CN102466467B - 薄膜厚度的监控方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜厚度的监控方法，包含：提供衬底、参考薄膜和参考热波信号；提供衬底，在所述衬底表面沉积薄膜；对所述薄膜进行掺杂；对掺杂后的薄膜进行热波测量，得到热波信号；对比所得到的热波信号与参考热波信号，如果所得到的热波信号与所述参考热波信号的差的绝对值小于所述参考热波信号的百分之一，则所得到的薄膜的厚度与参考薄膜厚度相同。本发明所提供的薄膜厚度的监控方法，通过测量并比较薄膜的热波信号监控不同批次的薄膜的厚度是否相同，从而判断机台是否发生偏移、以及所设定的工艺菜单是否满足需要。此外，本发明所提供的监控方法测量速度快，不破坏样品。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种薄膜厚度的监控方法。
背景技术
厚度是薄膜的一个重要参数，通过监控不同批次薄膜样品的厚度值，并进行比较，是业内判断工艺机台是否稳定、以及工艺参数是否满足需要的一项重要手段。在业界有多种监控薄膜厚度的技术手段，比如，椭圆偏振仪、透射电子显微镜、二次质谱仪等。但是利用透射电子显微镜和二次质谱仪监控薄膜的厚度需要损坏样品，所以椭圆偏振仪是一种相对优选的监控方法。但是在有些情况下，比如，薄膜厚度小于300纳米的情况下，部分厂家生产的椭圆偏振仪不能精确监控薄膜的厚度，使得不能通过比较不同批次以相同工艺条件制备的薄膜的厚度关系来判断机台是否发生漂移，采用其他技术手段可以比较精确地监控薄膜的厚度，但是会破坏薄膜。
与此同时，掺杂技术，比如利用离子注入的方法掺杂，常被用于改善半导体器件的性能，对离子注入的监控，比如注入深度、注入离子的分布等，就变得至关重要，热波技术被广泛应用于半导体工业，用于对植入离子的监控。如图1所示，热波技术的原理是将激光006(泵浦光)照射至样品001表面时，产生热波扩散现象，而此扩散热波002将被样品内由离子植入所造成的散乱晶格003(离子植入造成)所阻挡，致使该区之热密度高于其他区，表面发生热膨胀进而使样品的对光的反射率发生变化，而经由入射的氦氖激光005(探测光)的反射率变化程度即可间接测知破坏量，其中004为反射光。
在公布号为US2010235115的美国专利中，对热波测量的原理及使用范围有详细的描述。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种可靠的、非破坏性薄膜厚度的监控方法。为解决上述问题，本发明一种薄膜厚度的监控方法，包含：提供衬底、参考薄膜和参考热波信号；在所述衬底表面沉积薄膜；对所述薄膜进行掺杂；对掺杂后的薄膜进行热波测量，得到热波信号；对比所得到的热波信号与参考热波信号，如果所得到热波信号与所述的参考热波信号的差的绝对值小于所述参考热波信号的百分之一，则所得到的薄膜的厚度与参考薄膜厚度相同。
优选地，对薄膜掺杂后，对掺杂薄膜进行退火处理。
优选地，所述薄膜的材料是硅化锗。
优选地，所述掺杂采用的是离子注入法。
优选地，所述掺杂的离子是n型离子或者p型离子。
优选地，所述掺杂的离子是硼离子、氟化硼离子、磷离子、或者砷离子。
优选地，所述掺杂的注入能量的范围是500eV～20keV。
优选地，所述掺杂的注入的剂量为1E14～5E15原子/平方厘米。
优选地，所述退火处理采用的是最高温度值是950～1100℃的尖峰式退火。
优选地，所述退火处理采用的是最高温度值是1100～1300℃的激光退火。
优选地，所述热波测量采用的泵浦光的波长是633nm。
优选地，所述热波测量采用的探测光的波长是488nm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所提供的薄膜厚度的监控方法，通过测量并比较薄膜的热波信号监控不同批次的薄膜的厚度是否相同，从而判断机台是否发生偏移、以及所设定的工艺菜单是否满足需要。此外，本发明所提供的监控方法测量速度快，不破坏样品。
附图说明
图1是热波技术的原理示意图；
图2是本发明所提供的薄膜厚度的监控方法的流程示意图；
图3是热波测量技术原理示意图；
图4和图5为本发明随提供的薄膜厚度的监控方法的实施例的剖面示意图；
图6为热波测量技术测量薄膜的示意图；
图7是本发明一个实施例中，对样品掺杂后进行热波测量得到的热波信号与样品厚度的关系图；
图8是本发明一个实施例中，对样品掺杂并退火后进行热波测量得到的热波信号与样品厚度的关系图。
具体实施方式
由背景技术得知，部分椭圆偏振仪在对薄膜进行测量时，对薄膜厚度有一定要求，当厚度太薄或者太厚时，都会出现测量结果与实际厚度相偏离，测量精度降低，或者测量重复性达不到要求，导致测量结果不可信。对此，本发明的发明人创造性地研究了热波技术测量得到的热波信号与薄膜的厚度之间的关系，并发现热波信号与薄膜的厚度之间有相关性，在此，在本发明中提供一种薄膜厚度的监控方法。
本发明所提供的薄膜厚度的监控方法，通过测量并比较不同批次的薄膜的热波信号，监控不同批次的薄膜的厚度是否相同，从而判断机台是否发生偏移、以及所设定的工艺菜单是否满足需要。此外，本发明所提供的监控方法测量速度快，不破坏样品。
