CN108550532A - 一种测量半导体鳍部粗糙度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量半导体鳍部粗糙度的方法，包括以下步骤：步骤S01：提供一表面形成有半导体鳍部的衬底；步骤S02：将一金属电极放置在半导体鳍部的一侧；步骤S03：将半导体鳍部接地，并对金属电极施加一定电压；步骤S04：记录金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时产生的电场力，以根据电场力的大小来测量半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度。本发明方法简单，成本低，可解决其他测量仪器无法有效测量半导体鳍部侧壁粗糙度的问题。

Description

一种测量半导体鳍部粗糙度的方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种测量半导体鳍部粗糙度的方法。
背景技术
随着半导体工艺的不断发展，半导体工艺节点遵循摩尔定律的发展趋势不断减小。为了适应工艺节点的减小，不得不不断缩短MOSFET场效应管的沟道长度。沟道长度的缩短具有增加芯片的管芯密度，增加MOSFET场效应管的开关速度等好处。但随着器件沟道长度的缩短，器件的特征尺寸(CD：criticalDimension)也相应地下降，这很容易使得亚阈值漏电，即容易发生所谓的短沟道效应(SCE：short-channel effects)。
因此，为了更好地适应器件尺寸按比例缩小的要求，半导体工艺逐渐开始从平面MOSFET晶体管向具有更高效的三维立体式晶体管过渡，如鳍式场效应晶体管(FinFET)。然而，当前业界在形成FinFET的鳍部(Fin)时，为了得到垂直的鳍部，都是采用反应离子刻蚀(RIE：Reactive Ion Etching)的刻蚀工艺。这种蚀刻的原理是，当在平板电极之间施加10～100MHz的高频电压(RF，radio frequency)时会产生数百微米厚的离子层(ion sheath)，离子高速撞击试样而完成化学反应蚀刻。这就导致了在形成FinFET的鳍部时，鳍部的表面粗糙度不一样(有0.1nm到1nm之间的粗糙度差异)。半导体鳍部表面的粗糙度过高，会使得过渡层栅介质层产生缺陷，形成电荷捕获陷阱，进而影响器件性能。
在实际生产过程中,如何在线测量FinFET鳍部表面的粗糙度已成为迫切需要解决的问题。在目前半导体制造技术中，表面粗糙度的测量多采用原子力显微镜(AFM：atomicforce microscope)来定量测量表面粗糙度，其原理是利用针尖和原子间的作用力来表征形貌。但是这种方法在测量表面粗糙度时也受到一定的限制，第一：由于鳍部是垂直的，鳍部侧壁的凹凸(粗糙度)探针无法触及，所以也就达不到测量粗糙度的效果；第二，由于鳍部和鳍部之间的距离越来越小，而探针本身不能无限制地细化，也就不能伸到鳍部侧壁，这也同样起不到测量粗糙度的效果。
黄如等在申请号为201310187691.6的中国发明专利申请中揭示了一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，通过在Fin一侧插入光纤探头，然后发射入射光，收集散射的光束，将光束转化为电信号输出，根据该信号计算得到表面粗糙度。然而，这种方法存在的致命缺点是，其入射光的光斑太大。目前，光斑直径最小也有2nm，这对表面粗糙度在1nm以下的Fin来说，只能测量一块区域的值，其输出的信号也是一块区域内的平均值，根本无法真正意义上测量出真实的Fin侧壁的粗糙度。
针对这些问题，急需提出一种可以在线测量鳍部(Fin)表面粗糙度的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种测量半导体鳍部粗糙度的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种测量半导体鳍部粗糙度的方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一表面形成有半导体鳍部的衬底；
步骤S02：将一金属电极放置在半导体鳍部的一侧；
步骤S03：将半导体鳍部接地，并对金属电极施加一定电压；
步骤S04：记录金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时产生的电场力，以根据电场力的大小来测量半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度。
优选地，步骤S02中，将所述金属电极与半导体鳍部在垂直方向上相平行设置。
优选地，步骤S04中，将所述金属电极以步进方式放入到半导体鳍部的一侧，直至放入到半导体鳍部的侧壁底部为止。
优选地，以步进方式放入所述金属电极时，每进入一点，记录一次电场力的大小，直到半导体鳍部的侧壁底部为止。
优选地，步骤S03中，对所述金属电极施加0.1V至5V的电压。
优选地，将一金属探针的一端与半导体鳍部的顶部接触，使半导体鳍部通过金属探针的另一端接地。
