半导体测量学和缺陷检测教学教案

测量学和缺陷检查 12
椭偏仪（透明薄膜） 椭偏仪是非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技 术，主要用于测透明的薄膜。椭偏仪的基本原理是用线性的偏振激光源， 当光在样片中发生反射时，变成椭圆的偏振（见图）偏振光由通过一个 平面的所有光线组成。椭偏仪测量反射得到的椭圆形，并根据已知的输 入值（例如反射角）精确地确定薄膜的厚度。
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。
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。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 7
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。
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。
现代半导体器件物理与工艺
s Rs (t)
s
V2s
I
(/cm)
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 11
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：
Rs
4.53V I
(/
)
现代半导体器件物理与工艺
现代半导体器 件物理与工艺
Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
测量学和缺陷检测
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 1
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。源自文库论氧化薄膜 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。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 10
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相同的电阻。 基于这一原因，Rs的单位为欧姆/□（Ω/□）。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 13
反射光谱学 当光在一个物体表面反射时，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介质层的层厚特性（见图）。根据光是 怎样在薄膜层顶部和底部反射的光学，反射仪能被用于计算膜厚。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 8
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 9
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。
测量学和缺陷检查 3
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 4
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
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 5
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 6
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：
Yied19010095% 200
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。
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的一部分其作用 并发生实时数据。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 2
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，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。