一種改進(jìn)的硅片薄層電阻及其均勻性表征方法

1、一種改進(jìn)的硅片薄層電阻及其均勻性表征方法劉新福3,劉東升,孫以材(河北工業(yè)大學(xué)微電子技術(shù)與材料研究所,天津300130摘要:概述了微區(qū)電阻測試方法及其均勻性表征方法的應(yīng)用,利用自主研制的斜置式方形四探針微區(qū)薄層電阻測試儀,對P 型硅芯片進(jìn)行了無圖形Rymaszewski 法測試,在3寸芯片上測試了598個366m ×366m 方形微區(qū)的薄層電阻,并用等值線圖表示了其分布,得到了薄層電阻的不均勻度及平均值,這種微區(qū)薄層電阻表示方法適用于評價材料質(zhì)量及改進(jìn)制造工藝。關(guān)鍵詞:Rymaszewski 法;等值線圖;薄層電阻中圖分類號:T N304.07文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:0258-70

2、76(200403-0594-04隨著超大規(guī)模和甚大規(guī)模集成電路的發(fā)展,特征尺寸已經(jīng)達(dá)到0.13m ,在不久的將來將達(dá)到0.07m 1,DRAM 達(dá)到64G b ,MPU 和ASIC 集成度分別達(dá)到90M 和40M 個晶體管/cm 2;另一方面襯底晶園直徑將從目前的300mm 逐漸發(fā)展到450mm 。在集成電路的生產(chǎn)中,為保證最后器件性能的完善,特別是考慮對器件的擊穿電壓、閾值電壓等參數(shù)的影響,薄層電阻在線監(jiān)控工序在整個IC 生產(chǎn)過程中越來越重要,可用于判定雜質(zhì)濃度及其分布的均勻度等。經(jīng)常使用的是范德堡法2和Rymaszewski 法3作為普通直線四探針法的補(bǔ)充方法,本文應(yīng)用改進(jìn)的Rymasz

3、ewski 法及獨(dú)立研制的方形薄層電阻測試儀對3寸芯片進(jìn)行了測試,并用等值線圖方法分析了片內(nèi)均勻性,以達(dá)到改進(jìn)工藝過程及提高器件性能的目標(biāo)。1薄層電阻測量等值線方法1.1薄層電阻測量方法如今,國內(nèi)外都開展了薄層電阻測試研究工作,現(xiàn)將電阻測試的方法匯總?cè)绫?所示。孫以材教授課題組提出的改進(jìn)范德堡法2,811是利用斜置的剛性探針,不要求等距、共線,只要求針尖在樣品光刻圖形4個角區(qū)邊緣附近的一定界線內(nèi),用改進(jìn)范德堡公式2,由4次電壓電流輪流測量得到薄層電阻且探針的游移不影響測量結(jié)果。表1微區(qū)電阻測試方法T able 1Measurement method for microarea sheet re

4、sistance 電阻測試方法測試條件最小測試區(qū)域能否用于微區(qū)R s 測定常規(guī)直線四探針法43個探針間距1mm>3mm不能Rymaszewski 法3要求容納下4個豎直探針,會產(chǎn)生邊緣效應(yīng)一般>1mm 不能范德堡法5要求觸點(diǎn)制備在樣品邊緣整個樣品測試不能擴(kuò)展電阻法4,6要求背面大面積歐姆接觸,并要求是體樣品>10m 不能美國國家標(biāo)準(zhǔn)NBS 測試方法4需要設(shè)置4個等長臂及4個大的金屬電極>200m不能Sm ith 測試方法7需要精確知道探針相對樣品的幾何位置不適合渦電流法需要先測試標(biāo)準(zhǔn)片的電阻整片樣品測試不能改進(jìn)范德堡法2沒有特殊要求2090m 適合改進(jìn)Rymaszews

