半导体测试薄层厚度测量
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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大、滤波、检 波、积分运算等部分处理以后，可以直接由仪器电器箱的读数表上指示 出来，也可以传递到计算机上进行处理。
本章作业
光学显微镜 或台阶仪
金属
金属
二氧化硅层
衬底
台阶仪/探针轮廓仪 可测X-Y-Z三维方向的轮廓
轮廓仪的结构示意图
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。
θ'
图4.7 红外光通过薄层时的反射和折射 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
外延层厚度
衬底
三、导电薄膜厚度测量
1、磨角干涉法
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。
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
（二）红外光反射法
? 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。
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。
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Hale Waihona Puke Baidu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
白光
薄膜上下表面的两束 反射光产生干涉
图4.1
（后页待续）
7、普通干涉法与椭偏法在测量方法上，有哪些相同点？有哪些 不同点？为什么椭偏法的测量精度更高？ 8、如何利用扩展电阻分布法测量外延层厚度？画出示意图说明。 9、利用扩展电阻分布法可以获得 pn结哪些性能参数？这些参数 分别有什么参考意义？
4、椭偏仪的测量过程与方法
探测器 透镜 检偏器 样品
? 波片 起偏器 激光器
角度编 码器探
样品台 旋转底座
角度编 码器探
全波长椭偏仪
波长范围：350~850 nm
应用
太阳能电池: 减反膜工艺 TFT-LCD: SiOx,SiNx,a-Si:H, N+a-Si, Al2O3 SiO2 Si3N4
图4.3 白光入射下的干涉条纹
2、单色光测量
干涉显微镜
黑白相间条纹
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=Nλ0/2n （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
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
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。
利用相位补偿方法可以测出
（4.4） （4.5）
图4.13、图4.14
? 1/4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 方向上对消线偏振光的能量，使得最终出射光为零。
图4.2 颜色与厚度的对应关系
760nm
380nm
红橙黄绿 蓝 靛 紫
? 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)。
（二）干涉条纹法
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
第四章
薄层厚度测量
一、引言
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。
二氧化硅SiO2 、氮化硅SiNx的用途
1、对应二氧化硅、外延层/扩散层、导电薄膜等不同种类的薄层， 分 别有哪些厚度测量方法？试画表归纳。 2、在上述这些方法中，哪些是接触式测量，哪些是非接触测量？ 3、在上述这些方法中，哪些是无损测量，哪些是破坏性测量？ 4、膜厚仪是利用什么原理测量薄膜厚度的？它可以测试的薄膜有哪些 种类？ 5、现利用干涉条纹法测量二氧化硅薄层厚度，采用λ=0.53μm的绿光 作为光源，测得有干涉亮条纹4条，已知二氧化硅折射率为1.53，则二 氧化硅层厚度多少？写出测量公式，并计算出结果。 6、根据图4.12，简述椭偏仪测量薄膜厚度的方法与过程。
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，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。
本章作业
光学显微镜 或台阶仪
金属
金属
二氧化硅层
衬底
台阶仪/探针轮廓仪 可测X-Y-Z三维方向的轮廓
轮廓仪的结构示意图
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。
θ'
图4.7 红外光通过薄层时的反射和折射 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
外延层厚度
衬底
三、导电薄膜厚度测量
1、磨角干涉法
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。
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
（二）红外光反射法
? 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。
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。
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Hale Waihona Puke Baidu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
白光
薄膜上下表面的两束 反射光产生干涉
图4.1
（后页待续）
7、普通干涉法与椭偏法在测量方法上，有哪些相同点？有哪些 不同点？为什么椭偏法的测量精度更高？ 8、如何利用扩展电阻分布法测量外延层厚度？画出示意图说明。 9、利用扩展电阻分布法可以获得 pn结哪些性能参数？这些参数 分别有什么参考意义？
4、椭偏仪的测量过程与方法
探测器 透镜 检偏器 样品
? 波片 起偏器 激光器
角度编 码器探
样品台 旋转底座
角度编 码器探
全波长椭偏仪
波长范围：350~850 nm
应用
太阳能电池: 减反膜工艺 TFT-LCD: SiOx,SiNx,a-Si:H, N+a-Si, Al2O3 SiO2 Si3N4
图4.3 白光入射下的干涉条纹
2、单色光测量
干涉显微镜
黑白相间条纹
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=Nλ0/2n （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
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
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。
利用相位补偿方法可以测出
（4.4） （4.5）
图4.13、图4.14
? 1/4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 方向上对消线偏振光的能量，使得最终出射光为零。
图4.2 颜色与厚度的对应关系
760nm
380nm
红橙黄绿 蓝 靛 紫
? 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)。
（二）干涉条纹法
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
第四章
薄层厚度测量
一、引言
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。
二氧化硅SiO2 、氮化硅SiNx的用途
1、对应二氧化硅、外延层/扩散层、导电薄膜等不同种类的薄层， 分 别有哪些厚度测量方法？试画表归纳。 2、在上述这些方法中，哪些是接触式测量，哪些是非接触测量？ 3、在上述这些方法中，哪些是无损测量，哪些是破坏性测量？ 4、膜厚仪是利用什么原理测量薄膜厚度的？它可以测试的薄膜有哪些 种类？ 5、现利用干涉条纹法测量二氧化硅薄层厚度，采用λ=0.53μm的绿光 作为光源，测得有干涉亮条纹4条，已知二氧化硅折射率为1.53，则二 氧化硅层厚度多少？写出测量公式，并计算出结果。 6、根据图4.12，简述椭偏仪测量薄膜厚度的方法与过程。
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，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。