CN103426784A - 超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法，用于对在硅衬底上形成有超薄栅极氮氧化硅薄膜的半导体结构进行测量；所述氮含量测量方法通过对所述半导体结构进行再氧化处理，并根据所述半导体结构在进行再氧化处理之前和之后薄膜的厚度增加量，来计算得到与该厚度增加量相对应的氮氧化硅薄膜中的氮含量。检测结构更为直观，不需要破坏送检的硅片，通过常规的厚度测量工具就可以实现，不需要借助外部昂贵的检测设备，能够节省检测成本，并有效缩短检测时间。

Description

超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法。

背景技术

为了制造超薄栅极氮氧化硅（Ultra-thin Gate SiON）的薄膜，一般需要在硅衬底（Si）上先生成超薄栅极氧化物（Ultra-thin Gate Oxide）的SiO₂薄膜（图1），再进入氮化工艺使用N₂O/NO的氮源气体进行退火处理，从而在硅衬底（Si）与SiO₂薄膜的分界面处引入氮原子与硅原子键结形成有一个含氮层。一般半导体业界将含氮的SiO₂通称为氮氧化硅SION，即是说，根据上述工艺在栅极位置得到的所述SiO₂薄膜及含氮层就是所需的超薄栅极氮氧化硅薄膜，以下简称SiON薄膜（图2）。

然而，如果要在形成的SiON薄膜中测量氮的含量，目前的方法是将产品送至外部的检测机构，使用SIMS（二次离子质谱仪）或XPS（X光电子能谱仪）等仪器进行检测，不仅需要破坏送检的硅片，还具有检测时间长（约2-7天），费用昂贵的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法，对半导体结构进行再氧化处理后，根据薄膜厚度的增加量来计算SiON薄膜中的氮含量，检测结果更直观。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法。

在进行所述氮含量测量方法之前，已经在一个半导体结构中对应栅极的位置，在作为硅衬底的Si层上，生长了一层超薄栅极氧化物薄膜即第一SiO₂层；并进一步通过氮化工艺在所述Si层与所述第一SiO₂层的分界面处引入氮原子与硅原子键结以形成一个含氮层，所述第一SiO₂层及所述含氮层构成超薄栅极氮氧化硅薄膜即SiON层；所述氮含量测量方法，即适用于测量包含所述SiON层的半导体结构，其特征在于，

所述氮含量测量方法，包含以下步骤：

步骤1、对所述半导体结构上的薄膜厚度进行测量，并记该厚度为第一厚度h；

步骤2、对所述半导体结构进行再氧化处理；

步骤3、对经过再氧化处理后的半导体结构上的薄膜厚度进行测量，并记该厚度为第二厚度H；

步骤4、根据第二厚度H与第一厚度h的差值，计算半导体结构上薄膜厚度的增加量Δh ，即Δh =H-h，从而计算得到与所述厚度的增加量Δh相对应的氮氧化硅薄膜中的氮含量。

步骤1中测量的，是所述半导体结构中对应栅极位置的SiON层的整体厚度。

步骤2中所述再氧化处理，是对所述半导体结构进行的快速热氧化处理。

步骤2中，在进行所述再氧化处理之后，会在Si层的表面进行氧化反应，并形成位于所述Si层与所述SiON层的分界面处的另一个氧化物薄膜即第二SiO2层。

步骤3中测量的，是所述半导体结构中对应栅极的位置从下至上依次布置的所述第二SiO2层和所述SiON层的整体厚度。

步骤4中，所述半导体结构在进行再氧化处理之前和之后薄膜厚度的增加量Δh与氮氧化硅薄膜中的氮含量成反比，即，测得的厚度增加量Δh越大，氮氧化硅薄膜中的氮含量越低，而测得的厚度增加量Δh越少，氮氧化硅薄膜中的氮含量越高。

步骤4中，还进一步包含以下过程：即，通过计算所述半导体结构在进行再氧化处理之前和之后薄膜厚度的增加量Δh与氮氧化硅薄膜中的氮含量之间的关系函数并绘制函数曲线，从而根据所述函数及函数曲线，以测得的薄膜厚度增加量Δh来计算所述氮氧化硅薄膜中的氮含量。

