测量深沟槽内载流子浓度分布的方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，包括如下步骤：1）在硅外延层或半导体衬底上形成沟槽；2）利用硅外延层填充沟槽；3）平坦化沟槽顶部；4）在沟槽顶部生长预知载流子浓度的多层硅外延层；5）利用SCM（扫描电容显微镜）测量沟槽顶部的各层硅外延层的dC/dV值，并作出dC/dV与载流子浓度的曲线图；6）利用SCM测量沟槽内硅外延层的dC/dV值，并根据步骤5）中的dC/dV与载流子浓度的曲线图求得对应沟槽内硅外延层的载流子浓度。本发明采用SCM的方法，可以方便、快捷、准确的测量深沟槽硅体内的载流子的浓度及其分布。
【专利说明】测量深沟槽内载流子浓度分布的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体集成电路中半导体工艺方法，具体涉及一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法。
【背景技术】
[0002]测量载流子浓度的方法一般有以下几种:四探针法、Hg C-V法(汞探针C-V法)、SRP (扩展电阻探针法)和SMS (二次离子质谱法)。四探针法是通过四个金属探针分别插入到被测材料中，在其中两根探针中通过电流，测另外两根探针之间的电压，根据R=V/I得出材料的电阻值，再根据电阻值推算出材料的载流子浓度；Hg C-V法是根据电容电压原理测材料的载流子浓度，其中Hg探针作为电容的上极板，在Hg探针上加一定电压，被测材料作为下极板，根据电容电压的变化推算出被测材料的载流子浓度；SRP的原理和四探针法类似，只不过其是利用两根探针测定测材料的断面的电阻值，且探针可以移动，SRP测定需要进行样品制备，从而得出样品纵向(断面)的电阻率分布，即可得出纵向(断面)的载流子分布，而四探针发只能测定材料的表面，不能测纵向(断面)的载流子分布；SIMS是利用具有一定能量的粒子轰击待测材料，把材料中各种离子轰击出来，通过收集分析这些被轰击出来的二次离子，可以得出待测材料的载流子浓度分布。
[0003]四探针法只能测量无图形的硅片，且只能测平均值，不能测分布；后面几种方法虽然都能测电阻率分布，也能测图形硅片，但只能测大尺寸的图形硅片，对于100微米尺寸以下的图形，无法测量。
[0004]超级结MOSFET (金属-氧化层_半导体-场效晶体管)中有硅外延的深沟槽结构，即在硅外延层上刻蚀深沟槽，在深沟槽内填充反型的硅外延，深沟槽的宽度一般在几个微米左右，所以深沟槽内载流子浓度的测量比较困难，特别是深沟槽内纵向的载流子浓度的分布，测量更是困难。超级结MOSFET利用电荷平衡原理来提高器件的性能，所以对载流子浓度和其分布要求很高，长期以来，半导体制造企业一直靠经验和间接的方法(如击穿电压)等来预测沟槽内的载流子浓度，但干扰因素多，准确度低，且纵向的浓度分布无法预测。深沟槽硅体内的载流子浓度分布的测量，由于其尺寸的限制，常规测量方法无法实施，如SRP，SIMS 等。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是提供一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，本发明采用SCM (扫描电容显微镜)的方法，可以方便、快捷、准确的测量深沟槽硅体内的载流子的浓度及其分布。
[0006]SCM (扫描电容显微镜)是从AFM(原子力显微镜)中衍生出来的一种技术，其利用金属探针和样品表面的氧化层形成一个MIS (金属-绝缘体-半导体)电容，并在探针上加交流偏压，来测量表面层的电容变化，如图1所示。样品的载流子浓度不同时，在同样的交流偏压下，会测得不同的电容变化，即高载流子浓度的电容变化小，低浓载流子浓度的电容变化大，且不同的掺杂类型具有不同的波形变化，根据dC/dV的数据即可得到载流子浓度的分布(见图1)。
[0007]但是，SCM测量对样品的制备及测试条件要求很苛刻，样片的表面状态、表面氧化层厚度、探针的大小、探针与样品表面的距离都会影响测试结构，所以利用SCM方法测试载流子浓度分布需要在合适的测试条件及测试方法下才能得到准确的结果。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，包括如下步骤:
[0009]I)在硅外延层或半导体衬底上形成沟槽；
[0010]2)利用硅外延层填充沟槽；
[0011]3)平坦化沟槽顶部；
[0012]4)在沟槽顶部生长预知载流子浓度的多层硅外延层；
[0013]5)利用SCM测量沟槽顶部的各层硅外延层的dC/dV值，并作出dC/dV与载流子浓度的曲线图；
[0014]6)利用SCM测量沟槽内硅外延层的dC/dV值，并根据步骤5)中的dC/dV与载流子浓度的曲线图求得对应沟槽内硅外延层的载流子浓度。
