专利名称：检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造，尤其涉及检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法。
背景技术：
20世纪80年代以来，CMOS集成电路的快速发展大大促进了硅基微电子工业的发 展，使其在市场的份额越来越大。而CMOS集成电路的快速发展又是得益于其电路基本单 元——场效应管尺寸的缩小。场效应管尺寸缩小的关键因素就是作为栅介质层的二氧化硅 (SiO2)膜厚的减小。二氧化硅的作用是隔离栅极和沟道。但是随着器件尺寸的不断缩小， 二氧化硅的厚度被要求减到2nm以下，随之产生的主要问题是漏电流的增加。随着二氧化 硅膜厚的减小，漏电流就会增加。为了减小漏电流，最直观的方法就是增加栅介质层的厚 度，但是为了保持介质层的电容不变，新的栅介质层的介电常数必须比二氧化硅要大，而且 介质层的介电常数越大，膜的厚度就可以越大，从而可以更好地减小漏电流。掺氮的二氧化 硅材料因为具有高介电常数，热和电学稳定性高，与硅的界面质量好等优点被广泛应用于 栅介质层。掺氮的二氧化硅薄膜的含氮量直接影响到材料的介电常数等性能，因此掺氮的二 氧化硅薄膜的氮含量的监控十分重要。目前的薄膜元素分析普遍采用X光电子能谱(XPS)， 俄歇电子能谱(AEQ等方法，这些方法的分析精度较高，但是对样品制备要求较高，分析速 率较慢，设备较昂贵。目前尚未见到关于实时原位(in situ)测量掺氮的二氧化硅薄膜的 含氮量的方法的报道。因为需要一种低成本的、能够快速且实时测量掺氮的二氧化硅薄膜的含氮量的方 法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法。根据本发明的一个实施例，提供了一种检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法，包括 以下步骤a.热氧化所述掺氮氧化硅薄膜；b.测量所述掺氮氧化硅薄膜经过所述步骤a后的薄膜厚度；以及c.将所述步骤b测量的薄膜厚度换算为所述掺氮氧化硅薄膜的含氮量。氧化硅薄膜在高温热退火后会被再氧化，即氧化硅薄膜的厚度随氧化温度的升高 和氧化时间的增长而增加。相比之下，未掺氮的氧化硅薄膜的再氧化速率明显高于掺氮的 氧化硅薄膜的再氧化速率。导致这种现象的原因是氧原子在未掺氮的氧化硅薄膜中的扩散 系数(diffusion coefficient)高于在掺氮的氧化硅薄膜中的扩散系数。本发明的发明人 发现，随着掺氮氧化硅薄膜的含氮量的增加，薄膜再氧化的速率相应的降低，并且薄膜含氮 量和薄膜再氧化速率之间存在确定的函数关系。
基于此，通过对掺氮氧化硅薄膜进行热氧化，测量热氧化后的薄膜厚度，将测量的热氧化后的薄膜厚度换算为掺氮氧化硅薄膜的含氮量，即可实现对掺氮氧化硅薄膜的含氮 量的监控。可选的，所述热氧化可以采用干氧氧化和/或湿氧氧化方式实现。可选的，所述热氧化可以在快速退火炉或管式退火炉中进行。根据本发明的一个具体实施例，所述热氧化采用原位热氧化方式实现，所述测量 采用实时测量方式实现。通过对掺氮氧化硅薄膜原位热氧化并实时测量热氧化的掺氮氧化硅薄膜厚度，经 过换算，即可得知掺氮氧化硅薄膜的含氮量。因此，采用本发明的方法可以实现对掺氮氧化 硅薄膜的含氮量的实时原位测量。可选的，所述实时测量方式采用椭偏膜厚测量仪实现。椭偏膜厚测量仪对测试环境和测试样品要求不高。因此，采用本发明的方法，不需 要切割硅片和进行复杂的样品制备，不需要将样品从氧化硅薄膜沉积设备中取出，并且椭 偏膜厚测量仪的成本低、测量速度快，因此采用本发明的方法可以实现低成本的、快速且实 时测量掺氮的二氧化硅薄膜的含氮量。
