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06-18
《半导体芯科技》4/5 月刊，“使用补充测量技术检测裸硅晶圆上的低水平金属污染物”作者：Lamoureux Violette 、Figarols Fran?ois、Pic Nicolas、Vitrani Thomas、意法半导体半导体行业对产品质量和生产环境的清洁度要求很高。
金属污染对芯片有害，因此应避免裸晶圆上的金属污染。
本文介绍了如何使用补充测量方法来检测裸硅晶圆上的少量金属污染物并确定问题的根本原因，解释了从多种不同检测方法中选择合适方法的困难，并使用寿命测量技术检测污染物对热处理的影响。
依赖性。
I. 简介 本文旨在解决硅基板上的污染问题，并将讨论三种不同类型的金属污染。
第一个是镍扩散，也称为快速扩散物质[1]，它是从晶圆边缘的污点扩散的金属污染物。
第二个是铬污染，它从体区域内部扩散到初始氧化膜[2]，并在晶圆上形成较厚的氧化物层。
第三是晶圆边缘周围的不锈钢污染。
本文的研究目的是寻找金属污染源，污染特征如图1所示。
材料和方法 对于这些示例，使用几种不同的测量工具相互结合发现了金属污染物的存在。
全反射X射线荧光（TXRF）分析仪利用极小角度的X射线激发对晶圆表面进行抛光，以获得表面金属污染物含量的图谱[3]。
气相分解电感耦合等离子体质谱仪（VPD-ICPMS）通过电离作用使样品电离，利用质谱仪分离离子并进行定量分析，以检测含量极低的金属和几种非金属[4]。
表面光电压 (SPV) 方法是一种用于半导体表征测试的非接触技术，基于表面电压中照明感应电荷的分析。
表面电荷和照明都可以测量表面电压、氧化物厚度、界面陷阱密度、移动电荷、少数载流子扩散长度和生成寿命[5]。
微波检测光电导衰减（μ-PCD）载流子寿命测量方法也是一种非接触式方法，用于芯片制造过程中的晶圆来料检验、质量控制和过程监控。
该方法使用激光脉冲照射氧化硅层以产生电子-空穴对来表征载流子复合寿命。
微波信号可用于监测衰减载流子的浓度瞬变，详细信息参见文献[6]。
动态二次离子质谱（DSIMS）可以分析材料从表面到微米深度或更深处的元素组成。
该方法利用连续聚焦的一次离子束溅射样品表面，从已溅射掉的电离材料中提取部分样品，并将其放入双焦点质谱仪中。
它利用静电和磁场根据离子的质荷比来分离离子 [7]。
KLA检测工具用于扫描缺陷后的特征，显示缺陷范围和映射，检测尺寸限制在0.16μm以上[8]。
缺陷检测工具目前使用芯片间比较方法。
椭圆偏振测量法用于测量厚度。
它是一种无损检测方法。
主要用于测定Bulk body区域材料的光学指标以及衬底上沉积或生长的薄层（小于或等于5 nm）的厚度均匀性。
详细内容参见文档[9]。
最后，光致发光光谱技术用于表征半导体的光学和电子特性。
光致发光（PL）光谱技术是研究半导体和半绝缘材料的本征和外在电子结构的非常有效的技术。
它有助于确定杂质含量、识别缺陷复合物以及测量半导体的带隙[10]。
三．测量结果和讨论 案例1：镍，一种快速扩散的物质 第一个案例是使用缺陷检测设备发现的。
在蚀刻晶圆的有源区域后，许多晶圆在左四分之一处表现出相同的缺陷特征。
这些晶圆均来自同一供应商的同一批次。
然后，从这批传入的裸晶圆中取出多个样品，并使用不同的测量技术进行分析。
TXRF、VPD-ICPMS和SPV测量方法均未发现缺陷，所有晶圆均干净无瑕疵。
这个缺陷是在蚀刻晶圆的有源区域后检测到的。
因此，我们决定首先对样品进行快速热氧化（RTO）过程，将其加热至约1,K约一分钟，然后使用SPV测量方法进行检测。
，在晶圆的左侧可以看到一个小的污染区域 [图 2]。
然后将晶圆放入炉中并加热至更高温度（1,K，5 小时）。
在 SPV 和 μPCD（条件：1、K、2 小时）仪器上观察到在缺陷检测设备上发现的完全相同的特征 [图 3]。
使用VPD-ICPMS测量方法发现了污染成分。
如图 4 所示，热处理后，测量了晶圆上的 6 个点：晶圆右侧 3 个（点 1、2 和 3），左侧 3 个（点 4、5 和 6） 。
