文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講述芯片制造中薄膜測量。

在指甲蓋大小的芯片上集成數(shù)百億晶體管，需要經(jīng)歷數(shù)百道嚴(yán)苛工藝的淬煉。每一道工序的參數(shù)波動，都可能引發(fā)蝴蝶效應(yīng)，最終影響芯片的良率與可靠性。半導(dǎo)體制造的本質(zhì)，是物理、化學(xué)與材料科學(xué)的交響曲，而測量技術(shù)則是這場精密演奏的指揮棒——它通過實時監(jiān)測、分析工藝數(shù)據(jù)，確保每個環(huán)節(jié)都精準(zhǔn)卡在納米級的“黃金區(qū)間”。

從無圖形的監(jiān)控晶圓（陪片）到承載電路的圖形化晶圓，從獨立式設(shè)備到嵌入生產(chǎn)線的集成系統(tǒng)，測量技術(shù)貫穿制造全流程。

薄膜測量方法有:四探針法測量電阻率和薄層電阻，范德堡法測量薄層電阻，等值線圖測量薄層電阻，橢圓偏振儀測膜厚和折射率等。

本文重點介紹以下幾種：

四探針法測量電阻率和薄層電阻

范德堡法測量薄層電阻

金屬-半導(dǎo)體接觸測試結(jié)構(gòu)

四探針法測量電阻率和薄層電阻

在半導(dǎo)體制造的精密世界中，薄膜如同芯片的“血管網(wǎng)絡(luò)”，其電阻特性直接決定了電流傳輸?shù)男逝c穩(wěn)定性。作為半導(dǎo)體工藝監(jiān)控的核心工具，四探針法以納米級的精度為薄膜做“電阻體檢”，成為貫穿離子注入、擴散、薄膜沉積等關(guān)鍵工藝的“質(zhì)量守門人”。

誕生于地質(zhì)勘探領(lǐng)域的四探針法，通過四根等距排列的探針實現(xiàn)精準(zhǔn)測量：外側(cè)探針注入恒定電流，內(nèi)側(cè)探針捕捉電壓信號。這一設(shè)計巧妙消除了接觸電阻的干擾，使測量結(jié)果僅取決于材料本身的電阻率。對于半導(dǎo)體薄膜而言，其電阻率（ρ）與載流子濃度直接相關(guān)，如同材料的“電學(xué)基因”，決定了晶體管的開關(guān)速度與器件的功耗表現(xiàn)。

為簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電阻計算，半導(dǎo)體行業(yè)引入了“方塊電阻”概念。這一參數(shù)將三維材料電阻轉(zhuǎn)化為二維的“方塊值”，設(shè)計人員只需測量方塊電阻，再通過版圖的長寬比即可快速推算任意結(jié)構(gòu)的電阻值。例如，在擴散工藝中，通過四探針法測得方塊電阻值后，工程師可反向推導(dǎo)摻雜濃度是否達標(biāo)，或預(yù)判晶體管擊穿電壓是否符合設(shè)計窗口。

現(xiàn)代四探針設(shè)備已進化為生產(chǎn)線上的“實時哨兵”。當(dāng)探針輕觸晶圓表面時，設(shè)備能在數(shù)秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集與分析，甚至通過幾何修正因子（K）補償探針間距不等或樣品邊緣效應(yīng)帶來的誤差。這種“非破壞性”檢測能力，使其成為監(jiān)控外延層、擴散層質(zhì)量的利器——但需注意，當(dāng)襯底與薄膜導(dǎo)電類型相同時，并聯(lián)電導(dǎo)效應(yīng)可能導(dǎo)致測量失真，此時需采用反偏二極管隔離或選擇絕緣襯底。

在半導(dǎo)體制造的“馬拉松”中，四探針法如同一位嚴(yán)謹?shù)牟门校核饶茯炞C離子注入是否精準(zhǔn)控制了摻雜濃度，也能在薄膜沉積后第一時間檢測膜厚均勻性，甚至通過電阻率波動預(yù)判金屬互連線的可靠性風(fēng)險。正是這種對電學(xué)參數(shù)的極致把控，讓每一顆芯片都能在納米尺度上實現(xiàn)電流的“精準(zhǔn)導(dǎo)航”。

