半導(dǎo)體晶片上粒子沉積的實(shí)驗(yàn)研究

引言

半導(dǎo)體晶片上的粒子沉積是集成電路制造中的一個(gè)重要問題。隨著集成電路的特征尺寸接近亞微米的尺寸，晶片上的顆粒沉積是造成產(chǎn)品損失的主要原因。我們開發(fā)了一種用于檢測(cè)半導(dǎo)體晶片上顆粒沉積的靈敏方法。該方法包括產(chǎn)生單分散熒光氣溶膠，在層流室中將已知尺寸的單分散氣溶膠沉積在晶片上，并使用熒光技術(shù)分析沉積的顆粒。在1.0 pm的顆粒直徑以上，單分散的鈾標(biāo)記的油酸氣溶膠由振動(dòng)孔發(fā)生器產(chǎn)生。測(cè)試晶片是直徑3.8厘米的硅，將晶片水平放置在保持20厘米自由流速度的垂直層流室中。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用凝聚核計(jì)數(shù)器和光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器獲得測(cè)試截面中的粒子濃度分布，并監(jiān)測(cè)氣溶膠濃度的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在0.15 ~ 8.0 μm的顆粒尺寸范圍內(nèi)，測(cè)量的顆粒在晶片上的沉積速度與Liu和Ahn (1987j)的理論非常一致。沉積速度在顆粒直徑約0.25 qm時(shí)表現(xiàn)出最小值，并且由于擴(kuò)散沉積和重力沉降而分別隨著顆粒尺寸的變小和變大而增加。

這項(xiàng)研究的目的是開發(fā)測(cè)量半導(dǎo)體晶片上顆粒沉積速度的方法。然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與最近的理論計(jì)算進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)

圖2顯示了用于研究半導(dǎo)體晶片上顆粒沉積的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)由兩個(gè)產(chǎn)生單分散測(cè)試氣溶膠的氣溶膠發(fā)生器、一個(gè)放置測(cè)試晶片的層流測(cè)試室、兩個(gè)連續(xù)濃度檢測(cè)器和一個(gè)熱膜風(fēng)速計(jì)組成，用于監(jiān)測(cè)測(cè)試氣溶膠的穩(wěn)定性并掃描測(cè)試截面的速度和濃度分布。每個(gè)組件的細(xì)節(jié)描述如下：

單分散氣溶膠產(chǎn)生：

使用了兩個(gè)氣溶膠發(fā)生器來產(chǎn)生單分散測(cè)試氣溶膠。對(duì)于尺寸在0.1到1.0 ym之間的顆粒。如圖2所示，通過霧化由溶解在稀氨水中的熒光素粉末組成的溶液，首先產(chǎn)生多分散的熒光素氣溶膠。然后在微分遷移率分析儀中根據(jù)電遷移率對(duì)多分散氣溶膠進(jìn)行分類?！暗冗w移率”氣溶膠顆粒隨后在85-Kr放射性去充電器中中和，隨后在進(jìn)入一級(jí)微孔沖擊器之前與干凈的干燥空氣混合。撞擊器用于清除那些大顆粒，由于它們帶有多重電荷，因此它們與所需尺寸的單電荷顆粒在同一遷移率通道中通過了直接存儲(chǔ)器存取。輸出是從直接存儲(chǔ)器存取的操作條件獲得的已知尺寸的真正單分散氣溶膠。

結(jié)果和討論

本實(shí)驗(yàn)的粒子沉積機(jī)制預(yù)計(jì)為對(duì)流、布朗擴(kuò)散、沉積和慣性碰撞。由于晶片是電接地的，單分散氣溶膠粒子被放射性源中和，靜電效應(yīng)可以忽略。在目前的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)中使用的最大尺寸粒子8公里粒子的斯托克斯數(shù)估計(jì)為< 0.002。因此，與其他沉積機(jī)制相比，慣性撞擊被認(rèn)為不太重要。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給出的流場(chǎng)是軸向的對(duì)稱的。在該實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的沉積速度是整個(gè)晶片上的平均沉積速度，而不是駐點(diǎn)周圍的小區(qū)域。所有這些實(shí)驗(yàn)條件都與劉和安的理論中使用的假設(shè)相匹配。

結(jié)果給出了粒子沉積速度與粒徑的函數(shù)關(guān)系。粒子在晶片上的沉積速度Vd定義為顆粒通量與晶圓的沉積數(shù)量(單位面積和單位時(shí)間)J與晶圓N上方的體積介質(zhì)中空氣中顆粒濃度的比值。

在典型運(yùn)行中，單分散氣溶膠由兩個(gè)氣溶膠發(fā)生器中的一個(gè)產(chǎn)生，并輸送到等速注射探針。流出注射探針的氣溶膠濃度首先由等速過濾取樣器收集。然后將測(cè)試晶片放置在注射探針下方，并暴露于均勻濃度的單分散測(cè)試氣溶膠中。沉積期結(jié)束時(shí)，取另一個(gè)等速過濾器樣品。收集熒光，然后將來自過濾器和晶片的重新標(biāo)記的顆粒溶解在單獨(dú)的清洗溶液中。

圖6顯示了用這個(gè)系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于3.8cm直徑的晶片和20 cm/s的自由流速度。在該實(shí)驗(yàn)中遇到的一個(gè)測(cè)量困難是沖擊器基底可以在短時(shí)間內(nèi)裝載粒子。盡管基底表面涂有油脂以防止顆粒反彈，但是重顆粒負(fù)載將很快提供促進(jìn)顆粒反彈的固體表面。這一效果如圖6所示。運(yùn)行2和3是通過分別在20分鐘和10分鐘內(nèi)相對(duì)于基板旋轉(zhuǎn)沖擊器噴嘴而獲得的。運(yùn)行4的特點(diǎn)是使用電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)噴嘴-基底。數(shù)據(jù)顯示，隨著噴嘴基底的旋轉(zhuǎn)越來越頻繁，由于有新的潤滑表面，顆粒反彈減少。

總結(jié)

我們已經(jīng)成功地開發(fā)了一種測(cè)量半導(dǎo)體晶圓上粒子沉積的新方法。這將允許獲得一個(gè)數(shù)據(jù)庫，以便與各種理論模型進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)沉積數(shù)據(jù)與理論吻合。目前正在制定計(jì)劃，將沉積速率考慮到粒子電荷、電場(chǎng)以及熱梯度的影響，來測(cè)量沉積速率。

審核編輯：湯梓紅