一种利用Cu诱导硅片表面COP的测试方法

摘要

本发明涉及一种利用Cu诱导硅片表面COP的测试装置及其测试方法，属于检测方法技术领域。其主要先将被测试硅片氧化，去除硅片背面氧化膜，将化学反应槽内装满甲醇溶液，依次放置铜板、硅片、铜板、电极，然后将盖子盖严，通过导线连接电极、铜板，并接通电源，用直流电在两极间通电，从化学反应槽中排出甲醇溶液，取出硅片，经干燥处理后测量硅片缺陷数量。本发明可精确地测试硅片里COP密度和分布，找出最佳单晶工艺条件，以好的灵敏度和伸缩性，高速度地对整个硅片进行测量，以此来提高器件产量和可靠性，器件成品率大幅提升。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用Cu诱导硅片表面COP的测试方法，具体地说是用于精确地测试硅片里COP密度和分布，找出最佳单晶工艺条件，以此来提高器件产量和可靠性，属于检测方法技术领域。

背景技术

摩尔法则对以硅为基础的芯片阐明了一个芯片上的位数/功能的比将每三年趋向四倍。自1965年此法则发现以来，已成为推动半导体业发展的强劲力量。现在大尺寸硅材料(8”及12”)和微米级(90nm以下)半导体器件领域已经取得巨大进步，寻求下一个科技节点将会给此市场带来巨大价值。

超大规模的集成电路(ULSI)的失败往往归咎于所用硅材料的不能满足技术要求。简单地说，制造不同功能集成电路需要用与其功能相应的硅材料，必须根据集成电路的功能要求设计硅材料参数。然而根据摩尔法则，随特征尺寸的缩小，硅片表面的缺陷使得ULSI器件制造变得越来越困难。

由于在CMOS器件的栅绝缘体内有非常高的运行电场，依赖时间的绝缘崩溃(TDDB)可以成为一个重要的ULSI失效机制。在通常一段很长时间的退化(诱导/封装毁损)后，绝缘体会因为严重的电流将最终经历一个灾难性的热量流失情形。这种在绝缘体内形成的严重焦耳热量导致在MOS的器件中栅极与衬底短路。

在ULSI的制造过程中，硅片参数的控制是提高产量及器件可靠性的主要因素。减少大直径硅衬底层的生产成本，保持高质量及采用像90nm或更复杂的加工技术，为未来的器件发展开发最适宜的硅衬底结构，是我们目前的课题。当今世界上在四个领域的初步研究已经推进了硅衬底材料行业的进步，表现在：(1)、硅片表面研究：平整度(局部厚度变化，SFQR)，毫微形貌学，微粗糙，颗粒(局部光散射(LLS))，缺陷(氧化诱导层错(OSF)，生长缺陷等.)，沾污(金属，有机物等等)；(2)、硅片近表层(活动层)研究：同质，缺陷(生长缺陷，体缺陷(BMD))，污染物(金属离子等)；(3)、硅片内部研究：掺杂(氧沉淀，光元素)，电阻率，生长缺陷，金属杂质，(4)、背面研究：掺杂(背损，薄膜沉积)，污染(金属等)，颗粒。

研究表明，硅片表面的颗粒极大影响半导体器件的性能，所以人们投入了巨大努力来减少颗粒的数量。颗粒的最小尺寸已经被控制到小于ULSI器件的特征尺寸。被广泛应用的激光扫描方法计算出的颗粒通常被认为是晶片上的灰尘，因此研究硅片的清洗工艺是主要用来发现除去此类颗粒的方法。SC1清洗液(用NH₄OH/H₂O₂/H₂O混和)在减少灰尘总量方面是有效的。不过，著名科学家Rytual et al先生发现在经过SC1清洗后，剩下的大多数小颗粒并不是硅片表面的沾污，而是在SC1清洗时留下的凹陷。据分析这样的凹陷是源自于硅晶体内的生长缺陷，这种生长缺陷被叫做COP(晶体原生颗粒)。

在硅单晶体内生长缺陷包括COP，FPD(流动图案缺陷)和LSTD(激光散射X线断层摄影术下的缺陷)。对不同缺陷产生机制的研究显示出它们是在凝固工艺，在从硅熔点1200℃到冷却过程中产生的，它们的密度及分布强烈地依赖于晶体的生长环境。含较高COP密度的硅片在MOS(金属氧化物半导体)电容内有时间零绝缘体的击穿(TZDB)而导致硅片产出较低。因为COP降低栅氧化的完整性(GOI)及影响DRAM和Flash存储器的产量，COP在过去的几年里在半导体器件领域引起了极大的关注。因此，需要一种有效的技术来精确地监测硅片里COP密度和分布，用于找出最佳单晶工艺条件，以此来提高器件产量和可靠性。

各种生长缺陷的描述方法被开发和应用，已经用了如X光地形学，干法刻蚀后的FPD计算，激光散射X断层摄影术，光学沉淀模拟和用激光散射颗粒计算器对用SC-1清洗后的COP图例等定量或定性的方法去测定COP，然而，由于它们是破坏性试验，缺乏灵敏性和不可逆转，所有的这些方法都有很大的局限性。因此，需要开发一种非关联的无破坏性分布监测工具及方法，它们可以在近似模拟器件加工工艺的情况下，以好的灵敏度和伸缩性，高速度地对整个硅片进行测量。

激光散射颗粒测量仪已经被发展成为一种简单的可重复操作的新光学观测法，并成功应用于对整个硅片表面的评估。然而，由于激光散射颗粒测量仪没有能力发觉微小的COP，这些小尺寸COP在栅氧化之前位于硅片表面，对硅片表面处理前COP数据的监测仍然不能精确计量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种可精确地测试硅片里COP密度和分布，找出最佳单晶工艺条件，以此来提高器件产量和可靠性的利用Cu诱导硅片表面COP的测试方法。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

