CN102954903B - 锗硅薄膜监控片的制备方法及采用该片进行监控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锗硅薄膜监控片的制备方法，包括：步骤一，将一组具有尺寸变化的测量图形，形成在光刻掩膜版中；步骤二，在衬底上淀积锗硅薄膜；步骤三，在所述衬底上涂光刻胶，并用步骤一中所述的光刻掩膜版进行曝光，显影后在所述锗硅薄膜上形成测量图形，即为锗硅薄膜监控片。该制备方法简单，制造成本低。本发明还公开了一种采用锗硅薄膜监控片监控锗硅薄膜的方法。

Description

锗硅薄膜监控片的制备方法及采用该片进行监控的方法

技术领域

本发明涉及一种锗硅薄膜监控片的制备方法。本发明还涉及一种采用该片进行监控的方法。

背景技术

硅是目前大规模生产的半导体器件最主要的材料之一，它具有原材料制备简便，自然界含量丰富，具有半导体特性等基本特性而被用于制备半导体器件。

但是对于高频高速应用，硅的禁带宽度较宽，载流子的迁移速度受到制约，因此人们通常引入一些其它元素形成硅的合金来减低禁带宽度，提高载流子的迁移速度。锗就是其中最重要材料之一。锗具有和硅类似的晶体结构，与硅形成合金工艺容易实现且匹配性高，同时锗的引入可以有效地降低禁带宽度，实现高速器件的应用，同时锗硅的合金器件很容易和常规的硅器件进行工艺整合，因此锗硅器件是很常用的一种应用于高速和高频通信的器件。同时锗硅为本征半导体，为了实际器件应用，还会进行掺杂形成n型导电或p型导电。另外为了调整薄膜的应力，还会掺杂中性粒子如碳原子。

工艺上锗硅主要通过外延生长实现，其主要的表征参数有厚度，元素含量，元素分布等。他们直接决定了锗硅材料的禁带宽度，掺杂浓度，应力等，都是非常重要的工艺参数。对于锗硅中各元素含量的测量，通常有两类方法，一种是通过各种射线或粒子对膜层进行轰击，然后测量溅射物的组分进行分析，比如次级离子质谱法SIMS等(见图1)。此种方法精度很高，但是成本也很高，无论样品的制备还是测量都无法大规模实现高产量的生产，因此通常作为一种科研手段被广泛使用。

第二类方法是通过测量锗硅薄膜的光学性质进行表征(见图2)，比如拉曼谱，反射透射谱，傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR等。通过标定各元素对应的特征波长，然后通过数值拟合进行解谱得到各成分对应的特征波长出的强度，然后标定各元素的含量。其好处是价格低廉，样品制备容易，很容易实现大规模高产量。但是其缺陷也很明显，首先，解谱通常不唯一，有多种可能性，因此极度依赖于解谱工程师的个人经验，误差很大；其次，锗硅具有很强的吸收系数，性噪比很差，因此其平面的光谱的稳定度不好，同时因为强吸收特性，对于不同厚度的锗硅薄膜，不具有通用性，而且误差随膜厚的变化很难控制。因此此类方法通常只作为参考使用，不作为直接判断的标准。应用到实际生产中时，对于每种锗硅薄膜都需要进行标定，解谱分析，因此实际效果很不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锗硅薄膜监控片的制备方法，其能用于在线监控锗硅薄膜。

为解决上述技术问题，本发明的锗硅薄膜监控片的制备方法，包括：

步骤一，将一组具有尺寸变化的测量图形，形成在光刻掩膜版中；

步骤二，在衬底上淀积锗硅薄膜；

步骤三，在所述衬底上涂光刻胶，并用步骤一中所述的光刻掩膜版进行曝光，显影后在所述锗硅薄膜上形成测量图形，即为锗硅薄膜监控片。

本发明还提供一种采用如上所述的锗硅薄膜监控片监控锗硅薄膜的方法，包括：

步骤一，制备一组锗硅薄膜监控片，其中至少包括一片具有标准含量的锗硅薄膜监控片、一具有最低允许含量的锗硅薄膜监控片和一具有最高允许含量的锗硅薄膜监控片，并测量所述锗硅薄膜监控片中测量图形的特征尺寸，制成特征尺寸曲线；

