专利名称：缺陷原因分析的方法
技术领域：
本发明涉及一种缺陷原因分析(defect root cause analysis)方法，尤其涉及一种用于大尺寸半导体晶片的缺陷原因分析方法。
背景技术：
在半导体生产工艺中，往往会因为一些无法避免的原因而生成细小的微粒或缺陷，而随着半导体工艺中组件尺寸的不断缩小与电路积集度的不断提高，这些极微小的缺陷或微粒对集成电路品质的影响也日趋严重。因此，为维持产品品质的稳定，通常在进行各项半导体工艺的同时，也须针对所生产的半导体组件进行缺陷检测，以根据检测结果来分析造成这些缺陷的根本原因，之后才能进一步通过工艺参数的调整来避免或减少缺陷的产生，以达到提升半导体工艺合格率以及可靠性的目的。
请参考图1，图1为一现有技术的半导体流程示意图。如图1所示，一半导体芯片在制作过程中须经过多道半导体工艺，一般而言，一半导体芯片在一晶片厂中大多经历数千道工序，为说明方便起见，图1中仅以其中的数道工序来说明现有半导体工艺中的缺陷控制方法。如图1所示，工序A10、工序B 20、工序C 30、工序D 40以及工序E 50分别代表五道半导体工序，这些半导体工序并不限于使用相同的机械设备或不同的机械设备来进行。而缺陷检测60及缺陷检测70则分别针对完成工序A 10与工序C 30的半导体芯片进行取样测试。
一旦在缺陷检测60或70中发现有异常状况时，将会再进行进一步的缺陷原因分析，以求找出缺陷发生的根本原因，以便通过工艺上的调整来抑制缺陷的产生。在现有技术的缺陷分析方式中，大多针对缺陷的来源进行逐步检测，以求找出这些缺陷是由那一个工序所造成。举例来说，若在缺陷检测70处发现大量的新增缺陷生成(扣除已于缺陷检测60中发现的缺陷)，那么将会针对缺陷检测60及70间的每一工序做逐站核查，也就是分别对工序B 20与工序C 30进行测试，倘若发现工序B 20完成后未发现缺陷，而在完成工序C 30后才发现缺陷的产生，那么就会认定导致这些缺陷的原因在工序C 30，而后尝试去调整工序C 30中的各项工艺参数，看看能否避免缺陷的生成。
在现有技术缺陷原因分析方式中，除了需要耗费大量的时间来逐步测试各工序外，另存有一个相当大的盲点。在现有技术的缺陷原因分析方式中，虽然能确实找出缺陷发生于哪一个步骤，但是导致该缺陷发生的根本原因却未必来自该步骤，而很有可能是因为前一道工序中的一些小瑕疵，这些小瑕疵对于前道工序可能没什么影响，但是到了后一道工序缺会因此而导致严重的问题。举例来说，假设工序B 20与工序C 30分别为一蚀刻工序与一沉积工序，对工序B 20而言，在该工序中，在半导体芯片表面形成或残留一些杂质或微粒可能并无任何影响，因此在进行缺陷检测时并未发现工序B 20有任何问题，然而在进行工序C 30的沉积步骤时，先前处在表面的那些杂质或微粒都会因该沉积工序的影响而逐渐长大，因而造成缺陷的产生。在这种状况下，若采用已知的缺陷原因分析方法很可能会因为前面的工序B 20没有发生问题而误以为这些缺陷均是工序C 30所导致，在这种状况下，不论如何修正工序C 30的参数，都不可能使缺陷的发生情形有所改善。
此外，在现有技术的缺陷原因分析方法中，还包括一种利用能量散布光谱仪(energy dispersive spectrometer，EDS)来进行化学组成分析的方法，该方法利用电子束打击测试物体表面的一特定位置，并根据其所激发的特性X光进行分析，以获得该点的化学组成，因此只要通过该缺陷处的资料与背景资料间的比对，即可得出该缺陷的组成成分，对于一个对工艺条件相当熟悉度的工程师而言，这几乎足以判断出该缺陷可能发生的原因。然而由于能量散布光谱仪具有分辨率低、定量能力差、对轻元素的检测能力也不佳等缺点，因此对于一些较小的缺陷(0.2微米以下)均无法有效检测，仅能适用于大颗粒缺陷的分析，随着工艺尺时的不断缩小，各种尺寸小但对成品率破坏极大的缺陷也在不断增加，该方法的适用性也在不断下降。
