TW289140B - - Google Patents

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A7 B7 經濟部中夬標激.局員工消費合作社印製 五、發明説明（1 ) 相_關申請案説明 本案之説明f與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 DeP〇sit 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20 0人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，— 般可以光學或電子儀器快速完成。例如，1 9 9 4年8月3 〇 日發說予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 該膜之偏極光中之可辨識變化而測量硬晶圓上氧化膜之厚 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 A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砂上氧化層，可能 可測彳于粗略之氧化層厚度。然而，就該專利中所未解釋但 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 〇 A以下氧化層之有效厚度量測。 ____ _4' I3¾顧巾麵家縣（CNS) A4a格（21Q〗 297公慶） ' L---„-------壯衣------1T------ (¾先閱請.t面之注意事項再填寫本F、) 經濟部中央標準局貝工消費合作衽印製 U〇l4Q at 一 Β7 五、發明説明（2 ) 查明概述 本發明之目的’係提供一種對半導體基板上之絕緣層作

精確厚度測量之裝置與步驟，該等層非常薄，且薄至4〇A 〇 本發明之另一目的，係提供一種非接觸式電子技術，用 以測量一半導體基板上小於約2 0 0 A氧化層之厚度。 本發明之又—目的，係提供一種電容-電壓技術，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。 本發明之再一目的，係利用—電容-電壓技術以得到— 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。 本發明之又一目的，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4 〇 A之厚度。 本發明之更一目的，係提供適用於本發明中絕緣層厚度 與介面狀態透、度測量技術之電暈放電槍。 本發明之此等及其他目的，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碎基板上之薄氧化層表 面上，而達一最佳形式之實施例。 化層嘉％ + π ' 母私何/几積所導致氧 層表面电位（爽化，以-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 化加上該基板中無限累積雷宏在太 支 予躓电谷存在所造成矽彎曲帶 和 〇 若氧化層表面電位未經校正即加以使用，則可能存在之 j---：------f -裝------訂------一線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -5-

經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 ____ __ _ B7 五、發明説明（3 ) 氧化層厚度量測誤差可利用下述之連續逼近法以數學方式 推算出。藉由選取設定氧化層厚度之初始値與得知每1 晕放電突發所沉積之電荷密1，可計算#出氧化電之約略 變化。藉由將每—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，可定出每一電暈放電步驟之 矽彎曲帶約略變化。然後，由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f曲帶對偏壓特性。應 注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，其中發表面電位 之變化小到足以允許氧化層厚度之粗估。 一理論上之彎曲帶對偏壓特性爲一模擬之理想化m〇s 元件而建立，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 線之二次微分通過最大値時之點上相合，然後重計該設定 氧化層厚度對此二特性之形狀關係，直到該矽累積區域中 之該二特性重疊爲止。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 樣品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—起使用。 