CN105092324B - 一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法和测量样品制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量样品制备方法，包括：提供半导体衬底，在半导体衬底上形成多个鳍片，在鳍片的顶部形成有硬掩膜层；形成衬垫氧化物层，以覆盖半导体衬底的表面、鳍片的侧壁以及硬掩膜层的侧壁和顶部；在鳍片之间形成隔离结构；沉积绝缘层，以完全填充鳍片之间的间隙；执行化学机械研磨，直至绝缘层的顶部平坦化。本发明还提供一种测量方法，包括：将制备好的测量样品分割为结构完全相同的第一子样品和第二子样品；分别对第一子样品和第二子样品实施二次离子质谱分析和透射电子显微镜横截面分析；将得到的分析数据传送至工艺计算机辅助设计工具模拟计算分析得到鳍片掺杂浓度分布。由此提高测量精确度。

Description

一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法和测量样品制备 方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法和测量样品制备方法。

背景技术

对于平面晶体管而言，通常采用二次离子质谱(SIMS)来分析得到硅片的从表面垂直向下的面积在50平方微米范围内的掺杂离子浓度分布。对于FinFET晶体管而言，其鳍片(Fin)作为晶体管的沟道，属于三维立体结构，单独采用二次离子质谱来分析得到鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布是不可行的。

因此，需要提出一种方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，在一个实施例中，本发明提供一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量样品制备方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成多个鳍片，在所述鳍片的顶部形成有硬掩膜层；形成衬垫氧化物层，以覆盖所述半导体衬底的表面、所述鳍片的侧壁以及所述硬掩膜层的侧壁和顶部；在所述鳍片之间形成隔离结构；沉积绝缘层，以完全填充所述鳍片之间的间隙；执行化学机械研磨，直至所述绝缘层的顶部平坦化。

在一个示例中，在形成所述鳍片之前或者形成所述隔离结构之后，对所述半导体衬底实施SSRW离子注入，以在所述半导体衬底中形成掺杂离子浓度分布为陡峭的反三角势阱。

在一个示例中，所述绝缘层的厚度为1000-2000埃；实施所述研磨之后，所述绝缘层的顶部与所述鳍片的顶部之间的垂直距离为50-100埃。

在一个示例中，所述鳍片的宽度全部相同，或者所述鳍片分为具有不同宽度的多个鳍片组。

在一个示例中，形成所述鳍片的工艺步骤包括：在所述半导体衬底上形成硬掩膜层；图案化所述硬掩膜层，形成用于蚀刻所述半导体衬底以在其上形成所述鳍片的多个彼此隔离的掩膜；蚀刻所述半导体衬底以在其上形成所述鳍片。

在一个示例中，采用自对准双图案工艺实施所述图案化过程。

在一个示例中，所述硬掩膜层包括自下而上层叠的氧化物层和氮化硅层。

在一个示例中，形成所述隔离结构的工艺步骤包括：沉积形成隔离材料层，以完全覆盖所述鳍片；执行化学机械研磨工艺研磨所述隔离材料层，以露出所述硬掩膜层的顶部；实施回蚀刻以去除所述硬掩膜层、部分所述衬垫氧化物层和部分所述隔离材料层。

在另一个实施例中，本发明还提供一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法，包括：将制备好的测量样品分割为结构完全相同的第一子样品和第二子样品；分别对所述第一子样品和所述第二子样品实施二次离子质谱分析和透射电子显微镜横截面分析；将所述二次离子质谱分析得到的所述第一子样品的从表面垂直向下的掺杂离子浓度分布数据和所述透射电子显微镜横截面分析得到的所述第二子样品中的鳍片的从顶部到底部的形貌数据传送至工艺计算机辅助设计工具；通过所述工艺计算机辅助设计工具模拟计算分析得到所述鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布。

在一个示例中，所述测量样品采用如上述任一测量样品制备方法制备而成。

根据本发明，可以获得精确的有关鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布趋势，从而消除TCAD模拟误差所引发的测试分析偏差。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1A-图1F为根据本发明示例性实施例一的测量样品制备方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；

图2A-图2F为根据本发明示例性实施例二的测量样品制备方法方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；

图3为根据本发明示例性实施例三的FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法依次实施的步骤的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法和测量样品制备方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

目前通过以下两种方法来获取鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布：第一，借助工艺计算机辅助设计工具(TCAD)模拟分析得到鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布；第二，先对平面晶体管实施与FinFET晶体管相同的浓度分布为陡峭的反三角势阱(SSRW)的沟道掺杂离子注入，再通过二次离子质谱分析得到掺杂离子浓度分布的数据，最后结合TCAD的模拟分析间接得到鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布。由于TCAD的模拟分析存在固有误差以及FinFET晶体管和平面晶体管之间存在固有的结构差异，通过上述两种方法得到的鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布并不符合实际情况。本发明提出一种新的FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法和测量样品制备方法，可以获得精确的有关鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布趋势，从而消除TCAD模拟误差所引发的测试分析偏差。

[示例性实施例一]

