張曉東　韓志國　李鎖印　梁法國

摘要：針對(duì)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的高精度測量問題，基于光譜型橢偏儀測量系統(tǒng)，提出對(duì)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片逐層分析的方法。利用相應(yīng)的匹配算法，對(duì)比硅上二氧化硅模厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的等效結(jié)構(gòu)模型和四相結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜樣片的厚度表征和橢偏分析。其次，通過對(duì)樣片進(jìn)行為期12周的測量考核，完成對(duì)薄膜樣片表層分子吸附機(jī)理的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)研制的標(biāo)稱值為2～1000nm硅上二氧化硅膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，中間層的厚度存在先遞減后遞增的趨勢。其中，在標(biāo)稱值為50～500mm范圍內(nèi)，等效結(jié)構(gòu)模型與四相結(jié)構(gòu)模型測量結(jié)果的絕對(duì)誤差在±0.2mm以內(nèi)，因此，可以采用等效結(jié)構(gòu)模型的方法開展儀器的校準(zhǔn)工作。另外，提出通過加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣片解吸附的方案，有效解決超薄膜樣片的儲(chǔ)存問題。

關(guān)鍵詞：光譜型橢偏儀;等效結(jié)構(gòu)模型;四相結(jié)構(gòu)模型;表層分子吸附

中圖分類號(hào)：O436.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）08-0014-05

收稿日期：2018-07-14;收到修改稿日期：2018-08-25

作者簡介：張曉東（1992-），男，山東菏澤市人，碩士，主要從事微納尺寸標(biāo)準(zhǔn)樣片的研制與定標(biāo)研究。

0 引言

隨著微電子、半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，薄膜厚度作為器件的重要參數(shù)，將直接影響到器件的性能。因此，保證膜厚量值的準(zhǔn)確性十分重要。通常，納米尺寸膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片是校準(zhǔn)橢偏儀等膜厚類測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)樣片，其主要分為硅上二氧化硅（Sioz/Si）和硅上氮化硅（Si₃N₄/Si）膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片[1]。通過研制納米尺寸膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，可以實(shí)現(xiàn)膜厚類測量儀器的溯源，提升半導(dǎo)體器件工藝的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性。

國內(nèi)外學(xué)者采用四相結(jié)構(gòu)模型的理論來測量納米尺寸膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片[2]。但在微納尺寸計(jì)量領(lǐng)域，通常采用等效結(jié)構(gòu)模型的理論對(duì)樣片進(jìn)行定標(biāo)。因此，本文通過比較兩種結(jié)構(gòu)模型下的測量結(jié)果，找出等效模型的有效范圍。其次，利用光譜型橢偏儀對(duì)SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行逐層分析，完成對(duì)中間層和表層分子吸附機(jī)理的研究，不僅提高樣片的定標(biāo)準(zhǔn)確度，并對(duì)指導(dǎo)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作工藝提供了技術(shù)支撐。

1 橢偏儀系統(tǒng)測量原理

光譜型橢偏儀的基本原理是：利用偏振光在薄膜上下表面的反射原理，并通過菲涅爾公式得到薄膜參數(shù)與偏振態(tài)的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出薄膜的折射率和厚度[3]。其中，橢圓偏振法光路如圖1所示，入射光可以分解為P平面偏振分量E_ip和S平面偏振分量E_is，反射光可以分解為P平面偏振分量E_rp和S平面偏振分量E_rs，則反射系數(shù)R_p和R_s如公下式所示：

用薄膜的橢偏函數(shù)ρ表示薄膜反射而形成橢圓偏振光的特性為其中，tanψ=R_p/R_s，代表反射光的P平面偏振分量和S平面偏振分量的振幅系數(shù)之比，ψ代表偏振角，△=ψ_P-ψ_S表示兩個(gè)偏振量的相位差。折射率n₁與膜厚d₂是ρ的變量，因此，通過ψ和△可以擬合求解薄膜的折射率與厚度[4]。

2 SiO₂/Si臘厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的橢偏分析

2.1 橢偏測量系統(tǒng)

本文測量膜厚樣片所用的儀器是J.A.Woollam光譜型橢偏儀，其包括光源系統(tǒng)、起偏器、樣品臺(tái)、檢測系統(tǒng)等，如圖2所示。光源系統(tǒng)發(fā)出的自然光經(jīng)過起偏器變?yōu)榫€偏振光。然后，在薄膜表面反射后，以橢圓偏振光的形式入射到檢偏器進(jìn)而變?yōu)榫€偏振光[5]。最后，探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸送到計(jì)算機(jī)中。該系統(tǒng)具有非接觸式、高精度的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行橢偏分析。

待測樣片是標(biāo)稱值為2～1000nm的SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，該套樣片采用熱氧化工藝制備，通過控制氧化劑分壓、氧化溫度以及氧化時(shí)間等參數(shù)，來保證薄膜的均勻性[6]。SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)系列樣片的顏色不同表示其厚度不同如圖3所示。

如圖4所示，橢偏分析的過程包括：1）測量過程，完成膜厚樣片的數(shù)據(jù)采集;2）建模過程，建立準(zhǔn)確的測量模型;3）數(shù)據(jù)擬合，采用均方根誤差最小法，保證擬合的效果;4）輸出結(jié)果，獲取薄膜樣片的膜厚和光學(xué)常數(shù)。2.2等效結(jié)構(gòu)模型分析

根據(jù)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作工藝，建立四相結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。其中，中間層是熱氧化工藝不可避免的產(chǎn)物，主要成分是硅和氧的不同配比化合物。與二氧化硅膜層相比，中間層具有不同的光學(xué)性質(zhì)。此外，SiO₂膜層上表面存在粗糙度層，該層可以等效為SiO₂-Void混合層，通過EMA有效介質(zhì)方程[7]計(jì)算為式中：ε——等效介電常量;

