技术领域
[0001] 本
发明属于
半导体技术领域，尤其涉及一种超薄
二氧化硅薄膜样片的定值方法。
背景技术
[0002] 在半导体领域中，薄膜厚度是一个重要的参数，对薄膜厚度参数的精确测量是保证器件
质量的重要手段。椭偏仪主要用于解决薄膜厚度的测量问题。为了保证椭偏仪测量结果的准确性，需要使用标准样片对仪器进行校准。
[0003] 目前，随着微
电子行业中生产的器件特征尺寸日益缩减，薄膜变得越来越薄，达到了10nm以下。但是，由于缺少薄膜厚度小于10nm的标准样片，使得椭偏仪测量范围在10nm以下的测量能
力无法校准。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明
实施例提供了一种超薄二氧化硅薄膜样片的定值方法，以解决
现有技术中椭偏仪测量范围在10nm以下的测量能力无法校准的问题。
[0005] 本发明实施例的提供了一种超薄二氧化硅薄膜样片的定值方法，包括：
[0006] 将衬底在清洗液中清洗，去除所述衬底表面的杂质；
[0007] 通过快速热氧化工艺在清洗后的所述衬底的上表面生长二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜的厚度小于10纳米；
[0008] 在所述二氧化硅薄膜上选取定值区域，并在所述定值区域选取n个测量点；
[0009] 使用厚度测量装置测量n个所述测量点的第一厚度，根据所述第一厚度确定所述样片的厚度均匀性；
[0010] 使用所述厚度测量装置按照预设时间间隔测量m次n个所述测量点的第二厚度，得到m个厚度平均值，根据所述m个厚度平均值确定所述样片的厚度
稳定性；
[0011] 确定所述厚度测量装置引入的不确定度分量；
[0012] 根据所述不确定度分量、所述厚度均匀性和所述厚度稳定性确定所述样片的合成不确定度和扩展不确定度；
[0013] 其中，n和m为大于1的正整数。
[0014] 可选的，所述合成不确定度uc的计算公式为：
[0015]
[0016] 所述扩展不确定度U的计算公式为：
[0017] U＝2uc
[0018] 其中，u1为所述厚度测量装置引入的不确定度分量，u2为厚度均匀性，u3为厚度稳定性。
[0019] 可选的，所述使用厚度测量装置测量n个所述测量点的第一厚度，根据所述第一厚度确定所述样片的厚度均匀性，包括：
[0020] 测量n个所述测量点的第一厚度，得到n个第一厚度值，将n个所述第一厚度值中的最大值与最小值的差作为所述样片的厚度均匀性。
[0021] 可选的，厚度稳定性u3的计算公式为：
[0022]
[0023] 其中， 为第i次测量确定的厚度平均值，
[0024] 可选的，所述厚度测量装置为椭偏仪；
[0025] 所述确定所述厚度测量装置引入的不确定度分量，包括：
[0026] 构建二氧化硅薄膜厚度与椭偏
角和
相位差的对应关系的
数据库；
[0027] 使用所述厚度测量装置重复测量第j个测量点k次，获得k组偏振角和
相位差，根据所述k组偏振角和相位差分别构建关于偏振角的正态分布曲线和关于相位差的正态分布曲线；
[0028] 从所述关于偏振角的正态分布曲线和所述关于相位差的正态分布曲线中选取h组第一偏振角和第一相位差，并与所述数据库匹配得到h个第三厚度，计算所述第三厚度的标准差，所述第三厚度的标准差为所述厚度测量装置引入的不确定度分量；
[0029] 其中，h和k为大于1的正整数。
[0030] 进一步的，所述构建二氧化硅薄膜厚度与椭偏角和相位差的对应关系的数据库，包括：
[0031] 构建结构模型和色散模型；其中，结构模型为硅衬底和硅衬底上表面的二氧化硅薄膜，设定二氧化硅的色散参数、硅的色散参数、入射光
波长和入射角度；
[0032] 根据所述结构模型和色散模型构建二氧化硅薄膜厚度与偏振角和相位差关系的函数；
[0033] 其中，根据以下公式得到二氧化硅薄膜厚度与偏振角和相位差关系的函数，[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038] ρ为二氧化硅薄膜的椭圆函数， 为p偏振方向的振幅反射系数， 为s偏振方向的振幅反射系数，rp为p偏振方向的振幅反射系数的模，rs为s偏振方向的振幅反射系数的模，为p偏振相位， 为s偏振相位，Ψ为偏振角，Δ为相位差，r1s为空气与二氧化硅薄膜的交界面的s方向偏振分量菲涅
耳反射系数，r2s为二氧化硅薄膜与衬底的交界面的s方向偏振分量菲涅耳反射系数，δ1为被测膜层的相位厚度，n0为空气折射率，θ0为入射角度，n1为二氧化硅薄膜折射率，θ1为二氧化硅薄膜内的入射角，n2为衬底折射率，θ2为衬底内折射角，r1p为界面1的p方向偏振分量菲涅耳反射系数，r2p为界面2的p方向偏振分量菲涅耳反射系数，d1为二氧化硅薄膜厚度，λ入射光波长；
[0039] 根据所述函数，确定厚度为0至10纳米的二氧化硅薄膜与偏振角和相位差的对应关系。
[0040] 进一步的，所述从所述关于偏振角的正态分布曲线和所述关于相位差的正态分布曲线中选取h组第一偏振角和第一相位差，并与所述数据库匹配得到h个第三厚度，包括：
[0041] 从所述关于偏振角的正态分布曲线中选取1个第一偏振角，从所述关于相位差的正态分布曲线中选取1个第一相位差；
[0042] 采用遍寻法，计算所述第一偏振角和所述第一相位差与数据库中的每一组第二偏振角和第二相位差的评价函数值，其中，所述第一偏振角和所述第一相位差与数据库中的第j组第二偏振角和第二相位差的评价函数为：
[0043]
[0044] 为第j个评价函数的值，Ψj为数据库中的第j组第二偏振角的值，Δj为数据库中的第j组第二相位差的值，Ψexp为选取的第一偏振角的值，Δexp为选取的第一相位差的值；
[0045] 选取使所述评价函数取值最小的第二偏振角和第二相位差对应的二氧化硅薄膜厚度作为第三厚度；
