微镜 它是检测硅片表面最常用的方法之一，例如检查颗粒和划伤这类缺陷。光学显微镜提供了硅片的低倍放大视图，典型的放大倍数是小于1000倍。依赖所使用光学系统的类型，目前能检查的颗粒缺陷降到0.1um的尺寸。 现代的光学显微镜被集成在硅片检测台中，检测台还包括自动传送硅片及图像和缺陷分类的软件界面。图显示了典型的光学系统。,光散射缺陷探测 在半导体这种初期，是操作员用光源和显微镜来检查颗粒和表面缺陷。这种方法受操作员主观因素影响，因此是不可靠的。以光散射为基础的识别颗粒技术在20世纪80年代中叶开始广泛使用。这种暗场探测通过激光照射表面，然后用光学成像来探测颗粒散射的光线，从而鉴别表面颗粒和其他缺陷（见图）。由单个颗粒得到的散射光强依赖诸如尺寸、外形、成分、硅片表面状况（例如，粗糙度和混浊度）以及使用的设备类型等因素。当前，使用光的散射设备能检查的颗粒尺寸降到大约0.1um。,有图形的表面缺陷,为进行制造测量使用的有图形的硅片通常是用于表面缺陷在线监测的生产硅片。通常集成电路中的生产硅片可能有多达六层金属或其他薄层，这些层已经在高温炉和多腔集成设备中生长或淀积这些多层膜使得区分硅片上表面缺陷和电路图形更具挑战性。用光散射技术可以检查有图形的硅片上的主要缺陷。光学显微镜通常用于有图形的硅片上的表面缺陷检测。还有一种不常用的方法是进行数字比较法，即降硅片表面于无缺陷的参考片比较。,关键尺寸（CD）,关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。关键尺寸的变化通常显示半导体制造工艺中一些关键部分的不稳定。据预测，到2006年16Gb DRAM的关键尺寸将会是0.1um。为了获得对这种关键尺寸的控制，需要精度和准确性优于2nm的测量仪器（2nm相当于4个硅原子并排的尺寸）。能获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜（SEM）。 扫描电子显微镜（SEM） 从20世纪90年代初，扫描电子显微镜就已成为在整个亚微米时代检验合格的关键尺寸控制的主要仪器。扫描电子显微镜的图形分辨率是40到50的数量级。其结构如图所示。,A,A,台阶覆盖,硅片制造中形成表面形貌，因此取得好的台阶覆盖能力是材料的必要特征（见图）。良好的台阶覆盖要求有厚度均匀的材料覆盖于台阶的全部区域，包括侧墙和拐角。,一种高分辨率带触针的非破坏性形貌仪常用来测量台阶覆盖和硅片表面的其他特征。这种自动化表面测量仪器使用一根触针加以低至0.05mg的力接触硅片表面，轻轻地绘出硅膜形貌图而不损伤硅片表面（见图）。触针通常有半径0.1um的金刚石尖，永久了的针尖半径可达到12.5um。当前，形貌仪可以以7.5的步长高度重复测量硅片上0.1um的细小特征。,套准精度,套准精度是用在光刻工艺之后，测量光刻机和光刻胶图形与硅片前面刻蚀图形的套刻的能力。随着特征尺寸的缩小，套刻标记的容差减小，掩膜板上的图形标记与硅片上的对准成为挑战。化学机械平坦化（CMP）的使用在硅片上产生了对比度很小的图像，这些图像难以分辩。这种情况使得硅片与掩膜板的对准更加复杂（见图）。,电容电压（CV）测试,MOS器件的可靠性高度依赖于栅结构中高质量的氧化薄层。栅氧化区域的沾污可能导致正常的阈值电压的漂移，导致器件失效。可动离子沾污（MIC）和其他不希望的电荷状况可以在氧化工艺步骤后用电容电压测试进行检测。通常做CV特性以检测氧化步骤之后的离子污染。另外，CV特性测试提供了栅氧化层完整性的形（GOI），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。,理解栅氧特性的理想模型是平行板电热器。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电压（见左图）。在测试中画出电容电压的关系曲线（见右图）。,接触角度,接触角度仪用于测量液体与硅片表面的黏附性，并计算表面能或黏附性力。这种测量表征了硅片表面的参数，比如疏水性、清洁度、光洁度和黏附性（见图所示）。在液滴与支撑表面之间形成的接触（正切）角度与固/液或液/液界面的相互作用力相关，并能用于硅片测试规范或用做硅片质量特性。直接角度测量法和间接尺寸测量法都可用于获得高度精确和可重复的接触角度的测量。,分析设备,这些分析仪器提供高度精确的硅片测量，它们通常位于线外的实验室，以解决生产问题。图显示了这些设备中一些首次使用的时间，以及每一种时如何重要或是如何计划用于工艺开发或制造的。这些分析设备综述如下： 二次离子质谱仪（SIMS） 飞行时间二次离子质谱仪（TOFSIMS） 原子力显微镜（AFM） 俄歇电子能谱仪（AES） X射线光电能谱仪（XPS） 透射电子显微镜（TEM） 能量和波长弥散谱仪（EDX和WDX） 聚焦离子束（FIB）,TOF-SIMS：飞行时间二次离子质谱仪,AFM：原子力显微镜,XPS：X射线光电能谱仪,TEM：透射电子显微镜,EDX：能量弥散谱仪,FIB：聚焦离子束,从一般概念上看，这样的良品率是乎太低了。但是要知道，在极其苛刻的洁净空间中，在1/2平方英寸的芯片范围内，制作出数百万个微米数量级的元器件平面构造和立体层次，就会觉得能够生产出任何这样的芯片是半导体工业了不起的成就了。 另外一个抑制良品率的重要方面是大多数缺陷的不可修复性。不象有缺陷的汽车零部件可以更换，这样的机会对半导体制造来说通常是不存在的。缺陷芯片或晶园一般是不可修复的。在某些情况下没有满足性能要求的芯片可以被降级处理做低端应用。,良品率测量点,Thanks for listening,