ε₁、ε₂——SiO₂、Void的介電常量;

f₁、f₂——混合層中SiO₂、Void的體積分?jǐn)?shù)。

項(xiàng)目組提出采用等效結(jié)構(gòu)模型來測量SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，即將硅襯底上的所有結(jié)構(gòu)等效為一層二氧化硅結(jié)構(gòu)，以便開展校準(zhǔn)測量儀器和比對(duì)工作[8]，如圖6所示。依據(jù)四相結(jié)構(gòu)模型的概念，膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的厚度為中間層、SiO₂層和SiO₂-Void混合層疊加的厚度。相比之下，依據(jù)等效結(jié)構(gòu)模型的概念，膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的厚度為等效結(jié)構(gòu)層的厚度。在兩種結(jié)構(gòu)模型下，結(jié)合相應(yīng)算法和數(shù)學(xué)模型，對(duì)研制的兩組SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行測量[9]。其中，由公式（1）和（2）可知&ψ代表偏振角，△表示兩個(gè)偏振量的相位差，其分別的擬合效果如圖7圖8所示。

根據(jù)圖7和圖8可知，利用光譜型橢偏儀，在兩種結(jié)構(gòu)模型下，擬合效果都十分理想。而實(shí)際的測量結(jié)果如表1所示。此外，標(biāo)準(zhǔn)樣片厚度的差值與標(biāo)稱值的關(guān)系如圖9所示。

根據(jù)表1和圖9可知，針對(duì)研制的兩套標(biāo)稱值為2～1000mm SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，厚度差值的變化趨勢相同。其中，膜厚標(biāo)稱值在50～500nm范圍內(nèi)，兩種結(jié)構(gòu)模型的測量差值在±0.2mm以內(nèi)。根據(jù)美國VLSI公司給出的樣片測量不確定度可知，1000nm以內(nèi)的膜厚樣片的不確定度在0.4mm以內(nèi)，因此，可以采用等效結(jié)構(gòu)模型的方法開展儀器的校準(zhǔn)工作。相比之下，針對(duì)研制的標(biāo)稱值為2～50nm和500～1000nm的SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，則不適合采用等效結(jié)構(gòu)模型來校準(zhǔn)膜厚類測量儀器。

2.3 中間層分析

針對(duì)SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，中間層是一個(gè)不可忽略的膜層[10]。分析中間層對(duì)薄膜厚度的影響對(duì)指導(dǎo)半導(dǎo)體工藝十分關(guān)鍵。因此，針對(duì)研制的2～1000mm SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，借鑒四相結(jié)構(gòu)模型的理論，對(duì)樣片的中間層進(jìn)行測量[11]。其中，橢偏分析的結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)圖10可知，針對(duì)研制的標(biāo)稱值為2～1000mm的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，中間層的厚度存在先遞減后遞增的趨勢。此外，針對(duì)研制的超薄膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，中間層所占的比例很大。因此，改進(jìn)工藝，降低中間層厚度對(duì)于關(guān)鍵尺寸膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作十分必要。

2.4 表層分子吸附

由于膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片存在分子吸附現(xiàn)象[12]，樣片的厚度值會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化。對(duì)于超薄膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片而言，表層分子吸附現(xiàn)象對(duì)樣片厚度的影響更大。因此，針對(duì)標(biāo)稱值為2nm的SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，利用J_A.Woollam光譜型橢偏儀，進(jìn)行為期12周的樣片測量考核。其中，實(shí)驗(yàn)樣片為同批次生產(chǎn)的2片2nm的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，兩個(gè)樣片同時(shí)存放在20℃環(huán)境下。針對(duì)樣片1，每周進(jìn)行150℃的高溫加熱，然后測量其厚度值。針對(duì)樣片2，每4周進(jìn)行150℃的高溫加熱，然后記錄其厚度值，如表2所示。因此，可以通過定量分析的方式，來研究表層分子吸附現(xiàn)象對(duì)SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的影響。

根據(jù)圖11可知，樣片1在12周內(nèi)的厚度值保持在1.9～2nm之間，誤差在0.1nm之間。樣片2在每4周內(nèi)，薄膜厚度會(huì)不斷增加，通過150℃的高溫加熱，厚度值會(huì)降到1.9～2mm之間。因此，通過周期性考核試驗(yàn)可知，加熱可以實(shí)現(xiàn)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的解吸附。

3 結(jié)束語

作為校準(zhǔn)膜厚類儀器的標(biāo)準(zhǔn)片，納米尺寸膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的高精度測量問題是亟待解決的問題。首先，本文分析了光譜型橢偏儀測量系統(tǒng)的測量原理。其次，通過定量分析膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的兩種結(jié)構(gòu)模型和中間層，解決了膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片等效結(jié)構(gòu)模型適用范圍的問題。最后，針對(duì)標(biāo)稱值為2mm的SiO₂/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片存在表層分子吸附現(xiàn)象，進(jìn)行為期12周的樣片考核，提出了通過加熱實(shí)現(xiàn)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片解吸附的方案。

接下來要開展的工作有：1）膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片測量模型的優(yōu)化;2）分析超薄膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片中間層的主要成分;3）研究表層分子吸附現(xiàn)象的替代解決方案等。這些問題的解決對(duì)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的研制與定標(biāo)工作提供了重要技術(shù)支撐，有助于提升微電子生產(chǎn)工藝的重復(fù)性、穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)相關(guān)高新技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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（編輯：徐柳）