CN107452639A

CN107452639A - 检测离子浓度的方法

Info

Publication number: CN107452639A
Application number: CN201610377362.1A
Authority: CN
Inventors: 李震远; 史江北; 安云玲; 刘传军
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Tianjin Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Tianjin Corp
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: CN107452639B

Abstract

本发明提供的检测离子浓度的方法，包括：提供半导体衬底，在半导体衬底的表面形成阵列分布的测试垫，测试垫中具有掺杂离子，且相邻测试垫之间的间隔均相等；采用二次离子质谱分析半导体衬底，在阵列分布的测试垫中扫描呈方形的第一区域，第一区域的边长大于测试垫的边长，且小于阵列分布的测试垫的总长度；收集第二区域中的掺杂离子以及半导体衬底的二次离子信号，第二区域为位于第一区域中呈方形的区域，第二区域的边长大于测试垫的边长，且第二区域至少完全覆盖一个测试垫；对二次离子信号中的半导体衬底的信号进行修正，得到掺杂离子的含量。本发明中，采用阵列分布的测试垫，离子束扫描的范围可扩大，降低检测的难度，提高检测的精度。

Description

检测离子浓度的方法

技术领域

本发明涉及半导体集成制造技术领域，特别涉及一种检测离子浓度的方法。

背景技术

半导体制造中掺杂离子的精确性将直接影响到产品众多电性参数的好坏。由于机器异常、工艺设计缺陷等因素，导致外延生长过程中掺杂离子的浓度等产生偏差。现有技术中，通常采用二次离子质谱分析(SIMS)对半导体器件的掺杂离子进行检测，SIMS可以分析包括氢在内的全部元素并能给出同位素的信息，分析化合物组分和分子结构。SIMS具有很高的灵敏度，可达到ppm甚至ppb的量级。通过SIMS可以直接定性定量的分析掺杂离子的浓度信息，从而分析掺杂离子状态是否符合要求，工艺设计是否达到了预期目标。随着技术的不断进步，半导体器件尺寸越来越小，从而对离子注入的精确性要求越来越高，

通常，在外延生长的同时，在半导体衬底上形成用于进行SIMS测试的测试垫，对测试垫中的掺杂离子进行二次离子质谱分析。然而，由于测试垫的尺寸越来越小，在二次离子质谱分析的过程中，需要的电流很低，束斑很小的离子束，使得离子束轰击的区域要对准测试垫，并不能扫描到测试垫之外的区域，以保证分析准确性。因此，对二次离子质谱分析的设备和操作人员的技术都提出了较苛刻的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种检测离子浓度的方法，解决现有技术中掺杂离子浓度的检测精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种检测离子浓度的方法，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底的表面形成阵列分布的测试垫，所述测试垫中具有掺杂离子，且相邻所述测试垫之间的间隔均相等；

采用二次离子质谱分析所述半导体衬底，在所述阵列分布的测试垫中扫描呈方形的第一区域，所述第一区域的边长大于所述测试垫的边长，且小于所述阵列分布的测试垫的总长度；

收集第二区域中的掺杂离子以及半导体衬底的二次离子信号，所述第二区域为位于所述第一区域中呈方形的区域，所述第二区域的边长大于所述测试垫的边长，且所述第二区域至少完全覆盖一个所述测试垫；

对所述二次离子信号中的半导体衬底的信号进行修正，得到所述掺杂离子的含量。

可选的，对所述二次离子信号中的半导体衬底的信号进行修正的步骤包括：

采用二次离子质谱分析所述半导体衬底中无掺杂离子的第三区域，获取单位面积的所述第三区域的半导体衬底的二次离子信号K；

将所述第二区域的半导体衬底的信号减去S×K/S’，S为所述第二区域覆盖的所述间隔的总面积，S’为所述第二区域的面积。

可选的，在所述半导体衬底的表面形成m行p列的所述测试垫，所述测试垫呈正方形形状，m，p为大于等于2的正整数。

可选的，所述测试垫的边长为500nm～2000nm。

可选的，所述第一区域为边长L1的正方形，所述第二区域为边长L2的正方形，S’＝L2²。

可选的，所述第二区域覆盖的间隔的总面积S＝2×d×n-(d×n)²，其中，d为相邻测试垫间隔的距离，n为所述第二区域覆盖的间隔的条数，n＝2(|L2/a|+1)，a为所述测试垫的边长。

