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半導體器件變得越來越薄、越來越復雜，使得薄膜沉積更加難以測量和控制。隨著 3nm 節點器件投入生產，2nm 節點加速向首次硅片投產，隨著晶圓廠尋求保持尖端器件的性能和可靠性，精確薄膜測量的重要性日益凸顯。

無論是存儲設備的讀寫速度，還是邏輯芯片的計算速度，測量薄膜厚度都比以前更具挑戰性，因為不同材料的多層堆疊已成為常態，而且越來越多的薄膜必須得到非常精確的控制。這需要更多的計量步驟和更高的采樣率，以確保晶圓間的一致性。

因此，各公司正在為不同的任務選擇不同的工具，或者將多種技術組合到一種工具中，以滿足下一代工藝的精度和穩定性需求。他們正在探索哪些工具適用于高 k 金屬柵極堆棧、硅光子學、硅通孔 (TSV) 和重新分布層，這些只是半導體制造中的一些關鍵層。除了確定厚度外，許多技術還可以測量其他關鍵參數，例如薄膜成分（SiGe 中的 Ge%）、折射率、晶粒尺寸或薄膜應力。

多層堆棧中的一些最小尺寸出現在晶體管級。隨著 finFET 和納米片 FET 等 3D 晶體管的出現，垂直方向的臨界尺寸 (CD) 的重要性不斷增加，使得薄膜厚度控制比過去更加重要。一般來說，工藝必須在目標值 10% 范圍內變化的窗口內運行。在 20nm 特征的世界中，這需要一種能夠測量 10% 變化或 1% 目標值的工具。這相當于 0.2nm，這本質上是原子級測量和控制。

圖 1：晶體管級薄膜堆棧包含多個薄膜

聚焦關鍵薄膜

半導體制造，特別是涉及先進的片上系統設備時，可能涉及 1,000 多個工藝步驟，包括光刻圖案化、沉積、蝕刻、CMP、電鍍等。薄膜沉積后，通常會進行在線監控以用于工藝控制，通常使用可提供高吞吐量的光學系統。但并非設備中的所有薄膜都被視為“關鍵”。例如，非關鍵或公共層包括厚氧化物和氮化物電介質、光刻膠和后端層（如金屬間電介質）。關鍵層包括 Si/SiGe 異質結構、高 k/金屬柵極堆棧和金屬觸點。GaN 和 SiC 薄膜在功率器件中至關重要。而硅光子薄膜必須滿足極其嚴格的折射率規格，即光路被該材料彎曲或折射的程度。

晶圓廠通常用于測量和控制薄膜厚度的測量系統包括：

• 光譜橢圓偏振法：以斜角指向晶圓，可同時測量多層薄膜的厚度和光學特性（折射率和消光系數）。

• 反射測量法：垂直指向晶圓，測量從薄膜表面反射的光的強度或相位，以確定厚度、密度或粗糙度。

• 光譜橢圓偏振法和光譜反射法：這是最流行的薄膜測量方法，因為它可以獨立確定多層薄膜堆棧中每一層的厚度。

• 干涉測量法：干涉儀將光分成兩束，讓它們沿著不同的路徑傳播，然后重新組合以產生干涉圖案。該圖案表示薄膜厚度、表面不規則性和折射率變化。

• X 射線測量：XRD（衍射）測量外延厚度和成分，而 XRR（反射法）測量厚度和粗糙度，XRF（熒光）測量金屬層厚度。這適用于厚度不超過 100nm 的薄膜。

• 原子力顯微鏡 (AFM)：這是一種速度較慢的方法，特別適用于捕捉表面粗糙度和測量納米級特征。它也用于地面真實（實際）尺寸測量。

• 橫截面 TEM：使用穿過設備薄片（薄片厚度 <100nm）的高能電子束來揭示原子級尺寸。

晶體管制造

“最關鍵的薄膜層是所謂的高k/金屬柵極 (HKMG) 薄膜堆棧，它由多層超薄介電層和功函數金屬薄膜組成。HKMG 堆棧中的薄膜厚度是決定晶體管速度、功耗和可靠性的關鍵因素之一。”

由于HKMG疊層非常薄，除了厚度控制之外，還必須非常精確地控制層間相互作用，以保持較低的漏電流和較高的柵極電容，并確保器件的可靠性。“同樣重要的是粗糙度——尤其是那些環繞柵極疊層的界面粗糙度，我們可以使用X射線反射率來揭示這一點，”“這些生長的硅和硅鍺層非常薄，厚度約為2埃，可以進行相當精確的測量。”

“高k/金屬柵極薄膜堆疊極其復雜，如果沒有大量光譜，很難區分不同層的厚度。結合多種光學技術，例如光譜反射法 (SR) 和光譜橢偏法 (SE)，其優勢在于，它使我們能夠獲得更多信息，從而獨立確定多層薄膜堆疊中每一層的厚度。”

在射頻器件中，薄膜的結晶度對器件性能有著重要的影響。“XRD可以用來推導晶體尺寸，甚至可以推導薄膜中的應力，”范德米爾說道。“但對于體聲波（BAW）和聲表面波（SAW）濾波器來說，重要的測量指標是表面本身的結晶度。”

https://semiengineering.com/why-thin-film-measurements-matter/

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