[发明专利]测量氧化硅层－氮化硅层－氧化硅层电学厚度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件的测量，尤其涉及测量氧化硅层-氮化硅层-氧化硅层(以下简称ONO)电学厚度的方法。

背景技术

在许多纳米薄膜的测量中，椭圆偏振仪测量技术是一种新型的薄膜厚度检测技术。一束扩展的平行、准单色的偏振光光波倾斜入射到样品表面；样品对入射光波的偏振态进行调制从而使得反射光波中含有了样品的信息；反射光波经检偏器件后进入透镜进行成像。偏振器件在合适的设置下，从图像上可以得到样品的表面厚度或表面密度等分布信息，该技术在纵向上可达到次纳米量级的分辨率，横向达到微米量级的分辨率。

在集成电路存储器元件的ONO镀制过程中，通常采用椭圆偏振仪测量ONO的光学厚度，然后再得出ONO的电学厚度。如图1A所示，用化学气相沉积法在硅基片100上形成第一氧化硅层102；然后由椭圆偏振仪的光源105发射出的激光经过起偏器106变为线偏振光107；线偏振光107经过1/4波片108，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光109；椭圆偏振光109以角度入射至第一氧化硅层102，结合图1A’所示，入射至第一氧化硅层102的第一表面112的椭圆偏振光109中的一部分光直接在第一表面112上反射，另一部分光则以透射角2透射进入第一氧化硅层102中；透射进入第一氧化硅层102中的一部分光经由第一表面112反射出第一氧化硅层102，另一部分光以透射角3透射出第一氧化硅层102的第二表面114进入硅基片100中；经过多次反射透射后，最终反射出第一氧化硅层102第一表面113的光为线偏振光110；经过检偏器111后进入接收管112，然后由计算机分析入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，测量出椭圆参数ψ和Δ；根据公式：

计算出第一氧化硅层102的几何厚度d及折射率n₂(其中n₁为第一氧化硅层102的第一表面112上空气的折射率、n₃为第一氧化硅层102的第二表面114相接的硅基片100的折射率)；接着，按照公式光学厚度＝折射率×几何厚度计算出第一氧化硅层102的光学厚度。

如图1B所示，用化学气相沉积法在第一氧化硅层102上形成氮化硅层103；然后由椭偏振仪的光源105发射出的激光经过起偏器106变为线偏振光107；线偏振光107经过1/4波片108，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光109；椭圆偏振光109以角度₄入射至第氮化硅层103上，经过多次反射透射后，最终反射出氮化硅层103表面的光为线偏振光110；经过检偏器111后进入接收管112，然后由计算机分析入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，测量出椭圆参数ψ₁和Δ₁；根据上述公式，计算出氮化硅层103的几何厚度d₂及折射率n₄；接着，按照公式光学厚度＝折射率×几何厚度计算出氮化硅层103的光学厚度。

如图1C所示，用化学气相沉积法在氮化硅层103上形成第二氧化硅层104；线偏振光107经过1/4波片108，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光109；椭圆偏振光109以角度₄入射至第氮化硅层103上，经过多次反射透射后，最终反射出氮化硅层103表面的光为线偏振光110；经过检偏器111后进入接收管112，然后由计算机分析入射前偏振光与反射后偏振光的偏振状态变化，测量出椭圆参数ψ₂和Δ₂；根据上述公式，计算出第二氧化硅层104的几何厚度d₃及折射率n₅；接着，按照公式光学厚度＝折射率×几何厚度计算出第二氧化硅层104的光学厚度。

根据光学厚度与电学厚度关系表，确定第一氧化硅层102、氮化硅层103和第二氧化硅层104的电学厚度。

现有用椭圆偏振仪测量膜层厚度的方法如美国专利US200609819所公开的技术方案。

现有技术测量ONO电学厚度的方法，由于在形成一层膜层就要测量该膜层的光学厚度，导致工序繁多，效率低；而且在测完ONO各层的光学厚度以后才能得出ONO的电学厚度，步骤繁复且误差累计，而造成测量不稳定，进而会导致制造工艺控制不准确，最终产品达不到设计要求。

发明内容