CN104051291A - 金属栅阻挡层针孔的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属栅阻挡层针孔的检测方法，至少包括以下步骤：首先提供一衬底，在所述衬底上自下而上依次形成氧化层、金属栅功函数层及金属栅阻挡层，以形成测试结构；然后用SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层；再用氢氟酸溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层；最后在电镜下观测经上述两步获得的测试结构中的氧化层中是否有腐蚀出的大孔洞以确定所述金属栅阻挡层中是否有针孔。本发明的金属栅阻挡层针孔的检测方法可用于确定金属栅功函数层上金属栅阻挡层制作的最佳工艺条件，提高器件的稳定性。

Description

金属栅阻挡层针孔的检测方法
技术领域
本发明半导体制造领域，涉及一种检测方法，特别是涉及一种金属栅阻挡层针孔的检测方法。
背景技术
在传统的MOS晶体管工艺中，通常采用SiO2作为栅介质、重掺杂的多晶硅作为栅电极材料，但随着特征尺寸的不断缩小，MOS晶体管中的SiO2栅电介质已临近了极限。例如，在65纳米工艺中，SiO2栅的厚度已降至1.2纳米，约为5个硅原子层厚度，如果再继续缩小，漏电流和功耗将急剧增加。同时，由多晶硅栅电极引起的掺杂硼原子扩散、多晶硅耗尽效应以及过高的栅电阻等问题也将变得越来越严重。因此，对于32纳米及以下各技术代，急剧增加的漏电流和功耗等问题将亟待新材料、新工艺及新器件结构的开发来解决。
目前，国际上各主要半导体公司都已开始着手面向32纳米及以下技术代的“高k/金属栅”技术的开发，即采用高K介质/金属栅(HKMG)结构代替栅氧化层/多晶硅栅极结构。据Intel报道，采用高K电介质材料后，其栅漏电流降为原来的十分之一。目前来看，高K介质/金属栅结构的应用成为32纳米及以下技术代集成电路发展的必然趋势。
在高K介质/金属栅结构中通常包括金属栅阻挡层，其作用是阻挡金属栅电极中的铝或钛等金属离子扩散而改变金属栅功函数层的功函数。好的金属栅阻挡层必须满足没有针孔，才能起到良好阻挡作用。因此需要检测形成的金属栅阻挡层中有无针孔，从而对金属栅阻挡层的沉积工艺进行优化，找到最佳工艺参数，以确保器件中金属栅阻挡层中没有针孔。目前一种检测金属栅阻挡层针孔方法包括如下步骤：将金属栅阻挡层形成于二氧化硅层上，然后用氢氟酸溶液腐蚀，若金属栅阻挡层中有针孔，氢氟酸溶液会通过所述针孔到达金属栅阻挡层下的二氧化硅层上，并将其腐蚀出一个个大孔洞，在电镜下可观测到所述大孔洞，从而检测到针孔的存在。
然而上述检测方法针对的是二氧化硅上金属栅阻挡层的形成工艺，在目前的器件制造中，金属栅阻挡层往往形成于金属栅功函数层上，此时二氧化硅上金属栅阻挡层的最佳形成工艺条件已不适用于在金属栅功函数层上形成金属栅阻挡层，即采用相同工艺条件在金属栅功函数层上形成的金属栅阻挡层中可能会出现针孔，对器件的性能产生不良影响，并且采用现有的检测方法无法检测金属栅功函数层上金属栅阻挡层中有无针孔。目前还没有一种有效可行的用来检测金属栅功函数层上金属栅阻挡层中有无针孔的方法，使制作得到的采用高K介质/金属栅结构的器件性能不稳定，有可能出现金属栅阻挡层失效对器件产生不利影响的情况。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属栅阻挡层针孔的检测方法，用于解决现有技术中没有一种有效可行的用来检测金属栅功函数层上金属栅阻挡层中有无针孔的方法，使制作得到的采用高K介质/金属栅结构的器件性能不稳定，有可能出现金属栅阻挡层失效对器件产生不利影响的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属栅阻挡层针孔的检测方法，该方法至少包括以下步骤：
1）提供一衬底，在所述衬底上自下而上依次形成氧化层、金属栅功函数层及金属栅阻挡层，以形成测试结构；
2）用SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层；
3）然后再用氢氟酸溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层；
4）在电镜下观测经上述两步获得的测试结构中的氧化层中是否有腐蚀出的大孔洞以确定所述金属栅阻挡层中是否有针孔。
