CN113363137A - 一种SiGe结构载流子浓度的监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SiGe结构载流子浓度的监控方法，包括：获得SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据；提供监控晶圆片，以与产品晶圆片相应的SiGe工艺在所述监控晶圆片的表面形成具有P型掺杂离子的SiGe结构；在所述监控晶圆片的表面形成阻挡层，所述阻挡层覆盖所述SiGe结构；获得所述监控晶圆片的电阻率，并结合所述相关性数据，得到所述产品晶圆片的空穴载流子浓度。通过在SiGe结构的表面形成阻挡层，减缓其电阻率的变化，从而实现对产品晶圆片的SiGe结构载流子浓度的准确、经济、高效的监控；并结合获得的相关性数据，可以获得具体的空穴载流子浓度；由于监控方法的简单易行，还可提高监控频率以实现高频度的产线稳定性监控。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种SiGe结构载流子浓度的监控方法。
背景技术
随着半导体技术的迅速发展，MOSFET器件的尺寸在不断减小，通常包括MOSFET器件沟道长度减小、栅氧化层厚度减薄等，以获得更快的器件速度。但是随着超大规模集成电路技术发展至超深亚微米级时，特别是28纳米及以下技术节点时，减小沟道长度会带来一系列问题，例如载流子的迁移率的降低，器件性能的下降，单纯的器件尺寸减小很难满足大规模集成电路技术的发展。由此外延生长时选择SiGe工艺，利用所形成的SiGe结构通过提高空穴载流子迁移率来满足28nm以下PMOS电性的需求，而得到广泛应用。
但在SiGe结构的生长过程，尤其是大规模生产制造的生长SiGe结构过程中，如何准确、经济、高效的监控SiGe结构载流子浓度一直是个难题。例如，业内常用的SIMS(secondary ion mass spectroscopy，二次离子质谱)，可通过SiGe结构的硼离子浓度来表征空穴载流子浓度，其测试结果比较精确，但其高昂的设备成本、较高的操作要求及较慢的测试速度很难满足大规模生产制造的需求，尤其是作为一种日常监控方法。同时，业内也有采用4PP(Four point probe，四探针测试技术)通过测试电阻率以直接实现SiGe结构载流子浓度的监控，其测试过程简单易行，但其测试结果往往不准确、不稳定，直接运用的效果不甚理想。
所以，亟需一种更佳的SiGe结构载流子浓度的监控方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SiGe结构载流子浓度的监控方法，以解决上述准确、经济、高效监控SiGe结构载流子浓度的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种SiGe结构载流子浓度的监控方法，包括：获得SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据；提供监控晶圆片，以与产品晶圆片相应的SiGe工艺在所述监控晶圆片的表面形成具有P型掺杂离子的SiGe结构；在所述监控晶圆片的表面形成阻挡层，所述阻挡层覆盖所述SiGe结构；获得所述监控晶圆片的电阻率，并结合所述相关性数据，得到所述产品晶圆片的空穴载流子浓度。
可选的，获得SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据的步骤包括：提供若干测试晶圆片，分别在各所述测试晶圆片的表面形成不同P型掺杂离子浓度的SiGe结构；在所述测试晶圆片的表面形成所述阻挡层，所述阻挡层覆盖所述SiGe结构；对所述测试晶圆片进行空穴载流子浓度测试及电阻率测试；获得所述SiGe结构的空穴载流子浓度与对应电阻率之间的相关性数据。
可选的，所述空穴载流子浓度测试的方法为SIMS。
可选的，所述阻挡层为单晶硅层。
可选的，所述阻挡层的厚度为40埃～500埃。
可选的，形成所述SiGe结构及形成所述阻挡层在同一CVD设备依次形成。