优选地，所述半导体鳍部的材料为硅，所述金属电极由石墨，铁，镍或铂材料中的至少一种构成。
优选地，将金属电极与一计算机设备相连，以记录金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时产生的电场力，以及根据电场力的大小来测量半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度
优选地，所述计算机设备包括数据收集单元、计算单元和输出单元，通过数据收集单元收集金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时与半导体鳍部侧壁之间的距离，通过计算单元计算出电场力的大小并记录，进一步计算出对应位置的粗糙度，再通过输出单元输出计算值。
优选地，所述电场力的计算满足以下公式：
E＝U/d
其中，E是电场力，U是施加在金属电极上的固定电压，d是金属电极到半导体鳍部侧壁的距离。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在半导体鳍部一侧放置一金属电极，将半导体鳍部接地，并对金属电极施加一定的电压，这样在金属电极和半导体鳍部之间就会产生一个电场，从而可计算出电场力；由于半导体鳍部侧壁的表面粗糙度不一，到金属电极的距离也不一样，产生的电场力也不同，因而根据电场力的不同，可以测量出半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度。本发明方法简单，成本低，可解决了其他测量仪器无法有效测量半导体鳍部侧壁粗糙度的问题。
附图说明
图1是本发明的一种测量半导体鳍部粗糙度的方法流程示意图；
图2-图5是根据图1的方法进行半导体鳍部粗糙度测量的步骤示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明的一种测量半导体鳍部粗糙度的方法流程示意图；同时，请参阅图2-图5，图2-图5是根据图1的方法进行半导体鳍部粗糙度测量的步骤示意图。如图1所示，本发明的一种测量半导体鳍部粗糙度的方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一表面形成有半导体鳍部的衬底。
请参阅图2。提供一半导体衬底100，并在半导体衬底100上形成半导体鳍部(Fin)101。图中以波浪线表示了Fin(鳍部)101的侧壁具有的粗糙度形态。半导体衬底100的材料可为单晶硅、多晶硅或非晶硅形成的硅材料，或是绝缘硅材料(SOI)，还可以是其他半导体材料或其他结构。Fin(鳍部)101的形成方法可采用业界通用的自对准双重曝光(SADP：self-aligneddouble patterning)工艺。Fin(鳍部)101的材料是硅。
步骤S02：将一金属电极放置在半导体鳍部的一侧。
请参阅图3。接下来，在Fin101侧壁以外位置加入一个金属电极102。可将金属电极102与半导体鳍部101在垂直方向上相平行设置。金属电极102可由石墨，铁，镍或铂等常见的金属材料中的至少一种构成。
步骤S03：将半导体鳍部接地，并对金属电极施加一定电压。
请参阅图3。将半导体鳍部接地的具体方法可以是：将另一个金属探针103放在Fin(鳍部)101的顶部，可将金属探针103的一端扎在半导体鳍部101的顶部，以与半导体鳍部101的顶部相接触，并将金属探针103的另一端接地，这样，半导体鳍部101就可通过金属探针103的另一端进行接地。
请参阅图4。接下来，在金属电极102上施加一定的电压104，例如，可对金属电极102施加0.1V至5V的电压。
步骤S04：记录金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时产生的电场力，以根据电场力的大小来测量半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度。
请参阅图5。接下来，可将金属电极102以步进方式放入到半导体鳍部101的一侧，直至放入到半导体鳍部101的侧壁底部为止。记录产生的电场力，根据电场力的不同，可以测量出Fin101侧壁不同位置的粗糙度。
以步进方式放入金属电极102时，每进入一点时，就可记录一次电场力的大小，直到半导体鳍部101的侧壁底部为止。
当前业界在形成FinFET的Fin(鳍部)时，为了得到垂直的Fin(鳍部)，都是采用反应离子刻蚀(RIE：Reactive Ion Etching)的刻蚀工艺，这种蚀刻的原理是，当在平板电极之间施加10～100MHz的高频电压(RF，radiofrequency)时会产生数百微米厚的离子层(ionsheath)，离子高速撞击试样而完成化学反应蚀刻，这就导致了在形成Fin(鳍部)时，Fin(鳍部)的表面粗糙度不一样(有0.1nm到1nm之间的粗糙度差异)。半导体鳍部表面的粗糙度过高，会使得过渡层栅介质层产生缺陷，形成电荷捕获陷阱，进而影响器件性能。现有技术在测量Fin(鳍部)表面粗糙度时，由于存在各种不足，无法真正意义上测量出真实的Fin侧壁表面的粗糙度。