随着半导体产业工艺的进步以及对经济效益重视，晶片的直径已由过去8时迈向12时，线宽大小亦由过去的0.18微米进入0.13微米甚至0.1微米以下，在这由测试到批量生产的过程中，往往需要对工艺进行大幅的改变与调整，因此，现在迫切需要一种迅速而准确的缺陷原因分析方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可对小尺寸缺陷进行化学组成分析的缺陷原因分析方法，以解决现有技术中的问题。
本发明的最佳实施例公开了一种半导体工艺的缺陷原因分析方法，包括首先提供一样本，该样本之上具有复数个缺陷；接着进行缺陷检测，以检测出该缺陷的大小及位置；并根据该缺陷的大小和位置，以适当的仪器与方法来进行一适当的化学组成分析；再根据该化学组成分析结果来进行一图谱分析；最后根据该图谱分析的结果来判断该缺陷产的产生原因。
由于本发明的缺陷原因分析方法利用一化学组成分析来检测造成缺陷的材料，并根据产生缺陷的材质来推断其可能发生原因，因此能大幅缩短判断时间并提高缺陷原因分析的灵敏度，达到提升产品合格率和可靠性的目的。
图1为一现有技术中一缺陷原因分析方法示意图。
图2为本发明中一缺陷原因分析方法示意图。
图3为本发明第一实施例中的一缺陷原因分析方法示意图。
图4为本发明第一实施例中一组成分布图谱的示意5为本发明第二实施例中一缺陷原因分析方法示意图。
图6为本发明第二实施例中一组成分布图谱的示意图附图标记说明10工序A 20工序B30工序C 40工序D50制程E 60缺陷检测70缺陷检测 110取样12缺陷探测 130缺陷分类140化学组成分析 150图谱分析160缺陷原因分析 210取样220缺陷探测 230俄歇电子分析
240图谱分析 250缺陷原因分析262硅氧层 264钨导线310取样 320缺陷探测330聚焦离子束切割 340俄歇电子分析350图谱分析 360缺陷原因分析具体实施方式
请参考图2，图2为本发明中缺陷原因分析方法100的示意图。如图2所示，首先，进行取样110，取得一测试样本，借着对该测试样本进行缺陷检验(defect inspection)120，并根据检验的结果进行缺陷分类130，并根据不同的缺陷型态采用适当的仪器/方法来进行行化学组成分析140。
在本发明的优选的实施例中，根据该测试样本上的多个缺陷的大小与位置而大致分为三类，并分别以三种不同的方法来进行化学组成分析140。其中，当缺陷主要位于该测试样本下层属于第一缺陷类型，当缺陷主要位于该测试样本表面且缺陷的尺寸较大(大于0.2微米)、具有单一相(singlephase)或为较粗大的粒子(thick particle)时，则属于第二缺陷类型，最后，将缺陷同样位于该测试样本表面但缺陷尺寸较小(小于0.2微米)、非单一相或非粗大粒子的状况则为第三缺陷类型。
对于该第二缺陷类型以及该第三缺陷类型而言，由于缺陷主要位于该测试样本的表面，因此可以利用适当的仪器直接测定，一般而言，针对缺陷尺寸较大(大于0.2微米)、具有单一相或为较粗大的粒子的第二缺陷类型，多半采用可针对较大范围进行测定的能量散布仪来分析该缺陷的组成成分，而针对尺寸较小的第三缺陷类型，则通过利用一扫描式俄歇电子显微镜(scanning auger microscopy，SAM)或一俄歇电子光谱仪(auger electronspectroscopy，AES)来对该样本进行俄歇电子分析(auger analysis)，通过正常区域与异常区域间的差异成分进行比较，以获得该缺陷的组成。与能量散布仪相比较，俄歇电子分析虽仅能针对该测试样本表面很小的范围进行检测(小于0.1微米)，且只能检测很浅的一层区域(约50埃)，但其分辨率与灵敏度却远胜过能量散布仪，而能对一些微小但结构较复杂的缺陷提供比较好的检测结果。
