CN110763716A - 一种测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测试方法及装置，待测样品可以包括衬底以及衬底上的待测膜层，去除待测膜层的部分厚度，可以得到待测膜层的检测层，利用X射线光电子能谱分析XPS设备可以获取检测层的元素分布数据，这样可以对待测膜层的内部元素分布进行检测，而X射线会激发检测层的电子，而不会对检测层的元素分布造成破坏，检测结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及测试领域，特别涉及一种测试方法及装置。
背景技术
在半导体器件的制备工艺中，需要在衬底上形成各种膜层，在衬底上形成膜层的方式有多种，不同成膜方式可能导致不同的膜层元素成分，而膜层的不同元素成分分布可能导致该膜层具有不同的电学性能，因此对形成的膜层进行化学成分分布的测试显得尤为重要。
举例来说，在3D NAND存储器中，电荷捕获层(charge trap layer)和隧穿(tunnel)层的元素成分主要为Si、N和O，而电荷捕获层和隧穿层的元素成分分布与器件存储性能的优劣有很强的相关性，因此对电荷捕获层和隧穿层的元素成分进行表征对3DNAND存储器的设计有重大意义。
目前使用透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)可以得到电子能量损失谱(electron energy loss spectroscopy，EELS)，从而对其成分进行分析，然而这种测试方式会在测试过程中对样品造成了一定损伤，得到的测试结果往往不够准确。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测试方法及装置，提高了元素成分测试的准确性。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
本申请实施例提供了一种测试方法，包括：
提供待测样品，所述待测样品包括衬底以及所述衬底上的待测膜层；
去除所述待测膜层的部分厚度，得到所述待测膜层的检测层；
利用X射线光电子能谱分析XPS设备获取所述检测层的元素分布数据。
可选的，所述去除所述待测膜层的部分厚度，包括：
利用氩离子束去除所述待测膜层的部分厚度。
可选的，所述XPS设备包括X射线发生装置以及电子探测装置，则所述利用X射线光电子能谱分析XPS设备获取所述检测层的元素分布数据，包括：
利用所述X射线发生装置向所述检测层发射X射线；
利用所述电子探测装置获取所述检测层被X射线激发的电子；
根据所述电子探测装置获取的电子的能量状态和数量，确定所述检测层的元素分布数据。
可选的，依次多次执行去除所述待测膜层的部分厚度得到所述待测膜层的检测层，以及利用X射线光电子能谱分析设备获取所述检测层的元素成分分布的步骤，以获得多个检测层以及获取多个检测层的元素分布数据。
可选的，所述方法还包括：
利用多个所述检测层的元素分布数据，确定所述待测膜层的元素分布数据。
可选的，所述利用多个所述检测层的元素分布数据，确定所述待测膜层的元素分布数据，包括：
利用多个所述检测层的元素分布数据，确定所述待测膜层的初始元素分布数据；
基于逃逸深度修正算法，对所述初始元素分布数据进行调整，得到所述待测膜层的修正元素分布数据。
可选的，所述待测膜层为单层结构，或多个膜层的叠层结构。
可选的，所述待测膜层为电子捕获层的单层结构或叠层结构，或所述待测膜层为隧穿层的单层或叠层结构，或所述待测膜层为电子捕获层和隧穿层的叠层结构。
可选的，所述检测层的元素分布数据包括所述检测层中Si、O、N元素的分布数据。
本申请实施例还提供了一种检测装置，包括：X射线光电子能谱分析XPS设备和数据处理设备；
所述XPS设备包括X射线发生装置以及电子探测装置，所述X射线发生装置用于向待测膜层的检测层发射X射线；所述电子探测装置用于获取所述检测层被X射线激发的电子；所述待测膜层的检测层通过去除待测膜层的部分厚度得到；
所述数据处理设备，用于根据所述电子探测装置获取的电子的能量状态和数量，确定所述检测层的元素分布数据。
可选的，所述数据处理设备还用于：根据所述电子探测装置获取的多个检测层被X射线激发的电子，得到所述待测膜层的元素分布数据。
本发明实施例提供了一种测试方法及装置，待测样品可以包括衬底以及衬底上的待测膜层，去除待测膜层的部分厚度，可以得到待测膜层的检测层，利用X射线光电子能谱分析XPS设备可以获取检测层的元素分布数据，这样可以对待测膜层的内部元素分布进行检测，而X射线会激发检测层的电子，而不会对检测层的元素分布造成破坏，检测结果准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例中一种EELS图像的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种测试方法的流程图；