图2为本发明所提供的监控薄膜厚度的方法的流程示意图，本发明所提供的监控薄膜厚度的方法包括以下步骤：
步骤S101，提供衬底、参考薄膜和参考热波信号。
步骤S102，在所述衬底表面沉积薄膜。
步骤S103，对所述薄膜进行掺杂。
步骤S104，对掺杂后的薄膜进行热波测量，得到热波信号。
步骤S105，对比所得到的热波信号与参考热波信号，如果所得到热波信号与所述的参考热波信号的差的绝对值小于所述参考热波信号的百分之一，则所得到的薄膜的厚度与参考薄膜厚度相同。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
首先，提供衬底、参考薄膜和参考热波信号。
所述衬底可以选自N型硅基底、P型硅基底、绝缘层上的硅(SOI)。利用现有的沉积工艺在所述衬底表面沉积薄膜。
所述参考薄膜是与在后续步骤中形成的薄膜在相同的工艺条件下，利用相同的机台形成的参考薄膜，所述参考薄膜的厚度已知，比如采用投射电子显微镜测量得知所述参考薄膜的厚度。为了提高所述参考薄膜的厚度与所述参考热波信号之间的相关性，在进行热波测量之前，对所述参考薄膜进行掺杂处理，甚至进行退火处理。
所述参考热波信号是所述参考薄膜在进行掺杂、甚至退火处理后，一束探测光在所述参考薄膜表面反射后的反射光的光强变化幅度与最小光强之间的比值。在本发明的一个实施例中，所述参考薄膜为硅化锗薄膜，在测量热波信号之前，对硅化锗薄膜进行了掺杂处理，所掺杂的离子可以是n型离子，也可以是p型离子。
参考图3，图3为热波测量技术原理示意图，泵浦光源53发出的泵浦光透过半透半反镜54照射在经过掺杂的薄膜101表面，由于泵浦光的作用，光斑处产生热量，所产生的热量沿着薄膜101传播，形成热波，热波受掺杂离子所产生的散乱晶格所阻挡，使得对应区域的温度升高从而表面发生热膨胀，使得对应区域的反射率不同于其他区域，而探测光源51发出的探测光透过半透半反镜55，并在半透半反镜54表面反射，在半透半反镜54表面反射后形成的反射光照射在薄膜101表面，所述反射光光在薄膜101表面再次发生反射，在薄膜101表面反射形成的反射光先在半透半反镜54表面发生一次反射，所形成的反射光在半透半反镜55表面再发生一次反射，然后被热波信号探测仪52收集。所述热波信号为反射光的强度变化幅度与最小光强之间的比值。
参看图4，在所述衬底100表面沉积薄膜101。
在本发明的一个实施例中，是利用外延的方法在硅衬底100表面沉积硅化锗(SiGe)薄膜101。沉积所述薄膜101的沉积工艺以及沉积环境与所述参考薄膜的沉积工艺、沉积环境相同。
参考图5，对所述薄膜101进行如步骤S103所述的掺杂。
所述掺杂步骤可以采用现有的掺杂技术，所掺杂的离子是n型离子，或者是p型离子，比如硼离子(B+)、氟化硼离子(BF2 +)、磷离子(P-5)或者砷离子(As-5)。在本发明的一个实施例中，利用离子注入的方法对所述的硅化锗薄膜101注入硼离子(B+)，注入能量的范围是500eV～20keV，注入的剂量为1E14～5E15原子/平方厘米，得到经过掺杂的薄膜101。掺杂可以提高样品的热波信号与厚度之间的相关性。对所述薄膜101掺杂所采用的掺杂工艺与对所述参考薄膜所采用的掺杂工艺相同。
优化地，在对所述的硅化锗薄膜101掺杂后，对经过掺杂的硅化锗薄膜101进行退火处理，以使所植入的离子在所述的硅化锗薄膜101中均匀分布。所述退火处理可以采用现有退火技术，比如，最高温度值是950～1100℃的尖峰式退火或最高温度值是1100～1300℃的激光退火，经过退火处理，植入的离子均匀分布，可以减小后续监控薄膜厚度步骤中的误差。对所述薄膜101退火所采用的工艺与对所述参考薄膜退火所采用的退火工艺相同。
参考图6，对掺杂后的薄膜101进行热波测量，得到热波信号。
如图6所示，泵浦光源53发出的泵浦光透过半透半反镜54照射在经过掺杂的硅化锗薄膜101表面，由于泵浦光的作用，光斑处产生热量，所产生的热量沿着硅化锗薄膜101传播，形成热波，热波受掺杂离子所产生的散乱晶格所阻挡，使得对应区域的温度升高从而表面发生热膨胀，使得对应区域的反射率不同于其他区域，而探测光源51发出的探测光透过半透半反镜55，并在半透半反镜54表面反射，照射在硅化锗薄膜101表面，所述探测光在硅化锗薄膜101表面发生反射，在硅化锗薄膜101表面发生反射形成的反射光先在半透半反镜54表面发生一次反射，所形成的反射光在半透半反镜55表面再发生一次反射，然后被热波信号探测仪52收集，并得到热波信号。在本发明的一个实施例中，泵浦光的波长是633nm，探测光的波长是488nm。
最后，对比经过前述步骤所得到的热波信号与参考热波信号。
如果所得到热波信号与所述的参考热波信号的差的绝对值小于所述参考热波信号值的百分之一，则认为所得到的薄膜101的厚度与参考薄膜厚度相同，即机台没有发生漂移，工艺参数满足工艺条件。反之，所得到热波信号与所述的参考热波信号的差的绝对值大于所述参考热波信号值的百分之一，则认为所得到的薄膜101的厚度与参考薄膜厚度不相同，即机台发生漂移，工艺参数不再满足工艺条件。
