十五种分析仪器助力半导体工艺检测

  随着半导体制程工艺的进步，工艺过程中微小的沾污和晶体缺陷等都可能会引起电路的失效，半导体的工艺检测也凸显的越来越重要。

  半导体器件生产中，从半导体单晶片到制成最终成品，须经历数十甚至上百道工序。为了确认和保证产品性能合格、稳定可靠，并有高的成品率，依据各种产品的生产情况,对所有工艺步骤都要有严格的具体实际的要求。因而,在生产的全部过程中必须建立相应的系统和精确的监控措施，首先要从半导体工艺检测着手。

  半导体工艺检测的项目繁多，内容广泛，方法多种多样，可粗分为两类。第一类是半导体晶片在经历每步工艺加工前后或工艺流程中进行的检测，也就是半导体器件和集成电路的半成品或成品的检测。第二类是对半导体单晶片以外的原材料、辅助材料、生产环境、工艺设备、工具、掩模版和其他工艺条件所进行的检测。第一类工艺检测主要是对工艺过程中半导体体内、表面和附加其上的介质膜、金属膜、多晶硅等结构的特性进行物理、化学和电学等性质的测定。其中许多检测的新方法是半导体工艺所特有的。

  工艺检测的目的不只是搜集数据，更重要的是要把不断产生的大量检验测试的数据及时整理分析，不断揭示生产的全部过程中存在的问题，向工艺控制反馈，使之不致偏离正常的控制条件。因而对大量检验测试的数据的科学管理，保证其能获得准确和及时的处理，是半导体工艺检测中的一项重要关键。同时半导体检测也涉及大量的科学仪器，针对于此，对一些半导体检测的仪器进行介绍。

  目前，椭偏仪是测量透明、半透明薄膜厚度的主流方法，它采用偏振光源发射激光，当光在样本中发生反射时，会产生椭圆的偏振。椭偏仪经过测量反射得到的椭圆偏振，并结合已知的输入值精确计算出薄膜的厚度，是一种非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术。在晶圆加工中的注入、刻蚀和平坦化等一些需要实时测试的加工步骤内，椭偏仪可以直接被集成到工艺设备上，以此确定工艺中膜厚的加工终点。

  测量半导体电阻率方法的测量方法主要根据掺杂水平的高低，半导体材料的电阻率可能很高。有多种因素会使测量这些材料的电阻率的任务复杂化，包括与材料实现良好接触的问题。特殊的探头设计用于测量半导体晶片与半导体棒的电阻率。这些探头通常由诸如钨的硬质金属制成，并接地到探头。在这种情况下，接触电阻很高，一定要使用四点共线探针或四线绝缘探针。两个探针提供恒定电流，另外两个探针测量整个样品一部分的电压降。利用所测电阻的几何尺寸来计算电阻率。

  薄膜应力作为半导体制程、MEMS微纳加工、光电薄膜镀膜过程中性能测试的必检项，其测试的精度、重复性、效率等因素为业界所着重关注。对应产品目前业界有两种主流技术流派：1）以美国FSM、KLA、TOHO为代表的双激光波长扫描技术（线扫模式），尽管是上世纪90年代技术，但由于其简单高效，适合常规Fab制程中进行快速QC，至今仍大范围的应用于相关工厂。2）以美国kSA为代表的MOS激光点阵技术，抗环境振动干扰，精于局部区域内应力测量，这在研究局部薄膜应力均匀分布具有特定意义。线扫模式主要测量晶圆薄膜整体平均应力，监控工序工艺的重复性有意义。但在监控或精细分析局部薄膜应力，激光点阵技术具有特殊优势，比如在MEMS压电薄膜的应力和缺陷监控。

  热播系统主要用来测量掺杂浓度。热波系统经过测量聚焦在硅片上同一点的两束激光在硅片表面反射率的变化量来计算杂质粒子的注入浓度。在该系统内，一束激光通过氩气激光器产生加热的波使硅片表面温度上升，热硅片会导致另一束氦氖激光的反射系数发生明显的变化，这一变化量正比于硅片中由杂质粒子注入而产生的晶体缺陷点的数目。由此，测量杂质粒子浓度的热波信号探测器可以将晶格缺陷的数目与掺杂浓度等注入条件联系起来，描述离子注入工艺后薄膜内杂质的浓度数值。

  ECV又名扩散浓度测试仪，结深测试仪等，即电化学CV法测扩散后的载流子浓度分布。电化学ECV能够适用于太阳能电池、LED等产业，是化合物半导体材料研究或开发的主要工具之一。电化学ECV大多数都用在半导体材料的研究及开发，其原理是使用电化学电容-电压法来测量半导体材料的掺杂浓度分布。电化学ECV(CV-Profiler, C-V Profiler)也是分析或发展半导体光-电化学湿法蚀刻(PEC Etching)很好的选择。

  载流子寿命就是指非平衡载流子的寿命。而非平衡载流子一般也就是非平衡少数载流子（因为只有少数载流子才能注入到半导体内部、并积累起来，多数载流子即使注入进去后也就通过库仑作用而很快地消失了），所以非平衡载流子寿命也就是指非平衡少数载流子寿命，即少数载流子寿命。例如，对n型半导体，非平衡载流子寿命也就是指的是非平衡空穴的寿命。

  少子寿命是半导体材料和器件的重要参数。它直接反映了材料的质量和器件特性。能够准确的得到这个参数，对于半导体器件制造具备极其重大意义。少子寿命测试仪可以直接获得长硅的质量参数。

  拉曼光谱在材料科学中是物质结构研究的有力工具，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多工作。半导体材料研究中，拉曼光谱可测出经离子注入后的半导体损伤分布，可测出半磁半导体的组分，外延层的质量，外延层混品的组分载流子浓度。

