CN101034676B - 用以检测在半导体制程中的电荷效应的方法 - Google Patents

用以检测在半导体制程中的电荷效应的方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体制程测试结构，其包括栅极、电荷陷获层、以及扩散区域。此测试结构为类电容结构，其中此电荷陷获层会在不同制程步骤中陷获电荷。电荷泵电流可用以检测在不同制程步骤中所产生的充电效应。

Description

用以检测在半导体制程中的电荷效应的方法
技术领域
本发明一般涉及测试与分析用以制造集成电路元件的制程，并尤其涉及用以测量并监控半导体元件的充电效应(charging effect)的方法。
背景技术
大型集成电路的制造会牵涉到数百个分离的制程步骤。这些步骤典型地分为二个子步骤。这些子步骤的第一个通常称为前段制程(FEOL)，其间半导体元件形成于硅晶圆中。第二个子步骤通常称为后段制程(BEOL)，其间各种金属互连接层以及接触形成于在前段制程子步骤中所形成的半导体元件上。
前段和后段制程中包括有许多的子制程步骤，会牵涉到材料的沉积、以平板印刷蚀刻技术图案化各层、并接着将所沉积材料中不需要的部分蚀刻。所沉积的材料主要由绝缘体以及金属合金所构成。在某些例子中，此图案层做为暂时保护体，而在其他时候则做为所形成集成电路的功能元件。
无线射频(RF)等离子体通常用于许多制程步骤中，尤其是在包括后段制程子步骤的制程步骤中。举例而言，RF等离子体使用于反应性离子蚀刻(RIE)中，此制程则用以蚀刻上述各材料层。反应性离子蚀刻提供了为了达成高精准度定义图案时、以及精确控制尺寸时所需要的各向异性蚀刻。在RIE中，气相化学蚀刻由RF等离子体所提供的单向离子轰炸而达成。用于上述平板印刷蚀刻图案化步骤中的光阻层，亦通常利用等离子体灰化而移除。
不幸地，多次暴露至RF等离子体以及其他类型的离子射线后，会导致辐射伤害以及元件中累积电荷，进而影响半导体元件以及欲形成的集成电路芯片的特性以及临界电压的分布。
随着半导体晶圆暴露至连续的制程步骤后，伤害或潜在伤害会增加。因此，许多努力投注于评估在各半导体制程步骤中所形成的伤害。举例而言，经常用以测试伤害程度的方法是制造测试晶圆或测试芯片，其中包括有特别设计而可测量(或允许测量)由各制程步骤所造成的伤害的结构。
典型的测试结构形成于半导体芯片内特别设计的测试位置中。或者，整片晶圆可被用来专门提供复数个测试结构，以监控制程。因此，此测试结构经过完整制程，而导致可以被测量的电荷累积。一种经常用以测量电荷状态的方法，使用电容-电压(CV)技术或浮动栅极测试。然而此等公知技术通常在半导体业中无法获得令人满意的结果，因为敏感度低、测试芯片成本高昂、或与测试相关的数据产生时的延迟时间较长。
举例而言，公知的CV方法仅可用在具有均匀充电效应的制程。简而言之，对于该些电荷会在栅极结构边缘累积的制程，公知的CV方法将受到由被陷获电荷所致的电容改变不足所苦。此不足的电容改变将使公知CV方法不能用以监控充电状态。
发明内容
一种半导体制程测试结构，其包括栅极、电荷陷获层、以及扩散区域。此测试结构为一类电容结构，其中电荷陷获层会在不同制程步骤中陷获电荷。
在本发明的一个目的中，电荷泵电流可用以检测在不同制程步骤中的充电效应。
根据本发明的一方面，提供一种用以检测电荷状态的方法，包括形成测试结构于硅衬底上，该测试结构包括：衬底；形成于该衬底中的扩散区域；位于该衬底与该扩散区域上的栅极；以及位于该栅极与该衬底及该扩散区域间的电荷陷获层，该电荷陷获层配置为以累积在半导体制程步骤中所分离的电荷；进行半导体制程步骤；以及在该半导体制程步骤之前与之后测量该测试结构的电荷泵电流，其中该电荷陷获层包括夹置于顶氧化物层与底氧化物层之间的氮化物层，并且当所施加至该栅极的偏压脉冲大于反转电平时，该电荷被陷获至介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层；当所施加至该栅极的偏压脉冲低于反转电平时，电荷从介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层释放。