可选的，所述半导体衬底的表面形成m行m列的所述测试垫，所述阵列分布的测试垫呈正方形形状。

可选的，相邻测试垫间隔的距离d＝(b-ma)/(m-1)，b为所述阵列分布的测试垫的总长度。

可选的，所述第二区域完全覆盖一个所述测试垫，所述第二区域覆盖四条所述间隔。

可选的，所述测试垫中具有锗、硼的掺杂离子，所述间隔为未掺杂的硅。

可选的，所述测试垫包括依次位于所述半导体衬底上的第一外延层、第二外延层和第三外延层，所述第一外延层中锗的含量为10％～30％，第二外延层中锗的含量为30％～50％，硼的掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰原子个数/cm³，第三外延层中锗的含量为0。

可选的，所述阵列分布的测试垫位于所述半导体衬底的切割道区域。

可选的，所述第二区域的一边长与所述测试垫的一边长之间的夹角为一锐角。

可选的，所述第一区域的中心与所述第二区域的中心相同。

可选的，采用氧离子束对所述阵列分布的测试垫进行二次离子质谱分析，所述氧离子束的电流为5nA～20nA。

本发明提供的检测离子浓度的方法中，在半导体衬底的表面形成阵列分布的测试垫，测试垫中具有掺杂离子，且相邻测试垫的间隔均相等，采用二次离子质谱分析阵列分布的测试垫，在阵列分布的测试垫中扫描呈正方形的第一区域，并收集位于第一区域中呈正方形的第二区域的掺杂离子以及半导体衬底的二次离子信号，且第二区域的边长大于测试垫的边长，完全覆盖至少一个测试垫，之后，对二次离子信号中的半导体衬底的二次离子信号进行修正，从而得到测试垫中掺杂离子的含量。本发明中，采用阵列分布的测试垫，离子束扫描的范围可以扩大，降低检测的难度，并提高检测的精度。

附图说明

图1为本发明一实施例中检测离子浓度的方法流程图；

图2为本发明一实施例中阵列分布的测试垫的结构示意图；

图3为本发明一实施例中阵列分布的测试垫的二次离子信号；

图4为本发明另一实施例中阵列分布的测试垫的结构示意图；

图5为本发明一实施例中掺杂离子的二次离子信号。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的检测离子浓度的方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种检测离子浓度的方法，在半导体衬底的表面形成阵列分布的测试垫，测试垫中具有掺杂离子，且相邻测试垫的间隔均相等，采用二次离子质谱分析阵列分布的测试垫，在阵列分布的测试垫中扫描呈正方形的第一区域，并收集位于第一区域中呈正方形的第二区域的掺杂离子以及半导体衬底的二次离子信号，其中，第二区域的边长大于测试垫的边长，且第二区域完全覆盖至少一个测试垫，之后，对二次离子信号中的半导体衬底的二次离子信号进行修正，从而得到测试垫中掺杂离子的含量。本发明中，采用阵列分布的测试垫，离子束扫描的范围可以扩大，降低检测的难度，并提高检测的精度。

以下结合图1～图4对本发明的检测离子浓度的方法进行详细说明。参考图1和图2中所示，图1为本发明的检测离子浓度的方法流程图，图2中检测离子浓度的结构图，本发明的检测离子浓度的方法包括如下步骤：

首先，执行步骤S1，提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有一测试区10，在本实施例中，所述测试区10为半导体衬底的切割道区域，从而测试区10中形成的结构不会对半导体衬底的其他器件结构产生影响，也不会增加额外的工艺制程。接着，在所述半导体衬底的表面的测试区10形成阵列分布的测试垫11，所述测试垫11中具有掺杂离子，且相邻测试垫11之间的间隔均相等。本实施例中，所述半导体衬底为硅衬底，在部分的所述半导体衬底上进行硅外延，并且在硅外延的同时进行锗(Ge)、硼(B)的掺杂，使得所述测试垫11中具有锗、硼的掺杂离子。可以理解的是，本发明的半导体衬底中还包括器件区，在对器件区进行外延形成锗硅源漏区的同时，在测试区形成测试垫11。并且，在形成测试垫11过程中，先在间隔中形成氮化硅的掩膜，形成测试垫11之后，将氮化硅的掩膜去除，从而使得所述间隔中为未掺杂的硅(un-doped Si)。