与现有技术相比，本发明所述超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法，其优点在于：本发明中通过对形成有超薄栅极氮氧化硅薄膜的半导体结构进行再氧化处理，并在相应的函数曲线中，根据硅衬底上薄膜厚度的增加量来计算SiON薄膜中的氮含量，该测试方法的检测结构更为直观，并且不需要破坏送检的硅片，通过常规的厚度测量工具椭圆偏振光仪就可以实现，不需要借助外部昂贵的检测设备，能够节省检测成本，并有效缩短检测时间（本发明中再氧化处理及厚度量测的时间一共只需要约2小时）。

附图说明

图1是通过常规制程在硅衬底Si层上生长氧化物薄膜SiO₂层的半导体结构示意图；

图2是在图1基础上，进一步在Si层与SiO₂层的分界面处引入氮原子与硅原子键结形成一个含氮层从而构成超薄栅极氮氧化硅薄膜SiON层的半导体结构示意图。

图3是本发明所述超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法中，经过再氧化处理后半导体结构的示意图；

图4是本发明所述超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法的流程图；

图5是本发明所述超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法中再氧化后的薄膜增量与SiON层中含氮量之间的函数关系的一种示例曲线。

具体实施方式

通过本发明所述方法，能够对超薄栅极氮氧化硅薄膜中的氮含量进行测量。在适用该测量方法之前，一般通过常规制程，如图1所示，首先在硅衬底（以下亦称为Si层）上对应栅极的位置，生长了一层超薄栅极氧化物（Ultra-thin Gate Oxide）薄膜（以下亦称为第一SiO₂层）；如图2所示，然后进入氮化工艺，例如使用N₂O/NO的氮源气体进行退火处理，从而在Si层与第一SiO₂层的分界面处引入氮原子与硅原子键结来形成一个含氮层。一般半导体业界将含氮的SiO₂通称为SiON，因此，根据上述若干工艺在硅衬底的栅极位置形成的第一SiO₂层及含氮层即构成为一个超薄栅极氮氧化硅（Ultra-thin Gate SiON）薄膜（以下亦称为SiON层）。

如图4所示，本发明所述测量方法，包含以下步骤：

步骤1、测量上述半导体结构中硅衬底上所有各层薄膜的整体厚度，记该厚度为h。即，此时测量的是半导体结构中对应栅极位置的SiON层（即第一SiO₂层及含氮层）的厚度。此时，通过常规的厚度测量工具（例如是椭圆偏振光仪）就可以进行测量。

步骤2、对通过上述常规制程，在硅衬底上形成有SiON层的半导体结构（即图2所示结构）进行再氧化处理。

所述再氧化处理，可以是对等待测试的硅衬底进行的快速热氧化（RTO）处理，上述处理工艺例如是在1100℃和氧气O₂流量为10升的环境下进行的。

步骤3、经过上述再氧化处理后，（例如是通过椭圆偏振光仪）再对此时的半导体结构（即图3所示结构）中硅衬底上所有薄膜的整体厚度进行测量，记该厚度为H。

如图3所示，在所述的再氧化处理之后，会在Si层的表面进行氧化反应，并形成一个位于Si层与SiON层的分界面处的第二SiO₂层。

即，此时测量的是半导体结构中对应栅极位置的第二SiO₂层及SiON层的整体厚度。

步骤4、根据半导体结构的薄膜厚度的增加量Δh=H-h，来计算SiON薄膜中的氮含量。

具体的，将再氧化后半导体结构上薄膜厚度的增加量，也就是所形成的第二SiO₂层的厚度，记为Δh=H-h。我们经过多次试验后获知，半导体结构上薄膜厚度的增加量Δh与SiON层中的氮含量具有反比关系。即，对于具有超薄栅极氮氧化硅薄膜的半导体结构，在对其进行再氧化处理时，SiON中的氮元素会在一定程度上抑制Si层上氧化物（即第二SiO₂）的生成，也就是说，测得半导体结构上薄膜厚度的增加量Δh越少，则SiON层中的氮含量越高，反之亦然。