可选的，所述SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性表示为：y＝-0.76x-0.013(R2＝0.9981)，其中，y表示电阻率变化率，x表示P型掺杂离子变化率，R为相关系数。
可选的，所述P型掺杂离子为硼离子。
可选的，利用所述硼离子浓度表示空穴载流子浓度。
可选的，所述电阻率的测试方法为四探针电阻率测试法。
综上所述，本发明提供的一种SiGe结构载流子浓度的监控方法具有以下有益效果：
1)通过在SiGe结构的表面形成阻挡层，减缓其电阻率的变化，从而实现利用监控晶圆片的电阻率实现，以实现产品晶圆片的SiGe结构载流子浓度的准确、经济、高效的监控；
2)由于正常量产中，极少变动设备及工艺，结合获得的SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据，还可通过监控晶圆片的电阻率变化以获得产品晶圆片的空穴载流子浓度的变化；
2)由于监控方法的简单易行，可提高SiGe结构载流子浓度的监控频率，以实现高频度的产线稳定性监控。
附图说明
本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是现有技术的SiGe结构的四探针测试的示意图；
图2是现有技术的电阻和Q-time的关系示意图；
图3是本申请实施例提供的SiGe结构的四探针测试的示意图；
图4是本申请实施例提供的电阻和Q-time的关系示意图；
图5是本申请实施例提供的电阻率变化率和载流子浓度变化率的关系示意图；
图6是本申请提供的SiGe结构载流子浓度的监控方法的流程图。
图1中：
10’-SiGe结构；101’-空穴载流子；
20’-自然氧化层；201’-悬挂键电荷；
30’-四探针测试仪；
图2中：
10-SiGe结构；101-空穴载流子；
20-自然氧化层；201-悬挂键电荷；
30-四探针测试仪；
40-介质层。
具体实施方式
图1是现有技术的SiGe结构的四探针测试的示意图。如图1所示，在采用四探针测试仪30’对SiGe结构10’进行电阻率测试时，其测试结果不稳定，并存在随着Q-time(等待时间)延长而逐步升高的变化趋势。且发明人研究发现，其测试结果不稳定源自于监控晶圆片移出生长机台后，裸露于表面的硅原子和空气接触后被逐渐自然氧化所致。具体而言，即是SiGe结构10’表面的空穴载流子101’与其表面形成的自然氧化层20’中的悬挂键电荷201’复合形成陷阱电荷，从而导致电阻率变高，电导率下降。
同时，从发明人的研究数据(如图2)可知，自然氧化对SiGe结构10’的电阻测试有着极为严重的负面影响，SiGe结构10’的电阻率在移出机台和空气接触的初期几乎成线性急剧升高，随着扩散氧化逐渐变慢，整体呈ln函数关系变高。
基于上述研究，本发明实施例提供一种SiGe结构载流子浓度的监控方法，在获得SiGe结构的载流子浓度与SiGe结构电阻率之间的相关性数据的基础上，通过在监控晶圆片的SiGe结构的表面形成阻挡层后，再进行电阻率测试，并根据电阻率测试结果及获得的相关性数据，即可实现对SiGe结构的载流子浓度的监控。该监控方法不仅准确、而且经济、高效。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，除非内容另外明确指出外。
图6是本申请提供的SiGe结构载流子浓度的监控方法的流程图。如图6所示，本实施例提供了一种SiGe结构载流子浓度的监控方法，包括以下步骤：
S01：获得SiGe结构10的空穴载流子101浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据；
S02：提供监控晶圆片，以与产品晶圆片相应的SiGe工艺在监控晶圆片的表面形成具有P型掺杂离子的SiGe结构10；
S03：在监控晶圆片的表面形成阻挡层40，阻挡层40覆盖SiGe结构10；
S04：获得监控晶圆片的电阻率，并结合相关性数据，得到产品晶圆片的空穴载流子浓度。
在本实施中，步骤S01具体的过程包括：提供若干测试晶圆片，分别在各测试晶圆片的表面形成不同P型掺杂离子浓度的SiGe结构10，再在测试晶圆片的表面形成阻挡层40，阻挡层40覆盖SiGe结构10，然后对测试晶圆片进行空穴载流子浓度测试及电阻率测试；获得SiGe结构10的空穴载流子浓度与对应电阻率之间的相关性数据。
