CN102456593A - 一种测量籽硅层厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量籽硅层厚度的方法，包括以下步骤：(1)在单晶硅衬底上生长一锗硅层；(2)在所述锗硅层上生长一硅覆盖层，并测量硅覆盖层厚度；(3)在所述硅覆盖层上生长一籽硅层；(4)测量所述硅覆盖层与所述籽硅层的总厚度，再减去步骤(2)中所述硅覆盖层的厚度，则得到所述籽硅层的厚度。本发明在非选择性锗硅外延生长工艺中测量在浅沟槽隔离结构区上沉积的籽硅层厚度，使厚度满足单晶硅区和浅沟槽隔离结构区生成单晶锗硅层和多晶锗硅层之间的连续性要求。同时，在保证测量精确性的基础上，简化了工艺步骤，不影响材料结构与特性，从而不影响器件性能。

Description

一种测量籽硅层厚度的方法
技术领域
本发明涉及一种测量籽硅层厚度的方法，具体涉及在非选择性锗硅外延工艺中籽硅层厚度的测量，属于半导体技术领域。
背景技术
目前，诸如数字无线手机等低价、轻便、个人化的通讯器材以及数字机顶盒、卫星直播、汽车防撞***、PDA等娱乐信息科技产品迅猛发展，使高速低噪声的射频器件成为无线通信市场中IC制造商竞争的目标。锗硅薄膜材料是一种新的能带工程技术，是新一代的硅基材料，其散热性能优于砷化镓，微波性能与砷化镓相近，而且在工艺上与硅元件制造工艺兼容。因此，锗硅材料在制作微电子及光电子器件方面具有很广阔的应用前景。
在制作异质结双极晶体管(Hetero-junction Bipolar Transistor，HBT)的基区时，需要在单晶硅区生成单晶锗硅层，与单晶硅的基区相比，锗硅降低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率。同时，还需要在单晶硅区两侧的浅沟槽隔离结构区上需要生长多晶锗硅层，该多晶锗硅层用于将单晶锗硅层引出，因此，在制作HBT的基区时需要通过非选择性外延工艺制造。
在公开号为CN101724896的专利中提出了一种非选择性生长锗硅外延的方法，参考图1所示结构，包括以下步骤：在具有单晶硅区101与浅沟槽隔离结构区102的晶圆上，先沉积籽硅层103，再沉积锗硅层104与硅覆盖层105，避免了由于单晶硅区与浅沟槽隔离区由于连续性差而导致的凹槽结构。但是，若籽硅层太薄，则不能改善单晶硅区和浅沟槽隔离结构区生成单晶锗硅层和多晶锗硅层之间的连续性，导致硅化的失败，也会产生器件边缘问题；若籽硅层太厚，不仅浪费原材料，降低生产能力，也会对形成基极集电极结的集电极区掺杂注入增加阻碍。因此，在锗硅外延工艺中需要测量籽硅层的厚度，使之不影响器件性能，也满足单晶硅区和浅沟槽隔离结构区生成单晶锗硅层和多晶锗硅层之间的连续性要求。
现有技术中一般使用二次离子质谱法(Secondary Ion MassSpectroscopy，SIMS)测量厚度，但是使用SIMS测量厚度时，需要使用聚焦的离子束对材料进行轰击，离子与材料将发生碰撞、散射等运动，产生二次粒子(包括原子、分子、原子团)，并对二次粒子按质荷比实现质谱分离，再收集经过质谱分离的二次离子，则可得出材料的厚度。现有技术中也有使用傅里叶变换红外光谱法(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy，FTIR)进行测量：将一束不同波长的红外射线照射到材料的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。由于每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定，从而也可以得出材料的厚度。此外，也有使用失效分析法进行测量，如扫描电子显微镜法(Scanning Electron Microscopy，SEM)与透射电子显微镜法(Transmission Electron Microscopy，TEM)，但是分别需要电子束与电磁场入射到材料上，再用电子显微镜展示材料的内部。由此看出，以上方法测量厚度时需要特殊的工艺步骤，且这些步骤将会对材料结构、特性产生影响，从而影响器件性能，并且做完测量后的材料不能重复使用，导致了材料的浪费，并且，用扫描电子显微镜法或透射电子显微镜法进行测量时，测量的精度受到电子显微镜分辨率的限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：在非选择性生长锗硅外延工艺中，针对在沉积锗硅工艺之前在浅沟槽隔离结构区沉积一层薄的籽硅层，测量所述籽硅层的厚度。由于不能在器件中直接测量所述籽硅层的厚度，因此只可间接测量，得出生长所需籽硅层厚度的工艺参数，再按照这些工艺参数在器件中生长籽硅层，从而使籽硅层的厚度满足单晶硅区和浅沟槽隔离结构区生成单晶锗硅层和多晶锗硅层之间的连续性要求。