[0015]步骤I)具体为:在硅外延层上生长介质膜，然后采用各项异性的干法刻蚀，以光刻胶为掩模，在预定区域刻蚀出沟槽。所述介质膜为SiO2, SiN，SION中的至少一种，该介质膜采用化学气相沉积的方式生长或热氧化的方式生长，生长温度在300-1300摄氏度，生长压力在0.01-760Torr ;该介质膜的厚度为0.1-5.0微米。所述沟槽的宽度为0.1-5.0微米，深度为0.1-100微米。
[0016]步骤2)中，所述填充沟槽的硅外延层具有和沟槽外衬底或硅外延层相反的掺杂类型，且其载流子浓度为lE14-lE21atoms/cm3。所述填充沟槽的娃外延层采用化学气相外延的方式生长，其生长温度在500-1200摄氏度，压力为20-760Torr，采用HC1、SiH4, DCS (二氯二氢娃)和TCS (三氯氢娃)中的至少一种作为反应气体，以氢气为载气，以B2H6、PH3、AsH3中的至少一种作为掺杂气体。
[0017]步骤3)中，所述平坦化沟槽顶部采用化学机械研磨方式去除沟槽内过生长的硅外延层，使沟槽内的硅外延层和沟槽的上表面齐平。
[0018]步骤4)中，所述的多层硅外延层的每一层具有不同的载流子浓度，且和步骤2)沟槽内填充的硅外延层具有相同的掺杂类型；所述的多层硅外延层的层数>2层，每层厚度为
0.01-5.0微米，每层的载流子浓度为lE14-lE21atoms/cm3。
[0019]步骤4)中，所述的多层硅外延层的生长温度在500-1200摄氏度，压力为20-760Torr，采用SiH4、DCS或TCS中的至少一种作为反应气体，以氢气为载气，以B2H6、PH3、AsH3中的至少一种作为掺杂气体。
[0020]步骤2)中所述沟槽内硅外延层的载流子浓度介于步骤4)中所述多层硅外延层的载流子浓度的最大值与最小值之间。
[0021]和现有技术相比，本发明具有以下有益效果:由于本发明沟槽顶部的各层硅外延层(即图6中的第三硅外延层6)的载流子浓度可以通过SRP或SMS的方法得出(因其是全面在沟槽表面生长，所以没有尺寸限制);根据不同波形的电容变化，可以分辨出P型外延层和N型外延层的位置，从而分辨出沟槽内硅外延层(即图6中的第二硅外延层5)的位置；由于沟槽内的硅外延层和沟槽顶部的硅外延层在同一样品上，同时制备又同时测量，所以沟槽内硅外延层的dC/dV可以和沟槽顶部硅外延层的dC/dV做类比，从沟槽顶部硅外延层的载流子浓度准确的得出沟槽内硅外延层的载流子浓度分布。本发明采用SCM (扫描电容显微镜)的方法，可以方便、快捷、准确地测定深沟槽内硅外延层的载流子浓度及其分布。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是SCM测试原理示意图。
[0023]图2-图6是本发明实施例的流程剖面示意图；其中，图2是本发明方法步骤I)完成后的剖面示意图；图3是本发明方法步骤2)完成后的剖面示意图；图4是本发明方法步骤3)完成后的剖面示意图；图5是本发明方法步骤4)完成后的剖面示意图；图6是本发明方法步骤5)完成后的剖面示意图。
[0024]图7是本发明实施例中沟槽顶部硅外延层生长载流子浓度和dC/dV关系图。
[0025]图中附图标记说明如下:
[0026]I是硅衬底，2是第一硅外延层，3是介质膜，4是沟槽，5是第二硅外延层(即沟槽内硅外延层)，6是第三硅外延层(即沟槽顶部硅外延层)。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0028]实施例
[0029]如图2-图6所示，本发明的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其流程为:
[0030]I)介质层生长。在娃衬底I上生长第一娃外延层2,在第一娃外延层2上生长介质膜3，介质膜3为SiO2, SiN，SION中的至少一种，介质膜3的生长可以用化学气相沉积的方式生长或热氧化的方式生长，生长温度在300-1300摄氏度，生长压力在0.01-760Torr ；介质膜3的厚度为0.1-5.0微米，见图2。
[0031]2)沟槽刻蚀。沟槽刻蚀采用各项异性的干法刻蚀，以光刻胶为掩模，在预定区域刻蚀出沟槽4，沟槽4的宽度为0.1-5.0微米，沟槽4的深度为0.1-100微米，见图3。
[0032]3)用第二娃外延层填充沟槽。第二娃外延层5米用化学气相外延的方式填充沟槽4，生长温度在500-1200摄氏度，压力为20-760Torr，采用HC1、SiH4, DCS (二氯二氢硅)和TCS (三氯氢硅)中的至少一种作为反应气体，以氢气为载气。以B2H6、PH3、AsH3中的至少一种作为掺杂气体，第二硅外延层5的载流子浓度在m (lE14-lE21atoms/cm3)左右，第二硅外延层5具有和娃衬底I或第一娃外延层2相反的掺杂类型,见图4。
[0033]4)沟槽顶部平坦化。用CMP (化学机械研磨)方式去除沟槽4顶部过生长的第二硅外延层5，并用湿法刻蚀去除介质膜3，见图5。
