TW288180B - Uniform density charge deposit source - Google Patents

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A7 B7 ^^8180 五、發明説明（ 相關申請案説明 本案之説明圖式亦見於同時提出之申請案，ibm文件 序號FI9-95-055，美國專利申請案號〇8/44〇5〇2，案 名爲"Uniform Density Charge Deposit Source"( 等密度電荷沉澱源），其發明人爲本案發明人，並讓渡予， 本案之受讓渡人。 發明背景 本發明_一般關於測量薄絕緣層之厚度與相關氧-矽之介 面狀態密度’尤其關於薄至2 0 0入或以下極薄氧化層之測 量，以及所使用之電暈放電槍。 測量極薄氧化層、DRAM儲存節點氧化層等之厚度，一 般可以光學或電子儀器快速完成。例如，1994年8月30 曰發證予Rudolf Berger等人之美國專利號5,343,293 以及其中之引證資料中’揭示光學橢圓計裝置，根據通過 5亥膜之偏極光中之可辨識變化而測量妙晶圓上氧化膜之厚 度。該變化之可辨識度或定量情形随著氧化膜厚度降至約 2 0 0入以下而減低。 1988年10月25日發證予Klaus Reuter等人之美國專 利號4,780,680中揭示一種非接觸式電子技術，其適合 對較厚之帶狀絕緣材料及絕緣塗層（如膠帶及畫）作約略之 厚度量測。若將所引用之電子技術用於矽上氧化層，可能 可測得粗略之氧化層厚度。然而，就該專利中所未解釋= 將於以下詳細説明之原因而言，所引用之電子技術無法得 到約2 0 0入以下氧化層之有效厚度量測。 -4 - 表纸張尺度適用中囡國家標隼（CNS ) Λ4規格（210',< 297公廢） --"------------IT------ - 1 {汸先閱琦f而之注¾卞項再填·!>:-本VK ) 經濟部中央標达局一貝工消费合作社印製 五 、發明説明 Λ 7 Β7 經濟部中央標準局與工消费合作社印製 本發明之目的，係提供一種對半導體基板上之絕緣層作 锖確厚度測量之裝置與步驟，該等層非常薄，且薄至入 〇 、本發明之另一目的，係提供一種非接觸式電子技術，用 以'則量一半導體基板上小於約2 ο ο Λ氧化層之厚度。 本發明之又-目的，係提供—種電容_電壓技^，用以 測量一半導體基板上之氧化.層厚度，其可修正該基板中非 零累積彎曲帶效應（累積電容）之存在。 、本發明之再一㈣，係利用一電容_電壓技術以得到一 半導體基板上氧化層厚度之精確量測，其中該需求被降低 ’以使該氧-矽結構強烈偏入累積。 衣發明I又—目❾，係提供半導體基板上絕緣層之介面 狀態密度之測量，該等層具有低至40λ之厚度。 本發明（更一目的，係提供適用於本發明中絕緣層厚度 與介面狀態密度測量技術之電暈放電槍。 本發月（此等及其他目的，係藉由提供—電暈放電源重 覆沉積-經校準之固定電荷密度於石夕基板上之薄氧化層表 而達最佳形式之實施例。每一電荷沉積所導致氧 化層表面電位I變化”乂 _振動探針量測。由本發明中可 知氧化層表面電位之變化係本質上穿越該氧化層之電壓變 化加上琢基板中無限累積電容存在所造成秒膏曲帶變化之 和0 右氧化層表面雷位去缺y 禾π k正即加以使用，則可能存在之 先 閱 ji-j 而 之ΐϊ ψ 項 再 填 % 本 f 裝 訂 線 I________ -5- 本紙張尺度it财國國家標1 ( CNS ) Λ7 B7 五、發明説明 -裝 氡化層厚度量測誤差可利用下述之連續逼近法以數學方式 ^算出。藉由選取設定氧化層厚度之初始値與得知每一電 暈放電突發所沉積之電荷密度’可計算得出氧化電之約： 變化。藉由將每一實驗而得之氧化層表面電位變化減去此 穿越氧化層之電壓約略變化，可定出每—電暈放電步驟之 矽f曲帶約略變化。然後，&彎曲帶之累積變化對氧化層 電位（氧化層偏壓）可得一實驗上之膏曲帶對偏壓特性。應 汪意者爲_該氧化層厚度之初.