椭偏仪在DRAM制造量测中的应用：实现20mm×20mm超宽视场下晶圆级精准监控及提升良率

随着半导体器件特征尺寸持续缩小，局部结构变化易影响电学性能甚至导致失效，对高空间密度、高吞吐量的先进计量技术需求迫切。但现有技术存在局限：光谱类技术（SR / SE / MMSE）需逐点测量，难以实现晶圆级快速计量；SEM分辨率高却视场小，无法高效识别大范围结构变化；传统成像类技术视场窄且穆勒矩阵组件利用不足。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

研究提出超宽视场成像穆勒矩阵光谱椭偏仪（IMMSE），其20mm×20mm视场为当前最大，空间分辨率6.5μm，可获超1000万条穆勒矩阵光谱，经信号校正保全视场一致性，结合机器学习实现全晶圆高密度计量，数据量、吞吐量分别超SEM1987倍、662倍，能识别DRAM结构空间变化以助良率提升。

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工作原理

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IMMSE系统结构及其工艺流程

光学设计：系统采用宽带光源和单色仪，通过定制照明光学实现65°入射角下大区域的均匀照明。成像模块采用Offner反射式结构，有效最小化色差和几何畸变。

偏振测量：通过双旋转偏振器（PSG和PSA）操控和分析光的偏振态，获取样品在不同偏振组合下的响应。

数据采集：在一次测量中，系统能捕获覆盖整个视场的高光谱图像立方体，包含超过1000万个像素点的强度信息，进而计算出每个像素点的3×3穆勒矩阵（MM）光谱。

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系统信号失真校正

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a. 相对透射率（RT）示意图；b. 矩阵重构示意图；c. 波长为 405nm 时，PSG 旋转角度分别为 0°、90°、180° 和 270° 条件下得到的PSG因子；、e. 全波长与全偏振条件下PSG 因子的均值（μ）和标准差（σ）；f. 在与图 c 相同的波长和偏振条件下得到的 PSA 因子；g、h. 全波长与全偏振条件下PSA因子的均值（μ）和标准差（σ）

a. 数据分析示意图；b. （A）、（B）、（C）对应的所有穆勒矩阵元素结果；其中（B）和（C）反映的是视场中心与其他区域的光谱误差

在如此大的视场内，光学部件（如偏振器）的性能不均匀性会导致信号失真，即视场中心与边缘的测量结果不一致。为此，本研究引入了“系统因子”校正算法。该算法通过测量标准样品（如裸硅片），定量表征并补偿了整个光学系统中与位置、波长和偏振相关的相对透射率（RT）变化。结果表明，校正后：

相对于理论MM光谱的误差降低了94%。

视场内的光谱变异降低了73%。

这确保了在整个20 mm×20 mm视场内，任何一点的MM光谱都是高度可靠和一致的。

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机器学习驱动的空间密集量测

拥有海量且可靠的MM光谱数据后，本研究采用机器学习算法（岭回归）建立模型。该模型利用少量传统工具（如SEM）的参考测量值进行训练，学习MM光谱与目标参数（如厚度、关键尺寸CD、套刻误差）之间的复杂关系。训练完成后，模型可瞬间处理整个晶圆上超过1000万个数据点，实现前所未有的空间密集量测。

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在DRAM计量中的实际应用验证

IMMSE 的核心价值在于解决半导体制造中的“工艺监测与良率优化”问题，以下为 DRAM 晶圆的三大关键计量场景验证：

薄膜厚度测量（CVD工艺优化）：

DRAM 晶圆的薄膜厚度计量及对比分析

化学气相沉积（CVD）是 DRAM 薄膜制备的核心工艺，喷嘴阵列（六边形分布）易导致厚度不均。

传统点椭偏仪：仅测 49 个点，仅能反映粗略全局趋势；

IMMSE：测超 700 万个点，清晰识别出“六边形厚度图案”（与喷嘴阵列匹配），可作为工艺 “指纹” 优化设备参数；

改进工艺后，IMMSE 显示图案消失，薄膜均匀性显著提升。

关键尺寸（CD）测量（蚀刻工艺控制）：

DRAM 晶圆的关键尺寸（CD）计量及分析

DRAM 电容器为高纵横比沟槽结构，蚀刻后顶部 CD 是评估工艺质量的关键指标。

SEM：仅测 536 个点，无法捕捉全局变化；。

IMMSE：测超1000万个点，发现 SEM 未检测到的“同心圆 CD 变化图案”。

在改进刻蚀工艺后，IMMSE 验证图案消除，全晶圆 CD 均匀性提升。

套刻误差测量（光刻工艺精度）：

DRAM 晶体管结构的套刻计量及与传统 SEM 的对比分析

套刻误差指晶体管 bit 线（BL）与接触材料（CM）的对准偏差，直接影响电接触可靠性。

SEM：全晶圆仅测 6000 个点，局部区域仅 261 个点，漏检局部变化；

IMMSE：全晶圆测超 1000 万个点，局部区域测超 10 万个点，精准识别shot 区域内的套刻偏差；

改进光刻工艺后，套刻均值从 - 1.31nm（工艺 1）降至 - 0.03nm（工艺 2），标准差从 0.36nm 降至 0.24nm，为识别和筛选缺陷芯片提供了量化依据。

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IMMSE 的技术优势与应用前景

超高吞吐量与数据量：相比SEM，IMMSE提供了1987倍的测量数据点，单位点测量时间快662倍（0.001秒/点）。

卓越精度：对所有测量参数（厚度、CD、套刻）的预测均方根误差（RMSE）均低于1纳米，重复性达到0.36 nm (3σ)，满足先进制程监控要求。

应用潜力：虽然本系统专为半导体量测开发，但其宽视场、高通量、偏振分辨的测量能力可拓展至：生物医学（如基于 3×3 穆勒矩阵的离体组织表征、视网膜神经纤维层检测）；材料科学（如二维材料的偏振特性分析）未来方向（集成宽带波片可实现 4×4 完整穆勒矩阵测量，进一步拓展偏振表征能力）等。

本研究成功开发的超宽视场成像穆勒矩阵光谱椭偏仪（IMMSE）系统，结合其创新的系统校正算法和机器学习模型，突破了传统量测技术的瓶颈，为实现半导体制造中的全景式、纳米级精度监控和快速良率提升提供了一个强大的平台。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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技术支持：180-1566-6117全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《Ultra-wide-field imaging Mueller matrix spectroscopic ellipsometry for semiconductor metrology》

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关于我们

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苏州费曼测量仪器有限公司（Flexfilm）——薄膜材料智检先锋，致力于为全球工业智造提供精准测量解决方案。薄膜结构精密测量设备：台阶仪、全光谱椭偏仪、单点膜厚仪、自动膜厚仪、在线厚度测量系统，为客户提供接触式、非接触式、自动化测量系统三种薄膜厚度测试技术。

材料电学性能表征设备： 离线/在线四探针测试仪、半导体晶圆在线方阻测试仪、平板显示在线方阻测试仪、TLM接触电阻测试仪、霍尔测试仪、扩展电阻SRP测试仪。Flexfilm 致力于成为客户在材料研发、工艺控制和质量保证环节最值得信赖的合作伙伴，以创新的测量技术驱动全球工业智造的进步。