第5章-测量学和缺陷检查讲诉课件.ppt

1、 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，需要样片样片、测量设备测量设备和分析分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。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

2、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。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

3、生产区的质量测量在硅片制造生产区的质量测量 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)slRaraw tsRtr 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。椭偏仪椭偏仪 椭偏仪的基本原理椭偏仪的基本原理LaserFilterPolarizerQuarter wave plateF

4、ilm being measuredAnalyzerDetectorq 椭偏仪椭偏仪 实物照片实物照片 光声法膜厚测量光声法膜厚测量Detection laser beamHigh outputEcho 2Echo 1Change in surface reflectivity(d)Echo 1Detection laser beamNominal output(c)Detection laser beamNominal output(b)HeatSound waveOptical detectorPump laser beamLow output(a)硅片中的应力分布硅片中的应力分布薄膜应力

5、通常用圆片在淀积前后的弯曲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：变化来测量。膜应力由下式给出：2213ETtR其中，其中，是泊松比是泊松比，E是杨氏弹性模量，是杨氏弹性模量，是是圆片中心的弯曲量，圆片中心的弯曲量，t是薄膜厚度，是薄膜厚度，R为圆片为圆片半径，半径，T是圆片厚度。是圆片厚度。淀积膜淀积膜硅片硅片 例例1 利用激光干涉测量分析硅片键合后的表面翘曲利用激光干涉测量分析硅片键合后的表面翘曲 例例1 表面翘曲的干涉条文图样分布表面翘曲的干涉条文图样分布 折射率折射率nIndex of Refraction,n=sin qi/sin qr nExamples o

6、f n:air=1.00SiO2=1.46diamond=2.12Air(n 1.0)SiO2(n 1.46)Fast mediumSlow mediumAir(n 1.0)Glass(n 1.5)Fast mediumSlow mediumThermal Wave System for Measuring Dopant ConcentrationProbe laser(HeNe)Pump laser(Argon)Thermal wave signal detectorX-Y stageWaferTwo-way mirrorTwo-way mirror 扩展电阻探针（扩展电阻探针（SRP）Pr

7、obe laser(HeNe)Pump laser(Argon)Thermal wave signal detectorX-Y stageWaferTwo-way mirrorTwo-way mirror光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃照相底板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

8、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的工作原理的工作原理局限性：局限性：n 需要高真空；n 成像前需要用导电薄膜覆盖绝缘的样本。例例2 晶体管的晶体管的SEM图像图像 台阶覆盖台阶覆盖共型台阶覆盖非共型台阶覆盖(空洞)表面形貌仪表面形貌仪CRTProximity sensorStylus motionStylusX-Y StageDirection of scan Wafer surfaceLinear drive unitControl electronicsAmp+5V-5V+24 VDI 套准精度

9、检查图形套准精度检查图形MisregistratonX1 X2,Y1 Y2X1X2Y1Y2Ideal overlay registratonX1=X2,Y1=Y2X1X2Y1Y2C-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电源氧化层在在n型硅中的电压漂移

10、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 接触角接触角接触角小滴衬底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

11、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

12、。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。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

13、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。光学表面形貌仪光学表面形貌仪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。nXPS 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。nXPS分析大约2nm的样本厚度。a a 清洁表面；清洁表面；b 1barOb 1barO2 2、403K403K氧化氧化1 1小时小时金属态的镍金

14、属态的镍Ni较较高高氧氧化化态态的的镍镍NiNi3+3+TEM的工作原理与的工作原理与SEM类似，类似，差别是发射的电子束穿过超薄的差别是发射的电子束穿过超薄的样片（样片（10到到100nm的数量级），的数量级），然后被收集形成图像。然后被收集形成图像。例例8：硫化银硫化银纳米粒纳米粒 子的子的TEM和和SEM图图像对比像对比 能量弥散谱仪（EDX）是为识别元素使用的最广的X射线探测方法，并且是对SEM的补充。它在样本表面穿透性很好，所以不能被看作是表面分析。EDX的工作原理基于高质量的掺杂硅做的大二极管，并由薄的铍窗（约25um）与SEM真空隔离。X射线通过窗口产生一系列电子空穴对，能根据X

15、射线的能及探测到并识别。波长弥散谱仪（WDX）是根据衍射晶格和光计数器的原理工作。晶体根据波长分离并分散入射的X射线，这些射线之后在光计数器中被收集。WDX测量缓慢，但是准确率极高。能量弥散谱仪（能量弥散谱仪（EDX）薄铍窗光电子路径SiSiKaSi(Li)晶体H.V.偏压至放大器X射线电子空穴对Si(Li)探测器r放大器窗口能量SiP 聚焦离子束（聚焦离子束（FIB）铣）铣FIB 束环氧粘贴在栅格上的样本栅格由FIB束铣的样本TEM束 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工的工作原理是基于量子力学中的作原理是基于量子力学中的隧道效应。隧

16、道效应。对于经典物理学来说，当对于经典物理学来说，当一个粒子的动能一个粒子的动能E低于前方势低于前方势垒的高度垒的高度V0时，它不可能越时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。这个现象称为隧道效应。STM是将原子线度的极细的探针和被研究物质的表面作是将原子线度的极细的探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品和针尖的距离非常接近时（通常小于为两个电极，当样品和针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。隧道电流势垒流向另一电极。隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的是针尖的电子波函数与样品的电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间的距离电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间的距离S有关。有关。