CN112420673A - 用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件及监测方法 - Google Patents

用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件及监测方法 Download PDF

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CN112420673A CN202011295972.XA CN202011295972A CN112420673A CN 112420673 A CN112420673 A CN 112420673A CN 202011295972 A CN202011295972 A CN 202011295972A CN 112420673 A CN112420673 A CN 112420673A
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Abstract

本申请涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件及监测方法。其中器件包括由下至上依次层叠的衬底层、绝缘层和测试结构层，所述测试结构层设于所述绝缘层上，用于在热低温退火腔工作时发生硅化镍反应，所述测试结构层包括：多晶硅层，所述多晶硅层覆盖在所述绝缘层上，所述多晶硅层具有稳定的方块电阻；含镍金属层，所述含镍金属层覆盖在所述多晶硅层上；氮化钛层，所述氮化钛层覆盖在所述含镍金属层，所述氮化钛层具有稳定的方块电阻。方法包括使用上述用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，以真实地监测热低温退火腔热稳定性。

Description

用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件及监测方法
技术领域
本申请涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件及监测方法。
背景技术
随着半导体器件集成度的持续增大，以及相关临界尺寸的持续减小，金属硅化物材料及工艺已被广泛地应用于MOS器件中，以降低MOS器件的栅极和源漏极的表面电阻和接触电阻。用于形成该金属硅化物的金属材料通常采用钛、钴等，为了进一步降低接触电阻，MOS器件中的金属硅化物越来越多地采用硅化镍。
在制作MOS器件的硅化镍时，先在硅片上沉积镍金属层，再在温度为300摄氏度左右的环境中，即通过热低温处理过程，使得镍金属层与硅反应生成硅化镍Ni2-xSix。一旦该低温热处理过程的温度不稳定，则会使得镍原子沿着硅衬底的晶格缺陷扩散至硅衬底中，不利于MOS晶体管的性能。因此需要对该热低温处理过程进行有效地监控。以判断热低温处理过程的热稳定性。
由于，进行热低温处理的温度为硅化镍Ni2-xSix的相变温度范围，因此热低温处理过程生成的硅化镍Ni2-xSix并非单一相物质，具有较强的温度敏感性。因此，相关技术，通常通过探针探测硅化镍Ni2-xSix的方块电阻变化，以监测反应热低温处理的实际温度。
但是，相关技术中通常在硅衬底层上制作硅化镍，由于硅衬底本身的制备原因，由其中心至边缘的掺杂浓度存在差异，从而会导致硅衬底各位置的方块电阻的差异较大。对与该硅衬底直接接触的硅化镍层，其方块电阻的片内均匀性产生不利影响，进而干扰热低温处理过程中热稳定性的判断。
发明内容
本申请提供了一种用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，可以解决相关技术中与该硅衬底直接接触的硅化镍层，其方块电阻的片内均匀性较差，进而干扰热低温处理过程中热稳定性的判断的问题。
作为本申请的第一方面，提供一种用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，所述用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件包括：由下至上依次层叠的衬底层、绝缘层和测试结构层，所述测试结构层设于所述绝缘层上，用于在热低温退火腔工作时发生硅化镍反应，所述测试结构层包括：
多晶硅层，所述多晶硅层覆盖在所述绝缘层上，所述多晶硅层具有稳定的方块电阻；
含镍金属层，所述含镍金属层覆盖在所述多晶硅层上；
氮化钛层，所述氮化钛层覆盖在所述含镍金属层，所述氮化钛层具有稳定的方块电阻。
可选的，所述绝缘层的材料包括二氧化硅。
可选的，所述多晶硅层的晶格具有各向同性。
可选的，所述多晶硅层的厚度为1K至2K。
可选的，所述测试结构层的含镍金属层和多晶硅层，在所述热低温退火腔工作温度为200摄氏度至500摄氏度时，能够发生硅化镍反应形成硅化镍层。
可选的，在不同温度下，形成所述硅化镍层的方块电阻阻值不同。
作为本申请的第二方面，提供一种热低温退火腔热稳定性的监测方法，包括以下步骤：
提供如本申请第一方面所述的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，并设于所述热低温退火腔中；
使得热低温退火腔工作，所述测试结构层中的含镍金属层与所述多晶硅层发生硅化镍反应；
测试所述测试结构层的电阻；
根据所述测试结构层的电阻变化确定所述热低温退火腔的热稳定性。
可选的，所述使得热低温退火腔工作，所述测试结构层中的含镍金属层与所述多晶硅层发生硅化镍反应的步骤中：
在所述热低温退火腔工作温度为200摄氏度至500摄氏度时，所述测试结构层中的含镍金属层与所述多晶硅层发生硅化镍反应。
本申请技术方案，至少包括如下优点：通过绝缘层将衬底层和测试结构层隔绝，能够防止衬底层的方块电阻不均匀性影响到测试结构层，且多晶硅层和氮化钛层均具有稳定的方块电阻，从而使得测试结构层电阻阻值的变化仅是由硅化镍层的温控相变带来的，能够真实地反应低温退火腔热稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请一实施例提供的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其剖视结构示意图；
