研究動機與目的

對於半導體高科技產業來說，積體電路是由三、四百道複雜製程所 建構而成的，為了維持產品的品質，整個製程均會受到嚴密的監控，不 論在製程的前段或後段，都會收集產品經過機台所產生的參數資料，並 由系統自動產生品質管制圖(statistical process control chart, SPC chart)，

為了確保產品的功能性，在晶圓加工完成後會對產品做多項電性測試 (wafer acceptance test, WAT)，包括抽測與全測。一旦在測試時若發現異 常狀況，工程師便需要調出此批產品相關資料紀錄，藉由工程師實務經 驗及專業知識，判斷並歸納察覺異常的主要原因，但如果無法在短時間 找出異常原因，通常會先停止該產品在工廠內的生產。此計畫案就是針 對在晶圓加工完後的電性測試發現閘極氧化層的崩潰電壓異常情形做探 討。

品質管制圖(圖 2-12)可以看到 0.15µm 製程的閘極氧化層崩潰電壓從 9V 變到 1V，這個異常使得所有與閘極氧化層崩潰電壓這個項目有關的 生產站別立刻接到停工的指令。工程師立刻對此項目作氧化層崩潰的模 式比對並得到圖 2-13。根據這些數據，氧化層的品質已經有了變化，製 程中應該是可能有了雜質，因此必須找出並確認影響氧化層崩潰電壓的 因子。再依據實驗的結果可以擬出適合生產線之預防閘極氧化層崩潰電 壓受影響的方案。

圖 2-12 閘極氧化層崩潰電壓SPC Chart顯示崩潰電壓從9V

Applied Voltage (V)

I(mA) Normal

Abnormal

圖 2-13 正常與異常產品之氧化層崩潰模式的比對

在這裡會使用到以下幾種分析

1) 二次離子質譜儀(secondary ion mass spectroscopy, SIMS) 這裡使用的儀器型號為 Cameca IMS-4f。

2) 穿透式電子顯微鏡( transmission electron microscopy, TEM) 這裡使用的儀器型號為 FEI/ Tecni F20。

穿透式電子顯微鏡具有極高的穿透能力及高解析度。穿透式電子顯微鏡 分析主要偵測的資料可分為三種：（1）擷取穿透物質的直射電子

(transmitted electron) 或彈性散射電子 (elastic scattering electron) 成像；

（2）作成電子繞射圖樣 (diffraction pattern, DP)，來作微細組織和晶體結 構的研究；（3）搭配 X-光能譜分析儀 (EDS) 或電子能量散失分析儀 (electron energy loss spectroscope, EELS) 作化學成份分析。這裡我們需要 穿透式電子顯微鏡的成像照片來檢視閘級氧化層的狀況。

方法與步驟如下:

1) 從生產線中電性測試(wafer acceptance test, WAT)站別將崩潰電壓測試 結果異常的產品及正常產品各取兩片，共四片。

2) 將四片晶圓分別送實驗室作二次離子質譜儀(secondary ion mass

spectroscopy, SIMS)與穿透式電子顯微鏡( transmission electron microscopy, TEM)分析。

5) 量測這十二片晶圓的崩潰電壓

6) 依據量測到的崩潰電壓判斷哪一道製程出了問題

圖 3-1 從第一道閘極氧化層清洗到多晶矽層之製程順序

圖 3-2 實驗示意圖

3.2.3 尋找污染路徑的方法與步驟

此實驗目的在於澄清在清洗製程中所用的化學品是否受到汙染，若 化學品是受到汙染那麼此實驗也將澄清污染源是來自清洗機台本身或是 來自廠務中央供酸系統。SC1 與 SC2 共有三種化學品，分別為氨水、雙 氧水及鹽酸，以崩潰電壓失效的模式來判斷，此事件應是屬於金屬污 染，而這三種化學品中鹽酸裡的氯離子是用來去除金屬雜質的，所以推 斷此事件是受鹽酸的影響可能性不高。因此，實驗重點將放在氨水及雙 氧水。

廠務中央供酸系統的氨水及雙氧水是 M 公司所生產提供的，為了澄

清 M 公司的化學品品質，我們找來另一家日本大廠 K 公司提供我們氨 水及雙氧水來交叉實驗比對。供給機台化學品的方式除了廠務中央供酸 系統，我們也用人工方式供酸給機台，可以藉此澄清污染源是來自清洗 機台本身或是來自廠務中央供酸系統。