右侧三个测量点均无污染，左侧中心点（点 5）的镍含量约为 18xat/cm2。
左侧部分的另外两个位置（点 4 和点 6）无法测量，因为液滴实际上已丢失，这是晶圆表面高粗糙度的特征，与镍污染导致堆叠缺陷一致。
最后，对斜面进行了 VPD-ICPMS 测量，结果表明污染物来自晶圆的斜面，而不是边缘。
该最终信息使供应商能够找到晶片与镍组成的金属物质接触的位置。
这个案例让我们看到，镍在高温下会迅速扩散，同样的测量方法在加热前后的测量结果是完全不同的。
此外，它强调了这样一个事实：一种测量方法不足以确定问题的根本原因，因此需要多种不同的测量方法一起使用。
案例2：较厚的氧化铬沉积 这种情况下的突出问题是在线初始氧化物厚度范围超出了控制范围，高达控制极限的四倍。
较厚的氧化物并不均匀，而是位于晶圆区域的顶部，与 间隙相反。
当使用 TXRF 在扫描模式下测量晶圆时，在同一晶圆区域检测到铬污染，而不是在更高的氧化物厚度上检测到铬污染 [图 5]。
这种铬扩散发生在硅氧化过程中，由于杂质的存在导致氧化层过厚，文献[2]对此进行了讨论。
VPD-ICPMS 和 TXRF 测量表明，只有在初始氧化后才能测量到铬污染，并且在传入的晶圆上未检测到铬污染。
裸晶圆的 DSIMS 轮廓突出显示了参考晶圆与从不良晶锭切割而来的晶圆之间的差异。
在晶圆背面，整个LTO层（0至nm）和多晶硅层（nm）上都可以观察到铬污染，如图6所示，但Bulk body区域和正面没有铬污染。
初始氧化后，从前表面到 1 nm 的深度以及从后表面到 1 nm 的深度都观察到铬的存在[图 7]。
与 0.15 nm 厚度参考相比，在氧化物厚度为 0.8 至 1 nm 的晶圆上进行了进一步的 VPD-ICPMS 和 TXRF 测量。
在TXRF扫描模式下，污染晶圆上的平均铬含量在13-15xat/cm2之间，特征图清晰。
在五个不同点进行VPD-ICPMS测量，如图8所示，点1处的铬含量最高为88xat/cm2，点2处的铬含量为20xat/cm2，点3处的含量为5.5xat/cm2 cm2 以及点 3、4 和 5 低于检测限，大约 0.7xat/cm2。
然后进行了许多不同的测试，以测量初始氧化炉内或初始氧化物脱氧湿法清洁站内可能发生的交叉污染。
在这两次测试中，受污染的晶圆被依次放置在两个未受污染的晶圆之间，如图 9 所示。
测试结果表明，炉内存在明显的交叉污染。
在 VPD-ICPMS 上测量时，未受污染晶圆的铬含量约为 4xat/cm2，受污染晶圆的铬含量约为 25xat/cm2。
湿式清洁台上未观察到交叉污染。
为了验证污染物是否可以被去除，对一些最初氧化的晶片进行脱氧，然后再氧化。
测试结果良好，铬含量为1.15xat/cm2，参考值为0.25xat/cm2。
最后，对部分晶圆进行重新氧化，高压氧化和隧道氧化后未检测到污染物。
因此，铬污染对于芯片来说并不是致命的。
所有这些实验使我们能够找到污染源。
在沉积过程中，大量的Cr被掺入LTO中。
测试排除了许多假设由于组件逐渐老化而从工艺室或马弗炉中排放污染物的情况。
这种情况可以让铬扩散到晶圆表面，详情参见文献[2]。
案例3：不锈钢晶圆边缘污染第三个案例是在电子晶圆检测（EWS）过程中发现的。
所有晶圆均来自同一供应商的同一锭。
在检测裸晶圆的斜角时，VPD-ICPMS测试仅检测到了Cu和Al，但在晶圆的有效表面上没有检测到金属物质。
经过第一次热处理（快速热处理（RTP））过程后，除了大量的铝、钛、铬和铜之外，在模具的活性表面上没有测量到其他物质。
参考晶圆仅显示相同量的铝金属。
在RTP热处理后进行SPV测量，可疑的晶圆缺陷特征非常清晰，并且在炉处理后变得更加清晰[图10]。
在 DSIMS 分析过程中，没有观察到 RTP 后对厚度测量或 μPCD 测量的影响，也没有观察到 Epi/Si 界面中存在金属污染。
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