CN112697080A - 薄膜层厚度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种薄膜层厚度的测量方法，薄膜层形成在基底上，方法包括如下步骤：提供基准参数，基准参数是在基底上形成薄膜层之前对基底采用X射线光电子能谱分析而获得的特定元素的特征峰数据；对薄膜层采用X射线光电子能谱分析，以获得特定元素的特征峰数据，作为测量数据；建立测量数据与基准参数的函数；提供数据库，数据库包括在基底上形成薄膜层前后的特定元素的特征峰数据的函数与薄膜层厚度的对应关系；以函数作为索引，在数据库中获得薄膜层的厚度。本发明测量方法能够在基底与薄膜层之间不具有明显界面的情况下，测量薄膜层的厚度，且测量准确度高，无线上排货限制，并从物理层面上隔绝了目标薄膜层之下的多层厚膜对量测带来的干扰。

Description

薄膜层厚度的测量方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种薄膜层厚度的测量方法。
背景技术
随着3D NAND器件集成度的提高，其存在很多超薄的功能膜层，该些功能膜层的厚度与元素浓度之间影响3D NAND器件的关键电学性能。例如，3D NAND器件存储核心区域最重要的功能膜层结构电荷阻挡层(SiO2)，电荷陷阱层(SiOxNy)及电荷隧穿层(SiOnNm)，三者为使用原子层沉积工艺形成的具备超晶格结构的超薄薄膜层，且厚度与元素浓度直接影响3D NAND器件的关键电学性能。其中陷阱层(SiOxNy)及隧穿层(SiOnNm)的组成元素均为Si、O、N，且光学参数极其相似，总厚度仅约为7nm，且其下存在微米量级的氧化硅、氮化硅厚膜堆叠，该些薄膜层之间因光学性质相近而给光谱计算引入的耦合使得薄膜层厚度很难通过传统的光学手段实现在线监测。
目前，应用的量测薄膜层厚度的技术主要为三类。一类是，利用基于压电效应的高灵敏称重机台对薄膜层厚度进行测量，其虽然分辨率与效能合乎需求，但无法分辨同一片晶圆上不同区域的薄膜层厚度变化；另一类是，利用基于椭圆偏振的光学量测方法对薄膜层厚度进行测量，其需要使用数据前向传递(Data feed forward，AKA DFF)技术，要求三个站点使用同一机台量测同一片晶圆且前站数据需传递至后站才能计算，给线上排货带来很大的限制；再一类是，利用于扫描电子显微镜的差值计算的方法对薄膜层厚度进行测量，其同样使用数据前向传递(DFF)方法，且因存储核心区缺乏明确的特征图形，无法精确定位沟道孔使得其很难投入实际应用。
因此，提供一种新的薄膜层厚度的测量方法，成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种薄膜层厚度的测量方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种薄膜层厚度的测量方法，所述薄膜层形成在一基底上，所述测量方法包括如下步骤：提供一基准参数，所述基准参数是，在所述基底上形成所述薄膜层之前对所述基底采用X射线光电子能谱分析而获得的特定元素的特征峰数据；对薄膜层采用X射线光电子能谱分析，以获得所述特定元素的特征峰数据，作为测量数据；建立所述测量数据与所述基准参数的函数；提供一数据库，所述数据库包括在所述基底上形成所述薄膜层前后的所述特定元素的特征峰数据的函数与所述薄膜层厚度的对应关系；以所述函数作为索引，在所述数据库中获得所述薄膜层的厚度。
提供一基准参数的步骤进一步包括：在所述基底上形成所述薄膜层之前，对所述基底采用X射线光电子能谱分析，获取多个不同条件下的所述特定元素的特征峰数据样本；对所述样本进行统计分析，将统计分析的结果作为所述基准参数。
进一步，在建立所述测量数据与所述基准参数的函数的步骤中，所述函数为所述测量数据与所述基准参数的差值、比值、对数中的一种。
进一步，在提供一数据库的步骤中，形成所述数据库的方法包括如下步骤：提供多个参考样品，每一参考样品包括基底及设置在所述基底上的薄膜层，不同参考样品的所述薄膜层的厚度不同，且每一参考样品的薄膜层厚度已知；对于每一参考样品，在所述基底上形成所述薄膜层之前，采用X射线光电子能谱分析获得特定元素的第一特征峰数据，在所述基底上形成所述薄膜层之后，采用X射线光电子能谱分析获得所述特定元素的第二特征峰数据；建立所述第二特征峰数据与所述第一特征峰数据的函数；将所述函数及其对应的薄膜层厚度作为所述数据库的数据，以形成所述数据库。
进一步，所述特定元素的特征峰数据设置为，所述特定元素的特征峰下积分面积。
进一步，所述薄膜层与所述基底含有相同的元素。