本发明提供一种测量籽硅层厚度的方法，包括以下步骤：(1)在单晶硅衬底上生长一锗硅层；(2)在所述锗硅层上生长一硅覆盖层，并测量硅覆盖层的厚度；(3)在所述硅覆盖层上生长一籽硅层；(4)测量所述硅覆盖层与所述籽硅层的总厚度，再减去步骤(2)中所述硅覆盖层的厚度，即所述籽硅层的厚度。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，步骤(1)包括，用化学气相沉积工艺在所述单晶硅衬底上生长所述锗硅层。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，在步骤(1)中化学气相沉积工艺采用气态锗源和气态硅源，所述气态锗源为气态锗烷，所述气态硅源为气态硅烷。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，步骤(2)包括，用化学气相沉积工艺在所述锗硅层上生长所述硅覆盖层。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，在步骤(2)中化学气相沉积工艺采用气态硅源，所述气态硅源为气态硅烷。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，在步骤(2)中，所述硅覆盖层的厚度为2000埃至4000埃。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，步骤(3)包括，用化学气相沉积工艺在所述硅覆盖层上生长所述籽硅层。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，在步骤(3)中化学气相沉积工艺采用气态硅源，，所述气态硅源为气态硅烷。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，在步骤(1)至(3)中，用化学气相沉积工艺的温度为600至750摄氏度。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，在步骤(1)至(3)中，用化学气相沉积工艺的压强为2千帕至14千帕。
在上述的测量籽硅层厚度的方法中，在步骤(2)和/或(4)中，采用普通光谱型椭偏方法测量厚度。
与现有技术相比，本发明中为了测量籽硅层的厚度，考虑到锗硅与硅的晶格结构的相似性，使用锗硅层作为测量的标记，使测量更加方便，测量结果更加准确。其次，籽硅层与硅覆盖层材料相同，且无其他材料的引入，因此保证了在测量中籽硅层的结构不会改变，有利于测量精度的提高。再次，本发明中采用了普通光谱型椭偏方法(Spectroscopic Ellipsometry，SE)测量籽硅层与硅覆盖层的总厚度，与籽硅层无直接接触，对籽硅层结构与特性不产生破坏。与现有技术中使用的SIMS、FTIR、SEM与TEM相比，简化了步骤，节省了时间，且测量方法不会影响材料的结构与特性，并提高了测量精度。此外，采用SE方法，可使测量精度提高至0.01um，与SEM与TEM方法的精度相比，有了较大的提高。
附图说明
图1为现有技术中非选择性生长锗硅外延后的晶圆横截面结构图；
图2为本发明提供的测量籽硅层厚度方法流程图；
图3为本发明提供的测量籽硅层厚度方法中使用的晶圆横截面结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图2为发明提供的测量籽硅层厚度方法流程图。
如图2所述，本发明提供的测量籽硅层厚度的方法包括以下步骤：
步骤S201，提供表面裸露的单晶硅衬底。
步骤S202，在单晶硅衬底上生成锗硅层。
具体可通入气态硅源与气态锗源，采用化学气相沉积工艺生长锗硅层。本具体实施方式中，化学气相沉积工艺的温度范围为600至750摄氏度，压强范围为2千帕至14千帕。
作为较佳实施方式，气态硅源为气态硅烷，气态锗源为气态锗烷。
步骤S203，在锗硅层上生成硅覆盖层，并测量硅覆盖层的厚度。
具体可通入气态硅源，采用化学气相沉积工艺生长硅覆盖层。化学气相沉积工艺的温度范围为600至750摄氏度，压强范围为2千帕至14千帕。
作为较佳实施方式，气态硅源为气态硅烷。
步骤S204，在硅覆盖层上生成籽硅层。
具体可通入气态硅源，采用化学气相沉积工艺生长籽硅层。所述化学气相沉积工艺为减压化学气相沉积。所述化学气相沉积工艺的温度范围为600至750摄氏度，压强范围为2千帕至14千帕。
作为较佳实施方式，所述气态硅源为气态硅烷。
步骤S205，以籽硅层与锗硅层为标记，测量锗硅层上籽硅层与硅覆盖层的厚度，再减去覆盖层的厚度，则得到籽硅层的厚度。
作为较佳实施方式，采用SE方法测量硅覆盖层或/和籽硅层与硅覆盖层的总厚度。
