CN114088752A - 半导体器件的量测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体器件的量测方法，包括：获取作为待测物件的半导体器件的图像，半导体器件包括衬底和位于衬底上的半导体结构；在图像上选取检测区，并对检测区利用能谱仪进行能谱分析，获取检测区的元素谱图；将元素谱图中的第一元素的第一目标峰和第二元素的第二目标峰进行分峰拟合，获取拟合元素分布谱图；根据拟合元素分布谱图获得第一元素的原子比例和/或第二元素的原子比例，以供判断第一元素的气孔大小，通过该方法能准确且快速地获取半导体结构中气孔的情况，以提高测试的准确率和效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体器件的量测方法。
【背景技术】
三维存储器(3D NAND Flash)因其存储密度大、编程速度快等优点，被广泛应用于手机、固态硬盘等电子设备中。三维存储器通过堆叠存储单元，以提高存储容量。存储单元的结构包括交替堆叠的栅极层和绝缘层。栅极层的材料一般是钨，而绝缘层的材料一般是氧化物，如氧化硅(SiO2)。栅极层钨的空隙尺寸(void size)对器件电性能的好坏有着重要影响，因此需要对栅极层金属钨的空隙尺寸进行准确且快速地量测。
传统量测金属钨的空隙尺寸的方法是通过扫描透射电子显微镜(STEM)获取高质量的图像后，再采用自动化量测软件对栅极层钨的空隙的尺寸进行识别和量测。然而，由于空隙与栅极层钨的边界界限模糊，自动化量测软件很容易出现边界识别错误，需要人工对照原始STEM图像手动剔除错误数据，整体量测流程非常耗时耗力。
因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种半导体器件的量测方法，通过该方法能准确且快速地获取半导体结构中气孔的情况，以提高测试的准确率和效率。
为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体器件的量测方法，包括：获取作为待测物件的半导体器件的图像，半导体器件包括衬底和位于衬底上的半导体结构；在图像上选取检测区，并对检测区利用能谱仪进行能谱分析，获取检测区的元素谱图；将元素谱图中的第一元素的第一目标峰和第二元素的第二目标峰进行分峰拟合，获取拟合元素分布谱图；根据拟合元素分布谱图获得第一元素的原子比例和/或第二元素的原子比例，以供判断第一元素的气孔大小。
其中，半导体结构包括沿垂直于衬底的主表面的第一纵向交替堆叠的栅极层和绝缘层，其中，栅极层的材料包括第一元素，绝缘层的材料包括第二元素。
其中，检测区包括至少一层栅极层。
其中，半导体结构包括栅极结构和位于栅极结构两侧的堆叠结构，其中，栅极结构的材料包括第一元素，堆叠结构的材料包括第二元素。
其中，半导体结构包括绝缘层和位于绝缘层中的导电柱，其中，导电柱的材料包括第一元素，绝缘层的材料包括第二元素。
其中，检测区包括至少一个导电柱。
其中，第一元素为目标元素，第二元素为参考元素。
其中，第一元素为钨，第二元素为硅。
其中，第一目标峰包括M峰，第二目标峰包括L峰，第一目标元素对应的第一目标峰的能量和第二目标元素对应的第二目标峰的能量的范围包括1.7-1.9KeV。
其中，图像包括扫描透射电子显微图像。
本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明提供了一种半导体器件的量测方法，包括：获取作为待测物件的半导体器件的图像，半导体器件包括衬底和位于衬底上的半导体结构；在图像上选取检测区，并对检测区利用能谱仪进行能谱分析，获取检测区的元素谱图；将元素谱图中的第一元素的第一目标峰和第二元素的第二目标峰进行分峰拟合，获取拟合元素分布谱图；根据拟合元素分布谱图获得第一元素的原子比例和/或第二元素的原子比例，以供判断第一元素的气孔大小。通过该方法能准确且快速地获取半导体结构中气孔的情况，以提高测试的准确率和效率。
【附图说明】
图1a为现有技术中半导体器件整体的STEM图像。
图1b为选取图1a中半导体器件一个区域的局部的STEM图像。
图1c为图1b通过自动量测软件获得的量测图像。
图1d为选取图1c一个区域的放大图像。
图2为本发明一个实施例中半导体器件的量测方法的流程示意图。
