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(guī)模集成電路的發(fā)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(tài)的要求越來越高。要得到高質(zhì)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(jié)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(xù)工序有著重要的影響。對超大規(guī)模集成電路失效原因進行分析時發(fā)現(xiàn)，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(guī)模集成電路的發(fā)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(shù)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(zhì)量的硅拋光片，除了需要采用必要的清洗設(shè)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(zhì)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(shè)備做了簡要的介紹。

1 拋光片表面金屬沾污測試技術(shù)

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(shù)，在表面分析領(lǐng)域內(nèi)，尤其在微電子工業(yè)的大面積硅片表面質(zhì)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(shè)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(fā)表面上的粒子才能改變X射線熒光發(fā)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(shè)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(tǒng)TXRF光譜儀的基礎(chǔ)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(shè)備逐步發(fā)展起來。VPD-TXRF光譜儀是將氣相分解技術(shù)與全反射X射線熒光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，該設(shè)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(shù)

顆料控制是晶片加工過程、器件制造過程中重要的一個環(huán)節(jié)，而顆粒的監(jiān)測也就顯得至關(guān)重要。顆粒測試設(shè)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(jiān)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(shè)備通常由激光系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、晶片運動系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)出的在掃描過程中，聚焦系統(tǒng)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?；蛘咂渌毕輹r，光被散射。散射光的一部分被采集并導入光電倍增管(PMT)內(nèi)增大。PMT的模擬輸出信號由一高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。數(shù)字采集單元按一定的時間間隔。

圖3 測試過程示意圖

從轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)進行創(chuàng)建、顯示及技術(shù)等操作。

2.2 最新近展

表面顆粒測試設(shè)備的檢測限主要受光學系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等影響，其中光學系統(tǒng)影響較大。傳統(tǒng)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(jīng)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(huán)境因素對測試結(jié)果的影響，一些廠家引入了“局部凈化”技術(shù)，在設(shè)備上加裝空氣過濾裝置，保證測試環(huán)境處于較高的凈化等級。

3 結(jié)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(jīng)成為評價拋光片質(zhì)量不可或缺的測試手段，為微電子行業(yè)的發(fā)展提供著可靠的保障。

[1]劉傳軍,趙權(quán),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(shè)備中的粒子沾污[J].微電子技術(shù),1995,23(2):58-65.

[4]劉紅艷，萬關(guān)良，閆志瑞.硅片清洗及最新發(fā)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(shù)在半導體行業(yè)中的應用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，181:10-13.