步骤二，使用所述特征尺寸曲线作为标准判断，来监控所生成的锗硅薄膜的含量是否符合要求。

本发明的锗硅薄膜监控片，其制备方法简单，制造成本低。采用该监控片进行锗硅薄膜的监控，简单易操作。且所采用的测试图形特征尺寸信息，能反应出锗硅薄膜中含量的细微变化，敏感性好。

优选的，所述测量图形为矩形孔，所述一组测量图形中的一个测量图形为由多个尺寸相同的测量图形组成的矩形孔阵列，所述一组测量图形为有具有相同宽度，相同空间周期和不同长度的矩形孔阵列组成。

优选的，所述测量图形为矩形孔，所述一组测量图形中的一个测量图形为由多个尺寸相同的测量图形组成的矩形孔阵列，所述一组测量图形为有具有相同宽度，相同长度和不同空间周期的矩形孔阵列组成。

优选的，所述步骤二中所淀积的锗硅薄膜的含量通过次级离子质谱法标定。

优选的，所述步骤二中在衬底上淀积锗硅薄膜后，还在所述锗硅薄膜上淀积氧化硅、多晶硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或任意组合。

一种采用所述的锗硅薄膜监控片监控锗硅薄膜的方法，其特征在于，包括：

步骤一，取一组锗硅薄膜监控片，其中至少包括一片具有标准含量的锗硅薄膜监控片、一具有最低允许含量的锗硅薄膜监控片和一具有最高允许含量的锗硅薄膜监控片，

步骤二，测量所述锗硅薄膜监控片中测量图形的特征尺寸，制成特征尺寸曲线；

步骤三，使用所述特征尺寸曲线作为标准判断，来监控所生成的锗硅薄膜的含量是否符合要求。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为一具体的锗硅薄膜进行SIMS测量后的结果示意图；

图2为具体的锗硅薄膜进行平面光谱测量后的结果示意图；

图3为根据本发明的一具体实例的锗硅薄膜监控片的制备流程示意图；

图4为根据本发明的一具体实例的锗硅薄膜监控方法的流程示意图；

图5为使用本发明的监控方法一具体实例中测量图形特征尺寸关系示意图。

具体实施方式

在光刻工艺中，由于二维图形对于衬底反射率非常敏感，如图6所示，对于给定长度，宽度与空间周期的矩形孔，随衬底反射率变化时，其一维方向的宽度与长度变化均为近似线性变化，但是其图形的长宽比为二次曲线变化。而且对不同长度，宽度与空间周期其趋势均不同。因此对于宽度，长度，空间周期三个参量中固定任何两个参量的测量图形，比如宽度和空间周期，在相同的曝光能量下，测量图形的其中一个参量如宽度的尺寸随另一个可变参量的变化趋势与衬底反射率息息相关，任意微小的反射率变化，就会引起其趋势发生变化。

因为在光刻工艺中，测量图形的空间周期和宽度固定，宽度随长度的变化趋势，和测量图形的宽度和长度固定，宽度随空间周期的变化趋势和衬底反射率是一一对应的。因此当锗硅薄膜发生变化引起衬底反射率的变化时，测量图形中的特征尺寸的曲线必然发生变化，因此可以通过测量图形的特征尺寸变化来监控锗硅薄膜的含量。

在一具体实施例中，锗硅薄膜监控片的制备方法(见图3)，首先设计一组具有尺寸变化的测量图形，将该组测量图形制备在光刻掩膜版上。这里的测量图形可为包含两维尺寸变化的矩阵，即矩形孔。在一个具体实施例中，一组测量图形中的一个测量图形为由多个矩形孔组成的矩形孔阵列，多个宽度相同和空间周期相同，长度变化的矩形孔阵列组成一组测量图形。在另一个变形例中，一组测量图形由多个宽度和长度相同，空间周期变化的矩形孔阵列组成。可以将所有的测量图形制备在一个光刻掩膜版上，也可以制备在多个光刻掩膜版上。

上述的矩形孔，宽度可设为0.01μm～10μm，优选为0.05μm～1μm，其最小尺寸最好与设计规则中最小发射极窗口尺寸相同；长度为0.05μm～100μm，优选为0.1μm～10μm，其最小尺寸最好与工艺中与设计规则中最小发射极窗口尺寸相同；一个测量图形中矩形孔的空间周期为0.1μm～10μm。在制备光刻掩膜版之间，可以先对测量图形进行光学临近修改(OPC修正)，例如可在测量图形的四角加上附加图形进行OPC修改。

