半导体膜厚缺陷测试技术

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1、测量学和缺陷检测现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30测量学和缺陷检测从硅片制造的最初阶段就开始进行检查。半导体生产的熟练工人在简单观察硅片表面的氧化物薄膜后就能预测相应的薄膜厚度。无论氧化薄膜出现何种色泽，都可以与比色表对比，比色表时由每种色泽相结合的不同膜厚的一片片硅片组成的。硅片工艺流程的检查技术经历了重大的改变。特征尺寸不断缩小，现在缩小到0.25um以下。同时，在硅片上的芯片密度不断增加。每一步都决定着成功还是失败的关

2、键问题：沾污、结深、薄膜的质量等。另外，新材料和工艺的引入都会带来芯片失效的新问题。测量对于描绘硅片的特性与检查其成品率非常关键。为了维持良好的工艺生产能力并提高器件的特性，硅片制造厂已提高了对工艺参数的控制，并减少了在制造中缺陷的来源。测量学是关于确定尺寸、数量和容积的测量的科学。测量学指的是在工艺流程中为了确定硅片的物理和电学特性的技术与过程。用于制造中的测量学使用测试设备和传感器来收集并分析关于硅片参数和缺陷的数据。缺陷是指导致不符合硅片规范要求的硅片特性或硅片制造工艺的结果。硅片的缺陷密度是指硅片表面单位面积的缺陷数，

3、通常以cm2为单位。硅片缺陷按类型和尺寸来划分。制造人员应用测量学以确保产品性能，并做出关系到改善工艺性能的有意义的决定。对硅片性能的精确评估必须贯穿于制造工艺，以验证产品满足规范要求。要达到这一点，在硅片制造的每一工艺步骤都有严格的质量测量，为使芯片通过电学测试并满足使用中的可靠性规范，质量测量定义了每一步需求的要求。质量测量要求在测试样片或生产硅片上大量收集数据以说明芯片生产的工艺满足要求。集成电路测量学集成电路测量学使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

4、的方法。无图形的表面测试系统为进行在线工具的监控，许多半导体制造厂已经开始使用生产的硅片，有时是用有图形的硅片（见图）。用实际生产硅片模拟更接近工艺流水中发生的情况，为制造团队成员做出决定提供了更好的信息。监控片与有图形的硅片测量设备在硅片制造中，用于性能测量的测量学设备有不同的类型。区分这些设备最主要的方法是看这些设备怎样运作，是与工艺分离的独立测试工具还是与工艺设备集成在一起的测量学设备。表1展示了测量设备的两种主要分类。独立的测试设备进行测量学测试时，不依附于工艺。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

5、的一部分其作用并发生实时数据。成品率成品率时一个硅片工厂生产高质量管芯能力的重要标志。成品率定义为产出的合格部分于整个部分的百分比。例如，在一个硅片有200个管芯，其中190个是合格的，那么硅片的成品率就是：计算成品率有不同的方法。一种测量成品率的方法涉及一个时期产出的那部分类型。对应于半导体生产的某一特定工艺的成品率也能进行测量，如在刻蚀工艺中管芯的成品率。对于半导体制造来说重要的成品率测量是硅片的品质成品率，它标志着功能测试之后合格管芯的百分比。成品率广泛用于半导体生产，用它来反映工艺流程是否正常。高的成品率标准着工艺生产

6、的产品合格并按设想进行。低的成品率说明在产品设计和制造中有质量问题，必须进行改进予以解决。质量测量在整个硅片生产工艺中有许多质量测量，说明了集成电路工艺测量学的广泛性。通过电学测量，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。表中展示了主要的质量测量，包括每一步进行测量的工艺部分。半导体制造商为使其产品在工艺的每一步都符合精确的要求，制定了特殊的质量测量规范。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。为生产可靠的管芯，这些薄

7、膜的质量是高成品率制造工艺的基础。膜的关键质量参数是它们的厚度。膜厚测量可以划分为两个基本类型：它们或是测量不透明（遮光物，如金属）薄膜或是透明薄膜。在一些情况下，例如栅氧化电介质，膜的厚度必须精确到1埃（Å）或者更小来测试。膜的其他质量参数包括表面粗糙度、反射率、密度以及缺少针孔和空洞。电阻率和薄层电阻（方块电阻）估算导电膜厚度一种最实用的方法是测量方块电阻Rs。薄层电阻（Rs）可以理解为在硅片上正方形薄膜两端之间的电阻。它与薄膜的电阻率和厚度有关。方块电阻与正方形薄层的尺寸无关。测量方块电阻时，相同厚度等距离的两点间会得到

8、相同的电阻。基于这一原因，Rs的单位为欧姆/□（Ω/□）。方块电阻（不透明薄层）方块电阻间接用于测量淀积在绝缘衬底的不透明导电膜的厚度，例如金属、硅化物或半导体膜。只要薄层大且探针的间距小，方块电阻（Rs）就可由下式得到：椭偏仪（透明薄膜）椭偏仪是非破坏性、非接触的光学薄膜厚