第5章测量学和缺陷检查课件.ppt

第五章第五章 测量学和缺陷检查测量学和缺陷检查 5.1 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，需要样样片片、测测量量设设备备和分分析析数据的方法数据的方法传统上，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监控片与有图形的硅片Patterned waferMonitor wafer 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。

5.2 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表5.1 5.1 在硅片制造生产区的质量测量在硅片制造生产区的质量测量一膜厚一膜厚 由由于于硅硅片片工工艺艺是是成成膜膜工工艺艺，在在整整个个制制造造工工艺艺中中硅硅片片表表面面有有多多种种类类型型不不同同的的膜膜这这些些不不同同类类型型的的膜膜有有金金属属、绝绝缘缘体体、光光刻刻胶胶和和多多晶晶硅硅它它们们或或是是不不透透明明薄薄膜膜或或是是透透明明薄薄膜膜膜膜的的关关键键质质量量参参数数是是它它们们的的厚度厚度厚度厚度不透明导电膜不透明导电膜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四探针法四探针法来测量WCu 方形的薄层图形方形的薄层图形ltwCross-sectional area =w tR=r(l)a(ohms)四探针法的原理示意图四探针法的原理示意图WaferRVoltmeterConstant current sourceVIrs=VIx 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椭偏仪椭偏仪来测量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时，变成椭圆的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）精确的确定薄膜的厚度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椭偏仪椭偏仪 椭偏仪的基本原理椭偏仪的基本原理LaserFilterPolarizerQuarter wave plateFilm being measuredAnalyzerDetector 椭偏仪椭偏仪 实物照片实物照片n n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40埃可测量的材料包括介质，金属和涂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（X2,Y1 Y2X1X2Y1Y2Ideal overlay registratonX1=X2,Y1=Y2X1X2Y1Y2十十.电容电容电压（电压（C-V）测试测试 MOS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正常的阈值电压的漂移，通常做C-V特性以检测氧化步骤后的离子污染。

另外，C-V特性测试提供了栅氧化层完整性的信息，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（在氧化层结构中没有电势差的电压）C-V测试的步骤测试的步骤n n第一步是在被测氧化层的金属接触面与氧化层下第一步是在被测氧化层的金属接触面与氧化层下方轻掺杂的硅之间施以可变的电压偏置，目的是方轻掺杂的硅之间施以可变的电压偏置，目的是将金属区域正下方的硅中的多数载流子耗尽在将金属区域正下方的硅中的多数载流子耗尽在测试中画出电容电压关系曲线测试中画出电容电压关系曲线n n第二步将硅片加热到第二步将硅片加热到300300摄氏度保持摄氏度保持5 5分钟，同时分钟，同时在金属区域加恒定正电压，然后冷却，移去偏置，在金属区域加恒定正电压，然后冷却，移去偏置，这一步是通过升温增加沾污离子的迁移率，并通这一步是通过升温增加沾污离子的迁移率，并通过正电压偏置排斥正离子，将其驱赶到氧化物和过正电压偏置排斥正离子，将其驱赶到氧化物和硅的界面硅的界面C-V 测试的建立和绘图测试的建立和绘图氧化层电容仪电源测量每个偏压对应的电容设置范围从-5V 到+5V，以1V为间隔N型硅金属金属 n型硅的电容与电压的关系型硅的电容与电压的关系-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏压0电容N型硅的C-V曲线Cmax在在C-V测试中离子电荷的采集测试中离子电荷的采集N-type siliconMetalAl+温度范围近似200-300 C电源氧化层n n第三步是重复第一步的C-V曲线图。

如果在Si与SiO2界面有聚集的正离子沾污，要使电容中的电荷相等就要求施加更负的电压第三步的曲线与第一步曲线的偏差就是电压漂移（Vs），可以通过它来计算氧化物中沾污离子的数量n n最后一步是验证加热衬底使沾污离子离开硅与二氧化硅的界面，再次进行C-V测试，如果产生最初的图形，证明电压漂移是沾污离子产生的而不是氧化物充电在在n型硅中的电压漂移型硅中的电压漂移0-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏压电容N型硅的C-V曲线CminDV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、清洁度、光洁度和粘附性（见图5.5）接触角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5.3 分析设备分析设备 本节介绍支持硅片生产的主要分析设备，这些分析仪提供高度精确的硅片测量，它们通常位于生产区外的实验室，以决决生产问题二次离子质谱仪（二次离子质谱仪（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（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（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（俄歇电子能谱仪（俄歇电子能谱仪（俄歇电子能谱仪（AESAES）Auger Electron SpectrometerAuger Electron Spectrometer X X射线光电能谱仪（射线光电能谱仪（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（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（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（和波长弥散谱仪（和波长弥散谱仪（WDXWDX）聚焦离子束（聚焦离子束（聚焦离子束（聚焦离子束（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。

SIMS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）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，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原子力显微镜及图像原子力显微镜及图像 光学表面形貌仪光学表面形貌仪例例6：光学表面形貌仪的粗糙度分析：光学表面形貌仪的粗糙度分析三三.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。