进一步，所述基底与所述薄膜层中均含有Si、O、N元素。
进一步，所述特定元素为Si元素。
进一步，所述薄膜层为三维NAND存储器的电荷陷阱层或电荷隧穿层。
进一步，所述薄膜层的厚度小于10nm。
进一步，在提供一基准参数的步骤中及在获得所述特定元素的特征峰数据作为测量数据的步骤中，设置一测量基线，以所述测量基线为基础获得所述特定元素的特征峰数据。
进一步，所述测量基线高于所述特定元素的特征峰曲线的纵坐标基线。
本发明的优点在于，提供了一种基于元素浓度进行薄膜层厚度测量的方法，本发明薄膜层厚度的测量方法能够在基底与薄膜层之间不具有明显界面的情况下，测量薄膜层的厚度，且测量准确度高，无线上排货限制，并从物理层面上隔绝了目标薄膜层之下的多层厚膜对量测带来的干扰。
附图说明
图1是本发明薄膜层厚度的测量方法的第一实施例的步骤示意图；
图2是Si元素2P峰的X射线光电子能谱图；
图3是Si元素2P峰的X射线光电子能谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的薄膜层厚度的测量方法的具体实施方式做详细说明。
在现有技术中，对于基底与位于其上的薄膜层具有明显界面的结构，例如，硅基底与位于其上的二氧化硅薄膜层，可采用现有的常规的薄膜层厚度测量方法来测量所述薄膜层的厚度。但是，在基底与薄膜层含有相似元素的情况下，基底与薄膜层之间不具有明显的界面，例如，3D NAND器件存储核心区域最重要的功能膜层结构中的电荷阻挡层(SiO2)、电荷陷阱层(SiOxNy)及电荷隧穿层(SiOnNm)，电荷陷阱层与位于其下方的电荷阻挡层含有相似元素，两者之间没有明显的界面，电荷隧穿层与位于其下方的电荷陷阱层含有相似元素，两者之间也没有明显的界面，则采用现有的常规的薄膜层厚度测量方法无法测量电荷陷阱层及电荷隧穿层的厚度。
另外，对于超薄的薄膜层，例如厚度小于10nm的薄膜层，在测量其厚度时，该些薄膜层下方的微米量级的氧化硅、氮化硅厚膜堆叠。薄膜之间因光学性质相近而给光谱计算引入的耦合使得该些超薄的薄膜层的厚度很难通过传统的光学手段实现在线监测。
鉴于上述原因，本发明提供了一种薄膜层厚度的测量方法，所述薄膜层形成在一基底上。本发明薄膜层厚度的测量方法能够在基底与薄膜层含有相似元素的情况下，即基底与薄膜层之间不具有明显界面的情况下，测量薄膜层的厚度，且测量准确度高，无线上排货限制，并从物理层面上隔绝了目标薄膜层之下的多层厚膜对量测带来的干扰。
图1是本发明薄膜层厚度的测量方法的第一实施例的步骤示意图。请参阅图1，本发明薄膜层厚度的测量方法包括如下步骤：
步骤S10，提供一基准参数，所述基准参数是，在所述基底上形成所述薄膜层之前对所述基底采用X射线光电子能谱分析而获得的特定元素的特征峰数据。
其中，所述基准参数用于在后续测量薄膜层厚度的步骤中作为参考基准。
在该步骤中，在所述基底上形成所述薄膜层之前采用X射线光电子能谱分析方法对所述基底进行分析，进而获得特定元素的特征峰数据，作为所述基准参数。
所述基准参数为预先获得的数据。例如，在本实施例中，可在同一批次的晶圆中提取一个样本晶圆，采用X射线光电子能谱分析方法对所述样本晶圆形成薄膜层之前的基底进行分析，进而获得所述基准参数，该批次的晶圆均以该基准参数为依据，进行后续的薄膜层厚度测量。
在基底上形成薄膜层之前，所述基底经历的制程及周围的环境会对基底产生影响，若仅对同一批次晶圆中的一个样本晶圆进行测量而获得的数据作为基准参数，可能会存在偏差。
因此，在本发明另一实施例中，提供多个不同条件下的样本晶圆，对每一样本晶圆的基底采用X射线光电子能谱分析，获取多个不同条件下的特定元素的特征峰数据样本；对所述样本进行统计分析，将统计分析的结果作为所述基准参数。其中，所述统计结果可为特征峰数据样本正态分布的参数。该种方法充分考虑了基底X射线光电子能谱分析的各种影响因素，使获得的基准参数更具备参考性及普适性。
所述X射线光电子能谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子，可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度(脉冲/s)为纵坐标可做出光电子能谱图。
进一步，在所述基底及所述薄膜层中可能会含有多种元素，而在多种元素中确定特定元素的原则是，一、所选取的元素特征峰在薄膜层生长前后(即在所述基底中及所述薄膜层中)以X射线光电子能谱计算组分比例存在明显的变化，即具备良好的信噪比；二、所选取元素应当尽量稳定，避免因放置时间而产生明显变化。
