沟道区应变的测量方法

文档序号:8300338阅读:919来源:国知局
沟道区应变的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体工艺领域,尤其是涉及一种沟道区应变的测量方法。
【背景技术】
[0002]随着纳米加工技术的迅速发展,晶体管的特征尺寸已进入纳米级。通过等比例缩小的方法提高当前主流硅CMOS器件的性能受到越来越多物理和工艺的限制。为了使集成电路技术能延续摩尔定律所揭示的发展速度,必须开发与硅工艺兼容的新材料、新结构和新性质。近年来,应变娃(Strained Si)技术由于在提高CMOS器件性能方面的卓越表现而备受关注。例如,通过在沟道中引入适当的压应力和张应力能分别提高PMOS的空穴迁移率和NMOS的电子迁移率。典型的PMOS应变硅器件可通过外延SiGe源漏引入沟道压应力,利用源漏和沟道的晶格常数失配控制应变大小,进而改善空穴迁移率;而对于NMOS应变硅器件则可通过淀积SiN薄膜引入沟道张应力,利用SiN薄膜的高本征应力控制应变大小,进而改善电子迁移率。因此,通过工艺、材料和结构参数的优化设计,研究半导体纳米器件中应力和应变的控制有重要的科学意义和实用价值。
[0003]为防止栅极泄露电流的产生,业已提出具有高K介质层和金属栅极结构(HKMG)的晶体管,在此类晶体管中,沟道区位于金属栅下方,如何测量此类晶体管沟道区应变,是本领域遇到的技术难题。
[0004](超)深亚微米半导体结构中的局域微应力和应变的精确测量通常必须借助复杂的微结构分析和测量手段。沟道区应变作为纳米半导体器件应变分布的一部分,无论是从技术上还是从成本方面考虑,通过实验测量都是非常困难的。一方面,制作该类器件的工艺要求很高,投入不菲,而器件成品也不太可能逐一去进行破坏性测量;另一方面,纳米尺度上的局域微应力和应变测量往往必须借助复杂高超的微结构分析、测量手段。
[0005]一种可运用于沟道区应变测量的技术是聚束电子衍射(Convergent BeamElectron Difract1n, CBED)。聚束电子衍射具有高空间分辨率(空间分辨率高达5nm?1nm)和应变测量精度,目前更广泛地应用于纳米尺寸CMOS器件的应变测量,但是该方法对样品是破坏性的(必须对试样仔细减薄到测量区域呈电子透明,以适合透射电子显微镜分析),而且配备聚束电子衍射功能的透射电子显微镜(TEM)相当昂贵,操作和分析也比较复杂,更不利的是,在透射电子显微镜试样的制备过程中,需要进行减薄,要想保持原始的沟道应变状态不受影响是非常困难的,因此,其最终测量结果的可靠性具有争议。
[0006]另一种可运用于沟道区应变测量的技术是微拉曼散射(Micro-RamanScattering)技术。拉曼散射光反映着物质晶格振动能级的信息,因而能够反映物质元素组分、晶格质量、分子结构等方面的信息。拉曼光谱法测量应变的微观基础是拉曼频移反映了原子间距的变化,也就是反映了应变的信息。然而,现有拉曼散射虽然是非破坏性的,但是其空间分辨率只有0.2 μ m?I μ m,其无法应用于亚微米,特别是超深亚微米器件的应变测量。
[0007]为此,需要一种新的沟道区应变的测量方法,以解决现有方法无法对沟道区应变进行准确测量的问题。

