納米尺寸膜厚標準樣片的橢偏分析
2019-11-18 05:43張曉東韓志國李鎖印梁法國
中國測試 2019年8期
張曉東 韓志國 李鎖印 梁法國
摘要：針對膜厚標準樣片的高精度測量問題，基于光譜型橢偏儀測量系統(tǒng)，提出對膜厚標準樣片逐層分析的方法。利用相應的匹配算法，對比硅上二氧化硅模厚標準樣片的等效結構模型和四相結構模型，實現(xiàn)對薄膜樣片的厚度表征和橢偏分析。其次，通過對樣片進行為期12周的測量考核，完成對薄膜樣片表層分子吸附機理的分析。實驗結果表明：針對研制的標稱值為2～1000nm硅上二氧化硅膜厚標準樣片，中間層的厚度存在先遞減后遞增的趨勢。其中，在標稱值為50～500mm范圍內，等效結構模型與四相結構模型測量結果的絕對誤差在±0.2mm以內，因此，可以采用等效結構模型的方法開展儀器的校準工作。另外，提出通過加熱實現(xiàn)對標準樣片解吸附的方案，有效解決超薄膜樣片的儲存問題。
關鍵詞：光譜型橢偏儀;等效結構模型;四相結構模型;表層分子吸附
中圖分類號：O436.3 文獻標志碼：A 文章編號：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準樣片的研制與定標研究。
0 引言
隨著微電子、半導體工藝的發(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，保證膜厚量值的準確性十分重要。通常，納米尺寸膜厚標準樣片是校準橢偏儀等膜厚類測量儀器的標準樣片，其主要分為硅上二氧化硅（Sioz/Si）和硅上氮化硅（Si3N4/Si）膜厚標準樣片[1]。通過研制納米尺寸膜厚標準樣片，可以實現(xiàn)膜厚類測量儀器的溯源，提升半導體器件工藝的穩(wěn)定性、重復性和可靠性。
國內外學者采用四相結構模型的理論來測量納米尺寸膜厚標準樣片[2]。但在微納尺寸計量領域，通常采用等效結構模型的理論對樣片進行定標。因此，本文通過比較兩種結構模型下的測量結果，找出等效模型的有效范圍。其次，利用光譜型橢偏儀對SiO2/Si膜厚標準樣片進行逐層分析，完成對中間層和表層分子吸附機理的研究，不僅提高樣片的定標準確度，并對指導膜厚標準樣片的制作工藝提供了技術支撐。
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)的關系，進而計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Eip和S平面偏振分量Eis，反射光可以分解為P平面偏振分量Erp和S平面偏振分量Ers，則反射系數(shù)Rp和Rs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=Rp/Rs，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，△=ψP-ψS表示兩個偏振量的相位差。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臘厚標準樣片的橢偏分析
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、檢測系統(tǒng)等，如圖2所示。光源系統(tǒng)發(fā)出的自然光經過起偏器變?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而變?yōu)榫€偏振光[5]。最后，探測器將光信號轉化為電信號，輸送到計算機中。該系統(tǒng)具有非接觸式、高精度的優(yōu)點，適用于對膜厚標準樣片進行橢偏分析。
待測樣片是標稱值為2～1000nm的SiO2/Si膜厚標準樣片，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間等參數(shù)，來保證薄膜的均勻性[6]。SiO2/Si膜厚標準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）輸出結果，獲取薄膜樣片的膜厚和光學常數(shù)。2.2等效結構模型分析
根據(jù)膜厚標準樣片的制作工藝，建立四相結構模型，如圖5所示。其中，中間層是熱氧化工藝不可避免的產物，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性質。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有效介質方程[7]計算為式中：ε——等效介電常量;