例如，以三维存储器中的电荷陷阱层为基底，以电荷隧穿层为薄膜层，两者均含有Si、O、N元素，在所述电荷陷阱层上沉积电荷遂穿层之前及之后，O、N元素虽然变化明显，但N元素会随放置时间逐渐被空气中的O取代，导致无论是在基底中，还是在薄膜层中，O、N元素的浓度不稳定，因此不合适作为特定元素，而Si元素的2p峰在所述电荷陷阱层上沉积电荷遂穿层之前及之后存在足以清晰的差别，且Si元素不会因放置时间产生过大的变化，在基底及薄膜层中Si元素浓度稳定，因此，本实施例中，Si元素作为特征元素，Si元素的2P峰作为特征峰。
进一步，在本实施例中，所述特定元素的特征峰数据为所述特定元素的特征峰下积分面积，即特征光子数量。例如，如图2所示，其为Si元素2P峰的X射线光电子能谱图，其中，横坐标为电子结合能，纵坐标为相对强度，Si元素2P峰的特征峰数据为2P峰的峰下积分面积，即特征光电子数量。
步骤S11，对所述薄膜层采用X射线光电子能谱分析，以获得所述特定元素的特征峰数据，作为测量数据。
在该步骤中，提供一待测样品晶圆，对所述待测样品晶圆的薄膜层采用X射线光电子能谱分析，以获得与步骤S10中相同的所述特定元素的特征峰数据，并将其作为测量数据。需要说明的是，步骤S10中的特定元素与步骤S11中的特定元素应为同种元素。
对该步骤进行举例说明：提供一待测样品晶圆，所述待测样品晶圆包括作为基底的电荷陷阱层及设置在所述电荷陷阱层上的电荷隧穿层，对所述电荷隧穿层采用X射线光电子能谱分析，获得Si元素的2P峰的特征峰数据，作为测量数据。Si元素2P峰的特征峰数据为2P峰的峰下积分面积，即特征光电子数量。
进一步，所述薄膜层的厚度小于10nm，为超薄的薄膜层，其采用常规的测量方法无法获得其厚度。
步骤S12，建立所述测量数据与所述基准参数的函数。
具体地说，在该步骤中，建立在基底上形成薄膜层前后的所述特定元素的特征峰数据的函数。例如，建立在电荷陷阱层上形成电荷隧穿层前后的Si元素的2P峰的特征峰数据的函数。
其中，所述函数包括但不限于所述测量数据与所述基准参数的差值、比值、对数。其选用原则在于，选取能够将所述测量数据与所述基准参数是差异最大化的函数，以提高测量精度。
步骤S13，提供一数据库，所述数据库包括在所述基底上形成所述薄膜层前后的所述特定元素的特征峰数据的函数与所述薄膜层厚度的对应关系。
所述数据库需要预先建立。具体地说，在本实施例中，预先形成所述数据库的方法包括如下步骤：
提供多个参考样品，每一参考样品包括基底及设置在所述基底上的薄膜层，不同参考样品的所述薄膜层的厚度不同，且每一参考样品的薄膜层厚度已知。其中，可通过现有的方法获得所述薄膜层的厚度。
举例说明，在该步骤中，提供多个参考样品，每一所述参考样品包括电荷陷阱层及位于所述电荷陷阱层上的电荷隧穿层，所述电荷陷阱层作为基底，所述电荷隧穿层作为薄膜层。
对于每一参考样品，在所述基底上形成所述薄膜层之前，采用X射线光电子能谱分析获得特定元素的第一特征峰数据，在所述基底上形成所述薄膜层之后，采用X射线光电子能谱分析获得所述特定元素的第二特征峰数据。
举例说明，对于每一参考样品，在所述电荷陷阱层上形成所述电荷隧穿层之前，采用X射线光电子能谱分析获得Si元素的2P峰的第一特征峰数据，在所述电荷陷阱层上形成所述电荷隧穿层之后，采用X射线光电子能谱分析获得Si元素的2P峰的第二特征峰数据。其中，所述第一特征峰数据及所述第二特征峰数据均为2P峰的峰下积分面积。
建立所述第二特征峰数据与所述第一特征峰数据的函数。
所述函数与步骤S12中建立的函数相同。例如，若步骤S12中建立的函数为对数函数，则在该步骤中建立的函数也为对数函数。
将所述函数及其对应的薄膜层厚度作为所述数据库的数据，以形成所述数据库。
所述数据库记录了所述函数与其对应的薄膜层的厚度的映射关系。其中，所述数据库中的数据可以表格或者图形等形式存在。
步骤S14，以所述函数作为索引，在所述数据库中获得所述薄膜层的厚度。
具体地说，在该步骤中，以所述函数作为已知关系，在所述数据库中获得对应的厚度，该厚度即为所述薄膜层的厚度。
本发明薄膜层厚度的测量方法能够在基底与薄膜层之间不具有明显界面的情况下，测量薄膜层的厚度，且测量准确度高，无线上排货限制，并从物理层面上隔绝了目标薄膜层之下的多层厚膜对量测带来的干扰。
进一步，X射线光电子能谱能谱可能会因电荷积累效应而引起偏移，因此，本发明还提供了一第二实施例。所述第二实施例与所述第一实施例的区别在于，在获得所述特定元素的特征峰数据时的基线标准不同。
