半導(dǎo)體制造技術(shù)--測(cè)量學(xué)和缺陷檢查

1、Mar 15, 2005Semiconductor Manufacturing Technology Chapter 7 Measurement & Defect DetectionVivian Tang1 目標(biāo)1.為何進(jìn)行集成電路測(cè)量為何進(jìn)行集成電路測(cè)量, 并討論與測(cè)量有關(guān)并討論與測(cè)量有關(guān)的問(wèn)題。的問(wèn)題。2.認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)集成電路集成電路制作中的各種質(zhì)量量測(cè)。制作中的各種質(zhì)量量測(cè)。3.描述不同質(zhì)量測(cè)量相關(guān)的測(cè)技學(xué)方法和設(shè)備。描述不同質(zhì)量測(cè)量相關(guān)的測(cè)技學(xué)方法和設(shè)備。4.列出幾種適合列出幾種適合集成電路測(cè)量的集成電路測(cè)量的分析儀器。分析儀器。2 集成電路測(cè)量學(xué)2.1 集成電路量測(cè)的重要工具集成

2、電路量測(cè)的重要工具-控片控片普通控片普通控片圖案化控片圖案化控片控片用于制造過(guò)程測(cè)量相關(guān)重要特性以確保標(biāo)準(zhǔn)之品質(zhì)，因此集成控片用于制造過(guò)程測(cè)量相關(guān)重要特性以確保標(biāo)準(zhǔn)之品質(zhì)，因此集成電路量測(cè)具其重要性，特別是借控片（電路量測(cè)具其重要性，特別是借控片（Monitor Wafer) Monitor Wafer) 可以了解制可以了解制程參數(shù)的變化，以對(duì)工藝進(jìn)行監(jiān)控。程參數(shù)的變化，以對(duì)工藝進(jìn)行監(jiān)控。2 集成電路測(cè)量學(xué)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）良率是一個(gè)芯片廠生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的重

3、要標(biāo)志良率是一個(gè)芯片廠生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的重要標(biāo)志2.3 測(cè)量設(shè)備分類(lèi)測(cè)量設(shè)備分類(lèi)2 集成電路測(cè)量學(xué)金屬金屬介電層介電層薄膜厚度薄膜厚度vvvvvv片電阻片電阻vvv薄膜應(yīng)力薄膜應(yīng)力vvv折射率折射率vv摻質(zhì)濃度摻質(zhì)濃度v未圖案化的表面缺陷未圖案化的表面缺陷vvvvvv圖案化的表面缺陷圖案化的表面缺陷vv臨界尺寸臨界尺寸vv階梯覆蓋階梯覆蓋vv重疊對(duì)準(zhǔn)重疊對(duì)準(zhǔn)v電容電容-電壓電壓v接觸角度接觸角度v蝕刻蝕刻 光學(xué)顯影光學(xué)顯影薄膜薄膜品質(zhì)檢驗(yàn)品質(zhì)檢驗(yàn)植入植入擴(kuò)散擴(kuò)散研磨研磨2.4 質(zhì)量測(cè)量規(guī)范質(zhì)量測(cè)量規(guī)范2 集成電路測(cè)量學(xué)2.5 質(zhì)量測(cè)量質(zhì)量測(cè)量高良率制程以制造可靠度元件之首要條件即為品質(zhì)良好之薄膜

4、高良率制程以制造可靠度元件之首要條件即為品質(zhì)良好之薄膜. .薄膜品薄膜品質(zhì)量測(cè)還包括表面粗糙度、反射率、密度、針孔與孔洞缺少的量測(cè)。質(zhì)量測(cè)還包括表面粗糙度、反射率、密度、針孔與孔洞缺少的量測(cè)。經(jīng)常用四針探法的方塊電阻（不透明的膜），橢偏儀（透明膜）和反射光譜來(lái)測(cè)膜的厚度。X射線(xiàn)和光聲學(xué)是很少使用的方法。2.5.1 膜厚度膜厚度(Thickness)Rudolph Thickness EQ反反射射光光譜譜2 集成電路測(cè)量學(xué)2.5.2 膜應(yīng)力膜應(yīng)力(Stress)高度區(qū)域性之薄膜應(yīng)力高度區(qū)域性之薄膜應(yīng)力( (film stress)film stress)出現(xiàn)于晶圓表面之薄膜上，造成晶圓出現(xiàn)于晶圓

5、表面之薄膜上，造成晶圓變形或是可靠度之問(wèn)題。變形或是可靠度之問(wèn)題。應(yīng)力可借由測(cè)量晶圓半徑曲率之改變而得。通過(guò)測(cè)硅片的曲率可以確定硅片上的膜的壓力。 四點(diǎn)探針?lè)ㄋ狞c(diǎn)探針?lè)?Four-point probe) 四點(diǎn)探針技術(shù)可避免接觸電阻的影響。 t (薄膜厚度薄膜厚度)= (薄膜電阻率薄膜電阻率) /Rs (方塊方塊電阻電阻) s=V/I2s(/cm) s:方塊電阻的電阻率； V:通過(guò)探針的直流電壓； I:通過(guò)探針的直流定流； s: :探針之間距離； Rs= /t =4.53*V/I （當(dāng)薄膜夠大而探針間距夠小）四點(diǎn)探針?biāo)狞c(diǎn)探針2 集成電路測(cè)量學(xué)2.5.4 摻雜濃度摻雜濃度晶圓之摻質(zhì)濃度約在晶圓之

