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半導體工藝檢測的項目繁多,內(nèi)容廣泛,方法多種多樣,可粗分為兩類。第一類是半導體晶片在經(jīng)歷每步工藝加工前后或加工過程中進行的檢測,也就是半導體器件和集成電路的半成品或成品的檢測。第二類是對半導體單晶片以外的原材料、輔助材料、生產(chǎn)環(huán)境、工藝設備、工具、掩模版和其他工藝條件所進行的檢測。

目的

主要是對工藝過程中半導體體內(nèi)、表面和附加其上的介質(zhì)膜、金屬膜、多晶硅等結(jié)構(gòu)的特性進行物理、化學和電學等性質(zhì)的測定。其中許多檢測方法是半導體工藝所特有的。

分類

按照所測定的特性,這一類檢測可分為四個方面。①幾何尺寸與表面形貌的檢測:如半導體晶片、外延層、介質(zhì)膜、金屬膜,以及多晶硅膜等的厚度,雜質(zhì)擴散層和離子注入層以及腐蝕溝槽等的深度,雙極型晶體管的基區(qū)寬度,半導體晶片的直徑、平整度、光潔度、表面污染、傷痕等,刻蝕圖形的線條長、寬、直徑間距、套刻精度、分辨率以及陡直、平滑等。②成分結(jié)構(gòu)分析:如襯底、外延層、擴散層和離子注入層的摻雜濃度及其縱向和平面的分布、原始晶片中缺陷的形態(tài)、密度和分布,單晶硅中的氧、碳以及各種重金屬的含量,在經(jīng)過各種工藝步驟前后半導體內(nèi)的缺陷和雜質(zhì)的分布演變,介質(zhì)膜的基本成分、含雜量和分布、致密度、針孔密度和分布、金屬膜的成分,各步工藝前后的表面吸附和沾污等。③電學特性:如襯底材料的導電類型、電阻率(包括平面分布和一批晶片之間的離散度)、少數(shù)載流子壽命、擴散或離子注入層的導電類型與薄層電阻、介質(zhì)層的擊穿電壓、金屬-氧化物-半導體結(jié)構(gòu)的電容特性、氧化層中的電荷和界面態(tài)、金屬膜的薄層電阻、通過氧化層臺階的金屬條電阻、金屬-半導體接觸特性和歐姆接觸電阻、二極管特性、雙極型晶體管特性、金屬-氧化物-半導體晶體管特性等。④裝配和封裝的工藝檢測:如鍵合強度和密封性能及其失效率等。

相互關(guān)系

各類和各個檢測項目,有許多是密切相關(guān)的。例如,摻雜濃度和分布,除了通過成分結(jié)構(gòu)的分析直接檢測外,還可以通過測量電阻率與薄層電阻等方法進行推算。同樣,二極管和晶體管的許多特性也與其刻蝕圖形和幾何結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。同一檢測項目根據(jù)不同產(chǎn)品和工藝的要求,如檢測靈敏度、特定的雜質(zhì)成分等,從經(jīng)濟和使用方便考慮,有時又可選用不同的檢測方法和檢測手段。對工藝過程存在的問題,有時根據(jù)一項檢測結(jié)果就可作出判斷,有時卻要對幾項測試結(jié)果進行綜合分析進行判斷。在工藝管理中,根據(jù)這些具體情況把那些能夠直接而又簡便地反映工藝控制情況的檢測項目,列為經(jīng)常進行的常規(guī)檢測。對于那些有助于深入分析和判斷工藝中存在的問題,但操作比較繁雜或費用高的檢測項目,一般列入非常規(guī)的工藝測試,只進行定期或不定期的抽測。

破壞性檢測方法

在常規(guī)檢測中,有時還采用破壞性的方法(如測PN結(jié)深度、鍵合強度等),較多的則屬非破壞性測試。但是即使采用非破壞性的檢測方法,一般也不在半導體器件和集成電路的半成品或在制品上進行直接測量。其原因是:①避免由于工藝檢測引進損傷和沾污;②從半導體器件和集成電路的現(xiàn)成結(jié)構(gòu)上一般難以直接進行所需的工藝檢測項目。特別是當集成電路的集成密度增大、圖形更加精細時,更難從測量集成電路芯片直接判斷工藝中存在的問題。因此,需要采用專門的測試樣片進行測試。例如,要測量薄層電阻、PN結(jié)的擊穿電壓或雙極型晶體管的電流增益等在整個晶片上的分布情況,就要有專門的測試樣片,并按照與正式產(chǎn)品的晶片相同的工藝條件在它的上面加工成薄層電阻、二極管或是雙極型晶體管的測試結(jié)構(gòu)陣列。這些測試樣片有的用于檢驗單項工藝步驟,有的則要經(jīng)受幾步連續(xù)工藝甚至完成全部工序之后才能進行測試檢驗。除了根據(jù)需要采用專門的測試樣片之外,在用于加工正式產(chǎn)品的晶片內(nèi)部,也在芯片圖形之間以適當布局穿插一些包含各種測試結(jié)構(gòu)的測試芯片,或在每個正式芯片的邊角位置配置少量測試結(jié)構(gòu)。這些測試結(jié)構(gòu)都是和正式芯片一起經(jīng)歷著完全相同的工藝步驟。從這些測試結(jié)構(gòu)的測量中,可以較為可靠地了解到在同一晶片上所有芯片工藝控制的基本情況。測試結(jié)構(gòu)的圖形一般都比正式芯片的圖形簡單,如單獨的電阻條、二極管、雙極型晶體管、金屬-氧化物-半導體結(jié)構(gòu)的電容器、金屬-氧化物-半導體晶體管等。但是,它們的結(jié)構(gòu)和尺寸都要緊密結(jié)合正式芯片的情況進行設計。

主要目的是對半導體工藝的條件與環(huán)境進行廣泛、及時和有效的監(jiān)控,因而其內(nèi)容更加廣泛繁雜。有些檢測項目和方法也非半導體工藝所特有。隨著半導體工藝的不斷發(fā)展,半導體工業(yè)的原材料和輔助材料的生產(chǎn)和供應、工藝設備和生產(chǎn)環(huán)境的管理等,更加趨向于專業(yè)化和標準化。其檢測方法更加緊密結(jié)合半導體工藝的要求。例如,稱為"電子級"、"MOS級"等的超純化學試劑是專供半導體和其他電子產(chǎn)品的生產(chǎn)使用;高分辨率的抗蝕劑更是專為半導體工藝而生產(chǎn)的;環(huán)境和水質(zhì)的凈化也都有一套相當成熟并且更能適應半導體工藝要求的控制和檢測方法;精細掩模版的檢查方法則為半導體工藝所特有。

工藝檢測的目的不只是搜集數(shù)據(jù),更重要的是要把不斷產(chǎn)生的大量檢測數(shù)據(jù)及時整理分析,不斷揭示生產(chǎn)過程中存在的問題,向工藝控制反饋,使之不致偏離正常的控制條件。因而對大量檢測數(shù)據(jù)的科學管理,保證其能夠得到準確和及時的處理,是半導體工藝檢測中的一項重要關(guān)鍵。