[拼音]：boceng houdu celiang jishu

[外文]：thin layer thickness measurement

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、氮化硅、外延層、 摻雜擴(kuò)散層、 離子注入層、金屬膜和多晶硅膜等。其厚度很薄，一般在數(shù)十埃至幾微米范圍內(nèi)。為適應(yīng)各種成分和結(jié)構(gòu)的薄層的測(cè)厚要求，已研制成各種測(cè)量設(shè)備。例如，采用比色法、干涉條紋法以及橢偏術(shù)等測(cè)量各種透明薄膜；采用磨角染色法、層錯(cuò)法、紅外光反射法以及背散射技術(shù)等檢驗(yàn)外延層厚度、擴(kuò)散層和離子注入層的深度；采用間接干涉法和臺(tái)階儀等測(cè)量金屬膜和多晶硅的厚度等。

比色法

半導(dǎo)體晶片上的透明介質(zhì)膜受白光垂直照射時(shí)，部分光線在介質(zhì)膜表面直接反射，另一部分則透過(guò)介質(zhì)膜并在膜與襯底的界面反射后再透射出來(lái)。由于這兩部分光束之間存在著光程差而產(chǎn)生光的干涉。光程差的數(shù)值取決于膜的厚度，光的相長(zhǎng)干涉的結(jié)果就會(huì)使一定厚度的介質(zhì)膜呈現(xiàn)出特定的顏色。這樣，根據(jù)介質(zhì)膜在垂直光照下的顏色就可判定出膜的厚度。通過(guò)用其他更為準(zhǔn)確的方法所測(cè)定的厚度作為標(biāo)準(zhǔn)，已建立起顏色和厚度的詳細(xì)對(duì)照表。為了避免誤差，還可以設(shè)置一套標(biāo)準(zhǔn)比色樣品進(jìn)行對(duì)照判定。測(cè)量范圍在500埃至1.5微米之間。

干涉條紋法

基本原理與比色法相同，采用的是單色光源和專門的干涉顯微鏡。測(cè)量前將樣品腐蝕出一段斜面（圖1a）。對(duì)于透明膜，在斜面各處所對(duì)應(yīng)的厚度不同，入射光從表面與從襯底反射出來(lái)的光束之間的光程差不同，因此產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉和相消干涉，出現(xiàn)明暗相間的條紋。如果單色光波長(zhǎng)為λ，且n₀＜n₁＜n₂，則相應(yīng)的膜厚d為

式中N 為在顯微鏡下觀察到的亮條條紋數(shù)；n₀、n₁和n₂分別為空氣、薄膜和襯底的折射系數(shù)。對(duì)于不透明的薄膜，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(shí)，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(jié)果。當(dāng)觀察到的亮條條紋數(shù)為N時(shí)，對(duì)應(yīng)的厚度

這種方法稱為間接干涉條紋法。

采用干涉條紋法測(cè)量薄層的最低厚度與精度都不足一個(gè)條紋的厚度，最佳可達(dá)0.1個(gè)條紋厚。

磨角染色法

此法普遍應(yīng)用于外延層、擴(kuò)散層和離子注入層等深度的測(cè)量中。測(cè)前先把樣品固定在具有小傾角θ的金屬塊上，并研磨出傾角為θ 的斜面（圖2）。然后，把樣品放在一種合適的溶液中染色，由于選擇化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，使某一區(qū)域（如PN結(jié)的P型區(qū)）出現(xiàn)較深的顏色。這樣，就可在顯微鏡下觀測(cè)出待測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度l。若θ小于1°，則斜邊所對(duì)應(yīng)的厚度x_j＝θl。此外，也可在磨角染色后，采用間接干涉條紋法測(cè)量l長(zhǎng)度的范圍內(nèi)出現(xiàn)的亮條數(shù)計(jì)算厚度。用此法測(cè)量半導(dǎo)體中的異型層時(shí)（如PN結(jié)的結(jié)深），精度一般約在 0.5微米。它也能用于測(cè)量?jī)蓪又g的電阻率相差很大的同型層（一個(gè)數(shù)量級(jí)以上），但精度較差。

紅外反射法

在雙極型硅器件和集成電路中，常采用重?fù)诫s襯底上生長(zhǎng)輕摻雜外延硅的結(jié)構(gòu)（圖3）。波長(zhǎng)在 2.5微米至50微米間的紅外線不僅能透過(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。連續(xù)改變紅外光的波長(zhǎng)即可測(cè)出周期變化的反射光的干涉強(qiáng)度（圖4，曲線上所標(biāo)數(shù)字表示相移）。若在波長(zhǎng)λ₁和λ₂處形成極值的干涉強(qiáng)度，并且在兩者之間變化m個(gè)周期，則外延層的厚度為

