CN110431407A - 多晶硅表征方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的各个方案提供了用于多晶硅表征的方法。该方法包括接收在样品衬底上形成的多晶硅结构的图像数据。该图像数据在空间域中并且由透射电子显微镜(TEM)生成。此外，方法包括在频域中提取该图像数据的频谱。然后，该方法包括选择该频谱的子集，该频谱的子集对应于第一取向的第一晶粒的特征，并且将该频谱的所选的子集变换到空间域中来构造该第一取向的第一晶粒的第一空间图像。

Description

多晶硅表征方法
背景技术
半导体制造中研发了垂直器件技术，比如三维(3D)NAND闪存技术等，在不需要更小的存储单元的前提下来实现更高的数据存储密度。在一些示例中，基于交替栅极层和绝缘层的堆叠层形成3D NAND存储器件。交替栅极层和绝缘层的堆叠层用于形成垂直堆叠的存储单元。该存储单元的沟道区域由诸如多晶硅的半导体材料形成。多晶硅材料的质量影响该存储单元的各种电性能，例如载流子速度、沟道电流、亚阈值摆幅等。
发明内容
本公开的方案提供了用于多晶硅表征的方法。该方法包括接收在样品衬底上形成的多晶硅结构的图像数据。该图像数据在空间域中并且由透射电子显微镜(TEM)生成。此外，该方法包括在频域中提取该图像数据的频谱。然后，该方法包括选择该频谱的子集，该频谱的子集对应于第一取向的第一晶粒的特征，并且将该频谱的所选子集变换到空间域来构造该第一取向的该第一晶粒的第一空间图像。
在一些实施例中，该方法包括：根据所述第一空间图像中像素的亮度，检测第一晶粒中晶粒的边界，并且根据所检测到的边界，确定第一晶粒中晶粒的尺寸。此外，在一些示例中，该方法包括：根据第一空间图像中像素的亮度，计算该第一晶粒的第一面积。
根据本公开的一个方案，该方法包括：选择所述空间频谱的子集，所选空间频谱的子集分别对应于各个潜在取向的晶粒的特征,并且将该空间频谱的子集分别变换到空间域以针对该各个潜在取向构造空间图像。
在一些实施例中，该方法包括：根据所述各个空间图像中像素的亮度，在各个空间图像中为所述各个潜在取向计算所述晶粒的面积，并且将这些面积相加，来为这些潜在取向计算所述晶粒的总面积。
此外，在一些示例中，该方法包括：基于所述晶粒的总面积与所述多晶硅结构的面积之比确定多晶硅结晶率(PCR)。然后，该方法包括将该PCR与基于生产衬底上的器件的电性能要求确定的PCR阈值进行比较，其中制造该生产衬底为所述器件形成多晶硅沟道，其中样品衬底用于监控该多晶硅沟道的质量，并且基于该比较确定针对生产衬底的进一步动作。
为了在所述频域中提取所述图像数据的频谱，在一些示例中，该方法包括对所述多晶硅结构的图像数据执行傅立叶变换。
为了将所述频谱的所选子集变换到所述空间域来构造所述第一取向的所述第一晶体的第一空间图像，在一些示例中，该方法包括对该频谱的所选子集执行傅立叶逆变换。
为了选择所述频谱的子集，该频谱的子集对应于所述第一方向的所述第一晶粒的特征，在一些示例中，该方法包括选择对应于该第一取向的该第一晶粒的至少一对频率分量。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下具体描述中可以最好地理解本公开的各个方案。应注意，依据工业中的标准惯例，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚讨论，可任意增加或减少各种特征的比例大小。
图1根据本公开的一些实施例示出了概述过程示例的流程图；
图2示出了沟道结构的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像；
图3示出了HRTEM图像频域中功率谱的说明图；
图4根据本公开的一些实施例示出了可视化多晶硅层晶粒的图；
图5A和图5B示出了器件性能参数与多晶硅质量的关系。
具体实施方式