5、ki 法沒有特殊要求2090m適合第28卷第3期V ol.28.3稀有金屬CHI NESE JOURNA L OF RARE MET A LS 2004年6月June 2004收稿日期:2003-08-05;修訂日期:2003-03-31基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(69272001;河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(602076;天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(013602011作者簡介:劉新福(1963-,男,河北順平人,博士,副研究員;研究方向:微區(qū)薄層電阻測試3通訊聯(lián)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是范德堡修正函數(shù)。I是所用測試電流,V n是第n次測量所得的電壓。改進(jìn)Rymaszewski方法的特點(diǎn)也是利用斜置的探針,探針有足夠的直徑以保證剛性,4個探針置于方形微區(qū)的4個角點(diǎn)上。樣品面上探針間距取決于針尖半徑,因此可以用于小至90m微區(qū)的薄層電阻的測定。不需要制備測試圖形,不需要制備從微區(qū)伸出的測試臂和金屬化電極,只需要在測試過程中利用圖像識別裝置通過計算機(jī)顯示器監(jiān)控測試探針的位置,判斷其是否位于方形微區(qū)的各個角點(diǎn)上,依靠探針各自驅(qū)動的伺服電機(jī)進(jìn)行自動微調(diào),補(bǔ)償由于平臺移動變化造成的探針位置誤差,即可保證測試位置的準(zhǔn)確性,用下面的改進(jìn)Rymaszewski公式,由4次電壓

7、電流輪流測量得到薄層電阻值,簡便、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薄層電阻等值線圖方法薄層電阻等值線圖能清楚地顯示出整個面上的電阻分布情況,因此,在世界先進(jìn)的集成電路工業(yè)中已將這種等值圖列為控制硅片襯底、外延、擴(kuò)散、離子注入、吸雜、退火等工藝質(zhì)量的手段。目前,國外一些大的半導(dǎo)體公司都進(jìn)行薄層電阻等值圖監(jiān)測,因而可以用它來對各道工藝質(zhì)量進(jìn)行有效的監(jiān)控。采用等值圖監(jiān)控離子注入等工藝的質(zhì)量確實(shí)有效、實(shí)用。隨著硅片直徑的越來越大,片子的均勻性要求越來越高,僅靠過去測量幾點(diǎn)的方式,已經(jīng)無法滿足要

8、求,因此有必要采用等值圖監(jiān)視整片的電阻率變化。1.2.1薄層電阻等值線方法可用于研磨片檢查12如圖1所示, 左圖表示均勻性好的硅片,圖面上只有一條表示電阻率平均值的粗線,沒有其他細(xì)線出現(xiàn),整個面均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%;而右圖為均勻性差的表面,除了中間的平均值粗線外,還打著 “+”、“-”的細(xì)線,每根線之間相差±1%,顯然線越多,則均勻性越差。1.2.2可用于外延生長監(jiān)控13圖2表示存在圖1薄層電阻測試等值線圖方法Fig.1Equal value line method of testing sheet resistance圖2存在傾向性梯度的外延片等值線圖Fig.2Equal2val

9、ue2line map of extension slice with tendentious grads著傾向性梯度的外延片等值線圖,其標(biāo)準(zhǔn)偏差S> 8%,經(jīng)過工藝調(diào)整后得到圖3,此時標(biāo)準(zhǔn)偏差只有1.92%,R S均勻性有了明顯的提高。1.2.3對離子注入工藝問題進(jìn)行判斷14圖4為離子注入好的情況。圖中粗線是整個面上的平均值,沒有其它等值線,說明整個面上最大、最小薄層電阻值均與平均值相差在±1%以內(nèi)。圖3工藝調(diào)整后的外延片等值線圖Fig.3Equal2value2line map of extension slice adjusted technics5953期劉新福等一種改

10、進(jìn)的硅片薄層電阻及其均勻性表征方法 圖4離子注入較好的等值線圖Fig.4A better equal value line map on afflux of ions1.2.4適用于薄層電阻等值線圖表示的基片14通?？蓽y試薄層電阻的材料有:硅襯底片、研磨片、拋光片、外延片、擴(kuò)散片、離子注入片、吸雜片;退火硅片、金屬膜和涂層等都可用薄層電阻等值圖法進(jìn)行測試。以上各圖為采用美國Prometrix公司制造的RS35電阻Mapping測試系統(tǒng)進(jìn)行測試,采用的是直線四探針雙電測量法原理。2薄層電阻等值線圖測試條件2.1測試設(shè)備簡介所用測試設(shè)備為自主研制的帶有攝像頭的探針全自動四探針儀。該儀器包括探針架上

