一种测量外延层厚度及掺杂浓度的改进方法

发布时间:2008/6/2 0:00:00 访问次数:852

刘志农，熊小义，付玉霞，张伟，陈培毅，钱佩信

（清华大学微电子所，北京 100084）

摘要：在双台面sige hbt加工工艺过程中，采用rie工艺刻蚀发射极台面时，为了避免等离子轰击对外基区表面造成损伤，同时为了防止过刻到基区，必须严格控制发射极台面的高度，从而必须准确知道未刻蚀前的厚度和刻蚀后的厚度。现有的许多对材料厚度及掺杂浓度的分析方法，具有各自的优缺点。本文提出了一种可以同时检测外延层的厚度及掺杂浓度分布的方法，这种方法具有简单、高效、低成本的优点。

关键词：efl；线性拟合；rie；四探针

中图分类号：tn304 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2003)11-0026-03

1引言

在台面结构sige hbt器件中<1>，材料结构是n＋si衬底/n －si外延层/p＋sige基区/n＋ si发射区。其中关键一步是刻蚀发射区到接近基区而不能刻蚀基区。由于干法刻蚀e,b没有自停止机制，如果不能准确知道发射极的厚度，就会造成严重后果。

已经存在许多对材料厚度及掺杂浓度的分析方法。分析材料厚度的方法包括xtem，sims，sem及rbs等。分析掺杂浓度的方法包括sims，spr，电化学c-v等。可以用xtem来分析材料的厚度，这种方法很准确且可以观察位错等晶体结构，但它制样复杂、成本高，且不能知道掺杂浓度。sims可以分析外延层沿厚度的掺杂分布，这种分析也存在成本高的问题，很多时候还不能定量。spr精度稍差。以上的许多方法成本较高，且比较难于分析平面内的厚度及掺杂分布。在集成电路工艺中，非常欢迎快速低成本且有一定精度的分析厚度及掺杂浓度的方法。

本文借助于干法刻蚀设备和四探针仪器，设计了一种简捷高效的方法，可同时给出外延层的厚度、掺杂浓度（电阻率、方块电阻），而且以此确定外延层的刻蚀时间恰好刻尽。

2实验原理

采用逐层干法刻蚀＋四探针测方块电阻＋线性拟合（简称efl）的办法测试外延层的厚度，原理如下：

rsh（t）=1／< nqμn×d（t）>= 1／

1/rsh（t）= nqμn×d0-nqμ n×v×t

定义：y（t）= 1/ rsh（t），a = nqμn×d0，b = nqμn×v，则

y（t）= a-b×t

d0 = ( a/b)×v；rsheet = 1/y（0）

r = rsheet×d0； n可查表（n～r）得到。

其中：d0、r sheet、r、n分别为外延层的厚度、方块电阻、电阻率及掺杂浓度；v为刻蚀设备的刻蚀速率； t为刻蚀时间，t0为刚刚刻净时的刻蚀时间；d（t）为刻蚀t时间后的材料层厚度， d0＝d（0）；rsh （t）为刻蚀t时间后材料的方块电阻， rsheet＝rsh（0）

若知刻蚀设备的刻蚀速率v（本实验选用的刻蚀设备为tegal 1511e，v为40±1a/sec），可同时得到d0，n，rsheet,r。

用台阶仪测量刻蚀台阶的高度d 1，可以验证此法。

3 实验步骤

（1）样片准备：在标准2.54cm×5（5英寸）（100）衬底上淀积一层外延层（应使衬底与外延层导电类型相反）。预备测试外延层的厚度、方块电阻、电阻率及掺杂分布；

（2）涂胶：在样品表面随机选择数个位置，在这些位置附近滴涂光刻胶掩蔽，并烘胶（刻蚀完毕时用于测台阶高度；这里选择中、左、右、上、下五个位置）；

（3）rsh（t ＝0）分布测试：选相对固定的位置，每次刻蚀后都在这些位置附近用四探针测试方块电阻；在此选择中、左、右、上、下五个位置；

（4）干法刻蚀与方块电阻测试：选择适当的刻蚀步长tstep（这里选择10 s）干法刻蚀1次；测量刻蚀后的rsh（ t＋1×tstep）分布；

（5）轮流进行干法刻蚀与方块电阻测试：直至测出rsh（t＋n× tstep）分布。（每次刻蚀后，请用热探针测试硅片表面导电类型；若某个位置刚反型，停止刻蚀，去胶；测试第2步中选择的5个位置处台阶的高，并求得平均台阶高 d1）；

（6）线性拟合：运用上面介绍的实验原理拟合得出硅片不同位置的d0，r sheet，r，n；

（7）厚度验证：比较反型处拟合的厚度 d0与用台阶仪测试的平均厚度d 1；

总结：计算d0， rsheet，r，n的分布无须严格刻蚀到表面刚反型处，只需刻蚀数步然后线性拟合就可以了。测试点数增多可提高拟合精度。

4结果与讨论

（1）对表1给出的数据进行线性拟合。图1 顺次给出了不同位置的拟合公式。

（2）由某个位置的拟合公式可计算该位置的t0（x轴的截距）， d0，n，rsheet ，r。线性拟合的结果表明该外延层