就產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)環(huán)境的清潔度而言，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個(gè)要求很高的產(chǎn)業(yè)。金屬污染對(duì)晶片有害，所以應(yīng)避免裸晶圓晶片上有金屬污染。本文的研究目的是交流解決裸矽圓晶片上金屬污染問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，介紹如何使用互補(bǔ)性測(cè)量方法檢測(cè)裸矽圓晶片上的少量金屬污染物並找出問(wèn)題根源，解釋從多個(gè)不同的檢測(cè)方法中選擇適合方法的難度，以及用壽命測(cè)量技術(shù)檢測(cè)污染物對(duì)熱處理的依賴性。

前言

本文旨在解決矽襯底上的污染問(wèn)題，將討論三種不同的金屬污染。第一個(gè)是鎳擴(kuò)散，又稱為快速擴(kuò)散物質(zhì)[1]，它是從晶圓片邊緣上的一個(gè)污點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)散的金屬污染。第二個(gè)是鉻污染，它是從Bulk體區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散到初始氧化膜[2]，並在晶圓晶片上形成了一層較厚的氧化物。第三個(gè)是晶圓片邊緣周圍的不銹鋼污染。本文的研究目的是根據(jù)金屬和圖1所示的污染特徵找到污染的根源。

圖1 : 三個(gè)金屬污染範(fàn)例的映射圖。從左至右：鎳擴(kuò)散的微掩膜缺陷圖；較厚的鉻氧化沉積層；晶圓片邊緣上不銹鋼污染電子晶圓片檢測(cè)(EWS)映射圖

材料和方法

對(duì)於這些範(fàn)例，我們是將多個(gè)不同的測(cè)量工具相互配合使用，才發(fā)現(xiàn)金屬污染物的存在。

全反射X射線螢光(TXRF)分析儀利用角度極小的X射線激勵(lì)拋光晶圓片表面，以獲得表面上的金屬污染物含量的映射圖[3]。

氣相分解電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(VPD-ICPMS)是透過(guò)電離使樣品離子化，並使用質(zhì)譜儀分離離子，進(jìn)行量化分析，以檢測(cè)含量極低的金屬和幾種非金屬[4]。

表面光電壓(SPV)方法是半導(dǎo)體表徵測(cè)試所用的一種非接觸式技術(shù)，其原理是分析在表面電壓中照明引起的電荷。表面電荷和照明都可以測(cè)量表面電壓、氧化物厚度、介面陷阱密度、移動(dòng)電荷、少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和產(chǎn)生壽命[5]。

微波檢測(cè)光電導(dǎo)衰減(μ-PCD)載流子壽命測(cè)量法也是一種非接觸式方法，在晶片製造過(guò)程中，用於晶圓來(lái)料檢查、品質(zhì)控制和過(guò)程監(jiān)測(cè)。該方法用雷射脈衝照射矽氧化層，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，以此表徵載流子複合壽命。使用微波訊號(hào)可以監(jiān)測(cè)衰減載流子的濃度瞬變，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜(DSIMS)可以分析材料從表面到100微米深度或更深的元素組成。該方法使用連續(xù)聚焦的一次離子束濺射樣品表面，從被濺射脫落的離子化材料中提取部分樣品，放到雙聚焦質(zhì)譜儀中，使用靜電和磁場(chǎng)根據(jù)離子的質(zhì)荷比分離離子[7]。

KLA 2367檢查工具用於掃描缺陷後的特徵，顯示缺陷程度和映射圖，檢測(cè)尺寸限制在0.16μm以上[8]。該缺陷檢測(cè)工具目前使用的是裸片對(duì)裸片比較方法。

橢偏法用於測(cè)量厚度，是一種無(wú)損測(cè)試方法，主要用於確定Bulk體區(qū)材料的光學(xué)指標(biāo)和襯底上沉積或生長(zhǎng)的薄層(小於或等於5 nm)的厚度均勻性，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

最後，光致發(fā)光光譜技術(shù)是用來(lái)表徵半導(dǎo)體的光學(xué)和電子特性。光致發(fā)光(PL)光譜技術(shù)是效果很好的研究半導(dǎo)體和半絕緣材料的本征和非本征電子結(jié)構(gòu)的技術(shù)，有助於確定雜質(zhì)含量，識(shí)別缺陷複合物，測(cè)量半導(dǎo)體的帶隙[10]。

圖2 : 在RTO處理後的SPV映射

圖3 : 鎳特性映射圖(從左到右)與SPV、μPCD和缺陷檢測(cè)技術(shù)比較

圖4 : 測(cè)量點(diǎn)的VPD-ICPMS映射圖

測(cè)量結(jié)果與討論

A.案例1：鎳，快速擴(kuò)散物質(zhì)