更具体的，所述测试垫11包括依次位于所述半导体衬底上的第一外延层、第二外延层和第三外延层，所述第一外延层为锗硅外延层，其中锗的比例为10％～30％，第一外延层作为种籽层，第二外延层为掺杂硼的锗硅外延层，其中锗的比例为30％～50％，硼的掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰原子个数/cm³，第三外延层为外延硅层，其不含锗，锗离子的含量为0，而对外延硅进行硼离子掺杂，硼的掺杂浓度为10¹⁶～10²²原子个数/cm^3，，第三外延层作为顶层覆盖层。

继续参考图2所示，本发明中，在所述半导体衬底的表面形成m行p列的所述测试垫11，其中，m、p为大于等于2的正整数，优选的，所述测试垫11呈正方形形状，测试垫11的边长为a。更进一步的，本实施例中在测试区10中形成m行m列的测试垫11，阵列分布的测试垫11的总长度为b，相邻的测试垫11之间的间隔均为d，图2中以4行4列的测试垫为例进行说明。当然，本领域技术人员可以理解的是，本发明中的测试垫并不限于形成4行4列的结构，还可以形成3行3列的结构，或者6行6列的结构，或4行3列的结构等，本发明对此不予限制。

执行步骤S2，将所述半导体衬底送入二次离子质谱分析仪中进行测试，采用二次离子质谱分析所述半导体衬底。在测试过程中，在所述阵列分布的测试垫11中扫描呈方形的第一区域21，本实施例中，所述第一区域21呈正方形，所述第一区域21的边长为L1，所述第一区域21的边长L1大于所述测试垫11的边长a、小于所述阵列分布的测试垫11的总长度b。然而，本实施例中，所述第一区域21并不限于为正方形、还可以为长方形。在本实施例中，采用氧离子束对所述阵列分布的测试垫11进行二次离子质谱分析，其中，所述氧离子束的电流为5nA～20nA。本发明中，采用阵列分布的测试垫，在之后对二次离子信号进行修正，从而离子束扫描的范围可以扩大，并扫描在间隔的区域，因此，本发明中可以降低检测的难度，同时提高检测的精度。

执行步骤S3，收集一第二区域22中的掺杂离子以及半导体衬底的二次离子信号，第二区域22为位于所述第一区域21中呈方形的区域，本实施例中，所述第二区域22呈正方形，所述第二区域22的边长L2大于所述测试垫11的边长a、小于第一区域21的边长L1。然而，本实施例中，所述第二区域22并不限于为正方形、还可以为长方形，以便于在半导体衬底的二次离子信号进行修正过程中计算间隔的面积，。

并且，本发明中，所述第二区域22至少完全覆盖一个测试垫11。具体的，将一定能量的离子源向第二区域22，第二区域22中的物质发生离子溅射形成二次离子，二次离子被接收器接收，接收器对接收到的二次离子的元素种类、浓度进行分析。参考图3中所示，采用二次离子质谱分析可以得到第二区域22中的锗、硅、硼的离子浓度随探测深度的关系曲线。需要说明的是，由于离子束在扫描的过程中，离子束扫描的半导体衬底的表面形成凹陷，并且，第一区域21为倒梯形的结构，因此，在收集二次离子信号时，选取第一区域21中的第二区域22的信号，且第二区域22的中心与第一区域21的中心相同，避免第一区域21边缘处的二次离子信号检测的偏差。此外，在扫描的过程中，扫描形成的第一区域21的边并不一定与测试垫11的边平行，而是成一定角度，通常为锐角，可以理解的是此为二次离子质谱分析仪本身的属性所决定的，因此，扫描形成的所述第二区域22的一边长与所述测试垫11的一边长之间的夹角为一锐角。

执行步骤S4，对所述二次离子信号中的半导体衬底的二次离子信号进行修正，即对半导体衬底的二次离子信号进行修正，得到掺杂离子的含量。在本发明中，对所述二次离子信号中的半导体衬底的二次离子信号进行修正的步骤包括：

首先，采用二次离子质谱分析所述半导体衬底中不含掺杂离子的第三区域(图中未示出)，仅测试第三区域中的半导体衬底的二次离子质谱信号，获取单位面积的半导体衬底的二次离子信号K。