至于第一缺陷类型，由于其缺陷主要位于该测试芯片的下层，因此无法直接进行化学组成分析，因此会多半先利用一电压对比(voltage contrast)找出缺陷的大致位置，接着利用适当的工具，例如聚焦离子束(focusion beam，FIB)，将该测试样本切开，使该缺陷露出，再配合以前述方式，例如俄歇电子分析，针对该测试样本的剖面进行化学组成分析140。
不论是何种缺陷类型，在进行该化学组成分析140时，大多会依测试样品的状态采用不同的分析方法，例如可包括定点扫描(point scan)、去层次(delayer)结构分析、或是纵深浓度(depth profile)分析，最后汇总所有测试结果，并根据这结果来绘制一组成分布图谱，并根据该组成分布图谱来进行一图谱分析150。根据已知所形成缺陷的形状、位置、及组成的情况，在大多数的情况下，对于一熟知该项领域的工艺工程师而言，均不难分析或推测出产生该缺陷的根本原因，而后自然可采取相应的措施，对有问题的工艺步骤进行适当地修正，以避免缺陷的产生，进而解决产品的异常状态，提高产品的可靠性。
为进一步说明本发明的缺陷分析方式，以下列举二实施例，并同时以现有技术的缺陷原因分析方法与本发明的缺陷分析方法来进行缺陷原因分析，以便进一步说明本发明与现有技术之间的差别。首先，在第一实施例中，以常见的蚀刻工艺为例，来说明本发明的缺陷原因分析方法。举例来说，假设我们打算在一硅氧层上形成一图案化的钨导线，但是在蚀刻完钨导线后，发现这些钨导线中有部分短路，亦即有缺陷发生。这时若我们以现有技术的缺陷分析方式进行分析，则我们可能需确定一缺陷观测计划，自发生问题的工序起，向前回溯三至五个工序，对这些工序一一进行抽样检验，逐步确认这些工序中是否存在任何问题，但是我们很可能会发现该问题只存在于蚀刻后，因此，依照现有技术的分析方式，很自然的会将问题的原因指向最后的湿式清洁工序的残留物。即使再以能量散布仪来分析该缺陷的组成成分，但由于能量散布仪的分辨率低，所以亦仅会发现异常处与正常区域均主要由硅与氧所组成，而不能得到任何有用的资料，即使与逐步检查的结果放在一起，也无法得出任何正确的结论。
请参考图3，图3为本发明第一实施例中的缺陷原因分析方法。如图3所示，当本发明的方法在进行取样210与缺陷检测220后，当发现该样本有异常状况时，将会直接用该异常的样本进行俄歇电子分析230(假设缺陷位于表面且小于0.2微米)，而不需重新取样，对于一些偶发性的缺陷而言，这将大幅提升取样的有效性，而不会因重新取样后，因未发现缺陷而造成检测时间的延误。接着将根据俄歇电子分析230的结果绘制一组成分布图谱，以进行图谱分析240。请参考图4，图4为一组成分布图谱的示意图，如图4所示，我们将可清楚的区分出硅氧层262与其上的钨导线264，并可发现该缺陷虽于钨蚀刻工序时产生，但根本原因可能来之于前一步的蚀刻工序中有部分聚合物残留，因此才导致这一缺陷的产生，之后，只要对该蚀刻工序中的部分参数进行调整，避免光阻层残留，即可有效解决这一问题。
以下以一沉积工序为例，来说明当缺陷发生在测试样本下层的情况。以一氮化钛的沉积工序为例，当在缺陷分析320的过程中，发现有缺陷存在于测试样本下层时，若以现有技术进行缺陷原因分析，往回追踪的结果也只会发现缺陷是在沉积工序中产生的，而以能量散布仪进行化学组成分析也只会发现该缺陷同样由氮及钛所组成，故不能得到任何结论，仅能通过试误法去调整该沉积工序的参数。如图5所示，但若以本发明的缺陷原因分析方法进行分析，则在缺陷检测320中以扫描式电子显微镜(SEM)发现到缺陷存在时，即可通过聚焦电子束切割该测试样本330，再对该剖面进行俄歇电子分析340，并以同样的方式制作一组成分布分布图谱。请参考图6，图6为一组成分布图谱的示意图。如图6所示，我们将可清楚的区分出硅层372与钛化氮层374间存有少量的磷粒子376，故可判定这缺陷的根本原因是前层表面不干净所致，而通过一适当的参数调整，例如对先前的清洗步骤或蚀刻步骤进行参数调整，以避免磷粒子的产生，以便有效地解决这一问题。