以下公开提供了用于实现所提供的发明主题的不同特征的许多不同的实施例或示例。为简化本公开，下面描述了部件和布置的具体示例。当然这些仅仅是示例并且不旨在规定为限制的。例如，在随后的描述中，在第二特征上方或之上的第一特征的形成可包括其中该第一特征和第二特征以直接接触的形式形成的实施例，并且还可包括其中可在该第一和第二特征之间形成额外特征的实施例，以致该第一个第二特征可不直接接触。另外，本公开在各种示例中可重复引用数字标号和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且本身并不决定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述如图中所示的一个元件或特征与另一个(或多个)元件或特征的关系，本文中可使用诸如“在…之下”“下方”“较低的”“上方”“上方的”等的空间相对术语。除了图中所示的取向外，该空间相对术语旨在包含使用中或操作中所述器件的不同取向。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他取向上)并且同样可相应地解释本文中使用的该空间相对描述语。
本公开的方案提供用于多晶硅质量表征的方法。该方法基于图像数据的图像处理，该图像数据由透射电子显微镜(TEM)生成，比如能够达到晶格分辨率的高分辨率TEM(HRTEM)。由于使用HRTEM，该方法可以处理小尺寸样品的表征。在一些示例中，该方法用于三维(3D)NAND存储器件被完全制造之前表征在3D NAND存储器件中存储单元的沟道区域。在一个示例中，该沟道区域由10nm厚度或更薄的多晶硅形成。虽然HRTEM仍然可以生成该沟道区域的图像数据，但是诸如电子背散射衍射(EBSD)的其他方法难以表征这种小尺寸的沟道区域。同样，与其他基于在3D NAND存储器件中器件的电特性、在制作过程的后期中或之后制定决策的方法相比较，基于本公开的多晶硅表征，在制造过程中可更早地(比如在制造过程的前期)制定合适的决策，比如停止加工或丢弃低多晶硅质量的晶圆批次(waferlot)。因此，本公开中提供的方法可更早地检测低多晶硅质量的晶圆批次并且节约了进一步加工低多晶硅质量的晶圆批次的制造成本。
应注意，虽然3D NAND存储器件在本公开中用作多晶硅表征的示例，但应理解本公开的用于表征多晶硅的方法可在其他合适的器件中用于表征多晶硅质量。
图1根据本公开的一些实施例示出了概述工艺过程示例100的流程图。该工艺过程100用于例如在3D NAND存储器件制造期间表征用于存储单元的沟道材料器件，比如多晶硅材料。过程100始于S101并进行到S110。
在S110，为TEM准备样品。在一些示例中，用产品晶圆加工样品晶圆来形成沟道区域。该产品晶圆被用来生产3D NAND存储器件，并且该样品晶圆被用来多晶硅表征。在一些示例中，该样品晶圆是报废晶圆，并且被适当地加工，比如抛光和清洁，并且在制造期间被用来表征目的。在一些示例中，从所述3D NAND存储器件的制造过程开始，用该产品晶圆加工该样品晶圆，并且在形成所述沟道区域之前，该样品晶圆经历相同的处理步骤。在一些其他示例中，该样品晶圆在合适的制造步骤与该产品晶圆结合以形成所述沟道区域。在一些其他示例中，为样品晶圆跳过一些与多晶硅沟道无关并且不影响多晶硅沟道质量的制造步骤。
在一些实施例中，后栅极工艺被用来生产3D NAND存储器件。在后栅极工艺期间，例如，牺牲层和绝缘层交替地沉积在诸如产品晶圆和样品晶圆的衬底上。然后，光刻技术被用来在光刻胶和/或硬掩模层中定义沟道孔图案，并且蚀刻技术被用来将该图案转录到牺牲层和绝缘层的堆叠层中，并且被用来形成沟道孔。然后，在沟道孔中形成沟道结构。在一个示例中，在沟道孔中和该沟道孔侧表面上沉积多晶硅层和其他合适的层(例如，氧化物层等)。
在一些实施方案中，将所述样品晶圆切成分别具有一个或多个沟道结构的样品切片。然后例如从背面(非所述沟道结构侧)抛光该样品切片来减少该样品切片的厚度以适应诸如HRTEM的TEM。
在S120，将样品切片送到实验室供诸如HRTEM的TEM使用。在一些实施例中，HRTEM在空间域中生成所述样品的高分辨率图像。
