半導(dǎo)體測試 薄層厚度測量課件

第四章

薄層厚度測量半導(dǎo)體測試薄層厚度測量多數(shù)半導(dǎo)體器件和集成電路的主體結(jié)構(gòu)，由各種形狀和尺寸的薄層構(gòu)成。這些薄層主要有:

二氧化硅SiO2

氮化硅SiNx

摻雜擴(kuò)散層/離子注入層

Si外延層金屬膜(Al、Cu等）/多晶硅膜這些薄層很薄，一般在μm范圍內(nèi)。一、引言半導(dǎo)體測試薄層厚度測量二氧化硅SiO2、氮化硅SiNx的用途

具有絕緣、抗腐蝕性強(qiáng)、易于制備等特點(diǎn)，常在半導(dǎo)體器件制造中用作摻雜阻擋層、表面絕緣層、表面鈍化層、絕緣介質(zhì)等，是硅器件制造中最為廣泛應(yīng)用的一種膜層。半導(dǎo)體測試薄層厚度測量半導(dǎo)體測試薄層厚度測量一些晶體管的平面制作工藝。雙極晶體管MOS晶體管半導(dǎo)體測試薄層厚度測量二、薄膜厚度測量的主要方法半導(dǎo)體測試薄層厚度測量（一）比色法圖4.1白光薄膜上下表面的兩束反射光產(chǎn)生干涉半導(dǎo)體測試薄層厚度測量圖4.2顏色與厚度的對應(yīng)關(guān)系當(dāng)鍍膜變得越來越厚時，晶圓的顏色就會按照一個特定順序變化，并且不斷重復(fù)。我們把每一個顏色的重復(fù)稱為一個順序(0rder)。

紅紫橙黃綠藍(lán)靛760nm380nm半導(dǎo)體測試薄層厚度測量（二）干涉條紋法圖4.3白光入射下的干涉條紋1、在白光下觀察彩色條紋

測量方法：根據(jù)彩色條紋的顏色變化規(guī)律，查表求得薄膜厚度半導(dǎo)體測試薄層厚度測量2、單色光測量黑白相間條紋干涉顯微鏡半導(dǎo)體測試薄層厚度測量第1個明條紋對應(yīng)的厚度：t1=λ0/2n(n是薄膜折射率）第2個明條紋對應(yīng)的厚度：t2=2λ0/2n……第N個明條紋對應(yīng)的厚度：tN=Nλ0/2n（薄膜總厚度）半導(dǎo)體測試薄層厚度測量2、膜厚儀

基于干涉原理，可自動實(shí)現(xiàn)膜厚測試。半導(dǎo)體測試薄層厚度測量

膜厚測量儀主要包括：寬帶光源、高性能線陣CCD光譜儀、傳輸光纖、樣品測試臺及測量分析軟件。半導(dǎo)體測試薄層厚度測量（三）橢偏儀測量法1、方法簡介

它應(yīng)用極化光測量高吸收襯底上的介電薄膜，如硅襯底上的二氧化硅層；能同時準(zhǔn)確確定出薄層材料的折射率和厚度，測量精度比干涉法高一個數(shù)量級以上，是目前已有的厚度測量方法中最精確的方法之一。

半導(dǎo)體測試薄層厚度測量2、非極化光與極化光

光是一種電磁波，電磁波是橫波，振動方向和光波前進(jìn)方向垂直。通常，光源發(fā)出的光波，其光波矢量的振動在垂直于光的傳播方向上作無規(guī)則取向，即光矢量具有軸對稱性、均勻分布、各方向振動的振幅相同，這種光就稱為非極化光或者自然光。非極化光/自然光半導(dǎo)體測試薄層厚度測量半導(dǎo)體測試薄層厚度測量偏振光的應(yīng)用

1、汽車車燈

2、觀看立體電影

3、生物的生理機(jī)能

蜜蜂4、LCD液晶屏

半導(dǎo)體測試薄層厚度測量半導(dǎo)體測試薄層厚度測量半導(dǎo)體測試薄層厚度測量利用相位補(bǔ)償方法可以測出（4.4）（4.5）

在光線通過鍍膜的通路中，光束平面的角度已經(jīng)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。而光束所在平面旋轉(zhuǎn)的角度大小取決于膜厚和晶圓表面的折射系數(shù)。半導(dǎo)體測試薄層厚度測量圖4.13、圖4.141/4波片：將線偏振光變換成橢圓偏振光起偏器的作用：在一定的起偏角下，橢圓偏振光經(jīng)過樣品后能夠變成線偏振光。檢偏器的作用：將樣品出射的線偏振光進(jìn)行消光，從反方向上對消線偏振光的能量，使得最終出射光為零。半導(dǎo)體測試薄層厚度測量4、橢偏儀的測量過程與方法半導(dǎo)體測試薄層厚度測量探測器透鏡檢偏器樣品?波片起偏器激光器角度編碼器探角度編碼器探旋轉(zhuǎn)底座樣品臺半導(dǎo)體測試薄層厚度測量全波長橢偏儀