最为最佳实施例，在步骤S202中，通入气态锗源与气态硅源，采用化学气相沉积工艺在硅衬底表面生长锗硅层，且气态锗源为锗烷，气态硅源为硅烷，化学气相沉积工艺的温度为680摄氏度，压强为10千帕。在步骤S203及步骤S204中，通入气态硅源，采用化学气相沉积工艺在锗硅层上生长硅覆盖层，且气态硅源为硅烷，硅覆盖层的厚度为3000埃，化学气相沉积工艺的温度为650摄氏度，压强为10千帕。在步骤S203与S205中，采用SE方法测量厚度。
图3为本发明提供的测量籽硅层厚度方法中使用的晶圆横截面结构图。
如图3所示，在硅衬底301上，用化学气相沉积工艺在晶圆表面依次生长锗硅层302与硅覆盖层303，测量硅覆盖层的厚度h1，再用化学气相沉积工艺沉积一层籽硅层304，以锗硅层302为标记，测量籽硅层304与硅覆盖层303的总厚度h2，减去硅覆盖层厚度h1后，就得到了籽硅层的厚度。
本具体实施方式提出在外延生长非选择性锗硅的工艺中，在浅沟槽隔离结构区先生长一层籽硅层，减小了锗硅层与浅沟槽隔离结构中氧化硅层之间的界面缺陷，提高了单晶硅区与浅沟槽隔离结构区的单晶锗硅与多晶锗硅的连续性，改善了晶圆表面结构。同时为了保证器件性能，需要严格控制该籽硅层的厚度，因此提出了测量该籽硅层的方法：在硅衬底上，用化学气相沉积工艺依次生长锗硅层与硅覆盖层，并测量硅覆盖层的厚度，再用化学气相沉积工艺沉积一层籽硅层，以锗硅层作为标记，测量籽硅层与硅覆盖层的总厚度，减去硅覆盖层的厚度后，就得到了籽硅层的厚度。
本具体实施方式中，由于锗硅与硅的晶格结构相似，将锗硅层作为测量的标记，提高测量的准确性。其次，籽硅层与硅覆盖层材料相同，且无其他材料的引入，因此保证了在测量中籽硅层的结构不会改变，有利于测量精度的提高。再采用SE方法测量包含未掺杂的籽硅层在内的覆盖层厚度，与籽硅层无直接接触，对籽硅层结构与特性不产生破坏，简化了测量步骤，并可使测量精度提高到0.01um。与现有技术中使用的SIMS、FTIR、SEM与TEM相比，简化了步骤，节省了时间，且测量方法不会影响材料的结构与特性。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (11)

1.一种测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在单晶硅衬底上生长一锗硅层；(2)在所述锗硅层上生长一硅覆盖层，并测量硅覆盖层的厚度；(3)在所述硅覆盖层上生长一籽硅层；(4)测量所述硅覆盖层与所述籽硅层的总厚度，再减去步骤(2)中所述硅覆盖层的厚度，即得到所述籽硅层的厚度。
2.如权利要求1所述的测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，步骤(1)包括，用化学气相沉积工艺在所述单晶硅衬底上生长所述锗硅层。
3.如权利要求2所述的测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，在步骤(1)中化学气相沉积工艺采用气态锗源和气态硅源，所述气态锗源为气态锗烷，所述气态硅源为气态硅烷。
4.如权利要求1所述的测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，步骤(2)包括，用化学气相沉积工艺在所述锗硅层上生长所述硅覆盖层。
5.如权利要求4所述的测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，在步骤(2)中化学气相沉积工艺采用气态硅源，所述气态硅源为气态硅烷。
6.如权利要求4所述的测量籽硅层厚度的方法中，其特征在于，在步骤(2)中，所述硅覆盖层的厚度为2000埃至4000埃。
7.如权利要求1所述的测量籽硅层厚度的方法中，其特征在于，步骤(3)包括，用化学气相沉积工艺在所述硅覆盖层上生长所述籽硅层。
8.如权利要求7所述的测量籽硅层厚度的方法中，其特征在于，在步骤(3)中化学气相沉积工艺采用气态硅源，所述气态硅源为气态硅烷。
9.如权利要求2至8所述的测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，所述化学气相沉积工艺的温度均为600至750摄氏度。
10.如权利要求2至8所述的测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，所述化学气相沉积工艺的压强为2千帕至14千帕。
11.如权利要求1所述的测量籽硅层厚度的方法，其特征在于，在步骤(2)和/或(4)中，采用普通光谱型椭偏方法测量介质层厚度。
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