本发明通过在Fin的侧壁加一金属电极，将另一金属探针放在Fin(鳍部)的顶部，探针的另一端接地，相当于Fin始终不带电，这样金属电极和Fin之间就会产生一个电场。本发明的原理是基于Fin侧壁表面粗糙不一，Fin到金属电极的距离不同，在一定电压下，产生的电场力不同，再根据电场力的大小，就可以测量出Fin侧壁的粗糙度。这种方法装置结构简单，成本低，解决了其他测量仪器无法测量侧壁粗糙度的问题。
可使用一个计算机设备105来记录Fin101侧壁不同位置的电场力。可将金属电极102与一计算机设备105相连，以记录金属电极102处于半导体鳍部101侧壁不同位置时产生的电场力，以及根据电场力的大小来测量半导体鳍部101侧壁不同位置的粗糙度
计算机设备105可包括数据收集单元、计算单元和输出单元，通过数据收集单元收集金属电极102处于半导体鳍部101侧壁不同位置时与半导体鳍部101侧壁之间的距离，通过计算单元计算出电场力的大小并记录，进一步计算出对应位置的粗糙度，再通过输出单元输出计算值。
电场力的计算满足以下公式：
E＝U/d
其中，E是电场力，U是施加在金属电极上的固定电压，d是金属电极到半导体鳍部侧壁的距离。
在完成上述步骤后，可继续执行其他工艺，完成整个器件的制造流程。这些工艺步骤可以采用本领域技术人员所熟悉的方法形成，在此不赘述。可见，本发明形成FinFET结构的制造工艺与标准工艺是完全兼容的。
综上，本发明通过在半导体鳍部一侧放置一金属电极，将半导体鳍部接地，并对金属电极施加一定的电压，这样在金属电极和半导体鳍部之间就会产生一个电场，从而可计算出电场力；由于半导体鳍部侧壁的表面粗糙度不一，到金属电极的距离也不一样，产生的电场力也不同，因而根据电场力的不同，可以测量出半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度。本发明方法简单，成本低，并有效解决了其他测量仪器无法测量半导体鳍部侧壁粗糙度的问题。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一表面形成有半导体鳍部的衬底；
步骤S02：将一金属电极放置在半导体鳍部的一侧；
步骤S03：将半导体鳍部接地，并对金属电极施加一定电压；
步骤S04：记录金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时产生的电场力，以根据电场力的大小来测量半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度。
2.根据权利要求1所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，步骤S02中，将所述金属电极与半导体鳍部在垂直方向上相平行设置。
3.根据权利要求1所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，步骤S04中，将所述金属电极以步进方式放入到半导体鳍部的一侧，直至放入到半导体鳍部的侧壁底部为止。
4.根据权利要求3所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，以步进方式放入所述金属电极时，每进入一点，记录一次电场力的大小，直到半导体鳍部的侧壁底部为止。
5.根据权利要求1所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，步骤S03中，对所述金属电极施加0.1V至5V的电压。
6.根据权利要求1所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，将一金属探针的一端与半导体鳍部的顶部接触，使半导体鳍部通过金属探针的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，所述半导体鳍部的材料为硅，所述金属电极由石墨，铁，镍或铂材料中的至少一种构成。
8.根据权利要求1所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，将金属电极与一计算机设备相连，以记录金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时产生的电场力，以及根据电场力的大小来测量半导体鳍部侧壁不同位置的粗糙度。
9.根据权利要求8所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，所述计算机设备包括数据收集单元、计算单元和输出单元，通过数据收集单元收集金属电极处于半导体鳍部侧壁不同位置时与半导体鳍部侧壁之间的距离，通过计算单元计算出电场力的大小并记录，进一步计算出对应位置的粗糙度，再通过输出单元输出计算值。
10.根据权利要求9所述的测量半导体鳍部粗糙度的方法，其特征在于，所述电场力的计算满足以下公式：
E＝U/d
其中，E是电场力，U是施加在金属电极上的固定电压，d是金属电极到半导体鳍部侧壁的距离。
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