范德堡法測量薄層電阻

在半導(dǎo)體器件特征尺寸逼近物理極限的今天，如何精準(zhǔn)測量復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的薄層電阻成為技術(shù)攻堅的關(guān)鍵。1958年問世的范德堡法，憑借其對樣品形狀的包容性與納米級測量精度，成為監(jiān)控擴散、離子注入等工藝的核心工具。

不同于傳統(tǒng)四探針法對規(guī)則樣品的依賴，范德堡法通過在樣品邊緣布置四個接觸點（A、B、C、D），構(gòu)建出“電流-電壓”的精密測量網(wǎng)絡(luò)。其核心突破在于：無論樣品是圓形、矩形還是異形結(jié)構(gòu)，只需滿足“接觸點間距遠大于薄膜厚度”的條件，即可通過兩次電流注入（如A→C和A→D）與電壓采集（如D→B和C→B），結(jié)合修正函數(shù)推導(dǎo)出電阻率。當(dāng)接觸點呈對稱分布時，修正函數(shù)并簡化。

為適配先進制程中日益縮小的器件結(jié)構(gòu)，范德堡法衍生出偏移方形十字、大正十字、小正十字等多種測試圖形。以小正十字結(jié)構(gòu)為例，其十字臂寬僅8μm、臂長10μm，通過“臂長＞臂寬”的設(shè)計原則，將測量誤差控制在0.1%以內(nèi)。這種設(shè)計使范德堡法能夠深入光刻膠掩膜覆蓋的微小區(qū)域，甚至直接嵌入芯片劃片道內(nèi)，在不影響電路功能的前提下實現(xiàn)“原位監(jiān)測”。

在離子注入環(huán)節(jié)，范德堡法通過檢測擴散區(qū)的薄層電阻波動，可反推摻雜濃度是否均勻；在薄膜沉積工藝中，其測量數(shù)據(jù)能精準(zhǔn)校準(zhǔn)膜厚與應(yīng)力參數(shù)。更關(guān)鍵的是，該方法對樣品形狀的包容性，使其成為監(jiān)控三維集成工藝、異質(zhì)集成等前沿技術(shù)的首選方案——當(dāng)芯片從平面走向立體，范德堡法正以“幾何解謎者”的身份，守護著每一層納米薄膜的電學(xué)性能。

金屬—半導(dǎo)體接觸測試結(jié)構(gòu)

在芯片內(nèi)部，金屬與半導(dǎo)體的接觸界面如同高速公路的“匝道”，其接觸電阻直接決定著電流傳輸?shù)耐〞扯?。隨著制程節(jié)點推進至5nm甚至更小，接觸孔的線寬已逼近物理極限，任何微小的工藝波動都可能引發(fā)接觸電阻失控，導(dǎo)致器件性能衰退或可靠性風(fēng)險。為此，行業(yè)開發(fā)出單孔與三孔兩種測試結(jié)構(gòu)，成為監(jiān)控接觸孔刻蝕質(zhì)量與金屬硅化物工藝的“火眼金睛”。

單孔結(jié)構(gòu)：快速篩查的“簡易哨兵”

單孔結(jié)構(gòu)采用四端電阻器設(shè)計，電流從電極I?流入，經(jīng)中心接觸孔后從I?流出，通過V?、V?電極捕捉孔兩端的電勢差。其核心價值在于通過比接觸電阻（Rc）公式：Rc= (V·Ac) / I（Ac為接觸孔面積）。

快速評估接觸電阻的相對水平。這種結(jié)構(gòu)雖無法剝離體電阻與探針接觸電阻的干擾，但因其測試流程簡潔，仍被廣泛用于工藝線上的“初步篩查”，或?qū)Ρ炔煌に嚄l件下的接觸質(zhì)量變化趨勢。

三孔結(jié)構(gòu)：精準(zhǔn)診斷的“醫(yī)學(xué)顯微鏡”

