CN103545227B - 监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，包括下列步骤：根据目标磷硅玻璃层的厚度，采用与目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第一晶圆上淀积磷硅玻璃形成磷硅玻璃结构；测磷硅玻璃结构的磷浓度，得到磷浓度曲线；根据磷浓度曲线，判断第一磷硅玻璃层的厚度；根据第一磷硅玻璃层的厚度，采用与目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第二晶圆上淀积第三磷硅玻璃层，第三磷硅玻璃层的厚度不小于第一磷硅玻璃层的厚度；测第三磷硅玻璃层的磷浓度。本发明形成的第三磷硅玻璃层的主体部分为第一磷硅玻璃层，其磷浓度变化能够很好地反映实际器件中较薄且磷浓度较低第一磷硅玻璃薄膜的磷浓度变化，因此能够有效预防接触孔刻蚀阻塞的产生。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺，特别是涉及一种监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法。
背景技术
硅-氧化物-氮-氧化物-硅（Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon,SONOS）结构的闪存（flash）产品中，磷硅玻璃（PSG）的淀积是一道非常重要的工艺步骤。以一种传统技术为例，带有多晶硅栅图形（gate poly pattern）的上述产品在磷硅玻璃淀积后会形成浓度不同的两层磷硅玻璃薄膜，如图1所示。由于磷硅玻璃的磷浓度不同，两层磷硅玻璃薄膜存在一个分界（该分界在扫描电子显微镜下可见）。其中位于底部的第一磷硅玻璃薄膜32（PSG-1）较薄且磷浓度较低，第一磷硅玻璃薄膜32上的第二磷硅玻璃薄膜34（PSG-2）较厚且磷浓度较高。多晶硅栅20上的第一磷硅玻璃薄膜32如同一个花苞，覆盖在多晶硅栅20上。磷硅玻璃中的磷浓度对后续的接触孔刻蚀（contact etch）有很大的影响，磷浓度越低，磷硅玻璃的接触孔刻蚀就越困难，以致产生接触孔刻蚀阻塞（contact block etch），如图2A、2B、2C所示。因此需要一种有效的对磷硅玻璃中磷浓度进行监控的方法。
传统的一种监控方法是：在没有多晶硅栅图形的空白晶圆（blank wafer）上生长与正常产品的厚度相同的磷硅玻璃层（例如），然后测试它的磷浓度。该在空白晶圆上生长的磷硅玻璃层也会产生分层的现象，实践表明，对这整个磷硅玻璃层的磷浓度监控，无法准确反映其对接触孔刻蚀的影响，因此无法有效地预防接触孔刻蚀阻塞的产生。
发明内容
基于此，有必要针对传统的监控方法无法有效预防接触孔刻蚀阻塞的产生的问题，提供一种能够有效预防接触孔刻蚀阻塞的产生的监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法。
一种监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，包括下列步骤：根据目标磷硅玻璃层的厚度，采用与所述目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第一晶圆上淀积磷硅玻璃形成磷硅玻璃结构；所述磷硅玻璃结构包括底部的第一磷硅玻璃层和位于第一磷硅玻璃层上的第二磷硅玻璃层，所述第二磷硅玻璃层的浓度大于所述第一磷硅玻璃层的浓度；测所述磷硅玻璃结构的磷浓度，得到磷浓度曲线；根据磷浓度曲线，判断所述第一磷硅玻璃层的厚度；根据所述第一磷硅玻璃层的厚度，采用与所述目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第二晶圆上淀积第三磷硅玻璃层，所述第三磷硅玻璃层的厚度不小于所述第一磷硅玻璃层的厚度且小于所述第一磷硅玻璃层的两倍厚度；测所述第三磷硅玻璃层的磷浓度。
在其中一个实施例中，所述根据磷浓度曲线，判断所述第一磷硅玻璃层的厚度的步骤是从所述第一磷硅玻璃层的底部起，当所述磷浓度曲线上某点的斜率小于预设的经验值时，将该点至所述第一磷硅玻璃层底部的厚度判定为第一磷硅玻璃层的厚度。
在其中一个实施例中，所述目标磷硅玻璃层的厚度为
在其中一个实施例中，所述第一磷硅玻璃层的厚度为
在其中一个实施例中，所述磷硅玻璃结构还包括位于所述第一磷硅玻璃层和第二磷硅玻璃层之间的过渡层，所述得到磷浓度曲线后还包括获取所述过渡层的厚度的步骤，所述第三磷硅玻璃层的厚度为第一磷硅玻璃层的厚度加上过渡层的厚度。
在其中一个实施例中，所述第三磷硅玻璃层的厚度为
在其中一个实施例中，所述半导体器件为闪存。
同时提供另一种监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法。
一种监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，包括下列步骤：采用与目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺，在晶圆上淀积的磷硅玻璃形成第三磷硅玻璃层；测所述第三磷硅玻璃层的磷浓度。