式中n₁為外延層的折射系數(shù)，對(duì)于輕摻雜的硅n₁＝3.42；φ₂₁、φ₂₂分別為波長(zhǎng)λ₁、λ₂的紅外線在B點(diǎn)反射時(shí)產(chǎn)生的相移。這兩個(gè)相移值取決于波長(zhǎng)和襯底的雜質(zhì)濃度。此法對(duì)樣品沒(méi)有破壞性，可用于亞微米外延薄層的檢驗(yàn)。

橢偏術(shù)

在半導(dǎo)體工藝中用來(lái)測(cè)量極薄透明膜厚度。當(dāng)用波長(zhǎng)為λ的單色線性偏振光以入射角φ₀射向樣品時(shí)(圖5)，光束在界面1（空氣-薄膜）與界面2（薄膜-襯底）發(fā)生反射。若把入射的線性偏振光分解為平行于入射面的 p分量以及垂直于入射面的s分量，則反射光束中這兩個(gè)分量的振幅比和相位差都發(fā)生變化，通常用ψ和Δ分別表征這兩種量的變化。它們與膜厚的關(guān)系由下面的橢偏方程確定

式中（d為厚度，n₁和n₀分別為薄膜和空氣的折射系數(shù)）。和分別為p分量和s分量在界面1處的費(fèi)涅爾反射系數(shù);和分別為上述兩分量在界面 2處的費(fèi)涅爾反射系數(shù)。它們各與兩個(gè)界面的光學(xué)常數(shù)和入射角有關(guān)。采用橢偏儀（圖6）可測(cè)量出φ 和Δ兩個(gè)參數(shù)，由計(jì)算機(jī)解上述橢偏方程以確定膜厚與薄膜的光學(xué)常數(shù)。此法具有精度高、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，能測(cè)出薄達(dá)幾個(gè)埃的極薄的薄層厚度。采用光度法橢偏術(shù)測(cè)試，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)測(cè)量。

傅里葉變換紅外反射光譜術(shù)

使用波長(zhǎng)在特定范圍的寬頻帶光源和麥克遜干涉儀。當(dāng)多波長(zhǎng)的光輸入此干涉儀時(shí)，隨其中動(dòng)鏡的位移，通過(guò)檢測(cè)器由干涉電學(xué)設(shè)備中輸出的干涉譜線，在x=0時(shí)的峰是由干涉儀中兩條光路的程差相等時(shí)呈現(xiàn)的，稱為中心脈沖峰（零級(jí)干涉條紋）。 其數(shù)學(xué)表示置空域函數(shù)(x)和頻域函數(shù)（υ）互為傅里葉變換對(duì)。如被測(cè)樣品插入光源和麥克遜干涉儀中間（圖7），干涉譜發(fā)生改變，在中心脈沖峰的對(duì)稱的兩側(cè)附加了雙側(cè)脈沖（圖8）。這些測(cè)脈沖的位置同膜厚有關(guān)。

在紅外波長(zhǎng)段（2～50微米），硅材料的光學(xué)常數(shù)隨波長(zhǎng)的變化可以忽略，因此可用來(lái)測(cè)量重?fù)诫s硅襯底上輕摻雜的外延層厚度。所產(chǎn)生的干涉譜一般有畸變，須通過(guò)傅里葉變換數(shù)學(xué)特性進(jìn)行處理。測(cè)試膜厚常取單側(cè)干涉譜，但是考慮到由于膜層的反射（空氣-外延層，外延層-襯底）引起的相移必須進(jìn)行修正，修正后的側(cè)脈沖最大峰的位置同膜厚有以下關(guān)系

x＝n₁dcosθ

式中x為側(cè)脈沖最大峰的位置；d為膜厚；θ為入射角；n₁為膜的折射系數(shù)。已知x，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(fù)用等優(yōu)點(diǎn)外，還有信噪比好(光通量大)、結(jié)構(gòu)可靠、容量大、快速（20～30秒）、精密(±0.005微米)、精確（在500埃以內(nèi)）以及簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。若使用可見(jiàn)光光源時(shí)，可測(cè)量各種透明膜的厚度，這是一項(xiàng)較好的非破壞性測(cè)量技術(shù)。

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標(biāo)簽：boceng houdu celiang jishu、薄層厚度測(cè)量技術(shù)

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文章名稱：《薄層厚度測(cè)量技術(shù)》

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