第五章

測(cè)量學(xué)和缺陷檢查

第五章

測(cè)量學(xué)和缺陷檢查15.1集成電路測(cè)量學(xué)

集成電路測(cè)量學(xué)是測(cè)量制造工藝的性能以確保達(dá)到質(zhì)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一種必要的方法。為了完成這種測(cè)量，需要樣片、測(cè)量設(shè)備和分析數(shù)據(jù)的方法。傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)是在監(jiān)控片(又稱樣片)上收集，樣片是空白（或無圖形）的硅片，包含在工藝流程中，專門為表征工藝的特性。而使用實(shí)際生產(chǎn)硅片模擬更接近在工藝流程中發(fā)生的情況，可以提供更好的信息。5.1集成電路測(cè)量學(xué)集成電路測(cè)量學(xué)是測(cè)2無圖形的表面測(cè)試系統(tǒng)PhotographcourtesyofKLA-Tencor無圖形的表面測(cè)試系統(tǒng)Photographcourtesy3

監(jiān)控片與有圖形的硅片PatternedwaferMonitorwafer監(jiān)控片與有圖形的硅片Patterne4

用于性能測(cè)量的測(cè)量設(shè)備有不同的類型，分為與工藝分離的獨(dú)立測(cè)試設(shè)備和與工藝設(shè)備集成在一起的測(cè)量設(shè)備。獨(dú)立的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量學(xué)測(cè)試時(shí)，不依附于工藝，但通常對(duì)硅片有破壞性或沾污。集成的測(cè)量儀器具有傳感器，這些傳感器允許測(cè)試工具作為工藝的一部分起作用并發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。用于性能測(cè)量的測(cè)量設(shè)備有不同的類型，分為與工5

成品率定義為產(chǎn)出產(chǎn)品的合格數(shù)量與整體數(shù)量的百分比。成品率是一個(gè)硅片工廠生產(chǎn)高質(zhì)量管芯能力的重要標(biāo)志。為了查出不同缺陷怎樣影響硅片的成品率，缺陷分析應(yīng)該能區(qū)分出隨機(jī)因素和非隨機(jī)因素，并能與電學(xué)和其他測(cè)試數(shù)據(jù)相聯(lián)系。成品率定義為產(chǎn)出產(chǎn)品的合格數(shù)量與整體數(shù)量的百65.2質(zhì)量測(cè)量

在整個(gè)硅片生產(chǎn)工藝中有許多質(zhì)量測(cè)量。為使產(chǎn)品在工藝的每一步都符合精確的要求，半導(dǎo)體質(zhì)量測(cè)量定義了硅片制造的規(guī)范要求，以確保滿足器件的性能和可靠性。表5.1展示了每一步工藝后主要的質(zhì)量測(cè)量。5.2質(zhì)量測(cè)量在整個(gè)硅片生產(chǎn)工藝中有許7表5.1在硅片制造生產(chǎn)區(qū)的質(zhì)量測(cè)量表5.1在硅片制造生產(chǎn)區(qū)的質(zhì)8一．膜厚

由于硅片工藝是成膜工藝，在整個(gè)制造工藝中硅片表面有多種類型不同的膜。這些不同類型的膜有金屬、絕緣體、光刻膠和多晶硅。它們或是不透明薄膜或是透明薄膜。膜的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)是它們的厚度。

不透明導(dǎo)電膜的厚度可用四探針法來測(cè)量。

WCu一．膜厚WCu9

方形的薄層圖形ltwCross-sectionalarea=w×tR=r(l)a(ohms)方形的薄層圖形ltwCross10

四探針法的原理示意圖WaferRVoltmeterConstantcurrentsourceVIrs=VIx

2ps(ohms-cm)四探針法的原理示意圖WaferRV11t：膜厚ρ：膜電阻率RS：方塊電阻

RS=4.53V/I（Ω/□）

常量4.53是在探針間距很小且膜尺寸無限大的假設(shè)下的修正系數(shù)。t：膜厚12四探針電阻儀四探針電阻儀13

透明薄膜的厚度一般用橢偏儀來測(cè)量。橢偏儀的基本原理是用線性的偏振激光光源，當(dāng)光在樣本中發(fā)生反射時(shí)，變成橢圓的偏振。橢偏儀測(cè)量反射得到的橢圓偏振，并根據(jù)已知的輸入值（例如反射角）精確的確定薄膜的厚度。橢偏儀測(cè)試具有小的測(cè)試點(diǎn)、圖形識(shí)別軟件和高精度的硅片定位特色。

橢偏儀透明薄膜的厚度一般用橢偏儀來測(cè)量。14

橢偏儀的基本原理 LaserFilterPolarizerQuarterwaveplateFilmbeingmeasuredAnalyzerDetectorq橢偏儀的基本原理 LaserFilt15橢偏儀實(shí)物照片橢偏儀16橢偏儀能夠測(cè)量幾十埃量級(jí)厚度的不同類型的薄膜，如可測(cè)量柵的厚度小于40埃。可測(cè)量的材料包括介質(zhì)，金屬和涂覆的聚合物。最基本的要求是膜層為透明或半透明的。薄的金屬層（<500A）被看作是半透膜，可以用橢偏儀測(cè)量。例如銅互連工藝中用到的銅種子層。(厚度大于1000A的金屬層通常被認(rèn)為是不透明的，不能用橢偏儀進(jìn)行測(cè)量。)橢偏儀能夠測(cè)量幾十埃量級(jí)厚度的不同類型的薄膜，如可測(cè)量柵的厚17橢偏儀應(yīng)用：橢偏儀可以被直接集成到工藝設(shè)備中，應(yīng)用于注入刻蝕和平坦化一些領(lǐng)域的原位（實(shí)時(shí)）測(cè)試，可以精確的確定工藝中加工膜厚的終點(diǎn)。橢偏儀應(yīng)用：橢偏儀可以被直接集成到工藝設(shè)備中，應(yīng)用于注入刻蝕18反射光譜學(xué)反射光譜學(xué)是三種基本的光學(xué)測(cè)試技術(shù)之一，另外兩種分別是光學(xué)橢偏儀和光學(xué)顯微鏡。結(jié)構(gòu)的反射經(jīng)常用于描述位于不吸收光的硅片襯底上的吸收光的介質(zhì)層的層厚特性。根據(jù)光在薄膜層頂部和底部反射的關(guān)系，反射儀能夠被用于計(jì)算膜厚。反射光譜學(xué)反射光譜學(xué)是三種基本的光學(xué)測(cè)試技術(shù)之一，另外兩種分19X射線測(cè)量薄膜厚度X射線束能聚焦在表面上，通過X射線熒光技術(shù)（XRF）來測(cè)量膜厚度。當(dāng)X射線射到薄膜時(shí)，吸收的輻射激活薄膜中的電子。當(dāng)受激電子落入低的能態(tài)，就發(fā)射出X射線光子（熒光），光子的能量代表薄膜原子的特性，通過測(cè)量這些X射線光子，就可以確定膜厚。XRF技術(shù)主要用于單層薄膜。X射線測(cè)量薄膜厚度X射線束能聚焦在表面上，通20全反射X光熒光譜儀全反射X光熒光譜儀21光聲技術(shù)光聲技術(shù)是在測(cè)量金屬薄膜方面的最新進(jìn)展，是一種非接觸技術(shù)。根據(jù)入射光的聲學(xué)節(jié)拍，撞擊表面及膜下界時(shí)，產(chǎn)生反彈的回聲。反彈回來的脈沖回聲消耗的時(shí)間可用來計(jì)算薄膜的厚度。光聲技術(shù)光聲技術(shù)是在測(cè)量金屬薄膜方面的最新進(jìn)展，是一種非接觸22