接着，将所述第二区域22的半导体衬底的二次离子信号减去S×K/S’，从而得到第二区域22中的修正后的硅衬底的二次离子质谱信号。其中，S’为第二区域22的面积，本实施例中，S’＝L2²，S为所述第二区域22覆盖的所述间隔的总面积，所述第二区域22覆盖的间隔的总面积S＝2×d×n-(d×n)2，n为所述第二区域22覆盖的间隔的条数，n＝2(|L2/a|+1)，相邻测试垫11间隔的距离d＝(b-ma)/(m-1)，从图2中可知，所述第二区域22完全覆盖一个所述测试垫11，所述第二区域22覆盖四条所述间隔。继续参考题3中，硅衬底的二次离子信号减去S×K/L2²，从而得到修正之后的第二区域22中的硅的二次离子信号。

需要说明的是，本发明的其他实施例中，测试区10并非正方形，而形成的测试垫11并非成m行m列的阵列排布，而是形成m行p列的测试垫，m不等于p，例如，参考图4所示，形成4行3列的阵列的结构，然而，本发明中同样使得相邻测试垫11之间的间隔均相等，在该实施例中，行方向上的测试垫的总长度为b，列方向上的测试垫的总长度为b’，计算第二区域覆盖的间隔的面积时，间隔的距离还可以为d＝(b’-pa)/(p-1)。

参考图5中所示，对所述第二区域22的半导体衬底的二次离子信号进行修正之后，可以分别得到测试垫11中的硅、锗、硼的的含量随探测深度的关系。可以理解的是，本发明的测试过程中，采用阵列分布的测试垫，离子束扫描的范围可以扩大，降低检测的难度，并对检测的二次离子信号进行修正，使得检测的硅、锗、硼的的含量的精度更高。

综上所述，本发明的检测离子浓度的方法中，在半导体衬底的表面形成阵列分布的测试垫，测试垫中具有掺杂离子，且相邻测试垫的间隔均相等，采用二次离子质谱分析阵列分布的测试垫，在阵列分布的测试垫中扫描呈正方形的第一区域，并收集位于第一区域中呈正方形的第二区域的二次离子信号，其中，第二区域的边长大于测试垫的边长，且第二区域完全覆盖至少一个测试垫，之后，对二次离子信号中的半导体衬底的二次离子信号进行修正，从而得到测试垫中掺杂离子的含量。本发明中，采用阵列分布的测试垫，离子束扫描的范围可以扩大，降低检测的难度，并提高检测的精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种检测离子浓度的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，对所述二次离子信号中的半导体衬底的信号进行修正的步骤包括：

3.如权利要求2所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，在所述半导体衬底的表面形成m行p列的所述测试垫，所述测试垫呈正方形形状，m，p为大于等于2的正整数。

4.如权利要求3所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述测试垫的边长为500nm～2000nm。

5.如权利要求3所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述第一区域为边长L1的正方形，所述第二区域为边长L2的正方形，S’＝L2²。

6.如权利要求4所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述第二区域覆盖的间隔的总面积S＝2×d×n-(d×n)²，其中，d为相邻测试垫间隔的距离，n为所述第二区域覆盖的间隔的条数，n＝2(|L2/a|+1)，a为所述测试垫的边长。

7.如权利要求6所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述半导体衬底的表面形成m行m列的所述测试垫，所述阵列分布的测试垫呈正方形形状。

8.如权利要求7所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，相邻测试垫间隔的距离d＝(b-ma)/(m-1)，b为所述阵列分布的测试垫的总长度。

9.如权利要求1所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述第二区域完全覆盖一个所述测试垫，所述第二区域覆盖四条所述间隔。

10.如权利要求1所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述测试垫中具有锗、硼的掺杂离子，所述间隔为未掺杂的硅。

11.如权利要求10所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述测试垫包括依次位于所述半导体衬底上的第一外延层、第二外延层和第三外延层，所述第一外延层中锗的含量为10％～30％，第二外延层中锗的含量为30％～50％，硼的掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰原子个数/cm³，第三外延层中锗的含量为0。

12.如权利要求1所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述阵列分布的测试垫位于所述半导体衬底的切割道区域。

13.如权利要求1所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述第二区域的一边长与所述测试垫的一边长之间的夹角为一锐角。

14.如权利要求1所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，所述第一区域的中心与所述第二区域的中心相同。

15.如权利要求1所述的检测离子浓度的方法，其特征在于，采用氧离子束对所述阵列分布的测试垫进行二次离子质谱分析，所述氧离子束的电流为5nA～20nA。