CN101459094B - 测量半球形颗粒多晶硅层厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量半球形颗粒多晶硅层厚度的方法，包括下列步骤：提供带有半球形颗粒多晶硅层的半导体衬底；椭圆偏振光入射至半球形颗粒多晶硅层，在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射后，接收反射出半球形颗粒多晶硅层最高点表面的线偏振光；比较入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，获得半球形颗粒多晶硅层的厚度。本发明能精确测量出半球形颗粒多晶硅层的厚度，由于半球形颗粒多晶硅层的厚度与最终的电性参数有很强的相关性，因此能使后续的电性容易控制。

Description

测量半球形颗粒多晶硅层厚度的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的测量，尤其涉及测量半球形颗粒多晶硅层厚度的方法。

背景技术

随着集成电路制作工艺中半导体器件的集成度不断增加，随机存储器存储单元的密度也越来越高，电容器在随机存储器存储单元所能利用的面积就越小。为了在电容器的面积减小的同时，仍能维持可靠的性能，因此在电容器所占的面积缩小的同时，仍能维持每个电容器的电容量是很重要的。为了提高电容器的电容量，理论上可从以下几个方向着手：(1)增加储存电极的表面积，(2)提高介电层的介电常数，(3)减小介电层的厚度。近来，还发展出三维空间的电容器结构用以增加存储单元电容量，例如：双叠式结构，鳍状结构，分散堆叠式结构或皇冠型结构等。此外，在使用多晶硅存储节点时，借助于在此多晶硅层之上形成半球形颗粒多晶硅层(HSG)，也可以增加电容量。

半球形颗粒多晶硅层的生长原理为：在半导体衬底上生长厚度为800埃～1200埃的氧化硅层；然后在氧化硅层上依次生长磷掺杂的非晶硅层和非掺杂的非晶硅层；然后，在非掺杂的非晶硅层表面植入多晶硅晶粒；进行退火步骤，多晶硅晶粒消耗掉部分非掺杂的非晶硅层，聚积形成半球形颗粒多晶硅层。

现有在随机存储器单元中形成半球形颗粒多晶硅层的制作工艺，如图1所示，在半导体衬底21上依次形成隔离沟槽22、栅介质层23、栅极结构24、位于半导体衬底21中的栅极结构24两侧的源极26a和漏极26b，其中栅极结构24、源极26a和漏极26b构成MOS晶体管；在隔离沟槽22、栅介质层23及MOS晶体管上形成第一层间介电层27，用于半导体器件的纵向隔离。

如图2所示，在第一层间介电层27和栅介质层23中对着MOS晶体管的源极26a或者漏极26b位置形成通孔27a；在第一层间介电层27上形成导电层28，且导电层28填充满通孔27a；对导电层28进行平坦化至露出第一层间介电层27。

如图3所示，在第一层间介电层27上形成第二层间介电层29，在对着第一层间介电层27中的通孔27a位置形成第一开口29a，所述第一开口29a暴露出第一层间介电层27的通孔27a及通孔27a中填充的导电层28。

参照图4，在第一开口29a内侧形成半球形颗粒多晶硅层30b和多晶硅层30a，作为电容器的第一电极。所述多晶硅层30a通过通孔27a中填充的导电层28与MOS晶体管的源极26a相电连接。形成所述半球形颗粒多晶硅层30b的目的为增大电容器的第一电极与后续形成的介质层之间的接触面积，增大电容器的电容。

参照图5，将带有半球形颗粒多晶硅层30b的半导体衬底21放入膜层反射率测量仪中，通过测量光线在半球形颗粒多晶硅层30b入射表面34的入射角θ₁以及光线经过入射表面34后，进入半球形颗粒多晶硅层30b内的折射角θ₂；然后通过公式：

$R_s=\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)},$ $R_p=\frac{{\mathrm{tg}}^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\mathrm{tg}}^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}$

$R_n=\frac{1}{2}[\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}+\frac{{\mathrm{tg}}^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\mathrm{tg}}^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}]$