通过阅读以下结合附图对非限定性实施例的描述，本发明的其它目的、特征和优 点将变得更为明显和突出。图1示出了根据本发明的一个实施例的检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法流程 图。图2示出了根据本发明的一个具体实施例的掺氮氧化硅薄膜经过热氧化后的氧 化硅薄膜厚度随薄膜含氮量的变化曲线。图3示出了根据本发明的一个具体实施例的检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法 流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细描述。图1示出了根据本发明的一个实施例的检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法流程 图。如图1所示，该方法包括以下步骤首先，在步骤Sll中，热氧化所述掺氮氧化硅薄膜；然后，在步骤S13中，测量所述掺氮氧化硅薄膜经过热氧化后的薄膜厚度；最后，在步骤S15中，将步骤S13中测量的薄膜厚度换算为所述掺氮氧化硅薄膜的 含氮量。氧化硅薄膜在高温热退火后会被再氧化，即氧化硅薄膜的厚度随氧化温度的升高 和氧化时间的增长而增加。相比之下，未掺氮的氧化硅薄膜的再氧化速率明显高于掺氮的 氧化硅薄膜的再氧化速率。导致这种现象的原因是氧原子在未掺氮的氧化硅薄膜中的扩 散系数(diffusion coefficient)高于在掺氮的氧化硅薄膜中的扩散系数。本发明的发 明人认为氧在掺氮的氧化硅薄膜中的扩散系数的降低可能是因为雪犁效应(snow plough effect)引起的。本发明的发明人发现，随着掺氮氧化硅薄膜的含氮量的增加，薄膜再氧化的速率相应的降低，并且薄膜含氮量和薄膜再氧化速率之间存在确定的函数关系。掺氮氧 化硅薄膜经过热氧化之后的薄膜厚度随薄膜含氮量的变化曲线将在图2中示出。基于此，通过对掺氮氧化硅薄膜进行热氧化，测量热氧化后的薄膜厚度，将测量的 热氧化后的薄膜厚度换算为掺氮氧化硅薄膜的含氮量，即可实现对掺氮氧化硅薄膜的含氮 量的监控。图2示出了根据本发明的一个具体实施例的掺氮氧化硅薄膜经过1100°C、60S纯氧气氛下热氧化后的氧化硅薄膜厚度随薄膜含氮量的变化曲线。如图2所示，掺氮氧化硅薄膜经过热氧化后的薄膜厚度随着薄膜含氮量的增加而 降低。实线所示为实际测量值，虚线所示为对实际测量值进行多项式拟合得到的曲线，用y 表示掺氮氧化硅薄膜热氧化后的薄膜厚度，单位为人,用χ表示掺氮氧化硅薄膜的氮百分含 量，已知热氧化前掺氮氧化硅薄膜的初始厚度为100人，拟合得到的y和χ的函数关系为y = 1. 4528χ2-29· 021x+101. 6因此，掺氮氧化硅薄膜在1100 °C的平均氧化速率为 (1. 4528x2-29. 021X+101. 6) /60 A /S同样实验条件下，未掺氮的氧化硅薄膜的初始厚度和经过热氧化后的薄膜厚度如 表1所示。掺氮的氧化硅薄膜的含氮量，初始厚度和经过热氧化后的薄膜厚度如表2所示。表1未掺氮的氧化硅薄膜的初始厚度和经过热氧化后的薄膜厚度薄膜初始厚度(A)经过热氧化后的薄膜厚度(A)099.7621399.7971499.6381599.804
表2掺氮的氧化硅薄膜的含氮量，初始厚度和经过热氧化后的薄膜厚度薄膜的含氮 量(％)薄膜初始厚度 (A)经过热氧化后的薄膜厚度(A)013.84699.6381.113.63779.6461.211.71469.9491.614.03153.254 对比表1、表2发现，未掺氮的氧化硅薄膜的初始厚度在15人范围内的变化对经过 热氧化后的薄膜厚度的影响不明显，最终得到的氧化硅厚度均约为100人。因此排除了表2中薄膜初始厚度的差异对经热氧化后的薄膜厚度的影响，即掺氮的氧化硅薄膜经过热氧化 后的薄膜厚度主要受薄膜的含氮量影响。如表2所示，随着薄膜的含氮量的增加，薄膜经过 热氧化后的薄膜厚度降低，并符合y = 1.45^χ2-29.021χ+101.6的函数关系。因此，通过 监控掺氮的氧化硅薄膜经过热氧化后的薄膜厚度即可得知薄膜的含氮量。需要说明的是，图2仅以掺氮氧化硅薄膜经过1100°C、60S纯氧气氛下热氧化为 例，示出了热氧化后的氧化硅薄膜厚度随薄膜含氮量的变化曲线(如实线所示)和拟合曲 线(如虚线所示)，本领域的普通技术人员可以理解，对于任何热氧化条件，都可以通过有 限次数实验获得热氧化后的氧化硅薄膜厚度随薄膜含氮量的变化曲线和拟合曲线。可选的，所述热氧化可以采用干氧氧化和/或湿氧氧化。