专利名称：掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法。
背景技术：
外延(Epitaxy，Epi)工艺是指在半导体衬底上生长一层与半导体衬底具有相同晶格排列的外延层。根据半导体衬底的材质和外延层的材质不同，外延工艺可以分为同质外延工艺和异质外延工艺。所述同质外延工艺形成的外延层的材质与半导体衬底的材质相同，例如在硅衬底上生长硅外延层，或在砷化镓衬底上生长砷化镓层；所述异质外延工艺形成的外延层的材质与半导体衬底的材质不同，例如在蓝宝石衬底或砷化镓上生长镓铝砷层，在硅衬底上生长的锗硅层或锗碳层。对于异质外延工艺而言，外延层的厚度和外延层中的掺杂杂质的浓度是衡量外延层的质量的重要指标。现有技术采用测试外延层中的杂质的浓度有两种方法一种为直接利用二次级离子质谱仪(Second Ion Mass Spectrometry, SIMS)；另一种为利用椭圆偏振光测试仪(Spectroscopic ElIipsometry，SE)测试外延层中掺杂杂质的杂质浓度。由于所述二次级离子质谱仪需要将半导体衬底的结构破坏，成本较高，因此，现有技术多采用偏振光测试仪来测试外延层中的掺杂杂质浓度。但是，利用现有技术测试的外延层的掺杂杂质的浓度与真实的掺杂杂质的浓度存在偏差，无法获得准确的外延层测试数据。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种掺杂外延层掺杂杂质浓度的监控方法，所述方法提高了掺杂外延层的掺杂杂质浓度监控的准确度。为解决上述问题，本发明提出了一种外延层掺杂杂质浓度的监控方法，包括提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构至少包括掺杂外延层；在所述外延结构上形成保护层；提供不同掺杂杂质浓度的标准外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线，所述标准外延层的厚度与所述掺杂外延层的厚度相同；获得所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线；将所述折射率曲线和吸光率曲线分别与所述折射率标准曲线和吸光率标准曲线比对，与所述折射率曲线和吸光率曲线匹配的折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应的掺杂杂质浓度作为所述掺杂外延层的掺杂杂质的浓度。可选地，所述保护层的材质为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅。可选地，所述保护层的厚度范围为5 50埃。可选地，形成所述保护层和形成所述外延结构的时间间隔不超过7小时。
可选地，所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线利用椭圆偏振仪测试获得， 所述椭圆偏振仪提供不同波长的入射光线，测试所述不同波长的入射光线在所述掺杂外延层内的吸光率和折射率。可选地，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成掺杂外延层，所述掺杂外延层构成所述外延结构。可选地，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成掺杂外延层；在所述掺杂外延层上形成未掺杂外延层，所述掺杂外延层和未掺杂外延层构成所述外延结构。可选地，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成第一未掺杂外延层；在所述第一未掺杂外延层上形成掺杂外延层；在所述掺杂外延层上形成第二未掺杂外延层，所述第二未掺杂外延层、掺杂外延层和所述第一未掺杂外延层共同构成所述外延结构。可选地，所述掺杂外延层的折射率利用椭圆偏振仪测试。可选地，所述半导体衬底的材质为硅，所述掺杂外延层的材质为锗硅。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明在半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构至少包括掺杂外延层，在所述外延结构上形成保护层，在测试所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线时，来自洁净室中的污染物对保护层的折射率曲线和吸光率曲线有影响，即所述保护层保护了掺杂外延层，避免了所述污染物对掺杂外延层的折射率曲线和吸光率的影响，从而获得的所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线更加接近真实的折射率曲线和吸光率曲线，所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线与所述折射率标准曲线和吸光率标准曲线比对，获得的掺杂外延层的掺杂杂质的浓度更加接近真实的掺杂浓度，从而提高了掺杂外延层的掺杂杂质浓度监控的准确度，从而有利于根据所述掺杂浓度对外延层沉积工艺的稳定性进行评估。