图5的示例曲线，给出了SiON层中的氮含量与半导体结构上薄膜厚度的增加量Δh之间呈反比关系的其中一种函数，该曲线中横坐标为半导体结构薄膜厚度的增加量Δh，纵坐标为SiON层中的氮含量（%）；因此，在步骤4中，计算得到半导体结构的薄膜厚度的增加量Δh=H-h后，根据图5所示的关系函数，就可以找到相应的SiON层中的氮含量参数。

至此，完成本发明所述的测量方法。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。例如，不应当将Si层上形成第一SiO₂层、SiON层或第二SiO₂层后的半导体结构限于本发明在上文或附图中描述的结构；或者，在进行再氧化处理的过程中，也可以使用不同于文中提及的工艺参数；又或者，可以使用图5以外的其他函数曲线，来表示SiON层中的氮含量与半导体结构薄膜厚度的增加量Δh之间的关系，等等。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种超薄栅极氮氧化硅薄膜的氮含量测量方法，在进行所述氮含量测量方法之前，已经在一个半导体结构中对应栅极的位置，在作为硅衬底的Si层上，生长了一层超薄栅极氧化物薄膜即第一SiO₂层；并进一步通过氮化工艺在所述Si层与所述第一SiO₂层的分界面处引入氮原子与硅原子键结以形成一个含氮层，所述第一SiO₂层及所述含氮层构成超薄栅极氮氧化硅薄膜即SiON层；所述氮含量测量方法，即适用于测量包含所述SiON层的半导体结构，其特征在于，

所述氮含量测量方法，包含以下步骤：

步骤1、对所述半导体结构上的薄膜厚度进行测量，并记该厚度为第一厚度h；

步骤2、对所述半导体结构进行再氧化处理；

步骤3、对经过再氧化处理后的半导体结构上的薄膜厚度进行测量，并记该厚度为第二厚度H；

步骤4、根据第二厚度H与第一厚度h的差值，计算半导体结构上薄膜厚度的增加量Δh ，即Δh =H-h，从而计算得到与所述厚度的增加量Δh相对应的氮氧化硅薄膜中的氮含量。

2.如权利要求1所述的氮含量测量方法，其特征在于，

步骤1中测量的，是所述半导体结构中对应栅极位置的SiON层的整体厚度。

3.如权利要求2所述的氮含量测量方法，其特征在于，

步骤2中所述再氧化处理，是对所述半导体结构进行的快速热氧化处理。

4.如权利要求3所述的氮含量测量方法，其特征在于，

步骤2中，在进行所述再氧化处理之后，会在Si层的表面进行氧化反应，并形成位于所述Si层与所述SiON层的分界面处的另一个氧化物薄膜即第二SiO₂层。

5.如权利要求4所述的氮含量测量方法，其特征在于，

步骤3中测量的，是所述半导体结构中对应栅极的位置从下至上依次布置的所述第二SiO₂层和所述SiON层的整体厚度。

6.如权利要求1~5中任意一项所述的氮含量测量方法，其特征在于，

步骤4中，所述半导体结构在进行再氧化处理之前和之后薄膜厚度的增加量Δh与氮氧化硅薄膜中的氮含量成反比，即，测得的厚度增加量Δh越大，氮氧化硅薄膜中的氮含量越低，而测得的厚度增加量Δh越少，氮氧化硅薄膜中的氮含量越高。

7.如权利要求6所述的氮含量测量方法，其特征在于，

步骤4中，还进一步包含以下过程：即，通过计算所述半导体结构在进行再氧化处理之前和之后薄膜厚度的增加量Δh与氮氧化硅薄膜中的氮含量之间的关系函数并绘制函数曲线，从而根据所述函数及函数曲线，以测得的薄膜厚度增加量Δh来计算所述氮氧化硅薄膜中的氮含量。

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