薄膜测量，越来越重要

（原标题：薄膜测量，越来越重要）

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半导体器件变得越来越薄、越来越复杂，使得薄膜沉积更加难以测量和控制。随着 3nm 节点器件投入生产，2nm 节点加速向首次硅片投产，随着晶圆厂寻求保持尖端器件的性能和可靠性，精确薄膜测量的重要性日益凸显。

无论是存储设备的读写速度，还是逻辑芯片的计算速度，测量薄膜厚度都比以前更具挑战性，因为不同材料的多层堆叠已成为常态，而且越来越多的薄膜必须得到非常精确的控制。这需要更多的计量步骤和更高的采样率，以确保晶圆间的一致性。

因此，各公司正在为不同的任务选择不同的工具，或者将多种技术组合到一种工具中，以满足下一代工艺的精度和稳定性需求。他们正在探索哪些工具适用于高 k 金属栅极堆栈、硅光子学、硅通孔 (TSV) 和重新分布层，这些只是半导体制造中的一些关键层。除了确定厚度外，许多技术还可以测量其他关键参数，例如薄膜成分（SiGe 中的 Ge%）、折射率、晶粒尺寸或薄膜应力。

多层堆栈中的一些最小尺寸出现在晶体管级。随着 finFET 和纳米片 FET 等 3D 晶体管的出现，垂直方向的临界尺寸 (CD) 的重要性不断增加，使得薄膜厚度控制比过去更加重要。一般来说，工艺必须在目标值 10% 范围内变化的窗口内运行。在 20nm 特征的世界中，这需要一种能够测量 10% 变化或 1% 目标值的工具。这相当于 0.2nm，这本质上是原子级测量和控制。

图 1：晶体管级薄膜堆栈包含多个薄膜

聚焦关键薄膜

半导体制造，特别是涉及先进的片上系统设备时，可能涉及 1,000 多个工艺步骤，包括光刻图案化、沉积、蚀刻、CMP、电镀等。薄膜沉积后，通常会进行在线监控以用于工艺控制，通常使用可提供高吞吐量的光学系统。但并非设备中的所有薄膜都被视为“关键”。例如，非关键或公共层包括厚氧化物和氮化物电介质、光刻胶和后端层（如金属间电介质）。关键层包括 Si/SiGe 异质结构、高 k/金属栅极堆栈和金属触点。GaN 和 SiC 薄膜在功率器件中至关重要。而硅光子薄膜必须满足极其严格的折射率规格，即光路被该材料弯曲或折射的程度。

晶圆厂通常用于测量和控制薄膜厚度的测量系统包括：

• 光谱椭圆偏振法：以斜角指向晶圆，可同时测量多层薄膜的厚度和光学特性（折射率和消光系数）。

• 反射测量法：垂直指向晶圆，测量从薄膜表面反射的光的强度或相位，以确定厚度、密度或粗糙度。

• 光谱椭圆偏振法和光谱反射法：这是最流行的薄膜测量方法，因为它可以独立确定多层薄膜堆栈中每一层的厚度。

• 干涉测量法：干涉仪将光分成两束，让它们沿着不同的路径传播，然后重新组合以产生干涉图案。该图案表示薄膜厚度、表面不规则性和折射率变化。

• X 射线测量：XRD（衍射）测量外延厚度和成分，而 XRR（反射法）测量厚度和粗糙度，XRF（荧光）测量金属层厚度。这适用于厚度不超过 100nm 的薄膜。

• 原子力显微镜 (AFM)：这是一种速度较慢的方法，特别适用于捕捉表面粗糙度和测量纳米级特征。它也用于地面真实（实际）尺寸测量。

• 横截面 TEM：使用穿过设备薄片（薄片厚度 <100nm）的高能电子束来揭示原子级尺寸。

晶体管制造

“最关键的薄膜层是所谓的高k/金属栅极 (HKMG) 薄膜堆栈，它由多层超薄介电层和功函数金属薄膜组成。HKMG 堆栈中的薄膜厚度是决定晶体管速度、功耗和可靠性的关键因素之一。”

由于HKMG叠层非常薄，除了厚度控制之外，还必须非常精确地控制层间相互作用，以保持较低的漏电流和较高的栅极电容，并确保器件的可靠性。“同样重要的是粗糙度——尤其是那些环绕栅极叠层的界面粗糙度，我们可以使用X射线反射率来揭示这一点，”“这些生长的硅和硅锗层非常薄，厚度约为2埃，可以进行相当精确的测量。”

“高k/金属栅极薄膜堆叠极其复杂，如果没有大量光谱，很难区分不同层的厚度。结合多种光学技术，例如光谱反射法 (SR) 和光谱椭偏法 (SE)，其优势在于，它使我们能够获得更多信息，从而独立确定多层薄膜堆叠中每一层的厚度。”

在射频器件中，薄膜的结晶度对器件性能有着重要的影响。“XRD可以用来推导晶体尺寸，甚至可以推导薄膜中的应力，”范德米尔说道。“但对于体声波（BAW）和声表面波（SAW）滤波器来说，重要的测量指标是表面本身的结晶度。”

https://semiengineering.com/why-thin-film-measurements-matter/

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