半导体测试薄层厚度测量
半导体膜层质量评价标准
半导体膜层质量评价标准
半导体膜层质量评价标准主要包括以下几个方面：
表面粗糙度：表面粗糙度是表征半导体薄膜质量的重要参数之一，通常使用原子力显微镜（AFM）来测量。
较小的表面粗糙度意味着薄膜表面更平整，光学性能更好。
表面粗糙度的大小与薄膜生长过程中的控制条件密切相关，如生长温度、压力等。
晶体结构：晶体结构是表征半导体薄膜质量的重要参数之一，通常使用X射线衍射（XRD）来分析。
半导体薄膜的晶体结构对其电学、光学性能有重要影响，因此晶体结构的研究对于半导体薄膜生长工艺的优化具有重要意义。
成分变化：在正常生产过程中，生长的薄膜成分比例会和理论模型有所区别。
若成分变化过大会导致薄膜质量变差，通常采用均方根成分比例来表征成分变化。
电阻率：经过薄膜工艺环节后，薄膜的表面电阻值可以用来衡量缓冲层的薄膜质量与导电能力，是缓冲层重要的质量指标之一，通常使用四探针电阻测量仪测量薄膜的表面方块电阻来表征电阻率。
光学性能：光学性能是评价半导体膜层质量的重要指标之一，包括反射率、透过率、光谱特性等。
这些性能与膜层的材料、厚度、结构等因素有关，可以通过实验测量和理论计算来评估。
稳定性：半导体膜层的稳定性包括化学稳定性、热稳定性、环境稳定性等。
这些稳定性对于膜层的长期使用和可靠性具有重要影响，需要在评价膜层质量时进行考虑。
四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻
在半无穷大样品上的点电流源， 若样品的电阻率ρ均匀， 引入点电流源的探针其电流
强度为 I，则所产生的电力线具有球面的对称性， 即等位面为一系列以点电流为中心的半
球面，如图 2-1 所示。在以ｒ为半径的半球面上，电流密度ｊ的分布是均匀的：
j= I 2πr 2
（2-1）
若 E 为ｒ处的电场强度， 则
E = jρ = Iρ 2πr2
2
r12
1 r13
3
r34
4
r24
ss s
12
3
4
图 2-2 任意位置的四探针
图 2-3 直线型四探针
ρ = V23 2πS I
（2-9）
2-9 式就是常见的直流四探针 (等间距) 测量电阻率的公式， 也是本实验要用的测量公式之 一。需要指出的是： 这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度 及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距， 这样才能使该式具有足够的精确度。
包围。同样需要注意的是当片状样品不满足极薄样品的条件时，仍需按式(2.10)计算电阻
率P。其修正系数Bo列在表 2.3 中。
2. 扩散层的薄层电阻
半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，由于反向 pn 结的隔离作
用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深 Xj)远小于探针间距 S，而横
向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率为：
s d
d 2d
ρ = 2π s × V
B0
I
s d
B0
s d
0.1
1.0009
0.6
B0
s d
1.1512
1.2
B0 1.7329
0.2
四探针法测量薄层电阻方法对比
245略研究[J].中国水运(下月),2019,19(09):10-12,15.[3]彭宾,郭佩佩,黄家怿,等.无舵船舶航向自动控制系统研究[J].现代农业装备,2016(03):45-49，58.[4] Donghoon Kang,Vishwanath Nagarajan,Yoshiaki Gonno,etc. Installing single-propeller twin-rudder systemwith less asymmetric maneuvering motions[J].Ocean Enginee ring,2011,38(10):1184-1196.[5]李殿璞,王宗义,池海红.螺旋桨特性四象限Chebyshev 拟合式的建立与深潜艇直航全工况运动仿真的实现[J].系统仿真学报,2002(07):935-938，951.1 引言薄层电阻是指半导体膜或薄金属膜单位面积上的电阻，是用来标称厚度均匀的薄膜电阻的量度。