光聲法膜厚測(cè)量DetectionlaserbeamHighoutputEcho2Echo1Changeinsurfacereflectivity(d)Echo1DetectionlaserbeamNominaloutput(c)DetectionlaserbeamNominaloutput(b)HeatSoundwaveOpticaldetectorPumplaserbeamLowoutput(a)光聲法膜厚測(cè)量Detection23二.膜應(yīng)力在通常的制造工藝中，薄膜上可能引入強(qiáng)的局部應(yīng)力。這些應(yīng)力會(huì)造成襯底形變，并產(chǎn)生可靠性問題。用薄層應(yīng)力測(cè)量工具可以測(cè)量這種形變。在薄膜淀積前后，利用掃描激光束技術(shù)或分束激光技術(shù)測(cè)量硅片半徑，繪制硅片應(yīng)力的剖面圖。二.膜應(yīng)力24

硅片中的應(yīng)力分布 硅片中的應(yīng)力分布 25薄膜應(yīng)力通常用圓片在淀積前后的彎曲變化來測(cè)量。膜應(yīng)力由下式給出：其中，ν是泊松比，E是楊氏彈性模量，δ是圓片中心的彎曲量，t是薄膜厚度，R為圓片半徑，T是圓片厚度。δ淀積膜硅片薄膜應(yīng)力通常用圓片在淀積前后的彎曲變化來測(cè)量。膜應(yīng)力由下式給26例1利用激光干涉測(cè)量分析硅片鍵合后的表面翹曲例1利用激光干涉測(cè)量分析硅片鍵合后的表面翹曲27

例1表面翹曲的干涉條文圖樣分布例1表面翹曲的干涉28三.折射率折射是透明物質(zhì)的特性，它表明光通過透明物質(zhì)的彎曲程度。折射率的改變表明薄層中有沾污，并造成厚度測(cè)量不正確。對(duì)于純的二氧化硅折射率是1.46。對(duì)于薄層的折射率可以通過干涉和橢圓偏振技術(shù)來測(cè)量，與用于確定薄膜厚度的橢偏儀相同。三.折射率29

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折射率Index30四.摻雜濃度在硅的一些區(qū)域（如pn結(jié)、外延層、摻雜多晶硅）中雜質(zhì)原子的分布情況直接影響到半導(dǎo)體器件的性能。常用的在線測(cè)量方法是四探針法（用于高摻雜濃度）、熱波系統(tǒng)（用于低摻雜濃度），在生產(chǎn)線外的測(cè)量方面，有二次離子質(zhì)譜儀、擴(kuò)展電阻探針、電容—電壓特性測(cè)試等幾種方法。四.摻雜濃度31熱波系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)離子注入劑量濃度。測(cè)量由于離子注入而在硅片中形成的晶格缺陷。使用方便，有圖形或沒圖形的硅片都可通用。其缺點(diǎn)主要是測(cè)量過程會(huì)導(dǎo)致硅片的損傷，因而需要校正曲線以間接估算摻雜濃度。熱波系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)離子注入劑量濃度。測(cè)量由于離子注入而在32ThermalWaveSystemforMeasuring

DopantConcentrationProbelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirrorThermalWaveSystemforMeasur33擴(kuò)展電阻探針擴(kuò)展電阻探針（SRP）用于測(cè)量摻雜濃度的剖面和電阻率。SRP的弱點(diǎn)是需要熟練的操作者，樣片制備和破壞性的測(cè)試，優(yōu)點(diǎn)是不受結(jié)深限制便能進(jìn)行精確的摻雜濃度測(cè)量。擴(kuò)展電阻探針擴(kuò)展電阻探針（SRP）用于測(cè)量摻雜濃度的剖面和電34

擴(kuò)展電阻探針（SRP）Probelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirror擴(kuò)展電阻探針（SRP）Pr35五.無圖形的表面缺陷

無圖形的硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。后者用做測(cè)試片，在工藝進(jìn)行時(shí)使用以提供工藝條件的特征信息。用于工藝監(jiān)控的無圖形硅片上典型的缺陷包括顆粒、劃傷、裂紋和其他材料缺陷。對(duì)硅片表面的缺陷檢測(cè)分為兩種類型：暗場和亮場的光學(xué)探測(cè)。亮場探測(cè)是用顯微鏡傳統(tǒng)光源，它直接用反射的可見光測(cè)量硅片表面的缺陷。暗場探測(cè)檢查位于硅片表面的缺陷散射出的光，對(duì)檢查微小缺陷非常有用。五.無圖形的表面缺陷36光學(xué)顯微鏡光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板光學(xué)顯微鏡光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板37光學(xué)顯微鏡明場和暗場探測(cè)光學(xué)顯微鏡明場和暗場探測(cè)38

硅片檢查系統(tǒng)硅片檢查系統(tǒng)39六.有圖形的表面缺陷工藝過程中對(duì)有圖形硅片的監(jiān)控越來越普遍。在生產(chǎn)硅片上最主要的缺陷是顆粒、劃傷和圖形缺陷。使用光散射技術(shù)在有圖形的硅片上進(jìn)行缺陷檢測(cè)與無圖形的硅片類似。然而測(cè)量設(shè)備必須能夠區(qū)分出是顆粒散射光還是圖形邊緣散射光。六.有圖形的表面缺陷40七.關(guān)鍵尺寸（CD）

關(guān)鍵尺寸測(cè)量的一個(gè)重要原因是要達(dá)到對(duì)產(chǎn)品所有線寬的準(zhǔn)確控制。在CMOS技術(shù)中，晶體管的柵結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。柵寬決定了溝道的長度，而溝道的長度影響了速度。關(guān)鍵尺寸的變化通常顯示半導(dǎo)體制造工藝中一些關(guān)鍵部分的不穩(wěn)定。由于關(guān)鍵尺寸越來越小，能獲得這種測(cè)量水平的儀器是掃描電子顯微鏡（SEM）。七.關(guān)鍵尺寸（CD）41電子顯微鏡是利用電子束對(duì)樣品放大成像的顯微鏡，簡稱電鏡。電鏡的放大倍率可達(dá)百萬，可分辨樣品的最小細(xì)節(jié)為幾個(gè)埃,而光學(xué)顯微鏡的放大倍率不過幾千,其分辨率在理論上不能小于0.2微米。根據(jù)波動(dòng)學(xué)說，運(yùn)動(dòng)著的電子可以看作是一種電子波。電子運(yùn)動(dòng)的速度越高，電子波的波長越短。例如受200千伏高壓加速的電子，其波長僅為0.025埃。電子顯微鏡是利用電子束對(duì)樣品放大成像的顯微鏡，簡稱電鏡。42掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡43SEM的功能是通過產(chǎn)生高度聚焦電子束掃描目標(biāo)，同時(shí)用探測(cè)器測(cè)量最終散射電子。電子槍發(fā)射的電子通過磁聚焦系統(tǒng)，會(huì)聚成2-6nm的束斑，打在試樣上，產(chǎn)生二次電子，背散射電子以及其他電子，X射線和光子。其中最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區(qū)域，其產(chǎn)生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號(hào)。二次電子被收集，產(chǎn)生光電信號(hào)，最后在顯示屏上成像。

