用于表征膜层的非破坏性的方法技术

本发明专利技术提供了一种用于表征膜层的非破坏性的方法，提供使用比较过程（例如，匹配过程）比较元素和／或化学物质的被测峰值形态（例如，先前所测量的在某一被监测的特定程序下硅的峰值形态）和采集的光谱数据（例如，使用非线性最小二乘拟合算法）用于膜层的表征。进一步地，本发明专利技术使用采集的光谱数据提供膜层（例如，氮氧化硅膜厚度的测定）的表征。例如，已获得的光谱可以是累积合成的并且该合成光谱的几何特征可用于确定成分的浓度信息。薄膜的厚度测量可以基于上述的成分浓度信息被提供。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及固体样品的表征(characterizatoin)，例如，薄膜。更特别的， 本专利技术适用于使用非破坏性的技术来表征这样的样品。
技术介绍
样品的描述或分析(例如，薄膜的厚度，在基底上形成的薄膜中元素和 /或化学物质的浓度)在许多不同类型设备(例如，电子和光电子设备)的生 产中是必须的。例如，确定在已知的半导体集成电路设备诸如处理设备和存 储设备上形成的薄电介质膜(例如，栅极氧化膜(gate oxide films),氮化钽 膜等)的成分可能是必须的。增加集成电路芯片上这类设备的密度以及减小 设备尺寸要求生产过程以及与用于制造此类设备的材料相关的表征技术的 进步。例如，半导体器件制作的最近的发展可以使用浅植入(shallow implant) 和/或其他超薄结构。在一个特定的实例中，栅极氧化膜已经变成非常薄的薄 膜，典型地厚度范围大概为1到IO纳米。这样的薄膜是难以表征的。这样 的结构将要求表征技术具有超过传统表征技术的更高的灵敏度。进一步地，这样的技术可以也要求该表征以足够的速度来完成。例如， 当这样的表征技术被用于监视制造工具或过程时，例如，度量基底上各种膜 层的晶圆级(wafe level)的制作，表征必须以适当的处理速度完成。进一步地，在生产过程的监视中，优选地，期望该表征以非破坏性的方式被实现， 例如，使用非侵入的过程。除了非侵入地并以足够的速度来实现这样的过程监视薄膜表征，必须能 够在一个一致性的基础上有精度的实现此表征技术。换句话说，使用该表征 过程所做的测量或确定的参数必须可重复地具有适当的测量精度(例如，相 对标准偏差，RSD)。用这样的方法，过程漂移，例如，典型地导致生产的 产品不能被接受的没有按意图实现的过程，能够被检测到。已经有多种技术用于材料的表征，例如，提供厚度测量和/或确定在这种材料中微量(trace)和/或主要成分的浓度。例如，这样方法中有几种包括了 椭圆对称法，透射电子显微法(TEM),扫描透射电子显微法(STEM)，次 级离子质谱法(SIMS)， X射线光电光谱法(XPS)(也被称为用于化学分析 的电子光谱法(ESCA)),俄歇电子光谱法(AES)，以及其他电子束方法。 这些技术中有许多是对材料的近表面区域敏感的。进一步地，这些技术 中有许多也允许材料特征的测量是通过表面之下的深度断面成形(depth profiling)的深度函数。在典型的深度断面成形中，例如，连续或周期性的 离子束溅射从样品的表面去除材料以逐渐暴露样品的一个或多个不同深度 的较深的材料用于进一步的测量和/或分析。众所周知，溅射率(sputterrate) 可用于确定表面测量完成在哪一个深度上。这样，作为表面下深度函数的样 品的表征被获得。然而，在过程监测中，这样的深度断面成形技术在很多情 况下是不合适的。例如，深度断面成形是侵入的和破坏性的过程，并且进一 步地，这样的过程一般要花费相对长周期时间来完成，例如，与只进行表面 测量相比。进一步地，即使这些技术不是以破坏性深度断面成形的方式使用，考虑 到多类样品的表征它们在许多其他方面是明显不适当的。这是一个特别地关 于薄膜表征的情况，例如，栅极氧化薄膜。在光学上基于椭圆对称法已经成为监测二氧化硅栅极膜的标准方法。然，例如从Si02到Si0凡，已经对光学测量工具的有效 性造成主要的影响。当氮被加入膜层中折射率改变。因为氮的含量随深度改 变，膜层的折射率是变化的，使得使用标准的光学方法监测SiON膜层很困难。另外，更薄的膜层趋势(例如，18埃，12埃，8埃……)正在挑战光学方法的基本界限。这两种影响的组合已经降低了使用这些技术对于厚度的测 量精度，致使它们对于监测厚度和成分无效。