用于檢測裸硅圓片上少量金屬污染物的互補(bǔ)性測量技術(shù)

I. 前言

本文旨在解決硅襯底上的污染問題，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]，并在晶圓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所示的污染特征找到污染的根源。

圖1 三個(gè)金屬污染示例的映射圖。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(EWS)映射圖

AI. 材料和方法

對于這些示例，我們是將多個(gè)不同的測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射線熒光(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)是通過電離使樣品離子化，并使用質(zhì)譜儀分離離子，進(jìn)行量化分析，以檢測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)體表征測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量表面電壓、氧化物厚度、界面陷阱密度、移動電荷、少數(shù)載流子擴(kuò)散長度和生成壽命^[5]。

微波檢測光電導(dǎo)衰減(μ-PCD)載流子壽命測量法也是一種非接觸式方法，在芯片制造過程中，用于晶圓來料檢查、質(zhì)量控制和過程監(jiān)測。該方法用激光脈沖照射硅氧化層，產(chǎn)生電子空穴對，以此表征載流子復(fù)合壽命。使用微波信號可以監(jiān)測衰減載流子的濃度瞬變，詳見文獻(xiàn)^[6]。

動態(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，使用靜電和磁場根據(jù)離子的質(zhì)荷比分離離子^[7]。

KLA 2367檢查工具用于掃描缺陷后的特征，顯示缺陷程度和映射圖，檢測尺寸限制在0.16μm以上^[8]。該缺陷檢測工具目前使用的是裸片對裸片比較方法。

橢偏法用于測量厚度，是一種無損測試方法，主要用于確定Bulk體區(qū)材料的光學(xué)指標(biāo)和襯底上沉積或生長的薄層(小于或等于5 nm)的厚度均勻性，詳見文獻(xiàn)^[9]。

最后，光致發(fā)光光譜技術(shù)是用來表征半導(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)，有助于確定雜質(zhì)含量，識別缺陷復(fù)合物，測量半導(dǎo)體的帶隙^[10]。

BI. 測量結(jié)果與討論

A. 案例1：鎳，快速擴(kuò)散物質(zhì)

第一個(gè)案例是通過缺陷檢測設(shè)備發(fā)現(xiàn)的。在晶圓片有效區(qū)蝕刻后，許多晶圓片在左四分之一處出現(xiàn)相同的缺陷特征。這些晶圓片都是來自同一供應(yīng)商的同一批次產(chǎn)品。

然后，從這批來料裸晶圓片中取出若干樣片，通過不同的測量技術(shù)進(jìn)行分析。TXRF、VPD-ICPMS和SPV測量方法均未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，所有圓片潔凈無瑕。

這個(gè)缺陷是在圓片有效區(qū)蝕刻后才檢測到的，因此，我們決定先對樣片進(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，然后，使用SPV測量方法檢測，在晶圓片左側(cè)看到一小塊污染區(qū)[圖2]。

然后，將晶圓片置于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設(shè)備發(fā)現(xiàn)的完全相同的特征 ^[圖 3]。

使用VPD-ICPMS測量方法發(fā)現(xiàn)了污染成分。如圖4所示，在熱處理后，測量晶圓上的六個(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)測量點(diǎn)沒有污染，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）無法測量，因?yàn)?，液滴?shí)際上已經(jīng)丟失，這是晶圓片表面高粗糙度的特征，與造成堆層缺陷的鎳污染吻合。

最后，在斜面上進(jìn)行VPD-ICPMS測量，結(jié)果表明，污染物來自晶圓的斜面，而不是邊緣。這些最終信息使供應(yīng)商能夠找到晶圓與鎳構(gòu)成的金屬物質(zhì)的接觸位置。

圖2 在RTO處理后的SPV映射

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

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

B.  案例2：較厚的鉻氧化物沉積

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

VPD-ICPMS和TXRF測量表明，鉻污染只有在初始氧化后才可以測量到，而來料晶圓上則沒有檢測到。裸晶圓片的DSIMS配置文件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）和多晶硅層（800 nm）上有鉻污染，如圖6所示，但Bulk體區(qū)和正面沒有鉻污染。

在初始氧化后，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4 測量點(diǎn)的VPD-ICPMS映射圖

