第5章测量学和缺陷检查

第五章

测量学和缺陷检查

5.1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，需要样片、测量设备和分析数据的方法。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PhotographcourtesyofKLA-Tencor

监控片与有图形的硅片PatternedwaferMonitorwafer

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

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5.1在硅片制造生产区的质量测量一．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。它们或是不透明薄膜或是透明薄膜。膜的关键质量参数是它们的厚度。

不透明导电膜的厚度可用四探针法来测量。

WCu

方形的薄层图形ltwCross-sectionalarea=w×tR=r(l)a(ohms)

四探针法的原理示意图WaferRVoltmeterConstantcurrentsourceVIrs=VIx

2ps(ohms-cm)

t

：膜厚ρ：膜电阻率

RS：方块电阻

RS=4.53V/I（Ω/□）

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

透明薄膜的厚度一般用椭偏仪来测量。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

椭偏仪的基本原理 LaserFilterPolarizerQuarterwaveplateFilmbeingmeasuredAnalyzerDetectorq椭偏仪实物照片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明或半透明的。薄的金属层（<500A）被看作是半透膜，可以用椭偏仪测量。例如铜互连工艺中用到的铜种子层。(厚度大于1000A的金属层通常被认为是不透明的，不能用椭偏仪进行测量。)椭偏仪应用：椭偏仪可以被直接集成到工艺设备中，应用于注入刻蚀和平坦化一些领域的原位（实时）测试，可以精确的确定工艺中加工膜厚的终点。反射光谱学反射光谱学是三种基本的光学测试技术之一，另外两种分别是光学椭偏仪和光学显微镜。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的介质层的层厚特性。根据光在薄膜层顶部和底部反射的关系，反射仪能够被用于计算膜厚。X射线测量薄膜厚度

X射线束能聚焦在表面上，通过X射线荧光技术（XRF）来测量膜厚度。当X射线射到薄膜时，吸收的辐射激活薄膜中的电子。当受激电子落入低的能态，就发射出X射线光子（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。

XRF技术主要用于单层薄膜。全反射X光荧光谱仪光声技术光声技术是在测量金属薄膜方面的最新进展，是一种非接触技术。根据入射光的声学节拍，撞击表面及膜下界时，产生反弹的回声。反弹回来的脉冲回声消耗的时间可用来计算薄膜的厚度。

光声法膜厚测量DetectionlaserbeamHighoutputEcho2Echo1Changeinsurfacereflectivity(d)Echo1DetectionlaserbeamNominaloutput(c)DetectionlaserbeamNominaloutput(b)HeatSoundwaveOpticaldetectorPumplaserbeamLowoutput(a)二.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。这些应力会造成衬底形变，并产生可靠性问题。用薄层应力测量工具可以测量这种形变。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，绘制硅片应力的剖面图。

硅片中的应力分布 薄膜应力通常用圆片在淀积前后的弯曲变化来测量。膜应力由下式给出：其中，ν是泊松比，E是杨氏弹性模量，δ是圆片中心的弯曲量，t是薄膜厚度，R为圆片半径，T是圆片厚度。δ淀积膜硅片例1利用激光干涉测量分析硅片键合后的表面翘曲

例1表面翘曲的干涉条文图样分布三.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。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。

折射率IndexofRefraction,n=sini/sinrExamplesofn:air=1.00SiO2=1.46diamond =2.12Air(n1.0)SiO2(n1.46)FastmediumSlowmediumAir(n1.0)Glass(n1.5)FastmediumSlowmedium四.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。常用的在线测量方法是四探针法（用于高掺杂浓度）、热波系统（用于低掺杂浓度），在生产线外的测量方面，有二次离子质谱仪、扩展电阻探针、电容—电压特性测试等几种方法。热波系统广泛应用于监测离子注入剂量浓度。测量由于离子注入而在硅片中形成的晶格缺陷。使用方便，有图形或没图形的硅片都可通用。其缺点主要是测量过程会导致硅片的损伤，因而需要校正曲线以间接估算掺杂浓度。ThermalWaveSystemforMeasuring

DopantConcentrationProbelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirror扩展电阻探针扩展电阻探针（SRP）用于测量掺杂浓度的剖面和电阻率。SRP的弱点是需要熟练的操作者，样片制备和破坏性的测试，优点是不受结深限制便能进行精确的掺杂浓度测量。

扩展电阻探针（SRP）Probelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirror五.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。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。暗场探测检查位于硅片表面的缺陷散射出的光，对检查微小缺陷非常有用。光学显微镜光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃照相底板光学显微镜明场和暗场探测