SEM的工作原理SEM的功能是通過產(chǎn)生高度聚焦電子束掃描目標(biāo)，同時(shí)用探測(cè)器測(cè)44SEM的優(yōu)點(diǎn)非破壞性，非接觸性的測(cè)量儀器。景深長，獲得的圖像立體感比較強(qiáng)。樣品準(zhǔn)備所需的處理較簡單，不需切薄片。樣品可在腔體內(nèi)作三維平移或旋轉(zhuǎn)，可以從各個(gè)角度觀察。圖像放大范圍廣，分辨率高。局限性：需要高真空；成像前需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋絕緣的樣本。SEM的優(yōu)點(diǎn)非破壞性，非接觸性的測(cè)量儀器。局限性：45溝道長度為0.15微米的晶體管

柵長為90納米的柵圖形照片例2晶體管的SEM圖像溝道長度為0.15微米的晶體管柵長為90納米的柵圖形照片46例3半導(dǎo)體加工中的SEM缺陷照片例3半導(dǎo)體加工中的SEM缺陷照片47例4：微加工結(jié)構(gòu)的SEM圖片例4：微加工結(jié)構(gòu)的SEM圖片48八.臺(tái)階覆蓋

硅片制造中形成表面形貌，因此取得好的臺(tái)階覆蓋能力是材料的必要特征。良好的臺(tái)階覆蓋要求有厚度均勻的材料覆蓋于臺(tái)階的全部區(qū)域，包括側(cè)墻和拐角。（圖5.4）一種高分辨帶觸針的非破壞性形貌儀常用來測(cè)量臺(tái)階覆蓋和硅片表面的其他特征。八.臺(tái)階覆蓋49

臺(tái)階覆蓋

共型臺(tái)階覆蓋非共型臺(tái)階覆蓋(空洞)臺(tái)階覆蓋 共型50

表面形貌儀CRTProximitysensorStylusmotionStylusX-YStageDirectionofscanWafersurfaceLineardriveunitControlelectronicsAmp+5V-5V+24VDI表面形貌儀CRTPro51表面輪廓儀（SurfaceProfiler）表面輪廓儀（SurfaceProfiler）52九.套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)精度使用在光刻工藝之后，測(cè)量光刻機(jī)和光刻膠圖形與硅片前面刻蝕圖形的套刻的能力。測(cè)量套準(zhǔn)精度的主要方法是相干探測(cè)顯微鏡（CPM）。九.套準(zhǔn)精度53

套準(zhǔn)精度檢查圖形MisregistratonX1>X2,Y1>Y2X1X2Y1Y2IdealoverlayregistratonX1=X2,Y1=Y2X1X2Y1Y2套準(zhǔn)精度檢查圖形Misregi54十.電容—電壓（C-V）測(cè)試

MOS器件的可靠性高度依賴于柵結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的氧化薄層。柵氧化層區(qū)域的沾污可能導(dǎo)致正常的閾值電壓的漂移，通常做C-V特性以檢測(cè)氧化步驟后的離子污染。另外，C-V特性測(cè)試提供了柵氧化層完整性的信息，包括介質(zhì)厚度、介電常數(shù)（k）、電極之間硅的電阻率（表征多數(shù)載流子的濃度）以及平帶電壓（在氧化層結(jié)構(gòu)中沒有電勢(shì)差的電壓）。十.電容—電壓（C-V）測(cè)試55C-V測(cè)試的步驟第一步是在被測(cè)氧化層的金屬接觸面與氧化層下方輕摻雜的硅之間施以可變的電壓偏置，目的是將金屬區(qū)域正下方的硅中的多數(shù)載流子耗盡。在測(cè)試中畫出電容電壓關(guān)系曲線。第二步將硅片加熱到300攝氏度保持5分鐘，同時(shí)在金屬區(qū)域加恒定正電壓，然后冷卻，移去偏置，這一步是通過升溫增加沾污離子的遷移率，并通過正電壓偏置排斥正離子，將其驅(qū)趕到氧化物和硅的界面。C-V測(cè)試的步驟第一步是在被測(cè)氧化層的金屬接觸面與氧化層下方56C-V測(cè)試的建立和繪圖氧化層電容儀電源測(cè)量每個(gè)偏壓對(duì)應(yīng)的電容設(shè)置范圍從-5V到+5V，以1V為間隔N型硅金屬金屬C-V測(cè)試的建立和繪圖氧化層電容儀電源測(cè)量每個(gè)偏壓對(duì)應(yīng)的電57n型硅的電容與電壓的關(guān)系-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏壓0電容N型硅的C-V曲線Cmaxn型硅的電容與電壓的關(guān)系-2-3-5-4-10+1+2+3+58在C-V測(cè)試中離子電荷的采集

N-typesiliconMetalAl+++++++++++++++++++++溫度范圍近似200-300°C電源氧化層在C-V測(cè)試中離子電荷的采集 N-typesiliconM59第三步是重復(fù)第一步的C-V曲線圖。如果在Si與SiO2界面有聚集的正離子沾污，要使電容中的電荷相等就要求施加更負(fù)的電壓。第三步的曲線與第一步曲線的偏差就是電壓漂移（Vs），可以通過它來計(jì)算氧化物中沾污離子的數(shù)量。最后一步是驗(yàn)證。加熱襯底使沾污離子離開硅與二氧化硅的界面，再次進(jìn)行C-V測(cè)試，如果產(chǎn)生最初的圖形，證明電壓漂移是沾污離子產(chǎn)生的而不是氧化物充電。第三步是重復(fù)第一步的C-V曲線圖。如果在Si與SiO2界面有60在n型硅中的電壓漂移0-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏壓電容N型硅的C-V曲線CminDV在n型硅中的電壓漂移0-2-3-5-4-10+1+2+3+461十一.接觸角度

接觸角度儀用于測(cè)量液體與硅片表面的粘附性，并計(jì)算表面能或粘附性力。這種測(cè)量表征了硅片表面的參數(shù)，比如疏水性、清潔度、光潔度和粘附性（見圖5.5）。十一.接觸角度62

接觸角接觸角小滴襯底接觸角接觸角小滴63視頻光學(xué)接觸角測(cè)量儀視頻光學(xué)接觸角測(cè)量儀645.3分析設(shè)備本節(jié)介紹支持硅片生產(chǎn)的主要分析設(shè)備，這些分析儀提供高度精確的硅片測(cè)量，它們通常位于生產(chǎn)區(qū)外的實(shí)驗(yàn)室，以決決生產(chǎn)問題。5.3分析設(shè)備本節(jié)介紹支持硅片生產(chǎn)的主要分65●二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）SecondIonMassSpectrometer●飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）TimeofFlying-SIMS●原子力顯微鏡（AFM）

