[發明專利]超薄柵極氮氧化硅薄膜的氮含量測量方法

有效

• 申請號: 201210162977.4
• 申請日: 2012-05-24
• 公開（公告）號: CN103426784B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發明（設計）人: 張凌越
• 申請（專利權）人: 上海華虹宏力半導體制造有限公司
• 主分類號: H01L21/66
• 分類號: H01L21/66
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙)31249
• 代理人: 張靜潔,徐雯瓊

技術領域

本發明涉及半導體領域，特別涉及一種超薄柵極氮氧化硅薄膜的氮含量測量方法。

背景技術

為了制造超薄柵極氮氧化硅（Ultra-thin?Gate?SiON）的薄膜，一般需要在硅襯底（Si）上先生成超薄柵極氧化物（Ultra-thin?Gate?Oxide）的SiO₂薄膜（圖1），再進入氮化工藝使用N₂O/NO的氮源氣體進行退火處理，從而在硅襯底（Si）與SiO₂薄膜的分界面處引入氮原子與硅原子鍵結形成有一個含氮層。一般半導體業界將含氮的SiO₂通稱為氮氧化硅SION，即是說，根據上述工藝在柵極位置得到的所述SiO₂薄膜及含氮層就是所需的超薄柵極氮氧化硅薄膜，以下簡稱SiON薄膜（圖2）。

然而，如果要在形成的SiON薄膜中測量氮的含量，目前的方法是將產品送至外部的檢測機構，使用SIMS（二次離子質譜儀）或XPS（X光電子能譜儀）等儀器進行檢測，不僅需要破壞送檢的硅片，還具有檢測時間長（約2-7天），費用昂貴的缺點。

發明內容

本發明的目的是提供一種新型的超薄柵極氮氧化硅薄膜的氮含量測量方法，對半導體結構進行再氧化處理后，根據薄膜厚度的增加量來計算SiON薄膜中的氮含量，檢測結果更直觀。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種超薄柵極氮氧化硅薄膜的氮含量測量方法。

在進行所述氮含量測量方法之前，已經在一個半導體結構中對應柵極的位置，在作為硅襯底的Si層上，生長了一層超薄柵極氧化物薄膜即第一SiO₂層；并進一步通過氮化工藝在所述Si層與所述第一SiO₂層的分界面處引入氮原子與硅原子鍵結以形成一個含氮層，所述第一SiO₂層及所述含氮層構成超薄柵極氮氧化硅薄膜即SiON層；所述氮含量測量方法，即適用于測量包含所述SiON層的半導體結構，其特征在于，

所述氮含量測量方法，包含以下步驟：

步驟1、對所述半導體結構上的薄膜厚度進行測量，并記該厚度為第一厚度h；

步驟2、對所述半導體結構進行再氧化處理；

步驟3、對經過再氧化處理后的半導體結構上的薄膜厚度進行測量，并記該厚度為第二厚度H；

步驟4、根據第二厚度H與第一厚度h的差值，計算半導體結構上薄膜厚度的增加量Δh?，即Δh?=H-h，從而計算得到與所述厚度的增加量Δh相對應的氮氧化硅薄膜中的氮含量。

步驟1中測量的，是所述半導體結構中對應柵極位置的SiON層的整體厚度。

步驟2中所述再氧化處理，是對所述半導體結構進行的快速熱氧化處理。

步驟2中，在進行所述再氧化處理之后，會在Si層的表面進行氧化反應，并形成位于所述Si層與所述SiON層的分界面處的另一個氧化物薄膜即第二SiO2層。

步驟3中測量的，是所述半導體結構中對應柵極的位置從下至上依次布置的所述第二SiO2層和所述SiON層的整體厚度。

步驟4中，所述半導體結構在進行再氧化處理之前和之后薄膜厚度的增加量Δh與氮氧化硅薄膜中的氮含量成反比，即，測得的厚度增加量Δh越大，氮氧化硅薄膜中的氮含量越低，而測得的厚度增加量Δh越少，氮氧化硅薄膜中的氮含量越高。

步驟4中，還進一步包含以下過程：即，通過計算所述半導體結構在進行再氧化處理之前和之后薄膜厚度的增加量Δh與氮氧化硅薄膜中的氮含量之間的關系函數并繪制函數曲線，從而根據所述函數及函數曲線，以測得的薄膜厚度增加量Δh來計算所述氮氧化硅薄膜中的氮含量。

與現有技術相比，本發明所述超薄柵極氮氧化硅薄膜的氮含量測量方法，其優點在于：本發明中通過對形成有超薄柵極氮氧化硅薄膜的半導體結構進行再氧化處理，并在相應的函數曲線中，根據硅襯底上薄膜厚度的增加量來計算SiON薄膜中的氮含量，該測試方法的檢測結構更為直觀，并且不需要破壞送檢的硅片，通過常規的厚度測量工具橢圓偏振光儀就可以實現，不需要借助外部昂貴的檢測設備，能夠節省檢測成本，并有效縮短檢測時間（本發明中再氧化處理及厚度量測的時間一共只需要約2小時）。

附圖說明

圖1是通過常規制程在硅襯底Si層上生長氧化物薄膜SiO₂層的半導體結構示意圖；

圖2是在圖1基礎上，進一步在Si層與SiO₂層的分界面處引入氮原子與硅原子鍵結形成一個含氮層從而構成超薄柵極氮氧化硅薄膜SiON層的半導體結構示意圖。