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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需求,KLA Instruments™ Filmetrics® 事業(yè)部能夠提供先進(jìn)的薄膜電阻測量解決方案。
金屬薄膜的電阻測量主要包括兩種技術(shù):四探針法和渦流法。兩種測量技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì),適用于不同的應(yīng)用場景。
我們先來了解一下這兩種技術(shù)的測量原理。
什么是四探針測量技術(shù)?
四探針測量技術(shù)已經(jīng)存在了 100 多年,由于其操作簡單以及固有的準(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,同時(shí)測量另外兩個(gè)引腳之間的電壓。
標(biāo)準(zhǔn)的(左)和備用的(右)四探針測量原理圖。R50具有雙配置測量方法,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)測量配置 (上圖左)。而備用測量配置(上圖右)可作為 R50 雙配置測量方法的一部分,用于薄膜邊緣電流集聚或需要校正引腳間距變化的情況。此處展示的測量結(jié)果僅使用了標(biāo)準(zhǔn)測量配置。
什么是渦流測量技術(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。這些交變渦流反過來會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場,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)通過施加交變磁場,測量導(dǎo)電層中感應(yīng)的渦流。線圈中的交變驅(qū)動(dòng)電流會(huì)在線圈周圍產(chǎn)生交變初級(jí)磁場。當(dāng)探測線圈接近導(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)電阻測試儀問世以來,我們的電阻測試產(chǎn)品已經(jīng)革命性地改變了導(dǎo)電薄膜電阻和厚度的測量方式。
而R50方塊電阻測試儀則是KLA超過45年電阻測量技術(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)寫了KLA在產(chǎn)品創(chuàng)新能力和行業(yè)先鋒地位的歷史。
R50方塊電阻測量數(shù)據(jù)分析和可視化
無論是四探針法還是渦流法,方塊電阻 (Rs) 測量完成后, 用戶根據(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)特定晶圓的測繪數(shù)據(jù)繪制成單張分布圖來顯示兩者之間的差異。此功能可以用來評(píng)估蝕刻或拋光工藝前后的方塊電阻變化。
如何選擇適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)?
R50 分成2個(gè)型號(hào):R50-4PP 是接觸式四探針測量系統(tǒng) ;R50-EC是非接觸式渦流測量系統(tǒng)。
R50-4PP能測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)的測量。它只能測量厚度小于幾個(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)可測量的金屬薄膜的最大厚度實(shí)際上沒有限制。
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)
簡而言之,Filmetrics R50 系列可以測量大量金屬層。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量的柔軟或易損傷薄膜,推薦使用 R50-EC(渦流技術(shù))。
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