AtomForceMicroscopy●俄歇電子能譜儀（AES）AugerElectronSpectrometer●X射線光電能譜儀（XPS）X-rayPhotoelectronSpectrometer●透射電子顯微鏡（TEM）TransmissionElectronMicroscopy●能量彌散譜儀（EDX）和波長彌散譜儀（WDX）●聚焦離子束（FIB）FocusingIonBeam●二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）66一.二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器和離子探測(cè)器組成。它的基本原理是在超真空狀況下用高能量離子或中子束轟擊試樣表面然后分析所產(chǎn)生的二次離子成份和含量。在電場下聚焦的高能離子束被引導(dǎo)在分析樣品表面微區(qū)上掃描。在掃描中濺射出來的粒子含量和速率取決于高能離子的能量、質(zhì)量及強(qiáng)度、以及樣品本身的物理化學(xué)性質(zhì)。濺射出來的粒子中只有小部分被電離而形成二次離子質(zhì)譜分析中的二次離子。由此產(chǎn)生的二次離子在加速到質(zhì)譜儀的過程中按照它們的質(zhì)量與電荷比率分離出來。在此過程中所收集的二次離子的密度被轉(zhuǎn)換成濃度曲線。一.二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器和離子67二次離子質(zhì)譜分析能夠分辨元素周期表中的所有元素、包括他們的同位素。二次離子質(zhì)譜分析對(duì)大多數(shù)元素的靈敏度可達(dá)百萬分之一以下、某些元素可達(dá)十億分之一以下。二次離子質(zhì)譜分析的主要特征是：

*探測(cè)從H到U的所有元素*微量元素分析達(dá)到0.1ppb-0.1ppm的水平*依據(jù)標(biāo)樣的定量分析*深度分辨率~10nm*小區(qū)域分析(<25um)*單層深度信息*同位素測(cè)量二次離子質(zhì)譜分析能夠分辨元素周期表中的所有元素、包括他們的同68當(dāng)樣品表面逐漸地被入射離子束侵蝕剝離時(shí)、記錄下的二次離子連續(xù)譜線則形成從樣品表面的深度剖面。二次離子強(qiáng)度可通過由標(biāo)樣測(cè)定獲得的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。樣品刻蝕深度則通過輪廓曲線儀測(cè)定。。二者所共同產(chǎn)生的結(jié)果便是二次離子質(zhì)譜分析的深度剖面。

SIMS可以鑒別出劑量和結(jié)深同時(shí)指出結(jié)出任何不滿足要求的金屬雜質(zhì)，因此成為驗(yàn)證離子注入機(jī)性能的主要工具。當(dāng)樣品表面逐漸地被入射離子束侵蝕剝離時(shí)、記錄下的二次離子連續(xù)69SIMS的缺點(diǎn)

（1）受質(zhì)量因素的干擾；（2）離子產(chǎn)率受基質(zhì)的影響；（3）離子產(chǎn)率變化較大，可達(dá)106的差異；（4）需要各種標(biāo)準(zhǔn)品來作定量分析；（5）需要平坦的表面進(jìn)行分析；（6）因?yàn)殡x子束比電子束具有更大的動(dòng)能，撞擊材料表面時(shí)會(huì)造成濺射（Sputtering），容易造成表面的改變或破損，屬于破壞性的分析技術(shù)。SIMS的缺點(diǎn)（1）受質(zhì)量因素的干擾；70二.原子力顯微鏡

它的工作原理是將一個(gè)對(duì)微弱力及敏感的微懸臂（cantilever）一端固定，另一端有一微小的針尖與樣品的表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在及微弱的排斥力，即原子范德華力（10-8_10-6N），通過懸臂另一端的壓電驅(qū)動(dòng)部件，在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。。激光束從探針針尖頂上的表面反射，直接照到光敏二極管上。，可以測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，產(chǎn)生表面形貌的電子圖形。

原子力顯微鏡（AFM）是一種表面形貌儀。用一個(gè)較小的平衡探針頭掃描硅片表面產(chǎn)生三維的表面圖形。二.原子力顯微鏡它的工作原理是將一個(gè)對(duì)微71第5章測(cè)量學(xué)和缺陷檢查課件72原子力顯微鏡及圖像原子力顯微鏡及圖像73

光學(xué)表面形貌儀光學(xué)表面形貌儀74例6：光學(xué)表面形貌儀的粗糙度分析例6：光學(xué)表面形貌儀的粗糙度分析75第5章測(cè)量學(xué)和缺陷檢查課件76三.俄歇電子能譜儀俄歇電子能譜儀（AES）測(cè)量入射電子束照射樣本時(shí)，樣本表面發(fā)射的俄歇電子的能量。俄歇電子只占樣本中產(chǎn)生的總電子量的一小部分（<0.1%）。俄歇電子的能量提供了母體原子的情況，主要用于樣本元素的識(shí)別。俄歇過程至少有兩個(gè)能級(jí)和三個(gè)電子參與，所以氫原子和氦原子不能產(chǎn)生俄歇電子，也就是說H和He元素不能被探測(cè)。俄歇電子易于被樣本吸收，只有表面外部單層的電子逃逸并別檢測(cè)，使得俄歇技術(shù)特別適合分析通常是2nm厚的材料表面。三.俄歇電子能譜儀俄歇電子能譜儀（AES）測(cè)量入射電子束77俄歇電子能譜儀及譜圖俄歇電子能譜儀及譜圖78四.X射線光電能譜儀XPS是用X射線光子激發(fā)原子的內(nèi)層電子發(fā)生電離，產(chǎn)生光電子，這些內(nèi)層能級(jí)的結(jié)合能對(duì)特定的元素具有特定的值，因此通過測(cè)定電子的結(jié)合能和譜峰強(qiáng)度，可鑒定除H和He（因?yàn)樗鼈儧]有內(nèi)層能級(jí)）之外的全部元素以及元素的定量分析。XPS分析大約2nm的樣本厚度。四.X射線光電能譜儀XPS是用X射線光子激發(fā)原子的內(nèi)層79

例7：Ni-P合金的Ni2p3/2XPS譜a清潔表面；b1barO2、403K氧化1小時(shí)金屬態(tài)的鎳Ni較高氧化態(tài)的鎳Ni3+例7：Ni-P合金的Ni2p3/2XPS譜a清潔表面80五.透射電子顯微鏡

TEM的工作原理與SEM類似，差別是發(fā)射的電子束穿過超薄的樣片（10到100nm的數(shù)量級(jí)），然后被收集形成圖像。五.透射電子顯微鏡TEM的工作原理與SEM類81例8：硫化銀納米粒子的TEM和SEM圖像對(duì)比例8：硫化銀納米粒子的TEM和SEM圖像對(duì)比82例9：淺槽隔離工藝中缺角的TEM圖像集成電路中，在有源區(qū)和被填充的隔離溝槽之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)divot（缺角）。例9：淺槽隔離工藝中缺角的TEM圖像集成電路中，83在淺槽隔離（STI）工藝的化學(xué)機(jī)械拋光模塊中，沿著SiO2/Si界面出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力通常會(huì)導(dǎo)致缺角的產(chǎn)生。在后續(xù)的硅化物工藝步驟中，硅化物會(huì)在缺角內(nèi)部生長并形成枝狀晶體，從而為載流子提供泄漏到摻雜區(qū)之外的路徑。當(dāng)然，這一般會(huì)引起器件失效。深的缺角會(huì)對(duì)電路的速度和低功耗性能造成相當(dāng)不利影響，從而迫使CMOS器件制造商需要對(duì)這種異常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的深度進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)視。

