文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講述芯片制造中的半導體測量：摻雜濃度及圖形測量。

芯片制造

本文對半導體測量：摻雜濃度及圖形測量進行講解，分述如下：

摻雜濃度測量方法

圖形測量及檢查

摻雜濃度測量方法

一、熱波系統

熱波系統通過激光誘導熱效應與晶格缺陷的關聯性實現摻雜濃度評估。其核心機制為：氬泵浦激光經雙面鏡聚焦于晶圓表面，通過光熱效應產生周期性熱波，導致局部晶格缺陷密度變化。

氦氖激光束經相同光路反射后，其反射系數變化量與缺陷點數量呈正比關系。該方法突破傳統技術對晶圓圖形化的限制，可同時適用于無圖形晶圓與有圖形晶圓的摻雜濃度檢測。通過建立缺陷密度與摻雜濃度的定量關系模型，可有效表征離子注入工藝的均勻性及摻雜劑活化效率，尤其適用于快速工藝監控場景。

二、電容-電壓法測硅外延層縱向雜質分布

電容-電壓法針對薄層高阻外延材料實現高精度縱向雜質分布表征。

該方法構建于肖特基接觸的電容-電壓特性分析：通過制備金屬-半導體單邊突變結，利用勢壘電容與耗盡層寬度的物理關聯，建立摻雜濃度分布解析模型。

其關鍵結論包含：

摻雜濃度與微分電容特性直接相關，通過測量不同偏壓下的電容值C及微分電容-電壓斜率，可由公式直接計算摻雜濃度。

耗盡層寬度與電容呈反比關系，由公式

XD=Cεrε0

確定，通過變偏壓掃描可獲得摻雜濃度隨深度變化的連續分布曲線。

該方法突破三探針法的測量極限，適用于亞微米級薄外延層及高電阻率材料，其縱向分辨率可達納米量級，為外延生長工藝優化提供關鍵參數支撐。

圖形測量及檢查

一、表面缺陷檢測

無圖形晶圓檢測

核心手段：光學顯微鏡與光散射缺陷檢測儀組合應用

工藝監控指標：采用"單片晶圓單工藝步顆粒增量（Particles Per Wafer Per Pass）"評估設備潔凈度。

檢測能力：可實現粒徑0.1μm以下顆粒的分類統計及空間分布映射，為工藝設備清潔度管理提供量化依據。

有圖形晶圓檢測

光學檢測原理：基于激光掃描引發的光散射效應，通過探測反射/散射光強差異識別缺陷。

關鍵設備特性：掃描式共焦顯微鏡通過點光源逐點掃描成像，有效抑制焦外噪聲，實現納米級表面形貌解析。

檢測信息維度：可同步獲取顆粒尺寸、形貌特征及表面粗糙度參數。

二、關鍵尺寸（CD）測量

光學顯微鏡適用范圍：適用于0.5μm以上特征尺寸的初代集成電路制造

掃描電鏡（SEM）技術優勢

分辨率突破：電子束德布羅意波長（λ≈h/√(2meV)）遠小于可見光波長，實現亞納米級測量精度。

檢測模式：低能電子束（<2keV）實現非破壞性在線檢測，高能模式（100-200keV）支持深層結構成像。

CD-SEM核心參數

束斑直徑：2-6nm可調，匹配先進工藝節點需求。

真空環境：工作腔體維持10??Torr量級真空度，確保電子束傳輸穩定性。

三、臺階覆蓋性評估

形貌表征方法

共形覆蓋標準：側壁傾角與膜厚均勻性滿足工藝設計規則。

失效判據：非共形覆蓋產生的空洞缺陷可通過表面形貌儀檢測，該設備具備微壓力接觸式掃描能力。

檢測系統特性

非破壞性檢測：電磁力傳感技術實現納米級垂直分辨率。

動態范圍：覆蓋從原子級平整度到微米級臺階高度的形貌測量。

四、套刻精度（Overlay）控制

圖形對準判據

理想對準條件：X/Y方向標記偏移量（ΔX,ΔY）同時趨近于零。

失效模式：單向或雙向偏移超出工藝容差（通常為特征尺寸的1/3）。

檢測圖例分析

套準偏差表征：通過專用標記圖形的相對位移量化對準精度。

工藝窗口關聯：套刻誤差直接影響多層布線層間電學連接可靠性。

五、電容-電壓（C-V）測試法

器件模型解析

等效電路構成：柵氧化層電容與半導體空間電荷區電容的串聯組合。

閾值電壓效應：強反型區呈現雙電容串聯特性，積累區表現為純柵氧化層電容。

測試流程與診斷能力

核心測試序列：

初始C-V掃描（負壓→正壓）：提取氧化層厚度、襯底摻雜濃度。

高溫偏壓處理（200-300℃）：驅動可動離子至界面態。

后處理C-V掃描：計算平帶電壓偏移量，量化氧化層缺陷密度。

工藝監控指標：通過平帶電壓變化評估柵介質質量。

六、接觸角測量技術

表面特性表征

物理意義：接觸角θ反映液體（如去離子水）在晶圓表面的潤濕行為。

關鍵參數關聯

θ<90°：表征親水性表面，與表面清潔度正相關。

θ>90°：表征疏水性表面，可能指示有機物污染。

工藝控制應用

清潔度監測：接觸角突變（Δθ>5°）預警表面沾污。

界面特性評估：與XPS等表面分析手段互補，建立潤濕性-化學態對應關系。