根据本发明的另一方面，提供一种用以监控半导体制程步骤的测试结构，包括：衬底；形成于该衬底中的扩散区域；位于该衬底与该扩散区域上的栅极；以及介于该栅极与该衬底及该扩散区域之间的电荷陷获层，该电荷陷获层配置为用以累积在半导体制程步骤中所分离的电荷，其中该电荷陷获层包括夹置于顶氧化物层与底氧化物层之间的氮化物层，并且当所施加至该栅极的偏压脉冲大于反转电平时，该电荷被陷获至介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层；当所施加至该栅极的偏压脉冲低于反转电平时，电荷从介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层释放。
以下详细说明本发明的结构与方法。本发明内容说明章节目的并非在于定义本发明。本发明由权利要求书所定义。凡本发明的实施例、特征、目的及优点等将可透过下列说明、权利要求书及附图获得充分了解。
附图说明
图1根据本发明的实施例，示出用以在半导体晶圆制程中检测电荷效应的例示检测结构；
图2示出图1中的测试结构的顶视图；
图3A示出图1的测试结构的简易示意图；
图3B示出可施加至图1测试结构的栅极的偏压脉冲；
图3C示出如图3B中而施加偏压脉冲至图1测试结构后所产生的电荷泵电流；
图4示出特定测试元件结构的电荷泵电流偏移；以及
图5示出另一例示测试元件结构的电荷泵电流偏移。
主要元件符号说明
100            测试元件结构
102            硅衬底
104            漏极区域
106            陷获层
108            场氧化层
110            多晶硅层
112            硅化钴层
116            氧化物侧壁隔离
118            源极区域
120，124       氧化物层
122            氮化物层
126            ICP电流曲线
402            测试元件图案
404，406       ICP电流曲线
502            椭圆形测试元件结构
504，506       ICP电流曲线
具体实施方式
本发明的系统与方法涉及使用简易类电容测试结构以检测在半导体制程中所产生的充电效应的方法。此结构可用以降低测试晶圆的成本、并缩短用以产生测试数据的延迟时间，此测试数据可以用来更改半导体制程的条件以减少在制程步骤中由电荷累积所造成的损害。
充电效应为上述制程步骤中所陷获的电荷所造成的结果。此充电效应可为重要的问题，尤其是在存储元件中。其原因在于，充电效应会影响存储元件中的临界电压(Vt)分布，进而影响操作区间以及耐用度。
在以下所述的系统与方法中，包括有选定图案的测试结构，可被用来制造电荷泵电流(ICP)。此电荷泵电流可接着被用以检测充电效应。在下述方法中的此测试元件结构，可被用以检测制程充电效应以及紫外线(UV)诱发充电效应。
图1示出例示测试结构100，其配置根据本发明的实施例而完成。如图所示，测试元件结构100包括硅衬底102，其中植入有漏极区域104。在图1的实施例中，硅衬底102为P型硅衬底，且漏极104为植入于此P型硅衬底的N+区域。显而易见的是，在其他实施例中，衬底可为N型硅衬底而其中则植入有P+漏极区域。
