芯片制造中的薄膜测量方法

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文主要讲述芯片制造中薄膜测量。

在指甲盖大小的芯片上集成数百亿晶体管，需要经历数百道严苛工艺的淬炼。每一道工序的参数波动，都可能引发蝴蝶效应，最终影响芯片的良率与可靠性。半导体制造的本质，是物理、化学与材料科学的交响曲，而测量技术则是这场精密演奏的指挥棒——它通过实时监测、分析工艺数据，确保每个环节都精准卡在纳米级的“黄金区间”。

从无图形的监控晶圆（陪片）到承载电路的图形化晶圆，从独立式设备到嵌入生产线的集成系统，测量技术贯穿制造全流程。

薄膜测量方法有:四探针法测量电阻率和薄层电阻，范德堡法测量薄层电阻，等值线图测量薄层电阻，椭圆偏振仪测膜厚和折射率等。

本文重点介绍以下几种：

四探针法测量电阻率和薄层电阻

范德堡法测量薄层电阻

金属-半导体接触测试结构

四探针法测量电阻率和薄层电阻

在半导体制造的精密世界中，薄膜如同芯片的“血管网络”，其电阻特性直接决定了电流传输的效率与稳定性。作为半导体工艺监控的核心工具，四探针法以纳米级的精度为薄膜做“电阻体检”，成为贯穿离子注入、扩散、薄膜沉积等关键工艺的“质量守门人”。

诞生于地质勘探领域的四探针法，通过四根等距排列的探针实现精准测量：外侧探针注入恒定电流，内侧探针捕捉电压信号。这一设计巧妙消除了接触电阻的干扰，使测量结果仅取决于材料本身的电阻率。对于半导体薄膜而言，其电阻率（ρ）与载流子浓度直接相关，如同材料的“电学基因”，决定了晶体管的开关速度与器件的功耗表现。

为简化复杂结构的电阻计算，半导体行业引入了“方块电阻”概念。这一参数将三维材料电阻转化为二维的“方块值”，设计人员只需测量方块电阻，再通过版图的长宽比即可快速推算任意结构的电阻值。例如，在扩散工艺中，通过四探针法测得方块电阻值后，工程师可反向推导掺杂浓度是否达标，或预判晶体管击穿电压是否符合设计窗口。

现代四探针设备已进化为生产线上的“实时哨兵”。当探针轻触晶圆表面时，设备能在数秒内完成数据采集与分析，甚至通过几何修正因子（K）补偿探针间距不等或样品边缘效应带来的误差。这种“非破坏性”检测能力，使其成为监控外延层、扩散层质量的利器——但需注意，当衬底与薄膜导电类型相同时，并联电导效应可能导致测量失真，此时需采用反偏二极管隔离或选择绝缘衬底。

在半导体制造的“马拉松”中，四探针法如同一位严谨的裁判：它既能验证离子注入是否精准控制了掺杂浓度，也能在薄膜沉积后第一时间检测膜厚均匀性，甚至通过电阻率波动预判金属互连线的可靠性风险。正是这种对电学参数的极致把控，让每一颗芯片都能在纳米尺度上实现电流的“精准导航”。

范德堡法测量薄层电阻

在半导体器件特征尺寸逼近物理极限的今天，如何精准测量复杂结构中的薄层电阻成为技术攻坚的关键。1958年问世的范德堡法，凭借其对样品形状的包容性与纳米级测量精度，成为监控扩散、离子注入等工艺的核心工具。

不同于传统四探针法对规则样品的依赖，范德堡法通过在样品边缘布置四个接触点（A、B、C、D），构建出“电流-电压”的精密测量网络。其核心突破在于：无论样品是圆形、矩形还是异形结构，只需满足“接触点间距远大于薄膜厚度”的条件，即可通过两次电流注入（如A→C和A→D）与电压采集（如D→B和C→B），结合修正函数推导出电阻率。当接触点呈对称分布时，修正函数并简化。

为适配先进制程中日益缩小的器件结构，范德堡法衍生出偏移方形十字、大正十字、小正十字等多种测试图形。以小正十字结构为例，其十字臂宽仅8μm、臂长10μm，通过“臂长＞臂宽”的设计原则，将测量误差控制在0.1%以内。这种设计使范德堡法能够深入光刻胶掩膜覆盖的微小区域，甚至直接嵌入芯片划片道内，在不影响电路功能的前提下实现“原位监测”。