薄层电阻的电阻值作为一种重要工艺参数，在半导体器件和IC 生产中，其精确度显得尤为重要。
四探针法作为一种常用的测量半导体薄层电阻的方法，其测量理论成熟，测试精度较高。
四探针的原理最初被THOMSON 于1861年提出。
Valdes 在1954年最早将四探针法用作半导体电阻率的测试。
1979年由宿昌厚提出宿氏双电法测薄层电阻率。
1999年Petersen 通过提出一种制备微观四探针的方法，引领四探针技术进入微观领域。
2 薄层电阻测量原理以测试结构为划分依据，可将四探针技术测量薄层电阻方法划分为直线四探针、方形四探针、改进的四探针和范德堡法。
而直线四探针法根据四根探针的不同组合方式，又分为常规四探针法和双电法。
2.1 常规直线四探针常规直线四探针是目前测量薄层电阻最常用的方法之一，其原理简单、测量精度较高。
将四根间距相等的探针置于同一直线上，使探针与样品形成欧姆接触。
使用恒流源将电流施加于探针1、4间，将探针2、3间的电压差利用高输入阻抗的精确电压表测出。
半导体thk膜厚量测原理
半导体thk膜厚量测原理在半导体工业中，膜厚的测量是非常重要的一个工艺步骤。
因为许多半导体材料的性质与电学性能都与膜厚相关，所以掌握膜厚的真实值，对于提高半导体器件的品质和可靠性具有关键作用。
本文将介绍半导体thk膜厚量测的原理和方法。
1. 膜厚测量的重要性如今，半导体器件制造的趋势是将器件尺寸不断缩小，以便实现更高的IC密度和更有效的能源利用。
这就需要使用光刻等处理技术来制造器件结构。
但是，这些器件结构通常涉及到多层膜厚，而膜厚的误差将直接导致器件的电性能、光学性能和尺寸精度等的偏差。
因此，膜厚的精确控制和测量对于半导体制造技术的进步和实现有非常重要的作用。
另外，在半导体工业中，膜厚也是优化器件性能的关键因素之一。
例如，在设计和生产太阳能电池和LED器件时，膜厚是非常重要的参数。
在太阳能电池中，光敏材料的光捕获效率与膜厚密切相关；在LED器件中，发光强度和色温也与膜厚有关。
因此，测量器件中的膜厚并对其进行控制是生产高品质半导体器件的必要步骤。
2. 膜厚测量方法在半导体工业中常用的膜厚测量技术有多种，如质谱微秤、X射线衍射仪、椭偏仪、紫外可见分光光度计等。
这些技术各有其优缺点，选择适合的测量方法将取决于被测量的材料性质和膜厚范围。
在这些测量中，最通用和最简单的方法是使用椭偏仪。
椭偏仪使用偏振光源照射样品，利用样品对光的旋光现象来测量膜厚。
这种方法适用于介电质、半导体和金属等不透明材料的膜厚测量，在膜厚10nm-10μm范围内测量精度可达微米级别。
3. 椭偏测量原理椭偏仪利用Kerr效应或Faraday效应的原理来测量样品的旋光现象。
当线偏振光照射样品时，如果样品中存在旋光膜，则光的偏振方向将发生旋转。
椭偏仪可以监测和测量出这种光的偏振状态的变化。
因此，测量膜厚的关键是测量偏转的光线的角度。
为此，当样品被照射时，椭偏仪会将光束分成两束。
一束被二极管分光器分解为s偏振和p偏振光，另一束被留在同一路径中。
半导体测试设备有哪些
半导体测试设备有哪些
半导体测试设备
1、椭偏仪
测量透明、半透明薄膜厚度的主流方法，它采用偏振光源发射激光，当光在样本中发生反射时，会产生椭圆的偏振。
椭偏仪通过测量反射得到的椭圆偏振，并结合已知的输入值精确计算出薄膜的厚度，是一种非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术。
在晶圆加工中的注入、刻蚀和平坦化等一些需要实时测试的加工步骤内，椭偏仪可以直接被集成到工艺设备上，以此确定工艺中膜厚的加工终点。
2、四探针
测量不透明薄膜厚度。
由于不透明薄膜无法利用光学原理进行测量，因此会利用四探针仪器测量方块电阻，根据膜厚与方块电阻之间的关系间接测量膜厚。
方块电阻可以理解为硅片上正方形薄膜两端之间的电阻，它与薄。
半导体材料_实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 熟悉半导体材料的性质，掌握半导体材料的制备方法。