图3为本申请实施例中一种待测样品的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种XPS设备的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种原子成分示意图；
图6为本申请实施例提供的一种修正后的原子成分示意图；
图7为本申请实施例提供的一种测试装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
在半导体器件的制备工艺中，可能利用不同的成膜方式形成膜层，而这往往会导致不同的膜层元素成分，而膜层的不同元素成分分布可能导致该膜层具有不同的电学性能，因此需要对形成的膜层进行化学成分分布的测试。
目前使用TEM得到EELS，通过对EELS进行分析得到待测膜层的元素成分，但是这种测试方式需要利用高能电子束照射待测膜层的表面，高能电子束透过待测膜层后携带有待测膜层内部的结构信息，待测膜层中致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多，这样根据透过待测膜层的电子束的信息，可以形成EELS图像。参考图1所示，为本申请实施例中一种EELS图像的示意图，该EELS图像是利用TEM对待测膜层进行检测得到的，待测膜层为电荷捕获层和隧穿层的叠层，其中包括N元素的含量和O元素的含量，横坐标为待测膜层的深度(Depth)，单位为nm，纵坐标为元素的含量(Concentration，Conc)，单位为％。
然而，利用TEM进行测试时，由于高能电子束具有较高的能量，在照射到待测样品表面时，高能电子束的束斑附近的区域(约1.5nm)均会受到烧蚀，导致该区域的元素成分发生变化，影响后续测试的测试结果。
同时，由于高能电子束需要透过待测膜层，因此待测膜层需要被减薄至较低的厚度，大约为10～50nm的厚度，通常可以利用聚焦离子束(Focused Ion beam，FIB)对待测膜层进行减薄，直到减薄后的待测膜层的厚度满足TEM测试的要求，聚焦离子束通常为镓离子。而由于需要去除的厚度较厚，FIB制样需要较长的时间，通常需要数个小时，影响测试的效率，此外，FIB利用的也是高能离子枪，待测膜层表面的化学成分也会有轻微的改变，影响测试的准确性。
也就是说，利用TEM对待测膜层的元素成分进行测试，能够测试的厚度有限，测试结果的准确性也有限，而预先对待测膜层进行减薄，具有较低的效率，同时也影响测试结果的准确性。
基于以上技术问题，本申请实施例提供了一种测试方法及装置，待测样品可以包括衬底以及衬底上的待测膜层，去除待测膜层的部分厚度，可以得到待测膜层的检测层，利用X射线光电子能谱分析XPS设备可以获取检测层的元素分布数据，这样可以对待测膜层的内部元素分布进行检测，而X射线会激发检测层的电子，而不会对检测层的元素分布造成破坏，检测结果准确。
为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。
参考图2所示，为本申请实施例提供的一种测试方法的流程图，包括以下步骤：
S101，提供待测样品。
在本申请实施例中，待测样品可以包括衬底以及衬底上的待测膜层，衬底可以是硅衬底，也可以是其他衬底。待测膜层可以是待分析的半导体膜层，例如待测膜层可以是半导体器件中的膜层，除了待测膜层，衬底上还形成有其他功能层，当然，待测膜层也可以是衬底上形成的测试膜层，除了待测膜层，衬底上不形成有其他功能层。
待测膜层例如可以是电荷捕获层或隧穿层，电荷捕获层或隧穿层可以为一层，也可以是多层构成的叠层，当然，待测膜层也可以是电荷捕获层和隧穿层的叠层。举例来说，待测样品的衬底可以是从控片晶圆上截取的15mm*15mm的样品，参考图3所示，为本申请实施例中一种待测样品的示意图，衬底上可以形成有电荷捕获层和隧穿层的叠层，其中，电荷捕获层和隧穿层分布为3层，每层电荷捕获层会隧穿层的厚度为2nm，通常来说，形成待测样品大约需要5min。
待测样品可以利用铜夹固定在样品台上，以便进行测试，待测样品可以在低真空的状态下测试，例如真空度可以为5.0e-7mbar。
S102，去除待测膜层的部分厚度，得到待测膜层的检测层。
待测膜层为衬底上形成的膜层，为了对待测膜层内部的元素成分进行分析，可以刻蚀去除待测膜层的部分厚度，这样每次刻蚀后得到的待测膜层的表面可以作为检测层，对多个检测层进行检测即可得到待测膜层内部的多个深度的元素成分数据。
