CN112992711A - 超薄型soi材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法，首先取一片SOI晶片，利用X光电子能谱仪进行SOI材料成分测试，采用数据采集和离子溅射交替进行，记录SOI材料中各组分的含量随溅射时间的变化，从而获得样品各组分沿深度分布的信息，做SOI材料中各组分随溅射深度变化的曲线，从Si元素和O元素相对原子浓度与溅射深度关系图中可以直接读出SOI材料硅厚度、埋氧化层厚度以及界面厚度，该方法实现了SOI材料顶层硅厚度、埋氧化层厚度及界面厚度的准确测量；本发明测试方法获得的SOI各层厚度是微观层面的，更具有直观性。

Description

超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法
技术领域
本发明涉及一种超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法，特别是需要界面厚度信息时，采用本方法更加直观。
背景技术
SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘体衬底上的硅，SOI技术被国际公认为“二十一世纪的硅基础电路技术”。SOI在高性能超大规模集成电路、高速存贮设备、低功耗电路、高温传感器、军用抗辐照器件、移动通讯系统、光电子集成器件以及MEMS（微机电）等领域具有极其广阔的应用前景。它是一种在硅材料与硅集成电路的巨大基础上出现的、有独特优势的、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，如图2所示，它是一种具有“Si/绝缘层/Si”三层结构的新型硅基半导体材料。
SOI顶层硅、埋氧化层厚度是影响器件参数一致性的重要因素，准确测试出顶层硅、埋氧化层厚度以及界面厚度是非常必要的。
目前常规使用椭偏仪测试顶层硅、埋氧化层厚度，该测试方法原理是利用线偏振光经样品反射后转变为椭圆偏振光，偏振光通过介质时与介质发生相互作用，测出这种偏振态的变化，进而进行分析拟合，获得样品的光学常数。但是这种方法受样品表面粗糙度的影响较大，当样品表面粗糙度比较大，界面不清晰，而且不能给出界面的厚度信息，或数据处理模型的选择有误，都将影响测试结果的准确性。
贾京英等《SIMOX SOI晶片顶层硅、埋层厚度及均匀性的分析研究》中利用SOI制备工艺中注入能量和剂量估算出顶层硅和埋层厚度，这种估算的方式受注入工艺影响，注入不均匀，则估算结果误差也大。
发明内容
鉴于现有技术的状况及存在的不足，本发明提供一种超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法。该技术是利用X光电子能谱仪跟踪SOI晶片表面到衬底Si元素和O元素从含量随深度含量的变化，由图谱直观地读出顶层硅、埋层厚度和界面厚度，这种测试方法更适合SOI器件结构分析及其工艺改进。
本发明采取的技术方案是：一种超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法，所述测试步骤如下：
步骤S1、取一片SOI晶片，清洗表面，去掉表面沾污；
步骤S2、将铝箔掩膜贴紧置SOI晶片表面，铝箔掩膜中心有2mm×1mm镂空；
步骤S3、将SOI晶片固定到X光电子能谱仪样品台上，抽真空，当真空度达到10-5Pa时，将SOI晶片送入X光电子能谱仪主真空室；
步骤S4、X光电子能谱仪主真空室的真空度达到10-6Pa，调节SOI晶片高度，对齐氩离子枪、光源和能量分析器三者的共同基准面；
步骤S5、设置测试条件，用Ar+离子刻蚀系统，加速电压设置为2~3kV，每刻蚀2min对Si和O元素进行扫描采谱，记录Si和O元素的谱峰强度，一直刻蚀到背衬底硅结束；
步骤S6、X射线光电子谱线强度反映元素浓度，根据测量谱线强度，由公式（1）进行定量分析，得到元素浓度，
I=nfσφγATλ…………………………………………(1)
式中：
I—谱线强度；
n—单位体积中的原子数；
f—X射线通量；
σ—光电离截面；
φ—与X射线和出射光电子的夹角有关的因子；
γ—光电子产率；
A—采样面积；
T—检测系数；
λ—光电子的非弹性散射平均自由程，