2. 学习使用四探针法测量半导体材料的电阻率和薄层电阻。
3. 掌握半导体材料霍尔系数和电导率的测量方法。
4. 了解太阳能电池的工作原理，并进行性能测试。
二、实验原理1. 半导体材料：半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导率，其电导率受温度、掺杂浓度等因素影响。
本实验所用的半导体材料为硅（Si）。
2. 四探针法：四探针法是一种测量半导体材料电阻率和薄层电阻的常用方法。
通过测量电流在半导体材料中流过时，电压的变化，可以得到材料的电阻率和薄层电阻。
3. 霍尔效应：霍尔效应是一种测量半导体材料霍尔系数和电导率的方法。
当半导体材料中存在磁场时，载流子在运动过程中会受到洛伦兹力的作用，导致载流子在垂直于电流和磁场的方向上产生横向电场，从而产生霍尔电压。
4. 太阳能电池：太阳能电池是一种将光能转化为电能的装置。
本实验所用的太阳能电池为硅太阳能电池，其工作原理是光生电子-空穴对在PN结处分离，产生电流。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：四探针测试仪、霍尔效应测试仪、太阳能电池测试仪、数字多用表、温度计等。
2. 实验材料：硅（Si）半导体材料、太阳能电池等。
四、实验步骤1. 四探针法测量半导体材料电阻率和薄层电阻（1）将硅半导体材料切割成合适尺寸的样品。
（2）将样品放置在四探针测试仪上，按照仪器操作步骤进行测量。
（3）记录实验数据，计算电阻率和薄层电阻。
2. 霍尔效应测量半导体材料霍尔系数和电导率（1）将硅半导体材料切割成合适尺寸的样品。
（2）将样品放置在霍尔效应测试仪上，按照仪器操作步骤进行测量。
（3）记录实验数据，计算霍尔系数和电导率。
3. 太阳能电池性能测试（1）将硅太阳能电池放置在太阳能电池测试仪上。
（2）按照仪器操作步骤进行测试，记录实验数据。
（3）计算太阳能电池的短路电流、开路电压、填充因子等参数。
五、实验结果与分析1. 四探针法测量半导体材料电阻率和薄层电阻根据实验数据，计算得到硅半导体材料的电阻率和薄层电阻分别为：ρ =0.3Ω·m，Rt = 0.1Ω。
四探针法测量电阻率和薄层电阻
V D W F F W ， 选 取 测 试 电 流 I ， 使 I S S
D W I F F S S
然后在仪器上调节 W1 和 W2， 使测试电流显示值为 “□ W ABCD ，
ABCD” 。当选取不同的电流量程时，测试电流显示值与实际电流值的关系如表 3。 按以上方法调节电流后，按 K6 键选择“ R / ” ，按 K5 键选择“ ” ，这时仪器所 显示的数值即为样品电阻率的测试结果（ cm ） 。
值得注意的是它与正方形边长的大小无关，所以取名为方块电阻。 实际上无限薄层是不存在的，但只要薄层的厚度 d <<S / 2 时，可视为无限薄层。 如，在半导体器件制造中，其扩散层的厚度只有数微米（ m ）或更小，一般薄膜材料 的厚度也在几微米以下，多为纳米（ nm ）量级，而探针间距S一般为1mm 左右，所以 无限薄层的条件是能够满足的。 如果薄层的表面不能视为无穷大，就要对（15）式进行修正。此时薄层方块电阻 的公式变为
V D W F F I S S
W
（17）
其中，D 为样品直径，单位：cm； S 为探针间距，单位：cm； W 为样品厚度，单位：cm； F（D/S）为样品直径修正系数，由附表Ⅰ查出； F（W/S）为样品厚度修正系数，由附表Ⅱ查出； I 为 1、4 探针流过的电流值，单位：mA； V 为 2、3 探针间的电压值，单位：mV. （2）薄层方块电阻 R ( / ) ：
（5）
（6）
V23 V2 V3
所以，样品的电阻率为：
I 1 1 1 1 ( ) 2 r12 r24 r13 r34
（7）
2 V23 1 1 1 1 ( ) 1 I r12 r24 r13 r34
实验一 四探针法测试半导体的电阻率
实验一 四探针法测试半导体的电阻率实验项目性质： 普通实验 所涉及课程：半导体物理 计划学时：2学时 一、 实验目的1．掌握方块电阻的概念和意义； 2．掌握四探针法测量方块电阻的原理； 3．学会操作四探针测试仪。
