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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m 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,薄膜上下表面的两束反射光产生干涉,图4.2
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)。,（二）干涉条纹法,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=0/2n (n是薄膜折射率） 第2个明条纹对应的厚度：t2=20/2n 第N个明条纹对应的厚度：tN=N0/2n （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
3、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。,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
4、度大小取决于膜厚和晶圆表面的折射系数。,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。,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,角度编码器探,旋转底座,样品台,全波长椭偏仪,波长范围：350850 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 Si3N4,二、外延层厚度、扩散层和
5、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（2.550m) 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。,图4.7 红外光通过薄层时的反射和折射,（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,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。,光学显微镜 或台
6、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
7、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,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
8、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=0.53m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。 （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？,
