硅拋光片表面質量測試技術綜述

宋 晶，楊洪星，張偉才，武永超

(中國電子科技電集團公司第四十六研究所，天津 300220)

隨著超大規模集成電路的發展、集成度的不斷提高、線寬的不斷減小，對硅片表面的潔凈度及表面態的要求越來越高。要得到高質量的半導體器件，僅僅除去硅片表面的沾污已不再是最終的要求[1]。

在熱處理工序以及柵氧化物生長前，對于前端工序的一個重要要求是提供低金屬離子沾污的晶片。堿金屬可引起MOSFET門電壓漂移，同時鋁和鋅影響硅的氧化速率，鐵、鉻和銅可引起結漏電流以及柵氧化物完整性的性能退化。此外，金屬可導致表面和界面的微粗糙化并生成硅化物[2]。

拋光片表面顆粒沾污對后續工序有著重要的影響。對超大規模集成電路失效原因進行分析時發現，有90%是由于粒子引起的，因此，對粒子的大小要求檢查的越來越微細[3]。超大規模集成電路的發展，要求硅片的表面要盡可能地達到完全潔凈。以130nm 和 100nm 技術來說[4，5]，ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)對表面的要求包括了65 nm和50nm尺寸的顆粒，并要求缺陷密度分別達到0.091 cm2和0.085 cm2，同時金屬沾污降到1.0×109個/cm2。

要獲得高質量的硅拋光片，除了需要采用必要的清洗設備、清洗工藝對硅拋光片進行清洗外，還需要對拋光片表面質量進行綜合評價。本文旨在對拋光片表面金屬沾污以及表面顆粒度的測試設備做了簡要的介紹。

1 拋光片表面金屬沾污測試技術

1971年，Yoneda為了改進測試追蹤元素的EDXRF的檢測限而引入了全反射X射線熒光(TXRF)光譜儀[6]。目前，TXRF光譜儀已成為多元素同時分析技術，在表面分析領域內，尤其在微電子工業的大面積硅片表面質量控制中，TXRF已在國際上得到廣泛應用。

1.1 測試原理

全反射熒光分析儀是測試拋光片表面金屬沾污的專用設備。其工作原理為：X射線以一個低掠射角照射到一個均勻、平坦的表面(樣品可以是本征的、摻雜的，也可以是淀積的)上，激勵樣品，如圖1所示。激勵光被樣品全反射，只有激發表面上的粒子才能改變X射線熒光發射。按這種方式進行測試，伴隨X射線熒光的背景大幅度地降低，從而可獲得更高的靈敏度和更低的檢測限。由于材料造成的熒光變化非常小，從而可以獲得盡可能高的檢測效率。檢測器通常固定在離樣品盡可能近的位置，并且有一個大面積的Si(Li)檢測器用于獲得最大的可靠角度。

圖1 TXRF測試原理圖

1.2 設備特點

多元素同時分析：一次可同時分析近30種元素；

檢出限低：最低絕對檢出限：pg級(10～12 g)；

最低相對檢出限：ng/mL級(10～9)；

測量元素范圍廣：可以從11號元素Na到92號元素U。

1.3 最新進展

在傳統TXRF光譜儀的基礎上，同步輻射全反射熒光譜 (SR-TXRF)、氣相分解全反射熒光譜(VPD-TXRF)等設備逐步發展起來。VPD-TXRF光譜儀是將氣相分解技術與全反射X射線熒光技術相結合的產物，該設備可大幅提高金屬沾污的檢測限，最小檢測限為5.0×109個/cm2，完全符合ITRS的標準[8]。

2 表面顆粒測試技術

顆料控制是晶片加工過程、器件制造過程中重要的一個環節，而顆粒的監測也就顯得至關重要。顆粒測試設備的工作原理有兩種，如圖2所示，一種為光散射法；另一種為消光法[9]。對于拋光片表面顆粒的監測，通常選用光散射法。

圖2 顆粒測試原理圖

2.1 測試原理

表面顆粒測試設備通常由激光系統、掃描系統、檢測系統、晶片運動系統以及軟件系統等組成。手動或由機械手將晶片放到測試工作臺上，由激光系統發出的在掃描過程中，聚焦系統將晶片抬高或者降低以保證晶片始終處于掃描平面上，然后晶片以固定速度通過激光束，掃描光束以線性路徑前后移動通過晶片，以確保整個晶片表面全部被掃描到。當激光束照到晶片表面上的顆粒或者其他缺陷時，光被散射。散射光的一部分被采集并導入光電倍增管(PMT)內增大。PMT的模擬輸出信號由一高速模/數轉換器數字化。數字采集單元按一定的時間間隔。

圖3 測試過程示意圖

從轉換器采樣，建立基地表面的光柵圖像。該圖像由一通道處理器分析，并由通道計算機對表面測量數據進行創建、顯示及技術等操作。

2.2 最新近展

表面顆粒測試設備的檢測限主要受光學系統、光電轉換系統以及模數轉換系統等影響，其中光學系統影響較大。傳統上，光源采用He-Ne激光器作為光源，隨著激光二極管（LD）的性能逐步改善，一些廠家已經將LD作為光源，且逐步降低LD的波長以滿足ITRS對顆粒測試的要求。另一方面，為降低環境因素對測試結果的影響，一些廠家引入了“局部凈化”技術，在設備上加裝空氣過濾裝置，保證測試環境處于較高的凈化等級。

3 結束語

(1)全反射X射線熒光譜(TXRF)適用于拋光片表面金屬沾污的測試，并且有著較低的檢測限；其改進型VPD-TXRF的檢測限符合ITRS的要求。

(2)表面分析儀適用于拋光片表面顆粒沾污水平的測試，隨著激光二極管(LD)性能的提高，LD將成為表面分析儀的理想光源。

(3)拋光片表面金屬沾污測試、顆粒沾污測試已經成為評價拋光片質量不可或缺的測試手段，為微電子行業的發展提供著可靠的保障。

[1]劉傳軍,趙權,劉春香.硅片清洗原理與方法綜述[J].半導體情報,1997,37(2):30-36.

[2]Improving Tool Design and Performance with Precision Wafer Surface Scan[EB/OL].http://www.balazs.com/file/otherelement/pj/app0456%20automated%20vpd%20icp-ms%20for%20tools61601.pdf

[3]松川,譯.半導體設備中的粒子沾污[J].微電子技術,1995,23(2):58-65.

[4]劉紅艷，萬關良，閆志瑞.硅片清洗及最新發展[J].中國稀土學報,2003,21(12):144-147.

[5]John J Rosato，M.Rao Yalamanchili，Evanson G.Baiya，et.al.Implementing a fully integrated IPA drying process in the fab environment[J].Micromagzine，2003:1-6.

[6]Y.Yoneda，T.Horiuchi.Optical flats for use in X-ray Spectrochemical Microanalysis[J].Rev.Sci.Instrum,1971,42:1069-1070.

[7]P.Pianetta，K.Baur and S.Brennan，Application of synchrotron radiation to TXRF analysis of metal contamination on silicon wafer surfaces[J].Superficies y Vacio，1999，9:17-21.

[8]Meredith Beebe，Scott Guisinger，Syotaro Kawai，A New Application of Vapor Phase Decomposition for Thermal Oxides，Technos公司資料.

[9]楊洪星，劉曉偉，陳亞楠.激光技術在半導體行業中的應用[J].電子工業專用設備，2010，181:10-13.