[發明專利]利用延遲反轉點技術檢測充電效應的測試結構與方法

有效

• 申請號: 200710096718.5
• 申請日: 2007-04-06
• 公開（公告）號: CN101055848A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 郭明昌;李明修;吳昭誼
• 申請（專利權）人: 旺宏電子股份有限公司
• 主分類號: H01L21/66
• 分類號: H01L21/66;H01L21/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 韓宏

技術領域

本發明通常涉及用以制造集成電路元件的工藝的測試與分析，并具體涉及在半導體工藝步驟中，在柵極介質層的測試結構中的電荷狀態的測量與監控。

背景技術

大型集成電路的制造會牽涉到數百個分離的工藝步驟。這些步驟典型地分為二個子步驟。這些子步驟的第一個通常指稱為前段工藝，其間半導體元件形成于一硅晶圓中。第二個子步驟通常指稱為后段工藝，其間各種金屬連接層以及接觸形成于在前段工藝子步驟中所形成的半導體元件上。

前段和后段工藝中包括有許多的子工藝步驟，會牽涉到材料的沉積、以平板印刷技術圖案化各層、并接著將所沉積材料中不需要的部分蝕刻。所沉積的材料主要由絕緣體以及金屬合金所構成。在某些例子中，此圖案層作為暫時保護體，而在其他時候則作為所形成集成電路的功能元件。

無線射頻(RF)等離子體通常用于許多工藝步驟中，尤其是在包括后段工藝子步驟的工藝步驟中。舉例而言，RF等離子體使用于反應性離子蝕刻(RIE)中，此工藝則用以蝕刻上述各材料層。反應性離子蝕刻提供了為了達成高精準度定義圖案時、以及精確控制尺寸時所需要的各向異性蝕刻。在RIE中，氣相化學蝕刻由RF等離子體所提供的單向離子轟炸而達成。用于上述平板印刷圖案化步驟中的光阻層，通常利用等離子體灰化而移除。

不幸地，多次暴露至RF等離子體以及其他類型的離子射線后，會導致輻射傷害以及在外露導電元件中累積電荷，后者將造成傷害電流以及電荷被陷獲，進而影響半導體元件以及欲形成的集成電路晶片。圖案化后的半導體晶圓表面，會有多個導體與絕緣體部分受到RF等離子體的照射。這些導體與絕緣體部分在等離子體電流中產生了局部不均勻，其進而導致電荷累積于電荷流動的導體表面。此電荷累積會引起傷害性電流，并可能影響硅晶圓上所形成的半導體結構的臨界電壓。

此半導體元件通常包括某種形式的場效應電晶體，其包括柵極、漏極、以及源極區域。電流流經氧化物生成柵極時的機制，主要為富勒-諾德漢(Folwer-Nordheim)隧穿效應的結果。FN隧穿效應發生在大于10MV/cm的電場中。累積于柵極的電壓，會使得僅要10伏特的柵極電壓就足以在厚度為100埃的氧化層中誘發FN隧穿效應。此電位在公知用以產生RF等離子體以及半導體工藝的等離子體反應器可輕易達到。過量的RF隧穿電流最終將在形成柵極的氧化層中形成正電荷界面陷獲層，其可進一步引起電崩塌。

隨著半導體晶圓暴露至連續的工藝步驟后，傷害或潛在傷害會增加。因此，許多努力投注于評估在各半導體工藝步驟中所形成的傷害。舉例而言，經常用以測試傷害程度的方法，是制造測試晶圓或測試晶片，其中包括有特地設計而可測量(或允許測量)由各工藝步驟所造成的傷害的結構。

典型的測試結構形成于半導體晶片內特別設計的測試位置中。或者，整片晶圓可被用來專門提供多個測試結構，以監控工藝。因此，此測試結構經過完整工藝，而導致可以被測量的電荷累積。一種經常用以測量電荷狀態的方法，使用電容-電壓(CV)技術或浮動柵極測試。然而這些公知技術通常在半導體業中無法獲得令人滿意的結果，因為敏感度低、測試晶片成本高昂、或與測試相關的數據產生時延遲時間長。

舉例而言，公知的CV方法僅可用在具有均勻充電效應的工藝。換句話說，對于該些電荷會在柵極結構邊緣累積的工藝，公知的CV方法將受到由被陷獲電荷所致的電容改變不足所苦。此不足的電容改變將使公知CV方法不能用以監控充電狀態。

發明內容

根據本發明的一方面，提供了一種用以監控從半導體工藝步驟中所獲得的硅襯底上所形成的測試結構中的電荷狀態的方法，該方法包括：在該測試結構上實施一第一電容-電壓測量以獲得一第一電容-電壓量變曲線；使該測試結構進入該半導體工藝步驟；在該測試結構上實施一第二電容-電壓測量以獲得一第二電容-電壓量變曲線；根據該測量而檢測在該一第一與一第二電容-電壓量變曲線之間是否產生平帶電壓偏移；以及當無平帶電壓偏移時，至少部分根據延遲反轉點信息而監控該測試結構的該電荷狀態。

本發明提出了一種半導體工藝測試結構，其包括柵極、電荷陷獲層、以及擴散區域。此測試結構為一類電容結構，其中該電荷陷獲層將在不同工藝步驟中陷獲電荷。接著可利用電容-電壓測量以檢測使否有產生平帶電壓(Vfb)偏移。若此工藝步驟產生了充電效應，則所誘發的電荷將不均勻。若在測試結構中的電荷不均勻，則不會有Vfb偏移。接著則可使用延遲反轉點技術，以監控此充電狀態。