在淺槽隔離（STI）工藝的化學(xué)機(jī)械拋光模塊中，沿著SiO2/84六.能量彌散譜儀和波長彌散譜儀

能量彌散譜儀（EDX）是為識(shí)別元素使用的最廣的X射線探測(cè)方法，并且是對(duì)SEM的補(bǔ)充。它在樣本表面穿透性很好，所以不能被看作是表面分析。EDX的工作原理基于高質(zhì)量的摻雜硅做的大二極管，并由薄的鈹窗（約25um）與SEM真空隔離。X射線通過窗口產(chǎn)生一系列電子－空穴對(duì)，能根據(jù)X射線的能及探測(cè)到并識(shí)別。波長彌散譜儀（WDX）是根據(jù)衍射晶格和光計(jì)數(shù)器的原理工作。晶體根據(jù)波長分離并分散入射的X射線，這些射線之后在光計(jì)數(shù)器中被收集。WDX測(cè)量緩慢，但是準(zhǔn)確率極高。六.能量彌散譜儀和波長彌散譜儀能量彌散譜儀（85

能量彌散譜儀（EDX）薄鈹窗光電子路徑SiSiKaSi(Li)晶體H.V.偏壓至放大器X射線電子空穴對(duì)Si(Li)探測(cè)器r放大器窗口能量SiP能量彌散譜儀（EDX）薄鈹窗光電子86七.聚焦離子束聚焦離子束（FIB）類似于SEM是破壞性的技術(shù)，不同的是主要的束流由Ga＋離子代替了電子。FIB能割開金屬，多晶硅和氮化物的層，刻出10到100nm厚的橫斷面以供電鏡觀察。七.聚焦離子束聚焦離子束（FIB）類似于SEM是破壞性的87

聚焦離子束（FIB）銑

FIB束環(huán)氧粘貼在柵格上的樣本柵格由FIB束銑的樣本TEM束聚焦離子束（FIB）銑 FIB束環(huán)氧粘貼88附：掃描隧道顯微鏡（STM）掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。

附：掃描隧道顯微鏡（STM）掃描隧道顯微鏡(Sca89STM是將原子線度的極細(xì)的探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品和針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)與樣品的電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間的距離S有關(guān)。STM是將原子線度的極細(xì)的探針和被研究物質(zhì)的表90第5章測(cè)量學(xué)和缺陷檢查課件91例10：標(biāo)準(zhǔn)石墨樣品的STM例10：標(biāo)準(zhǔn)石墨樣品的STM92第五章

測(cè)量學(xué)和缺陷檢查

第五章

測(cè)量學(xué)和缺陷檢查935.1集成電路測(cè)量學(xué)

集成電路測(cè)量學(xué)是測(cè)量制造工藝的性能以確保達(dá)到質(zhì)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一種必要的方法。為了完成這種測(cè)量，需要樣片、測(cè)量設(shè)備和分析數(shù)據(jù)的方法。傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)是在監(jiān)控片(又稱樣片)上收集，樣片是空白（或無圖形）的硅片，包含在工藝流程中，專門為表征工藝的特性。而使用實(shí)際生產(chǎn)硅片模擬更接近在工藝流程中發(fā)生的情況，可以提供更好的信息。5.1集成電路測(cè)量學(xué)集成電路測(cè)量學(xué)是測(cè)94無圖形的表面測(cè)試系統(tǒng)PhotographcourtesyofKLA-Tencor無圖形的表面測(cè)試系統(tǒng)Photographcourtesy95

監(jiān)控片與有圖形的硅片PatternedwaferMonitorwafer監(jiān)控片與有圖形的硅片Patterne96

用于性能測(cè)量的測(cè)量設(shè)備有不同的類型，分為與工藝分離的獨(dú)立測(cè)試設(shè)備和與工藝設(shè)備集成在一起的測(cè)量設(shè)備。獨(dú)立的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量學(xué)測(cè)試時(shí)，不依附于工藝，但通常對(duì)硅片有破壞性或沾污。集成的測(cè)量儀器具有傳感器，這些傳感器允許測(cè)試工具作為工藝的一部分起作用并發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。用于性能測(cè)量的測(cè)量設(shè)備有不同的類型，分為與工97

成品率定義為產(chǎn)出產(chǎn)品的合格數(shù)量與整體數(shù)量的百分比。成品率是一個(gè)硅片工廠生產(chǎn)高質(zhì)量管芯能力的重要標(biāo)志。為了查出不同缺陷怎樣影響硅片的成品率，缺陷分析應(yīng)該能區(qū)分出隨機(jī)因素和非隨機(jī)因素，并能與電學(xué)和其他測(cè)試數(shù)據(jù)相聯(lián)系。成品率定義為產(chǎn)出產(chǎn)品的合格數(shù)量與整體數(shù)量的百985.2質(zhì)量測(cè)量

在整個(gè)硅片生產(chǎn)工藝中有許多質(zhì)量測(cè)量。為使產(chǎn)品在工藝的每一步都符合精確的要求，半導(dǎo)體質(zhì)量測(cè)量定義了硅片制造的規(guī)范要求，以確保滿足器件的性能和可靠性。表5.1展示了每一步工藝后主要的質(zhì)量測(cè)量。5.2質(zhì)量測(cè)量在整個(gè)硅片生產(chǎn)工藝中有許99表5.1在硅片制造生產(chǎn)區(qū)的質(zhì)量測(cè)量表5.1在硅片制造生產(chǎn)區(qū)的質(zhì)100一．膜厚

由于硅片工藝是成膜工藝，在整個(gè)制造工藝中硅片表面有多種類型不同的膜。這些不同類型的膜有金屬、絕緣體、光刻膠和多晶硅。它們或是不透明薄膜或是透明薄膜。膜的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)是它們的厚度。

不透明導(dǎo)電膜的厚度可用四探針法來測(cè)量。

WCu一．膜厚WCu101

方形的薄層圖形ltwCross-sectionalarea=w×tR=r(l)a(ohms)方形的薄層圖形ltwCross102

四探針法的原理示意圖WaferRVoltmeterConstantcurrentsourceVIrs=VIx

2ps(ohms-cm)四探針法的原理示意圖WaferRV103t：膜厚ρ：膜電阻率RS：方塊電阻

RS=4.53V/I（Ω/□）

常量4.53是在探針間距很小且膜尺寸無限大的假設(shè)下的修正系數(shù)。t：膜厚104四探針電阻儀四探針電阻儀105

透明薄膜的厚度一般用橢偏儀來測(cè)量。橢偏儀的基本原理是用線性的偏振激光光源，當(dāng)光在樣本中發(fā)生反射時(shí)，變成橢圓的偏振。橢偏儀測(cè)量反射得到的橢圓偏振，并根據(jù)已知的輸入值（例如反射角）精確的確定薄膜的厚度。橢偏儀測(cè)試具有小的測(cè)試點(diǎn)、圖形識(shí)別軟件和高精度的硅片定位特色。