ε1、ε2——SiO2、Void的介電常量;
f1、f2——混合層中SiO2、Void的體積分數(shù)。
項目組提出采用等效結構模型來測量SiO2/Si膜厚標準樣片，即將硅襯底上的所有結構等效為一層二氧化硅結構，以便開展校準測量儀器和比對工作[8]，如圖6所示。依據(jù)四相結構模型的概念，膜厚標準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)等效結構模型的概念，膜厚標準樣片的厚度為等效結構層的厚度。在兩種結構模型下，結合相應算法和數(shù)學模型，對研制的兩組SiO2/Si膜厚標準樣片進行測量[9]。其中，由公式（1）和（2）可知&ψ代表偏振角，△表示兩個偏振量的相位差，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，在兩種結構模型下，擬合效果都十分理想。而實際的測量結果如表1所示。此外，標準樣片厚度的差值與標稱值的關系如圖9所示。
根據(jù)表1和圖9可知，針對研制的兩套標稱值為2～1000mm SiO2/Si膜厚標準樣片，厚度差值的變化趨勢相同。其中，膜厚標稱值在50～500nm范圍內，兩種結構模型的測量差值在±0.2mm以內。根據(jù)美國VLSI公司給出的樣片測量不確定度可知，1000nm以內的膜厚樣片的不確定度在0.4mm以內，因此，可以采用等效結構模型的方法開展儀器的校準工作。相比之下，針對研制的標稱值為2～50nm和500～1000nm的SiO2/Si膜厚標準樣片，則不適合采用等效結構模型來校準膜厚類測量儀器。
2.3 中間層分析
針對SiO2/Si膜厚標準樣片，中間層是一個不可忽略的膜層[10]。分析中間層對薄膜厚度的影響對指導半導體工藝十分關鍵。因此，針對研制的2～1000mm SiO2/Si膜厚標準樣片，借鑒四相結構模型的理論，對樣片的中間層進行測量[11]。其中，橢偏分析的結果如圖10所示。
根據(jù)圖10可知，針對研制的標稱值為2～1000mm的膜厚標準樣片，中間層的厚度存在先遞減后遞增的趨勢。此外，針對研制的超薄膜厚標準樣片，中間層所占的比例很大。因此，改進工藝，降低中間層厚度對于關鍵尺寸膜厚標準樣片的制作十分必要。
2.4 表層分子吸附
由于膜厚標準樣片存在分子吸附現(xiàn)象[12]，樣片的厚度值會隨著時間的推移發(fā)生變化。對于超薄膜厚標準樣片而言，表層分子吸附現(xiàn)象對樣片厚度的影響更大。因此，針對標稱值為2nm的SiO2/Si膜厚標準樣片，利用J_A.Woollam光譜型橢偏儀，進行為期12周的樣片測量考核。其中，實驗樣片為同批次生產的2片2nm的膜厚標準樣片，兩個樣片同時存放在20℃環(huán)境下。針對樣片1，每周進行150℃的高溫加熱，然后測量其厚度值。針對樣片2，每4周進行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SiO2/Si膜厚標準樣片的影響。
根據(jù)圖11可知，樣片1在12周內的厚度值保持在1.9～2nm之間，誤差在0.1nm之間。樣片2在每4周內，薄膜厚度會不斷增加，通過150℃的高溫加熱，厚度值會降到1.9～2mm之間。因此，通過周期性考核試驗可知，加熱可以實現(xiàn)膜厚標準樣片的解吸附。
3 結束語
作為校準膜厚類儀器的標準片，納米尺寸膜厚標準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準樣片的兩種結構模型和中間層，解決了膜厚標準樣片等效結構模型適用范圍的問題。最后，針對標稱值為2mm的SiO2/Si膜厚標準樣片存在表層分子吸附現(xiàn)象，進行為期12周的樣片考核，提出了通過加熱實現(xiàn)膜厚標準樣片解吸附的方案。
接下來要開展的工作有：1）膜厚標準樣片測量模型的優(yōu)化;2）分析超薄膜厚標準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。這些問題的解決對膜厚標準樣片的研制與定標工作提供了重要技術支撐，有助于提升微電子生產工藝的重復性、穩(wěn)定性和可靠性，促進相關高新技術領域的技術轉化和產業(yè)化發(fā)展。
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（編輯：徐柳）