可选地，所述金属栅功函数层的材料为TiN。
可选地，所述金属栅阻挡层的材料为TaN。
可选地，所述金属栅功函数层的厚度范围是0.5~5nm。
可选地，所述金属栅阻挡层的厚度范围是0.5~5nm。
可选地，所述SC1溶液的温度范围是25~60 ℃。
可选地，所述SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层的时间不长于2 min。
可选地，所述SC1溶液的温度为30 ℃，接触所述测试结构中的金属栅阻挡层的时间为1 min。
可选地，所述金属栅阻挡层采用原子层淀积法形成。
可选地，所述氢氟酸溶液的体积配比为H2O:HF=100:1。
如上所述，本发明的金属栅阻挡层针孔的检测方法，具有以下有益效果：采用SC1溶液处理测试结构，若金属栅阻挡层中有针孔，SC1溶液则通过所述针孔将金属栅阻挡层下的金属栅功函数层腐蚀出孔洞或间隙，此时再用氢氟酸溶液处理测试结构，氢氟酸溶液首先通过金属栅阻挡层中的针孔，再经由金属栅功函数层中的被SC1溶液腐蚀出的孔洞或间隙到达氧化层，将氧化层腐蚀出大孔洞，从而可在电镜下观测到以确定针孔的存在。本发明的金属栅阻挡层针孔的检测方法可用于确定金属栅功函数层上金属栅阻挡层的最佳工艺条件，提高器件的稳定性。
附图说明
图1显示为本发明的金属栅阻挡层针孔的检测方法的流程图。
图2显示为本发明的金属栅阻挡层针孔的检测方法中测试结构的示意图。
元件标号说明
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
首先请参阅图1，本发明的金属栅阻挡层针孔的检测方法包括以下步骤：
步骤S1：请参阅图2，如图所示，提供一衬底1，在所述衬底1上自下而上依次形成氧化层2、金属栅功函数层3及金属栅阻挡层4，以形成测试结构；
具体的，所述衬底1可以为任何合适的半导体衬底材料，如硅、锗、锗硅、绝缘体上硅等，本实施例中所述衬底1的材料以硅为例。所述氧化层2的材料优选为二氧化硅。本实施例中，所述金属栅功函数层3的材料优选为TiN，但不仅限于此，在器件中其作用主要是调节器件的阈值电压。所述金属栅阻挡层4的材料优选为TaN，但不仅限于此，在器件中其作用是主要是阻挡金属栅电极中的金属离子扩散到金属栅功函数中而影响其功函数。
具体的，所述金属栅阻挡层4采用原子层淀积法形成，但不限于原子层淀积法。
具体的，所述金属栅功函数层3的厚度范围是0.5~5nm，所述金属栅阻挡层4的厚度范围是0.5~5nm。在具体的器件制作过程中，金属栅功函数层和金属栅阻挡层的厚度可根据不同的工艺条件确定。本实施例中，所述金属栅阻挡层4的厚度优选为20埃。
步骤S2：用SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层4；
SC1溶液，又称1号标准清洗溶液，是一种碱性清洗液，其由氨水、过氧化氢和水三种成分配制而成。该溶液属于业界常用溶液，具体配比在此不再赘述。过氧化氢具有很强的氧化性，而氨水具有腐蚀性。本发明中，SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层4的具体方法可以是将所述测试结构浸入SC1溶液槽中（浸入法），也可以是将SC1溶液喷洒到所述金属栅阻挡层4上（喷洒法）。
SC1溶液处理过程中，若所述金属栅阻挡层4中有针孔，SC1溶液则通过所述针孔将金属栅阻挡层4下的金属栅功函数层3腐蚀出孔洞或间隙，但对于所述金属栅功函数层3下的二氧化硅氧化层，SC1溶液不能将其腐蚀出大的孔洞。
具体的，无论是采用浸入法还是喷洒法，所述SC1溶液的温度范围是25~60 ℃，所述SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层的时间不长于2 min。若处理时间太短，金属栅阻挡层4下的金属栅功函数层仍会起到停止层的作用，溶液不能到达其下的氧化层2中。而处理时间太长，金属栅阻挡层自身也会在一定程度上被腐蚀，使测试失效。因为在金属栅阻挡层中没有针孔的情况下，若金属栅阻挡层被SC1溶液腐蚀出裂缝或孔洞，测试结果仍会显示金属栅阻挡层有针孔的结果，从而使得测试失效。本实施例中，所述SC1溶液的温度优选为30 ℃，接触所述测试结构中的金属栅阻挡层的时间优选为1 min。
步骤S3：然后再用氢氟酸溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层4；