图1是现有技术监控外延层的掺杂杂质浓度的半导体结构示意图；图2是所述椭圆偏振光测试仪中的折射率标准曲线示意图；图3是所述椭圆偏振光测试仪中的吸光率标准曲线示意图；图4是本发明的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法流程示意图；图5是本发明的掺杂外延层测试方法获得掺杂外延层的折射率曲线图；图6是本发明的掺杂外延层测试方法获得掺杂外延层的吸光率曲线图。
具体实施例方式利用现有技术测试的外延层的掺杂杂质的浓度与真实的掺杂杂质的浓度存在偏差，无法获得准确的外延层测试数据，影响了外延沉积工艺的正常进行。经过发明人研究发现，造成所述问题的原因是由于用于测试外延层的半导体结构受到来自洁净室污染物的污染，影响了椭圆偏振光测试仪的测试结果。具体地，请参考图1所示的现有技术的监控外延层的掺杂杂质浓度的半导体结构示意图。半导体衬底100上形成有锗硅层101，所述锗硅层101上形成有硅层102。所述锗硅层101为需要监控的外延层，需要对所述锗硅层101中的锗的浓度进行监控。现有技术在所述椭圆偏振光测试仪中预先存储了一系列标准曲线，所述标准曲线为一系列同一厚度、不同掺杂浓度的外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线。其中，每一折射率标准曲线通过测试同一厚度、同一掺杂浓度的标准外延层对不同波长的入射光线的折射率获得，即每一条折射率标准曲线为所述标准外延层的折射率随入射光线的波长变化的曲线。请参考图2所示的现有技术的同一厚度、不同掺杂浓度的标准外延层的折射率标准曲线。所述标准外延层的材质为硅，其中的掺杂杂质为锗。横轴表示入射至外延层的入射光线的波长(单位为纳米)，纵轴表示折射率(单位为1)，曲线1为外延层掺杂浓度为5%的折射率标准曲线，曲线2为外延层掺杂浓度为10%的折射率标准曲线，曲线3为外延层掺杂浓度为15%的折射率标准曲线。每一吸光率标准曲线是通过测试同一厚度、同一掺杂浓度的标准外延层对不同波长的入射光线下的吸光率获得，即每一条吸光率曲线为所述标准外延层的吸光率随入射光线的波长变化的曲线。如图3所示的现有技术同一厚度、不同掺杂浓度的标准外延层的吸光率标准曲线。横轴表示入射至外延层的入射光线的波长(单位为纳米)，纵轴表示吸光率 (单位为1)，曲线1为外延层掺杂浓度为5%的折射率标准曲线，曲线2为外延层掺杂浓度为10%的折射率标准曲线，曲线3为外延层掺杂浓度为15%的折射率标准曲线。对于某一厚度、某一掺杂浓度的标准外延层，其具有折射率标准曲线和吸光率标准曲线。在测量时，将图1所示的半导体结构放置于椭圆偏振光测试仪内，利用所述椭圆偏振光测试仪测试所述锗硅层102的吸光率曲线和折射率曲线。获得图1所示的锗硅层101的吸光率曲线和折射率曲线，将所述吸光率曲线和折射率曲线分别与对应的相同厚度的不同掺杂浓度的折射率标准曲线和吸光率标准曲线比对，如果所述锗硅层101的吸光率曲线和折射率曲线与某一掺杂浓度的折射率标准曲线和吸光率标准曲线匹配(所述匹配是指两条曲线的相似度达到90%以上)，则与该折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应的掺杂浓度即为所述锗硅层的掺杂浓度。由于在入射光线的波长小于300纳米或大于500纳米时，入射光线在锗硅层101内的折射率和吸光率的测试结果容易受到光线波长变化的干扰，从而影响测试结果的准确度。因此为了保证测量结果的准确度，现有技术在比对所述吸光率曲线和折射率曲线时，仅比对其中入射光线的波长为300 500纳米时对应的部分折射率曲线和吸光率曲线。由于所述半导体结构制作完成后，在利用椭圆偏振光测试仪进行测试前，可能需要放置洁净室中一段时间，从而可能受到洁净室中的污染物(例如是水蒸气、有机物、无机物)的污染，结果是在所述硅层102表面可能形成一层污染物薄膜，所述污染物薄膜对下方的外延层(即锗硅层101)测试的折射率和吸光率有较大影响，从而使得所述椭圆偏振光测试仪对所述半导体结构测试时获得的吸光率曲线和折射率曲线偏离该半导体结构的真实的吸光率曲线和折射率曲线，从而利用测试时获得的吸光率曲线和折射率曲线与标准的吸光率曲线和折射率曲线比对获得的外延层即锗硅层101的掺杂杂质的浓度与该锗硅层101的真实的掺杂杂质浓度有偏差，使得外延层掺杂杂质的浓度测试不准确。为了解决上述问题，本发明提出一种掺杂外延层的掺杂杂质浓度监控方法，请参考图4所示的本发明的掺杂外延层的掺杂杂质浓度监控方法流程示意图，所述方法包括步骤Si，提供半导体衬底；步骤S2，在所述半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构至少包括掺杂外延层；步骤S3，在所述外延结构上形成保护层；步骤S4，提供不同掺杂杂质浓度的标准外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线，所述标准外延层的厚度与所述掺杂外延层的厚度相同；获得所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线；步骤S5，将所述折射率曲线和吸光率曲线分别与所述折射率标准曲线和吸光率标准曲线比对，与所述折射率曲线和吸光率曲线匹配的折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应的掺杂杂质浓度作为所述掺杂外延层的掺杂杂质的浓度。