CN102456541A - 锗硅监控片的制备方法及采用该片进行监控的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锗硅监控片的制备方法，该锗硅监控片用于监控锗硅薄膜中的锗的含量，包括如下步骤：1)至少设计一组光栅图形；2)将步骤1)所述的光栅图形定义在衬底上，并刻蚀所述衬底形成具有台阶差的光栅图形；3)在所述衬底上淀积具有特定含量的锗硅薄膜，形成具光栅图形锗硅薄膜。采用本发明所制备的锗硅监控片，不同的Ge含量的锗硅薄膜具有不同的反射和衍射强度，因此可以直观的通过检测反射和衍射强度进行锗硅薄膜中Ge含量的监控。本发明还公开一种采用上述制备的锗硅监控片进行监控的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种锗硅监控片的制备方法。本发明还涉及一种监控锗硅薄膜的方法。
背景技术
Si是目前大规模生产的半导体器件最主要的材料之一，它具有原材料制备简便，自然界含量丰富，具有半导体特性等基本特性而被用于制备半导体器件。
但是对于高频高速应用，Si的禁带宽度较宽，载流子的迁移速度受到制约，因此人们通常引入一些其它元素形成Si的合金来减低禁带宽度，提高载流子的迁移速度，其中Ge是最重要和主要的材料之一。Ge具有和Si类似的晶体结构，与Si形成合金工艺容易实现且匹配性高，同时Ge的引入可以有效地降低禁带宽度，实现高速器件的应用。同时锗硅(Si1-xGex)的合金器件很容易和常规的Si器件进行工艺整合，因此锗硅器件是很常用的一种应用于高速和高频通信的器件。
工艺上锗硅层主要通过外延生长来实现，其主要的表征参数有厚度，Ge含量和Ge分布等。其中Ge的含量多少，直接决定了锗硅材料的禁带宽度，因此是非常重要的工艺参数。
对于Ge含量的测量，通常有两类方法。一种是通过各种射线或粒子对膜层进行轰击，然后测量溅射物的组分进行分析，比如SIMS(次级离子质谱法)等(图1为SIMS测量结果示意图)。此种方法精度很高，但是成本也很高，无论样品的制备还是测量都无法大规模实现高产量的生产，因此通常作为一种科研手段被广泛使用。第二类方法是通过测量锗硅薄膜的光学性质进行表征(见图2)，比如拉曼光谱，反射透射谱等。通过标定Si、Ge以及其他元素对应的特征波长，然后通过数值拟合进行解谱得到各成分对应的特征波长处的强度，然后标定各元素的含量。其好处是价格低廉，样品制备容易，很容易实现大规模高产量。但是其缺陷也很明显：首先，解谱通常不唯一，有多种可能性，因此极度依赖于解谱工程师的个人经验，误差很大；其次，锗硅薄膜具有很强的吸收系数，性噪比很差。因此其平面的光谱的稳定度不好，同时因为强吸收特性，对于不同厚度的锗硅薄膜，不具有通用性，而且误差随膜厚的变化很难控制。因此此类方法通常只作为参考使用，不作为直接判断的标准。应用到实际生产中时，对于每种锗硅薄膜都需要进行标定，解谱分析，因此实际效果很不理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种锗硅监控片的制备方法，所提供的锗硅监控片能更准确的对锗硅薄膜进行监控。
为解决上述技术问题，本发明的锗硅监控片的制备方法，包括如下步骤：
1)至少设计一组光栅图形；
2)将步骤1)的光栅图形定义在衬底上，并刻蚀所述衬底形成具有台阶差的光栅图形；
3)在衬底上淀积具有特定含量的锗硅薄膜，形成具光栅图形的锗硅薄膜。
本发明还公开了一种锗硅薄膜监控的方法，包括如下步骤：
1)取至少一具标准含量的锗硅监控片、一具标准含量上限的锗硅监控片和一具标准含量下限的锗硅监控片；
2)探测光线分别照射步骤一中锗硅监控片的光栅图形区，获得反射与衍射光谱，分别得到三种含量锗硅监控片的反射与衍射强度；
3)以步骤二中得到的反射与衍射强度作为监控标准，监控所生成的具有光栅图形的锗硅薄膜。
本发明的锗硅监控片的制备方法中，引入台阶差概念，在衬底上形成锗硅薄膜光栅图形，从而放大不同Ge含量的薄膜的光学反射率的差别，同时抑制因为强吸收带来的光谱信号弱，受噪声影响大的弱点。采用本发明的方法所制备的锗硅监控片，不同的Ge含量的锗硅薄膜具有不同的反射和衍射强度，因此可以直观的通过检测反射和衍射强度进行锗硅薄膜中Ge含量的监控。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为SIMS测量结果示意图；
图2为平面锗硅薄膜的光谱示意图；
图3为本发明的锗硅监控片制备流程示意图；
图4为本发明的监控方法流程示意图；
图5为本发明的锗硅监控片制备流程中形成光栅图形后的结构示意图；
图6为本发明的锗硅监控片制备流程中淀积锗硅薄膜后的结构示意图；
图7为采用本发明的锗硅监控片制备方法所制备的一具体锗硅监控片结构示意图。
具体实施方式
本发明的锗硅监控片的制备方法，该锗硅监控片用于监控锗硅薄膜的含量，包括如下步骤(见图3)：
1)至少设计一组光栅图形；光栅图形的空间周期可为0.1～100微米，优选为1～20微米。
2)将步骤一的光栅图形定义在衬底(可为硅衬底)上，并刻蚀衬底形成由多个规则排列的沟槽构成的光栅图形(见图5)；光栅图形可为规则排列的线条图形，刻蚀在衬底为多个规则排列的沟槽图形，沟槽图形的空间周期最好小于探测光的波长。