图2示出了沟道结构的HRTEM图像200。该沟道结构在沟道孔中包括多个环形层。如图2中209所示，该多个环形层之一由多晶硅形成。该多晶硅层209包括多个晶粒，且每一个晶粒是单晶。该多个晶粒可以具有不同的取向。
图2还示出了在所述多晶硅层209的不同位置201，202和203的特写视图210，220和230。该特写视图210，220和230对应于在不同位置201，202和203的不同取向的三个单独晶粒。在晶粒中，原子被排列在晶格中。在一些示例中，样品切片非常薄，在TEM操作期间当样品切片被电子束照射时，一些电子可穿过原子列之间的遂道，并且引起明亮条纹；并且一些电子被原子散射并引起暗线条。因为晶粒可以具有不同的取向，所以该明暗条纹可以具有不同的取向，并且还可以具有不同的间距宽度。在一些示例中，使用米勒指数表示取向，并且晶粒取向可以是例如[1,1,1]、[1,1,0]、[1,0,0]等。
在一些示例中，将所述HRTEM图像的图像数据发送到诸如计算机等的图像处理设备来进行进一步处理。该图像处理设备可包括一个或多个处理器来处理图像数据。在一些实施例中，该图像处理设备包括存储指令的存储设备，并且该处理器可执行该指令来进行图像处理。图像处理设备可以包括其他合适的部件，比如显示器，触摸板，用户接口，网络接口等。
再参考图1，在S130，从空间域中的图像数据提取频域中的频谱。
在一些示例中，所述图像处理设备对HRTEM图像的图像数据执行傅立叶变换，来提取频域中的频率分量的振幅和相位。频率分量的振幅通常作为功率谱被提供，其包括HRTEM图像中的频率分量的功率。在一个示例中，该图像处理设备使用所述沟道孔的中心作为原点，并且并执行快速傅立叶变换(FFT)来获得频率分量的频谱分量和频率分量的相位。
图3示出了沟道结构的HRTEM图像(例如HRTEM图像200)在频域中的功率谱说明图300。该功率谱说明图300包括空间信息，比如周期信息(例如平行的条纹)、晶粒的边界信息等。
根据本公开的一些方案，所述功率谱说明图300的中心值对应于所述HRTEM图像的平均功率(例如与平均灰度值相关)。在一些示例中，在功率谱说明图中表示所述频率分量的一些点对称地位于中心点周围。在该功率谱说明图300中，关于该功率谱说明图中心对称的两个点对应于一个晶体取向。在图3的示例中，点301(A)和点301(B)对应于特写视图220中示出的由第一取向的晶粒生成的明暗条纹。点302(A)和点302(B)对应于特写视图210中示出的由第二晶体取向的晶粒生成的明暗条纹。该点303(A)和点303(B)对应于特写视图230中示出的由第三晶体取向的晶粒生成的明暗条纹。当所述多晶硅层具有比其他晶体方向更多的特定晶体方向的晶粒时，对应于特定晶体方向的在两点处功率高于对应于示例中其他晶体方向的在其他点的功率。
此外，从对应于一晶体取向的一个点到所述功率谱说明图300的中心的距离与HRTEM图中相应的晶体取向的明亮条纹的间距宽度有关。例如，当该HRTEM图像中晶体取向的晶粒明暗条纹的间距宽度为d，在功率谱说明图中对应于该晶体取向的两点与该功率谱说明图中心具有1/d的距离。因此，在一个示例中，当多个晶粒的条纹具有相同的间距宽度但是该多个晶粒的条纹是不同方向的时，在该功率谱说明图300上对应于该多个晶粒的条纹的点具有到功率谱说明图的中心相同的距离。在图3的示例中，特写视图210、220和230中的明暗条纹具有大致相同的间距宽度，因此点301(A)、301(B)、302(A)、302(B)、303(A)和303(B)具有到该功率谱说明图300的中心大致相同的距离。
应注意，在一些示例中，所述HRTEM图像具有额外的明暗条纹，该额外的明暗条纹具有与特写视图210、220和230中的条纹不同的间距宽度，然后，对应于额外的亮暗条纹的点可具有到所述功率谱说明图300的中心的不同的距离。