第一個(gè)案例是透過(guò)缺陷檢測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)的。在晶圓片有效區(qū)蝕刻後，許多晶圓片在左四分之一處出現(xiàn)相同的缺陷特徵。這些晶圓片都是來(lái)自同一供應(yīng)商的同一批次產(chǎn)品。

然後，從這批來(lái)料裸晶圓片中取出若干樣片，透過(guò)不同的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行分析。TXRF、VPD-ICPMS和SPV測(cè)量方法均未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，所有圓片潔淨(jìng)無(wú)瑕。

這個(gè)缺陷是在圓片有效區(qū)蝕刻後才檢測(cè)到的，因此，我們決定先對(duì)樣片進(jìn)行快速熱氧化(RTO)處理，加熱到1,300 K左右，持續(xù)大約一分鐘，然後，使用SPV測(cè)量方法檢測(cè)，在晶圓片左側(cè)看到一小塊污染區(qū)[圖2]。

然後，將晶圓片置於熔爐中加熱到更高的溫度（1,100 K，5個(gè)小時(shí)）。在SPV和μPCD（條件：1,300 K，2小時(shí)）儀器上觀察到與缺陷檢測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)的完全相同的特徵 [圖 3]。

使用VPD-ICPMS測(cè)量方法發(fā)現(xiàn)了污染成分。如圖4所示，在熱處理後，測(cè)量晶圓上的六個(gè)點(diǎn)：三個(gè)在晶圓的右側(cè)（點(diǎn)1、2和3），三個(gè)在左側(cè)（點(diǎn)4、5和6）。右側(cè)的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)沒(méi)有污染，左側(cè)的中心點(diǎn)（點(diǎn)5）的鎳含量約18x10¹⁰ at /cm²。左側(cè)部分的其他兩個(gè)位置（點(diǎn)4和6）無(wú)法測(cè)量，因?yàn)椋旱螌?shí)際上已經(jīng)丟失，這是晶圓片表面高粗糙度的特徵，與造成堆層缺陷的鎳污染吻合。

最後，在斜面上進(jìn)行VPD-ICPMS測(cè)量，結(jié)果證明，污染物來(lái)自晶圓的斜面，而不是邊緣。這些最終資訊使供應(yīng)商能夠找到晶圓與鎳構(gòu)成的金屬物質(zhì)的接觸位置。

這個(gè)案例讓我們看到，鎳在高溫下快速擴(kuò)散，並且相同測(cè)量方法在加熱前後的測(cè)量結(jié)果完全不同。此外，它強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)，即一種測(cè)量方法不足以識(shí)別問(wèn)題的根本原因，因此需要多個(gè)不同的測(cè)量方法配合使用。

案例2：較厚的鉻氧化物沉積

這個(gè)案例的突出問(wèn)題是直列初始氧化物厚度範(fàn)圍超出控制範(fàn)圍，高達(dá)控制限值的四倍，較厚的氧化物不是同質(zhì)，但是位於晶圓片區(qū)頂部與缺口相對(duì)。當(dāng)用TXRF的掃頻模式測(cè)量該晶圓片時(shí)，在同一晶圓片區(qū)域上檢測(cè)到的是鉻污染物，而不是較高的氧化物厚度[圖5]。這種在矽氧化過(guò)程中發(fā)生鉻擴(kuò)散，因雜質(zhì)而導(dǎo)致氧化層過(guò)厚，在文獻(xiàn)[2]中有論述。

VPD-ICPMS和TXRF測(cè)量證明，鉻污染只有在初始氧化後才可以測(cè)量到，而來(lái)料晶圓上則沒(méi)有檢測(cè)到。裸晶圓片的DSIMS設(shè)定檔突出了參考晶圓片與不良晶錠上切下的晶圓片之間的差異。在晶圓片背面，可以觀察到在整個(gè)LTO層（0到300 nm）和多晶矽層（800 nm）上有鉻污染，如圖6所示，但Bulk體區(qū)和正面沒(méi)有鉻污染。