在离子注入环节，范德堡法通过检测扩散区的薄层电阻波动，可反推掺杂浓度是否均匀；在薄膜沉积工艺中，其测量数据能精准校准膜厚与应力参数。更关键的是，该方法对样品形状的包容性，使其成为监控三维集成工艺、异质集成等前沿技术的首选方案——当芯片从平面走向立体，范德堡法正以“几何解谜者”的身份，守护着每一层纳米薄膜的电学性能。

金属—半导体接触测试结构

在芯片内部，金属与半导体的接触界面如同高速公路的“匝道”，其接触电阻直接决定着电流传输的通畅度。随着制程节点推进至5nm甚至更小，接触孔的线宽已逼近物理极限，任何微小的工艺波动都可能引发接触电阻失控，导致器件性能衰退或可靠性风险。为此，行业开发出单孔与三孔两种测试结构，成为监控接触孔刻蚀质量与金属硅化物工艺的“火眼金睛”。

单孔结构：快速筛查的“简易哨兵”

单孔结构采用四端电阻器设计，电流从电极I₁流入，经中心接触孔后从I₂流出，通过V₁、V₂电极捕捉孔两端的电势差。其核心价值在于通过比接触电阻（Rc）公式：Rc= (V·Ac) / I（Ac为接触孔面积）。

快速评估接触电阻的相对水平。这种结构虽无法剥离体电阻与探针接触电阻的干扰，但因其测试流程简洁，仍被广泛用于工艺线上的“初步筛查”，或对比不同工艺条件下的接触质量变化趋势。

三孔结构：精准诊断的“医学显微镜”

为突破单孔结构的局限性，三孔测试结构通过双电流路径设计实现“自我校准”。其比接触电阻计算公式：Rc= (R₁ - R₂) × Ac/ [2(l₁ - l₂)]（式中R₁、R₂为不同电流路径下的测量值，l₁、l₂为对应路径长度）。

巧妙消除了体电阻与接触电阻的耦合效应。测试时需采用电流换向技术并取双向平均值，以最大限度抑制热电势与仪器噪声的影响。这种设计使三孔结构成为接触电阻测量的“黄金标准”，尤其在先进制程中，其测量精度直接关联着接触孔填充质量与金属硅化物工艺的稳定性。

在7nm以下制程中，接触孔的深宽比已超过3:1，任何刻蚀残留或金属填充空洞都将导致接触电阻指数级上升。通过单孔结构的“快速筛查”与三孔结构的“精准诊断”相结合，工艺工程师得以在接触孔刻蚀、金属沉积、快速热退火等关键步骤中建立质量闭环。例如，当三孔结构检测到Rc异常升高时，可迅速锁定问题根源：或是接触孔侧壁形貌失控，或是钛/钴金属硅化物反应不完全。这种对界面质量的极致把控，正是芯片性能与良率在纳米尺度上持续突破的基石。

椭圆偏振仪

在半导体制造的“纳米竞技场”中，薄膜的厚度与折射率是决定器件光学性能与电学特性的核心参数。作为半导体量测领域的“光学多面手”，椭圆偏振仪凭借其非破坏性、纳米级精度与多层薄膜解析能力，成为监控化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）等工艺的关键工具。

椭圆偏振仪的工作原理基于光与物质相互作用的精密物理：一束椭圆偏振光以特定角度入射至薄膜表面，其反射光的偏振态（幅值与相位）会发生特征性变化。通过解析反射光的椭偏参数Δ（相位差）与Ψ（振幅比），可反演推导出薄膜的厚度（d）与折射率（n）。这一过程无需破坏样品，且精度可达亚纳米级，尤其适用于氧化硅、氮化硅等透明介质薄膜的测量。

四大技术优势

非破坏性检测：无需接触样品即可完成测量，完美适配生产线上的实时监控需求；

多层薄膜解析：通过光谱扫描技术，可穿透表层薄膜探测埋层结构，揭示多层堆叠中的隐藏缺陷；

纳米级精度：对10nm以下薄膜的厚度波动敏感，堪称光刻胶涂布、间隙填充工艺的“质量天平”；

在线集成能力：可嵌入工艺设备内部，形成“测量-反馈-调整”的闭环控制，将工艺稳定性提升至新高度。

在3D NAND存储器与FinFET晶体管制造中，椭圆偏振仪是监控高深宽比沟槽填充质量的“火眼金睛”。例如，在氧化层沉积工艺中，其测量数据可实时校准前驱体流量与等离子体功率，确保薄膜厚度均匀性优于0.1%。更关键的是，通过同步解析折射率与消光系数，该技术还能间接评估薄膜密度与杂质含量，为工艺窗口优化提供多维数据支撑。