图3a为本发明一个实施例中获取的检测区的EDX Mapping图像。
图3b为本发明一个实施例中获取的检测区的元素谱图。
图3c为本发明一个实施例中获取的两个不同的检测区所对应的W和Si元素分布谱图。
图4为通过本发明和现有技术两种不同方法获得的数据对比图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样地，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明所提到的方向用语，例如[上]、[下]、[前]、[后]、[左]、[右]、[内]、[外]、[侧面]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。在各个附图中，结构相似的单元采用相同的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，附图中可能未示出某些公知的部分。
三维存储器的核心区域包括交替堆叠的栅极层和绝缘层。栅极层的材料一般是钨，而绝缘层的材料一般是氧化物，如氧化硅(SiO2)。栅极层钨的空隙尺寸(void size)对器件电性能的好坏有着重要影响，因此需要对栅极层金属钨的空隙尺寸进行准确且快速地测量。如图1a所示，为现有技术中半导体器件整体的STEM图像，可以通过扫描透射电子显微镜(STEM)获取半导体器件整体的STEM图像。然后选取半导体器件整体的STEM图像中需要进行空隙量测的区域。如图1b所示，为选取图1a中一个堆叠结构区域的局部的STEM图像。随后，通过自动化量测软件对堆叠结构中栅极层钨的空隙(也可以称之为气孔，void)进行量测，获取如图1c所示的量测结果图。由图1c可知，栅极层中间区域没有自动量测尺寸的线条，即中间区域没有被自动化量测软件识别并进行尺寸量测。这是由于中间区域空隙的边界与栅极层中钨的边界的界限模糊，自动化量测软件无法进行有效识别。另外栅极层钨两侧区域也容易出现识别错误，需要人工对照原始STEM图像手动剔除错误数据，整体量测过程非常耗时耗力。
鉴于此，本发明提供了一种半导体器件的量测方法，如图2所示为本发明的流程示意图，具体流程如图1a以及图3a至3c所示包括：
S 101步骤：获取作为待测物件的半导体器件的图像，半导体器件包括衬底和位于衬底上的半导体结构。
具体地，半导体器件包括衬底和位于衬底上的半导体结构，其中，衬底作为形成半导体器件的基底，可以是硅(Si)、锗(Ge)或硅锗(GeSi)、碳化硅(SiC)等，也可以是其它材料，不作特别的限制。而半导体结构可以是在衬底上通过一次或多次的沉积工艺、刻蚀工艺、化学机械研磨和清洗工艺等多道工序形成，具体结构和膜层与实际的工艺流程相关。
其中，半导体结构包括沿垂直于衬底的主表面的第一纵向交替堆叠的栅极层和绝缘层，其中，栅极层的材料包括第一元素，绝缘层的材料包括第二元素。
具体地，半导体结构可以是沿垂直于衬底的主表面的第一纵向交替堆叠的栅极层和绝缘层，绝缘层用于将多个栅极层隔离，绝缘层的材料可以由氧化物，比如氧化硅(SiO2)组成，而栅极层的材料可以由导电材料，比如钨(W)组成。如图1a所示，为本发明一个实施例中获取的半导体器件的图像。由图1a可知，半导体结构包括交替堆叠的栅极层和绝缘层。
其中，图像包括扫描透射电子显微图像。
具体地，对于获取图像的方式不作特别的限制，可以利用扫描电子显微镜或扫描透射电子显微镜获取作为待测物件的半导体器件的图像。优选地，选取扫描透射电子显微镜，获取作为待测物件的半导体器件的图像。
其中，在S 101步骤之前，还包括：对半导体器件进行待测物件的制备。具体地，在执行S 101步骤：获取作为待测物件的半导体器件的图像，半导体器件包括衬底和位于衬底上的半导体结构，该半导体器件是已经达到测试标准的待测样品。然而，也可能存在当执行S 101步骤时，发现需要对半导体器件进行待测物件的制备，比如，需要对半导体器件进行切割、减薄、打磨等，以达到实际情况下的制样标准。其中，减薄处理可以通过聚焦离子束(FIB)实现，或者也可以通过自动研磨实现，可以根据实际情况选取合适的方式对半导体器件进行处理，以达到样品要求标准。
S 102步骤：在图像上选取检测区，并对检测区利用能谱仪进行能谱分析，获取检测区的元素谱图。