为了验证本发明所提供的薄膜厚度的监控方法的可靠性，本发明的发明人对比了对同一样品进行热波测量得到的热波信号与用透射电子显微镜测量得到的薄膜的厚度之间的关系。
图7为对经过掺杂处理的硅化锗薄膜101进行热波测量得到的热波信号与硅化锗薄膜101厚度的关系图，所述掺杂处理采用的是离子注入法，掺杂的能量是1000eV，掺杂的剂量是3E15原子/平方厘米。其中横轴上各点对应的是各测量点距硅化锗薄膜101表面中心的距离，左侧纵坐标所示的热波信号值是探测光在样品表面反射后，经由热波信号探测仪52收集到的反射光的光强变化幅度与最小光强的比值，右侧纵坐标所示的厚度为透射电子显微镜测量得到的硅化锗薄膜101的厚度。
图8为对经过掺杂处理的硅化锗薄膜101退火后，进行热波测量得到的热波信号与硅化锗薄膜101厚度的关系图，所述退火采用的是最高温度值是950～1100℃的尖峰式退火。其中横轴上各点对应的是各测量点距硅化锗薄膜101表面中心的距离，左侧纵坐标所示的热波信号值指的是探测光在样品表面反射后，经由热波信号探测仪52收集到的反射光的光强变化幅度与最小光强的比值，右侧纵坐标所示的厚度为透射电子显微镜测量得到的硅化锗薄膜101的厚度。
由图7和图8可以得到，经过掺杂的薄膜的热波信号与薄膜的厚度有很好的相关性，从而可以通过比较不同批次薄膜的热波信号，判断不同批次的薄膜的厚度是否相同。而对薄膜掺杂后再进行退火处理可以进一步加强薄膜的热波信号与薄膜的厚度的相关性，即可以进一步提高监控的精确度。
综上，根据本发明所提供的薄膜厚度的监控方法，通过测量并比较薄膜的热波信号监控不同批次的薄膜的厚度是否相同，可以判断机台是否发生偏移、以及所设定的工艺菜单是否满足需要。此外，本发明所提供的监控方法测量速度快，不破坏样品。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，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 (12)
1.一种薄膜厚度的监控方法，其特征在于，包含：
提供衬底、进行掺杂处理的参考薄膜和参考热波信号，所述参考热波信号是所述参考薄膜在进行掺杂后，探测光在所述参考薄膜表面反射后的反射光的光强变化幅度与最小光强之间的比值；
在所述衬底表面形成薄膜；
对所述薄膜进行掺杂；
对掺杂后的薄膜进行热波测量，得到热波信号，所述热波信号是探测光在所述掺杂后的薄膜表面反射后的反射光的光强变化幅度与最小光强之间的比值；
对比所得到的热波信号与参考热波信号，如果所得到的热波信号与所述参考热波信号的差的绝对值小于所述参考热波信号的百分之一，则所得到的薄膜的厚度与参考薄膜厚度相同。
2.依据权利要求1的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，对薄膜掺杂后，对掺杂薄膜进行退火处理。
3.依据权利要求1或2的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述薄膜的材料是硅化锗。
4.依据权利要求3的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述掺杂采用的是离子注入法。
5.依据权利要求4的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述掺杂的离子是n型离子或者p型离子。
6.依据权利要求5的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述掺杂的离子是硼离子、氟化硼离子、磷离子、或者砷离子。
7.依据权利要求5或6的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述掺杂的注入能量的范围是500eV～20keV。
8.依据权利要求7的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述掺杂的注入的剂量为1E14～5E15原子/平方厘米。
9.依据权利要求2的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述退火处理采用的是最高温度值是950～1100℃的尖峰式退火。
10.依据权利要求2的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述退火处理采用的是最高温度值是1100～1300℃的激光退火。
11.依据权利要求1的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述热波测量采用的泵浦光的波长是633nm。
12.依据权利要求1的薄膜厚度的监控方法，其特征在于，所述热波测量采用的探测光的波长是488nm。
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