CN103884727A

CN103884727A - 一种检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法

Info

Publication number: CN103884727A
Application number: CN201210557418.3A
Authority: CN
Inventors: 田守卫; 孙洪福; 姜国伟; 崔永鹏
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: CN103884727B

Abstract

本发明涉及一种检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，通过简单调节现有沉积设备中的沉积次数，以常规工艺参数，来形成一个硅片上多个PSG薄膜的堆叠，使得这些薄膜的堆叠结构作为一个整体，能够有效降低氧化的SiO₂层对磷浓度量测的影响，从而有效提高X射线荧光分析（XRF）量测时的精度。利用X射线荧光分析法（XRF）的相关设备对初始层的PSG薄膜中磷浓度进行检测，可以节省大量的检测费用，缩短送检时间。本发明中还涉及一种将PSG薄膜的沉积步骤与冷却步骤交替进行，以确保磷的浓度在竖直方向上保持一致的方法，能够进一步提高检测的准确性。

Description

一种检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法

技术领域

本发明涉及半导体领域中一种检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法。

背景技术

在图1所示的半导体结构中对应不同的电极区域，在一个硅片10（Si）表面的金属层中形成有沟槽，将其分隔成不同的金属层部分20；在各个金属层部分20的表面形成有初始层作为层间介质（ILD）。再在初始层之间的沟槽表面，依次形成了钛层40（Ti）和氮化钛层50（TiN），使得沟槽底部形成有钛硅化合物41。之后以钨层60（W）将沟槽填满。进一步参见图2所示，其中所述初始层ILD的厚度约190Å（埃），具体是在PSG薄膜沉积前先形成了一层厚度h1约50 Å的氧化SiO₂薄膜31（二氧化硅），再在上面沉积一层厚度h2约140 Å的PSG薄膜32（即，掺磷的二氧化硅）。

为了保证后续能够在半导体结构中形成所述的钛硅化合物41，需要对初始层ILD中PSG薄膜内掺杂的磷的浓度进行控制。然而，由于整个初始层ILD的厚度太薄（仅190 Å），对于氧化SiO₂的形成无法避免，其在初始层中所占的比例又较大，因此，很难使用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）或X射线荧光分析法（XRF）来准确检测PSG薄膜中的磷浓度。现在一般只能送到工厂外的检测机构通过二次离子质谱法（SIMS）来检测，这样做一方面送检时间长，不利于及时调整工艺流程；另一方面检测费用高昂，而且测试时对硅片是破坏性的，将进一步增加测试成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，通过在初始层ILD沉积更厚的PSG薄膜，增大其在整个初始层中所占的比例，确保利用X射线荧光分析法（XRF）能够方便准确地进行磷浓度的检测，从而可以有效节省测试费用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，在硅片上依次沉积多层PSG薄膜，由先前已经通过氧化形成的SiO₂薄膜，与多层所述PSG薄膜一起构成该硅片上的初始层；之后，使用X射线荧光分析设备对PSG薄膜中的磷浓度进行检测；

其中，所有PSG薄膜堆叠后的厚度，与所述X射线荧光分析设备对量测精度的要求相匹配，以降低氧化的SiO₂薄膜对量测磷浓度时的影响，并有效提高X射线荧光分析量测的精度。

通过调整沉积设备中PSG薄膜的沉积次数，使所有PSG薄膜堆叠后具有足够的厚度，以降低氧化的SiO₂薄膜在整个初始层中所占的比例。

所述硅片是一种用以监控机台性能的控片。

所述硅片上已经通过前期的工艺形成有相应的半导体结构，所述初始层形成在该半导体结构上。

本发明中的另一个技术方案是提供一种沉积多层掺磷二氧化硅时保持竖直方向磷浓度一致的方法，该方法可以应用在上述的检测方法中：

即，所述初始层中多层PSG薄膜的形成，是通过交替进行PSG薄膜的沉积步骤和冷却步骤实现的，以保证各层PSG薄膜中磷的浓度在竖直方向上一致；即，其中每一层所述PSG薄膜的沉积步骤之后，先直接进行冷却步骤，再进行上面一层PSG薄膜的沉积步骤。

在沉积每一层所述PSG薄膜后，温度都将上升到一个第一温度，而在冷却后使温度都下降到一个第二温度，则各层PSG薄膜在形成时会处在一致的温度范围内。

与现有技术相比，本发明所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其优点在于：通过简单调节现有沉积设备中的沉积次数，以常规工艺参数，来形成一个硅片上多个PSG薄膜的堆叠，使得这些薄膜的堆叠结构作为一个整体时具有足够的厚度，以降低初始层中氧化的SiO₂层对磷浓度量测的影响，提高X射线荧光分析（XRF）量测的精度。利用X射线荧光分析法（XRF）的相关设备对初始层的PSG薄膜中磷浓度进行检测，可以缩短送检时间，不需要破坏送检的控片，还可以节省大量的检测费用。由于本发明中将PSG薄膜的沉积步骤与冷却步骤交替进行，以确保磷的浓度在竖直方向上保持一致，能够进一步提高检测的准确性。

附图说明

图1是现有一种半导体结构的示意图；

图2是对图1中初始层ILD堆叠结构的放大示意图；

图3是本发明所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法中形成的初始层ILD堆叠结构的放大示意图；