图3还示出了所述HRTEM图像的特写视图210、220和230中的明暗条纹各自的FFT图310、320和330。在该FFT图310中，被两个箭头标识的两点表示对应于特写视图210中的明暗条纹的频率分量。在该FFT图320中，被两个箭头标识的两点表示对应于特写视图220中的明暗条纹的频率分量。在该FFT图330中，被两个箭头标识的两点表示对应于特写视图230中的明暗条纹的频率分量。
此外，在一些示例中，在所述中心周围特定区域中的点与所述晶粒的尺寸和边界有关，比如所述功率谱说明图300的图3中的309所示。例如，该功率谱说明图的中心周围的环形区域的点具有该晶粒的边界信息，在一个示例中，当多晶硅层中晶粒的尺寸在第一值S1(较低尺寸限制)和第二值S2(较高尺寸限制)之间时。基于该第二值S2确定该环形区域的内圆，例如该内圆的半径是1/S2。基于该第一值确定该环形区域的外圆，例如该外圆的半径是1/S1。
再参考图1，在S140，选择对应于多晶硅沟道层中晶粒的潜在取向的频谱子集。
根据本发明的一个方案，基于所述功率谱，可适当地识别晶粒的潜在取向。在一些示例中，硅晶粒具有有限数量的潜在取向。对于潜在取向来说，可为潜在取向适当地确定原子平面之间距离，然后可适当地确定具有潜在取向的HRTEM中明暗条纹的间距宽度d，并且可确定该功率谱说明图中对应于该潜在取向的其他点，例如，所述其他点具有距该功率谱说明图的中心1/d的距离。此外，功率谱说明图中对应于所述频率分量的点的方向与该亮暗条纹的方向有关。在一些实施方案中，确定阈值并将该阈值用于识别主要晶粒的重要取向。例如，可选择功率高于阈值的频率分量用于进一步处理。
在一些实施例中，功率谱中两个对称点对应于一个潜在取向。对于该潜在取向来说，将所述两个对称点和其他合适的点，比如在所述功率谱的中心周围的环形区域中与该晶粒尺寸和边界相关的点等，选进与所述多晶硅沟道中的该潜在取向的晶粒相对应的频谱子集中。
应注意，在一些其他实施例中，为了选择特定潜在取向的频率分量的子集，从功率谱中移除(取消选择)与该特定潜在取向无关的点。
应注意，所述功率谱的所选部分的相位也可以从相位谱中被选择。
再参考图1，在S150，为所述潜在取向的晶粒构造空间图像。在一些示例中，基于所选的频谱子集执行傅立叶逆变换。在一个示例中，对所选的频率分量执行离散傅立叶逆变换(IDFT)来构造该潜在取向晶粒的空间图像。
在S160，当存在另外的潜在取向时，所述过程返回到S140，为另一个潜在取向选择另一频谱子集，并且为该另一个潜在取向构造晶粒的空间图像。当已经为所有潜在取向的晶粒构造空间图像时，过程进行到S170。
在S170，基于各个潜在取向的晶粒的空间图像来表征所述多晶硅层。在一个示例中，对于一个潜在取向的晶粒的每一个空间图像，计算晶粒的面积。在一些示例中，基于局部平均值确定晶粒的面积。例如，每一个像素的灰度值被更新为该像素和相邻像素的平均值(或加权平均值)，比如具有宽度约为间距宽度的正方形相邻像素。因此，在一个示例中，晶体像素中的更新的灰度值是在明和暗之间的中等灰度值，并且没有晶粒的位置的像素灰度值是暗的。然后，当邻近像素的灰度值的变化大于阈值时，可检测该晶粒的边界。在一些实施例中，基于对该晶粒边界内的像素(具有中等灰度值)进行计数来计算该晶粒的面积。在一些示例中，基于在X或Y维度中并且在该晶粒边界内计数多个连续像素(具有中等灰度值)来计算晶粒的尺寸(例如，宽度)。
在一些实施例中，分别计算对应于各个潜在取向的空间图像的晶粒面积，然后，将各个空间图像的晶粒面积相加来得到多晶硅层中晶粒的总面积。此外，多晶硅结晶率(PCR)被计算为晶粒的总面积与环形多晶硅区域209的面积的比。
应注意，HRTEM图像中的晶粒边界通常不清楚，并且难以检测晶粒尺寸以及直接来自HRTEM。所公开的图像处理技术为不同方向的晶粒构造空间图像，并且锐化晶粒边界来易于晶粒尺寸检测和面积计算。
图4示出了根据本公开的一些实施例的多晶硅层的晶粒可视化的平面图。在图4的示例中，分别选择不同晶体取向的点，然后分别执行IDFT，并且使用合适的视觉技术来识别所述不同晶体取向的晶粒。例如，第一选择包括频谱的第一子集，比如由点301(A)，301(B)和其他合适的点(例如环形区域309中的点)表示的频率分量。然后，对频谱的第一子集执行IDFT来构造第一空间图像。基于该第一空间图像，标识第一晶体取向的第一晶粒。
