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薄層厚度測量技術

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 多數半導體器件和集成電路的主體結構,由各種形狀和尺寸的薄層構成。這些薄層主要有二氧化硅、氮化硅、外延層、 摻雜擴散層、 離子注入層、金屬膜和多晶硅膜等。

1 薄層厚度測量技術 -正文

 其厚度很薄,一般在數十埃至幾微米範圍內。為適應各種成分和結構的薄層的測厚要求,已研製成各種測量設備。例如,採用比色法、干涉條紋法以及橢偏術等測量各種透明薄膜;採用磨角染色法、層錯法、紅外光反射法以及背散射技術等檢驗外延層厚度、擴散層和離子注入層的深度;採用間接干涉法和台階儀等測量金屬膜和多晶硅的厚度等。
  比色法  半導體晶片上的透明介質膜受白光垂直照射時,部分光線在介質膜表面直接反射,另一部分則透過介質膜並在膜與襯底的界面反射后再透射出來。由於這兩部分光束之間存在著光程差而產生光的干涉。光程差的數值取決於膜的厚度,光的相長干涉的結果就會使一定厚度的介質膜呈現出特定的顏色。這樣,根據介質膜在垂直光照下的顏色就可判定出膜的厚度。通過用其他更為準確的方法所測定的厚度作為標準,已建立起顏色和厚度的詳細對照表。為了避免誤差,還可以設置一套標準比色樣品進行對照判定。測量範圍在500埃至1.5微米之間。
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  干涉條紋法  基本原理與比色法相同,採用的是單色光源和專門的干涉顯微鏡。測量前將樣品腐蝕出一段斜面(圖1a)。對於透明膜,在斜面各處所對應的厚度不同,入射光從表面與從襯底反射出來的光束之間的光程差不同,因此產生相長干涉和相消干涉,出現明暗相間的條紋。如果單色光波長為λ,且n0n1n2,則相應的膜厚d

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式中N為在顯微鏡下觀察到的亮條條紋數;n0n1n2分別為空氣、薄膜和襯底的折射係數。對於不透明的薄膜,可以在樣品上放一塊下表面鍍銀的半透光平整玻璃片(圖1b)。這時,干涉條紋是由膜的傾斜表面與玻璃片下表面反射的兩束光干涉的結果。當觀察到的亮條條紋數為N時,對應的厚度

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這種方法稱為間接干涉條紋法。
  採用干涉條紋法測量薄層的最低厚度與精度都不足一個條紋的厚度,最佳可達0.1個條紋厚。
  磨角染色法  此法普遍應用於外延層、擴散層和離子注入層等深度的測量中。測前先把樣品固定在具有小傾角θ的金屬塊上,並研磨出傾角為θ的斜面(圖2)。然後,把樣品放在一種合適的溶液中染色,由於選擇化學反應的結果,使某一區域(如PN結的P型區)出現較深的顏色。這樣,就可在顯微鏡下觀測出待測區的長度l。若θ小於1°,則斜邊所對應的厚度xjθl。此外,也可在磨角染色后,採用間接干涉條紋法測量l長度的範圍內出現的亮條數計算厚度。用此法測量半導體中的異型層時(如PN結的結深),精度一般約在 0.5微米。它也能用於測量兩層之間的電阻率相差很大的同型層(一個數量級以上),但精度較差。
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  紅外反射法  在雙極型硅器件和集成電路中,常採用重摻雜襯底上生長輕摻雜外延硅的結構(圖3)。波長在 2.5微米至50微米間的紅外線不僅能透過外延層,而且能在雜質濃度突變的外延層-襯底界面上發生反射。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。連續改變紅外光的波長即可測出周期變化的反射光的干涉強度(圖4,曲線上所標數字錶示相移)。若在波長λ1和λ2處形成極值的干涉強度,並且在兩者之間變化m個周期,則外延層的厚度為

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式中n1為外延層的折射係數,對於輕摻雜的硅n1=3.42;φ21φ22分別為波長λ1、λ2的紅外線在B點反射時產生的相移。這兩個相移值取決于波長和襯底的雜質濃度。此法對樣品沒有破壞性,可用於亞微米外延薄層的檢驗。
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  橢偏術  在半導體工藝中用來測量極薄透明膜厚度。當用波長為λ的單色線性偏振光以入射角φ0射向樣品時(圖5),光束在界面1(空氣-薄膜)與界面2(薄膜-襯底)發生反射。若把入射的線性偏振光分解為平行於入射面的p分量以及垂直於入射面的s分量,則反射光束中這兩個分量的振幅比和相位差都發生變化,通常用ψΔ分別表徵這兩種量的變化。它們與膜厚的關係由下面的橢偏方程確定
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式中薄層厚度測量技術d為厚度,n1n0分別為薄膜和空氣的折射係數)。薄層厚度測量技術薄層厚度測量技術分別為p分量和s分量在界面1處的費涅爾反射係數;薄層厚度測量技術薄層厚度測量技術分別為上述兩分量在界面 2處的費涅爾反射係數。它們各與兩個界面的光學常數和入射角有關。採用橢偏儀(圖6)可測量出φΔ兩個參數,由計算機解上述橢偏方程以確定膜厚與薄膜的光學常數。此法具有精度高、非破壞性等優點,能測出薄達幾個埃的極薄的薄層厚度。採用光度法橢偏術測試,易於實現自動化實時測量。
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  傅里葉變換紅外反射光譜術  使用波長在特定範圍的寬頻帶光源和麥克遜干涉儀。當多波長的光輸入此干涉儀時,隨其中動鏡的位移,通過檢測器由干涉電學設備中輸出的干涉譜線,在x=0時的峰是由干涉儀中兩條光路的程差相等時呈現的,稱為中心脈衝峰(零級干涉條紋)。 其數學表示置空域函數(x)和頻域函數(υ)互為傅里葉變換對。如被測樣品插入光源和麥克遜干涉儀中間(圖7),干涉譜發生改變,在中心脈衝峰的對稱的兩側附加了雙側脈衝(圖8)。這些測脈衝的位置同膜厚有關。
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  在紅外波長段(2~50微米),硅材料的光學常數隨波長的變化可以忽略,因此可用來測量重摻雜硅襯底上輕摻雜的外延層厚度。所產生的干涉譜一般有畸變,須通過傅里葉變換數學特性進行處理。測試膜厚常取單側干涉譜,但是考慮到由於膜層的反射(空氣-外延層,外延層-襯底)引起的相移必須進行修正,修正後的側脈衝最大峰的位置同膜厚有以下關係

x薄層厚度測量技術n1dcosθ

式中x薄層厚度測量技術為側脈衝最大峰的位置;d為膜厚;θ為入射角;n1為膜的折射係數。已知x薄層厚度測量技術,可得到外延層的厚度。此法同紅外反射法相比,除具有多路復用等優點外,還有信噪比好(光通量大)、結構可靠、容量大、快速(20~30秒)、精密(±0.005微米)、精確(在500埃以內)以及簡便等優點。若使用可見光光源時,可測量各種透明膜的厚度,這是一項較好的非破壞性測量技術。

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