始設定値係由前述特性之強累 積區域中之氧化層表面電位變化所取得，其中矽表面電位 i變化小到足以允許氧化層厚度之粗估。 訂 線 經濟部中央標达局Μ工消費合作社印农 一理論上之彎曲帶對偏壓特性爲—模擬之理想化m〇s 凡件而建立，該元件具有前述之設定氧化層厚度。未爲任 何累積之電容設定任何値。然後將實驗之彎曲帶對偏壓特 性與理論之彎曲帶對偏壓特性加以比較。該二特性於該曲 線疋二次微分通過最大値時之點上相合，然後重計該設定 氧化層厚度對此一特性之形狀關係，直到該碎累積區域中 <孩二特性-重疊爲止。使此二特性重疊之重計氧化層厚度 係所尋求之氧化層厚度値。根據前述氧化層厚度量測技術 所最終推得之該實驗上彎曲帶對偏壓特性，亦用以決定該 樣氧化層之介面狀態密度。特別設計之電暈放電槍被提 供以與該絕緣層厚度及快速狀態密度量測技術一起使用。 選^簡要説明 圖1係本發明中存在於所量測氧化層厚度之樣品中之電 場形式理想化截面圖。 6- 木纸張尺度邮巾關家標準 (CNS ) Λ4規格（公斯 A7 B7 2^8ΐβ〇 五、發明説明（4 圖2l2c係理論上與實驗上彎曲帶對偏壓特性之部分組 合’其重覆進行指對並彼此比較。 圖3 a及3 b係簡化之電暈放電源之截面圖，其用以沉積 :重覆均勻之固定電荷密度於所關心之氧化層面積上，該 氧化層之厚度本身單獨被量測，或與介面狀態密度一起被 量測。 之最佳槿式 矽累積_電容，如延伸於充電氧化層與下方矽基板間介面 下之有效電容，可於作較厚絕緣層厚度量測時忽略，其中 ，層厚度數倍於任何累積層之深度。#基板累積電容與該 氧化層電容串聯，且較諸厚度大於200人之氧化層，高至 足以視爲基本上無限。在2〇〇入以下，該累積電容相；於 氧化層電容，則變爲可感知的，而不可忽略。而且，當該 氧^層厚度低至4〇人時，如〇^4〇8與〇尺八1；1技術之推二 狀態中者，可用以使M0S結構偏輋至累積之電場，必須γ 維持低於較厚氧化層者（以避免穿隧問題）。因此，該 MOS結構無法強偏壓至累積，相反地，降低了石夕累積電 容，並使傳統電子厚度測量之誤差甚至更大，其中累= 容可忽略。 ％ 二參閲圖1，於P型矽基板2中之正電荷累積1導因於由 負電暈放電搶4將負電荷3沉積至基板2上方氧化層5之表 面上。該電暈放電經護罩6供至所欲區域。爲了得到精確 之厚度量測，必須使均勻密度之電荷3經護罩6之孔沉積 。爲達此均勻度所特別架構之電暈放電槍將於稍後參閲圖 —-------------ir-------旅 (iv先閱讀背而之注¾事項再填泠本f) 經濟部中夬標缘局资工消«·合作社印装 Λ7 Λ7 經濟部中夬.標尨局h工消费合作杜印製 、發明説明（ 3&作說明。 .°丨圖1，須/主意者爲，於氧化層5上表面處所量得 (v〇、於基板2容積之電位（V5)，係跨越氧化層5之壓降 办〇X)及跨越氧化層5下表面與基板2内累積電荷層間之 :間充電區域之壓降（ψ )總和。因此，Vs = v〇x +氺。 '几積電荷Q與所得電壓A間之功能性關係、以，'P hy S1 c s。f S C fji t » λ 々-onductor Devices"(半導體元件之物理）一書 $ 36 6—- 369頁中之式<13)和（16)表示，該書作者爲 去 Sze，John Wiley and Sons 公司出版，1981年 β 一値被設定爲氧化層5之厚度，且沉積電荷密度3、 =化層5,介電常數，以及基板2之Ρ_摻雜位準爲已知値 蘇計算0之理論値。#進一步假設一連串等値電荷沉 :乳化層5之表面上時’可計得並繪出市之相對應理論 。此一理論圖（理論彎曲帶對偏壓特性）示 線7中。 aizai曲 爲了測定與覆蓋圖1中矽基板結構之氧化層共同成形之 了，品部分-之氧化層厚度，根據本發明，一連串實驗產生 〈第二曲線與該理論圖加以比較。此連續實驗 弯曲帶對偏壓特性）中之第_個以圖2a之曲線8代表。曲 線8首先必須相對於曲線7加以對應，使每—個矽累 域可方便互相比較。此可藉由決定每-曲線之二次微八.