11、下移動以及250mm樣品平臺(換標(biāo)準(zhǔn)底盤后可加大到400mm。平臺的X,Y二方向及探針的移動共有7個驅(qū)動電機(jī)。圖像采集與控制功能框如圖5所示。探針的最小進(jìn)給為2.5m。視場用物鏡配合攝像頭可放大到320倍。電機(jī)的驅(qū)動用鼠標(biāo)命令十分方便。該儀器不僅適合于有圖形的改進(jìn)范德堡法薄層電阻測試技術(shù),還適合于無圖形的Rymaszewski體電阻(經(jīng)厚度修正測試技術(shù)(即等值線圖方法。本次測量即采用Rymaszews2 ki體電阻等值線方法進(jìn)行測試與表征。2.2測試樣品及測試方法測試樣品為P型3寸厚=1.2mm硅片,選擇測試電流為75A,使用儀器自帶的縱、橫向均可移動的控制臺控制測試的位置,首先調(diào)整探針使各個

12、測試的區(qū)域相同,并通過控制臺的移動使測試的間隔相等。實(shí)際測試中測試的區(qū)域?yàn)?66m×366m,測試間距控制在1.87mm(為了調(diào)整的方便來確定,測試順序由左至右、由上至下進(jìn)行 。圖5圖像采集與控制功能框圖Fig.5Frame chart for getting and controlling image采用斜置式方形Rymaszewski四探針法進(jìn)行測試,所用恒流源為75A,選用這樣小的測試電流,據(jù)文獻(xiàn)2理論分析,可以保證少子牽引半徑遠(yuǎn)小于探針間距。3測試結(jié)果及分析用我們設(shè)計的薄層電阻測試電路,測得3寸片(=1.2mm的全片薄層電阻率分布結(jié)果如圖6所示,共得有效測試數(shù)據(jù)598組。根據(jù)

13、厚度,以及樣品的薄層電阻R S與體電阻率之間有如下關(guān)系(式3,再考慮厚度修正后得出各電阻率值。=RS(3全片薄層電阻平均值:R s=1N6Ni=1R Si=218.4(N=598(4 圖6測試樣品的薄層電阻等值線圖Fig.6Equal value line map of a testing sam ple on sheet resis2 tance695稀有金屬28卷圖6為整個樣片的薄層電阻等值線圖(單位,對于相同尺寸的樣品來說,等值輪廓線越少,片子越均勻,從圖中可知片子的電阻率分布情況不是很好,通過計算整個片子的不均勻度,可以判定該片子的均勻性很差,本測試片的不均勻度為:E=大-小12(大+

14、小=3214-201412(3214+2014=45%(5該測試儀器所進(jìn)行的薄層電阻等值線圖測試,由于是在無測試圖形的條件下進(jìn)行的,因而不僅測試的區(qū)域可以達(dá)到盡可能小(可實(shí)現(xiàn)邊長100m 以內(nèi)的方形微區(qū)電阻測試,而且測試點(diǎn)數(shù)可達(dá)到盡可能多(不受限制,測試間隔任意確定,并且可在測試的相應(yīng)位置進(jìn)行測試數(shù)值的標(biāo)定,更有利于觀察材料出現(xiàn)的異常情況,有利于改進(jìn)工藝和評價芯片內(nèi)部材料的質(zhì)量。參考文獻(xiàn):1孫以材,王靜,趙彥曉,等.動態(tài)隨機(jī)存儲器IC芯片制造技術(shù)的進(jìn)展與展望J.半導(dǎo)體技術(shù),2002,27(12:10. 2孫以材,張林在.用改進(jìn)的Van der Pauw法測定方形微區(qū)的方塊電阻J.物理學(xué)報,19

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18、,2000,37(4:38.14周全德.IC離子注入工藝的薄層電阻等值圖監(jiān)控J.微電子學(xué),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