氢氟酸溶液对二氧化硅有强烈的腐蚀性，若所述金属栅阻挡层4中有针孔，在上一步中SC1溶液则通过所述针孔将金属栅阻挡层4下的金属栅功函数层3腐蚀出孔洞或间隙，此时再用氢氟酸溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层4，氢氟酸溶液将首先通过金属栅阻挡层4中的针孔，再经由金属栅功函数层3中被SC1溶液腐蚀出的孔洞或间隙到达所述氧化层2，将所述氧化层2腐蚀出大孔洞，从而可在电镜下观测到以确定针孔的存在。
此处需要指出的是，通常情况下，金属栅功函数层不能或不容易被氢氟酸腐蚀，例如在本实施例中，金属栅功函数层的材料为TiN，若无步骤S2的SC1溶液处理，TiN会起到停止层的作用，即使金属栅阻挡层中有针孔，氢氟酸溶液也不能或不容易通过所述针孔到达金属栅功函数层下的氧化层，从而检测不出针孔的存在。
具体的，本实施例中，所述氢氟酸溶液的体积配比为H2O:HF=100:1，但不限于此比例，只要能够达到在氧化层中腐蚀出大孔洞的目的即可。
步骤S4：在电镜下观测经上述两步获得的测试结构中的氧化层中是否有腐蚀出的大孔洞以确定所述金属栅阻挡层中是否有针孔。
具体的，可采用扫描电子显微镜、原子力显微镜等观测手段观测SC1溶液和氢氟酸溶液处理后的测试结构，本实施例中采用的是扫描电子显微镜。
综上所述，本发明金属栅阻挡层针孔的检测方法采用SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层，若金属栅阻挡层中有针孔，SC1溶液则通过所述针孔将金属栅阻挡层下的金属栅功函数层腐蚀出孔洞或间隙，此时再用氢氟酸溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层，氢氟酸溶液首先通过金属栅阻挡层中的针孔，再经由金属栅功函数层中被SC1溶液腐蚀出的孔洞或间隙到达氧化层，将氧化层腐蚀出大孔洞，从而可在电镜下观测到以确定针孔的存在。本发明的金属栅阻挡层针孔的检测方法可用于确定金属栅功函数层上金属栅阻挡层制作的最佳工艺条件，提高器件的稳定性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
1）提供一衬底，在所述衬底上自下而上依次形成氧化层、金属栅功函数层及金属栅阻挡层，以形成测试结构；
2）用SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层；
3）然后再用氢氟酸溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层；
4）在电镜下观测经上述两步获得的测试结构中的氧化层中是否有腐蚀出的大孔洞以确定所述金属栅阻挡层中是否有针孔。
2.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述金属栅功函数层的材料为TiN。
3.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述金属栅阻挡层的材料位TaN。
4.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述金属栅功函数层的厚度范围是0.5~5nm。
5.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述金属栅阻挡层的厚度范围是0.5~5nm。
6.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述SC1溶液的温度范围是25~60 ℃。
7.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述SC1溶液接触所述测试结构中的金属栅阻挡层的时间不长于2 min。
8.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述SC1溶液的温度为30 ℃，接触所述测试结构中的金属栅阻挡层的时间为1 min。
9.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述金属栅阻挡层采用原子层淀积法形成。
10.根据权利要求1所述的金属栅阻挡层针孔的检测方法，其特征在于：所述氢氟酸溶液的体积配比为H2O:HF=100:1。
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