圖式簡要説明 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- 衣紙張[度通用中國國家標辛（CNS ) M規格（21{)χ297公楚） ' -- ------n IT In —I— m m ―批衣 I _ (請先閲讀背面之注念事項再填巧本I) 訂 级 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（4 ) 人圖2a-2c係理論上與實驗上彎曲帶對偏壓特性之部分句 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，其用以沉右 :重覆均句之固定電荷密度於所關心之氧化層面積上，食 氧化層t厚度本身單獨被量測，或與介面狀態密度一起赛 量測。 教發明之最祛婼士-i 矽累積電容，如延伸於充電氧化層與下方矽基板間介运 下i有效電容，可於作較厚絕緣層厚度量測時忽略，其寸 ，層厚度數倍於任何累積層之深度基板累積電容與爲 乳化層電容串聯，且較諸厚度大於2 0 0A之氧化層，高至 :以視爲基本上無限。在2〇“以下，該累積電容相二 化層電容，則變爲可感知的，而不可忽略。而且，各兮 ”層厚度低至⑽時，如cm〇s^ram技術之^ 狀態中者’可用以使MC>S結構偏壓至累積之電場，必^ 維持低於較厚氧化層者（以避免穿隧問題）。因此，:、 =〇s結構無法強偏壓至累積，相反地，降低了秒累積: i可=傳統電子厚度測量之誤差甚至更大，其中累積; ::閲圖！，於p型冷基板2中之正電荷累㈣因於由 負％暈放電槍4將負電荷3沉積至基板2上方氧化層$ 面上。該電暈放電經護罩6供至 所欲£域。馬了得到精確 (厚度量測，必須使均句密度之電荷3經護罩6 。爲達此㈣度所特別架構之電暈放電槍將於稍後參閲= 本紙碟尺度獅巾_^iiTcNS ) ( 210x1^^7 L----------f —裝------訂-----入級 {邙先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 3 a作説明。 再回到圖1，須注意者爲，於氧化 %礼化層5上表面處所量得 (相對於基板2容積之電位r w、，技分 电1 ( Μ )，係跨越氧化層5之壓降 ，及跨越氧化層5下表面與基板2内累積電荷層間之 i間无電區域（壓降（ψ)總和。因此，Vs = v〇x +氺。 沉積電荷Q與所得電壓ψ間之功能性關係以"phWcs “

Semi-Conductor Devices"(半導體元件之物理卜書 中第3 6 6 - 3 6 9頁中之式（13)和（16)表示’該書作者爲 S_M· Sze，John Wlley and s〇n^ 司出版，”^年 。當一値被設定爲氧化層5之厚度，且沉積電荷密度3、 氧化層5之介電常數，以及基板2之？_摻雜位準爲已知値 時，可计算0疋理論値。當進一步假設一連串等値電荷沉 積於氧化層5之表面上時，可計得並繪出於之相對應理論 値。此一理論圖（理論彎曲帶對偏壓特性）示於圖2 a之曲 線7中。 爲了測疋與覆蓋圖1中碎基板結構之氧化層共同成形之 樣„p分之氧化層厚度，根據本發明，一連串實驗產生 之第—曲線與該理論圖加以比較。此連續實驗圖（實驗上 彎曲帶對偏壓特性）中之第一個以圖2 a之曲線8代表。曲 在8首先必須相對於曲線7加以對應，使每一個矽累積區 域可万便互相比較。此可藉由決定每一曲線之二次微分通 過最大値之點，然後改變實驗曲線，直到其最大二次微分 點與孩理論曲線之最大二次微分點緊密契合爲止。由圖 2a中可知’實驗曲線8因此沿Q座標移動Λι之量，而沿 -8 - (CNS ) Λ4規格（210Χ7_97公趁） . {—装------訂-----Α 線 (請先間讀背而之注意事項异填"本1) W3140 A7 ___ B7 五、發明説明（6 ) 中座標移動△ 2之量，而達到所需之對應。曲線8，顯示曲· 線8 1移動△ 2之量的結果。曲線8，亦欲移動△ 1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 "。應注意者爲曲線7和8 "之實際比較發生於 區域9内，對應於圖丨之基板2藉沉積電荷3處於一累積狀 態時。整個曲線8藉由一連串之約2〇個來自電暈放電槍4 (等電荷突發而產生，其中5個突發發生於區域9上冬。 所得之2 0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1 9 8 9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氺對（^特性上之對應點平 滑，而於所有20個電壓資料樣品全部取得後產生如曲線8 之連續曲線。 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 (计先聞讀背而之注意事項再填寫本頁) 曲線7和8"於取樣位置SlaS5處加以比較，若有任何累 積差存在，則選取一新的増加値以爲該設定氧化層厚度。 利用和以前相同之量測値，但増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二= 驗曲線’直到其與理論曲線之比較結果顯示相合爲止。因 2，到·應之實驗曲線與理論曲線將如圖2 c所示，變成商 :地相合。