稀有金属 2009,33(06),884-888

测试方法对硅片表面微粗糙度测量结果影响的研究

李莉 孙媛 李婧璐 李俊峰 徐继平

北京有色金属研究总院有研半导体材料股份有限公司

摘 要：

随着大规模集成电路的快速发展, 硅片表面微粗糙度对于器件制造的影响也越来越受到人们的重视。介绍了几种测量硅片表面微粗糙度的测试方法, 并将它们分成三类, 简单阐述了每一类测试方法的测试原理, 影响测试结果的因素, 从实际应用的角度详细阐述了这三类测试方法的适用情况、通过详细的测试数据及图形对这三类测试方法进行了分析, 并对这三类测试方法进行了比较。最后简单介绍了纳米形貌和硅片表面微粗糙度之间的关系。

关键词：

表面微粗糙度;测量;硅片;

中图分类号： TN304.12

收稿日期：2009-09-23

Effect of Different Test Method on Measurement Result of Surface Roughness of Planar Surfaces on Silicon Wafer

Abstract：

The effect of surface roughness of planar surface on silicon wafer to device construction has been paid more attention than before with the rapid development of ULSI.This article described three types of measurement test methods, testing principle and the factors that affect the test results of every type of method.From a practical point of view, the application conditions of these three types of test methods were elaborated.These test methods were analysed by detailed test data and graphics and were compared with earch other.Finally the relationship between nanotopography and silicon surface roughness was briefly introduced.

Keyword：

surface roughness of planar surface;measurement;silicon wafer;

Received： 2009-09-23

硅片微粗糙度是随着大规模集成电路的发展而被引起广泛关注的, 因为相对一般的机械加工表面而言, 其绝对值很小, 因此常常被称为微粗糙度。 通常它以纳米为单位表征硅片表面最高点和最低点的高度差别, 是硅片表面纹理的标志, 对芯片制造来讲, 表面微粗糙度的控制非常重要, 因为在器件制造中, 硅片上非常薄的介质层的击穿都有着负面影响。 因此它常常被用于一个硅片最终产品的正表面和背表面粗糙程度的确定, 最常用在硅抛光片上, 也被用于硅的切割、 研磨或磨削、 腐蚀等各种被加工后的表面粗糙程度的测定。 目前, 硅片微粗糙度测量的方法较多。 由于测量原理和测量精度不同, 每种测量方法都有自己的优点和缺点, 如何选择测试仪器, 以适应于不同情况下对硅片表面质量的检测和控制, 是所有相关产业人员普遍关心的问题 ^[1,2,3,4,5] 。 本文通过对硅片表面利用不同的仪器进行比较测试研究, 探讨了不同测试方法对表面粗糙度的影响规律, 对测试仪器的选择和使用将具有重要参考价值。

1 硅片粗糙度测量方法

根据测试原理不同, 粗糙度的测试方法大致可以归为三类:

(1) 轮廓仪 (Profilometers)

包括原子力显微镜 (AFM) 及其他扫描探针显微镜、 光学轮廓仪、 高分辨机械探针系统。

轮廓测量仪器是通过测量表面形貌并导出粗糙度统计, 如从一系列高度数据得到均方根微粗糙度R_q。 原子力显微镜, 机械和光学剖面 (轮廓) 仪的高空间频率极限分别和机械触点的半径或激光斑点的直径和强度分布近似, 它们的响应函数是复杂的, 并且在某些情况下是探针和被测表面的综合效果 ^[1] 。

(2) 干涉显微镜 (Interference Microscope)

仪器的高端空间频率极限是由调焦光学限定, 或者在某些情况下由探测器阵列的象素间隔所决定。 目前应用在硅片表面的光学轮廓仪多采用的是白光干涉的原理, 它既可以测量抛光片, 也可对研磨、 切割表面进行测量, 相对原子力显微镜要方便快捷的多, 是目前比较适合作为硅片粗糙度测量的设备 ^[2] 。

(3) 散射仪 (Scattering Instruments)

