摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法
2023-06-06 19:16:11 1
專利名稱：摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法。
背景技術：
外延(Epitaxy，Epi)工藝是指在半導體襯底上生長一層與半導體襯底具有相同晶格排列的外延層。根據半導體襯底的材質和外延層的材質不同，外延工藝可以分為同質外延工藝和異質外延工藝。所述同質外延工藝形成的外延層的材質與半導體襯底的材質相同，例如在矽襯底上生長矽外延層，或在砷化鎵襯底上生長砷化鎵層；所述異質外延工藝形成的外延層的材質與半導體襯底的材質不同，例如在藍寶石襯底或砷化鎵上生長鎵鋁砷層，在矽襯底上生長的鍺矽層或鍺碳層。對於異質外延工藝而言，外延層的厚度和外延層中的摻雜雜質的濃度是衡量外延層的質量的重要指標。現有技術採用測試外延層中的雜質的濃度有兩種方法一種為直接利用二次級離子質譜儀(Second Ion Mass Spectrometry, SIMS)；另一種為利用橢圓偏振光測試儀(Spectroscopic ElIipsometry，SE)測試外延層中摻雜雜質的雜質濃度。由於所述二次級離子質譜儀需要將半導體襯底的結構破壞，成本較高，因此，現有技術多採用偏振光測試儀來測試外延層中的摻雜雜質濃度。但是，利用現有技術測試的外延層的摻雜雜質的濃度與真實的摻雜雜質的濃度存在偏差，無法獲得準確的外延層測試數據。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種摻雜外延層摻雜雜質濃度的監控方法，所述方法提高了摻雜外延層的摻雜雜質濃度監控的準確度。為解決上述問題，本發明提出了一種外延層摻雜雜質濃度的監控方法，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成外延結構，所述外延結構至少包括摻雜外延層；在所述外延結構上形成保護層；提供不同摻雜雜質濃度的標準外延層的折射率標準曲線和吸光率標準曲線，所述標準外延層的厚度與所述摻雜外延層的厚度相同；獲得所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線；將所述折射率曲線和吸光率曲線分別與所述折射率標準曲線和吸光率標準曲線比對，與所述折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標準曲線和吸光率標準曲線對應的摻雜雜質濃度作為所述摻雜外延層的摻雜雜質的濃度。可選地，所述保護層的材質為氧化矽、氮化矽、碳化矽、氮氧化矽。可選地，所述保護層的厚度範圍為5 50埃。可選地，形成所述保護層和形成所述外延結構的時間間隔不超過7小時。
可選地，所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線利用橢圓偏振儀測試獲得， 所述橢圓偏振儀提供不同波長的入射光線，測試所述不同波長的入射光線在所述摻雜外延層內的吸光率和折射率。可選地，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成摻雜外延層，所述摻雜外延層構成所述外延結構。可選地，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成摻雜外延層；在所述摻雜外延層上形成未摻雜外延層，所述摻雜外延層和未摻雜外延層構成所述外延結構。可選地，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成第一未摻雜外延層；在所述第一未摻雜外延層上形成摻雜外延層；在所述摻雜外延層上形成第二未摻雜外延層，所述第二未摻雜外延層、摻雜外延層和所述第一未摻雜外延層共同構成所述外延結構。可選地，所述摻雜外延層的折射率利用橢圓偏振儀測試。可選地，所述半導體襯底的材質為矽，所述摻雜外延層的材質為鍺矽。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明在半導體襯底上形成外延結構，所述外延結構至少包括摻雜外延層，在所述外延結構上形成保護層，在測試所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線時，來自潔淨室中的汙染物對保護層的折射率曲線和吸光率曲線有影響，即所述保護層保護了摻雜外延層，避免了所述汙染物對摻雜外延層的折射率曲線和吸光率的影響，從而獲得的所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線更加接近真實的折射率曲線和吸光率曲線，所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線與所述折射率標準曲線和吸光率標準曲線比對，獲得的摻雜外延層的摻雜雜質的濃度更加接近真實的摻雜濃度，從而提高了摻雜外延層的摻雜雜質濃度監控的準確度，從而有利於根據所述摻雜濃度對外延層沉積工藝的穩定性進行評估。