橢偏儀透明薄膜的厚度一般用橢偏儀來測(cè)量。106

橢偏儀的基本原理 LaserFilterPolarizerQuarterwaveplateFilmbeingmeasuredAnalyzerDetectorq橢偏儀的基本原理 LaserFilt107橢偏儀實(shí)物照片橢偏儀108橢偏儀能夠測(cè)量幾十埃量級(jí)厚度的不同類型的薄膜，如可測(cè)量柵的厚度小于40埃。可測(cè)量的材料包括介質(zhì)，金屬和涂覆的聚合物。最基本的要求是膜層為透明或半透明的。薄的金屬層（<500A）被看作是半透膜，可以用橢偏儀測(cè)量。例如銅互連工藝中用到的銅種子層。(厚度大于1000A的金屬層通常被認(rèn)為是不透明的，不能用橢偏儀進(jìn)行測(cè)量。)橢偏儀能夠測(cè)量幾十埃量級(jí)厚度的不同類型的薄膜，如可測(cè)量柵的厚109橢偏儀應(yīng)用：橢偏儀可以被直接集成到工藝設(shè)備中，應(yīng)用于注入刻蝕和平坦化一些領(lǐng)域的原位（實(shí)時(shí)）測(cè)試，可以精確的確定工藝中加工膜厚的終點(diǎn)。橢偏儀應(yīng)用：橢偏儀可以被直接集成到工藝設(shè)備中，應(yīng)用于注入刻蝕110反射光譜學(xué)反射光譜學(xué)是三種基本的光學(xué)測(cè)試技術(shù)之一，另外兩種分別是光學(xué)橢偏儀和光學(xué)顯微鏡。結(jié)構(gòu)的反射經(jīng)常用于描述位于不吸收光的硅片襯底上的吸收光的介質(zhì)層的層厚特性。根據(jù)光在薄膜層頂部和底部反射的關(guān)系，反射儀能夠被用于計(jì)算膜厚。反射光譜學(xué)反射光譜學(xué)是三種基本的光學(xué)測(cè)試技術(shù)之一，另外兩種分111X射線測(cè)量薄膜厚度X射線束能聚焦在表面上，通過X射線熒光技術(shù)（XRF）來測(cè)量膜厚度。當(dāng)X射線射到薄膜時(shí)，吸收的輻射激活薄膜中的電子。當(dāng)受激電子落入低的能態(tài)，就發(fā)射出X射線光子（熒光），光子的能量代表薄膜原子的特性，通過測(cè)量這些X射線光子，就可以確定膜厚。XRF技術(shù)主要用于單層薄膜。X射線測(cè)量薄膜厚度X射線束能聚焦在表面上，通112全反射X光熒光譜儀全反射X光熒光譜儀113光聲技術(shù)光聲技術(shù)是在測(cè)量金屬薄膜方面的最新進(jìn)展，是一種非接觸技術(shù)。根據(jù)入射光的聲學(xué)節(jié)拍，撞擊表面及膜下界時(shí)，產(chǎn)生反彈的回聲。反彈回來的脈沖回聲消耗的時(shí)間可用來計(jì)算薄膜的厚度。光聲技術(shù)光聲技術(shù)是在測(cè)量金屬薄膜方面的最新進(jìn)展，是一種非接觸114

光聲法膜厚測(cè)量DetectionlaserbeamHighoutputEcho2Echo1Changeinsurfacereflectivity(d)Echo1DetectionlaserbeamNominaloutput(c)DetectionlaserbeamNominaloutput(b)HeatSoundwaveOpticaldetectorPumplaserbeamLowoutput(a)光聲法膜厚測(cè)量Detection115二.膜應(yīng)力在通常的制造工藝中，薄膜上可能引入強(qiáng)的局部應(yīng)力。這些應(yīng)力會(huì)造成襯底形變，并產(chǎn)生可靠性問題。用薄層應(yīng)力測(cè)量工具可以測(cè)量這種形變。在薄膜淀積前后，利用掃描激光束技術(shù)或分束激光技術(shù)測(cè)量硅片半徑，繪制硅片應(yīng)力的剖面圖。二.膜應(yīng)力116

硅片中的應(yīng)力分布 硅片中的應(yīng)力分布 117薄膜應(yīng)力通常用圓片在淀積前后的彎曲變化來測(cè)量。膜應(yīng)力由下式給出：其中，ν是泊松比，E是楊氏彈性模量，δ是圓片中心的彎曲量，t是薄膜厚度，R為圓片半徑，T是圓片厚度。δ淀積膜硅片薄膜應(yīng)力通常用圓片在淀積前后的彎曲變化來測(cè)量。膜應(yīng)力由下式給118例1利用激光干涉測(cè)量分析硅片鍵合后的表面翹曲例1利用激光干涉測(cè)量分析硅片鍵合后的表面翹曲119

例1表面翹曲的干涉條文圖樣分布例1表面翹曲的干涉120三.折射率折射是透明物質(zhì)的特性，它表明光通過透明物質(zhì)的彎曲程度。折射率的改變表明薄層中有沾污，并造成厚度測(cè)量不正確。對(duì)于純的二氧化硅折射率是1.46。對(duì)于薄層的折射率可以通過干涉和橢圓偏振技術(shù)來測(cè)量，與用于確定薄膜厚度的橢偏儀相同。三.折射率121

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折射率Index122四.摻雜濃度在硅的一些區(qū)域（如pn結(jié)、外延層、摻雜多晶硅）中雜質(zhì)原子的分布情況直接影響到半導(dǎo)體器件的性能。常用的在線測(cè)量方法是四探針法（用于高摻雜濃度）、熱波系統(tǒng)（用于低摻雜濃度），在生產(chǎn)線外的測(cè)量方面，有二次離子質(zhì)譜儀、擴(kuò)展電阻探針、電容—電壓特性測(cè)試等幾種方法。四.摻雜濃度123熱波系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)離子注入劑量濃度。測(cè)量由于離子注入而在硅片中形成的晶格缺陷。使用方便，有圖形或沒圖形的硅片都可通用。其缺點(diǎn)主要是測(cè)量過程會(huì)導(dǎo)致硅片的損傷，因而需要校正曲線以間接估算摻雜濃度。熱波系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)離子注入劑量濃度。測(cè)量由于離子注入而在124ThermalWaveSystemforMeasuring

DopantConcentrationProbelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirrorThermalWaveSystemforMeasur125擴(kuò)展電阻探針擴(kuò)展電阻探針（SRP）用于測(cè)量摻雜濃度的剖面和電阻率。SRP的弱點(diǎn)是需要熟練的操作者，樣片制備和破壞性的測(cè)試，優(yōu)點(diǎn)是不受結(jié)深限制便能進(jìn)行精確的摻雜濃度測(cè)量。擴(kuò)展電阻探針擴(kuò)展電阻探針（SRP）用于測(cè)量摻雜濃度的剖面和電126