设Si元素浓度为n1，O元素浓度为n2，令S=fσφγATλ，称为元素灵敏度因子，则两元素的浓度比为：
Figure 829628DEST_PATH_IMAGE002
…………………………………………(2)
步骤S7、根据测得的元素和O元素的特征谱峰强度，查得Si元素的相对灵敏度因子为0.368，O元素的灵敏度因子为0.733，计算每次采谱时Si元素和O元素的相对原子浓度；
步骤S8、绘制Si元素和O元素的相对原子浓度与溅射时间的关系曲，纵坐标为Si元素和O元素的相对原子浓度，横坐标为溅射时间；
步骤S9、利用表面轮廓仪测试经过刻蚀的SOI样品上溅射坑的深度，根据测得的坑深和形成该坑的总溅射时间，计算溅射速率，将横坐标的溅射时间转换成深度，绘制Si元素和O元素的相对原子浓度与溅射深度关系曲线；
步骤S10、读取厚度值，Si元素相对原子浓度-深度曲线与O元素相对原子浓度-深度曲线有两个交点，溅射深度为0时，表示SOI晶片表面，从表面到第1交点对应的溅射深度为顶层硅的厚度，两个交点间的距离为埋氧化层厚度。
本发明所产生的有益效果是：
首先取一片SOI晶片，利用X光电子能谱仪进行SOI材料成分测试，采用数据采集和离子溅射交替进行，记录SOI材料中各组分的含量随溅射时间的变化，从而获得样品各组分沿深度分布的信息，做SOI材料中各组分随溅射深度变化的曲线，从Si元素和O元素相对原子浓度与溅射深度关系图中可以直接读出SOI材料硅厚度、埋氧化层厚度以及界面厚度，该方法实现了SOI材料顶层硅厚度、埋氧化层厚度及界面厚度的准确测量。本发明测试方法获得的SOI各层厚度是微观层面的，更具有直观性。
本方法利用X光电子能谱仪进测试SOI材料中Si和O元素的含量随深度的变化，做Si元素和O元素相对原子浓度与溅射深度关系图，能直接从图上读取各层厚度值。
经过本发明检测方法的建立，可以同时测试得出SOI材料顶层硅、埋氧化层厚度及界面厚度，为SOI制备提供更为详细和直观地信息，为SOI材料工艺改进提供数据支撑。本发明不受样品表面粗糙度，界面不均匀等的影响。
附图说明
图1为本发明中铝箔掩膜的示意图；
图2为本发明中SOI材料的示意图；
图3为本发明中Si元素和O元素相对原子浓度与溅射时间关系图；
图4为本发明中Si元素和O元素相对原子浓度与溅射深度关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法,步骤如下：
步骤S1、取一片SOI晶片，清洗表面，去掉表面沾污。
步骤S2、将铝箔掩膜贴紧置样品表面，掩膜中心有2mm×1mm镂空。
步骤S3、将SOI晶片固定到X光电子能谱仪样品台上，抽真空，当真空度达到10-5Pa时，将SOI晶片送入X光电子能谱仪主真空室。
步骤S4、X光电子能谱仪主真空室的真空度达到10-6Pa，调节SOI晶片高度，对齐氩离子枪、光源和能量分析器三者的共同基准面。
步骤S5、设置测试条件，用Ar+离子刻蚀系统，加速电压设置为2~3kV，每刻蚀2min对Si和O元素进行扫描采谱，记录Si和O元素的谱峰强度。一直刻蚀到背衬底硅结束。
步骤S6、X射线光电子谱线强度反映元素浓度，根据测量谱线强度，由公式（1）可进行定量分析，得到元素浓度。
I=nfσφγATλ…………………………………………(1)
式中：
I—谱线强度；
n—单位体积中的原子数；
f—X射线通量；
σ—光电离截面；
φ—与X射线和出射光电子的夹角有关的因子；
γ—光电子产率；
A—采样面积；
T—检测系数；
λ—光电子的非弹性散射平均自由程。
设Si元素浓度为n1，O元素浓度为n2，令S=fσφγATλ，称为元素灵敏度因子，则两元素的浓度比为：
Figure 78206DEST_PATH_IMAGE002
…………………………………………(2)
步骤S7、根据测得的Si元素和O元素的特征谱峰强度，查得Si元素的灵敏度因子为0.368，O元素的灵敏度因子为0.733，计算每次采谱时Si元素和O元素的相对原子浓度。
步骤S8、绘制Si元素和O元素的相对原子浓度与溅射时间的关系曲线（如图3所示），纵坐标为Si元素和O元素的相对原子浓度，横坐标为溅射时间。
步骤S9、利用表面轮廓仪测试经过刻蚀的SOI样品上溅射坑的深度，根据测得的坑深和形成该坑的总溅射时间，计算溅射速率，将横坐标的溅射时间转换成深度，绘制Si元素和O元素的相对原子浓度与溅射深度关系曲线（如图4所示）。
