[发明专利]半导体晶片测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及在制造过程中测试半导体晶片，具体涉及在集成电路制造期间实时在线测试半导体晶片。

背景技术

在制造复杂集成电路(IC)的过程中，以严格的顺序在硅片上进行大量的各个操作或处理步骤。必须对每个所述操作进行精确控制，从而确保整个制造工艺产生的集成电路显示所需的电学特性。

经常地，在完成整个成本非常高的IC制造工艺之后才检测到单个操作的失败。由于先进IC制造工艺的成本非常高，因此这种失败对集成电路生产者造成严重的经济损失。因此，在生产过程中的失误出现之后立即检测到这些失误能够阻止不必要地继续制造会产生故障的设备，从而能够显著降低由于这些失误导致的经济损失。

半导体设备生产中的过程监控依赖于对生产半导体设备所基于的硅片的特定物理和/或化学性质的变化的检查。这些变化可以在对硅片进行的各种处理步骤之后发生，且被硅片的电学性能的变化反映出来。因此，通过在IC制造过程中监控硅片的所选电学性能，能够实现对生产过程的有效控制。

不是整个集成电路的所有电学特性都能够基于对部分处理的硅片进行的测量而预测到。但是，基于对IC生产过程中的硅片(基体)表面条件的研究，能够直接或间接地预测大部分特性。硅表面的电气条件对于IC制造过程中施加的各个处理步骤的结果非常敏感。因此，测量基体表面的电学性能是有效的方法，通过该方法能够实现对各个处理步骤的结果的监控。

确定晶片表面的电学特性通常需要与晶片表面物理接触，或者将非接触型探针放置在固定的晶片上。对于后者，使用光信号或高电场来干扰电子在半导体表面或近表面区域的平衡分布。通常，远离平衡的程度受到半导体的表面区域、近表面区域和整个半导体的一种或多种电学特性的变化的驱动。为了获得晶片整个表面的更完整的照片，可以在表面的各个点进行数次测量。称作“映射”的所述过程在每个位置进行测量，然后测量设备运动到下一个位置。在该过程中，基体通常不保持连续运动，因此，这种方法用于实时在线过程监控的实用性受到限制。

发明内容

本发明的一部分涉及改进目前可获得的仪器的灵敏性的多模式光电测量系统。所述改进包括在整个延伸过程空间中非接触的实时在线测量的组合。特别是，描述了低温热处理，其可以增加到现有的测量系统中。该热处理加速测量开始前间隙缺陷的迁移；但是，该过程并没有除去工艺工程师所关注的空位缺陷。

而且，当应用于大量晶片时，所述低温热处理具有特殊的优点。由于热暴露，每个晶片中的间隙缺陷被稳定到几乎相同的水平。应用热处理防止每个晶片显示出由于间隙变化而引起各个电容测量结果出现偏差。因此，通过在成组的硅片上使用公开的低温技术，能够相对比较各个测量结果。这种比较是可行的，因为加热过程产生了标准化的间隙缺陷基线。

这里公开的常用测量技术依赖于对调制的光生载流子的电容测量，所述载流子是通过吸收具有变化波长的越过禁带的光而产生的，且在所述装置的制造过程中的不同阶段与硅片(直径高达300mm)相互作用。因此，这里公开的设备和技术适用于但不限于外延层掺杂、离子植入、快速热处理(RTP)，以及痕量金属污染监控。

理论上已经通过对表面电势的调制而处理了高频断续光与单晶硅的相互作用。通过产生电子-空穴，低强度水平的光轻微地改变表面电势，但是不改变半导体的电学或光学性能。如果表面电势足够耗尽电荷载流子的表面，则对于均匀的掺杂而言能够正确计算掺杂密度。通过光生载流子的漂移和扩散，可以改变整个晶体深度(包括抛光背面)上的与其他物理条件相关的电荷电势，进而导致可测量的表面电势调制。动态光生载流子方程通常降低至稳态，所述稳态容易利用等效电路来分析，且可以用于将电容和电导率与半导体的物理量例如掺杂密度、载流子寿命和缺陷密度相关联。

本发明的第一方面涉及一种测量离子植入型半导体晶片的缺陷的方法。该方法包括以下步骤：加热晶片至处理温度，持续处理时间；传送晶片，使得其表面基本上平行于头组件的表面光电压电极；将至少一部分晶片暴露至具有一定波长和一定强度的光；使用表面光电压电极检测在晶片表面响应于调制光强度而感应的光电压；以及由在晶片表面感应的光电压计算晶片的电学性能。在所述第一方面的变体中，也可以包括以下额外的步骤：在一定频率下调节光强度；对晶片进行氟化氢洗涤；在晶片表面感应反转层，该步骤可以通过对晶片施加电晕或化学物质而实现；以及将电学性能与标准进行对比。可以重复第一方面中的一个或多个步骤。而且，光强度调制频率可以为0.1-100kHz，且电学性能可以包括净载流子浓度，其可以由特定的公式确定。