二、 实验原理 1．方块电阻对任意一块均匀的薄层半导体，厚W ，宽h ，长L 。
如果电流沿着垂直于宽和厚的方向，则电阻为hW LR ⋅=ρ，当h L =时，表面成方块，它的电阻称为方块电阻，记为WR 1ρ=口，单位为Ω□ （1）式中的方块电阻口R 与电阻层厚度h 和电阻率ρ有关，但与方块大小无关，这样得到hLR R 口= （2） 对于一扩散层，结深为j x ，宽h ，长L ，则jx h LR ⋅=ρ。
定义L ＝h 时，为扩散层的方块电阻，1jjR x x ρσ==□ (3) 这里的ρ、σ均为平均电阻率和平均电导率。
若原衬底的杂质浓度为()B N x ，扩散层杂质浓度分布为()N x ，则有效杂质浓度分布为()()()eff B N x N x N x =-。
在j x x =处，()eff N x 0=。
又假定杂质全部电离，则载流子浓度也是()eff N x 。
则扩散层的电导率分布为1()()()eff x N x q x σμρ==，对结深的方向进行积分求平均，可得到 011()()jjx x eff jjx dx N x q dx x x σσμ==⎰⎰。
（4）若μ为常数，由（3）式，有01()jx eff R q N x dxμ=⎰□。
其中0()jx eff N x dx ⎰表示扩散层的有效杂质总量。
当衬底的原有杂质浓度很低时，有()()eff N x N x ≈，则()()jjx x eff N x dx N x dx Q ==⎰⎰（单位面积的扩散杂志总量）因此有1R q Qμ≈□。
2．四探针法测扩散层的方块电阻将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测样品表面上，在1、4探针间通过电流I （mA ），2、3探针间就产生一定的电压V(mV)。
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薄层厚度测量
一、引言
多数半导体器件和集成电路的主体结构，由各种形 状和尺寸的薄层构成。这些薄层主要有:
? 二氧化硅 SiO2 ? 氮化硅SiNx ? 掺杂扩散层 /离子注入层 ? Si外延层 ? 金属膜(Al、Cu等）/多晶硅膜
这些薄层很薄，一般在μm 范围内。
二氧化硅SiO2 、氮化硅SiNx的用途
图4.3 白光入射下的干涉条纹
2、单色光测量
干涉显微镜
黑白相间条纹
第1个明条纹对应的厚度：t1=λ0/2n (n是薄膜折射率） 第2个明条纹对应的厚度：t2=2λ0/2n ……
第N个明条纹对应的厚度：tN=Nλ0/2n （薄膜总厚度）
2、膜厚仪
基于干涉原理，可自动实现膜厚测试。
膜厚测量仪主要包括：宽带光源、高性能线阵 CCD光谱仪、传
光学显微镜 或台阶仪
金属
金属
二氧化硅层
衬底
台阶仪/探针轮廓仪 可测X-Y-Z三维方向的轮廓
轮廓仪的结构示意图
台阶仪/轮廓仪是通过仪器的触针与被测表面的滑移进行测量的，是 接触测量。其主要优点是可以直接测量某些难以测量到的零件表面，如 孔、槽等的表面粗糙度，又能直接按某种评定标准读数或是描绘出表面 轮廓曲线的形状，且测量速度快、结果可靠、操作方便。但是被测表面 容易被触针划伤，为此应在保证可靠接触的前提下尽量减少测量压力。
（后页待续）
7、普通干涉法与椭偏法在测量方法上，有哪些相同点？有哪些 不同点？为什么椭偏法的测量精度更高？ 8、如何利用扩展电阻分布法测量外延层厚度？画出示意图说明。 9、利用扩展电阻分布法可以获得 pn结哪些性能参数？这些参数 分别有什么参考意义？
输光纤、样品测试台及测量分析软件。
（三）椭偏仪测量法
1、方法简介
它应用极化光测量高吸收衬底上的介电薄膜，如硅衬 底上的二氧化硅层；能同时准确确定出薄层材料的折射率 和厚度，测量精度比干涉法高一个数量级以上，是目前已 有的厚度测量方法中最精确的方法之一。
2、非极化光与极化光
光是一种电磁波，电磁波是横波，振动方向和光波前进 方向垂直。通常，光源发出的光波，其光波矢量的振动在垂 直于光的传播方向上作无规则取向，即光矢量具有轴对称性、 均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光就称为非极化光 或者自然光。