圖5 從左到右：初始氧化物厚度映射圖和鉻TXRF映射圖

圖6 來料受污染晶圓晶背面的DSIMS測量結(jié)果

圖7 初始氧化后受污染晶圓背面的DSIMS測量結(jié)果

在氧化物厚度0.8到1 nm的晶圓片上做進(jìn)一步的VPD-ICPMS和TXRF測量，與0.15 nm厚度參考值對比。在TXRF掃頻模式下，受污染晶圓片上的平均鉻含量在13-15x1010 at /cm2之間，而且特征映射圖清晰。在五個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行VPD-ICPMS測量，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5.5x1010 at/cm2 和點(diǎn) 4和5低于檢測限值，約為0.7x1010 at/cm2。

然后進(jìn)行了多種不同的測試，以測量在初始氧化熔爐內(nèi)或在初始氧化物脫氧濕法清洗臺內(nèi)可能發(fā)生的交叉污染。在這兩個(gè)測試過程中，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。

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

圖8 測量點(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脫氧，然后重新氧化。測試結(jié)果良好，鉻含量為1.15x1010 at /cm2，參考數(shù)值為0.25x1010 at /cm2。

最后，對一些晶圓片進(jìn)行重新氧化處理，在HV氧化和隧道氧化后，再未檢測到任何污染物。因此，鉻污染對芯片來說并不是致命的。

所有這些實(shí)驗(yàn)使我們能夠找到污染的來源。在沉積過程中，大量Cr被摻入LTO中。測試排除了很多假定污染物是因?yàn)樵骷饾u老化而從工藝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(EWS)期間發(fā)現(xiàn)的。 所有晶圓都來自同一供應(yīng)商的同一晶錠。

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

在RTP熱處理后進(jìn)行SPV測量，疑似晶圓片的缺陷特征非常清晰，而且在熔爐處理后變得更加清晰^[圖10]。在DSIMS分析期間，未觀察到厚度測量或μPCD測量在RTP后受到任何影響，也未觀察到Epi/Si界面中存在金屬污染。

圖10 在RTP之后（圖頂部）和在RTP和熔爐處理后（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和熔爐工序后，用光致發(fā)光方法測量裸晶圓片，測試結(jié)果良好。在晶圓的左右邊緣可見一些缺陷，凹口在底部。在熱處理后，在受污染的晶錠上看到了環(huán)狀特征。在光致發(fā)光圖與缺陷率映射圖疊加后，可以看到，環(huán)狀特征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并重現(xiàn)了問題，原來是上產(chǎn)線上的一顆螺絲錯(cuò)位，刮擦到晶圓片的正面。在受影響的晶圓片上進(jìn)行了五次VPD-ICPMS測量，在五個(gè)半徑不同圓環(huán)上收集污染物。第一次測量是在以晶圓片為中心的0到60毫米半徑的圓環(huán)上，然后，半徑依次是60到70毫米，80到90毫米，最后是90到100毫米（晶圓片的邊緣）。在0到90mm圓環(huán)上沒有測量到污染物。然而，在距邊緣最近的圓環(huán)上測量到鈦、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)），熱處理后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)）

IV.結(jié)論

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

這些特定案例表明，為檢測一個(gè)問題選用不同的技術(shù)不是易事，用壽命測試技術(shù)檢測污染物依賴熱處理。實(shí)際上，在裸晶圓片上，任何SPV、TXRF或VPD-ICPMS方法都無法檢測到第一種情況的鎳污染和第二種情況的鉻污染。僅在對晶圓片進(jìn)行退火處理后，才發(fā)生鎳擴(kuò)散，并且在SPV上可見，并且僅在初始氧化工序后，厚度測量才顯示出晶圓片上氧化物厚度不均勻。通過TXRF和VPD-ICPMS測量，可以將其表征為鉻，并且由于DSIMS分析，才發(fā)現(xiàn)其存在于晶圓片Bulk體區(qū)內(nèi)部。

最后，對于第三種情況，在熱處理后，晶圓片邊緣的環(huán)狀污染物在SPV測量中變得明顯，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。

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 ofChromium   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. H?rk?nen, 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