本申请实施例中，去除待测膜层的部分厚度可以具体为，利用氩离子束去除待测膜层的部分厚度，通过控制氩离子束能量(Ion Beam Energy)可以使去除的待测膜层的厚度为固定厚度，这样多个去除待测膜层的部分厚度，可以得到较多个待测膜层的检测层，同时刻蚀速度相比于FIB而言具有一定的提升。举例来说，去除的待测膜层的厚度可以为1～2个原子层的厚度。
具体的，还可以为氩离子束设置一定的光栅尺寸(Raster Size)，从而确定氩离子束的扫描范围，决定刻蚀区域的大小。
举例来说，离子束能量可以设置为300eV，光栅尺寸可以设置为2.0mm，这样对于15mm*15mm的待测样品，完成一次待测膜层的刻蚀大约需要7秒，即实现一次去除待测膜层的部分厚度的动作，得到一个待测膜层的检测层，大约需要7秒。
S103，利用X射线光电子能谱分析XPS设备获取检测层的元素分布数据。
X射线光电子能谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)设备可以利用X射线去辐射样品，使样品中原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来，被X射线激发出来的电子具有一定的能量，通过激发出来的电子的数量以及携带的能量可以确定样品中元素的组成。
具体的，不同元素的原子对电子有不同的束缚能，原子中的电子吸收的能量需要大于束缚能才可以被激发出来，激发出的电子的能量为X射线的能量与束缚能的差值，这样若X射线具有相同的能量，则可以根据激发出的电子的能量确定其是从哪个元素的原子中被激发出来，这样根据电子的数量以及每个电子携带的能量即可确定样品中元素的组成。
因此，参考图4所示，为本申请实施例提供的一种XPS设备的示意图，XPS设备可以包括X射线发生装置以及电子探测装置，在去除待测膜层的部分厚度得到检测层时，可以利用X射线发生装置可以向检测层发射X射线，使检测层的原子或分子中的电子受激发射出来，利用电子探测装置可以获取检测层被X射线激发的电子，根据电子探测装置获取的电子的能量状态和数量，可以确定检测层的元素分布数据。
电子探测装置的能量收集模式可以为快照模式(Snap Mode)，其中电子探测装置中的探测器可以具有128个通道，分别置于不同的能量状态，用于同时收集不同能量的电子，这样可以在较短的时间内完成信息采集，实际操作中，完成一次信息采集大约需要1秒钟的时间。
在待测膜层为电荷捕获层和隧穿层的叠层时，待测膜层中包括Si、N和O元素，也就是说，可以采用快照模式收集Si、O、N三种元素能谱。为了提高能谱收集的准确性，对于每种元素可以采集多次，例如可以采集3次。
以上可以得到检测层的元素分布数据，为了全面得到待测膜层中各个深度的元素分布数据，可以多次执行S102和S103，这样可以得到多个检测层以及多个检测层的元素分布数据，由于每次去除的待测膜层的厚度较小，得到的元素分布近似可以体现待测膜层中各个深度的元素分布数据。举例来说，可以进行200次S102和S103，即进行200次刻蚀以及200次数据采集，每个元素可以得到600个数据，具体实施时，大约需要2小时可以完成全部的数据采集。
基于对各个检测层进行信息采集得到的数据，可以得到在不同刻蚀深度的元素分布数据，由于刻蚀时间和时间采集时间一定，则可以利用刻蚀时间来表征不同的深度，元素分布数据可以通过原子分布数据表示，包括各个原子占原子总数的百分比，由于N、O和Si元素的外层电子被激发而溢出检测层，在检测层剩余的元素可以用N1s、O1s和Si2p表示。参考图5所示，为本申请实施例提供的一种原子成分示意图，包括各个刻蚀时间(sputter time)对应的原子分布数据，其中横坐标为刻蚀时间，单位为秒(s)，纵坐标为原子分布，单位为％。
由于利用XPS设备进行数据采集，会激发测试层的电子，而不会破坏测试层的元素结构，因此测试得到的数据相对准确，同时不会对周围的元素以及下层的元素造成影响。此外，利用XPS设备进行测试不需要透过这个待测膜层，因此待测膜层的厚度可以相对较厚，能够准确得到各个深度的信息。
在得到待测膜层中多个检测层的元素分布数据后，可以对多个检测层的元素分布数据极性修正，具体的，可以利用逃逸深度修正(Escape Depth Correction)算法进行数据修正，这样可以通过迭代相减的方式使模糊的原始数据以相对较高的深度分辨率重新呈现。其中，逃逸深度是与电子非弹性散射平均自由程相关的物理参数。具体实施时，可以计算能谱曲线包络面积，应用逃逸深度修正算法获得修正的电子信号强度，最后归一化计算出元素成分分布。参考图6所示，为本申请实施例提供的一种修正后的原子成分示意图，包括各个刻蚀时间对应的原子分布数据，其中横坐标为深度(Depth)，单位为nm，纵坐标为原子分布，单位为％。