擴(kuò)展電阻探針（SRP）Probelaser(HeNe)Pumplaser(Argon)ThermalwavesignaldetectorX-YstageWaferTwo-waymirrorTwo-waymirror擴(kuò)展電阻探針（SRP）Pr127五.無圖形的表面缺陷

無圖形的硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。后者用做測(cè)試片，在工藝進(jìn)行時(shí)使用以提供工藝條件的特征信息。用于工藝監(jiān)控的無圖形硅片上典型的缺陷包括顆粒、劃傷、裂紋和其他材料缺陷。對(duì)硅片表面的缺陷檢測(cè)分為兩種類型：暗場和亮場的光學(xué)探測(cè)。亮場探測(cè)是用顯微鏡傳統(tǒng)光源，它直接用反射的可見光測(cè)量硅片表面的缺陷。暗場探測(cè)檢查位于硅片表面的缺陷散射出的光，對(duì)檢查微小缺陷非常有用。五.無圖形的表面缺陷128光學(xué)顯微鏡光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板光學(xué)顯微鏡光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板129光學(xué)顯微鏡明場和暗場探測(cè)光學(xué)顯微鏡明場和暗場探測(cè)130

硅片檢查系統(tǒng)硅片檢查系統(tǒng)131六.有圖形的表面缺陷工藝過程中對(duì)有圖形硅片的監(jiān)控越來越普遍。在生產(chǎn)硅片上最主要的缺陷是顆粒、劃傷和圖形缺陷。使用光散射技術(shù)在有圖形的硅片上進(jìn)行缺陷檢測(cè)與無圖形的硅片類似。然而測(cè)量設(shè)備必須能夠區(qū)分出是顆粒散射光還是圖形邊緣散射光。六.有圖形的表面缺陷132七.關(guān)鍵尺寸（CD）

關(guān)鍵尺寸測(cè)量的一個(gè)重要原因是要達(dá)到對(duì)產(chǎn)品所有線寬的準(zhǔn)確控制。在CMOS技術(shù)中，晶體管的柵結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。柵寬決定了溝道的長度，而溝道的長度影響了速度。關(guān)鍵尺寸的變化通常顯示半導(dǎo)體制造工藝中一些關(guān)鍵部分的不穩(wěn)定。由于關(guān)鍵尺寸越來越小，能獲得這種測(cè)量水平的儀器是掃描電子顯微鏡（SEM）。七.關(guān)鍵尺寸（CD）133電子顯微鏡是利用電子束對(duì)樣品放大成像的顯微鏡，簡稱電鏡。電鏡的放大倍率可達(dá)百萬，可分辨樣品的最小細(xì)節(jié)為幾個(gè)埃,而光學(xué)顯微鏡的放大倍率不過幾千,其分辨率在理論上不能小于0.2微米。根據(jù)波動(dòng)學(xué)說，運(yùn)動(dòng)著的電子可以看作是一種電子波。電子運(yùn)動(dòng)的速度越高，電子波的波長越短。例如受200千伏高壓加速的電子，其波長僅為0.025埃。電子顯微鏡是利用電子束對(duì)樣品放大成像的顯微鏡，簡稱電鏡。134掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡135SEM的功能是通過產(chǎn)生高度聚焦電子束掃描目標(biāo)，同時(shí)用探測(cè)器測(cè)量最終散射電子。電子槍發(fā)射的電子通過磁聚焦系統(tǒng)，會(huì)聚成2-6nm的束斑，打在試樣上，產(chǎn)生二次電子，背散射電子以及其他電子，X射線和光子。其中最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區(qū)域，其產(chǎn)生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號(hào)。二次電子被收集，產(chǎn)生光電信號(hào)，最后在顯示屏上成像。

SEM的工作原理SEM的功能是通過產(chǎn)生高度聚焦電子束掃描目標(biāo)，同時(shí)用探測(cè)器測(cè)136SEM的優(yōu)點(diǎn)非破壞性，非接觸性的測(cè)量儀器。景深長，獲得的圖像立體感比較強(qiáng)。樣品準(zhǔn)備所需的處理較簡單，不需切薄片。樣品可在腔體內(nèi)作三維平移或旋轉(zhuǎn)，可以從各個(gè)角度觀察。圖像放大范圍廣，分辨率高。局限性：需要高真空；成像前需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋絕緣的樣本。SEM的優(yōu)點(diǎn)非破壞性，非接觸性的測(cè)量儀器。局限性：137溝道長度為0.15微米的晶體管

柵長為90納米的柵圖形照片例2晶體管的SEM圖像溝道長度為0.15微米的晶體管柵長為90納米的柵圖形照片138例3半導(dǎo)體加工中的SEM缺陷照片例3半導(dǎo)體加工中的SEM缺陷照片139例4：微加工結(jié)構(gòu)的SEM圖片例4：微加工結(jié)構(gòu)的SEM圖片140八.臺(tái)階覆蓋

硅片制造中形成表面形貌，因此取得好的臺(tái)階覆蓋能力是材料的必要特征。良好的臺(tái)階覆蓋要求有厚度均勻的材料覆蓋于臺(tái)階的全部區(qū)域，包括側(cè)墻和拐角。（圖5.4）一種高分辨帶觸針的非破壞性形貌儀常用來測(cè)量臺(tái)階覆蓋和硅片表面的其他特征。八.臺(tái)階覆蓋141

臺(tái)階覆蓋

共型臺(tái)階覆蓋非共型臺(tái)階覆蓋(空洞)臺(tái)階覆蓋 共型142

表面形貌儀CRTProximitysensorStylusmotionStylusX-YStageDirectionofscanWafersurfaceLineardriveunitControlelectronicsAmp+5V-5V+24VDI表面形貌儀CRTPro143表面輪廓儀（SurfaceProfiler）表面輪廓儀（SurfaceProfiler）144九.套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)精度使用在光刻工藝之后，測(cè)量光刻機(jī)和光刻膠圖形與硅片前面刻蝕圖形的套刻的能力。測(cè)量套準(zhǔn)精度的主要方法是相干探測(cè)顯微鏡（CPM）。九.套準(zhǔn)精度145

套準(zhǔn)精度檢查圖形MisregistratonX1>X2,Y1>Y2X1X2Y1Y2IdealoverlayregistratonX1=X2,Y1=Y2X1X2Y1Y2套準(zhǔn)精度檢查圖形Misregi146十.電容—電壓（C-V）測(cè)試