其中，P型掺杂离子可以为硼离子，SiGe结构10中的空穴载流子101可以通过在SiGe工艺中掺杂硼离子以实现，本领域的技术人员应理解，在一定范围内，利用SiGe结构10中硼离子浓度表示其空穴载流子浓度。
由此，可以通过若干形成不同硼离子浓度的SiGe结构10以代表具有对应不同空穴载流子101的浓度的SiGe结构10。
在具体实施时中，出于经济及效率的考虑，测试晶圆片可以是空白晶圆(blankwafer)。上述的不同硼离子浓度，可以呈等间隔分布，且在较佳方案中，该不同硼离子浓度以SiGe工艺的硼离子浓度中心值为中心，并涵盖SiGe工艺中所有可能涉及的硼离子浓度范围，例如为9.4ppma～10.6ppma。
值得一提的是，通常工艺参数可以表示为工艺设定中心值加上一个范围(例如硼浓度为1000±60ppma)，由此可将不同硼浓度的表示一种更优化的方式：将SiGe工艺的硼离子浓度中心值设为基准值，以基准值为中心分别往上及往下相对中心等百分比间隔分布，且至少包含工艺允许最大范围。例如，硼浓度表示为，-6％(相当于940ppma)、-3％(相当于970ppma)、0(相当于1000ppma)、3％(相当于1030ppma)、6％(相当于1060ppma)。
不难理解，晶圆监控片从形成SiGe结构10到形成阻挡层40的过程中均隔绝氧气，以防止SiGe结构10被自然氧化。优选地，形成SiGe结构10及形成阻挡层40为在同一设备依次形成，效率较高，且能避免晶圆监控片移出机台后SiGe结构10被自然氧化。
作为一种示例，可采用CVD法形成SiGe结构10，通入CVD机台的工艺气体例如是包括甲硅烷、锗烷及乙硼烷。在测试晶圆片的表面形成SiGe结构10后，可以在该CVD机台直接调整工艺以形成阻挡层40。
优选的，阻挡层40可以是单晶硅层，可利用工艺气体中的甲硅烷，形成单晶硅层覆盖于SiGe结构的表面，其厚度小于500埃。不难理解，作为阻挡层40的单晶硅层的厚度不可过厚，否则与SiGe结构并联的单晶硅层的阻值变小，而导致电阻率测试结果偏小。在具体实施时，厚度过薄的单晶硅层不易于均匀的形成，且阻挡效果也难于保证，所以阻挡层40的厚度可介于40埃～500埃之间。
在实际中，为保证多次监控测量的稳定性，可形成相同厚度的阻挡层40，即单晶硅层。
图3是本申请实施例提供的SiGe结构的四探针测试的示意图。如图3所示，对上述若干测试晶圆片做电阻率测试。电阻率测试可采用四探针测试仪30，四探针测试仪是运用四探针测量原理的多用途综合测量设备，该仪器按照单晶硅物理测试方法国家标准并参考美国A.S.T.M标准而设计的，专用于测试半导体材料电阻率及方块电阻(薄层电阻)的专用仪器。在实际中，四探针测试仪30直接测得的为半导体材料的方块电阻，再结合半导体材料的厚度，即可换算得到相应的电阻率。四探针测试仪30操作简单易行，且设备便宜，测试速度较快。
经发明人研究试验，得到的形成有阻挡层40的SiGe结构10的电阻和Q-time的关系如图4所示。由于测试晶圆片上形成阻挡层40，其不仅可阻止SiGe结构的自然氧化，还可在将其控制合适厚度的情况下，确保电阻率测试的精确性。
同时，还可采用SIMS(secondary ion mass spectroscopy，二次离子质谱)以实现SiGe结构10中硼离子浓度的精确测试。SIMS是一种非常灵敏的表面成份精密分析仪器，是最前沿的表面分析技术。它是通过高能量的一次离子束轰击样品表面，使样品表面的分子吸收能量而从表面发生溅射产生二次粒子,通过质量分析器收集、分析这些二次离子，就可以得到关于样品表面信息的图谱。通过SIMS即可上述若干测试晶圆片的硼离子浓度，也即是对应SiGe结构10的空穴载流子101浓度。
具体实施时，基于获得的多个一一对应的空穴载流子101浓度测试结果和电阻率测试结果，可直接建立载流子浓度与电阻率之间的相关性数据。应理解，得到的载流子浓度与电阻率之间的相关性数据可根据形成SiGe结构10的工艺的不同而有所差异，改变工艺则需重新建立载流子浓度与电阻率之间的相关性数据。由此，即可实现电阻率与空穴载流子浓度的相互换算。