此外，第二选择包括频谱的第二子集，比如由点302(A)，302
(B)和其他合适的点(例如环形区域309中的点)表示的频率分量。然后，对频谱的第二子集执行IDFT来构造第二空间图像。基于该第二空间图像，标识第二晶体取向的第二晶粒。
此外，第三选择包括频谱的第三子集，比如由点303(A)，303
(B)和其他合适的点(例如环形区域309中的点)表示的频率分量。然后，对频谱的第三子集执行IDFT来构造第三空间图像。基于该第三空间图像，标识第三晶体方向的第三晶粒。
在一些实施例中，可使用适当的可视化技术适当地可视化所述晶粒。例如，在图4中，使用浅灰色可视化第一晶粒，使用深灰色可视化第二晶粒，使用白色可视化第三晶粒。应注意，可使用其他合适的可视化技术来可视化所述晶粒。
在一些实施例中，PCR指示半导体器件的电性能，例如MOS器件，存储单元器件等。例如，具有相对较高的PCR的器件具有相对小的亚阈值摆幅(将漏极电流改变一个数量级所需的栅极电压)，以及相对大的沟道电流(在相同的电气条件和环境条件下)。
图5A示出了亚阈值摆幅值与PCR的关系，并且图5B示出了沟道电流与PCR的关系。如图所示，当PCR增加时，亚阈值摆幅减小并且沟道电流增加。同样，当PCR增加时，亚阈值摆幅和通道电流的变化减小。
在一些示例中，基于电性能要求适当地确定PCR阈值。当用于批量的产品晶圆的样品晶圆具有高于PCR阈值的PCR时，可以进一步加工该批量产品晶圆。然而，当用于批量产品晶圆的样品晶圆具有低于PCR阈值的PCR时，在一个示例中可报废该批量产品晶圆。然后该过程进行到S199并终止。
前述内容概述了若干实施例的特征，以便本领域技术人员可以更好地理解本公开的各方案。本领域技术人员应该理解，为实现相同的目的和/或实现本文所介绍的实施例的相同优点，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其他过程和结构的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，他们可在本文中做出各种改变，替换和变更。

Claims (20)

1.一种多晶硅表征的方法，包括：
接收在样品衬底上形成的多晶硅结构的图像数据，所述图像数据在空间域中并且由透射电子显微镜(TEM)生成；
在频域中提取所述图像数据的频谱；
选择所述频谱的对应于第一取向的第一晶粒的特征的子集；和
将所述频谱的所选子集变换到空间域中来构造所述第一取向的所述第一晶粒的第一空间图像。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
根据所述第一空间图像中像素的亮度，检测所述第一晶粒中晶粒的边界；和
根据所检测到的边界，确定所述第一晶粒中所述晶粒的尺寸。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
根据所述第一空间图像中像素的亮度计算所述第一晶粒的第一面积。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
选择空间频谱的子集，所述空间频谱的所述子集分别对应于各个潜在取向的晶粒的特征；和
分别将所述空间频谱的所述子集变换到所述空间域，以针对所述各个潜在取向构造空间图像。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
根据所述各个空间图像中像素的亮度，在所述各个空间图像中针对所述各个潜在取向计算所述晶粒的面积；和
将所述面积相加，以计算所述潜在取向的所述晶粒的总面积。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
基于所述晶粒的所述总面积和所述多晶硅结构的面积的比确定多晶硅结晶率(PCR)。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