圖1是現有技術監控外延層的摻雜雜質濃度的半導體結構示意圖；圖2是所述橢圓偏振光測試儀中的折射率標準曲線示意圖；圖3是所述橢圓偏振光測試儀中的吸光率標準曲線示意圖；圖4是本發明的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法流程示意圖；圖5是本發明的摻雜外延層測試方法獲得摻雜外延層的折射率曲線圖；圖6是本發明的摻雜外延層測試方法獲得摻雜外延層的吸光率曲線圖。
具體實施例方式利用現有技術測試的外延層的摻雜雜質的濃度與真實的摻雜雜質的濃度存在偏差，無法獲得準確的外延層測試數據，影響了外延沉積工藝的正常進行。經過發明人研究發現，造成所述問題的原因是由於用於測試外延層的半導體結構受到來自潔淨室汙染物的汙染，影響了橢圓偏振光測試儀的測試結果。具體地，請參考圖1所示的現有技術的監控外延層的摻雜雜質濃度的半導體結構示意圖。半導體襯底100上形成有鍺矽層101，所述鍺矽層101上形成有矽層102。所述鍺矽層101為需要監控的外延層，需要對所述鍺矽層101中的鍺的濃度進行監控。現有技術在所述橢圓偏振光測試儀中預先存儲了一系列標準曲線，所述標準曲線為一系列同一厚度、不同摻雜濃度的外延層的折射率標準曲線和吸光率標準曲線。其中，每一折射率標準曲線通過測試同一厚度、同一摻雜濃度的標準外延層對不同波長的入射光線的折射率獲得，即每一條折射率標準曲線為所述標準外延層的折射率隨入射光線的波長變化的曲線。請參考圖2所示的現有技術的同一厚度、不同摻雜濃度的標準外延層的折射率標準曲線。所述標準外延層的材質為矽，其中的摻雜雜質為鍺。橫軸表示入射至外延層的入射光線的波長(單位為納米)，縱軸表示折射率(單位為1)，曲線1為外延層摻雜濃度為5%的折射率標準曲線，曲線2為外延層摻雜濃度為10%的折射率標準曲線，曲線3為外延層摻雜濃度為15%的折射率標準曲線。每一吸光率標準曲線是通過測試同一厚度、同一摻雜濃度的標準外延層對不同波長的入射光線下的吸光率獲得，即每一條吸光率曲線為所述標準外延層的吸光率隨入射光線的波長變化的曲線。如圖3所示的現有技術同一厚度、不同摻雜濃度的標準外延層的吸光率標準曲線。橫軸表示入射至外延層的入射光線的波長(單位為納米)，縱軸表示吸光率 (單位為1)，曲線1為外延層摻雜濃度為5%的折射率標準曲線，曲線2為外延層摻雜濃度為10%的折射率標準曲線，曲線3為外延層摻雜濃度為15%的折射率標準曲線。對於某一厚度、某一摻雜濃度的標準外延層，其具有折射率標準曲線和吸光率標準曲線。在測量時，將圖1所示的半導體結構放置於橢圓偏振光測試儀內，利用所述橢圓偏振光測試儀測試所述鍺矽層102的吸光率曲線和折射率曲線。獲得圖1所示的鍺矽層101的吸光率曲線和折射率曲線，將所述吸光率曲線和折射率曲線分別與對應的相同厚度的不同摻雜濃度的折射率標準曲線和吸光率標準曲線比對，如果所述鍺矽層101的吸光率曲線和折射率曲線與某一摻雜濃度的折射率標準曲線和吸光率標準曲線匹配(所述匹配是指兩條曲線的相似度達到90%以上)，則與該折射率標準曲線和吸光率標準曲線對應的摻雜濃度即為所述鍺矽層的摻雜濃度。由於在入射光線的波長小於300納米或大於500納米時，入射光線在鍺矽層101內的折射率和吸光率的測試結果容易受到光線波長變化的幹擾，從而影響測試結果的準確度。因此為了保證測量結果的準確度，現有技術在比對所述吸光率曲線和折射率曲線時，僅比對其中入射光線的波長為300 500納米時對應的部分折射率曲線和吸光率曲線。由於所述半導體結構製作完成後，在利用橢圓偏振光測試儀進行測試前，可能需要放置潔淨室中一段時間，從而可能受到潔淨室中的汙染物(例如是水蒸氣、有機物、無機物)的汙染，結果是在所述矽層102表面可能形成一層汙染物薄膜，所述汙染物薄膜對下方的外延層(即鍺矽層101)測試的折射率和吸光率有較大影響，從而使得所述橢圓偏振光測試儀對所述半導體結構測試時獲得的吸光率曲線和折射率曲線偏離該半導體結構的真實的吸光率曲線和折射率曲線，從而利用測試時獲得的吸光率曲線和折射率曲線與標準的吸光率曲線和折射率曲線比對獲得的外延層即鍺矽層101的摻雜雜質的濃度與該鍺矽層101的真實的摻雜雜質濃度有偏差，使得外延層摻雜雜質的濃度測試不準確。為了解決上述問題，本發明提出一種摻雜外延層的摻雜雜質濃度監控方法，請參考圖4所示的本發明的摻雜外延層的摻雜雜質濃度監控方法流程示意圖，所述方法包括步驟Si，提供半導體襯底；步驟S2，在所述半導體襯底上形成外延結構，所述外延結構至少包括摻雜外延層；步驟S3，在所述外延結構上形成保護層；步驟S4，提供不同摻雜雜質濃度的標準外延層的折射率標準曲線和吸光率標準曲線，所述標準外延層的厚度與所述摻雜外延層的厚度相同；獲得所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線；步驟S5，將所述折射率曲線和吸光率曲線分別與所述折射率標準曲線和吸光率標準曲線比對，與所述折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標準曲線和吸光率標準曲線對應的摻雜雜質濃度作為所述摻雜外延層的摻雜雜質的濃度。