图2示出了本申请一实施例提供的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，在其测试结构层发生硅化镍反应后的剖面结构示意图；
图3其示出了本申请一实施例提供的热低温退火腔热稳定性的监测方法，其流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1示出了本申请一实施例提供的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其剖视结构示意图，参照图1，该用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件包括：由下至上依次层叠的衬底层、绝缘层和测试结构层，所述测试结构层设于所述绝缘层上，用于在热低温退火腔工作时发生硅化镍反应。
所述衬底层包括相对的上表面和下表面，所述绝缘层覆盖在所述衬底层的上表面上，用于将衬底层和测试结构层隔绝，避免因衬底层各位置方块电阻的差异，而对测试结构层的方块电阻产生不利影响。该绝缘层的材料可以选择二氧化硅。
所述测试结构层包括：由下至上依次层叠的多晶硅层、含镍金属层和氮化钛层。
所述多晶硅层覆盖在所述绝缘层上，所述多晶硅层具有稳定的方块电阻。
所述含镍金属层覆盖在所述多晶硅层上，所述氮化钛层覆盖在所述含镍金属层，所述氮化钛层具有稳定的方块电阻。该含镍金属层可以采用镍铂合金。
在使用时，通过测试测试结构层方块电阻的变化，以确定热低温退火腔中的热稳定性。由于测试结构层设于所述绝缘层上，用于在热低温退火腔工作时发生硅化镍反应。通常热低温退火腔工作在200摄氏度至500摄氏度时，测试结构层发生硅化镍反应，且不同的温度下，形成所述硅化镍层的方块电阻阻值不同。图2示出了该半导体器件在测试结构层发生硅化镍反应后的剖面结构示意图。
本实施例通过绝缘层将衬底层和测试结构层隔绝，能够防止衬底层的方块电阻不均匀性影响到测试结构层，且多晶硅层和氮化钛层均具有稳定的方块电阻，从而使得测试结构层电阻阻值的变化仅是由硅化镍层的温控相变带来的，能够真实地反应低温退火腔热稳定性。
由于在热低温退火腔工作时，含镍金属层中的镍原子会沿着多晶硅层的晶格间隙扩散，对于多晶硅层的晶格可以具有各向同性，从而使得镍原子能够在多晶硅层内各向同性地扩散以减少尖刺效应，使得扩散进入多晶硅层内的镍原子与该镍原子周围的硅发生硅化镍反应后形成具有温控相变的硅化镍。
在测试测试结构层的方块电阻时，可以通过测试探针有该半导体的上表面向下刺入测试结构层，以采样该测试结构层的方块电阻。为了防止该测试探针刺穿位于测试结构层最下层的多晶硅层，可以使得该多晶硅层的厚度为1K至2K。
参照图3，其示出了本申请一实施例提供的热低温退火腔热稳定性的监测方法流程图，该热低温退火腔热稳定性的监测方法包括以下步骤：
步骤S1：提供图1所示的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，并设于所述热低温退火腔中，使得该半导体器件对热低温退火腔热稳定性进行监测。
步骤S2：使得该热低温退火腔工作时，从而使得测试结构层中的含镍金属层与所述多晶硅层发生硅化镍反应。
通常热低温退火腔工作在200摄氏度至500摄氏度时，测试结构层发生硅化镍反应，且不同的温度下，形成所述硅化镍层的方块电阻阻值不同。
步骤S3：测试所述测试结构层的电阻。
步骤S4：根据所述测试结构层的电阻变化确定所述热低温退火腔的热稳定性。
本实施例通过绝缘层将衬底层和测试结构层隔绝，能够防止衬底层的方块电阻不均匀性影响到测试结构层，且多晶硅层和氮化钛层均具有稳定的方块电阻，从而使得测试结构层电阻阻值的变化仅是由硅化镍层的温控相变带来的，能够真实地反应低温退火腔热稳定性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其特征在于，所述用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件包括：由下至上依次层叠的衬底层、绝缘层和测试结构层，所述测试结构层设于所述绝缘层上，用于在热低温退火腔工作时发生硅化镍反应，所述测试结构层包括：
多晶硅层，所述多晶硅层覆盖在所述绝缘层上，具有稳定的方块电阻；
含镍金属层，所述含镍金属层覆盖在所述多晶硅层上；
氮化钛层，所述氮化钛层覆盖在所述含镍金属层，具有稳定的方块电阻。
2.如权利要求1所述的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其特征在于，所述绝缘层的材料包括二氧化硅。
3.如权利要求1所述的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其特征在于，所述多晶硅层的晶格具有各向同性。
4.如权利要求1所述的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其特征在于，所述多晶硅层的厚度为1K至2K。
5.如权利要求1所述的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其特征在于，所述测试结构层的含镍金属层和多晶硅层，在所述热低温退火腔工作温度为200摄氏度至500摄氏度时，能够发生硅化镍反应形成硅化镍层。
6.如权利要求5所述的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，其特征在于，在不同温度下，形成所述硅化镍层的方块电阻阻值不同。
7.一种热低温退火腔热稳定性的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供如权利要求1至6中任一项所述的用于监测热低温退火腔热稳定性的半导体器件，并设于所述热低温退火腔中；
使得热低温退火腔工作，所述测试结构层中的含镍金属层与所述多晶硅层发生硅化镍反应；
测试所述测试结构层的电阻；
根据所述测试结构层的电阻变化确定所述热低温退火腔的热稳定性。
8.如权利要求7所述的热低温退火腔热稳定性的监测方法，其特征在于，所述使得热低温退火腔工作，所述测试结构层中的含镍金属层与所述多晶硅层发生硅化镍反应的步骤中：
在所述热低温退火腔工作温度为200摄氏度至500摄氏度时，所述测试结构层中的含镍金属层与所述多晶硅层发生硅化镍反应。
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