  红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪通常由光源，单色器，探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同，分为色散型和干涉型。对色散型双光路光学零位平衡红外分光光度计而言，当样品吸收了一定频率的红外辐射后，分子的振动能级发生跃迁，透过的光束中相应频率的光被减弱，造成参比光路与样品光路相应辐射的强度差，从而得到所测样品的红外光谱。

  红外光谱法简单易操作，不破坏样品，使其在半导体分析的应用日趋广泛。半导体材料的红外光谱揭示了晶格吸收、杂质吸收和自由载流子吸收的情况，直接反映了半导体的许多性质，如确定红外透过率和结晶缺陷，监控外延工艺气体组分分布，测载流子浓度，测半导体薄层厚度和衬底表面质量。

  利用二次离子质谱对掺杂元素的极高灵敏度的特点，对样品的注入条件做多元化的分析，在生产中能够直接进行离子注入机台的校验，并确定新机台的可以投入生产。同时，二次离子质谱对于CVD沉积工艺的质量监控尤其是硼磷元素的分布和生长比率等方面有无法替代的作用。通过二次离子质谱结果的分析帮助CVD工程师进行生长条件的调节，确定最佳沉积工艺条件。对于杂质污染的分析,可以对样品表面结构和杂质掺杂情况做仔细地了解，保证芯片的有源区的洁净生长，对器件的电性质量及可靠性起到至关重要的作用。对掺杂元素退火后的形貌分析研究发现通过改变掺杂元素的深度分布，来保证器件的电学性能达到设计的基本要求。能够在一定程度上帮助LTD进行新工艺的研究对于90nm/65nm/45nm新产品开发起到很大作用。

  这种技术分析范围较宽，原则上可以分析除氢以外的所有元素，但分析深度较浅，大约在25~100 Å范围，不过其绝对灵敏度较高，测量精度可达10 nm左右，大多数都用在分析表面元素组成和化学状态，原子周围的电子密度，特别是原子价态及表面原子电子云和能级结构。

  当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构紧密关联，每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律。这就是X射线衍射的基本原理。

  半导体制造中的大部分材料是多晶材料，比如互连线和接触孔。XRD能够将多晶材料的一系列特性量化。这其中最重要的特性包括多晶相(镍单硅化物，镍二硅化物)，平均晶粒大小，晶体织构，残余应力。

  阴极荧光谱是利用电子束激发半导体样品，将价带电子激发到导带，之后由于导带能量高不稳定，被激发电子又重新跳回价带，并释放出能量E≤Eg（能隙）的特征荧光谱。CL谱是一种无损的分析方法，结合扫描电镜可提供与形貌相关的高空间分辨率光谱结果，是纳米结构和体材料的独特分析工具。利用阴极荧光谱，可以在进行表面形貌分析的同时，研究半导体材料的发光特性，尤其适合于各种半导体量子肼、量子线、量子点等纳米结构的发光性能的研究。

  例如，对于氮化镓单晶，由于阴极萤光显微镜具有高的空间分辨率并且具有不伤害原有设备的检测的优点，因此将其应用于位错密度的检测已经是行业内广泛采用的方法。目前也制定了相应的标准。

  轮廓仪是一种两坐标测量仪器，仪器传感器相对被测工件表而作匀速滑行，传感器的触针感受到被测表而的几何变化，在X和Z方向分别采样，并转换成电信号，该电信号经放大和处理，再转换成数字信号储存在计算机系统的存储器中，计算机对原始表而轮廓进行数字滤波，分离掉表而粗糙度成分后再进行计算，测量结果为计算出的符介某种曲线的实际值及其离基准点的坐标，或放大的实际轮廓曲线，测量结果通过显示器输出，也可由打印机输出。

  而利用先进的3D轮廓仪能轻松实现对硅晶圆的粗糙度检测、晶圆IC的轮廓检测、晶圆IC减薄后的粗糙度检测。

  AOI的中文全称是自动光学检测，是基于光学原理来对焊接生产中遇到的常见缺陷进行仔细的检测的设备。AOI是新兴起的一种新型测试技术，但发展迅速，很多厂家都推出了AOI测试设备。当自动检验测试时，机器通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数作比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供修东西的人修整。

  运用高速高精度视觉处理技术自动检验测试PCB板上各种不同贴装错误及焊接缺陷。PCB板的范围可从细间距高密度板到低密度大尺寸板，并可提供在线检验测试方案，以提高生产效率，及焊接质量。利用AOI作为减少缺陷的工具，在装配工艺过程的早期查找和消除错误，以实现良好的过程控制。早期发现缺陷将避免将坏板送到随后的装配阶段，AOI将减少修理成本将避免报废不可修理的电路板。

  在元器件的工艺流程中，根据工艺的需要，存在着各种需要测试的环节。目的是为了筛选残次品，防止进入下一道的工序，减少下一道工序中的冗余的制造费用。这些环节一定要通过各种物理参数来把握，这些参数可以是现实物理世界中的光，电，波，力学等各种参量，但是，目前大多数常见的是电子信号的居多。ATE设计工程师们要考虑的最多的，还是电子部分的参数比如，时间，相位，电压电流，等等基本的物理参数。就是电子学所说的，信号处理。

  此外，原子力显微镜、俄歇电子能谱、电感耦合等离子体质谱仪、X光荧光分析、气相色谱等都能够适用于半导体检测。而随着半导体制程工艺的进步，工艺过程中微小的沾污、晶格缺陷等都可能会引起电路的失效等，半导体的工艺检测也凸显的逐渐重要。