特别需要说明的是，为便于后续分析及监控工艺制程的波动性，可以将空穴载流子浓度(硼离子浓度)和电阻率的相关性数据变换成载流子浓度变化率和电阻率变化率之间的相关性，其中，载流子浓度变化率以SiGe工艺的载流子浓度中心值为基准值的变化率，电阻率变化率以SiGe工艺的电阻率中心值为基准值变化率。由此而建立的相关性数据将更直观。
例如，获得的相关性数据如下：
| 硼-6％组 | 硼-3％组 | 基准组 | 硼+3％组 | 硼+6％组 | |
| 硼浓度-变化率 | -6 | -3 | 0 | 3 | 6 |
| 电阻(欧姆) | 840.2 | 822.3 | 802.2 | 780.9 | 765 |
| 电阻变化率(％) | 4.7 | 2.5 | 0 | -2.7 | -4.6 |
| 电阻率(欧姆·厘米) | 0.00330 | 0.00323 | 0.00315 | 0.00307 | 0.00301 |
| 电阻率变化率(％) | 4.5 | 2.4 | 0 | -2.6 | -4.5 |
图5是本申请实施例提供的电阻率变化率和载流子浓度变化率的关系示意图。如图5所示，相关性数据可表示为一个线性回归方程：
y＝-0.76x-0.013(R2＝0.9981)，
其中y表示电阻率变化率，单位为％，x表示空穴载流子变化率，单位为％，R为相关系数。当然，不做上述变化，直接建立空穴载流子浓度与电阻率的相关性数据也是可以的。
接着，执行步骤S02。本实施例中，以与产品晶圆片相应的工艺在监控晶圆片的表面形成具有P型掺杂离子的SiGe结构10，以实现利用监控晶圆片而达到监控产品晶圆片(pattern wafer)的空穴载流子的目的。本领域的技术人员应理解，由于监控晶圆片为空白晶圆(blank wafer)，与产品晶圆片(pattern wafer)有所不同，为达到有效的监控，其形成SiGe工艺有所差异，其具体差异因设备和工艺而不同。
接着，执行步骤S03。本实施中，在监控晶圆片的表面形成阻挡层40，阻挡层40覆盖SiGe结构10。优选的，阻挡层40为单晶硅层，其具体形成阻挡层40的过程及步骤与前述S01步骤中获得相关性数据中形成阻挡层40的工艺相同。
在此需要说明的是，步骤S03中仅在监控晶圆片表面形成阻挡层，以便于监控晶圆片移出生长设备后的测试，而产品晶圆片的工艺步骤与常规一致，是不形成阻挡层40的。
接着，执行步骤S04。本实施例中，获得监控晶圆片的电阻率，并结合前述的相关性数据，得到产品晶圆片的空穴载流子浓度。
由于监控晶圆片的SiGe结构10上覆盖有阻挡层40，也即是单晶硅层，其不仅可在测试过程中极大延缓SiGe结构的自然氧化，还可在将其控制合适厚度的情况下，确保电阻率测试的精确性。优选的，可采用四探针测试仪30测试电阻率，其简单、易行、快速，并可通过不同区域多次测量求取平均值以提高电阻率测试的精确性。
由于电导率反映一种材料的导电能力，对于P型半导体，电导率可近似表达为σ＝qpμp，其中q为载流子电量，p为空穴浓度，μp为空穴迁移率。电导率和电阻率互为倒数，可以从上述公式可看出空穴载流子浓度和半导体的电导率具有近似线性的强相关性。由此，即可通过获取监控晶圆片的电阻率以监控产品晶圆片的电阻率，从而实现产品晶圆片的SiGe结构10的空穴流子浓度的定性监控。
进一步的，结合S01步骤获得的SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据，还可以定量的监控产品晶圆片的SiGe结构10的空穴流子浓度。
举一个非限性的例子，例如得到相关性数据的线性回归法方程：y＝-0.76x-0.013(R2＝0.9981)，y表示电阻率变化率，x表示空穴载流子变化率(硼浓度变化率)。若测量并换算得到电阻率变化率y＝2.4％，将y＝2.4％代入上述相关性，可得到空穴载流子变化率x＝-4.9％，x＝-4.9％表示该晶圆监控片SiGe结构10的硼离子浓度相对SiGe工艺的硼离子浓度中心值降低了4.9％，也即是空穴载流子浓度下降了4.9％。