下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。首先，提供半导体衬底。所述半导体衬底的材质为硅。在其他的实施例中，所述半导体衬底的材质还可以为锗。然后，在所述半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构至少包括掺杂外延层。作为一个实施例，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成掺杂外延层，所述掺杂外延层构成所述外延结构。所述掺杂外延层的材质为锗硅。需要对所述掺杂外延层即锗硅中的锗的浓度进行测试。作为本发明的又一实施例，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成掺杂外延层；在所述掺杂外延层上形成未掺杂外延层，所述掺杂外延层和未掺杂外延层构成所述外延结构。其中，所述掺杂外延层的材质为锗硅。所述未掺杂外延层的材质为硅，所述未掺杂外延层的厚度范围为5 50纳米。作为本发明的再一实施例，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成第一未掺杂外延层，所述第一未掺杂外延层的材质为外延单晶硅，其厚度范围为5 50纳米；在所述第一未掺杂外延层上形成掺杂外延层；在所述掺杂外延层上形成第二未掺杂外延层，所述第二未掺杂外延层、掺杂外延层和所述第一未掺杂外延层共同构成所述外延结构，所述第二未掺杂外延层的材质为外延单晶硅，其厚度范围为5 50纳米。然后，在所述外延结构上形成保护层。所述保护层的材质为氧化硅、氮化硅、碳化硅或氮氧化硅。由于氮化硅或碳化硅可能会吸收洁净室中的水蒸气，从而可能影响测试结果，因此，在本发明的优选实施例中，所述保护层的材质为氧化硅或氮氧化硅。所述保护层的厚度不宜过大，所述厚度范围为5 50埃。然后，提供不同掺杂杂质浓度的标准外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线，所述标准外延层的厚度与所述掺杂外延层的厚度相同；获得所述掺杂外延层的折射率页
曲线和吸光率曲线。虽然本发明在所述外延结构形成了保护层，但是所述折射率标准曲线和吸光率标准曲线仍然可以用于测试所述外延结构的外延层的折射率，不会影响测试结果的准确性。作为一个实施例，所述标准外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线的测试方法包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有标准外延层，所述标准外延层的厚度与所述掺杂外延层的厚度相同，所述标准外延层的掺杂杂质的浓度在 40%的浓度范围内取值，例如所述掺杂杂质浓度分别为5^^10^^15%,...依次递加5%，直至40%。在实际中，所述掺杂杂质浓度还可以选择 40%内的其他值；针对每一掺杂杂质的浓度的标准外延层，利用椭圆偏振测试仪分别测试不同入射光线下所述标准外延层的反射率和吸光率，获得所述标准外延层的每一掺杂杂质浓度对应的反射率标准曲线和吸光率标准曲线。接着，将所述折射率曲线和吸光率曲线分别与所述折射率标准曲线和吸光率标准曲线比对，与所述折射率曲线和吸光率曲线匹配的折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应的掺杂杂质浓度作为所述掺杂外延层的掺杂杂质的浓度。需要说明的是，本实施中，所述标准外延层的掺杂杂质浓度值在 40%之间递增，在实际中，若工艺要求，需要获得更低(低于1%)或更高(高于40%的掺杂杂质浓度，所述标准外延层的掺杂杂质浓度的范围应进行相应的扩大。本发明所述的与所述折射率曲线和折射率曲线匹配，是指所述某一掺杂杂质浓度的掺杂外延层的折射率标准曲线与所述掺杂外延层的折射率吸光曲线匹配(两条曲线的相似度超过90% )，某一掺杂杂质浓度的掺杂外延层的吸光率标准曲线与所述掺杂外延层的吸光率匹配(两条曲线的相似度超过90%)。需要说明的是，本发明所述的与所述折射率曲线和吸光率曲线匹配的折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应于标准掺杂外延层的同一掺杂浓度。由于所述在外延结构上增加了保护层，来自于洁净室中的污染物对椭圆偏振测试仪的测试结果的影响被转移至保护层，对所述保护层的测试结果产生影响而不会影响对所述掺杂外延层的测试结果，请参考图5所示的本发明的掺杂外延层测试方法获得掺杂外延层的折射率曲线图，其中曲线A为保护层的折射率曲线，曲线B为掺杂外延层的折射率测试曲线，由于保护层A的曲线的折射率峰值与掺杂外延层的折射率峰值对应的入射光线的波长相差较大，因此，对应椭圆偏振测试仪而言，可以将两条曲线区分，从而确定曲线B为掺杂外延层的折射率曲线。来自外部的污染物由于位于所述保护层上，因此，保护层对应的曲线A会受到影响，但是对于曲线B仍然是准确的。请参考图6所示的本发明的掺杂外延层测试方法获得掺杂外延层的吸光率曲线图，其中曲线C为保护层的吸光率曲线，曲线D为掺杂外延层的吸光率测试曲线，由于保护层C的曲线的吸光率峰值与掺杂外延层的吸光率峰值对应的入射光线的波长相差较大，因此，对应椭圆偏振测试仪而言，可以将两条曲线区分，从而确定曲线D为掺杂外延层的吸光率曲线。