当前，例如，光学技术对于薄的(例如，小于20埃)无氮氧化膜(例如，Si02)达到的精度是0.4XRSD， 对于含氮氧化膜(例如，SiON)精度是1.5-10%RSD。结合了电子能量损失谱分析法(EELS)测量的TEM或STEM也能够提 供厚度和一些成分信息。然而，存在许多问题使得在生产监测中使用TEM 是不实用的。例如，厚度测量的精度典型地大于2埃并且所需设备的成本通 常地是非常高的。进一步地，完成这些测量所需要的时间很长(例如，每次 测量四个小时)并且通常需要非常熟练的专家来准备样品和完成测量。进一步地，例如，SIMS，具有很小的取样深度，由于该技术的极端的 表面灵敏度(例如，单原子层灵敏度和百万分之一到十亿分之一的探测极限) 被常规地用于在薄膜中(例如，小于IO纳米的薄膜)量化低水平的掺杂物 和杂质。然而，用于SIMS量化的灵敏度因子由基体(matrix)决定且精确 的量化需要使用经校准的参考样品。例如，当掺杂物的浓度超过1%，它变 成基体的一个重要组成部分，进一步复杂化了量化任务。为了通过SIMS监测氮氧化硅栅极膜，要求定期(例如，至少每天)使用通过外部直接测量技 术诸如XPS确定的厚度和氮剂量来分析参考氮氧化硅膜。进一步地，AES也被用于薄膜表征。然而，用于进行俄歇测量的高强度 电子束能够通过产生化学损害(例如，能够损害SiOj莫)或者导致元素在薄 膜内的迁移从而改变薄膜的主要成分。例如，关于电子束影响下膜层中氮的 可能的流动性(例如，已知氮会迁移到在硅上提供的氧氮化堆(ONO)的界 面上)。XPS，或是ESCA，以前己经被用于表征薄膜(例如，小于5纳米的超 薄膜)诸如具有5XRSD测量精度的在计算机硬盘上的润滑涂附层。进一步 地，经由XPS使用标准操作对其他类型膜层诸如SiON的表征，已经达到0. 5 %到1.0%的测量精度。例如，这些标准操作包括在相对低的分析仪角度(analyzer angle)下的数据采集，这样使得深度分辨率提高。所述低的分 析仪角度通常小于20度。使用所述低的分析仪角度一般导致较慢的表征过 程，并且也可以导致与被分析的样品相关的表征系统的分析仪的放置相关联 的问题。然而进一步地，对XPS所采集到的数据进行运算的现有数据简化(data reduction)方法使用用于背景消除和峰值匹配的软件工具，所述软 件工具要求频繁地算子输入使得结果算子具有相关性且精度较低。一般地，上述用于表征薄膜的许多技术都是侵入性的技术，例如，它们 包括样品的至少一部分或更多部分的破坏。所述技术，例如，那些在深度断 面成形中使用材料去除的技术，在很多情况下是能够胜任的，例如，研发、 产品测试，等等，但是不能提供诸如在生产过程中所需的快速分析薄膜的能 力。例如，在所述生产过程中，形成的薄膜通常需要被分析以使得这些信息 能够被用于生产控制、产品测试等等，而没有由于这些薄膜的侵入性的表征 带来的产品损失。掺杂氮或是氮氧化硅是一种用于晶体管结构的栅极氧化物的材料。这样 的栅极结构仅仅是与正在发展中的需要在空前的复杂水平上表征的材料结 构相关的不断增多的半导体之一。这样的挑战并不是只局限于对近原子和单 分子层空间分辨率的期望，而是被半导体制造工业所需的精确性、精度和速 度的水平所扩大。存在明显的需求来发展适当的表征方法和系统。在所述水平上表征材料 的能力是使产品发展所必需的并且也必须领先过程控制的进步。例如，存在 以提供诸如晶体管栅极氧化物的薄氮氧化硅膜的参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于表征膜层的方法，该方法包括：　　　　提供代表膜层的至少一种成分浓度的至少一个被测光谱峰形，其中该膜层通过一系列过程条件定义的特定过程形成在基底上，并且其中所述提供至少一个被测光谱峰形包括：　　　　提供代表膜层中至少一种成分浓度的被测光谱峰形；以及　　　　提供代表基底的至少一部分中的至少一种成分浓度的至少另一个被测光谱峰形；　　　　提供用于待表征的附加膜层的已获得的光谱，其中该附加膜层通过由一系列过程条件定义的特定过程形成在基底上；　　　　将所述至少一个被测光谱峰形与已获得的光谱进行比较；以及　　　　基于所述比较为待表征膜层确定至少一个厚度测量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PE拉森，DG沃森，JF莫尔德，
申请(专利权)人：瑞沃瑞公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]