具体地说，如图2所示，在第一实施例中，所述特定元素的特征峰曲线的纵坐标基线为Y为0线，则在第一实施例中，获得所述特定元素的特征峰数据时的基线为Y为0的线，而在本发明第二实施例中，请参阅图3，其为Si元素2P峰的X射线光电子能谱图，获得所述特定元素的特征峰数据时的基线为一测量基线A(如图3中的虚线所示)。即在本实施例中，所述Si元素2P峰曲线与所述测量基线A之间的峰下面积为所述特征峰数据。进一步，在本实施例中，所述测量基线A高于所述特定元素的特征峰曲线的纵坐标基线(即Y为0的线)。需要说明的是，在获得基准参数的步骤(即步骤S10)及对薄膜层采用X射线光电子能谱分析，以获得所述特定元素的特征峰数据，作为测量数据的步骤(即步骤S11)中均采用所述测量基线A作为参考基准。
本发明第二实施例能够在突出目标差别值的同时尽量避免电荷积累效应带来的干扰，大大提高了测量的准确度。需要说明的是，
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种薄膜层厚度的测量方法，所述薄膜层形成在一基底上，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
提供一基准参数，所述基准参数是，在所述基底上形成所述薄膜层之前对所述基底采用X射线光电子能谱分析而获得的特定元素的特征峰数据；
对薄膜层采用X射线光电子能谱分析，以获得所述特定元素的特征峰数据，作为测量数据；
建立所述测量数据与所述基准参数的函数；
提供一数据库，所述数据库包括在所述基底上形成所述薄膜层前后的所述特定元素的特征峰数据的函数与所述薄膜层厚度的对应关系；
以所述函数作为索引，在所述数据库中获得所述薄膜层的厚度。
2.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，提供一基准参数的步骤进一步包括：在所述基底上形成所述薄膜层之前，对所述基底采用X射线光电子能谱分析，获取多个不同条件下的所述特定元素的特征峰数据样本；对所述样本进行统计分析，将统计分析的结果作为所述基准参数。
3.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，在建立所述测量数据与所述基准参数的函数的步骤中，所述函数为所述测量数据与所述基准参数的差值、比值、对数中的一种。
4.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，在提供一数据库的步骤中，形成所述数据库的方法包括如下步骤：
提供多个参考样品，每一参考样品包括基底及设置在所述基底上的薄膜层，不同参考样品的所述薄膜层的厚度不同，且每一参考样品的薄膜层厚度已知；
对于每一参考样品，在所述基底上形成所述薄膜层之前，采用X射线光电子能谱分析获得特定元素的第一特征峰数据，在所述基底上形成所述薄膜层之后，采用X射线光电子能谱分析获得所述特定元素的第二特征峰数据；
建立所述第二特征峰数据与所述第一特征峰数据的函数；
将所述函数及其对应的薄膜层厚度作为所述数据库的数据，以形成所述数据库。
5.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，所述特定元素的特征峰数据设置为，所述特定元素的特征峰下积分面积。
6.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，所述薄膜层与所述基底含有相同的元素。
7.根据权利要求6所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，所述基底与所述薄膜层中均含有Si、O、N元素。
8.根据权利要求7所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，所述特定元素为Si元素。
9.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，所述薄膜层为三维NAND存储器的电荷陷阱层或电荷隧穿层。
10.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，所述薄膜层的厚度小于10nm。
11.根据权利要求1所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，在提供一基准参数的步骤中及在获得所述特定元素的特征峰数据作为测量数据的步骤中，设置一测量基线，以所述测量基线为基础获得所述特定元素的特征峰数据。
12.根据权利要求11所述的薄膜层厚度的测量方法，其特征在于，所述测量基线高于所述特定元素的特征峰曲线的纵坐标基线。
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