在具体实施时，若通过S01步骤获得SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据，则同种产品晶圆片采用相同的SiGe工艺，在执行该SiGe工艺所形成SiGe结构的载流子浓度的监控时，仅执行S02至S04即可。如此，则可在常规监控频率的基础上进一步提高监控频率，以实现高频度的产线稳定性监控。
综上所述，本发明提供的一种SiGe结构载流子浓度的监控方法具有以下有益效果：
1)通过在SiGe结构的表面形成阻挡层，减缓其电阻率的变化，从而实现利用监控晶圆片的电阻率实现，以实现产品晶圆片的SiGe结构载流子浓度的准确、经济、高效的监控；
2)由于正常量产中，极少变动设备及工艺，结合获得的SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据，还可通过监控晶圆片的电阻率变化以获得产品晶圆片的空穴载流子浓度的变化；
3)由于监控方法的简单易行，可提高SiGe结构载流子浓度的监控频率，以实现高频度的产线稳定性监控。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，包括：
获得SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据；
提供监控晶圆片，以与产品晶圆片相应的SiGe工艺在所述监控晶圆片的表面形成具有P型掺杂离子的SiGe结构；
在所述监控晶圆片的表面形成阻挡层，所述阻挡层覆盖所述SiGe结构；
获得所述监控晶圆片的电阻率，并结合所述相关性数据，得到所述产品晶圆片的空穴载流子浓度。
2.根据权利要求1所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，获得SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性数据的步骤包括：
提供若干测试晶圆片，分别在各个所述测试晶圆片的表面形成不同P型掺杂离子浓度的SiGe结构；
在所述测试晶圆片的表面形成所述阻挡层，所述阻挡层覆盖所述SiGe结构；
对所述测试晶圆片进行空穴载流子浓度测试及电阻率测试；
获得所述SiGe结构的空穴载流子浓度与对应电阻率之间的相关性数据。
3.根据权利要求2所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，所述空穴载流子浓度测试的方法为SIMS。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的SiGe结构空穴载流子浓度的监控方法，其特征在于，所述阻挡层为单晶硅层。
5.根据权利要求4所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为40埃～500埃。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，形成所述SiGe结构及形成所述阻挡层在同一CVD设备依次形成。
7.根据权利要求1所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，所述SiGe结构的空穴载流子浓度与SiGe结构的电阻率之间的相关性表示为：
y＝-0.76x-0.013(R2＝0.9981)，
其中，y表示电阻率变化率，x表示P型掺杂离子变化率，R为相关系数。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，所述P型掺杂离子为硼离子。
9.根据权利要求8所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，利用所述硼离子浓度表示空穴载流子浓度。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的SiGe结构载流子浓度的监控方法，其特征在于，所述电阻率的测试方法为四探针电阻率测试法。
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