计算出半球形颗粒多晶硅层30b的反射率，并通过半球形颗粒多晶硅层30b的反射率来确定半球形颗粒多晶硅层30b的厚度，如图6所示，半球形颗粒多晶硅层30b的反射率与厚度有线性关系，其计算公式为：

d＝-0.0002R_n+0.58

现有形成完半球形颗粒多晶硅层后，用KLA-Tencor F5X仪器在波长为436纳米时，测量半球形颗粒多晶硅层30b的反射率。

如图7所示，用化学气相沉积法在第二层间介电层29和半球形颗粒多晶硅层30b上沉积绝缘介质层31，用于电容器电极间的隔离；用化学气相沉积法或原子层沉积法在绝缘介质层31上沉积第二金属层32，作为电容器的第二电极。

在中国专利申请02160883还可以发现更多与上述技术方案相关的信息，形成半球形颗粒多晶硅层，用以增加电容量。

现有技术测量半球形颗粒多晶硅层厚度的方法，用反射率来控制半球形颗粒多晶硅层的形态，由于反射率对产品的电性参数不敏感，因此不能很精确的控制半球形颗粒多晶硅层的厚度和大小，进而会导致制造工艺控制不准确，最终产品达不到设计要求。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种测量半球形颗粒多晶硅层厚度的方法，精确控制半球形颗粒多晶硅层的厚度。

为解决上述问题，本发明提供一种测量半球形颗粒多晶硅层厚度的方法，包括下列步骤：提供带有半球形颗粒多晶硅层的半导体衬底；椭圆偏振光入射至半球形颗粒多晶硅层，在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射后，接收反射出半球形颗粒多晶硅层最高点表面的线偏振光；比较入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，获得半球形颗粒多晶硅层的厚度。

可选的，所述椭圆偏振光通过以下步骤形成：由光源发射出的激光经过起偏器变为线偏振光；线偏振光经过1/4波片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光。

可选的，所述椭圆偏振光在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射的步骤还包括：椭圆偏振光以角度

₁入射至半球形颗粒多晶硅层的最高点表面后，一部分光直接在最高点表面上反射，另一部分光则以透射角

₂透射进入半球形颗粒多晶硅层中，其中，透射进入半球形颗粒多晶硅层中的一部分光经由最高点表面反射出半球形颗粒多晶硅层，另一部分光以透射角

₃透射出半球形颗粒多晶硅层的第二表面。

可选的，所述形成半球形颗粒多晶硅层的方法为化学气相沉积法。所述半球形颗粒多晶硅层的厚度为580埃～750埃。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：椭圆偏振光入射至半球形颗粒多晶硅层，在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射后，接收反射出半球形颗粒多晶硅层最高点表面的线偏振光；比较入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，能精确获得半球形颗粒多晶硅层的厚度，由于半球形颗粒多晶硅层的厚度与最终的电性参数有很强的相关性，因此能使后续的电性容易控制。

附图说明

图1至图7是现有在随机存储器单元中形成半球形颗粒多晶硅层的示意图；

图8是本发明测量半球形颗粒多晶硅层厚度的具体实施方式流程图；

图9至图15是本发明在形成随机存储器单元电容器过程中，测量半球形颗粒多晶硅层厚度的实施例示意图。

具体实施方式

椭圆偏振仪测量技术是一种新型的薄膜厚度检测技术。一束扩展的平行、准单色的偏振光光波倾斜入射到样品表面；样品对入射光波的偏振态进行调制从而使得反射光波中含有了样品的信息；反射光波经检偏器件后进入透镜进行成像。偏振器件在合适的设置下，从图像上可以得到样品的表面厚度或表面密度等分布信息，该技术在纵向上可达到次纳米量级的分辨率，横向达到微米量级的分辨率。

本发明椭圆偏振光入射至半球形颗粒多晶硅层，在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射后，接收反射出半球形颗粒多晶硅层最高点表面的线偏振光；比较入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，能精确获得半球形颗粒多晶硅层的厚度，由于半球形颗粒多晶硅层的厚度与最终的电性参数有很强的相关性，因此能使后续的电性容易控制。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图8是本发明测量半球形颗粒多晶硅层厚度的具体实施方式流程图。如图8所示，执行步骤S101，提供带有半球形颗粒多晶硅层的半导体衬底。

本实施方式中，所述形成半球形颗粒多晶硅层的方法为化学气相沉积法。

执行步骤S102，椭圆偏振光入射至半球形颗粒多晶硅层，在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射后，接收反射出半球形颗粒多晶硅层最高点表面的线偏振光。

本实施方式中，所述椭圆偏振光通过以下步骤形成：由光源发射出的激光经过起偏器变为线偏振光；线偏振光经过1/4波片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光。

本实施方式中，所述椭圆偏振光在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射的步骤还包括：椭圆偏振光以角度

₁入射至半球形颗粒多晶硅层的最高点表面后，一部分光直接在最高点表面上反射，另一部分光则以透射角 ₂透射进入半球形颗粒多晶硅层中，其中，透射进入半球形颗粒多晶硅层中的一部分光经由最高点表面反射出半球形颗粒多晶硅层，另一部分光以透射角

₃透射出半球形颗粒多晶硅层的第二表面。

执行步骤S103，比较入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，获得半球形颗粒多晶硅层的厚度。

图9至图15是在形成随机存储器单元电容器过程中，测量半球形颗粒多晶硅层厚度的实施例示意图。如图9所示，提供半导体衬底200，在半导体衬底200上依次形成隔离沟槽202、栅介质层203、栅极结构204、位于半导体衬底200中的栅极结构204两侧的源极206a和漏极206b，其中栅极结构204、源极206a和漏极206b构成MOS晶体管。所述栅介质层203由氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或者它们的组合构成，作为本发明一个实施方式，所述栅介质层203为氧化硅。所述栅极结构204包括多晶硅层、硅化物层和难熔金属层，所述硅化物层和难熔金属层降低栅极和引出电极之间的接触电阻。所述MOS晶体管还包括位于栅极结构204两侧的侧墙205。形成所述MOS晶体管为本技术领域人员公知技术。

在整个半导体衬底200上及MOS晶体管上形成第一层间介电层207，所述第一层间介电层207用于半导体器件的纵向隔离。

如图10所示，在第一层间介电层207和栅介质层203中对着MOS晶体管的源极206a或者漏极206b位置形成通孔；在第一层间介电层207上形成导电层208，且导电层208填充满通孔；对导电层208进行平坦化至露出第一层间介电层207，形成导电插塞。

如图11所示，在第一层间介电层207上形成第二层间介电层209，在对着第一层间介电层207中的导电插塞位置形成第一开口209a，所述第一开口209a暴露出第一层间介电层207的导电插塞。

参照图12，用化学气相沉积法在第一开口209a内侧形成多晶硅层102和厚度为580埃～750埃的半球形颗粒多晶硅层104，作为电容器的第一电极。所述多晶硅层104通过导电插塞与MOS晶体管的源极206a相电连接。形成所述半球形颗粒多晶硅层104的目的为增大电容器的第一电极与后续形成的介质层之间的接触面积，增大电容器的电容。

本实施例中，半球形颗粒多晶硅层104的具体厚度例如580埃、590埃、600埃、610埃、620埃、630埃、640埃、650埃、660埃、670埃、680埃、690埃、700埃、710埃、720埃、730埃、740埃或750埃等。

在半球形颗粒多晶硅层形成过程中，采用椭圆偏振仪测量半球形颗粒多晶硅层的光学厚度，然后再得出半球形颗粒多晶硅层的电学厚度。如图13所示，由椭圆偏振仪的光源105发射出的激光经过起偏器106变为线偏振光107；线偏振光107经过1/4波片108，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光109；椭圆偏振光109以角度

₁入射至半球形颗粒多晶硅层104，结合图14所示，入射至半球形颗粒多晶硅层104的最高点表面113的椭圆偏振光109中的一部分光直接在最高点表面113上反射，另一部分光则以透射角