在衬底102上可接着形成有栅极结构，并延伸至漏极区域104一部份上。此栅极结构可包括陷获层106，其上则形成有多晶硅层110。栅极与漏极可均带有金属，或于其上形成金属硅化物层。在图1的实施例中，栅极与漏极区域均具有硅化物层，其上形成有硅化钴层(CoSi)112。
元件100也可包括氧化物侧壁隔离(spacer)116以及场氧化层108。
图2示出测试结构100的上视图。如图所示，漏极区域104可以在栅极结构之下向外延伸。在图2的实施例中，漏极区域104在栅极结构下延伸了75微米。测试结构100的尺寸(包括在栅极结构下向外延伸的漏极区域104)将会随着特定实施例的需求而改变。
如下所详述，测试结构100仅为根据本发明的方法而可使用的例示测试元件结构。显而易见的是，根据本发明的方法，也可使用许多其他测试元件结构以及测试元件结构图案。因此，测试元件结构100不应被视为将本发明的方法与装置限定于任何特定结构或图案。
图3A为测试元件结构100的简化图。在图3A中，示出了植入于衬底102中的源极区域118。此外，在图3A的实施例中的电荷陷获层106包括了氮化物层122，例如夹置于二氧化物层120，124间的氮化硅层。可以了解的是，电荷可以被陷获于陷获层102的氮化物层122中。可进一步了解的是，可根据不同实施例而使用其他的陷获层以及陷获层配置。
因此，显而易见的是，测试元件结构100包括存储结构，而其中可将电荷储存于陷获层106中。然而在半导体制造中，电荷可被陷获于陷获层106中，而生成上述的充电效应。可利用电荷泵电流(ICP)以决定充电效应的程度。其原因在于，ICP曲线将会被陷获层106中所陷获的电荷所影响。此外，被陷获电荷的密度也会影响ICP曲线。
因此，在测试元件结构100的ICP曲线的改变，可被用以监控充电效应。较佳地，简易测试元件结构的图案可以从简单到复杂，并可被用以产生ICP曲线、进而用以监控在测试元件结构中的充电效应。
为了产生ICP曲线，可施加偏压至扩散区域104与118、衬底102、以及栅极结构。如图3A所示，可施加0伏特偏压至扩散区域104，118以及衬底102。可接着施加偏压脉冲至栅极结构。图3B示出可施加至栅极结构的例示偏压脉冲。如图所示，此脉冲具有周期(t)，以及频率为1/t。如图3B所示，当栅极脉冲电平高于反转电平时，电荷会被介于层102与124之间的界面所陷获。当栅极偏压脉冲低于反转电平时，电荷会被释放。所被释放的电荷可在漏极104及/或源极118处测量。所测量的电荷即为ICP电流。
图3C示出例示ICP电流曲线126。如图所示，在反转边界处，ICP电流曲线126从低点瞬变至高点。此高点可被称为ICP最大值，其可以下列方程式所定义：
ICP max＝q*Nit*f*A
其中f为频率，且A为面积。
通过监控ICP曲线的改变，可以检测并测量充电效应，如图4与5所示。图4示出面积为300μm2的测试元件图案402。图4的曲线示出在UV照射前的ICP曲线404，以及UV照射1小时后的ICP电流曲线406。如图所示，在一小时的UV照射后，ICP曲线向右偏移。此偏移可用以检测充电效应。
图5示出椭圆形测试元件结构502，其半径为202μm。ICP曲线506代表UV照射前的ICP电流，而ICP曲线504代表在一小时UV照射后的ICP电流。同样地，可以见到ICP曲线向右偏移，而此偏移可用以检测充电效应。
如上所述以及如图4、5所示，本发明的方法可使用包括有不同参数、面积、以及测试图案或形状的不同测试结构。图4与5示出了根据本发明的方法而可使用的二个测试元件图案的实施例。然而，显而易见的是，可以使用许多不同的测试元件图案。同样地，这些测试结构仅做为举例用，且不应被视为将本发明的装置或方法限定于任何特定测试元件结构或图案。
