KLA Instruments 小課堂

定期分享KLA Instruments旗下產(chǎn)品的各種技術(shù)資料、應(yīng)用筆記和使用指南。

旗下產(chǎn)品包括：輪廓儀、納米壓痕儀、薄膜測(cè)厚儀、方阻測(cè)量?jī)x以及晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。

本期課程 ：

薄膜方塊電阻和厚度測(cè)量

—KLA45年電阻測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新的桌面型解決方案

在半導(dǎo)體芯片等器件工藝中，后道制程中的金屬連接是經(jīng)過(guò)金屬薄膜沉積，圖形化和蝕刻工藝，最后在器件元件之間得到導(dǎo)電連接。

對(duì)于半導(dǎo)體、PCB、平板顯示器、太陽(yáng)能應(yīng)用和研發(fā)等不同行業(yè)，對(duì)各種金屬層（包括導(dǎo)電薄膜、粘附層和其他導(dǎo)電層）都有各種各樣的電阻和厚度的量測(cè)需求，KLA Instruments Filmetrics 事業(yè)部能夠提供先進(jìn)的薄膜電阻測(cè)量解決方案。

金屬薄膜的電阻測(cè)量主要包括兩種技術(shù)：四探針?lè)ê蜏u流法。兩種測(cè)量技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

我們先來(lái)了解一下這兩種技術(shù)的測(cè)量原理。

問(wèn)

什么是四探針測(cè)量技術(shù)？

四探針測(cè)量技術(shù)已經(jīng)存在了 100 多年，由于其操作簡(jiǎn)單以及固有的準(zhǔn)確性，一直備受青睞。如下圖所示，四探針與導(dǎo)電表面接觸，電流在兩個(gè)引腳之間流過(guò)，同時(shí)測(cè)量另外兩個(gè)引腳之間的電壓。

標(biāo)準(zhǔn)的（左）和備用的（右）四探針測(cè)量原理圖。R50具有雙配置測(cè)量方法，通常用于薄膜邊緣出現(xiàn)電流集聚或引腳間距變化需要校正的情況。

引腳的排列方式通常是線性排列或方形排列，此處主要討論 R50 探針使用的線性排列。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，使用的是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量配置 （上圖左）。而備用測(cè)量配置（上圖右）可作為 R50 雙配置測(cè)量方法的一部分，用于薄膜邊緣電流集聚或需要校正引腳間距變化的情況。此處展示的測(cè)量結(jié)果僅使用了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量配置。

問(wèn)

什么是渦流測(cè)量技術(shù)？

渦流 (EC) 技術(shù)是指線圈中的交變電流會(huì)在導(dǎo)電層中產(chǎn)生交變渦流。這些交變渦流反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，從而改變驅(qū)動(dòng)線圈的阻抗，這與該層的方塊電阻成正比。

渦流技術(shù)通過(guò)施加交變磁場(chǎng)，測(cè)量導(dǎo)電層中感應(yīng)的渦流。線圈中的交變驅(qū)動(dòng)電流會(huì)在線圈周?chē)a(chǎn)生交變初級(jí)磁場(chǎng)。當(dāng)探測(cè)線圈接近導(dǎo)電表面時(shí)，導(dǎo)電材料中會(huì)感應(yīng)出交變電流 （渦流）。這些渦流會(huì)產(chǎn)生自己的交變次級(jí)磁場(chǎng)并和線圈耦合， 從而產(chǎn)生與樣品的方塊電阻成正比的信號(hào)變化。導(dǎo)電層越導(dǎo)電，渦流的感應(yīng)越強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)線圈的阻抗變化就越大。

自1975年KLA的第一臺(tái)電阻測(cè)試儀問(wèn)世以來(lái)，我們的電阻測(cè)試產(chǎn)品已經(jīng)革命性地改變了導(dǎo)電薄膜電阻和厚度的測(cè)量方式。

而R50方塊電阻測(cè)試儀則是KLA超過(guò)45年電阻測(cè)量技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新之作。

R50提供了10個(gè)數(shù)量級(jí)電阻跨度范圍使用的4PP四探針測(cè)試技術(shù)，以及高分辨率和高靈敏度的EC渦流技術(shù)，續(xù)寫(xiě)了KLA在產(chǎn)品創(chuàng)新能力和行業(yè)先鋒地位的歷史。

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www.kla-instruments.cn

R50 方塊電阻測(cè)量數(shù)據(jù)分析和可視化

無(wú)論是四探針?lè)ㄟ€是渦流法，方塊電阻 (Rs)測(cè)量完成后， 用戶(hù)根據(jù)自己需求，可以直接導(dǎo)出方塊電阻值，也可以使用 RsMapper 軟件中的轉(zhuǎn)換功能，將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為薄膜厚度：

Rs = ρ/t

其中 ρ 是電阻率，t 是薄膜厚度。

上圖顯示了 2μm 標(biāo)準(zhǔn)厚度鋁膜的方塊電阻分布圖和薄膜厚度分布圖。根據(jù)方塊電阻數(shù)據(jù)（左），利用標(biāo)準(zhǔn)電阻率（中），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為薄膜厚度分布圖（右）。在某些應(yīng)用中，將數(shù)據(jù)顯示為薄膜厚度分布圖可能更有助于觀測(cè)樣品的均勻性。RsMapper 軟件還提供差異分布圖，即利用兩個(gè)特定晶圓的測(cè)繪數(shù)據(jù)繪制成單張分布圖來(lái)顯示兩者之間的差異。此功能可以用來(lái)評(píng)估蝕刻或拋光工藝前后的方塊電阻變化。

問(wèn)

如何選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)？

R50 分成2個(gè)型號(hào)：R50-4PP 是接觸式四探針測(cè)量系統(tǒng) ；R50-EC是非接觸式渦流測(cè)量系統(tǒng)。

R50-4PP能測(cè)量的最大方塊電阻為 200MΩ/sq.，因而非常適合比較薄的金屬薄膜。對(duì)于非常厚的金屬薄膜，電壓差值變得非常小，這會(huì)限制四探針技術(shù)的測(cè)量。它只能測(cè)量厚度小于幾個(gè)微米的金屬膜，具體還要取決于金屬的電阻率。

由于非常薄的金屬薄膜產(chǎn)生的渦流很小，加上R50-EC 的探頭尺寸非常小，所以使用渦流方法測(cè)量方塊電阻時(shí)，金屬厚度最薄的極限大約在 100 nm （或約10 Ω/sq.，與金屬材料性質(zhì)有關(guān)）。

對(duì)于非常厚的金屬薄膜，渦流信號(hào)會(huì)增加，因此對(duì)可測(cè)量的金屬薄膜的最大厚度實(shí)際上沒(méi)有限制。

在四探針和渦流技術(shù)都可使用的情況下，一個(gè)決定因素就是避免因引腳接觸樣品而造成損傷或污染。對(duì)于這類(lèi)樣品，建議使用渦流技術(shù)。對(duì)于可能會(huì)產(chǎn)生額外渦流信號(hào)的襯底樣品，并且在底部有絕緣層的情況下，則建議使用四探針技術(shù)。

總結(jié)

Filmetrics R50

簡(jiǎn)而言之，F(xiàn)ilmetrics R50 系列可以測(cè)量大量金屬層。

對(duì)于較薄的薄膜，它們的電阻較大而四探針的測(cè)量范圍較大，因而推薦使用 R50-4PP（四探針）。

對(duì)于非常厚的薄膜，或者需要非接觸式測(cè)量的柔軟或易損傷薄膜，推薦使用 R50-EC（渦流技術(shù)）。

審核編輯：湯梓紅