3)在衬底上淀积具有特定含量的锗硅薄膜，形成具光栅图形的锗硅薄膜(见图6)。
上述步骤中，步骤二之前还可先在衬底上淀积介质层，在刻蚀工艺中依次刻蚀介质层和衬底；在刻蚀完成后可以不去除介质层，也可以去除介质层。如不去除介质层，可直接采用选择性生长工艺或非选择性生长工艺淀积锗硅薄膜。图7为带介质层的衬底上采用选择性生长工艺淀积锗硅薄膜的锗硅监控片结构示意图。介质层作为锗硅的外延阻挡层，其折射率可调(如掺杂SiO2)，而后进行刻蚀形成台阶，然后采用选择性外延生长锗硅，使之不在阻挡层上生长。使用这种结构可以通过调整介质层的折射率进一步放大由锗含量引起的锗硅薄膜的折射率差别。介质层选用常见的材料，如氧化硅、氮化硅或含Si，O，N，C等的化合物，可以是一层，也可以是多层。介质层的厚度为10埃～1微米。步骤二中衬底的刻蚀深度可为50埃～10微米，优选为2000～5000埃，所刻蚀的沟槽侧壁倾斜度为70～88度。
采用上述方法所制备的监控片进行监控的方法，包括如下步骤(见图4)：
1)取至少一具标准含量的锗硅监控片、一具标准含量上限的锗硅监控片和一具标准含量下限的锗硅监控片；如对于目标值为20％Ge含量的锗硅薄膜，工艺容许范围正负1.5％，可以制备18.5％，20％，21.5％的监控片。此时可以用SIMS等方法标定其含量。
2)探测光线分别照射步骤一中三种锗硅监控片的光栅图形区，获得反射与衍射光谱，分别得到三种含量锗硅监控片的反射与衍射强度。探测光波长为100～10000纳米，优选为350～1000纳米。探测衍射光级数为1级以上，优选为5级以上。探测光波长大于光栅图形的空间周期。
3)以步骤二中得到的反射与衍射强度作为监控标准，监控生成的具有光栅图形的锗硅薄膜。所测得的反射与衍射强度在标准以内时，即所生成的锗硅薄膜符合制备要求。如监测要求很严格，所监控的锗硅薄膜中光栅图形的台阶高度最好与监控片的台阶高度相同。一般情况下，对光栅图形的台阶高度没有限制要求。
采用本发明的方法所制备的锗硅监控片，通过测量锗硅监控片光栅区的衍射光谱和反射光谱，可以得到性噪比较平面的锗硅薄膜更高的对比度。经过试验发现，5％的Ge含量即可引起特定级数衍射光(如正负5级以上衍射光)和反射光谱强度大于20％的变化，且不受锗硅薄膜成长方式的影响，对Ge含量的变化具有很高的敏感度。同时制备和测量方法都比较简便，可以大幅度降低半导体厂商对锗硅工艺的监控成本，提高工艺控制能力。
Claims (10)
1.一种锗硅监控片的制备方法，所述锗硅监控片用于监控所述锗硅薄膜中的锗的含量，其特征在于，包括如下步骤：
1)至少设计一组光栅图形；
2)将步骤1)所述的光栅图形定义在衬底上，并刻蚀所述衬底形成由多个规则排列的沟槽构成光栅图形；
3)在所述衬底上淀积具有特定含量的锗硅薄膜，形成具光栅图形锗硅薄膜。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中所述的光栅图形的空间周期为0.1～100微米。
3.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤二之前先在衬底上淀积介质层，而在刻蚀中依次刻蚀介质层和衬底；在步骤三中采用选择性生长工艺或非选择性生长工艺淀积锗硅薄膜。
4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤二的刻蚀完成后去除所述介质层。
5.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述衬底为硅衬底，所述介质层为氧化硅或氮化硅，所述介质层的厚度为10埃～1微米。
6.按照权利要求1至5中任一项权利要求所述的制备方法，其特征在于：步骤二中衬底的刻蚀深度为50埃～10微米，所刻蚀的沟槽侧壁倾斜度为70～88度。
7.按照权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤二中衬底的刻蚀深度为2000～5000埃。
8.一种采用权利要求1至5中任一项权利要求所制备的锗硅监控片进行监控的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取至少一具标准含量的锗硅监控片、一具标准含量上限的锗硅监控片和一具标准含量下限的锗硅监控片；
2)探测光线分别照射步骤一中锗硅监控片的光栅图形区，获得反射与衍射光谱，分别得到三种含量锗硅监控片的反射与衍射强度；
3)以步骤二中得到的反射与衍射强度作为监控标准，监控所生成的具有光栅图形的锗硅薄膜。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤3)中所监控的锗硅薄膜中光栅图形的台阶高度与所述监控片的台阶高度相同。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述探测光线的波长为100～10000纳米，探测衍射光级数为1级以上。
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