具体地，在图像上选取检测区，并对检测区利用能谱仪进行能谱分析，获取如图3a所示的检测区的EDX Mapping(面扫描)图像和如图3b所示的检测区的元素谱图。图3a所示的是检测区为第1层到第20层的栅极层所对应区域的EDX Mapping图像。图3b所示的是第1层到第20层的栅极层所对应的区域内的元素谱图。
具体地，能谱仪(Energy Dispersive X-ray Spectormeter，EDS)一般是作为SEM或者STEM的附件使用，能谱仪的工作原理是，信号通过薄铍窗进入Si(Li)探测器并形成电荷脉冲，经前置放大器、主放大器进一步放大并转换成一个电压脉冲，输入到多道分析器转换成数字信号，对X光子进行分类、计算和存储，经计算器进一步处理，输出元素谱图或者数据。能谱仪的作用是，量测电子与待测物件相互作用产生的X射线波长(频率)和强度。其中，能谱仪可用于光子能量检测、能谱定性分析和能谱定量分析。其中，能谱定量分析是借助电子激发微米或者纳米尺度的样品所产生的X射线谱，来分析样品中的元素含量。根据需要，定量结果可以用原子百分比、质量百分比、原子或质量分数、单位体积内的摩尔数或者质量、单位面积或者单位体积内的原子数表示。
此外，需要说明的是，可以通过选取不同的检测区，以获得不同检测区所对应的半导体结构的元素图谱，即可以根据实际的需要去选取检测区的范围，以获取相应的EDXMapping图像和元素谱图。对于获取检测区的元素谱图的方式不作特别的限制，应当理解，不论选择哪种方式获得检测区的元素谱图都应在本申请实施例保护的范围之内。
S103步骤：将元素谱图中的第一元素的第一目标峰和第二元素的第二目标峰进行分峰拟合，获取拟合元素分布谱图。
其中，第一元素为钨，第二元素为硅。
具体地，如图3b所示的横坐标为各元素谱图的能量(单位为KeV)，而纵坐标为X射线信号强度(cps)。由图3b的元素谱图可知，获取的检测区的元素谱图包括多种元素以及对应元素位于不同能量范围的X射线峰，比如钨元素、氧元素、硅元素和铝元素等。对照如图3a所示的检测区的EDX Mapping图像可知，在图3b的元素谱图中的钨元素来自于栅极层的钨元素，硅元素来自于绝缘层的氧化硅中的硅，而铝元素来自于栅极层外侧的高K氧化物介质氧化铝(Al2O3)，因此，元素谱图中的氧元素来自于栅极层外侧的氧化铝和氧化硅。
其中，检测区包括至少一层栅极层。
具体地，当对包括交替堆叠的栅极层和绝缘层进行能谱分析时，为了获取一层完整的栅极层中气孔的情况，检测区应当包括至少一层栅极层，以获取包括一层栅极层的检测区所对应的元素谱图。
其中，第一元素为目标元素，第二元素为参考元素。
具体地，由上文可知，一般情况下，在对交替堆叠的栅极层和绝缘层进行能谱分析时，获得的元素谱图中钨元素仅来自于栅极层，而元素谱图中的硅元素来自于绝缘层。与此同时，交替堆叠的栅极层和绝缘层是均匀且等间隔设置的，即每一层的栅极层和绝缘层的厚度和宽度一致，且每次选取的检测区中栅极层和绝缘层区域尺寸是固定的。对应地，当栅极层通过沉积工艺将金属钨完全填实时，钨元素和硅元素的原子数量也是一定的。而当栅极层并不完全填实时，即栅极层中间存在气孔，此时，检测区内钨原子数量多少与气孔的大小有关，气孔越大，钨原子的数量就越少，而绝缘层所占的区域面积所对应的硅原子数量与气孔大小无关，即在包括一层栅极层的固定尺寸的检测区中，检测区的硅元素数量是一定的，而检测区的钨元素的数量会根据气孔的大小变化。因此，钨元素(也就是第一元素)可以作为表征栅极层中气孔大小的目标元素，而硅元素(也就是第二元素)可以作为表征栅极层中气孔大小的参考元素。
其中，第一目标峰包括W M峰，第二目标峰包括SiL峰，第一目标元素对应的第一目标峰的能量和第二目标元素对应的第二目标峰的能量的范围包括1.7-1.9KeV。
具体地，根据如图3b所示的元素谱图无法直接得到钨元素和硅元素所占的原子比例，以供判断栅极层钨气孔的大小，需要对图3b所示的元素谱图进行进一步的数据处理。由图3b可知，钨元素的第一目标峰M峰和硅元素的第二目标峰L峰在接近1.7KeV的区域存在重叠，为了分别获取钨元素和硅元素的元素谱图，需要对元素谱图中的钨元素和硅元素进行分峰拟合。其中，分峰拟合一般包括两步，第一步重峰分离，第二步拟合，分峰拟合可以通过计算机中的数据处理模块自动完成。
