汚染モニタリング

セミラボの非接触メトロロジー・ソリューションは、微細金属汚染(コンタミネーション)のインライン検出において半導体検査分野をリードしています。セミラボでは、高スループットのフォトルミネッセンスイメージング法(PLI)から、より確立されたライフタイムベースの手法であるサーフェイス・フォトボルテージ(SPV)やマイクロ波フォトコンダクタンス減衰(µ-PCD)などまで、幅広いフルウェハーイメージングソリューションをご提供しています。主力となるデジタルSPV技術(FAaSTシステム)は、バルクFe検出において世界をリードする業界標準検査技術です。

半導体集積回路で使用される重要なゲート酸化膜の完全性に金属汚染が悪影響を与えることは、周知の事実です。高温処理の間に、シリコンウェハー中の汚染は通常、シリコンと誘電体界面で欠陥として沈着するか、誘電体に分離されますが、どちらの場合も、デバイスの早期故障や生産歩留の低下を引き起こす可能性があります。金属汚染が歩留に影響を与える可能性は、チップサイズ(技術ノード/限界寸法など)と欠陥密度(汚染の量など)の関数で表されることになり、したがって、デバイス寸法が小さくなると、歩留を維持するためには、それに応じて汚染を減らす必要があります。図1は、過去25年間におけるこの関係の流れを明示しています。この期間に、IC分野では、新設された半導体製造工場で観察される標準的なバックグラウンドFe濃度が3桁以上低下しました。さらに重要なことに、近未来予測では、最新式Si ICの製造要件を満たすには、もう1桁の欠陥濃度の低下が必要とされています。この取り組みの成功事例としては、CMOS画像センサーにおける白傷の削減があります。

図1.新設IC製造ラインにおける標準的なバックグラウンドFe濃度(青)と、最新式SPVの検出限界(赤)
図1.新設IC製造ラインにおける標準的なバックグラウンドFe濃度(青)と、最新式SPVの検出限界(赤)

超低レベル金属汚染検出が非常に重要である一方で、汚染痕跡を明らかにするフルウェハー画像を提供することも、半導体プロセスエンジニアにとって有益であると言えます。デバイス加工段階と、それに関連する製造装置がますます複雑になっているため、必然的に大量の汚染が生じ、現代のデバイス製造ラインの汚染源となります。汚染の多くはとても小さく、局在する性質を持っている場合があります。ここで価値があるのは、多くの重要なプロセス段階の迅速なモニタリングを可能にする高速フルウェハー汚染イメージングを実行する能力と、プロセス中の汚染原因を特定することです。これが、歩留向上までの時間の短縮とコストの削減に最終的につながります。フルウェハーイメージングが重要であることの分かりやすい例が、図2と3のフルウェハーFeマッピング画像に示されています。当然ながら、フルウェハーイメージングを実行できない手法では、歩留を低下させる汚染の原因の迅速な特定にはあまり役立ちません。

目的が、プロセスの評価、あるいは究極の製造歩留の実現とすると、セミラボの非接触メトロロジーシ・ソリューションは、汚染の高速なフルウェハーイメージングを世界トップクラスの検出感度で実行することで、莫大な価値をもたらします。

図2.フルウェハーFeマッピング画像。4つの白い矢印は、炉の石英品との接点で生じたFe汚染が増加した領域を示しています。

図2.フルウェハーFeマッピング画像。4つの白い矢印は、炉の石英品との接点で生じたFe汚染が増加した領域を示しています。

図3.フルウェハーFeマッピング画像。4つの赤い領域では、腐食したフィルターによる間欠的なパーティクル堆積が原因でFe汚染が増加しています。

図3.フルウェハーFeマッピング画像。4つの赤い領域では、腐食したフィルターによる間欠的なパーティクル堆積が原因でFe汚染が増加しています。

テクノロジー

少数キャリア・ライフタイム測定

 

ライフタイムは、バルク半導体材料の特性の1つであり、過剰キャリアが再結合して平衡に達する前に半導体材料中に存在する平均時間を指します。このパラメータは、「少数キャリア・ライフタイム」、「キャリア・ライフタイム」、「再結合ライフタイム」とも呼ばれます。半導体のライフタイムは、結晶格子が完全で、汚染がない場合に長くなります。一方で、汚染や、導体材料中に不具合がある場合には、ライフタイムは短くなります。このため、ライフタイムをモニターすることが、汚染の検出に効果的です。

図4.測定マップ図4.測定マップ

少数キャリア拡散長測定

 

Semilab SDIのFAaSTシステムは、半導体デバイス・ウェハーの製造プロセス管理と開発で使用される最新式で非接触の電気メトロロジー装置です。この強力な測定手法では、非接触表面電位プローブ法を照射/非侵襲表面帯電と組み合わせて用いることで、半導体ウェハー、誘電体、界面の特性を示す幅広いパラメータを高精度で測定ができ、また、専用の検査試験装置を製作することに伴うコストと時間を節約できます。

SPV測定は、「歴史的」な理由から、様々なシステムプラットフォームで利用できます。驚くほど小型設計のSPVセンサーがWT-2000マルチメトロロジープラットフォームに統合されており、シリコンウェハーの電気的特性の高精度な分析に貢献します。 

FAaSTシステムで採用されているSemilab SDIの特許取得済みデジタルSPV法は、シリコン中の重金属汚染(コンタミネーション)の非接触・非破壊測定において世界をリードする手法として確立されています。SPVでは、少数キャリア拡散長を低注入レベルで非常に高速・確実に測定できます。また、独自の活性化法と組み合わせることで、CuとFeの汚染を圧倒的な感度で特定できます。

Deep Level Transient Spectroscopy(DLTS)

Deep Level Transient Spectroscopy(DLTS)は、重金属汚染(コンタミネーション)や結晶欠陥による半導体中の電気的に活性な欠陥(「トラップ」)の検出と特定を行う強力な技術です。この技術は、深いトラップに関連するエネルギーレベル、捕獲断面積、濃度分布などのあらゆるパラメータを決定するための非常に汎用的な方法です。不純物の特定が可能であり、濃度が2×108 atoms/cm3以下の汚染を検出できます。

DLTSは、ショットキーダイオードまたはPN接合と小型サンプル(通常は完成ウェハーから切断されたもの)との成形を必要とするため、破壊的手法です。

セミラボのDLTSシステムは、DLS-83DまたはDLS-1000と、セミラボが提供する4種のクライオスタットのいずれかで構成されます。

Deep Level Transient Spectroscopy(DLTS) - PV

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