半導(dǎo)體制造技術(shù)--測量學(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)行集成電路測量為何進(jìn)行集成電路測量, 并討論與測量有關(guān)并討論與測量有關(guān)的問題。的問題。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。制作中的各種質(zhì)量量測。3.描述不同質(zhì)量測量相關(guān)的測技學(xué)方法和設(shè)備。描述不同質(zhì)量測量相關(guān)的測技學(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量的集成電路測量的分析儀器。分析儀器。2 集成電路測量學(xué)2.1 集成電路量測的重要工具集成

2、電路量測的重要工具-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程測量相關(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程測量相關(guān)重要特性以確保標(biāo)準(zhǔn)之品質(zhì)，因此集成電路量測具其重要性，特別是借控片（電路量測具其重要性，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 測量設(shè)備分類測量設(shè)備分類2 集成電路測量學(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)量測量規(guī)范質(zhì)量測量規(guī)范2 集成電路測量學(xué)2.5 質(zhì)量測量質(zhì)量測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)量測還包括表面粗糙度、反射率、密度、針孔與孔洞缺少的量測。質(zhì)量測還包括表面粗糙度、反射率、密度、針孔與孔洞缺少的量測。經(jīng)常用四針探法的方塊電阻（不透明的膜），橢偏儀（透明膜）和反射光譜來測膜的厚度。X射線和光聲學(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題。變形或是可靠度之問題。應(yīng)力可借由測量晶圓半徑曲率之改變而得。通過測硅片的曲率可以確定硅片上的膜的壓力。 四點(diǎn)探針法四點(diǎn)探針法(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:通過探針的直流電壓； I:通過探針的直流定流； 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?。┧狞c(diǎn)探針?biāo)狞c(diǎn)探針2 集成電路測量學(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)探針法是最常用之同步測量技術(shù)，熱波系統(tǒng)適于較小慘質(zhì)劑量之測量。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量。率將導(dǎo)致不正確的薄膜厚度測量。薄膜之折射率可經(jīng)由干涉儀與橢圓偏光儀之量測

7、而得。一般用橢偏儀來測透明物質(zhì)的折射率。2 集成電路測量學(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：暗場和亮場的光學(xué)偵測。晶圓表面缺陷分析可分為兩類：暗場和亮場的光學(xué)偵測。亮場探測是用光學(xué)顯微鏡傳統(tǒng)光源，它是借用反射的可見光測量硅片表面的缺陷。暗場探測檢查位于硅片表面的缺陷散射出的光。2 集成電路測量學(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度。閘極之寬度決定通道的長度。CDCD的變化量通常用來描述半導(dǎo)體的變化量通常用來描述半導(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) 能夠測量表面階梯覆蓋與其它特征。能夠測量表面階梯覆蓋與其它特征。2.5.9 電容電容-電壓測試（電壓測試（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 集成電路測量學(xué)2.5.10 接觸角度接觸角度(contact angle meter)主要測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 - 破壞性測試，用加速離子轟擊硅片表面并撞出二次離子以檢測其種類 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，測量速度過慢，不適合在線測量。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射線電子光光譜儀射線電子光光譜儀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