[0034]5)在沟槽顶部生长第三硅外延层，第三硅外延层6的生长温度在500-1200摄氏度，压力为20-760Torr，采用SiH4、DCS或TCS中的至少一种作为反应气体，以氢气为载气，以B2H6、PH3、AsH3中的至少一种作为掺杂气体。第三娃外延层6和第二娃外延层5具有相同的掺杂类型；第三硅外延层6以载流子浓度大小分为5层，每一层具有不同的载流子浓度，每一层的载流子浓度范围在lE14-lE21atomS/cm3，在本实施例中，该5层的载流子浓度从小到大依次为xl，χ2, χ3, χ4, χ5，每层的厚度在0.1-5.0微米之间，且满足xl < m < x5，见图6。
[0035]6)制作沟槽的断面样品，并对样品断面进行抛光研磨。
[0036]7)用SCM (扫描电容显微镜)测定沟槽顶部硅外延层(即第三硅外延层6)各层的dC/dV的值，分别为cl，c2，c3，c4，c5，对应载流子浓度为xl，x2，x3，x4，x5。做出dC/dV对第三硅外延层6的载流子浓度分布图，见图7。
[0037]8)用SCM测定沟槽内外延层(即第二外延层5)的dC/dV值，从图7的关系图中求得对应的载流子浓度。
【权利要求】
1.一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)在硅外延层或半导体衬底上形成沟槽； 2)利用硅外延层填充沟槽； 3)平坦化沟槽顶部； 4)在沟槽顶部生长预知载流子浓度的多层硅外延层； 5)利用SCM测量沟槽顶部的各层硅外延层的dC/dV值，并作出dC/dV与载流子浓度的曲线图； 6)利用SCM测量沟槽内硅外延层的dC/dV值，并根据步骤5)中的dC/dV与载流子浓度的曲线图求得对应沟槽内硅外延层的载流子浓度。
2.如权利要求1所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，步骤O具体为:在硅外延层上生长介质膜，然后采用各项异性的干法刻蚀，以光刻胶为掩模，在预定区域刻蚀出沟槽。
3.如权利要求2所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，所述介质膜为SiO2, SiN, SION中的至少一种，该介质膜采用化学气相沉积的方式生长或热氧化的方式生长，生长温度在300-1300摄氏度，生长压力在0.01-760Torr ;该介质膜的厚度为0.1-5.0 微米。
4.如权利要求1或2或3所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，所述沟槽的宽度为0.1-5.0微米，深度为0.1-100微米。
5.如权利要求1所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，步骤2)中，所述填充沟槽的硅外延层具有和沟槽外衬底或硅外延层相反的掺杂类型，且其载流子浓度为 1E14-1E21 atoms/cm3。
6.如权利要求1所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，步骤2)中，所述填充沟槽的硅外延层采用化学气相外延的方式生长，其生长温度在500-1200摄氏度，压力为20-760Torr，采用HC1、SiH4, DCS和TCS中的至少一种作为反应气体，以氢气为载气，以B2H6、PH3、AsH3中的至少一种作为掺杂气体。
7.如权利要求1所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，步骤3)中，所述平坦化沟槽顶部采用化学机械研磨方式去除沟槽内过生长的硅外延层，使沟槽内的娃外延层和沟槽的上表面齐平。
8.如权利要求1或5所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，步骤4)中，所述的多层硅外延层的每一层具有不同的载流子浓度，且和步骤2)沟槽内填充的硅外延层具有相同的掺杂类型；所述的多层硅外延层的层数>2层，每层厚度为0.01-5.0微米，每层的载流子浓度为1E14-1E21 atoms/cm3。
9.如权利要求1或8所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，步骤4)中，所述的多层硅外延层的生长温度在500-1200摄氏度，压力为20-760Torr，采用SiH4, DCS或TCS中的至少一种作为反应气体，以氢气为载气，以B2H6、PH3、AsH3中的至少一种作为掺杂气体。
10.如权利要求1所述的一种测量深沟槽内载流子浓度分布的方法，其特征在于，步骤2)中所述沟槽内硅外延层的载流子浓度介于步骤4)中所述多层硅外延层的载流子浓度的最大值与最小值之间。
【文档编号】G01R31/26GK103837807SQ201210484039
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】成鑫华, 刘继全 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司