具体地，可以通过重峰分解技术进行重峰分离，比如，采用剥谱法，将峰的重叠视为谱线数据线性叠加，从而以多元线性方程实现将重峰分离；或者采用谱函数拟合法，将每一重叠谱线用一高斯函数拟合，从而实现重叠谱线分解；或者利用神经网络的方法实现重叠谱线分解。随后，再对分离的峰进行拟合，获取钨元素和硅元素拟合元素分布谱图。
S 104步骤：根据拟合元素分布谱图获得第一元素的原子比例和/或第二元素的原子比例，以供判断第一元素的气孔大小。
具体地，可以根据拟合元素分布谱图获得第一元素的原子和/或第二元素的原子比例，以供判断第一元素的气孔大小。如图3c所示，为本发明一个实施例中获取的两个不同的检测区所对应的W和Si的元素分布谱图，图3c的横坐标为各元素谱图的能量(单位为KeV)，而纵坐标为X射线信号强度(cps)。图3c所示为两个检测区域多对应拟合元素分布谱图。其中，左侧灰色区域是Si的L峰谱图，右侧的黑色区域是W的M峰谱图。根据拟合结果，钨元素和硅元素的原子比例可以反映栅极层钨气孔大小的情况，硅元素所占的比例越大，表明栅极层中的气孔越大。将图3c中左侧附图与右侧附图进行对比可知，图3c左图的钨元素所占的原子比例高于右图的钨元素所占的原子比例，图3c左图的硅元素所占的原子比例低于右图的硅元素所占的原子比例，对应地，图3c左图对应的检测区的钨气孔尺寸小于右图对应的检测区的气孔尺寸。
具体地，如图4所示，为本发明和现有技术的两种方法获得的数据对比图，其中，带有空心圆点的黑色曲线是通过采用自动量测软件量测获取的气孔尺寸，该曲线的横坐标是栅极层的层数，纵坐标是栅极层气孔的尺寸。其中，带有实心圆点的灰色曲线是通过本申请实施例获得的数据，该曲线的横坐标是栅极层的层数，纵坐标是硅元素的原子比例。由上文可知，栅极层中气孔的尺寸越大，钨元素的原子比例越小，对应地，硅元素的原子比例越大，即硅元素的原子比例与栅极层气孔的尺寸大小正相关。如图4所示，将两种曲线堆叠在一起后，采用现有技术方法获得的气孔的尺寸变化趋势与采用本申请实施例通过能谱分析和分峰拟合获得的硅元素的原子比例的变化趋势大致相同，即可说明本申请实施例提供的方法能准确且快速地表征气孔大小的情况。
具体地，本申请实施例借助EDX定量方法，通过分析交替堆叠的栅极层和绝缘层中钨元素和硅元素的原子比例的大小来得到栅极层钨气孔大小的信息。相对于现有技术的方法，节省了在获取STEM图像之后进行自动软件量测的时间，以及后续的人工剔除错误数据的时间，避免了量测过程中可能出现的边界识别错误的问题，通过该方法能准确且快速地获取栅极层中气孔大小的信息，以提高测试的准确率和效率。
其中，半导体结构包括栅极结构和位于栅极结构两侧的堆叠结构，其中，栅极结构的材料包括第一元素，堆叠结构的材料包括第二元素。
具体地，半导体结构可以包括交替堆叠的栅极层和绝缘层，可以通过对选取的检测区的栅极层和绝缘层进行能谱分析和分峰拟合，获取栅极层中气孔的大小情况，此外，半导体器件也可以包括其它结构，比如，半导体器件包括栅极结构和位于栅极结构两侧的堆叠结构。一般情况下，栅极结构的材料为钨(也就是第一元素)，而两侧的堆叠结构的材料中包含有氧化硅的膜层，即堆叠结构的材料中包含硅(也就是第二元素)。由上文可知，钨元素可以作为表征气孔大小的目标元素，而硅元素可以作为表征气孔大小的参考元素，因此，可以通过上述能谱分析和分峰拟合的方法，以表征检测区中不同栅极层气孔的大小。通过借助EDX定量方法，获取包括栅极结构和堆叠结构中钨元素和硅元素的原子比例的大小来得到栅极结构气孔大小的信息，相对于现有技术的方法，节省了在获取STEM图像之后进行自动软件量测的时间，以及后续的人工剔除错误数据的时间，避免了量测过程中可能出现的边界识别错误的问题，通过该方法能准确且快速地获取栅极结构中气孔的情况，以提高测试的准确率和效率。
其中，半导体结构包括绝缘层和位于绝缘层中的导电柱，其中，导电柱的材料包括第一元素，绝缘层的材料包括第二元素。
具体地，半导体结构可以包括绝缘层和位于绝缘层中的导电柱，其中，导电柱用于实现位于导电柱下方的元件与位于导电柱上方的元件的电连接，导电柱(contact，CT)是在接触孔中填充金属钨形成，绝缘层用于将同层的多个导电柱隔开，一般情况下，导电柱的材料是钨元素(也就是第一元素)，而绝缘层的材料可以是氧化硅，即绝缘层的材料包括硅元素(也就是第二元素)。由上文可知，钨元素可以作为表征气孔大小的目标元素，而硅元素可以作为表征气孔大小的参考元素，因此，也可以通过上述能谱分析和分峰拟合的方法，以表征导电柱中气孔的大小。