波長范圍：350~850nm應(yīng)用

太陽能電池:減反膜工藝

TFT-LCD:SiOx,SiNx,a-Si:H,N+a-Si,Al2O3SiO2Si3N4半導(dǎo)體測試薄層厚度測量二、外延層厚度、擴(kuò)散層和離子注入層深度的測量半導(dǎo)體測試薄層厚度測量（一）磨角染色法

半導(dǎo)體測試薄層厚度測量

對于Si外延層/摻雜層的厚度測量，紅外線（2.5～50μm)不僅能透過外延層，而且能在雜質(zhì)濃度突變的外延層-襯底界面上發(fā)生反射。這一反射與空氣-外延層界面反射的紅外線之間存在著光程差和相位變化，因而形成干涉。圖4.7紅外光通過薄層時的反射和折射θ’（二）紅外光反射法連續(xù)改變紅外光的波長可測出周期變化的反射光的干涉強(qiáng)度。半導(dǎo)體測試薄層厚度測量（三）擴(kuò)展電阻分布測量法過渡區(qū)外延層襯底外延層厚度半導(dǎo)體測試薄層厚度測量三、導(dǎo)電薄膜厚度測量半導(dǎo)體測試薄層厚度測量2、階梯腐蝕＋臺階測量

Al可以首先采用特定的腐蝕劑（如光刻膠）將金屬薄膜的一個區(qū)域腐蝕掉，得到臺階。那么利用光學(xué)顯微鏡的深度測量（景深）或臺階儀就可以測得金屬薄膜的厚度。

襯底金屬金屬二氧化硅層光學(xué)顯微鏡或臺階儀1、磨角干涉法半導(dǎo)體測試薄層厚度測量臺階儀/探針輪廓儀可測X-Y-Z三維方向的輪廓輪廓儀的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體測試薄層厚度測量臺階儀/輪廓儀是通過儀器的觸針與被測表面的滑移進(jìn)行測量的，是接觸測量。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接測量某些難以測量到的零件表面，如孔、槽等的表面粗糙度，又能直接按某種評定標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)或是描繪出表面輪廓曲線的形狀，且測量速度快、結(jié)果可靠、操作方便。但是被測表面容易被觸針劃傷，為此應(yīng)在保證可靠接觸的前提下盡量減少測量壓力。電動輪廓儀按傳感器的工作原理分為電感式、感應(yīng)式以及壓電式多種。儀器由傳感器、驅(qū)動箱、電器箱等三個基本部件組成。傳感器的觸針由金剛石制成，針尖圓弧半徑為2微米，在觸針的后端鑲有導(dǎo)塊，形成一條相對于工件表面宏觀起伏的測量的基準(zhǔn)，使觸針的位移僅相對于傳感器殼體上下運(yùn)動，所以導(dǎo)塊能起到消除宏觀幾何形狀誤差和減小紋波度對表面粗糙度測量結(jié)果的影響。傳感器以鉸鏈形式和驅(qū)動箱連接，能自由下落，從而保證導(dǎo)塊始終與被測表面接觸。

傳感器的觸針尖端表面與被測表面接觸，當(dāng)傳感器以勻速水平移動時，被測表面的峰谷使探針產(chǎn)生上下位移，使敏感元件的電感發(fā)生變化，從而引起交流載波波形發(fā)生變化。此變化經(jīng)由電器箱中放大、濾波、檢波、積分運(yùn)算等部分處理以后，可以直接由儀器電器箱的讀數(shù)表上指示出來，也可以傳遞到計算機(jī)上進(jìn)行處理。半導(dǎo)體測試薄層厚度測量本章作業(yè)1、對應(yīng)二氧化硅、外延層/擴(kuò)散層、導(dǎo)電薄膜等不同種類的薄層，分別有哪些厚度測量方法？試畫表歸納。2、在上述這些方法中，哪些是接觸式測量，哪些是非接觸測量？3、在上述這些方法中，哪些是無損測量，哪些是破壞性測量？4、膜厚儀是利用什么原理測量薄膜厚度的？它可以測試的薄膜有哪些種類？5、現(xiàn)利用干涉條紋法測量二氧化硅薄層厚度，采用λ=0.53μm的綠光作為光源，測得有干涉亮條紋4條，已知二氧化硅折射率為1.53，則二氧化硅層厚度多少？寫出測量公式，并計算出結(jié)果。6、根據(jù)圖4.12，簡述橢偏儀測量薄膜厚度的方法與過程。（后