半導(dǎo)體測(cè)試 薄層厚度測(cè)量課件

第四章

薄層厚度測(cè)量半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)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(cè)試薄層厚度測(cè)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(cè)試薄層厚度測(cè)量半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)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(cè)試薄層厚度測(cè)量二、薄膜厚度測(cè)量的主要方法半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)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(cè)試薄層厚度測(cè)量圖4.2顏色與厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系當(dāng)鍍膜變得越來(lái)越厚時(shí)，晶圓的顏色就會(huì)按照一個(gè)特定順序變化，并且不斷重復(fù)。我們把每一個(gè)顏色的重復(fù)稱為一個(gè)順序(0rder)。

紅紫橙黃綠藍(lán)靛760nm380nm半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)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(cè)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(cè)試薄層厚度測(cè)量2、單色光測(cè)量黑白相間條紋干涉顯微鏡半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量第1個(gè)明條紋對(duì)應(yīng)的厚度：t1=λ0/2n(n是薄膜折射率）第2個(gè)明條紋對(duì)應(yīng)的厚度：t2=2λ0/2n……第N個(gè)明條紋對(duì)應(yīng)的厚度：tN=Nλ0/2n（薄膜總厚度）半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量2、膜厚儀

基于干涉原理，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)膜厚測(cè)試。半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量

膜厚測(cè)量?jī)x主要包括：寬帶光源、高性能線陣CCD光譜儀、傳輸光纖、樣品測(cè)試臺(tái)及測(cè)量分析軟件。半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量（三）橢偏儀測(cè)量法1、方法簡(jiǎn)介

它應(yīng)用極化光測(cè)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(shí)準(zhǔn)確確定出薄層材料的折射率和厚度，測(cè)量精度比干涉法高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，是目前已有的厚度測(cè)量方法中最精確的方法之一。

半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)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(dòng)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(dòng)在垂直于光的傳播方向上作無(wú)規(guī)則取向，即光矢量具有軸對(duì)稱性、均勻分布、各方向振動(dòng)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(cè)試薄層厚度測(cè)量半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)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(cè)試薄層厚度測(cè)量半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量利用相位補(bǔ)償方法可以測(cè)出（4.4）（4.5）

在光線通過(guò)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(cè)試薄層厚度測(cè)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(guò)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(duì)消線偏振光的能量，使得最終出射光為零。半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量4、橢偏儀的測(cè)量過(guò)程與方法半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量探測(cè)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(tái)半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量全波長(zhǎng)橢偏儀

波長(zhǎng)范圍：350~850nm應(yīng)用

太陽(yáng)能電池:減反膜工藝

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

半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量

對(duì)于Si外延層/摻雜層的厚度測(cè)量，紅外線（2.5～50μm)不僅能透過(guò)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(guò)薄層時(shí)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(zhǎng)可測(cè)出周期變化的反射光的干涉強(qiáng)度。半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量（三）擴(kuò)展電阻分布測(cè)量法過(guò)渡區(qū)外延層襯底外延層厚度半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量三、導(dǎo)電薄膜厚度測(cè)量半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量2、階梯腐蝕＋臺(tái)階測(cè)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(gè)區(qū)域腐蝕掉，得到臺(tái)階。那么利用光學(xué)顯微鏡的深度測(cè)量（景深）或臺(tái)階儀就可以測(cè)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(tái)階儀1、磨角干涉法半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量臺(tái)階儀/探針輪廓儀可測(cè)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(cè)試薄層厚度測(cè)量臺(tái)階儀/輪廓儀是通過(guò)儀器的觸針與被測(cè)表面的滑移進(jìn)行測(cè)量的，是接觸測(cè)量。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接測(cè)量某些難以測(cè)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)或是描繪出表面輪廓曲線的形狀，且測(cè)量速度快、結(jié)果可靠、操作方便。但是被測(cè)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(cè)量壓力。電動(dòng)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(dòng)箱、電器箱等三個(gè)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(duì)于工件表面宏觀起伏的測(cè)量的基準(zhǔn)，使觸針的位移僅相對(duì)于傳感器殼體上下運(yùn)動(dòng)，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(duì)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果的影響。傳感器以鉸鏈形式和驅(qū)動(dòng)箱連接，能自由下落，從而保證導(dǎo)塊始終與被測(cè)表面接觸。

傳感器的觸針尖端表面與被測(cè)表面接觸，當(dāng)傳感器以勻速水平移動(dòng)時(shí)，被測(cè)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(lái)，也可以傳遞到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。半導(dǎo)體測(cè)試薄層厚度測(cè)量本章作業(yè)1、對(duì)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(cè)量方法？試畫表歸納。2、在上述這些方法中，哪些是接觸式測(cè)量，哪些是非接觸測(cè)量？3、在上述這些方法中，哪些是無(wú)損測(cè)量，哪些是破壞性測(cè)量？4、膜厚儀是利用什么原理測(cè)量薄膜厚度的？它可以測(cè)試的薄膜有哪些種類？5、現(xiàn)利用干涉條紋法測(cè)量二氧化硅薄層厚度，采用λ=0.53μm的綠光作為光源，測(cè)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(cè)量公式，并計(jì)算出結(jié)果。6、根據(jù)圖4.12，簡(jiǎn)述橢偏儀測(cè)量薄膜厚度的方法與過(guò)程。（后