参照图1A-图1F，其中示出了根据本发明示例性实施例一的测量样品制备方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。

首先，如图1A所示，提供半导体衬底100，半导体衬底100的构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅等。作为示例，在一个实施例中，半导体衬底100选用单晶硅材料构成。然后，对半导体衬底100实施SSRW离子注入110，以在半导体衬底100中形成掺杂离子浓度分布为陡峭的反三角势阱。

接着，如图1B所示，在半导体衬底100上形成多个鳍片100’，鳍片100’的宽度全部相同，或者鳍片100’分为具有不同宽度的多个鳍片组。形成鳍片100’的工艺步骤包括：在半导体衬底100上形成硬掩膜层，形成所述硬掩膜层可以采用本领域技术人员所熟习的各种适宜的工艺，例如化学气相沉积工艺，所述硬掩膜层可以为自下而上层叠的氧化物层101和氮化硅层102；图案化所述硬掩膜层，形成用于蚀刻半导体衬底100以在其上形成鳍片100’的多个彼此隔离的掩膜，在一个实施例中，采用自对准双图案(SADP)工艺实施所述图案化过程；蚀刻半导体衬底100以在其上形成鳍片100’。

接着，如图1C所示，形成衬垫氧化物层103，以覆盖半导体衬底100的表面、鳍片100’的侧壁以及所述硬掩膜层的侧壁和顶部。在一个实施例中，采用现场蒸汽生成工艺(ISSG)形成衬垫氧化物层103。

接着，如图1D所示，在鳍片100’之间形成隔离结构104。形成隔离结构104的工艺步骤包括：沉积形成隔离材料层，以完全覆盖鳍片100’，所述隔离材料层的材料可以为氧化物，例如HARP；执行化学机械研磨工艺研磨所述隔离材料层，以露出所述硬掩膜层的顶部；去除所述硬掩膜层、部分衬垫氧化物层103和部分所述隔离材料层，以形成隔离结构104，在一个实施例中，采用回蚀刻工艺去除所述硬掩膜层、部分衬垫氧化物层103和部分所述隔离材料层，所述回蚀刻为干法蚀刻或湿法蚀刻。

接着，如图1E所示，沉积绝缘层105，以完全填充鳍片100’之间的间隙。在一个实施例中，采用化学气相沉积工艺(CVD)实施所述沉积。绝缘层105的材料优选氧化物，例如SiO2。绝缘层105的厚度为1000-2000埃。

接着，如图1F所示，执行化学机械研磨，直至绝缘层105的顶部与鳍片100’的顶部之间的垂直距离为50-100埃。此时，绝缘层105的顶部已经平坦化，可以满足后续实施二次离子质谱分析的要求。

至此，完成了根据本发明示例性实施例一的测量样品制备方法实施的工艺步骤。

[示例性实施例二]

参照图2A-图2F，其中示出了根据本发明示例性实施例二的测量样品制备方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。

首先，如图2A所示，提供半导体衬底200，半导体衬底200的构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅等。作为示例，在一个实施例中，半导体衬底200选用单晶硅材料构成。

接下来，在半导体衬底200上形成多个鳍片200’，鳍片200’的宽度全部相同，或者鳍片200’分为具有不同宽度的多个鳍片组。形成鳍片200’的工艺步骤包括：在半导体衬底200上形成硬掩膜层，形成所述硬掩膜层可以采用本领域技术人员所熟习的各种适宜的工艺，例如化学气相沉积工艺，所述硬掩膜层可以为自下而上层叠的氧化物层201和氮化硅层202；图案化所述硬掩膜层，形成用于蚀刻半导体衬底200以在其上形成鳍片200’的多个彼此隔离的掩膜，在一个实施例中，采用自对准双图案(SADP)工艺实施所述图案化过程；蚀刻半导体衬底200以在其上形成鳍片200’。

接着，如图2B所示，形成衬垫氧化物层203，以覆盖半导体衬底200的表面、鳍片200’的侧壁以及所述硬掩膜层的侧壁和顶部。在一个实施例中，采用现场蒸汽生成工艺(ISSG)形成衬垫氧化物层203。

接着，如图2C所示，在鳍片200’之间形成隔离结构204。形成隔离结构204的工艺步骤包括：沉积形成隔离材料层，以完全覆盖鳍片200’，所述隔离材料层的材料可以为氧化物，例如HARP；执行化学机械研磨工艺研磨所述隔离材料层，以露出所述硬掩膜层的顶部；去除所述硬掩膜层、部分衬垫氧化物层203和部分所述隔离材料层，以形成隔离结构204，在一个实施例中，采用回蚀刻工艺去除所述硬掩膜层、部分衬垫氧化物层203和部分所述隔离材料层，所述回蚀刻为干法蚀刻或湿法蚀刻。

接着，如图2D所示，对半导体衬底200实施SSRW离子注入210，以在半导体衬底200和鳍片200’中形成掺杂离子浓度分布为陡峭的反三角势阱。

接着，如图2E所示，沉积绝缘层205，以完全填充鳍片200’之间的间隙。在一个实施例中，采用化学气相沉积工艺(CVD)实施所述沉积。绝缘层205的材料优选氧化物，例如SiO2。绝缘层205的厚度为1000-2000埃。