与现有技术中的缺陷原因分析方式相比较，本发明的缺陷原因分析方式通过结合聚焦离子束与化学组成分析来制作图谱，通过图谱分析的结果来判定产生缺陷的根本原因，故可有效提高缺陷原因分析的速率与准确度，而能在一较短的时间内，找出一较佳的工艺范围。此外，本发明还公开了一种可针对不同缺陷类型以不同的方式来分析化学组成的方法，这将更近一步地提高图谱分析的精确性与灵敏度，而能在耗费较少时间成本的情况下，通过正确地调整各项工艺参数来抑制异常状态的发生，达到提高产品稳定度与可靠性的目的。
以上所述仅为本发明的优选的实施例，凡在本发明申请专利范围内所做的等效变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种缺陷原因分析方法，该方法包括下列步骤提供一样本，所述的样本的上表面上具有多个缺陷；进行一缺陷检测，以探测出所述的缺陷的大小及位置；对所述的样本进行一化学组成分析；根据所述的化学组成分析的结果来进行一图谱分析；以及根据所述的图谱分析的结果来判断所述的缺陷产生的原因。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法在完成缺陷检测后，还包括一缺陷分类步骤，以便判断所述的缺陷的缺陷种类，并根据所述的缺陷的缺陷种类采用相应的化学成分分析方式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述的缺陷的尺寸小于0.2微米或是非单相组成粒子时，所述的化学组成分析利用俄歇电子来进行探测。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述的方法利用一扫描式俄歇电子显微镜或一俄歇电子光谱仪来对所述的样本进行化学组成分析。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述的缺陷的尺寸大于0.2微米、具有单一相或为较粗大的粒子时，所述的化学组成分析利用一能量散布分析仪来进行探测。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述的化学组成分析的方法包括定点扫描、去层次结构分析、或是纵深浓度分析。
7.一种缺陷原因分析方法，该方法包括下列步骤提供一样本，所述的样本内具有多个缺陷；进行一电压对比，以辨别出所述的缺陷的位置；利用一聚焦离子束对所述的样本进行切割，以使所述的样本的一剖面露出，以及利用俄歇电子对所述的样本的剖面进行一化学组成分析；根据所述的化学组成分析的结果来进行一图谱分析；以及根据所述的图谱分析的结果来判断所述的等缺陷产生的原因。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述的方法利用一扫描式俄歇电子显微镜或一俄歇电子光谱仪来对所述的样本的剖面进行化学组成分析。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述的化学成分分析的方法以定点扫描的方式来进行。
全文摘要
一种缺陷原因分析方法，包括首先提供一样本，该样本的上表面上具有多个缺陷；接着进行一缺陷检测，以检测出该缺陷的大小及位置；对该样本进行一化学组成分析；再根据该化学组成分析的结果来进行一图谱分析；最后根据该图谱分析的结果来判别该缺陷产生的原因。
文档编号H01L21/66GK1677636SQ20041003325
公开日2005年10月5日 申请日期2004年3月29日 优先权日2004年3月29日
发明者林龙辉 申请人:力晶半导体股份有限公司