以100GHZ的锗硅异质结双极型晶体管HBT工艺为例，可以采用0.13*0.5μm的矩形孔，其宽度固定为0.13μm，长度为0.5μm～10μm，矩形孔的空间周期为1∶1～1∶10。

之后，在衬底上淀积锗硅薄膜。这里的衬底通常为硅单晶衬底。所淀积的锗硅薄膜中各组分的含量可通过SIMS等方法进行标定。之后还可以在锗硅薄膜上再沉积SiO₂、多晶硅、SiN和SiON中的一层膜或任意组合的多层膜。其他膜层的厚度可为10埃～1μm，优选为100～1000埃。与实际工艺中发射极窗口与基区衬底的绝缘介质层相同为佳。

在淀积完成后的衬底上涂光刻胶，并使用测量图形的光刻掩膜版吗，采用与实际产品工艺的发射极窗口工艺相同的光刻工艺进行曝光在衬底上形成测量图形，该片即为锗硅薄膜监控片。上述相同的光刻工艺指光刻胶种类和光刻条件均相同。

采用上述锗硅薄膜监控片进行监控锗硅薄膜的方法(见图4)，为先取一组锗硅薄膜监控片，其中至少包括一片具有标准含量的锗硅薄膜监控片、一具有最低允许含量的锗硅薄膜监控片和一具有最高允许含量的锗硅薄膜监控片。即至少一片规定含量标准监控片、允许的上限含量监控片和下限含量的监控片。

之后，测量所述锗硅薄膜监控片中测量图形的特征尺寸，制成特征尺寸曲线；如对空间周期和宽度固定、长度变化的测试图形，测量测量图形的宽度，在一个矩形孔阵列中，可取位于中间的哪个矩形孔的宽度数值(为特征尺寸数值)。通过对所有测量图形的测试，分别得到标准含量以及上下控制范围对应的CD曲线。

接着在生产中淀积锗硅薄膜后，与标准结果对比，所有图形CD变化＜给定的标准则为合格(比如＜5nm)，或者所有点的标准方差＜给定的标准为合格(比如＜5nm)。

在实际生产中，需要定期产生锗硅薄膜监控样片，并量测测量图形中的特征图形的特征CD尺寸。

如图5所示为根据本发明的一具体实例绘制的测量图形特征尺寸的变化曲线，可知在线生产的锗硅薄膜中特征尺寸的变化与监控片中特征尺寸的变化吻合较好，故可知在线淀积的锗硅薄膜已经符合生产要求。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (6)

1.一种锗硅薄膜监控片的制备方法，其特征在于，包括：

步骤一，将一组具有尺寸变化的测量图形，形成在光刻掩膜版中；所述一组测量图形中的各个所述测量图形都为矩形孔，各所述测量图形排列成矩形孔阵列组成所述一组测量图形，各所述测量图形对应的所述矩形孔的长度和宽度以及所述矩形孔阵列的空间周期这三个尺寸中有两个相同、另一个会随着位于所述矩形孔阵列的位置不同而变化；

步骤二，在衬底上淀积锗硅薄膜；

步骤三，在所述衬底上涂光刻胶，并用步骤一中所述的光刻掩膜版进行曝光，显影后在所述锗硅薄膜上形成测量图形，即为锗硅薄膜监控片。

2.如权利要求1所述的制备方法，特征在于：所述一组测量图形为由具有相同宽度，相同空间周期和不同长度的矩形孔阵列组成。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述一组测量图形为由具有相同宽度，相同长度和不同空间周期的矩形孔阵列组成。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中所淀积的锗硅薄膜的锗含量通过次级离子质谱法标定。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中在衬底上淀积锗硅薄膜后，还在所述锗硅薄膜上淀积氧化硅、多晶硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或任意组合。

6.一种采用如权利要求1所述的锗硅薄膜监控片监控锗硅薄膜的方法，其特征在于，包括：

步骤一，取一组锗硅薄膜监控片，其中至少包括一片具有标准锗含量的锗硅薄膜监控片、一具有最低允许锗含量的锗硅薄膜监控片和一具有最高允许锗含量的锗硅薄膜监控片，

步骤二，测量所述锗硅薄膜监控片中测量图形的特征尺寸，制成特征尺寸曲线；

步骤三，使用所述特征尺寸曲线作为标准判断，来监控所生成的锗硅薄膜的锗含量是否符合要求。