最後使得此二特性可適#重疊之設定氧化層^ ς (如圖2 C中所示）係所尋求之氧化層厚度値，亦即進 別之m樣品上氧化層之眞實厚度値。 丁 產生初始之實驗特性並進行比較，然後產生該重覆進r (CN3 ) Λ4規格（210x 297公釐） 五、發明説明（7 Μ 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，共化費約3分鐘於—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給推衍出之圖2 c中之 實驗上與理論上彎曲帶對偏壓特性，亦可用以測定該樣品 氧化層I介面狀態密度。在此例中，該實驗上彎曲帶對偏 壓之斜率於很多不同0値處，與理論上理想之彎曲帶特性 斜率加以比較。尤其’圖2c中之曲線斜率，於多處不同 0値點處加以比較，而根據下式得到相對應之介面狀態密 度： <1 dQ〇x、 dQ^ 其中 :Nss =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Ψ値處之斜率αψ 理想曲線於該已知ψ値處之斜率 άψ L -------f -裝------訂------W線 (請先間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 *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 C.N. Berglund, " Surface States at Steam-Grown Silicon-Silicon Dioxide Interfaces" IEEE Transactions on Electron Devices, V〇 1 ED-13, No_ 10，Oct. 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。 -10 本紙張尺度適用中國國家標隼（CMS ) A4規格（2丨0X 297公釐） 經濟部中央標準局負工消費合作杜印製 五、發明説明（8 項亦可藉由進行每-氧化層表面電位資料點之光電 特3察：電壓對偏壓特性，並試圖轉換該光電壓對偏壓 狩〖生成馬彎曲帶對偏壓特 弯曲帶對偏壓特性之方法。 此更精確之測定 佳模弋^用於本發明氧化層厚度測量方面之電暈放電槍最 :實施例之簡化截面(部分立體)圖。在該槍之設計上 氧^層^慮者包括提供一越過晶圓1〇上所欲選取覆有 二〈相當均勾(爲了測量精確性)之良好界定實體 可Λ (爲了儘量減少測量時間）。典型上忽略束整形 2=與12關於圖3a之針13之習用點（針♦面）源，並 =:。供應一高電壓(典型上+或-6〜9 KV)至該習用 針2對於該晶圓位置。於針尖處產生正或負離子化分子 其随著電場線，由針尖落至該晶圓。在無束整形電 :，2，以及本發明加至其上之偏壓之情形中，佔據 =圓位置上之電章電荷密度於緊臨該針下方處最高，且 隨耆由琢針軸往徑向距離之増加而快速減少。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之轴同圓心之束整形電 極11與12，以及加至其上之圖3a偏壓之加入，以兩個重 要途彳空改善了該槍之電暈充電能力。第―，下方電極丄] 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 捉之離子，並以一強化而於電極12邊緣下方突然停止之 密度將其向下導至該晶圓位置。該電極丨〗於一相當高+ (請先!«1讀背而之注意事項再填寫本頁) I 1 - - · 裝· 訂 線 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 ----------B7 五、發明説明（9 ) 壓高達土 3 KV)處，以與該等電暈離子相同極性下偏壓， 而幫'助提昇該電暈放電槍之效率。範圍在土 κν及高 達± 1 . 5 K V之電位，分別適於針1 3及護罩電極】2。此導 致電暈源上方區域中之電場外形阻止很多離子被該上方電 極捕捉並向下導至該下方電極12，相反地，將其導向該 晶圓位置。應注意者爲該針i 3與電極丨】和i 2藉所需偏壓 可用之適當絕緣支撑物（未示出）支撑並彼此絕緣。 圖3 b係用於本發明氧化層電荷測量方面之電暈放電槍最 佳模式實施例之簡化截面（部分立體）圖。爲了將一電暈放 電槍用於選取晶圓位置處之非接觸式氧化層電荷之測量， 該來源非常均勻地沉積電荷於一絕緣（氧化）表面上係基本 條件。如前所指出，典型之點（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&中所討論 之電壓而達成沉積電荷均勻度之改善，但所欲者爲比氧化 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增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 a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非常相同者，其—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^ 稱，利用圖3 b之槍組態大大地降至最低。 