其中，检测区包括至少一个导电柱。
具体地，一般情况下，在半导体结构中形成有多个导电柱，为了获取一个完整的导电柱中气孔的情况，检测区应当包括至少一个导电柱，以获得包括一个导电柱的检测区所对应的元素谱图，随后，对获取的元素谱图通过借助EDX定量方法后分峰拟合的方法，获取包括导电柱和绝缘层的半导体结构中钨元素和硅元素的原子比例的大小来分析导电柱中气孔的尺寸，相对于现有技术的方法，节省了在获取STEM图像之后进行自动软件量测的时间，以及后续的人工剔除错误数据的时间，避免了量测过程中可能出现的边界识别错误的问题，通过该方法能准确且快速地获取导电柱中气孔的情况，以提高测试的准确率和效率。
区别于现有技术，本实施例中的半导体器件的量测方法，包括：获取作为待测物件的半导体器件的图像，半导体器件包括衬底和位于衬底上的半导体结构；在图像上选取检测区，并对检测区利用能谱仪进行能谱分析，获取检测区的元素谱图；将元素谱图中的第一元素的第一目标峰和第二元素的第二目标峰进行分峰拟合，获取拟合元素分布谱图；根据拟合元素分布谱图获得第一元素的原子比例和/或第二元素的原子比例，以供判断第一元素的气孔大小。通过该方法能准确且快速地获取半导体结构中气孔大小的信息，以提高测试的准确率和效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体器件的量测方法，其特征在于，包括：
获取作为待测物件的半导体器件的图像，所述半导体器件包括衬底和位于所述衬底上的半导体结构；
在所述图像上选取检测区，并对所述检测区利用能谱仪进行能谱分析，获取所述检测区的元素谱图；
将所述元素谱图中的第一元素的第一目标峰和第二元素的第二目标峰进行分峰拟合，获取拟合元素分布谱图；
根据所述拟合元素分布谱图获得所述第一元素的原子比例和/或所述第二元素的原子比例，以供判断所述第一元素的气孔大小。
2.如权利要求1所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述半导体结构包括沿垂直于所述衬底的主表面的第一纵向交替堆叠的栅极层和绝缘层，其中，所述栅极层的材料包括所述第一元素，所述绝缘层的材料包括所述第二元素。
3.如权利要求2所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述检测区包括至少一层所述栅极层。
4.如权利要求1所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述半导体结构包括栅极结构和位于所述栅极结构两侧的堆叠结构，其中，所述栅极结构的材料包括所述第一元素，所述堆叠结构的材料包括所述第二元素。
5.如权利要求1所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述半导体结构包括绝缘层和位于所述绝缘层中的导电柱，其中，所述导电柱的材料包括所述第一元素，所述绝缘层的材料包括所述第二元素。
6.如权利要求5所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述检测区包括至少一个所述导电柱。
7.如权利要求1所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述第一元素为目标元素，所述第二元素为参考元素。
8.如权利要求1、2、4或5所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述第一元素为钨，所述第二元素为硅。
9.如权利要求8所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述第一目标峰包括M峰，所述第二目标峰包括L峰，第一目标元素对应的第一目标峰的能量和第二目标元素对应的第二目标峰的能量的范围包括1.7-1.9KeV。
10.如权利要求1所述的半导体器件的量测方法，其特征在于，所述图像包括扫描透射电子显微图像。
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