下面將結合具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明。首先，提供半導體襯底。所述半導體襯底的材質為矽。在其他的實施例中，所述半導體襯底的材質還可以為鍺。然後，在所述半導體襯底上形成外延結構，所述外延結構至少包括摻雜外延層。作為一個實施例，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成摻雜外延層，所述摻雜外延層構成所述外延結構。所述摻雜外延層的材質為鍺矽。需要對所述摻雜外延層即鍺矽中的鍺的濃度進行測試。作為本發明的又一實施例，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成摻雜外延層；在所述摻雜外延層上形成未摻雜外延層，所述摻雜外延層和未摻雜外延層構成所述外延結構。其中，所述摻雜外延層的材質為鍺矽。所述未摻雜外延層的材質為矽，所述未摻雜外延層的厚度範圍為5 50納米。作為本發明的再一實施例，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成第一未摻雜外延層，所述第一未摻雜外延層的材質為外延單晶矽，其厚度範圍為5 50納米；在所述第一未摻雜外延層上形成摻雜外延層；在所述摻雜外延層上形成第二未摻雜外延層，所述第二未摻雜外延層、摻雜外延層和所述第一未摻雜外延層共同構成所述外延結構，所述第二未摻雜外延層的材質為外延單晶矽，其厚度範圍為5 50納米。然後，在所述外延結構上形成保護層。所述保護層的材質為氧化矽、氮化矽、碳化矽或氮氧化矽。由於氮化矽或碳化矽可能會吸收潔淨室中的水蒸氣，從而可能影響測試結果，因此，在本發明的優選實施例中，所述保護層的材質為氧化矽或氮氧化矽。所述保護層的厚度不宜過大，所述厚度範圍為5 50埃。然後，提供不同摻雜雜質濃度的標準外延層的折射率標準曲線和吸光率標準曲線，所述標準外延層的厚度與所述摻雜外延層的厚度相同；獲得所述摻雜外延層的折射率頁
曲線和吸光率曲線。雖然本發明在所述外延結構形成了保護層，但是所述折射率標準曲線和吸光率標準曲線仍然可以用於測試所述外延結構的外延層的折射率，不會影響測試結果的準確性。作為一個實施例，所述標準外延層的折射率標準曲線和吸光率標準曲線的測試方法包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有標準外延層，所述標準外延層的厚度與所述摻雜外延層的厚度相同，所述標準外延層的摻雜雜質的濃度在 40%的濃度範圍內取值，例如所述摻雜雜質濃度分別為5^^10^^15%,...依次遞加5%，直至40%。在實際中，所述摻雜雜質濃度還可以選擇 40%內的其他值；針對每一摻雜雜質的濃度的標準外延層，利用橢圓偏振測試儀分別測試不同入射光線下所述標準外延層的反射率和吸光率，獲得所述標準外延層的每一摻雜雜質濃度對應的反射率標準曲線和吸光率標準曲線。接著，將所述折射率曲線和吸光率曲線分別與所述折射率標準曲線和吸光率標準曲線比對，與所述折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標準曲線和吸光率標準曲線對應的摻雜雜質濃度作為所述摻雜外延層的摻雜雜質的濃度。需要說明的是，本實施中，所述標準外延層的摻雜雜質濃度值在 40%之間遞增，在實際中，若工藝要求，需要獲得更低(低於1%)或更高(高於40%的摻雜雜質濃度，所述標準外延層的摻雜雜質濃度的範圍應進行相應的擴大。本發明所述的與所述折射率曲線和折射率曲線匹配，是指所述某一摻雜雜質濃度的摻雜外延層的折射率標準曲線與所述摻雜外延層的折射率吸光曲線匹配(兩條曲線的相似度超過90% )，某一摻雜雜質濃度的摻雜外延層的吸光率標準曲線與所述摻雜外延層的吸光率匹配(兩條曲線的相似度超過90%)。需要說明的是，本發明所述的與所述折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標準曲線和吸光率標準曲線對應於標準摻雜外延層的同一摻雜濃度。由於所述在外延結構上增加了保護層，來自於潔淨室中的汙染物對橢圓偏振測試儀的測試結果的影響被轉移至保護層，對所述保護層的測試結果產生影響而不會影響對所述摻雜外延層的測試結果，請參考圖5所示的本發明的摻雜外延層測試方法獲得摻雜外延層的折射率曲線圖，其中曲線A為保護層的折射率曲線，曲線B為摻雜外延層的折射率測試曲線，由於保護層A的曲線的折射率峰值與摻雜外延層的折射率峰值對應的入射光線的波長相差較大，因此，對應橢圓偏振測試儀而言，可以將兩條曲線區分，從而確定曲線B為摻雜外延層的折射率曲線。來自外部的汙染物由於位於所述保護層上，因此，保護層對應的曲線A會受到影響，但是對於曲線B仍然是準確的。