因此，上述的实施例提供了一种简单的测试结构，其可通过监控ICP曲线的偏移，而被用来监控充电效应。上述的实施例提供了一种非破坏性且可重复测量的方法，其可用以检测由等离子体以及紫外线所引起的充电效应。
虽然本发明已参照优选实施例来加以描述，可以了解的是，本发明并不限于其详细描述的内容。替换方式及修改方式已于先前描述中所建议，并且其他替换方式及修改方式将为本领域的技术人员可想到的。特别是，根据本发明的结构与方法，所有具有实质上相同于本发明的构件结合而达成与本发明实质上相同结果的皆不脱离本发明的精神范畴。因此，所有这些替换方式及修改方式意欲落在本发明于所附的权利要求书及其等价物所界定的范畴中。任何在前文中提及的专利申请以及公开文本，均列为本申请的参考。

Claims (17)

1.一种用以检测电荷状态的方法，包括
形成测试结构于硅衬底上，该测试结构包括：
衬底；
形成于该衬底中的扩散区域；
位于该衬底与该扩散区域上的栅极；以及
位于该栅极与该衬底及该扩散区域间的电荷陷获层，该电荷陷获层配置为以累积在半导体制程步骤中所分离的电荷；
进行半导体制程步骤；以及
在该半导体制程步骤之前与之后测量该测试结构的电荷泵电流，其中该电荷陷获层包括夹置于顶氧化物层与底氧化物层之间的氮化物层，并且当所施加至该栅极的偏压脉冲大于反转电平时，该电荷被陷获至介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层；当所施加至该栅极的偏压脉冲低于反转电平时，电荷从介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层释放。
2.如权利要求1所述的方法，其中该扩散区域与该栅极经过金属化。
3.如权利要求1所述的方法，其中该测试结构包括至少一扩散区域。
4.如权利要求1所述的方法，还包括隔离区域。
5.如权利要求1所述的方法，还于该栅极的侧壁上包括侧壁绝缘层。
6.如权利要求3所述的方法，其中该测试结构包括漏极扩散区域以及源极扩散区域，且该电荷泵电流通过施加偏压至该漏极扩散区域、该源极扩散区域、该衬底、以及该栅极而产生。
7.如权利要求6所述的方法，其中所施加至该漏极扩散区域、该源极扩散区域、与该衬底的偏压为0伏特。
8.如权利要求6所述的方法，其中该偏压施加至该栅极结构。
9.如权利要求1所述的方法，还包括在该制程步骤之后，测量该电荷泵电流相对于该制程步骤之前的偏移。
10.如权利要求1所述的方法，其中该电荷状态根据该电荷泵电流的偏移而决定。
11.如权利要求1所述的方法，其中该电荷陷获层可为氮化物层、氧化铝层、氧化铪层、其他金属氧化物的电荷储存材料。
12.一种用以监控半导体制程步骤的测试结构，包括：
衬底；
形成于该衬底中的扩散区域；
位于该衬底与该扩散区域上的栅极；以及
介于该栅极与该衬底及该扩散区域之间的电荷陷获层，该电荷陷获层配置为用以累积在半导体制程步骤中所分离的电荷，其中该电荷陷获层包括夹置于顶氧化物层与底氧化物层之间的氮化物层，并且当所施加至该栅极的偏压脉冲大于反转电平时，该电荷被陷获至介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层；当所施加至该栅极的偏压脉冲低于反转电平时，电荷从介于该衬底与该底氧化物层之间的界面层释放。
13.如权利要求12所述的测试结构，其中该扩散区域以及该栅极经过金属化。
14.如权利要求12所述的测试结构，其中该测试结构包括至少一扩散区域。
15.如权利要求12所述的测试结构，还包括隔离区域。
16.如权利要求12所述的测试结构，还在该栅极的侧壁上包括侧壁绝缘层。
17.如权利要求12所述的测试结构，其中该电荷陷获层可为氮化物层、氧化铝层、氧化铪层、其他金属氧化物的电荷储存材料。
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