圖3b基本上同於圖3a，只除了於圖31)中提供兩個相面 對之水平針14和15，以取代圖3&之單—垂直針13。件應 至圖3b中針14與15及電極16與17之電位可與圖“之例 -12- '本紙ft尺度適用中國國家標辛（CNS ) Λ4規格（2Τ0^97^Γ7 I--------f —裝------訂-----人 線 (诗先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（10 ΑΊ Β7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 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3a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勻。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—降 壓區域。此導致旋渦。因爲離子未被立即導向晶圓位置， 此旋渦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，在圖中 ’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3b之槍所增加之 沉積電荷均勻性非爲必要者。此係爲何圖3 a之槍只於所 -13- 本紙張尺度顏t H國家標準（CNS ) A4規i72lOX 297公釐 (請先.¾讀背而之注意事項再填巧本頁) -裝 -55 線 A7 B7 五、發明説明（11 欲者爲氧化層厚度量測，而非介面狀態量測時較佳之原因 Ο 本發明係以較佳實施例加以説明，而應了解者爲本發日 可由熟此技藝人士諸般修飾，但皆不脱離本發明申請專， 範圍之精神。所欲申請保護之範圍包括落於本發明^神2 之諸般修飾與變化。 • 1^1 - - 0 I i J^n I 气 — ... - 1 I (請先閱讀背而之注意事項再填巧本頁〕 訂 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格（21 〇 X 297公楚

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 1. 一種測量半導體基板上一絕緣層厚疳 子度义万法，其步驟包 括. 重覆沉積一固定電荷密度於該層之表面上· 量測相對於該基板體之該層表面電位所導致之變化 建立該層與該基板之理論上彎曲帶對偏壓特性T進行一 設定厚度値之重覆電荷密度沉積； τ 利用所量得每一沉積放電之絕緣層表面電位變化，測定 一實驗上彎曲帶對偏壓特性； 比較該理論上與該實驗上之特性，以確定該等特性之累 積區域中之任何差異；及 重覆增加該設定値，而利用量得之表面電位變化以決定 相對應之實驗上彎曲帶對偏壓特性；並 比較每一相對應之特性與該理論特性，直到該等相對應 特性之一與該等特性之基板累積區域中之該理論特性相 合爲止。 2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中每一該實驗特性於 比較前，對應至該理論特性。 3. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中每—該實驗特性於 個別之平帶電壓點處，對應至該理論特性。 4. 根據申請專利範圍第1項之方法，更包括以產生相對應特 性之一與理論特性間相合之設定絕緣層厚度增加之値， 作爲該量測厚度之値。 5. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中泫絕緣層係氧化矽 -15- 本紙張逋用中國國家梂準（CNS ) Α4规格（2丨〇><297公釐〉 _------{ -^—— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 線 經濟部中央梂準局負工消费合作社印装 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 6·根據申請專利範圍第之方法，更包括於其平帶電壓點 處決定實驗上彎曲帶對偏壓特 性之一之斜率， 於其平帶電壓點處決定理論上彎曲帶對偏壓特性之 ，及 ’ 比較該等斜率以作爲介面狀態密度之度量。 7·根據申請專利範圍第6項之方法，更包括 進行光電壓測量，以及所導致每一該層表面電位變化之 測量。 8·根據申請專利範圍第i項之方法，其中每—重覆之固定電 荷密度藉一電暈放電槍沉積。 9，根據申請專利範圍第丨項之方法，其中所導致之該層表面 電亿變化藉一振動凱文探針（vibrating Kelvin 心 測量。 -----------J ·裳------訂------^線 (請先閱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- 本紙張尺度逋用中圃國家標準（CNS ) A4規格（21 OX297公釐