甬 過取大値（點’然後改變實驗曲線，直到其最大二次微分 點與該理論曲線之最大二次微分點緊密契合爲止。由^ 2a中可知’實驗曲線8因此沿q座標移動〜之量，而沿 本紙狀度㈣巾_糾轉（ --“------J- —装------訂------^旅 (^先"^背而之注^:事項再填"本茛) 8- 288180 Λ7 B7 五、發明説明（6 ) 氺座標移動△ 2之量，而達到所需之對應。曲線8，顯示曲 線8 '移動△ 2之量的結果1曲線8 '亦欲移動△ i之量。 圖2 b描繪前述圖1中曲線8之雙重對應結果，而得到圖 2 b之曲線8 " 〇應注意者爲曲線7和8丨，之實際比較發生於 區域9内，對應於圖1之基板2藉沉積電荷3處於—累積狀 態時。整個曲線8藉由一連串之約2 0個來自電暈放電搶4 之等電荷突發而產生，其中5個突發發生於區域9上方。 所得之20個資料樣品，亦即氧化層上表面和半導體基板 體間之電壓變化，以如1989年3月14日發證予 Huntington W. Crutis等人，並讓渡予本案受讓人之 美國專利號4,812,756中所述之振動凱文探針儀器（未示 出）量測。曲線逼近技術用以使0對Q特性上之對應點平 滑，而於所有2 0個電壓資料樣品全部取得後產生如曲線8 之連續曲線。 曲線7和8於取樣位置S 1到S $處加以比較，若有任何累 積差存在.，則選取一新的增加値以爲該設定氧化層厚度3 利用和以前-相同之量測値，但增加氧化層厚度之初始設定 値，重覆進行整個計算過程而得到每一設定厚度値之新實 驗曲線，直到其與理論曲線之比較結果顯示相合爲止。因 此’對應之貫驗曲線與理論曲線將如圖2 c所示，變成適 當地相合。最後使得此二特性可適當重疊之設定氧化層厚 度（如圖2 c中所示）係所尋求之氧化層厚度値，亦即進行 量測之該樣品上氧化層之眞實厚度値。 產生初始之實驗特性並進行比較，然後產生該重覆進行 -9- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（2丨0X 297公释 ---------------1T------ ^ I (^先閃讀1'而之注念事項再填"衣页) 經濟部中央標达局員工消费合作社印裝 五、發明説明（ \Ί Β7 &其他實驗特性與進行所需之其他比較，以確定氧化層厚 度’共花費約3分鐘;^ _自動電腦控制測試器上。 根據前述氧化層厚度測量技術所最終㈣出之圖2c中之 實驗上與理論上彎曲帶對偏壓特纟，亦可用以測定該樣品 氧化層之介面狀態密度。在此例中，該實驗上彎曲帶對: 壓疋斜率於很多不同ψ値處，與理論上理想之彎曲帶特性 斜率加以比較。尤其，圖2e中之曲線斜率，於多處不同 平値點處_加以比較，而根據下式得到相對應之介面狀態密 度： ^ N，、=l 其中 ;先閱^汴而之;'.£.*事項再填{3木頁) .裝

I lOfAL :N S s =介面狀態密度* q =每一電子之單位電荷 實驗曲線7於一已知·φ·値處之斜率 άψ 訂 άψ 理想曲線於該已知ψ値處之斜率 *在更多最近之文獻中，介面狀態之符號爲Dit。 以上之表示式可由 CN Berglund ,'Surface States at ~ —

SjeanL-Grown Silicon-Silicon Dioxide Interfaces11, !EEE Transactions on Electron Devices, Vol ED-13, N〇· 10，〇ct_ 1966，p 701文獻中之式（2)快速推導。 爲了作此一介面狀態量測，須知確實之平帶特性，因爲 如氧化層厚度測量中者所推衍出之該特性包含一修正項。 線 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 -10- Λ7 五、發明説明（8 ) 二项亦可楮由進行每一氧化層表面電位資料點之光電 ’’以及標出該光電壓趨近零之偏壓而方便地決定。 t起觀察Μ壓對偏壓特性，並試圖轉換Μ電壓對偏壓 =馬彎曲帶對偏壓特性而言，此應爲-更精確之測定 夸曲帶對偏壓特性之方法。 .裝 -訂 經濟部中央標進局只工消費合作社印裝 圖3“系用於本發明氧化層厚度測量方面之電暈放電槍最 佳，式實施例之簡化截面（部分立體）圖。在該槍之設計上 ，而歹〗入考慮者包括提供一越過晶圓1〇上所欲選取覆有 氧，層位置之相當均勻（爲了測量精確性）之良好界定實體 束電何密度（爲了儘量減少測量時間）^典型上忽略束整形 電極1 1與1 2關於圖3 a之針1 3之習用點（針_對_面）源，並 不適合。供應一高電壓（典型上+或_ ό〜9 KV)至該習用 針之相對於該晶圓位置。於針尖處產生正或負離子/匕分子 ’然後其隨著電場線，丨針尖落至該晶圓。在無束整形電 極1曰1與1 2，以及本發明加至其上之偏壓之情形中，佔據 琢^圓位置上之電暈電荷密度於緊臨該針下方處最高，: 随著由該針軸往徑向距離之增加而快速減少。此一廣泛區 域、非均勻-充電並不適於得到晶圓位置處之精確氧化層厚 度測量或介面狀態測量。與針丨3之軸同圓心之東整形^ 極1 1與1 2，以及加至其上之圖3 a偏壓之加入，以兩個= 要途徑改善了該槍之電暈充電能力。第~，下方電極12 作爲界定電暈沉積區域直徑之護罩。第二，電極12上之 偏壓（與電暈離子相同極性）排斥正常可由電極丨2邊緣捕 捉之離子，並以—強化而於電極1 2邊緣下方突然停止之 密度將其向下導至該晶圓位置。該電極1 1於—相當高電 11 - 本紙張反度遇用中國國家標準 (CNS ) Λ4規格（21(,:>< 297公《 ) AT B7 經濟部中央標浪局H工消费合作社印製 五、發明説明（9 壓高達±3 KV)處’以與該等電 而幫助提昇該電晕放電搶之效率笨：子相同極性下偏壓’ 叹+ °範圍在±6-9 KV及高 達± 1.5 KV之電位，分別適於 — 及问 、对13及護罩電極12。此尊 致電暈源上方區域中之電場外I^更早电技1 2此淨 虹…道本、、 止很多離子被該上方電 極捕捉並向下導至琢下方電接19 1 2 ’相反地，將盆導向該 晶圓位置。應注意者爲該針丨3盎 、导〇以 ”冤極11和12楮所需偏壓 可用之適當絕緣支撑物（未示垧堂 v π ) W )支撑並彼此絕緣。 圖3 b係用於本發明氧化層電许：目，丨县、 ▼电何測量万面之電暈放電槍最 佳模式實施例之簡化截面（部分士邮、s 7 刀1組）圖。爲了將一電 放 電槍用於選取晶圓位置處切_錢化層電荷之測量， 孩來源非常均勻地沉積電荷於—絕緣（氧化）表面上係基本 條件。如冑所指出m點（針）對晶圓位置來源並無法 如疋做。雖然可以加入該等束整形電極與圖3 a中所討論 之電壓而達成沉積電荷均勻度之改善，但所欲者爲比氧Z 層厚度測量例中更均勻之氧化層電荷測量及介面狀態電荷 測量。此係由於進行所需介面狀態，測量之斜率比較時，比 進行氧化層厚度測量時有増加之沉積電荷非均勻性之敏感 度，因爲兩例中涉及兩個最終推衍出彎曲帶對偏壓特性之 不同區域。而且，與圖3 &之槍相關連之小程度之其餘非 均勻性，典型上對正及負電暈而言弈常相同者，其一可能 於一已知之量測例中需要。此正與負電暈中之非所欲之對 稱’利用圖3 b槍組態大大地降至最低。 圖3b基本上同於圖3a，只除了於圖3b中提供兩個相面 對之水平針14和15，以取代圖3a之單一垂直針13。供應 至圖3b中針14與15及電極16與丨7之電位可與圖3a之例 -12- 本紙张尺种關丨標华（CNs ) Λ4規格（757^297公疫） -I k-------士民------ T I- n n - n I ^ US. 、v-e (-先閱讀汴兩之注意事項再填巧本頁) ^88130 A7 __B7 五、發明説明（10 ) 中相對應之部分相同。 導致圖3b之槍傳送更均勻沉積電荷之機構並未精確得知 ，然而，將提供以下之推測解釋。 在圖3 a之例中，離子直接由針尖之離子優點向下游走至 晶圓位置。然而，若關於針尖端處離子之局部產生不均勻 ’則向下至晶圓位置之離子通量將不均勻。甚且，若正與 負離子之局部產生未發生於關於針尖處之精確相同物理位 置處，則正與負離子之充電通量將不對稱。