包括角分辨光散射仪、 全积分散射仪、 扫描表面检查系统。

光散射技术是从散射的角度关系测量均方根微粗糙度R_q; 通过数据分析和判定得出其他参数 。

对于相当平滑的表面来说, 光散射强度和粗糙度之间存在一种简单的关系:

轮廓斜率 m=12[4πacosθiπ]2<<1???(1)

式中λ为入射光的波长; a为样品轮廓的幅度 (峰到谷高度的一半) ; θ_i为光的入射角度。

a) 角分辨光散射仪 (ARLS) (Angle-resolved Light Scatterometers)

该技术的高端空间频率极限是由入射角和散射角以及使用的光源的波长所限定。 入射角度; 入射到硅片表面处的光点直径; 光学系统的立体收集角; 仪器允许的镜面反射光和探测器间的最小角距离这些因素影响低端空间频率极限。

b) 全积分散射仪 (TIS) (Total Integrating Scatterometers)

最常用于入射角接近零时。 可达到的空间带宽的低端和高端频率极限是由光系统的设计所限定。 恰当的系统设计有可能达到大约0.8～40 μm的空间带宽。 也可以为了把散射信号插入低端空间频率 (接近镜面) 和高端空间频率 (大的散射角) 带而设计这种系统 ^[3] 。

c) 扫描表面检查系统 (SSIS) (Scanning Surface Inspection Systems)

这是一种积分散射测量, 与TIS系统制造的那些仪器类似, 它们收集整个大立体角上的光; 通常, 大多数SSIS避免对反射束5～10°内的光收集, 因为在这一区域内散射趋于由表面粗糙度散射 (其变为本底噪声) 与来自激光散射作用的信号对抗来控制。

对硅片生产厂家来说, 扫描表面检查系统 (SSIS) 是常用的测量硅片表面颗粒及微小划痕等表面质量的常用设备, 它的测量参数中有一项称为“haze”, 其定义为: 雾 (haze) — 由表面形貌 (微粗糙度) 及表面或近表面高浓度的不完整性引起的非定向光散射。

对于一个颗粒计数器 (SSIS) , 雾可引起本底信号及激光光散射现象, 它和来自硅片表面的光散射, 两者共同组成信号。 因此它是由一个光学系统收集的, 由入射通量归一化的总散射光通量。 所以这实质上是表征了硅抛光片表面的微粗糙度。

硅片微粗糙度与Haze值之间存在下面的关系

R_ms= (λ/4π ) (Haze/R_o) ^0.5 (2)

式中λ为入射波长; R_o为入射波的表面反射系数

2 实 验

选择有研半导体材料股份有限公司生产的4～6英寸的线切割、 双面研磨和化学机械抛光硅片为研究对象进行不同测试方法对硅片表面的粗糙度测试影响的研究, 并对比了国外著名厂家的8英寸抛光片。 以上硅片分别在美国DI公司的原子力显微镜和美国ZYGO公司的ZY80、 英国TAYLOR HOBSON公司的 CCI6000、 西安普瑞光学测量仪器公司PR-06型光学粗糙度测量仪及美国ADE公司 CR81扫描表面检查系统上进行微粗糙度的测试。

3 结 果

图1是对于4～6英寸抛光片利用3种测试方法测量得到的数据及形貌图。

为了进一步研究不同测试方法对测试结果的影响, 首先使用原子力显微镜对硅片不同的取样区域做了测试, 见表1。

图1 原子力显微镜、 光学轮廓仪及扫描表面检查系统测试

Fig.1 Measurement use AFM, optical profilometers and SSIS (a) “DI” atomic force microscopy; (b) “ZYGO” optical profilometers; (c) “ADE” scanning surface inspection systems