本发明利用Cu诱导硅片表面COP的测试方法步骤如下：

1、被测试硅片氧化：先将硅片推进石英氧化炉中，硅片推进速度为：60cm/min，通入氮气升温至950～1050℃，时间：25～30分钟，关氮气，通氧气，氧化时间：15～20分钟；再通入氮气降温1.2～2小时，关氮气，取出硅片，氧化层厚度：200～500埃；硅片取出速度为：60cm/min；

2、去除氧化膜：在完成氧化过程后，用稀释的氢氟酸溶液和棉签，将硅片背面的氧化膜去除，氢氟酸溶液浓度为：20～30％；

3、测试程序：将化学反应槽内装满甲醇溶液，甲醇溶液浓度为：98～99％，依次放置铜板、硅片、铜板、电极，然后将盖子盖严，通过导线连接电极、铜板，并接通电源，用直流电20～50V在两极间通电，通电时间：10～30分钟后关掉电源，拆除电线；

4、硅片干燥处理：从化学反应槽中排出甲醇溶液，取出硅片，在净化级别10级以下层流罩中干燥，干燥在常温中进行，干燥时间：0.5～1小时；

5、测量硅片缺陷数量：使用光学显微镜或激光散射颗粒计数仪来测量硅片缺陷数量。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明可精确地测试硅片里COP密度和分布，找出最佳单晶工艺条件，以好的灵敏度和伸缩性，高速度地对整个硅片进行测量，以此来提高器件产量和可靠性，器件成品率大幅提升。

附图说明

图1为本发明测试硅片缺陷装置结构示意图。

图2为本发明硅片缺陷放大示意图。

图3为本发明测试硅片缺陷区域堆积的Cu示意图。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

实施例1：本发明被测试硅片为8英寸以上硅片，利用Cu诱导硅片表面COP的测试方法步骤如下：

先将被测试硅片氧化：先将硅片缓慢推进恒温750℃石英氧化炉中，推进速度为：60cm/min，首先通入氮气(N₂)，以每分钟93°的斜坡升温至950～1050℃(约26分钟)，去掉氮气，通氧气，以每分钟2.5°斜坡降温至750℃后关掉氧气(11分钟)，再通入氮气降温(1.5小时)，关氮气，将硅片取出。硅片取出速度为：60cm/min。氧化层厚度：500埃；氧化温度、环境、时间及氧化层厚度按照器件的设计，器件的性能来设定。

2、去除氧化膜：在完成氧化过程后，用稀释的氢氟酸溶液和棉签，将硅片背面的氧化膜去除，氢氟酸溶液浓度为：30重量％(氢氟酸：20～30重量％，水：70～80重量％)；这个过程应该在有通风/排气系统设备的净化级别10级以下的层流罩内进行。注意请勿吸入氢氟酸(HF)化学气体，请勿触摸氢氟酸(HF)溶液，操作人员应穿戴防酸手套/外套/鞋以及氢氟酸(HF)气体过滤面具。

3、测试程序：图1所示：将化学反应槽1内装满甲醇溶液5，甲醇溶液5浓度：99重量％(1～3重量％，97～99重量％)，并依次放置铜板2、硅片3、二氧化硅(SiO₂)薄膜4、铜板6、电极8，然后将盖子7盖紧，通过导线7连接电极8，电极8与铜板6连接，并接通电源正极，铜板2连接导线接电源负极。用直流电(DC)50V在两极(正负)间通电，通电时间：10分钟后关掉电源，拆除电线。从图2、3中可见在化学液CH3OH(甲醇)中金属铜发生化学反应形成铜离子(Cu⁺²)并且向着阴极方向移动。因为与无缺陷区域相比有缺陷区域有更高的能量状况，因而铜离子Cu⁺²主要在缺陷区被捕获。这些在缺陷区域堆积的铜离子Cu⁺²促使原有SiO2薄膜很快被穿透，并且使得微小缺陷显露。

4、硅片干燥处理：从化学反应槽中排出CH3OH(甲醇)溶液，然后小心地取出样品硅片，在净化级别10级以下层流罩中使样品干燥，干燥在常温下进行，干燥时间：0.5小时。

5、测量硅片缺陷数量：使用光学显微镜或激光散射颗粒计数仪来测量硅片缺陷数量，硅片缺陷数量越小硅片成品率越高。在这种情况下注意不要将铜和灰尘污染激光散颗粒计数仪的的硅片测量平台表面。

实施例2：

本发明被测试硅片为8英寸以上硅片，利用Cu诱导硅片表面COP的测试方法步骤如下：

被测试硅片为8英寸以上硅片。

本发明实施例中被测试硅片氧化温度：950℃；氧化层厚度：200埃。氢氟酸溶液浓度为：20％；甲醇溶液浓度为：98％；直流电(DC)20V在两极(正负)间通电，通电时间：30分钟后关掉电源；在常温下进行，干燥时间：1小时；采用实施例1中的测试装置及测试方法，同样可以精确地测试硅片里COP密度和分布，以好的灵敏度和伸缩性，高速度地对整个硅片进行测量，提高硅片的成品率，以此来提高器件产量和可靠性。

实施例3：

本发明实施例中被测试硅片为8英寸以上硅片。

本发明实施例中被测试硅片氧化温度：1000℃；氧化层厚度：350埃。氢氟酸溶液浓度为：25％；甲醇溶液浓度为：98.5％；直流电(DC)35V在两极(正负)间通电，通电时间：20分钟后关掉电源；干燥温度：常温，干燥时间：0.75小时。

采用实施例1中的测试装置及测试方法，同样可以精确地测试硅片里COP密度和分布。