电动轮廓仪按传感器的工作原理分为电感式、感应式以及压电式多 种。仪器由传感器、驱动箱、电器箱等三个基本部件组成。
传感器的触针由金刚石制成，针尖圆弧半径为2微米，在触针的后端 镶有导块，形成一条相对于工件表面宏观起伏的测量的基准，使触针的 位移仅相对于传感器壳体上下运动，所以导块能起到消除宏观几何形状 误差和减小纹波度对表面粗糙度测量结果的影响。传感器以铰链形式和 驱动箱连接，能自由下落，从而保证导块始终与被测表面接触。
非极化光/自然光
? 偏振光的应用
1、汽车车灯
2、观看立体电影 3、生物的生理机能
蜜蜂
4、LCD液晶屏
在光线通过镀膜的通路中，光束平面的角度已经发生了旋 转。而光束所在平面旋转的角度大小取决于膜厚和晶圆表面的 折射系数。
利用相位补偿方法可以测出
（4.4） （4.5）
图4.13、图4.14
? 1/4波片：将线偏振光变换成椭圆偏振光 ? 起偏器的作用：在一定的起偏角下，椭圆偏振光经过样 品后能够变成线偏振光。 ? 检偏器的作用：将样品出射的线偏振光进行消光，从反 方向上对消线偏振光的能量，使得最终出射光为零。
1、对应二氧化硅、外延层/扩散层、导电薄膜等不同种类的薄层， 分 别有哪些厚度测量方法？试画表归纳。 2、在上述这些方法中，哪些是接触式测量，哪些是非接触测量？ 3、在上述这些方法中，哪些是无损测量，哪些是破坏性测量？ 4、膜厚仪是利用什么原理测量薄膜厚度的？它可以测试的薄膜有哪些 种类？ 5、现利用干涉条纹法测量二氧化硅薄层厚度，采用λ=0.53μm的绿光 作为光源，测得有干涉亮条纹4条，已知二氧化硅折射率为1.53，则二 氧化硅层厚度多少？写出测量公式，并计算出结果。 6、根据图4.12，简述椭偏仪测量薄膜厚度的方法与过程。
传感器的触针尖端表面与被测表面接触，当传感器以匀速水平移动时 ，被测表面的峰谷使探针产生上下位移，使敏感元件的电感发生变化， 从而引起交流载波波形发生变化。此变化经由电器箱中放大、滤波、检 波、积分运算等部分处理以后，可以直接由仪器电器箱的读数表上指示 出来，也可以传递到计算机上进行处理。
本章作业
θ'
图4.7 红外光通过薄层时的反射和折射 连续改变红外光的波长可测出周期变 化的反射光的干涉强度。
（三）扩展电阻分布测量法
过渡区 外延层
外延层厚度
衬底
三、导电薄膜厚度测量
1、磨角干涉法
2、阶梯腐蚀＋台阶测量
Al可以首先采用特 定的腐蚀剂（如光刻胶） 将金属薄膜的一个区域 腐蚀掉，得到台阶。那 么利用光学显微镜的深 度测量（景深）或台阶 仪就可以测得金属薄膜 的厚度。
具有绝缘、抗腐蚀性强、易于制备等特点， 常在半导体器件制造中用作 掺杂阻挡层、表面 绝缘层、表面钝化层、绝缘介质 等，是硅器件 制造中最为广泛应用的一种膜层。
?一些晶体管的 平面制作工艺 。
双极晶体管
MOS晶体管
二、薄膜厚度测量的主要方法
（一）比色法
白光
薄膜上下表面的两束 反射光产生干涉
图4.1
二、外延层厚度、扩散层和离子注入层 深度的测量
（一）磨角染色法
（二）红外光反射法
? 对于Si外延层/掺杂层的厚度测量，红外线（ 2.5～50μm ) 不 仅能透过外延层，而且能在杂质浓度突变的外延层 -衬底界面上发 生反射 。这一反射与空气-外延层界面反射的红外线之间存在着光程差
和相位变化，因而形成干涉。
4、椭偏仪的测量过程与方法
探测器 透镜 检偏器 样品
? 波片 起偏器 激光器
角度编 码器探
样品台 旋转底座
角度编 码器探
全波长椭偏仪
波长范围：350~850 nm
应用
太阳能电池: 减反膜工艺 TFT-LCD: SiOx,SiNx,a-Si:H, N+a-Si, Al2O3 SiO2 Si3N4
图4.2 颜色与厚度的对应关系
760nm
380nm
红橙黄绿 蓝 靛 紫Байду номын сангаас
? 当镀膜变得越来越厚时，晶 圆的颜色就会按照一个特定顺 序变化，并且不断重复。我们 把每一个颜色的重复称为一个 顺序(0rder)。
（二）干涉条纹法
1、在白光下观察
彩色条纹
? 测量方法： 根据彩色条纹的颜 色变化规律，查表 求得薄膜厚度