在初始氧化後，觀察到從正面表面向下至100 nm深度存在鉻，在背面表面和1500 nm深度存在鉻[圖7]。

圖5 : 從左到右：初始氧化物厚度映射圖和鉻TXRF映射圖。

圖6 : 來(lái)料受污染晶圓晶背面的DSIMS測(cè)量結(jié)果

圖7 : 初始氧化後受污染晶圓背面的DSIMS測(cè)量結(jié)果。

在氧化物厚度0.8到1 nm的晶圓晶片上做進(jìn)一步的VPD-ICPMS和TXRF測(cè)量，與0.15 nm厚度參考值對(duì)比。在TXRF掃頻模式下，受污染晶圓晶片上的平均鉻含量在13-15x10¹⁰at /cm²之間，而且特徵映射圖清晰。在五個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行VPD-ICPMS測(cè)量，如圖8所示，點(diǎn)1的鉻含量最高為88x10¹⁰ at/cm²，點(diǎn)2的鉻含量為20x10¹⁰ at /cm²，點(diǎn)3的含量為5.5x10¹⁰at/cm2 和點(diǎn) 4和5低於檢測(cè)限值，約為0.7x1010 at/cm2。

然後進(jìn)行了多種不同的測(cè)試，以測(cè)量在初始氧化熔爐內(nèi)或在初始氧化物去氧濕法清洗臺(tái)內(nèi)可能發(fā)生的交叉污染。在這兩個(gè)測(cè)試過(guò)程中，被污染的晶圓片依次放置在兩個(gè)未污染的晶圓片之間，如圖9所示。

測(cè)試結(jié)果顯示，在熔爐中可見(jiàn)交叉污染。在VPD-ICPMS上測(cè)量未污染晶圓片，鉻含量約為4x10¹⁰at /cm²，被污染晶圓片的鉻含量約為25x10¹⁰ at /cm²。 在濕法清洗臺(tái)上未觀察到交叉污染。

圖8 : 測(cè)量點(diǎn)的VPD-ICPMS映射圖

圖9 : 初始氧化熔爐內(nèi)的交叉污染評(píng)估

為了驗(yàn)證污染物是否可以去除，先將一些初始氧化晶圓去氧，然後重新氧化。測(cè)試結(jié)果良好，鉻含量為1.15x10¹⁰ at /cm2，參考數(shù)值為0.25x10¹⁰ at /cm²。

最後，對(duì)一些晶圓片進(jìn)行重新氧化處理，在HV氧化和隧道氧化後，再未檢測(cè)到任何污染物。因此，鉻污染對(duì)晶片來(lái)說(shuō)並不是致命的。

所有這些實(shí)驗(yàn)使我們能夠找到污染的來(lái)源。在沉積過(guò)程中，大量Cr被摻入LTO中。測(cè)試排除了很多假定污染物是因?yàn)樵骷饾u老化而從製程腔體或馬弗爐排出的情況。這種情況可以使鉻擴(kuò)散到晶圓表面，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

C.案例3：晶圓片邊緣被不銹鋼污染

第三個(gè)案例是在晶圓電子檢測(cè)(EWS)期間發(fā)現(xiàn)的。 所有晶圓都來(lái)自同一供應(yīng)商的同一晶錠。

檢測(cè)裸晶圓片的斜面，VPD-ICPMS測(cè)試只測(cè)到Cu和Al，而在晶圓的有效面上沒(méi)有測(cè)得任何金屬物質(zhì)。經(jīng)過(guò)第一道熱處理（快速熱處理（RTP））製程後，在裸片有效面上，除大量的鋁、鈦、鉻和銅外，仍然沒(méi)有測(cè)量到任何其他物質(zhì)。參考晶圓片僅顯示有相同含量的鋁金屬。

在RTP熱處理後進(jìn)行SPV測(cè)量，疑似晶圓片的缺陷特徵非常清晰，而且在熔爐處理後變得更加清晰[圖10]。在DSIMS分析期間，未觀察到厚度測(cè)量或μPCD測(cè)量在RTP後受到任何影響，也未觀察到Epi/Si介面中存在金屬污染。

圖10 : 在RTP之後（圖頂部）和在RTP和熔爐處理後（圖底部），受污染的晶圓（左側(cè)）和參考樣片（右側(cè)）的SPV映射圖。

相反，在RTP和熔爐製程後，用光致發(fā)光方法測(cè)量裸晶圓片，測(cè)試結(jié)果良好。在晶圓的左右邊緣可見(jiàn)一些缺陷，凹口在底部。在熱處理後，在受污染的晶錠上看到了環(huán)狀特徵。在光致發(fā)光圖與缺陷率映射圖疊加後，可以看到，環(huán)狀特徵的直徑與缺陷率映射圖的直徑不完全相同，這可能有多種原因，例如，表面電荷或鈍化[圖11]。