在這裡會用到崩潰電壓的量測。

使用的機台型號為 Agilent 4072。

崩潰電壓Vbd之定義為複晶矽氧化層外加一個正或負極性偏壓，使得電流 以急遽陡峭的上升所對應的電壓值。

方法與步驟如下:

1) 在第一道閘極氧化層清洗前選取六片晶圓。

2) 將六片晶圓分為六個實驗組別，按照表 3-1 中的條件分別使用 K 公司 與 M 公司的化學品以及人工與中央供酸兩種不同的方式(如圖 3-3 所 示)，以舊的配方來做第一道閘極氧化層清洗。

3) 這六片晶圓在清洗完後，便依照正常生產流程繼續往下走直到 WAT 電性量測。

4) 依據量測到的崩潰電壓判斷化學品是否受到汙染以及污染源是否來自 清洗機台本身或是來自廠務中央供酸系統。

表 3-1 尋找污染路徑的實驗設計

化學品來源 供酸方式

實驗組別 氨水 雙氧水 氨水 雙氧水

1 K 公司 K 公司 人工供酸 人工供酸 2 K 公司 原供應商 人工供酸 人工供酸 3 原供應商 K 公司 人工供酸 人工供酸 4 原供應商 原供應商 人工供酸 人工供酸 5 原供應商 原供應商 人工供酸 中央供酸 6 原供應商 原供應商 中央供酸 人工倒酸

清洗設備

圖 3-3 清洗設備之化學品管路示意圖 廠務中央

人工供酸路徑

Wafer

3.2.4 改善 THIN GATE CLEAN 清洗配方的方法與步驟

1) 在 Thin Gate Clean 前選取兩組晶圓分別使用新配方(SC1→SC2→HF) 與舊配方(SC2→SC1→HF)來做閘極氧化前清洗，完畢後合併往下一站製 程走直到最後一站的電性量測。

2) 量測這兩組晶圓的崩潰電壓。使用的機台型號為 Agilent 4072。

3) 依據量測到的崩潰電壓判斷哪新配方是否有用，然後再用產品來重複

驗證效果。

4) 另外選取兩組空白晶圓分別使用新配方(SC1→SC2→HF)與舊配方 (SC2→SC1→HF)來做清洗

5) 完畢後用 ICP-MS 來對這兩組空白晶圓做分析看看表面的金屬雜質是 差異。這裡使用的儀器型號為 Agilent 7500CS。

圖 3-4 (a)污染晶圓以乾淨的 SC1 清洗 圖 3-4 (b)污染晶圓以被污染的 前後的污染量 SC1 清洗前後的污染量

第四章 結果與討論

4.1 污染物分析結果

SIMS 分析結果：

由於 gate oxide 的厚度約為 70Å，所以必須看 SIMS 分析在深度 0.007μ m 附近的結果。由圖 4-1 (a),(b),(c),(d)可知，崩潰電壓異常 wafer 上的 K、 Al、 Na 離子濃度比正常 wafer 還要高。

TEM 分析結果：

由圖 4-2 與 4-3 可知，崩潰電壓正常與異常晶片的 TEM 照片皆看不出有 異常的情形，氧化層並無明顯偏薄的情形，崩潰電壓正常 wafer 的氧化 層反而比並異常 wafer 偏薄 7Å。

而由圖 4-4 可知，將崩潰電壓晶片的測試墊(test key)上加大電流(hot Spot emission)後浸泡蝕刻液回撥(strip back)， 發現有晶片上出現了方形缺 陷。這證明了這些晶片在製程中確實遭遇到一些問題。

S ec o n d ar y io n c o u n ts

DEPTH (microns)

圖 4-1 (a) 崩潰電壓正常 wafer 之 SIMS 分析結果

SIMS on Good Wafer

0.00E+00

2nd Ion Coun Na

Al 30Si K Ti

Gox Thickness

圖 4-1 (b) 崩潰電壓正常 wafer 之表層 SIMS 分析結果

圖 4-1 (c) 崩潰電壓異常 wafer 之 SIMS 分析結果

SIMS on Bad Wafer

0.00E+00

0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.04 0.04 0.05 0.05 0.06 0.06 0.07 0.08 0.08 0.09

Depth (um)