這些非均勻性 及不對稱充電問題可藉圖3 a解釋，提供極小之機會使離 子通量於佔據該晶圓表面上前變得更均句。相反地，在圖 3b中’產生於針尖處之離子未直接向下游走至晶圓表面 ’因爲其首先被導向該上方束整形電極16之壁上。取而 代之者，那些離子傾向於爲該上方電極所排斥，然後，很 可能被以一旋渦空氣形式被捕捉（在電暈放電文獻中正常 上指’’電風’’（electric Wind))。該電風可視爲緊臨針尖 前增加之空氣壓力之產物，然後從該尖端向上創造出一降 壓·區域。此導致旋渦。因爲離子未被立即導向晶圓位置， 此旋竭效應有時間使離子分布於佔據晶圓表面上前更均勻 。利用一或多個具有非垂直位向之針可產生更廣之漩渦效 應’藉此方式，離子起初被導引於上方電極16之壁處， 而非晶圓表面處。 圖3b中該槍之一相對於圖3a中者之優點爲，在圖3b* ，更多離子非直接路徑導致較低充電密度。此比完成氧化 層厚度量測所需之時間更長，其中由圖3 b之槍所増加之 沉積電荷均勻性非爲必要者。此係爲何圖3 a之槍只於所 本纸張尺度適;n 標準（CN.S) (2ii) *--u-------裝------1T------ (^先閱-.背而之注念事項再填3太頁) 經濟部中央標挛局負工消费合作社印製 A 7 B7

五、發明説明（II 欲者爲氧化層厚度量測，而非介面狀態量測時較佳之原因 0 較佳實施例加以説明，而應了解者爲本發明 可由…技》人士諸般修飾，但皆不脱離本發明 範園之精神。所欲申請保護之範圍包括落於本發明： 之諸般修飾與變化。 f明蜻神内 .--U------i 裝------.玎------ ί ί . (为先閱讀汴面之注意事項再填':>?本f ) 經濟部中央標聲局貝工消費合作社印製 -用 ί " 尺 張 紙 Κ -準 ;標 I家 國 一國

Claims (1)

1. 申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 L —種電暈放電槍，包本一偏厭紅 电很〇 〇侷壓針狀電極，於其尖端提供 -已知極性之離子源； 、 -偏壓聚焦環狀電極，及一偏壓護罩電極，該護罩電極 包含一中間有孔之圓盤； 該等電極彼此絕緣並被支撢，以使該環狀電極' 該有孔 圓盤及該針狀電極彼此爲同軸； 該環狀電極被置放於該針狀電極與該護罩電極間。 2. 根據申請專利範圍第丨項之槍，其中該環狀與該護罩電極 以與該等離子具相同極性之電壓進行偏壓。 3. ~種電暈放電槍，包含至少一非垂直位向偏壓針狀電極 ，於该針之尖端提供一已知極性之離子源； 一偏壓聚焦環狀電極；及 一偏壓護罩電極，該護罩電極包含一中間有孔之圓盤； 該等電極彼此絕緣並被支禕，以使該環狀電極與該有孔 圓盤同軸； ' ~ 該環狀電極被置放於該等尖端與該護罩電極間。 4·根據申請專利範圍第3項之槍，其中該環狀與該護軍電楂 以與該等離子具相同極性之電壓進行偏壓。 —種電暈放電槍，包含兩個相面對之偏壓針狀電極，於 該等針之相面對尖端處提供一已知極性之離子源，兮等 針沿一第一抽置放； 一偏壓聚焦環狀電極；及 一偏壓遵罩電極’該護罩電極包含一中間有孔之圓妒 該等電極彼此絕緣並被支撑，以使該環狀電杨與該有孔 5. -15-

   u ^ :——^-- - (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 i ^88130 r8 C8 D8 六、申請專利範圍 圓盤以一第二抽同抽； 該第一與第二軸彼此垂直，並於該等相面對尖端間之中 間彼此相交； 該環狀電極被置放於該等相面對尖端與該護罩電極間。 _——.------i^.------ir------i (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -16- 本紙張尺度逋用中國國家橾準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐）