CN102110625B - 一种针孔类生长缺陷的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种针孔类生长缺陷的检测方法，该方法包括，首先，在半导体硅衬底上生长二氧化硅栅氧化层，然后用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液腐蚀栅氧化层，在栅氧化层针孔类生长缺陷下方的半导体硅衬底上形成孔洞；在用去离子水冲洗所述栅氧化层表面后，通过光学显微镜检测孔洞并确定栅氧化层针孔类生长缺陷位置；最后制备针孔类生长缺陷位置的样品并精确检测针孔类生长缺陷的位置。该方法能够实时检测栅氧化层的针孔类生长缺陷，快速准确地在针孔类生长缺陷位置制备样品并用透射电镜精确检测针孔类生长缺陷的位置。
Description
技术领域
本发明涉及半导体针孔类生长缺陷的检测方法，特别涉及针孔类生长缺陷的检测方法。
背景技术
在金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，MOSFET)器件结构包括半导体硅衬底中的有源区、有源区上方有栅极(Gate poly)，栅极两侧的有源区分别为离子注入形成的源极和漏极，栅极下方的导电沟道，所述栅极和导电沟道之间的栅氧化层(GateOxide)。在MOSFET的制造过程中，最先在半导体硅衬底上生长栅氧化层和栅极，再生长MOSFET器件的其它结构，其中，Gate Oxide的针孔类生长缺陷会直接导致Gate Oxide性能测试失效。在半导体器件制造过程中，为了检测器件的生长情况，会同时放入控片，以生长的控片作为样品进行失效分析(failure Analysis，FA)反映实际生长的器件性能。在众多物理失效分析(Physical Failure Analysis，PFA)工具中，透射电子显微镜(TransmissionElectronic Microscope，TEM)因其拥有的次纳米级的高分辨分析能力已成为半导体失效分析及工艺监控和测量的一种不可缺少的重要手段，尤其随着半导体制造工艺的发展，器件尺寸不断缩小，TEM在PFA中所发挥的作用越来越大。TEM常用来测量非常薄的薄膜厚(如栅氧化层)，并进行不同介质层之间的界面分析、物相鉴定及晶体针孔类生长缺陷分析等。半导体业界常用的TEM样品制备方法包括用机械研磨的方法将样品沿剖面双向减薄到20微米以下，然后再用低能离子束减薄到TEM可观察的厚度，以及用聚焦离子束显微镜(Focus Iron Beam，FIB)双面切削的方法来制备TEM样品。FIB是用静电透镜聚焦的高能量镓离子，经高压电场加速后形成的离子束撞击样品表面，在特定卤素气体协助作用可移除样品表面物质(如纵向解剖/开挖护层、切断金属线等)，其分辨率为亚微米级。
FIB制样常用于需要精确定位的样品，目前采用双束(Dual Beam)FIB(离子束+电子束)的机型进行样品制备，在以FIB的离子束切割时，用扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscope，SEM)观察影像，除了可避免离子束对样品形貌的造成破坏外，还能有效地提高影像分辨率。在GateOxide的缺陷中，针孔类生长缺陷的尺寸在纳米级以下。FIB制样中采用的SEM的分辨率为纳米级，虽然可以观察到针孔类生长缺陷的位置，但在整个Gate Oxide的尺寸范围内检测针孔类生长缺陷所花费的时间会很长，检测效率低。
由于光学显微镜的分辨率一般在几百纳米，用光学显微镜无法直接检测到针孔类生长缺陷的位置。目前主要是采用电性测试的方法来反映GateOxide性能，对Gate Oxide的针孔类生长缺陷位置进行检测和定位。电性测试是MOSFET器件制造工艺流程全部完成后的晶圆允收测试(WAT，waferacceptance test)阶段进行。主要的电性测试方法有光发射显微镜(PhotoEmission Microscope，EMMI)和激光束诱发阻抗变化(optical beam inducedresistance change，OBIRCH)等。OBIRCH是利用激光束的热效应使被照射处的温度变化进而引起阻值变化的原理进行失效定位分析的技术。在待测器件两个输入端外加电压，同时利用激光束照射待测器件上的各点，通过激光束的热效应使被照射的各点的温度发生变化并由此产生被照射的各点的阻值变化即热敏电阻效应，从而引起输出端的输出电流变化，并记录所述输出电流的变化趋势与激光束照射的各点的对应关系。当激光束照射到有缺陷的各点时，由于缺陷的材料特性不同于正常区域，激光束照射引起的电阻变化会不同于正常区域，此时待测器件输出端的输出电流变化趋势就会不同，从而定位缺陷的位置。
然而，电性测试的方法由于在缺陷处会产生较大的电流，电流热效应所放出的热量均会破坏甚至烧毁缺陷的原貌，因此，TEM只能看到缺陷处的栅极，栅极氧化层和有源区融在一起的现象，观察原貌被破坏的缺陷形貌，对判断Gate Oxide本身是否存在针孔类生长缺陷以及缺陷产生原因的分析没有任何帮助。而且后续制程也会对Gate Oxide性能产生影响，因此无法判定电性测试缺陷是否是Gate Oxide本身的针孔类生长缺陷。此外，通过WAT阶段的电性测试来发现Gate Oxide失效，对于生产成本也是极大的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是：
光学显微镜、SEM以及TEM受到分辨率的限制不能快速有效地检测到栅氧化层的针孔类生长缺陷位置，而电性测试对栅氧化层针孔类生长缺陷的定位会损伤栅氧化层原貌，无法观察到是否是栅氧化层本身的针孔类生长缺陷，且不能实时检测。
为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种针孔类生长缺陷的检测方法，该方法包括，
半导体硅衬底上生长二氧化硅栅氧化层；
硝酸、氢氟酸和水的混合溶液腐蚀所述栅氧化层，在栅氧化层针孔类生长缺陷下方的半导体硅衬底上形成孔洞；
去离子水冲洗所述栅氧化层表面后，用光学显微镜检测所述孔洞，确定栅氧化层针孔类生长缺陷的位置；
制备所述针孔类生长缺陷位置的栅氧化层和其下方的半导体硅衬底；
检测所述针孔类生长缺陷的精确位置。
所述二氧化硅的生长厚度范围是15埃～200埃。
所述硝酸：氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(60～80)，腐蚀二氧化硅厚度范围是15埃～33埃。
所述硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(40～50)，腐蚀二氧化硅厚度范围是33埃～66埃。
所述硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(30～40)，腐蚀二氧化硅厚度范围是66埃～120埃。
所述硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(15～30)，腐蚀二氧化硅厚度范围是120埃～200埃。
所述腐蚀环境为室温，腐蚀时间范围是15秒～20秒。
所述制备是用扫描电镜在针孔类生长缺陷位置精确控制聚焦离子束切割。
所述针孔类生长缺陷的精确位置用透射电镜检测。
由上述的技术方案可见，本发明提出一种检测栅氧化层针孔类生长缺陷的方法，该方法在生长二氧化硅栅氧化层后，用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液腐蚀二氧化硅栅氧化层和栅氧化层针孔类生长缺陷下方的半导体硅衬底，由于混合溶液对硅和二氧化硅腐蚀的高选择比，在硅衬底上形成可以被光学显微镜观察到的孔洞，通过孔洞确定栅氧化层针孔类生长缺陷的位置后，可以快速准确地在针孔类生长缺陷位置制备样品并用透射电镜精确检测针孔类生长缺陷的位置。
附图说明
图1为本发明腐蚀前栅氧化层针孔类生长缺陷的剖面示意图；
图2为本发明腐蚀后栅氧化层针孔类生长缺陷和硅衬底上孔洞的剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
在半导体MOSFET器件制造过程中，为了检测MOSFET器件的生长情况，会同时放入半导体硅衬底作为控片，以生长的控片作为样品进行失效分析，反映实际生长的MOSFET器件性能。控片栅氧化层上的针孔类生长缺陷的检测方法的具体步骤如下：
步骤一、在半导体硅衬底101上生长二氧化硅栅氧化层102，如图1所示，栅氧化层102上有针孔类生长缺陷103；
本步骤中，生长二氧化硅栅氧化层102的方法是炉管生长或化学气相沉积(CVD)；
本步骤中，二氧化硅栅氧化层的厚度范围是15埃到200埃。
步骤二、用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液腐蚀栅氧化层103，如图2所示，在针孔类生长缺陷203下方的半导体硅衬底101上形成孔洞204；；
本步骤中，硝酸、氢氟酸和水的混合溶液的比例范围是：
腐蚀二氧化硅厚度范围是15埃～33埃，硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(60～80)。