為突破單孔結(jié)構(gòu)的局限性，三孔測試結(jié)構(gòu)通過雙電流路徑設(shè)計實現(xiàn)“自我校準(zhǔn)”。其比接觸電阻計算公式：Rc= (R? - R?) × Ac/ [2(l? - l?)]（式中R?、R?為不同電流路徑下的測量值，l?、l?為對應(yīng)路徑長度）。

巧妙消除了體電阻與接觸電阻的耦合效應(yīng)。測試時需采用電流換向技術(shù)并取雙向平均值，以最大限度抑制熱電勢與儀器噪聲的影響。這種設(shè)計使三孔結(jié)構(gòu)成為接觸電阻測量的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，尤其在先進制程中，其測量精度直接關(guān)聯(lián)著接觸孔填充質(zhì)量與金屬硅化物工藝的穩(wěn)定性。

在7nm以下制程中，接觸孔的深寬比已超過3:1，任何刻蝕殘留或金屬填充空洞都將導(dǎo)致接觸電阻指數(shù)級上升。通過單孔結(jié)構(gòu)的“快速篩查”與三孔結(jié)構(gòu)的“精準(zhǔn)診斷”相結(jié)合，工藝工程師得以在接觸孔刻蝕、金屬沉積、快速熱退火等關(guān)鍵步驟中建立質(zhì)量閉環(huán)。例如，當(dāng)三孔結(jié)構(gòu)檢測到Rc異常升高時，可迅速鎖定問題根源：或是接觸孔側(cè)壁形貌失控，或是鈦/鈷金屬硅化物反應(yīng)不完全。這種對界面質(zhì)量的極致把控，正是芯片性能與良率在納米尺度上持續(xù)突破的基石。

橢圓偏振儀

在半導(dǎo)體制造的“納米競技場”中，薄膜的厚度與折射率是決定器件光學(xué)性能與電學(xué)特性的核心參數(shù)。作為半導(dǎo)體量測領(lǐng)域的“光學(xué)多面手”，橢圓偏振儀憑借其非破壞性、納米級精度與多層薄膜解析能力，成為監(jiān)控化學(xué)氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）等工藝的關(guān)鍵工具。

橢圓偏振儀的工作原理基于光與物質(zhì)相互作用的精密物理：一束橢圓偏振光以特定角度入射至薄膜表面，其反射光的偏振態(tài)（幅值與相位）會發(fā)生特征性變化。通過解析反射光的橢偏參數(shù)Δ（相位差）與Ψ（振幅比），可反演推導(dǎo)出薄膜的厚度（d）與折射率（n）。這一過程無需破壞樣品，且精度可達亞納米級，尤其適用于氧化硅、氮化硅等透明介質(zhì)薄膜的測量。

四大技術(shù)優(yōu)勢

非破壞性檢測：無需接觸樣品即可完成測量，完美適配生產(chǎn)線上的實時監(jiān)控需求；

多層薄膜解析：通過光譜掃描技術(shù)，可穿透表層薄膜探測埋層結(jié)構(gòu)，揭示多層堆疊中的隱藏缺陷；

納米級精度：對10nm以下薄膜的厚度波動敏感，堪稱光刻膠涂布、間隙填充工藝的“質(zhì)量天平”；

在線集成能力：可嵌入工藝設(shè)備內(nèi)部，形成“測量-反饋-調(diào)整”的閉環(huán)控制，將工藝穩(wěn)定性提升至新高度。

在3D NAND存儲器與FinFET晶體管制造中，橢圓偏振儀是監(jiān)控高深寬比溝槽填充質(zhì)量的“火眼金睛”。例如，在氧化層沉積工藝中，其測量數(shù)據(jù)可實時校準(zhǔn)前驅(qū)體流量與等離子體功率，確保薄膜厚度均勻性優(yōu)于0.1%。更關(guān)鍵的是，通過同步解析折射率與消光系數(shù)，該技術(shù)還能間接評估薄膜密度與雜質(zhì)含量，為工藝窗口優(yōu)化提供多維數(shù)據(jù)支撐。