硅片检查系统六.有图形的表面缺陷工艺过程中对有图形硅片的监控越来越普遍。在生产硅片上最主要的缺陷是颗粒、划伤和图形缺陷。使用光散射技术在有图形的硅片上进行缺陷检测与无图形的硅片类似。然而测量设备必须能够区分出是颗粒散射光还是图形边缘散射光。七.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。在CMOS技术中，晶体管的栅结构非常关键。栅宽决定了沟道的长度，而沟道的长度影响了速度。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。由于关键尺寸越来越小，能获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜（SEM）。电子显微镜是利用电子束对样品放大成像的显微镜，简称电镜。电镜的放大倍率可达百万，可分辨样品的最小细节为几个埃,而光学显微镜的放大倍率不过几千,其分辨率在理论上不能小于0.2微米。根据波动学说，运动着的电子可以看作是一种电子波。电子运动的速度越高，电子波的波长越短。例如受200千伏高压加速的电子，其波长仅为0.025埃。扫描电子显微镜SEM的功能是通过产生高度聚焦电子束扫描目标，同时用探测器测量最终散射电子。电子枪发射的电子通过磁聚焦系统，会聚成2-6nm的束斑，打在试样上，产生二次电子，背散射电子以及其他电子，X射线和光子。其中最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。通常所说的扫描电镜像指的就是二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。二次电子被收集，产生光电信号，最后在显示屏上成像。

SEM的工作原理SEM的优点非破坏性，非接触性的测量仪器。景深长，获得的图像立体感比较强。样品准备所需的处理较简单，不需切薄片。样品可在腔体内作三维平移或旋转，可以从各个角度观察。图像放大范围广，分辨率高。局限性：需要高真空；成像前需要用导电薄膜覆盖绝缘的样本。沟道长度为0.15微米的晶体管

栅长为90纳米的栅图形照片例2晶体管的SEM图像例3半导体加工中的SEM缺陷照片例4：微加工结构的SEM图片八.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。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。（图5.4）一种高分辨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。

台阶覆盖

共型台阶覆盖非共型台阶覆盖(空洞)

表面形貌仪CRTProximitysensorStylusmotionStylusX-YStageDirectionofscanWafersurfaceLineardriveunitControlelectronicsAmp+5V-5V+24VDI表面轮廓仪（SurfaceProfiler）九.套准精度套准精度使用在光刻工艺之后，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。测量套准精度的主要方法是相干探测显微镜（CPM）。

套准精度检查图形MisregistratonX1>X2,Y1>Y2X1X2Y1Y2IdealoverlayregistratonX1=X2,Y1=Y2X1X2Y1Y2十.电容—电压（C-V）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。第二步将硅片加热到300摄氏度保持5分钟，同时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，并通过正电压偏置排斥正离子，将其驱赶到氧化物和硅的界面。C-V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-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C-V测试中离子电荷的采集

N-typesiliconMetalAl+++++++++++++++++++++温度范围近似200-300°C电源氧化层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。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n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.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）。

接触角接触角小滴衬底视频光学接触角测量仪5.3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（SIMS）

SecondIonMassSpectrometer●飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）

TimeofFlying-SIMS●原子力显微镜（AFM）

AtomForceMicroscopy●俄歇电子能谱仪（AES）

AugerElectronSpectrometer●X射线光电能谱仪（XPS）

X-rayPhotoelectronSpectrometer●透射电子显微镜（TEM）

TransmissionElectronMicroscopy●能量弥散谱仪（EDX）和波长弥散谱仪（WDX）●聚焦离子束（FIB）

FocusingIonBeam一.二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。

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）受质量因素的干扰；（2）离子产率受基质的影响；（3）离子产率变化较大，可达106的差异；（4）需要各种标准品来作定量分析；（5）需要平坦的表面进行分析；（6）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（Sputtering），容易造成表面的改变或破损，属于破坏性的分析技术。二.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_10-6N），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（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

光学表面形貌仪例6：光学表面形貌仪的粗糙度分析三.俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪（AES）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。俄歇电子只占样本中产生的总电子量的一小部分（<0.1%）。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。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He元素不能被探测。俄歇电子易于被样本吸收，只有表面外部单层的电子逃逸并别检测，使得俄歇技术特别适合分析通常是2nm厚的材料表面。俄歇电子能谱仪及谱图四.X射线光电能谱仪XPS是用X射线光子激发原子的内层电子发生电离，产生光电子，这些内层能级的结合能对特定的元素具有特定的值，因此通过测定电子的结合能和谱峰强度，可鉴定除H和He（因为它们没有内层能级）之外的全部元素以及元素的定量分析。XPS分析大约2nm的样本厚度。

例7：Ni-P合金的Ni2p3/2XPS谱a清洁表面；b1barO2、403K氧化1小时金属态的镍Ni较高氧化态的镍Ni3+五.透射电子显微镜

TEM的工作原理与SEM类似，差别是发射的电子束穿过超薄的样片（10到100nm的数量级），然后被收集形成图像。例8：硫化银纳米粒子的TEM和SEM图像对比例9：浅槽隔离工艺中缺角的TEM图像集成电路中，在有源区和被填充的隔离沟槽之间会出现一个divot（缺角）。在浅槽隔离（STI）工艺的化学机械抛光模块中，沿着SiO2/Si界面出现的机械应力通常会导致缺角的产生。在后续的硅化物工艺步骤中，硅化物会在缺角内部生长并形成枝状晶体，从而为载流子提供泄漏到掺杂区之外的路径。