基于KLA 探针式轮廓仪的薄膜应力测量(HRP® 系列和 Tencor® P 系列轮廓仪)

来源：米乐m6网页    发布时间：2024-12-12 22:51:55

  随着器件尺寸不断缩小，表面翘曲度可能引发一些问题进而影响器件的正常功能。在半导体中，薄膜应力对半导体能带隙偏移、超导转变温度和磁各向异性等电子特性有直接影响。

  在器件制作的完整过程中，监控因薄膜沉积而产生的应力至关重要。在薄膜层面，应力通常会影响薄膜的附着力并产生晶格缺陷和表面再构，从而限制厚层薄膜的生长。在器件层面，应力的形成很少会直接引发良率下降，而是会缩短产品常规使用的寿命。常规使用的寿命缩短会导致每年在产品服务和保修方面花费数百万美元，这是一个重大问题。

  结合成熟的应力计算理论模型与 KLA 探针式轮廓仪的精密测量，我们大家可以进行独立于材料与表面特性的精确薄膜应力测。

  最小二乘拟合算法中剔除了所收集数据中前 5% 和后 5% 的数据。其余数据被分为三个长度为 0.3L 的数据段，其中 L 为扫描长度。通过计算第 1~13 ，2~14直至N-12~N个点的局部曲率（其中 N 为数据段中数据点的总数），可确定局部的曲率半径。每个数据段的平均曲率是局部曲率的均值。

  对于精确应力测量，使用针对应力配置的通用载台或应力载台很重要。应力载台具有三个用于支撑样品的支撑销钉以及两个或三个用于辅助定位晶圆的定位销（有缺口的晶圆使用两个定位销，有平边的晶圆使用三个定位销）。必须要格外注意的是，支撑销钉和定位销的位置应该要依据样品大小做调整。支撑销钉将样品保持在适中位置，通过均匀分布样品重量，防止 (a) 载台形状和 (b) 重力对晶圆形状产生一定的影响。定位销确保样品被放置于一个可复现的位置，来提升准确性、重复性和安全性。图 1 显示了用于 8 英寸（200 毫米）晶圆的应力定位载台。

  轮廓仪使用金刚石探针接触样品以收集形貌数据，沉积前后的数据收集采用相同的测试配方，以确保收集的数据具有相同的材料特性和数据分辨率。样品本征特性对某些光学分析技术而言可能是个问题，而探针式轮廓仪的直接测量技术能测量任何样品，不受样品特性的影响。应力测试配方的建立优化了数据采集，其关键参数包括扫描长度、探针施力、扫描速率、采样率和纵向量程。在应力测试配方中，用户还可以再一次进行选择计算应力所用的算法工具。多项式拟合算法提供了最佳测量性，但也能够正常的使用 13 点最小二乘拟合法来增强与先前应力测量技术的匹配度。

  ：用于应力测量的通用载台上的 200 毫米晶片。载台外围能够正常的看到两个定位销，晶圆放置于三个支撑销钉（图中未显示）的顶部。

  应力分辨率取决于三个参数：轮廓仪的纵向范围、衬底的弹性特性及衬底和薄膜的厚度。对于 Tencor P 系列，针尖纵向范围取决于使用的扫描头（范围为 6.5μm-1000μm）。而 HRP 的纵向在 3.25μm 与 327μm 之间可变。无论选择哪个范围，垂直分辨率都是亚埃级。衬底的双轴弹性模量因所用衬底而异。通常该值在 1 x 1011Pa 与 5 x 1011Pa 之间变化。最后，薄膜和衬底厚度对于确定应力分辨率来说很重要。衬底厚度的典型值约为数百微米，而薄膜厚度通常在 100Å 与 2μm 之间，当然也可能有更厚的薄膜。下表列出了可以测得的应力值示例。

  HRP 系列和 Tencor P 系列轮廓仪可提供有效的薄膜应力监控和测量方法。由于过高应力有几率会使半导体器件失灵，因此应力监控至关重要。轮廓仪使用接触式量测方法，让探针针尖持续接触样品表明上进行扫描，无需拼接即可进行大范围扫描，可确保数据准确性和重复性。这种直接测量不受样品材料和光学特性的影响，得到的结果具有亚埃级的垂直分辨率。应力配方中配有两种不同算法来分析数据：13 点最小二乘拟合和高阶多项式拟合。依据薄膜沉积前后曲率半径的变化，使用 Stoney 方程式提供准确、可重复的薄膜应力测量结果。