图4是本发明中形成图3结构的初始层ILD时的温度曲线图。

具体实施方式

如图3所示，本发明所述的检测方法，首先在用以监控机台性能的控片上沉积初始层ILD，即，先形成一个SiO₂薄膜310；再在SiO₂薄膜310上依次沉积多个PSG薄膜（掺磷二氧化硅）320。之后，利用X射线荧光分析法（XRF）对初始层ILD的PSG薄膜320中的磷浓度进行检测。

具体的，需要根据X射线荧光分析法（XRF）设备量测时的精度要求，来设定PSG薄膜320的沉积数量，进而使所有PSG薄膜320堆叠后具有足够的厚度。

即是说，在一个优选的实施例中，先在硅片上通过氧化形成了一层厚度h1为约50 Å的SiO₂薄膜310；再沉积了十层的PSG薄膜320，每层PSG薄膜320的厚度h2为约140 Å，使得整个初始层ILD的厚度为h1+10×h2=1450 Å。因此，SiO₂薄膜310在初始层中的比例由现有技术中的50Å/190Å（图2）降为50Å/1450Å（图3），大大降低了氧化层对磷浓度量测的影响，从而有效提高使用X射线荧光分析（XRF）量测时的精度。

作为一种示例，沉积上述初始层ILD时的工艺参数为：气体压力 3~6mT，工艺气体及其流量为硅烷（SiH₄）：40 sccm（标准毫升/分钟），氧气（O₂）：120sccm，氦气（He）： 200sccm，磷化氢（PH3）：20 sccm。RF射频功率为3000w。本发明中沉积十层PSG薄膜320时，与原先仅沉积一层PSG薄膜320时相比，只是反应时间上有增加，其他的工艺参数可以是一致的。因此，只需要在沉积设备中增加沉积的次数就能够实现。

在一些实施例中，在进行本发明所述的检测方法之前，可以通过前期的相关工艺形成到初始层ILD沉积之前的其他半导体结构（参见图1），即在硅片10上被沟槽隔开的金属层部分20，则上述初始层ILD是沉积在各个金属层部分20的表面，并且后续可以继续进行其他半导体结构（例如图1中的钛层40、氮化钛层50、钛硅化合物41、钨层60）的制程，以实施另外的性能检测。或者，在另外的实施例中，如果只是为了检测磷的浓度，也可以不在本发明的检测方法之前或之后在硅片10上形成其他的半导体结构，而是直接进行本发明所述初始层ILD的多个薄膜的沉积。

另外，由于磷的浓度与PSG薄膜320沉积时的温度线性相关，因此，在沉积10层PSG薄膜320时，需要保证每个沉积步骤所处的温度范围是一致的。进一步，如果仅仅是重复沉积步骤，则会因为持续的射频轰击造成温度的升高，所以，沉积之后的冷却步骤也是必须的。这样做可以使得初始层中堆叠的各层PSG薄膜的磷的浓度在竖直方向上是保持一致的。要做到温度下降，可以直接关闭射频，令控片自然降温；或者，在承载控片的机台内，辅以相关的冷却气体或液体介质进行导热。

即是说，如图4的曲线所示，横坐标是时间，纵坐标是温度，在沉积第一层PSG薄膜320后温度升高到约427℃，紧跟着进行冷却将温度降低到约420℃；之后进行第二层PSG薄膜320的沉积后，温度升高，再进行冷却使温度下降……；交替进行所述的沉积与冷却步骤多次（例如是优选的10次），保持各层薄膜在沉积时上升的最高温度基本一致（425℃~427℃），下降时的最低温度也基本一致（418℃~420℃），直到获得厚度满足XRF设备检测要求的，温度稳定，且磷浓度在竖直方向一致的多层PSG薄膜320的堆叠结构来进行检测。

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。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其特征在于，

所述检测方法中，在硅片上依次沉积多层PSG薄膜；由先前已经通过氧化形成的SiO₂薄膜，与多层所述PSG薄膜一起构成该硅片上的初始层；之后，使用X射线荧光分析设备对PSG薄膜中的磷浓度进行检测；

其中，所有PSG薄膜堆叠后的厚度，与所述X射线荧光分析设备对量测精度的要求相匹配，以降低氧化的SiO₂薄膜对量测磷浓度的影响，提高量测精度。

2.如权利要求1所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其特征在于，

所述初始层中多层PSG薄膜的形成，是通过交替进行PSG薄膜的沉积步骤和冷却步骤实现的，以保证各层PSG薄膜中磷的浓度在竖直方向上一致；即，其中每一层所述PSG薄膜的沉积步骤之后，先直接进行冷却步骤，再进行上面一层PSG薄膜的沉积步骤。

3.如权利要求2所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其特征在于，

4.如权利要求1所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其特征在于，

5.如权利要求1所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其特征在于，

所述硅片是一种用以监控机台性能的控片。

6.如权利要求1或5所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其特征在于，

7.一种沉积多层掺磷二氧化硅时保持竖直方向磷浓度一致的方法，其特征在于，

通过交替进行PSG薄膜的沉积步骤和冷却步骤，在硅片上形成堆叠的多层PSG薄膜，以保证各层PSG薄膜中磷的浓度在竖直方向上一致；即，其中每一层所述PSG薄膜的沉积步骤之后，先直接进行冷却步骤，再进行上面一层PSG薄膜的沉积步骤。

8.如权利要求7所述检测掺磷二氧化硅中磷浓度的方法，其特征在于，