2nd Ion Coun

Na

圖 4-2 (a)崩潰電壓正常 wafer 的 TEM 照片

WSi

PolySi

Oxide

圖 4-2 (b) 崩潰電壓正常 wafer 的 TEM 放大照片

圖 4-3 (a)崩潰電壓異常 wafer 的 TEM 照片

WSi

PolySi

Oxide 圖 4-3 (b) 崩潰電壓異常 wafer 的 TEM 放大照片

圖 4-4 Hot Spot Emission 後的 TEM 照片

右圖: 做 hot spot emission 後 Strip Back, 發現有 weak point 左圖: weak point 處 Si etch 往晶格方向, 故為方形

4.2 確定問題製程站別的實驗結果

將這十二片晶圓的崩潰電壓量測結果與其所經過的製程比對，發現 只要是經過 thin gate clean 站別的 wafer 都 failed，而只要是沒經過 thin gate clean 站別的 wafer 都為 passed。 很明顯地，我們可以斷定 thin gate clean 站別出了問題。(如圖 4-5 與 4-6 所示)

4.3 尋找污染路徑的實驗結果

六組實驗中只有一組的 Vbd 是 fail 的，在表 4-1 中我們加了一組已 知的條件(視為第七組)，也就是化學品來源皆是由原供應商而供酸方式 皆為中央供酸，在圖 4-7 中可以看到不同條件的崩潰電壓。實驗結果交 叉比對可以得知 :

Passed Failed Failed Failed Passed Failed 圖 4-5 確定問題製程站別的實驗結果

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

Break Down Voltage

%

第一組 第二組 第三組 第四組 第五組 第六組

圖 4-6 確定問題製程站別實驗的 Vbd 結果

-8 -6 -4 -2 0 Break Down Voltage

%

由圖 4-8 可得知，新配方(SC1→SC2→HF)可有效抑制氧化層崩潰電 壓的下降。而由圖 4-9 可得知用產品來重複驗證的結果都是一致的。也

Ca、 K 的離子濃度都明顯比經過新清洗配方(SC1→SC2→HF)要來的 高。

因此，第一個解決此閘極氧化層崩潰電壓下降事件的方法就是將將 thin gate clean 從 SC2ÆSC1ÆHF 改為 SC1ÆSC2ÆHF，圖 4-9 證明了當 在工廠裡金屬不純物濃度沒有變化時， SC1 與 SC2 的前後順序對產品並

使用舊清洗配方

Slot19==>舊清洗配方 SC2SC1HF Slot20==>新清洗配方SC1SC2HF Slot25==>NO CLEANING

圖 4-10 將經過不同清洗步驟的 wafer 送 ICP-MS 分析結果

4.5 化學品傳輸管路之潔淨度的改善

根據實驗資料，污染源是來自廠務中央雙氧水管路 ，而且在廠務中 央雙氧水管路做過年度維護後 Vbd 亦回到規格內，如圖 4-11。

因此第二個解決方案就是廠務中央供酸管路必須提高維護週期，由 目前一年一次改為半年一次，並提高更換過濾器的頻率以避免污染源的 再現。

4.6 建立快速監控閘極氧化層崩潰電壓的方法

由於量產的產品從投片到電性測試有好幾百道製程，一旦產品跑到 電性測試的站別才發現異常時，出問題的站別可能已經跑了數週，因此 建立一個能快速監控電性的機制可以防止影響擴大並及時反映問題，也 能利用此方法來快速的到實驗數據。

此法就是用最少的製程做出主動區的絕緣(Isolation)及簡單的金屬氧化半

導體(Metal-Oxide-Semiconductor)的結構後就把晶圓送去量測電性。雖然 此法對氧化層崩潰電壓並沒有直接的改善，但是卻能幫助快速釐清問 題。

雙氧水中央管路維修後

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Break Down Voltage

%

第五章 結論

半導體製造技術越來越進步的同時，對製程中的污染控制要求也越 來越高。本文中的金屬雜質污染造成了工廠裡數以萬計的晶片報廢，可 見得晶圓廠中污染控制的重要性。

本文中的實驗數據證明了此產品的閘極氧化層受到金屬雜質污染，

而此金屬雜質污染是來自於廠務中央雙氧水管路。根據實驗的結果提出 兩個解決方案，已經開始在工廠內實施並且證明有效 1) 廠務中央供給化

而此金屬雜質污染是來自於廠務中央雙氧水管路。根據實驗的結果提出 兩個解決方案，已經開始在工廠內實施並且證明有效 1) 廠務中央供給化