表1 同一片取不同测量区域的AFM测量比较

Table 1 AFM measurement of different area on a wafer

Wafer number	Area/μm2	Ra/nm	Rms/nm
4-1	5×5	0.114	0.125
4-1	20×20	0.267	0.213
4-2	1×1	0.106	0.134
4-2	5 ×5	0.097	0.122
4-2	20×20	0.110	0.170
4-3	1×1	0.111	0.140
4-3	5 ×5	0.107	0.151
4-3	20×20	0.100	0.160
6-1	1×1	0.213	0.267
6-1	5 ×5	0.214	0.268
6-1	20×20	0.187	0.250
8-1	1×1	0.083	0.105
8-1	5 ×5	0.079	0.100
8-1	20×20	0.091	0.116
8-2	1×1	0.073	0.093
8-2	5 ×5	0.079	0.101
8-2	20×20	0.091	0.116

表2 使用不同方法测量方法的测量结果

Table 2 Measurement result use different methods

Wafer number	(SSIS) Haze/106	(AFM) Ra/nm	(IM) Ra/nm
4-2	29.61	0.110	0.76
6-1	32.6	0.187	0.85
4-1	39.76	0.267	1.43

Note: SSIS-Scanning surface inspection systems; AFM-Atomic force microscopy; IM-Interference microscopy

表1中4-1和6-1是有研半导体材料股份有限公司生产的不同抛光工艺生产的4英寸、 6英寸抛光片; 4-2, 4-3, 8-1, 8-2是国外著名厂家生产的4英寸和8英寸抛光片。 其中4-2, 4-3是1996年国外生产的抛光片。

为了研究不同检测方法对样品粗糙度数值的影响, 对同一硅片分别使用3种方法进行表面粗糙度的测量, 见表2 。

为了监控硅片加工工艺过程的表面粗糙度, 利用西安普瑞光学测量仪器公司生产的表面精密形貌测试仪在线切割硅片表面上相互垂直地取了两个半径, 每个半径上测量20个点, 测量结果见图2。

利用上述仪器分别对线切割片、 研磨片、 抛光片进行测试。 可以清楚地看到切割、 研磨、 抛光工艺过程硅片表面粗糙度的变化过程, 见图3。

为了观察同样方法不同设备测试对硅片表面粗糙度的影响, 将同样工艺的抛光片用英国TAYLOR HOBSON CSH TALYSURF CCI 白光干涉表面轮廓仪进行了测量, 见图4。

4 讨 论

图1是三类方法得到的结果, 每种测试方法得到的粗糙度的直观图形有明显不同, 相互之间粗糙度的测量数据无法直接进行比较。 通过表1可以看出, 原子力显微镜测试的取样区域大小对同一硅片的测试结果存在差异。 差异主要来自于硅片表面局部不同区域粗糙度的不均匀, 或是由于加工过程造成的有规律的粗糙度的变化。 同时也不难看出我们和国外抛光片间表面微粗糙度的差距, 虽然这差距从数值上来说很小, 仅仅在0.1～0.2 nm, 但需要经过非常艰巨的努力才能消除这一差距。

图2 切片的线痕

Fig.2 Stria of slice (a) The seventh point of the sample; (b) The fourth point of the sample

表2对同一硅片选择不同测试方法, 给出的粗糙度结果差别很大, 甚至不再一个数量级上, 但我们也不难看出, 尽管三种方法给出的粗糙度值不同, 但给出不同硅片的粗糙度值的大小排序是相同的。

图2显示了线切割的线痕带来的表面沟槽: 在某一方向, 平均粗糙度R_a值从0.50～1.97 μm间有规律的变化。

通过图3可以清楚地看到切割、 研磨和抛光后样品表面粗糙度变化过程, 能够方便地对硅片加工工艺表面粗糙度的监控。

图4是利用英国TAYLOR HOBSON CSH TALYSURF CCI 白光干涉表面轮廓仪对上述抛光样品进行测试的结果。 与图3中抛光片图示比较, 两台测试仪属于同样的测试方法, 尽管在图像上表达方式不同, 但同样工艺加工的抛光片其粗糙度的数值在同一个水平。