来自外部的污染物由于位于所述保护层上，因此，保护层对应的曲线C会受到影响，但是对于曲线D仍然是准确的。综上，本发明通过在外延结构上形成保护层，利用保护层消除了来自洁净室的水蒸气、颗粒、有机物和无机物对掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线的影响，获得的掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线更加接近真实的折射率曲线和吸光率曲线，从而消除了测量误差，能够获得更加准确的掺杂外延层的掺杂杂质的浓度。 虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，包括提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构至少包括掺杂外延层；在所述外延结构上形成保护层；提供不同掺杂杂质浓度的标准外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线，所述标准外延层的厚度与所述掺杂外延层的厚度相同；获得所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线；将所述折射率曲线和吸光率曲线分别与所述折射率标准曲线和吸光率标准曲线比对， 与所述折射率曲线和吸光率曲线匹配的折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应的掺杂杂质浓度作为所述掺杂外延层的掺杂杂质的浓度。
2.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述保护层的材质为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅。
3.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述保护层的厚度范围为5 50埃。
4.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，形成所述保护层和形成所述外延结构的时间间隔不超过7小时。
5.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线利用椭圆偏振仪测试仪获得，所述椭圆偏振仪提供不同波长的入射光线，测试所述不同波长的入射光线在所述掺杂外延层内的吸光率和折射率。
6.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成掺杂外延层，所述掺杂外延层构成所述外延结构。
7.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成掺杂外延层；在所述掺杂外延层上形成未掺杂外延层，所述掺杂外延层和未掺杂外延层构成所述外延结构。
8.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述外延结构的制作方法包括在所述半导体衬底上形成第一未掺杂外延层；在所述第一未掺杂外延层上形成掺杂外延层；在所述掺杂外延层上形成第二未掺杂外延层，所述第二未掺杂外延层、掺杂外延层和所述第一未掺杂外延层共同构成所述外延结构。
9.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述掺杂外延层的折射率利用椭圆偏振仪测试。
10.如权利要求1所述的掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，其特征在于，所述半导体衬底的材质为硅，所述掺杂外延层的材质为锗硅。
全文摘要
本发明提出了一种外延层掺杂杂质浓度的监控方法，包括提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构至少包括掺杂外延层；在所述外延结构上形成保护层；提供不同掺杂杂质浓度的标准外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线，所述标准外延层的厚度与所述掺杂外延层的厚度相同；获得所述掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线；将所述折射率曲线和吸光率曲线分别与所述折射率标准曲线和吸光率标准曲线比对，与所述折射率曲线和吸光率曲线匹配的折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应的掺杂杂质浓度作为所述掺杂外延层的掺杂杂质的浓度。本发明提高了外延层沉积工艺的稳定性。
文档编号G01N21/41GK102479730SQ20101056509
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者何有丰, 胡亚兰 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司