步骤S10、读取厚度值，Si元素相对原子浓度-深度曲线与O元素相对原子浓度-深度曲线有两个交点，溅射深度为0时，表示SOI晶片表面，从表面到第1交点对应的溅射深度为顶层硅的厚度，两个交点间的距离为埋氧化层厚度。
在步骤S5中，对于顶层硅厚度大于100nm的样品，采用3kV的加速电压，对于顶层硅厚度小于100nm的样品，采用2kV的加速电压。
在步骤S10中，Si元素相对原子浓度100%对应的深度值到Si元素相对原子浓度下降到一稳定值对应的深度值间的距离为顶层硅与埋氧化层的界面厚度，Si元素相对原子浓度稳定一段后开始上升点对应的深度值与Si元素相对原子浓度再次变为100%对应的深度值间的距离为埋氧化层与衬底的界面厚度。

Claims (3)

1.一种超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法，其特征在于，所述测试步骤如下：
步骤S1、取一片SOI晶片，清洗表面，去掉表面沾污；
步骤S2、将铝箔掩膜贴紧置SOI晶片表面，铝箔掩膜中心有2mm×1mm镂空；
步骤S3、将SOI晶片固定到X光电子能谱仪样品台上，抽真空，当真空度达到10-5Pa时，将SOI晶片送入X光电子能谱仪主真空室；
步骤S4、X光电子能谱仪主真空室的真空度达到10-6Pa，调节SOI晶片高度，对齐氩离子枪、光源和能量分析器三者的共同基准面；
步骤S5、设置测试条件，用Ar+离子刻蚀系统，加速电压设置为2~3kV，每刻蚀2min对Si和O元素进行扫描采谱，记录Si和O元素的谱峰强度，一直刻蚀到背衬底硅结束；
步骤S6、X射线光电子谱线强度反映元素浓度，根据测量谱线强度，由公式（1）进行定量分析，得到元素浓度，
I=nfσφγATλ…………………………………………(1)
式中：
I—谱线强度；
n—单位体积中的原子数；
f—X射线通量；
σ—光电离截面；
φ—与X射线和出射光电子的夹角有关的因子；
γ—光电子产率；
A—采样面积；
T—检测系数；
λ—光电子的非弹性散射平均自由程，
设Si元素浓度为n1，O元素浓度为n2，令S=fσφγATλ，称为元素灵敏度因子，则两元素的浓度比为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
…………………………………………(2)
步骤S7、根据测得的元素和O元素的特征谱峰强度，查得Si元素的相对灵敏度因子为0.368，O元素的灵敏度因子为0.733，计算每次采谱时Si元素和O元素的相对原子浓度；
步骤S8、绘制Si元素和O元素的相对原子浓度与溅射时间的关系曲，纵坐标为Si元素和O元素的相对原子浓度，横坐标为溅射时间；
步骤S9、利用表面轮廓仪测试经过刻蚀的SOI样品上溅射坑的深度，根据测得的坑深和形成该坑的总溅射时间，计算溅射速率，将横坐标的溅射时间转换成深度，绘制Si元素和O元素的相对原子浓度与溅射深度关系曲线；
步骤S10、读取厚度值，Si元素相对原子浓度-深度曲线与O元素相对原子浓度-深度曲线有两个交点，溅射深度为0时，表示SOI晶片表面，从表面到第1交点对应的溅射深度为顶层硅的厚度，两个交点间的距离为埋氧化层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种SOI晶片顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法，其特征在于，在步骤S5中，对于顶层硅厚度大于100nm的样品，采用3kV的加速电压，对于顶层硅厚度小于100nm的样品，采用2kV的加速电压。
3.根据权利要求1所述的一种超薄型SOI材料顶层硅和埋氧化层厚度的测量方法，其特征在于，在步骤S10中，Si元素相对原子浓度100%对应的深度值到Si元素相对原子浓度下降到一稳定值对应的深度值间的距离为顶层硅与埋氧化层的界面厚度，Si元素相对原子浓度稳定一段后开始上升点对应的深度值与Si元素相对原子浓度再次变为100%对应的深度值间的距离为埋氧化层与衬底的界面厚度。
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