₂透射进入半球形颗粒多晶硅层104中；透射进入半球形颗粒多晶硅层104中的一部分光经由最高点表面113反射出半球形颗粒多晶硅层104，另一部分光以透射角

₃透射出半球形颗粒多晶硅层104的第二表面114进入多晶硅层102中；经过多次反射透射后，最终反射出半球形颗粒多晶硅层104最高点表面113的光为线偏振光110；经过检偏器111后进入接收管112，然后由计算机分析入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，测量出椭圆参数ψ和Δ；

将光的振动面与入射面平行的光波称为P波，振动面垂直入射面的光波称为S波。根据费涅耳公式，光在最高点表面113和第二表面114的P分量与S分量的反射系数分别为：

式中 ₁、 ₂和 ₃满足下列关系：

n₁sin

₁＝n₂sin

₂＝n₃sin

₃

P波和S波的振幅反射率为：

$R_P=\frac{r_{1p}+r_{2p}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{1+r_{1p}{r}_{2p}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}},$ $R_S=\frac{r_{1S}+r_{2S}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{1+r_{1S}{r}_{2S}{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}$

其中

P波和S波的振幅反射率的比值为：

$\frac{R_P}{R_S}=\tan \mathrm{\ψ}{e}^{\mathrm{i\Δ}}$

根据上述公式，计算出半球形颗粒多晶硅层104的几何厚度d(其中n₁为半球形颗粒多晶硅层104的最高点表面113上空气的折射率、n₂为半球形颗粒多晶硅层104的折射率、n₃为半球形颗粒多晶硅层104的第二表面114相接的多晶硅层100的折射率)；接着，按照公式光学厚度＝折射率×几何厚度计算出半球形颗粒多晶硅层104的光学厚度。

本实施例中，所述椭圆偏振仪为美国热波成像(Thermal Wave)公司生产的OP5240。

如图15所示，用化学气相沉积法在第二层间介电层209和半球形颗粒多晶硅层104上沉积绝缘介质层301，用于电容器电极间的隔离；用化学气相沉积法或原子层沉积法在绝缘介质层301上沉积第二金属层302，作为电容器的第二电极。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种半球形颗粒多晶硅层的形态和电性参数控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供带有半球形颗粒多晶硅层的半导体衬底；

椭圆偏振光入射至半球形颗粒多晶硅层，在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射后，接受反射出半球形颗粒多晶硅层最高点表面的线偏振光；

比较入射前偏振光与反射后偏振光的偏振态变化，获得半球形颗粒多晶硅层的厚度；

根据半球形颗粒多晶硅层的厚度，控制半球形颗粒多晶硅层的形态和电性参数。

2.根据权利要求1所述半球形颗粒多晶硅层的形态和电性参数控制方法，其特征在于，所述椭圆偏振光通过以下步骤形成：

由光源发射出的激光经过起偏器变为线偏振光；

线偏振光经过1/4波片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光。

3.根据权利要求1所述半球形颗粒多晶硅层的形态和电性参数控制方法，其特征在于，所述椭圆偏振光在半球形颗粒多晶硅层中经过反射透射的步骤还包括：

椭圆偏振光以角度

入射至半球形颗粒多晶硅层的最高点表面后，一部分光直接在最高点表面上反射，另一部分光则以透射角

透射进入半球形颗粒多晶硅层中，其中，透射进入半球形颗粒多晶硅层中的一部分光经由最高点表面反射出半球形颗粒多晶硅层，另一部分光以透射角

透射出半球形颗粒多晶硅层的第二表面。

4.根据权利要求1所述半球形颗粒多晶硅层的形态和电性参数控制方法，其特征在于，所述半球形颗粒多晶硅层的形成方法为化学气相沉积法。

5.根据权利要求4所述半球形颗粒多晶硅层的形态和电性参数控制方法，其特征在于，所述半球形颗粒多晶硅层的厚度为580埃～750埃。

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