半导体测试薄层厚度测量.ppt

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1、第四章薄层厚度测量多数半导体器件和集成电路的主体结构，由各种形状和尺寸的薄层构成。这些薄层主要有:二氧化硅SiO2氮化硅SiNx掺杂扩散层/离子注入层Si外延层金属膜(Al、Cu等）/多晶硅膜这些薄层很薄，一般在μm范围内。一、引言二氧化硅SiO2、氮化硅SiNx的用途具有绝缘、抗腐蚀性强、易于制备等特点，常在半导体器件制造中用作掺杂阻挡层、表面绝缘层、表面钝化层、绝缘介质等，是硅器件制造中最为广泛应用的一种膜层。一些晶体管的平面制作工艺。双极晶体管MOS晶体管二、薄膜厚度测量的主要方法（一）比色法图4.1白光

2、薄膜上下表面的两束反射光产生干涉图4.2颜色与厚度的对应关系当镀膜变得越来越厚时，晶圆的颜色就会按照一个特定顺序变化，并且不断重复。我们把每一个颜色的重复称为一个顺序(0rder)。红紫橙黄绿蓝靛760nm380nm（二）干涉条纹法图4.3白光入射下的干涉条纹1、在白光下观察彩色条纹测量方法：根据彩色条纹的颜色变化规律，查表求得薄膜厚度2、单色光测量黑白相间条纹干涉显微镜第1个明条纹对应的厚度：t1=λ0/2n(n是薄膜折射率）第2个明条纹对应的厚度：t2=2λ0/2n……第N个明条纹对应的厚度：tN=Nλ0/

3、2n（薄膜总厚度）2、膜厚仪基于干涉原理，可自动实现膜厚测试。膜厚测量仪主要包括：宽带光源、高性能线阵CCD光谱仪、传输光纤、样品测试台及测量分析软件。（三）椭偏仪测量法1、方法简介它应用极化光测量高吸收衬底上的介电薄膜，如硅衬底上的二氧化硅层；能同时准确确定出薄层材料的折射率和厚度，测量精度比干涉法高一个数量级以上，是目前已有的厚度测量方法中最精确的方法之一。2、非极化光与极化光光是一种电磁波，电磁波是横波，振动方向和光波前进方向垂直。通常，光源发出的光波，其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向，

4、即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光就称为非极化光或者自然光。非极化光/自然光偏振光的应用1、汽车车灯2、观看立体电影3、生物的生理机能蜜蜂4、LCD液晶屏利用相位补偿方法可以测出（4.4）（4.5）在光线通过镀膜的通路中，光束平面的角度已经发生了旋转。而光束所在平面旋转的角度大小取决于膜厚和晶圆表面的折射系数。图4.13、图4.141/4波片：将线偏振光变换成椭圆偏振光起偏器的作用：在一定的起偏角下，椭圆偏振光经过样品后能够变成线偏振光。检偏器的作用：将样品出射的线偏振光进行消光，从反

5、方向上对消线偏振光的能量，使得最终出射光为零。4、椭偏仪的测量过程与方法探测器透镜检偏器样品¼波片起偏器激光器角度编码器探角度编码器探旋转底座样品台全波长椭偏仪波长范围：350~850nm应用太阳能电池:减反膜工艺TFT-LCD:SiOx,SiNx,a-Si:H,N+a-Si,Al2O3SiO2Si3N4二、外延层厚度、扩散层和离子注入层深度的测量（一）磨角染色法对于Si外延层/掺杂层的厚度测量，红外线（2.5～50μm)不仅能透过外延层，而且能在杂质浓度突变的外延层-衬底界面上发生反射。这一反射与空气-外延层

6、界面反射的红外线之间存在着光程差和相位变化，因而形成干涉。图4.7红外光通过薄层时的反射和折射θ’（二）红外光反射法连续改变红外光的波长可测出周期变化的反射光的干涉强度。（三）扩展电阻分布测量法过渡区外延层衬底外延层厚度三、导电薄膜厚度测量2、阶梯腐蚀＋台阶测量Al可以首先采用特定的腐蚀剂（如光刻胶）将金属薄膜的一个区域腐蚀掉，得到台阶。那么利用光学显微镜的深度测量（景深）或台阶仪就可以测得金属薄膜的厚度。衬底金属金属二氧化硅层光学显微镜或台阶仪1、磨角干涉法台阶仪/探针轮廓仪可测X-Y-Z三维方向的轮廓轮廓仪

7、的结构示意图台阶仪/轮廓仪是通过仪器的触针与被测表面的滑移进行测量的，是接触测量。其主要优点是可以直接测量某些难以测量到的零件表面，如孔、槽等的表面粗糙度，又能直接按某种评定标准读数或是描绘出表面轮廓曲线的形状，且测量速度快、结果可靠、操作方便。但是被测表面容易被触针划伤，为此应在保证可靠接触的前提下尽量减少测量压力。电动轮廓仪按传感器的工作原理分为电感式、感应式以及压电式多种。仪器由传感器、驱动箱、电器箱等三个基本部件组成。传感器的触针由金刚石制成，针尖圆弧半径为2微米，在触针的后端镶有导块，形成一条相对于工

8、件表面宏观起伏的测量的基准，使触针的位移仅相对于传感器壳体上下运动，所以导块能起到消除宏观几何形状误差和减小纹波度对表面粗糙度测量结果的影响。传感器以铰链形式和驱动箱连接，能自由下落，从而保证导块始终与被测表面接触。传感器的触针尖端表面与被测表面接触，当传感器以匀速水平移动时，被测表面的峰谷使探针产生上下位移，使敏感元件的电感发生变化，从而引起交流载波波形发生变化。此变化经由电器箱中放