硅抛光片表面质量测试技术综述

宋 晶，杨洪星，张伟才，武永超

(中国电子科技电集团公司第四十六研究所，天津 300220)

随着超大规模集成电路的发展、集成度的不断提高、线宽的不断减小，对硅片表面的洁净度及表面态的要求越来越高。要得到高质量的半导体器件，仅仅除去硅片表面的沾污已不再是最终的要求[1]。

在热处理工序以及栅氧化物生长前，对于前端工序的一个重要要求是提供低金属离子沾污的晶片。碱金属可引起MOSFET门电压漂移，同时铝和锌影响硅的氧化速率，铁、铬和铜可引起结漏电流以及栅氧化物完整性的性能退化。此外，金属可导致表面和界面的微粗糙化并生成硅化物[2]。

抛光片表面颗粒沾污对后续工序有着重要的影响。对超大规模集成电路失效原因进行分析时发现，有90%是由于粒子引起的，因此，对粒子的大小要求检查的越来越微细[3]。超大规模集成电路的发展，要求硅片的表面要尽可能地达到完全洁净。以130nm 和 100nm 技术来说[4，5]，ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)对表面的要求包括了65 nm和50nm尺寸的颗粒，并要求缺陷密度分别达到0.091 cm2和0.085 cm2，同时金属沾污降到1.0×109个/cm2。

要获得高质量的硅抛光片，除了需要采用必要的清洗设备、清洗工艺对硅抛光片进行清洗外，还需要对抛光片表面质量进行综合评价。本文旨在对抛光片表面金属沾污以及表面颗粒度的测试设备做了简要的介绍。

1 抛光片表面金属沾污测试技术

1971年，Yoneda为了改进测试追踪元素的EDXRF的检测限而引入了全反射X射线荧光(TXRF)光谱仪[6]。目前，TXRF光谱仪已成为多元素同时分析技术，在表面分析领域内，尤其在微电子工业的大面积硅片表面质量控制中，TXRF已在国际上得到广泛应用。

1.1 测试原理

全反射荧光分析仪是测试抛光片表面金属沾污的专用设备。其工作原理为：X射线以一个低掠射角照射到一个均匀、平坦的表面(样品可以是本征的、掺杂的，也可以是淀积的)上，激励样品，如图1所示。激励光被样品全反射，只有激发表面上的粒子才能改变X射线荧光发射。按这种方式进行测试，伴随X射线荧光的背景大幅度地降低，从而可获得更高的灵敏度和更低的检测限。由于材料造成的荧光变化非常小，从而可以获得尽可能高的检测效率。检测器通常固定在离样品尽可能近的位置，并且有一个大面积的Si(Li)检测器用于获得最大的可靠角度。

图1 TXRF测试原理图

1.2 设备特点

多元素同时分析：一次可同时分析近30种元素；

检出限低：最低绝对检出限：pg级(10～12 g)；

最低相对检出限：ng/mL级(10～9)；

测量元素范围广：可以从11号元素Na到92号元素U。

1.3 最新进展

在传统TXRF光谱仪的基础上，同步辐射全反射荧光谱 (SR-TXRF)、气相分解全反射荧光谱(VPD-TXRF)等设备逐步发展起来。VPD-TXRF光谱仪是将气相分解技术与全反射X射线荧光技术相结合的产物，该设备可大幅提高金属沾污的检测限，最小检测限为5.0×109个/cm2，完全符合ITRS的标准[8]。

2 表面颗粒测试技术

颗料控制是晶片加工过程、器件制造过程中重要的一个环节，而颗粒的监测也就显得至关重要。颗粒测试设备的工作原理有两种，如图2所示，一种为光散射法；另一种为消光法[9]。对于抛光片表面颗粒的监测，通常选用光散射法。

图2 颗粒测试原理图

2.1 测试原理

表面颗粒测试设备通常由激光系统、扫描系统、检测系统、晶片运动系统以及软件系统等组成。手动或由机械手将晶片放到测试工作台上，由激光系统发出的在扫描过程中，聚焦系统将晶片抬高或者降低以保证晶片始终处于扫描平面上，然后晶片以固定速度通过激光束，扫描光束以线性路径前后移动通过晶片，以确保整个晶片表面全部被扫描到。当激光束照到晶片表面上的颗粒或者其他缺陷时，光被散射。散射光的一部分被采集并导入光电倍增管(PMT)内增大。PMT的模拟输出信号由一高速模/数转换器数字化。数字采集单元按一定的时间间隔。

图3 测试过程示意图

从转换器采样，建立基地表面的光栅图像。该图像由一通道处理器分析，并由通道计算机对表面测量数据进行创建、显示及技术等操作。

2.2 最新近展

表面颗粒测试设备的检测限主要受光学系统、光电转换系统以及模数转换系统等影响，其中光学系统影响较大。传统上，光源采用He-Ne激光器作为光源，随着激光二极管（LD）的性能逐步改善，一些厂家已经将LD作为光源，且逐步降低LD的波长以满足ITRS对颗粒测试的要求。另一方面，为降低环境因素对测试结果的影响，一些厂家引入了“局部净化”技术，在设备上加装空气过滤装置，保证测试环境处于较高的净化等级。

3 结束语

(1)全反射X射线荧光谱(TXRF)适用于抛光片表面金属沾污的测试，并且有着较低的检测限；其改进型VPD-TXRF的检测限符合ITRS的要求。

(2)表面分析仪适用于抛光片表面颗粒沾污水平的测试，随着激光二极管(LD)性能的提高，LD将成为表面分析仪的理想光源。

(3)抛光片表面金属沾污测试、颗粒沾污测试已经成为评价抛光片质量不可或缺的测试手段，为微电子行业的发展提供着可靠的保障。

[1]刘传军,赵权,刘春香.硅片清洗原理与方法综述[J].半导体情报,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,译.半导体设备中的粒子沾污[J].微电子技术,1995,23(2):58-65.

[4]刘红艳，万关良，闫志瑞.硅片清洗及最新发展[J].中国稀土学报,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公司资料.

[9]杨洪星，刘晓伟，陈亚楠.激光技术在半导体行业中的应用[J].电子工业专用设备，2010，181:10-13.