什么是半导体工艺检测?

[拼音]：bandaoti gongyi jiance

[外文]：technological test for semiconductor process

半导体器件生产中，从半导体单晶片到制成最终成品，须经历数十甚至上百道工序。为了确保产品性能合格、稳定可靠，并有高的成品率，根据各种产品的生产情况，对所有工艺步骤都要有严格的具体要求。因而，在生产过程中必须建立相应的系统和精确的监控措施，首先要从半导体工艺检测着手。

半导体工艺检测的项目繁多，内容广泛，方法多种多样，可粗分为两类。第一类是半导体晶片在经历每步工艺加工前后或加工过程中进行的检测，也就是半导体器件和集成电路的半成品或成品的检测。第二类是对半导体单晶片以外的原材料、辅助材料、生产环境、工艺设备、工具、掩模版和其他工艺条件所进行的检测。

主要是对工艺过程中半导体体内、表面和附加其上的介质膜、金属膜、多晶硅等结构的特性进行物理、化学和电学等性质的测定。其中许多检测方法是半导体工艺所特有的。

按照所测定的特性，这一类检测可分为四个方面。

（1）几何尺寸与表面形貌的检测：如半导体晶片、外延层、介质膜、金属膜，以及多晶硅膜等的厚度，杂质扩散层和离子注入层以及腐蚀沟槽等的深度，双极型晶体管的基区宽度，半导体晶片的直径、平整度、光洁度、表面污染、伤痕等，刻蚀图形的线条长、宽、直径间距、套刻精度、分辨率以及陡直、平滑等。

（2）成分结构分析：如衬底、外延层、扩散层和离子注入层的掺杂浓度及其纵向和平面的分布、原始晶片中缺陷的形态、密度和分布，单晶硅中的氧、碳以及各种重金属的含量，在经过各种工艺步骤前后半导体内的缺陷和杂质的分布演变，介质膜的基本成分、含杂量和分布、致密度、针孔密度和分布、金属膜的成分，各步工艺前后的表面吸附和沾污等。

（3）电学特性：如衬底材料的导电类型、电阻率（包括平面分布和一批晶片之间的离散度）、少数载流子寿命、扩散或离子注入层的导电类型与薄层电阻、介质层的击穿电压、金属-氧化物-半导体结构的电容特性、氧化层中的电荷和界面态、金属膜的薄层电阻、通过氧化层台阶的金属条电阻、金属－半导体接触特性和欧姆接触电阻、二极管特性、双极型晶体管特性、金属-氧化物-半导体晶体管特性等。

（4）装配和封装的工艺检测：如键合强度和密封性能及其失效率等。

各类和各个检测项目，有许多是密切相关的。例如，掺杂浓度和分布，除了通过成分结构的分析直接检测外，还可以通过测量电阻率与薄层电阻等方法进行推算。同样，二极管和晶体管的许多特性也与其刻蚀图形和几何结构有密切关系。同一检测项目根据不同产品和工艺的要求，如检测灵敏度、特定的杂质成分等，从经济和使用方便考虑，有时又可选用不同的检测方法和检测手段。对工艺过程存在的问题，有时根据一项检测结果就可作出判断，有时却要对几项测试结果进行综合分析进行判断。在工艺管理中，根据这些具体情况把那些能够直接而又简便地反映工艺控制情况的检测项目，列为经常进行的常规检测。对于那些有助于深入分析和判断工艺中存在的问题，但 *** 作比较繁杂或费用高的检测项目，一般列入非常规的工艺测试，只进行定期或不定期的抽测。

在常规检测中，有时还采用破坏性的方法（如测PN结深度、键合强度等），较多的则属非破坏性测试。但是即使采用非破坏性的检测方法，一般也不在半导体器件和集成电路的半成品或在制品上进行直接测量。其原因是：

（1）避免由于工艺检测引进损伤和沾污；

（2）从半导体器件和集成电路的现成结构上一般难以直接进行所需的工艺检测项目。特别是当集成电路的集成密度增大、图形更加精细时，更难从测量集成电路芯片直接判断工艺中存在的问题。因此，需要采用专门的测试样片进行测试。例如，要测量薄层电阻、PN结的击穿电压或双极型晶体管的电流增益等在整个晶片上的分布情况，就要有专门的测试样片，并按照与正式产品的晶片相同的工艺条件在它的上面加工成薄层电阻、二极管或是双极型晶体管的测试结构阵列。这些测试样片有的用于检验单项工艺步骤，有的则要经受几步连续工艺甚至完成全部工序之后才能进行测试检验。除了根据需要采用专门的测试样片之外，在用于加工正式产品的晶片内部，也在芯片图形之间以适当布局穿插一些包含各种测试结构的测试芯片，或在每个正式芯片的边角位置配置少量测试结构。这些测试结构都是和正式芯片一起经历着完全相同的工艺步骤。从这些测试结构的测量中，可以较为可靠地了解到在同一晶片上所有芯片工艺控制的基本情况。测试结构的图形一般都比正式芯片的图形简单，如单独的电阻条、二极管、双极型晶体管、金属-氧化物-半导体结构的电容器、金属-氧化物-半导体晶体管等。但是，它们的结构和尺寸都要紧密结合正式芯片的情况进行设计。

主要目的是对半导体工艺的条件与环境进行广泛、及时和有效的监控，因而其内容更加广泛繁杂。有些检测项目和方法也非半导体工艺所特有。随着半导体工艺的不断发展，半导体工业的原材料和辅助材料的生产和供应、工艺设备和生产环境的管理等，更加趋向于专业化和标准化。其检测方法更加紧密结合半导体工艺的要求。例如，称为“电子级”、“MOS级”等的超纯化学试剂是专供半导体和其他电子产品的生产使用；高分辨率的抗蚀剂更是专为半导体工艺而生产的；环境和水质的净化也都有一套相当成熟并且更能适应半导体工艺要求的控制和检测方法；精细掩模版的检查方法则为半导体工艺所特有。

工艺检测的目的不只是搜集数据，更重要的是要把不断产生的大量检测数据及时整理分析，不断揭示生产过程中存在的问题，向工艺控制反馈，使之不致偏离正常的控制条件。因而对大量检测数据的科学管理，保证其能够得到准确和及时的处理，是半导体工艺检测中的一项重要关键。