本发明实施例提供了一种测试方法，待测样品可以包括衬底以及衬底上的待测膜层，去除待测膜层的部分厚度，可以得到待测膜层的检测层，利用X射线光电子能谱分析XPS设备可以获取检测层的元素分布数据，这样可以对待测膜层的内部元素分布进行检测，而X射线会激发检测层的电子，而不会对检测层的元素分布造成破坏，检测结果准确。
基于本申请实施例提供的一种测试方法，本申请实施例还提供了一种测试装置，参考图7所示，为本申请实施例提供的一种测试装置的结构框图，可以包括：
X射线光电子能谱分析XPS设备110和数据处理设备120；
所述XPS设备110包括X射线发生装置以及电子探测装置，所述X射线发生装置用于向待测膜层的检测层发射X射线；所述电子探测装置用于获取所述检测层被X射线激发的电子；所述待测膜层的检测层通过去除待测膜层的部分厚度得到；
所述数据处理设备120，用于根据所述电子探测装置获取的电子的能量状态和数量，确定所述检测层的元素分布数据。
可选的，所述数据处理设备还用于：根据所述电子探测装置获取的多个检测层被X射线激发的电子，得到所述待测膜层的元素分布数据。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (11)
1.一种测试方法，其特征在于，包括：
提供待测样品，所述待测样品包括衬底以及所述衬底上的待测膜层；
去除所述待测膜层的部分厚度，得到所述待测膜层的检测层；
利用X射线光电子能谱分析XPS设备获取所述检测层的元素分布数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除所述待测膜层的部分厚度，包括：
利用氩离子束去除所述待测膜层的部分厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述XPS设备包括X射线发生装置以及电子探测装置，则所述利用X射线光电子能谱分析XPS设备获取所述检测层的元素分布数据，包括：
利用所述X射线发生装置向所述检测层发射X射线；
利用所述电子探测装置获取所述检测层被X射线激发的电子；
根据所述电子探测装置获取的电子的能量状态和数量，确定所述检测层的元素分布数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，依次多次执行去除所述待测膜层的部分厚度得到所述待测膜层的检测层，以及利用X射线光电子能谱分析设备获取所述检测层的元素成分分布的步骤，以获得多个检测层以及获取多个检测层的元素分布数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
利用所述多个检测层的元素分布数据，确定所述待测膜层的元素分布数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用多个所述检测层的元素分布数据，确定所述待测膜层的元素分布数据，包括：
利用多个所述检测层的元素分布数据，确定所述待测膜层的初始元素分布数据；
基于逃逸深度修正算法，对所述初始元素分布数据进行调整，得到所述待测膜层的修正元素分布数据。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述待测膜层为单层结构，或多个膜层的叠层结构。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待测膜层为电子捕获层的单层结构或叠层结构，或所述待测膜层为隧穿层的单层或叠层结构，或所述待测膜层为电子捕获层和隧穿层的叠层结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述检测层的元素分布数据包括所述检测层中Si、O、N元素的分布数据。
10.一种检测装置，其特征在于，包括：X射线光电子能谱分析XPS设备和数据处理设备；
所述XPS设备包括X射线发生装置以及电子探测装置，所述X射线发生装置用于向待测膜层的检测层发射X射线；所述电子探测装置用于获取所述检测层被X射线激发的电子；所述待测膜层的检测层通过去除待测膜层的部分厚度得到；
所述数据处理设备，用于根据所述电子探测装置获取的电子的能量状态和数量，确定所述检测层的元素分布数据。
11.根据权利要求10所述的检测设备，其特征在于，所述数据处理设备还用于：根据所述电子探测装置获取的多个检测层被X射线激发的电子，得到所述待测膜层的元素分布数据。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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