将所述PCR与PCR阈值进行比较，所述PCR阈值是基于生产衬底上器件的电性能要求确定的，制造所述生产衬底来为所述器件形成多晶硅沟道，其中所述样品衬底用于监测所述多晶硅沟道的质量；
基于所述比较，确定对所述生产衬底的下一步动作。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述频域中提取所述图像数据的所述频谱还包括：
对所述多晶硅结构的所述图像数据执行傅立叶变换。
9.根据权利要求1所述的方法，其中将所述频谱的所选子集变换到空间域中来构造所述第一取向的所述第一晶粒的所述第一空间图像还包括：
对所述频谱的所选子集执行傅立叶逆变换。
10.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述频谱的对应于第一取向的第一晶粒的特征的所述子集还包括：
选择对应于所述第一取向的所述第一晶体的至少一对频率分量。
11.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，当计算机执行所述指令时，使所述计算机执行：
接收在样品衬底上形成的多晶硅结构的图像数据，所述图像数据在空间域中并由透射电子显微镜(TEM)生成；
在频域中提取所述图像数据的频谱；
选择对应于第一取向的第一晶粒的特征的所述频谱的子集；和
将所述频谱的所选子集变换到空间域来构造所述第一取向的所述第一晶粒的第一空间图像。
12.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
根据所述第一空间图像中像素的亮度，检测所述第一晶粒中晶粒的边界；和
根据所检测到的边界，确定所述第一晶粒中所述晶粒的尺寸。
13.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
根据所述第一空间图像中像素的亮度，计算所述第一晶粒的第一面积。
14.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
选择空间频谱的子集，所述空间频谱的所述子集分别对应于各个潜在取向的晶粒的特征；
将所述空间频谱的所述子集分别变换到所述空间域，以针对所述各个潜在取向构造空间图像。
15.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
根据所述各个空间图像中像素的亮度，在所述各个空间图像中针对所述各个潜在取向计算所述晶粒的面积；和
将所述面积相加，来针对所述潜在取向计算所述晶粒的总面积。
16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
基于所述晶粒的所述总面积和所述多晶硅结构的面积的比确定多晶硅结晶率(PCR)。
17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
将所述PCR与PCR阈值进行比较，所述PCR阈值基于生产衬底上器件的电性能要求确定的，制造所述生产衬底来为所述器件形成多晶硅沟道，其中所述样品衬底用于监测所述多晶硅沟道的质量；
基于所述比较，确定对所述生产衬底的进一步动作。
18.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
对所述多晶硅结构的所述图像数据执行傅立叶变换。
19.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
对所述频谱的所选子集执行傅立叶逆变换。
20.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令使所述计算机进一步执行：
选择对应于所述第一取向的所述第一晶体的至少一对频率分量。
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