在其中一个实施例中，所述第三磷硅玻璃层的厚度为
在其中一个实施例中，所述半导体器件为闪存。
上述监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，形成的第三磷硅玻璃层的主体部分为第一磷硅玻璃层，其磷浓度变化能够很好地反映实际器件中较薄且磷浓度较低第一磷硅玻璃薄膜的磷浓度变化，因此能够有效预防接触孔刻蚀阻塞的产生。
附图说明
图1是闪存器件设于多晶硅栅上的磷硅玻璃薄膜的剖面结构示意图；
图2A是闪存器件设于多晶硅栅上的磷硅玻璃薄膜的剖面结构在扫描电镜下的照片；
图2B是磷硅玻璃薄膜中磷浓度正常时闪存器件于接触孔刻蚀后的剖面结构在扫描电镜下的照片；
图2C是磷硅玻璃薄膜中磷浓度异常时闪存器件于接触孔刻蚀后产生接触孔刻蚀阻塞的剖面结构在扫描电镜下的照片；
图3是一实施例中监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法的流程图；
图4是一实施例中磷硅玻璃结构的示意图；
图5是一实施例中磷硅玻璃结构的磷浓度与深度的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、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。
图3是一实施例中监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法的流程图，包括下列步骤：
S310，根据目标磷硅玻璃层的厚度，采用与目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第一晶圆上淀积磷硅玻璃形成磷硅玻璃结构。
目标磷硅玻璃层即需要监控的半导体器件设于多晶硅栅上的磷硅玻璃层。可以在一个空白晶圆（blank wafer）上生长与正常产品的厚度相同的磷硅玻璃层，淀积工艺中参数的设置均应与淀积目标磷硅玻璃层时相同。例如要监控一磷硅玻璃层的厚度为（即目标磷硅玻璃层的厚度为）的半导体器件，就在一空白晶圆上淀积厚的磷硅玻璃，形成磷硅玻璃结构40，如图4所示。该磷硅玻璃结构40同样会分为两层，即包括底部较薄且磷浓度较低的第一磷硅玻璃层42，以及位于第一磷硅玻璃层42上、较厚且磷浓度较高的第二磷硅玻璃层44。
S320，测磷硅玻璃结构的磷浓度，得到磷浓度曲线。
图5是一实施例中磷硅玻璃结构40的磷浓度与深度的关系曲线，其中横坐标表示磷硅玻璃结构40的深度，深度为0即第二磷硅玻璃层44的上表面，深度即第一磷硅玻璃层42的底部；纵坐标表示磷的浓度。
S330，根据磷浓度曲线，判断第一磷硅玻璃层的厚度。
根据经验及本领域的公知常识，第二磷硅玻璃层44的浓度较高且较为均匀、稳定，而第一磷硅玻璃层42的浓度较低且浓度曲线从底部到分界处逐渐增加。因此，根据如图5所示的磷浓度曲线，可以判断出第一磷硅玻璃层42的厚度。简单的说，第一磷硅玻璃层42的浓度曲线会有一个很高的斜率，而在分界处浓度会有一个明显的拐点，斜率降至一个很低的值。因此，可以根据磷浓度曲线的斜率大小判断第一磷硅玻璃层42的厚度。在一个实施例中，从第一磷硅玻璃层42的底部起，当磷浓度曲线上某点的斜率k小于预设的经验值时，该点至第一磷硅玻璃层42底部的厚度即判定为第一磷硅玻璃层42的厚度。在图5中，判定第一磷硅玻璃层（PSG1）42的厚度为
可以理解的，在其它实施例中，也可以通过浓度梯度或其它参数对第一磷硅玻璃层42的厚度进行判断。
S340，根据第一磷硅玻璃层的厚度，采用与目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第二晶圆上淀积第三磷硅玻璃层。
根据发明人的研究实验表明，后续的接触孔刻蚀阻塞（contact block etch）主要受图1所示的第一磷硅玻璃薄膜32影响，而第一磷硅玻璃层42的磷浓度变化又能够很好地反映第一磷硅玻璃薄膜32的磷浓度变化，因此对第一磷硅玻璃层42的磷浓度监控能够有效预防接触孔刻蚀阻塞的产生。步骤S340中淀积工艺参数的设置均应与淀积目标磷硅玻璃层时相同。
S350，测第三磷硅玻璃层的磷浓度。
如果第三磷硅玻璃层的磷浓度出现异常的变化，则应对淀积机台进行检查和调试，以排除因淀积磷硅玻璃的工艺出现异常对接触孔刻蚀阻塞造成的影响。
上述监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，形成的第三磷硅玻璃层的主体部分为第一磷硅玻璃层42，其磷浓度变化能够很好地反映实际器件中较薄且磷浓度较低的第一磷硅玻璃薄膜32的磷浓度变化，因此能够有效预防接触孔刻蚀阻塞的产生。