請參考圖6所示的本發明的摻雜外延層測試方法獲得摻雜外延層的吸光率曲線圖，其中曲線C為保護層的吸光率曲線，曲線D為摻雜外延層的吸光率測試曲線，由於保護層C的曲線的吸光率峰值與摻雜外延層的吸光率峰值對應的入射光線的波長相差較大，因此，對應橢圓偏振測試儀而言，可以將兩條曲線區分，從而確定曲線D為摻雜外延層的吸光率曲線。來自外部的汙染物由於位於所述保護層上，因此，保護層對應的曲線C會受到影響，但是對於曲線D仍然是準確的。綜上，本發明通過在外延結構上形成保護層，利用保護層消除了來自潔淨室的水蒸氣、顆粒、有機物和無機物對摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線的影響，獲得的摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線更加接近真實的折射率曲線和吸光率曲線，從而消除了測量誤差，能夠獲得更加準確的摻雜外延層的摻雜雜質的濃度。 雖然本發明己以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成外延結構，所述外延結構至少包括摻雜外延層；在所述外延結構上形成保護層；提供不同摻雜雜質濃度的標準外延層的折射率標準曲線和吸光率標準曲線，所述標準外延層的厚度與所述摻雜外延層的厚度相同；獲得所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線；將所述折射率曲線和吸光率曲線分別與所述折射率標準曲線和吸光率標準曲線比對， 與所述折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標準曲線和吸光率標準曲線對應的摻雜雜質濃度作為所述摻雜外延層的摻雜雜質的濃度。
2.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述保護層的材質為氧化矽、氮化矽、碳化矽、氮氧化矽。
3.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述保護層的厚度範圍為5 50埃。
4.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，形成所述保護層和形成所述外延結構的時間間隔不超過7小時。
5.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線利用橢圓偏振儀測試儀獲得，所述橢圓偏振儀提供不同波長的入射光線，測試所述不同波長的入射光線在所述摻雜外延層內的吸光率和折射率。
6.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成摻雜外延層，所述摻雜外延層構成所述外延結構。
7.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成摻雜外延層；在所述摻雜外延層上形成未摻雜外延層，所述摻雜外延層和未摻雜外延層構成所述外延結構。
8.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述外延結構的製作方法包括在所述半導體襯底上形成第一未摻雜外延層；在所述第一未摻雜外延層上形成摻雜外延層；在所述摻雜外延層上形成第二未摻雜外延層，所述第二未摻雜外延層、摻雜外延層和所述第一未摻雜外延層共同構成所述外延結構。
9.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述摻雜外延層的折射率利用橢圓偏振儀測試。
10.如權利要求1所述的摻雜外延層的摻雜雜質濃度的監控方法，其特徵在於，所述半導體襯底的材質為矽，所述摻雜外延層的材質為鍺矽。
全文摘要
本發明提出了一種外延層摻雜雜質濃度的監控方法，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成外延結構，所述外延結構至少包括摻雜外延層；在所述外延結構上形成保護層；提供不同摻雜雜質濃度的標準外延層的折射率標準曲線和吸光率標準曲線，所述標準外延層的厚度與所述摻雜外延層的厚度相同；獲得所述摻雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線；將所述折射率曲線和吸光率曲線分別與所述折射率標準曲線和吸光率標準曲線比對，與所述折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標準曲線和吸光率標準曲線對應的摻雜雜質濃度作為所述摻雜外延層的摻雜雜質的濃度。本發明提高了外延層沉積工藝的穩定性。
文檔編號G01N21/41GK102479730SQ20101056509
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者何有豐, 胡亞蘭 申請人:中芯國際集成電路製造(北京)有限公司