6、摻質(zhì)濃度約在101010atoms/cmatoms/cm2至至101018atoms/cmatoms/cm2。四點(diǎn)探針?lè)ㄊ亲畛Ｓ弥綔y(cè)量技術(shù)，熱波系統(tǒng)適于較小慘質(zhì)劑量之測(cè)量。另外還有二次離子質(zhì)譜儀（Second-ion mass spectrometry, SIMS)；擴(kuò)展電阻探針（SRP）；電容-電壓測(cè)試法。2.5.3 折射率折射率(Refractive index)根據(jù)折射率之改變，可判斷薄膜內(nèi)之污染情況，另一方面不均勻之折射根據(jù)折射率之改變，可判斷薄膜內(nèi)之污染情況，另一方面不均勻之折射率將導(dǎo)致不正確的薄膜厚度測(cè)量。率將導(dǎo)致不正確的薄膜厚度測(cè)量。薄膜之折射率可經(jīng)由干涉儀與橢圓偏光儀之量測(cè)

7、而得。一般用橢偏儀來(lái)測(cè)透明物質(zhì)的折射率。2 集成電路測(cè)量學(xué)2.5.6 圖案化表面缺陷（圖案化表面缺陷（Patterned defects）一般使用光學(xué)顯微鏡偵測(cè)圖案化表面之缺陷,主要利用光散射技術(shù)或數(shù)位對(duì)比技術(shù)。2.5.5 未圖案化表面之缺陷（未圖案化表面之缺陷（Unpatterned defects)晶圓表面缺陷分析可分為兩類(lèi)：暗場(chǎng)和亮場(chǎng)的光學(xué)偵測(cè)。晶圓表面缺陷分析可分為兩類(lèi)：暗場(chǎng)和亮場(chǎng)的光學(xué)偵測(cè)。亮場(chǎng)探測(cè)是用光學(xué)顯微鏡傳統(tǒng)光源，它是借用反射的可見(jiàn)光測(cè)量硅片表面的缺陷。暗場(chǎng)探測(cè)檢查位于硅片表面的缺陷散射出的光。2 集成電路測(cè)量學(xué)2.5.7 臨界尺寸臨界尺寸(Critical Dimensio

8、n, CD)閘極之寬度決定通道的長(zhǎng)度。閘極之寬度決定通道的長(zhǎng)度。CDCD的變化量通常用來(lái)描述半導(dǎo)體的變化量通常用來(lái)描述半導(dǎo)體之關(guān)鍵步驟的不穩(wěn)定度之關(guān)鍵步驟的不穩(wěn)定度。用掃描電子顯微鏡(SEM)做關(guān)鍵尺寸的測(cè)量。2.5.8 階梯覆蓋階梯覆蓋(Step coverage)具有尖針的高解析度、非破壞性之表面輪廓儀（具有尖針的高解析度、非破壞性之表面輪廓儀（surface surface profiler) profiler) 能夠測(cè)量表面階梯覆蓋與其它特征。能夠測(cè)量表面階梯覆蓋與其它特征。2.5.9 電容電容-電壓測(cè)試（電壓測(cè)試（C-V test)MOSMOS電晶體元件之可靠度直接受到閘極結(jié)構(gòu)之氧化

9、層控制，高電晶體元件之可靠度直接受到閘極結(jié)構(gòu)之氧化層控制，高品質(zhì)的氧化層是獲得高可靠度元件之基本條件之一品質(zhì)的氧化層是獲得高可靠度元件之基本條件之一。2 集成電路測(cè)量學(xué)2.5.10 接觸角度接觸角度(contact angle meter)主要測(cè)量晶圓表面液體之吸附與計(jì)算表面能量及吸附張力等主要測(cè)量晶圓表面液體之吸附與計(jì)算表面能量及吸附張力等接觸角度滴狀液體基板階梯覆蓋階梯覆蓋 順形階梯覆蓋非順形階梯覆蓋孔洞2 集成電路測(cè)量學(xué)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 集成電路測(cè)量學(xué)二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀SIMS Secondary-ion mass spectrometrySIMS Secondary-ion mass spectrometry - 破壞性測(cè)試，用加速離子轟擊硅片表面并撞出二次離子以檢測(cè)其種類(lèi) 和濃度。飛行式二次離子質(zhì)譜儀飛行式二次離子質(zhì)譜儀TOF-SIMS TOF-SIMS （Time of Flight-SIMS)Time of Flight-SI

11、MS) -適用于超薄材料，非破壞性測(cè)試。原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM (atomic force microscopic)AFM (atomic force microscopic) -平衡式探針掃描晶圓表面，測(cè)量速度過(guò)慢，不適合在線(xiàn)測(cè)量。AugerAuger電子光譜儀電子光譜儀AES(Auger electron spectroscopy)AES(Auger electron spectroscopy) -根據(jù)Auger電子能量判斷樣本材料的特性X X射線(xiàn)電子光光譜儀射線(xiàn)電子光光譜儀XPS XPS （X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) -主要用于分析樣本表面之化學(xué)形式，與AES相等。穿透式電子顯微鏡穿透式電子顯微鏡TEM (transmission electron microscopy)TEM (transmission electron microscopy) -與SEM相似，可穿透非常薄的試片（10100