最終，供應(yīng)商成功找到了缺陷的根源並重現(xiàn)了問(wèn)題，原來(lái)是上產(chǎn)線上的一顆螺絲錯(cuò)位，刮擦到晶圓片的正面。在受影響的晶圓晶片上進(jìn)行了五次VPD-ICPMS測(cè)量，在五個(gè)半徑不同圓環(huán)上收集污染物。第一次測(cè)量是在以晶圓片為中心的0到60公釐半徑的圓環(huán)上，然後，半徑依次是60到70公釐，80到90公釐，最後是90到100公釐（晶圓片的邊緣）。在0到90mm圓環(huán)上沒(méi)有測(cè)量到污染物。然而，在距邊緣最近的圓環(huán)上測(cè)量到鈦、鉻、鐵、鎳、鈷、銅和鉬，這與缺陷的根源相關(guān)。

圖11 : 受污染的裸晶圓片的光致發(fā)光圖（左側(cè)）及其與缺陷率圖的疊加圖（右側(cè)），熱處理後的受污染的裸晶圓片的光致發(fā)光圖（左側(cè)）及其與缺陷率圖的疊加圖（右側(cè)）。

結(jié)論

壽命測(cè)試和直接金屬污染測(cè)量是互補(bǔ)性技術(shù)，應(yīng)配合使用。需要記住的是，在檢測(cè)和確定金屬污染時(shí)，沒(méi)有完美的測(cè)量技術(shù)，每種情況都是獨(dú)特的。

這些特定案例證明，為檢測(cè)一個(gè)問(wèn)題選用不同的技術(shù)不是易事，用壽命測(cè)試技術(shù)檢測(cè)污染物依賴熱處理。實(shí)際上，在裸晶圓晶片上，任何SPV、TXRF或VPD-ICPMS方法都無(wú)法檢測(cè)到第一種情況的鎳污染和第二種情況的鉻污染。僅在對(duì)晶圓片進(jìn)行退火處理後，才發(fā)生鎳擴(kuò)散，並且在SPV上可見(jiàn)，並且僅在初始氧化製程後，厚度測(cè)量才顯示出晶圓晶片上氧化物厚度不均勻。透過(guò)TXRF和VPD-ICPMS測(cè)量，可以將其表徵為鉻，並且由於DSIMS分析，才發(fā)現(xiàn)其存在於晶圓片Bulk體區(qū)內(nèi)部。

最後，對(duì)於第三種情況，在熱處理後，晶圓片邊緣的環(huán)狀污染物在SPV測(cè)量中變得明顯，但只有VPD-ICPMS方法和在晶圓片邊緣上收集的特定物質(zhì)，才讓我們得出不銹鋼污染的結(jié)論。

(本文由意法半導(dǎo)體提供，作者為L(zhǎng)amoureux Violette、Figarols Francois、Pic Nicolas、Vitrani Thomas)

參考文獻(xiàn)

[1]S. Dubois and S. Martinuzzi, “Metal impurities in multicrystalline silicon solar cells: comparison between fast and slow diffusers” in Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference, May 2008.

[2]C. J. Hsiao, A. S. Teng, W. C. Chang, Y. Y. Chen, M. Y. Lee, Y. S.

Tsai, T. W. Lee, D. J. Lin, A. Dai and C. Y. Lu, “Investigation of

Chromium Contamination induced TDDB Degradation in

MOSFET” in IPFA 2013, p. 61-64.

[3]H. Aiginger, “Historical development and principles of total reflection X-ray fluorescence analysis (TXRF)” in Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 1991, Vol. 46, Issue 10, p. 1313-1321.

[4]M. Horn, “Applications of ICP-MS in semiconductor industry” in Fresenius J Anal Chem, 1999, 364 : 385–390.

[5]Dieter K Schroder, “Surface voltage and surface photovoltage: history, theory and applications” in Measurement Science and

Technology, 2001, Vol. 12, num. 3.

[6]J. Harkonen, E. Tuovinen, Z. Li, P. Luukka, E. Verbitskaya, V. Eremin, “Recombination lifetime characterization and mapping of silicon wafers and detectors using the microwave photoconductivity decay (μPCD) technique” in Materials Science in Cemiconductor

Processing, 2006, Vol. 9, Issues 1-3, p. 261-265.

[7]G. Teeter, “Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry” in Materials Science, NREL Transforming Energy.

[8]X. Luan, Y. Liu, B. Zhang, S. Wang, X. Niu, C. Wang, J. Wang,

“Investigation of the barrier slurry with better defect performance and facilitating post-CMP cleaning” in Microelectronic

Engineering, 2017, Vol 170, p. 21-28.

[9]F. Ferrieu, J.H. Lecat, “Characterization of thin films and materials used in semiconductor technology by spectroscopic ellipsometry” in

Characterisation of Thin Films and Coatings, 1988, Vol 164, p. 43-50.

[10]J.E. Toney, “Photoluminescence Spectroscopy” in Characterization of Materials, 2002