可选的，所述热氧化可以在快速退火炉或管式退火炉中进行。图3示出了根据本发明的一个具体实施例的检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法 流程图。如图3所示，该方法包括以下步骤首先，在步骤S31中，原位热氧化所述掺氮氧化硅薄膜，例如，薄膜沉积腔同时配 备准分子激光器，沉积掺氮氧化硅薄膜之后，采用激光照射局部区域升温至1000°C左右，使 局部区域发生热氧化；然后，在步骤S33中，实时测量所述掺氮氧化硅薄膜经过热氧化后的薄膜厚度，例 如，薄膜沉积腔同时配备测厚仪，实时测量掺氮氧化硅薄膜在热氧化过程中的厚度变化；最后，在步骤S35中，将步骤S33中测量的薄膜厚度换算为所述掺氮氧化硅薄膜的 含氮量，所述换算过程可以是实时的，通过一个计算机实现，按照设定的频率对掺氮氧化硅 薄膜在热氧化过程中的厚度进行采样，并换算成薄膜的含氮量。通过对掺氮氧化硅薄膜原位热氧化并实时测量热氧化的掺氮氧化硅薄膜厚度，经 过换算，即可得知掺氮氧化硅薄膜的含氮量。因此，采用本发明的检测掺氮氧化硅薄膜含氮 量的方法可以实现对掺氮氧化硅薄膜的含氮量的实时原位测量。可选的，所述实时测量采用椭偏膜厚测量仪。椭偏膜厚测量仪对测试环境和测试样品要求不高。因此，采用本发明的检测掺氮 氧化硅薄膜含氮量的方法，不需要切割硅片和进行复杂的样品制备，不需要将样品从氧化 硅薄膜沉积设备中取出，可以实现对薄膜的实时原位测量。尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本发明，应认为该阐明和描述是说 明性的和示例性的，而不是限制性的；本发明不限于上述实施方式。那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附 的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不 排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在本发明的实际应用中，一个零件 可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解 为对范围的限制。
权利要求
1.一种检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤a.热氧化所述掺氮氧化硅薄膜；b.测量所述掺氮氧化硅薄膜经过所述步骤a后的薄膜厚度；以及c.将所述步骤b测量的薄膜厚度换算为所述掺氮氧化硅薄膜的含氮量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a通过湿氧氧化和/或干氧氧化 实现。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a采用快速退火炉或管式退火炉 实现。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热氧化采用原位热氧化方式实现，所 述测量采用实时测量方式实现。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实时测量方式采用椭偏膜厚测量仪 实现。
全文摘要
根据本发明的一个实施例，提供了一种检测掺氮氧化硅薄膜含氮量的方法，包括以下步骤a.热氧化所述掺氮氧化硅薄膜；b.测量所述掺氮氧化硅薄膜经过所述步骤a后的薄膜厚度；以及c.将所述步骤b测量的薄膜厚度换算为所述掺氮氧化硅薄膜的含氮量。通过对掺氮氧化硅薄膜进行热氧化，测量热氧化后的薄膜厚度，以及将测量的热氧化后的薄膜厚度换算为掺氮氧化硅薄膜的含氮量，即可实现对掺氮氧化硅薄膜的含氮量的监控。
文档编号H01L21/66GK102044459SQ200910197218
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者刘勇, 王灵玲, 郭佳衢 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司