MOS器件的可靠性高度依賴于柵結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的氧化薄層。柵氧化層區(qū)域的沾污可能導(dǎo)致正常的閾值電壓的漂移，通常做C-V特性以檢測(cè)氧化步驟后的離子污染。另外，C-V特性測(cè)試提供了柵氧化層完整性的信息，包括介質(zhì)厚度、介電常數(shù)（k）、電極之間硅的電阻率（表征多數(shù)載流子的濃度）以及平帶電壓（在氧化層結(jié)構(gòu)中沒有電勢(shì)差的電壓）。十.電容—電壓（C-V）測(cè)試147C-V測(cè)試的步驟第一步是在被測(cè)氧化層的金屬接觸面與氧化層下方輕摻雜的硅之間施以可變的電壓偏置，目的是將金屬區(qū)域正下方的硅中的多數(shù)載流子耗盡。在測(cè)試中畫出電容電壓關(guān)系曲線。第二步將硅片加熱到300攝氏度保持5分鐘，同時(shí)在金屬區(qū)域加恒定正電壓，然后冷卻，移去偏置，這一步是通過升溫增加沾污離子的遷移率，并通過正電壓偏置排斥正離子，將其驅(qū)趕到氧化物和硅的界面。C-V測(cè)試的步驟第一步是在被測(cè)氧化層的金屬接觸面與氧化層下方148C-V測(cè)試的建立和繪圖氧化層電容儀電源測(cè)量每個(gè)偏壓對(duì)應(yīng)的電容設(shè)置范圍從-5V到+5V，以1V為間隔N型硅金屬金屬C-V測(cè)試的建立和繪圖氧化層電容儀電源測(cè)量每個(gè)偏壓對(duì)應(yīng)的電149n型硅的電容與電壓的關(guān)系-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏壓0電容N型硅的C-V曲線Cmaxn型硅的電容與電壓的關(guān)系-2-3-5-4-10+1+2+3+150在C-V測(cè)試中離子電荷的采集

N-typesiliconMetalAl+++++++++++++++++++++溫度范圍近似200-300°C電源氧化層在C-V測(cè)試中離子電荷的采集 N-typesiliconM151第三步是重復(fù)第一步的C-V曲線圖。如果在Si與SiO2界面有聚集的正離子沾污，要使電容中的電荷相等就要求施加更負(fù)的電壓。第三步的曲線與第一步曲線的偏差就是電壓漂移（Vs），可以通過它來計(jì)算氧化物中沾污離子的數(shù)量。最后一步是驗(yàn)證。加熱襯底使沾污離子離開硅與二氧化硅的界面，再次進(jìn)行C-V測(cè)試，如果產(chǎn)生最初的圖形，證明電壓漂移是沾污離子產(chǎn)生的而不是氧化物充電。第三步是重復(fù)第一步的C-V曲線圖。如果在Si與SiO2界面有152在n型硅中的電壓漂移0-2-3-5-4-10+1+2+3+4+5Cmax偏壓電容N型硅的C-V曲線CminDV在n型硅中的電壓漂移0-2-3-5-4-10+1+2+3+4153十一.接觸角度

接觸角度儀用于測(cè)量液體與硅片表面的粘附性，并計(jì)算表面能或粘附性力。這種測(cè)量表征了硅片表面的參數(shù)，比如疏水性、清潔度、光潔度和粘附性（見圖5.5）。十一.接觸角度154

接觸角接觸角小滴襯底接觸角接觸角小滴155視頻光學(xué)接觸角測(cè)量儀視頻光學(xué)接觸角測(cè)量儀1565.3分析設(shè)備本節(jié)介紹支持硅片生產(chǎn)的主要分析設(shè)備，這些分析儀提供高度精確的硅片測(cè)量，它們通常位于生產(chǎn)區(qū)外的實(shí)驗(yàn)室，以決決生產(chǎn)問題。5.3分析設(shè)備本節(jié)介紹支持硅片生產(chǎn)的主要分157●二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）SecondIonMassSpectrometer●飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）TimeofFlying-SIMS●原子力顯微鏡（AFM）

AtomForceMicroscopy●俄歇電子能譜儀（AES）AugerElectronSpectrometer●X射線光電能譜儀（XPS）X-rayPhotoelectronSpectrometer●透射電子顯微鏡（TEM）TransmissionElectronMicroscopy●能量彌散譜儀（EDX）和波長彌散譜儀（WDX）●聚焦離子束（FIB）FocusingIonBeam●二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）158一.二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器和離子探測(cè)器組成。它的基本原理是在超真空狀況下用高能量離子或中子束轟擊試樣表面然后分析所產(chǎn)生的二次離子成份和含量。在電場下聚焦的高能離子束被引導(dǎo)在分析樣品表面微區(qū)上掃描。在掃描中濺射出來的粒子含量和速率取決于高能離子的能量、質(zhì)量及強(qiáng)度、以及樣品本身的物理化學(xué)性質(zhì)。濺射出來的粒子中只有小部分被電離而形成二次離子質(zhì)譜分析中的二次離子。由此產(chǎn)生的二次離子在加速到質(zhì)譜儀的過程中按照它們的質(zhì)量與電荷比率分離出來。在此過程中所收集的二次離子的密度被轉(zhuǎn)換成濃度曲線。一.二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器和離子159二次離子質(zhì)譜分析能夠分辨元素周期表中的所有元素、包括他們的同位素。二次離子質(zhì)譜分析對(duì)大多數(shù)元素的靈敏度可達(dá)百萬分之一以下、某些元素可達(dá)十億分之一以下。二次離子質(zhì)譜分析的主要特征是：

*探測(cè)從H到U的所有元素*微量元素分析達(dá)到0.1ppb-0.1ppm的水平*依據(jù)標(biāo)樣的定量分析*深度分辨率~10nm*小區(qū)域分析(<25um)*單層深度信息*同位素測(cè)量二次離子質(zhì)譜分析能夠分辨元素周期表中的所有元素、包括他們的同160當(dāng)樣品表面逐漸地被入射離子束侵蝕剝離時(shí)、記錄下的二次離子連續(xù)譜線則形成從樣品表面的深度剖面。二次離子強(qiáng)度可通過由標(biāo)樣測(cè)定獲得的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。樣品刻蝕深度則通過輪廓曲線儀測(cè)定。。二者所共同產(chǎn)生的結(jié)果便是二次離子質(zhì)譜分析的深度剖面。

SIMS可以鑒別出劑量和結(jié)深同時(shí)指出結(jié)出任何不滿足要求的金屬雜質(zhì)，因此成為驗(yàn)證離子注入機(jī)性能的主要工具。當(dāng)樣品表面逐漸地被入射離子束侵蝕剝離時(shí)、記錄下的二次離子連續(xù)161SIMS的缺點(diǎn)

（1）受質(zhì)量因素的干擾；（2）離子產(chǎn)率受基質(zhì)的影響；（3）離子產(chǎn)率變化較大，可達(dá)106的差異；（4）需要各種標(biāo)準(zhǔn)品來作定量分析；（5）需要平坦的表面進(jìn)行分析；（6）因?yàn)殡x子束比電子束具有更大的動(dòng)能，撞擊材料表面時(shí)會(huì)造成濺射（Sputtering），容易造成表面的改變或破損，屬于破壞性的分析技術(shù)。SIMS的缺點(diǎn)（1）受質(zhì)量因素的干擾；162二.原子力顯微鏡

它的工作原理是將一個(gè)對(duì)微弱力及敏感的微懸臂（cantilever）一端固定，另一端有一微小的針尖與樣品的表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在及微弱的排斥力，即原子范德華力（10-8_10-6N），通過懸臂另一端的壓電驅(qū)動(dòng)部件，在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起