接着，如图2F所示，执行化学机械研磨，直至绝缘层205的顶部与鳍片200’的顶部之间的垂直距离为50-100埃。此时，绝缘层205的顶部已经平坦化，可以满足后续实施二次离子质谱分析的要求。

至此，完成了根据本发明示例性实施例二的测量样品制备方法实施的工艺步骤。

[示例性实施例三]

参照图3，其中示出了根据本发明示例性实施例三的FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法依次实施的步骤的流程图，用于简要示出实施所述测量的流程。

在步骤301中，如图1F和图2F所示，将制备好的测量样品分割为结构完全相同的第一子样品S1和第二子样品S2；

在步骤302中，分别对第一子样品S1和第二子样品S2实施二次离子质谱分析和透射电子显微镜横截面分析；

在步骤303中，将二次离子质谱分析得到的第一子样品S1的从表面垂直向下的掺杂离子浓度分布数据和透射电子显微镜横截面分析得到的第二子样品S2中的鳍片100’(200’)的从顶部到底部的形貌数据传送至工艺计算机辅助设计工具；

在步骤304中，通过工艺计算机辅助设计工具模拟计算分析得到鳍片100’(200’)的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布。

透射电子显微镜横截面分析得到的所述形貌数据包括鳍片100’(200’)的顶部特征尺寸、底部特征尺寸、侧壁的倾斜角度等，由此可以计算出测量样品的从表面垂直向下的任一深度处的已掺杂的鳍片100’(200’)的横截面积占该深度处的测量样品的总横截面积的百分比。然后，将二次离子质谱分析得到的该深度处的掺杂离子浓度数据除以该百分比，可以得到在该深度处的鳍片100’(200’)的掺杂离子浓度，以此类推，可以得到完整精确的鳍片100’(200’)的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布。

根据本发明，可以获得精确的有关鳍片100’(200’)的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布趋势，从而消除TCAD模拟误差所引发的测试分析偏差。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量样品制备方法，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成多个鳍片，在所述鳍片的顶部形成有硬掩膜层；

形成衬垫氧化物层，以覆盖所述半导体衬底的表面、所述鳍片的侧壁以及所述硬掩膜层的侧壁和顶部；

在所述鳍片之间形成隔离结构；

沉积绝缘层，以完全填充所述鳍片之间的间隙；

执行化学机械研磨，直至所述绝缘层的顶部平坦化。

2.根据权利要求1所述的测量样品制备方法，其特征在于，在形成所述鳍片之前或者形成所述隔离结构之后，对所述半导体衬底实施SSRW离子注入，以在所述半导体衬底中形成掺杂离子浓度分布为陡峭的反三角势阱。

3.根据权利要求1所述的测量样品制备方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度为1000-2000埃；实施所述研磨之后，所述绝缘层的顶部与所述鳍片的顶部之间的垂直距离为50-100埃。

4.根据权利要求1所述的测量样品制备方法，其特征在于，所述鳍片的宽度全部相同，或者所述鳍片分为具有不同宽度的多个鳍片组。

5.根据权利要求4所述的测量样品制备方法，其特征在于，形成所述鳍片的工艺步骤包括：在所述半导体衬底上形成硬掩膜层；图案化所述硬掩膜层，形成用于蚀刻所述半导体衬底以在其上形成所述鳍片的多个彼此隔离的掩膜；蚀刻所述半导体衬底以在其上形成所述鳍片。

6.根据权利要求5所述的测量样品制备方法，其特征在于，采用自对准双图案工艺实施所述图案化过程。

7.根据权利要求1所述的测量样品制备方法，其特征在于，所述硬掩膜层包括自下而上层叠的氧化物层和氮化硅层。

8.根据权利要求1所述的测量样品制备方法，其特征在于，形成所述隔离结构的工艺步骤包括：沉积形成隔离材料层，以完全覆盖所述鳍片；执行化学机械研磨工艺研磨所述隔离材料层，以露出所述硬掩膜层的顶部；实施回蚀刻以去除所述硬掩膜层、部分所述衬垫氧化物层和部分所述隔离材料层。

9.一种FinFET鳍片掺杂浓度分布的测量方法，包括：

将制备好的测量样品分割为结构完全相同的第一子样品和第二子样品，其中，所述测量样品采用如权利要求1-8中的任一测量样品制备方法制备而成；

分别对所述第一子样品和所述第二子样品实施二次离子质谱分析和透射电子显微镜横截面分析；

将所述二次离子质谱分析得到的所述第一子样品的从表面垂直向下的掺杂离子浓度分布数据和所述透射电子显微镜横截面分析得到的所述第二子样品中的鳍片的从顶部到底部的形貌数据传送至工艺计算机辅助设计工具；

通过所述工艺计算机辅助设计工具模拟计算分析得到所述鳍片的从顶部到底部的掺杂离子浓度分布。