腐蚀二氧化硅厚度范围是33埃～66埃，硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(40～50)。
腐蚀二氧化硅厚度范围是66埃～120埃，硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(30～40)。
腐蚀二氧化硅厚度范围是120埃～200埃，硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(15～30)。
本步骤中，腐蚀时间控制范围是10秒到20秒；
本步骤中，所述混合溶液会沿针孔类生长缺陷渗透到半导体硅衬底101上，由于混合溶液对硅和二氧化硅的腐蚀选择比达到50∶1，因此会在半导体硅衬底上形成尺寸范围在几百纳米的孔洞204，其中混合溶液和硅的化学反应式如下：
Si+HNO3+6HF＝H2SiF6+HNO2+H2+H2O
步骤三、去离子水冲洗栅氧化层102表面后，用光学显微镜检测孔洞204的位置，确定针孔类生长缺陷203的位置；
本步骤中，光学显微镜的分辨率在几百纳米，步骤二中，栅氧化层的针孔类生长缺陷203下方的孔洞204的尺寸大于光学显微镜分辨率，因此光学显微镜可以容易地检测到。
本步骤中，光学显微镜能够透过栅氧化层102检测到硅衬底上腐蚀形成的孔洞204是因为：能否透过光学显微镜检测到物象是与光源的波长、所透要的材料特性等有关，光学显微镜所用的光源是可见光或者单色光，波长在380～780纳米，甚至可以透过厚度范围是几个微米栅氧化层102。半导体硅衬底101上的栅氧化层102的厚度范围最多达到几百个埃，因此光学显微镜透过栅氧化层102检测到半导体硅衬底上的形貌是完全可行的。
步骤四、制备针孔类生长缺陷位置的栅氧化层和其下方的半导体硅衬底样品；
本步骤中，所述样品是用SEM在针孔类生长缺陷位置精确控制FIB切割制备。
本步骤中，样品是尺寸长宽5微米，厚度100纳米的栅氧化层切片。在以FIB切割样品时，用SEM观察影像，精确控制FIB的切割。因为步骤二腐蚀之后的栅氧化层针孔类生长缺陷203的尺寸已经大于SEM的分辨率，因此能清楚地检测到栅氧化层上腐蚀之后的针孔类生长缺陷，并在针孔类生长缺陷位置精确地制样；
步骤三已经初步确定了针孔类生长缺陷203的位置，因此在FIB制备样品的过程中，SEM可以在确定的范围内进一步检测和确定针孔针孔类生长缺陷的位置，提高了针孔类生长缺陷定位效率。
步骤五、检测样品中针孔类生长缺陷的精确位置。
本步骤中，检测针孔类生长缺陷的精确位置是用TEM检测。
TEM检测的步骤是现有技术，不再赘述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种针孔类生长缺陷的检测方法，该方法包括，
半导体硅衬底上生长二氧化硅栅氧化层；
硝酸、氢氟酸和水的混合溶液腐蚀所述栅氧化层，在栅氧化层针孔类生长缺陷下方的半导体硅衬底上形成孔洞；
去离子水冲洗所述栅氧化层表面后，用光学显微镜检测所述孔洞，确定栅氧化层针孔类生长缺陷的位置；
制备所述针孔类生长缺陷位置的栅氧化层和其下方的半导体硅衬底；
检测所述针孔类生长缺陷的精确位置。
2.如权利1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅的生长厚度范围是15埃～200埃。
3.如权利1所述的方法，其特征在于，所述硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(60～80)，腐蚀二氧化硅厚度范围是15埃～33埃。
4.如权利1所述的方法，其特征在于，所述硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(40～50)，腐蚀二氧化硅厚度范围是33埃～66埃。
5.如权利1所述的方法，其特征在于，所述硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(30～40)，腐蚀二氧化硅厚度范围是66埃～120埃。
6.如权利1所述的方法，其特征在于，所述硝酸∶氢氟酸∶水混合溶液比例范围是50∶1∶(15～30)，腐蚀二氧化硅厚度范围是120埃～200埃。
7.如权利1所述的方法，其特征在于，所述腐蚀环境为室温，腐蚀时间范围是15秒～20秒。
8.如权利1所述的方法，其特征在于，所述制备是用扫描电镜在针孔类生长缺陷位置精确控制聚焦离子束切割。
9.如权利1所述的方法，其特征在于，所述针孔类生长缺陷的精确位置用透射电镜检测。
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