需要说明的是，图5所示磷浓度曲线是采用次级离子质谱法（SIMS）测得，其原理是以离子轰击固体表面，再将从表面溅射出来的次级离子引入质量分析器，经过质量分离后从检测-记录系统得出被分析表面的元素或化合物的组分。由于需对磷浓度进行监控的Fab的实验室中可能并不具备测量得到图5所示浓度曲线的设备或条件，因此需要将步骤S310后得到的淀积有磷硅玻璃结构的所述第一晶圆送至专门的测试机构进行步骤S320所述的磷浓度测试，得到磷浓度曲线。
在其中一个实施例中，步骤S350采用傅里叶变换红外光谱法（Fourier TransformInfrared Spectrometry,FTIR）测量磷浓度。
在其中一个实施例中，是对闪存（flash）中磷硅玻璃层的磷浓度进行监控。可以理解的，本发明同样适用于其它具有会产生分层现象的磷硅玻璃层的半导体器件。
在其中一个实施例中，目标磷硅玻璃层的厚度为步骤S330中得到的第一磷硅玻璃层的厚度为
实际上，第一磷硅玻璃层和第二磷硅玻璃层之间会有一个磷浓度的过渡，因此磷硅玻璃结构还包括位于第一磷硅玻璃层和第二磷硅玻璃层之间的过渡层，过渡层的厚度小于第一磷硅玻璃层。过渡层亦会对接触孔刻蚀阻塞产生一定影响。因此在一个实施例中，步骤S320后还包括获取过渡层的厚度的步骤。过渡层的厚度可以根据图5所示的磷浓度曲线来估算（例如借助与步骤S330中相类似的斜率法），或者直接采用一个经验值。在其中一个实施例中，过渡层的厚度为那么，步骤S340中淀积的第三磷硅玻璃层的厚度，即为第一磷硅玻璃层的厚度加上过渡层的厚度，取优选为
如前述，由于磷浓度曲线可交由专门的测试机构测出，因此我们重点关心的是第一磷硅玻璃层42的厚度，在获得第一磷硅玻璃层42的厚度后，监控时只需采用与目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺，在空白晶圆上淀积的磷硅玻璃形成磷硅玻璃层，并测出该磷硅玻璃层的磷浓度即可。在其中一个实施例中，在空白晶圆上淀积的磷硅玻璃层厚度为
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，包括下列步骤：
根据目标磷硅玻璃层的厚度，采用与所述目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第一晶圆上淀积磷硅玻璃形成磷硅玻璃结构；所述磷硅玻璃结构包括底部的第一磷硅玻璃层和位于第一磷硅玻璃层上的第二磷硅玻璃层，所述第二磷硅玻璃层的浓度大于所述第一磷硅玻璃层的浓度；
测所述磷硅玻璃结构的磷浓度，得到磷浓度曲线；
根据磷浓度曲线，判断所述第一磷硅玻璃层的厚度；
根据所述第一磷硅玻璃层的厚度，采用与所述目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺在第二晶圆上淀积第三磷硅玻璃层，所述第三磷硅玻璃层的厚度不小于所述第一磷硅玻璃层的厚度且小于所述第一磷硅玻璃层的两倍厚度；
测所述第三磷硅玻璃层的磷浓度。
2.根据权利要求1所述的监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述根据磷浓度曲线，判断所述第一磷硅玻璃层的厚度的步骤是从所述第一磷硅玻璃层的底部起，当所述磷浓度曲线上某点的斜率小于预设的经验值时，将该点至所述第一磷硅玻璃层底部的厚度判定为第一磷硅玻璃层的厚度。
3.根据权利要求1所述的监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述目标磷硅玻璃层的厚度为
4.根据权利要求3所述的监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述第一磷硅玻璃层的厚度为
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述磷硅玻璃结构还包括位于所述第一磷硅玻璃层和第二磷硅玻璃层之间的过渡层，所述得到磷浓度曲线后还包括获取所述过渡层的厚度的步骤，所述第三磷硅玻璃层的厚度为第一磷硅玻璃层的厚度加上过渡层的厚度。
6.根据权利要求5所述的监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述第三磷硅玻璃层的厚度为
7.根据权利要求1所述的监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述半导体器件为闪存。
8.一种监控半导体器件中磷硅玻璃层的磷浓度的方法，包括下列步骤：
采用与目标磷硅玻璃层相同的淀积工艺，在晶圆上淀积的磷硅玻璃形成第三磷硅玻璃层；所述目标磷硅玻璃层的厚度为所述目标磷硅玻璃层分为两层，包括底层和位于底层上的上层，所述上层的浓度大于所述底层的浓度，所述第三磷硅玻璃层的主体部分为所述底层；
测所述第三磷硅玻璃层的磷浓度。
9.根据权利要求8所述的磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述第三磷硅玻璃层的厚度为
10.根据权利要求8或9所述的磷硅玻璃层的磷浓度的方法，其特征在于，所述半导体器件为闪存。
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