【发明内容】

[0008]本发明解决的问题是,提供一种沟道区应变的测量方法,以对沟道区应变进行准确测量。
[0009]为解决上述问题,本发明提供一种沟道区应变的测量方法,包括:
[0010]提供半导体衬底,所述半导体衬底包括多个器件区域;
[0011]在各器件区域形成同一导电类型的待测晶体管,所述待测晶体管包括位于半导体衬底中的离子注入区和位于相邻两离子注入区之间的沟道区,不同器件区域内待测晶体管的离子注入区结构具有差异;
[0012]采用紫外光光斑对各器件区域依次进行照射,并获取各器件区域内待测晶体管的离子注入区和沟道区返回的总硅硅键拉曼光谱;
[0013]根据不同器件区域内待测晶体管返回的不同总硅硅键拉曼光谱,分离出沟道区的硅硅键拉曼光谱,并获得所述沟道区的应变量。
[0014]可选的,所述沟道区位于硅衬底中,所述离子注入区制作有锗化硅,所述总拉曼光谱为总硅硅键拉曼光谱。
[0015]可选的,所述器件区域包括第一区域、第二区域、第三区域和第四区域,所述待测晶体管为PMOS晶体管,所述离子注入区制作有西格玛形锗化硅,其中:
[0016]位于所述第一区域的所述PMOS晶体管返回第一总硅硅键拉曼光谱,所述离子注入区表面形成有金属硅化物,内部进行了离子注入;
[0017]位于所述第二区域的所述PMOS晶体管返回第二总硅硅键拉曼光谱,所述离子注入区表面未形成金属硅化物,内部进行了离子注入;
[0018]位于所述第三区域的所述PMOS晶体管返回第三总硅硅键拉曼光谱,所述离子注入区表面形成有金属硅化物,内部未进行离子注入;
[0019]位于所述第四区域的所述PMOS晶体管返回第四总硅硅键拉曼光谱,所述离子注入区表面未形成金属硅化物,内部未进行离子注入。
[0020]可选的,所述第一区域、第二区域、第三区域和第四区域的面积范围为5μπι2?50 μ m2,所述紫外光光斑的面积为所述第一区域、第二区域、第三区域或第四区域的30%?80%。
[0021]可选的,所述器件区域包括顺次连接的第五区域、第六区域、第七区域和第八区域,所述待测晶体管为PMOS晶体管,所述离子注入区制作有西格玛形锗化硅,其中:
[0022]位于所述第五区域的所述PMOS晶体管中,所述离子注入区表面形成有金属硅化物,内部进行了离子注入;
[0023]位于所述第六区域的所述PMOS晶体管中,所述离子注入区表面逐渐从形成有金属硅化物过渡至未形成金属硅化物,内部进行了离子注入;
[0024]位于所述第七区域的所述PMOS晶体管中,所述离子注入区表面形成有金属硅化物,内部逐渐从进行了离子注入过渡至未进行离子注入;
[0025]位于所述第八区域的所述PMOS晶体管中,所述离子注入区表面未形成金属硅化物,内部未进行离子注入;
[0026]采用紫外光光斑照射所述待测晶体管时,所述紫外光光斑按顺序或者逆序对所述第五区域、第六区域、第七区域和第八区域依次进行扫描照射,返回的一系列不同的总硅硅键拉曼光谱。
[0027]可选的,通过控制用于离子注入的掩模和形成金属硅化物的掩模,形成位于所述第五区域、第六区域、第七区域和第八区域中的PMOS晶体管。
[0028]可选的,所述第五区域、第六区域、第七区域和第八区域的面积范围为5μπι2?50 μ m2,所述紫外光光斑的面积为所述第五区域、第六区域、第七区域或第八区域的30%?80%,所述沟道区宽度大于或者等于所述紫外光光斑的宽度。
[0029]可选的,所述紫外光光斑中紫外光波长范围为350nm?400nm。
[0030]可选的,所述待测晶体管的沟道区上方为沟槽,所述沟槽的底部具有位于所述沟道区上方的栅氧化层和高K介质层中的至少一层,所述紫外光斑通过所述沟槽到达所述沟道区。
[0031]可选的,所述沟槽的侧壁具有偏移间隙壁和侧墙,所述待测晶体管还包括应力掩模层,所述应力掩模层位于所述离子注入区和所述介质层之间以及所述侧墙和所述介质层之间。
[0032]可选的,所述金属硅化物为镍的金属硅化物,所述金属硅化物的厚度范围为Inm?15nm,所述离子注入区内部注入的离子包括磷离子、砷离子、硼离子和镓离子中的一种或者多种,所述离子的浓度范围为117CnT3?102°cm_3。
[0033]与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
[0034]本发明的技术方案中,首先提供待测量的晶体管,所述晶体管处于制作过程中,其未形成金属栅极,此时采用紫外光光斑照射所述晶体管,返回晶体管中由沟道区和离子注入区共同返回的总拉曼光谱,根据不同晶体管返回的不同总拉曼光谱,分离出沟道区返回的拉曼光谱,再将沟道区返回的拉曼光谱与应变为零的沟道区返回的拉曼光谱进行比较和分析,获得沟道区应变,所述方法测量得到的沟道区应变真实准确,并且整个方法简便可行,节省成本,对晶体管没有损坏作用,光谱范围大,频移不受光源频率限制,适用范围广。
【附图说明】
[0035]图1为本发明实施例一第一区域中的PMOS晶体管示意图;
[0036]图2为本发明实施例一第二区域中的PMOS晶体管示意图;
[0037]图3为本发明实施例一第三区域中的PMOS晶体管示意图;
[0038]图4为本发明实施例一第四区域中的PMOS晶体管示意图;
[0039]图5为本发明实施例一第一区域、第二区域、第三区域和第四区域在金属硅化物制作过程中和离子注入过程中所使用的掩模示意图;
[0040]图6为本发明实施例一第一区域、第二区域、第三区域和第四区域中PMOS晶体管俯视不意图;
[0041]图7为本发明实施例一第一区域、第二区域、第三区域和第四区域中返回的总硅硅键拉曼光谱示意图;
[0042]图8为本发明实施例二第五区域中的PMOS晶体管示意图;
[0043]图9为本发明实施例二第六区域中的PMOS晶体管示意图;
[0044]图10为本发明实施例二第七区域中的PMOS晶体管示意图;
[0045]图11为本发明实施例二第八区域中的PMOS晶体管示意图;
[0046]图12为本发明实施例二第五区域、第六区域、第七区域和第八区域在金属硅化物制作过程中和离子注入过程中所使用的掩模示意图;
[0047]图13为本发明实施例二第五区域、第六区域、第七区域和第八区域在金属硅化物制作过程中和离子注入过程中的示意图。
【具体实施方式】
[0048]微拉曼散射技术又分静态微拉曼散射(Static Micro-Raman Scattering)技术和扫描微拉曼散射技术(Scanning Micro-Raman Scattering)。静态微拉曼散射技术所使用的光斑面积不能小于I μ m2,因此静态拉曼散射技术无法直接用于沟道区应变的测量。理论上,扫描微拉曼散射技术可通过不同扫描时刻返回的扫描差分信号达到较高的空间分辨率,但事实上,对于亚微米,特别是超深亚微米器件而言,相应的扫描差分信号太弱,同样无法测出沟道区应变。此外,无论是哪种拉曼散射技术,对于具有高K介质层和金属栅极结构
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