从上面一系列实验我们可以看到, 粗糙度在一个晶片表面上可以有相当大的变化或者说是各向异性的, 往往有一个择优的方向。 但很多时候, 测量方法被限制在一个很小的测量范围内并且限制在一个或两个扫描方向上。 像轮廓仪和干涉显微镜方法, 特别是原子力显微镜, 都存在这一问题, 因此为了获得有代表性的和可重复的结果, 必须规定一些特有的测量图形。 这些图形应与不同的制造步骤时在硅片上观察到效果一致。 这些工艺步骤能够在硅片表面产生从镜面到无穷大分布的旋转对称的特征。 例如切割工艺的硅片可以产生低对称性, 而单片抛光能产生高对称性。

代表整个硅片表面或这个表面大部分的粗糙度值, 不能根据在一个点上获得的数据。 但是至今规范常常描述的是硅片一个点的数值。 因此, 必须定义测量的位置或扫描的标准图形。

比较三类测试方法, 可以得到: 机械加工业常用的探针式的轮廓仪一般只能应用于较粗糙的硅切割、 研磨表面, 对抛光片分辨率不够。 原子力显微镜应用于硅片的粗糙度测量的缺点是测量的时间太长, 往往只能提供硅片上很小区域的粗糙度情况, 且设备对环境的要求很高, 对抛光片测量而言, 既要洁净又要求避免极其微小的震动环境实在是很困难的。 因此原子力显微镜测试硅片粗糙度基本上是作为实验室研究使用的。

对原子力显微镜和干涉显微镜方法, 为了使测量更合理, 且获得的数据可重复并可比较, 必须设定仪器的高端空间频率极限或者合理地选择移动的高端空间频率极限。 另外, 轮廓测定技术通常被限定为线的扫描, 因此仅能提供表面上很小一部分的信息。 而干涉测量技术同样受到限制, 仍旧很难作为在线测量设备给出整个片子的表面粗糙度。 同时我们还发现, 由于不是针对硅片的专门粗糙度测量设备, 虽然都是光学轮廓仪, 但不同的干涉仪在垂直分辨率、 系统噪声、 测量区域等方面的差别, 使得同一片的测量值也会有差异。 因此给不同设备间的比对带来影响。 作为用户在不可能很专业了解设备的情况下, 对测试真值更是带来困惑。

5 结 论

1. 用于硅片粗糙度测量的三类测试方法特点不同, 因此应该根据需要选择不同的方法与设备。 机械加工业常用的探针式的轮廓仪对硅片, 特别是抛光片分辨率不够; 原子力显微镜更适合实验室研究使用; 对切割、 磨削片, 白光干涉轮廓仪较好的反映了表面的线痕或磨削的痕迹; 散射仪能快捷、 方便的描绘整个抛光片的表面情况, 但它只能用于镜面表面, 如抛光片、 外延片。

2. 对同一硅片, 使用不同方法会得到截然不同的R_a或R_ms值; 对同一类方法的不同设备也会因为带宽等参数的不同而使得粗糙度值有差异。 在规范了测量条件的情况下, 同一设备给出的不同硅片的粗糙度测量数据很好的反映了硅片表面的微小起伏, 具有实际应用价值。

3. 为了使粗糙度的测量具有可比性, 在报告粗糙度值的同时, 应能够反映出测量仪器的类型、 使用的带宽范围、 测量位置及扫描图形取向等信息。

参考文献

[1] SEMI M40-0200.Guide for Measurement of Surface Roughness ofPlanar Surfaces on Silicon Wafer[S].SEMI Standards, Semicon-ductor Equipment and Materials International, 2000.

[2] JIS B 0652 Instruments for the Measurement of Surface Roughness by the Interferometric Method [S]. Japanese Standards, Japanese Industrial Standards, 1973.

[3] ASTM F1048 Test Method for Measuring the Effective Surface Roughness of Optical Components by Total Integrated Scattering [S]. ASTM Standards, American Society of Testing Materials, 1987.

[4] ISO 4288 Rules and procedures for the Measurement of SurfaceRoughness Use Stylus Instruments[S].ISO Standards, Interna-tional Organization for Standardization, 1998.

[5] SEMI M43-0301. Guide for Reporting Wafer Nanotopography [S]. SEMI Standards, Semiconductor Equipment and Materials Internation, 2001.