[0046] 重复从所述关于偏振角的正态分布曲线中选取1个第一偏振角，从所述关于相位差的正态分布曲线中选取1个第一相位差的步骤，直至得到h个第三厚度。
[0047] 可选的，将衬底在清洗液中清洗，去除所述衬底表面的杂质，包括：
[0048] 将所述衬底放入
温度为80℃至90℃的第一清洗液中清洗10分钟至15分钟；其中，所述第一清洗液为蒸馏
水、
氨水和过氧化氢的混合溶液，蒸馏水、氨水和过氧化氢的体积比为4:1:1；
[0049] 将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；
[0050] 将所述衬底在
氢氟酸溶液中清洗2分钟至5分钟；
[0051] 将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；
[0052] 将所述衬底放入温度为80℃至90℃第二清洗液中清洗10分钟至15分钟；其中，所述第二清洗液为蒸馏水、
盐酸和过氧化氢的混合溶液，蒸馏水、盐酸和过氧化氢的体积比为4:1:1；
[0053] 将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；
[0054] 将所述衬底用氮气吹干。
[0055] 可选的，所述二氧化硅薄膜的厚度为2纳米至5纳米。
[0056] 本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例提供的超薄二氧化硅薄膜样片可用于校准椭偏仪测量范围在10nm以下的测量能力。通过使用厚度测量装置测量定值区域中n个测量点的第一厚度，可以确定样片的厚度均匀性，通过使用厚度测量装置按照预设时间间隔测量m次n个测量点的第二厚度，可以确定样片的厚度稳定性，确定厚度测量装置引入的不确定度分量，最后再根据不确定度分量、厚度均匀性和厚度稳定性确定样片的合成不确定度和扩展不确定度。通过该方法能够评价样片的厚度均匀性、厚度稳定性和不确定度，从而可以得知样片校准结果的可信度。
附图说明
[0057] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058] 图1是本发明实施例一提供的超薄二氧化硅薄膜样片的定值方法的实现流程示意图；
[0059] 图2是本发明实施例一提供的超薄二氧化硅薄膜样片的结构示意图；
[0060] 图3是本发明实施例一提供的标称厚度为2nm的超薄二氧化硅薄膜样片的厚度曲线图；
[0061] 图4是本发明实施例一提供的标称厚度为5nm的超薄二氧化硅薄膜样片的厚度曲线图；
[0062] 图5是本发明实施例一提供的结构模型示意图。
具体实施方式
[0063] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、
电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0064] 为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0065] 实施例一
[0066] 请参考图1，超薄二氧化硅薄膜样片的定值方法包括：
[0067] 步骤S101，将衬底在清洗液中清洗，去除所述衬底表面的杂质。
[0068] 可选的，步骤S101的具体实现方式为：将所述衬底放入温度为80℃至90℃的第一清洗液中清洗10分钟至15分钟；其中，所述第一清洗液为蒸馏水、氨水和过氧化氢的混合溶液，蒸馏水、氨水和过氧化氢的体积比为4:1:1；将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；将所述衬底在氢氟
酸溶液中清洗2分钟至5分钟；将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；将所述衬底放入温度为80℃至90℃第二清洗液中清洗10分钟至15分钟；其中，所述第二清洗液为蒸馏水、盐酸和过氧化氢的混合溶液，蒸馏水、盐酸和过氧化氢的体积比为4:1:1；将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；将所述衬底用氮气吹干。
[0069] 步骤S102，通过快速热氧化工艺在清洗后的所述衬底的上表面生长二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜的厚度小于10纳米。
[0070] 在本发明实施例中，通过快速热氧化工艺生长的二氧化硅薄膜厚度可控、均匀性好。通过控制生长温度、氧化时间和氧气含量得到所需厚度的二氧化硅薄膜。例如，生长标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜时，最高温度为800℃，氧化时间为30秒，氧气含量为10％，其他气体为氩气。生长标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜时，最高温度为1000℃，氧化时间为90秒，氧气含量为10％，其他气体为氩气。
[0071] 可选的，所述二氧化硅薄膜的厚度为2纳米至5纳米
[0072] 步骤S103，在所述二氧化硅薄膜上选取定值区域，并在所述定值区域选取n个测量点。其中，n大于1的正整数。
[0073] 在本发明实施例中，衬底选取4英寸的硅
晶圆，在硅晶圆的上表面生长二氧化硅薄膜之后，选取定值区域，并在定值区域中选取n个测量点。例如，如图2所述，在二氧化硅薄膜样片201中选取定值区域202，定值区域202为直径为10毫米的圆，在定值区域202中选取5个测量点203。其中，定值区域202可以位于二氧化硅薄膜样片201的中部或靠近边缘处，各个测量点203在定值区域202中的分布关系不予限定。
[0074] 步骤S104，使用厚度测量装置测量n个所述测量点的第一厚度，根据所述第一厚度确定所述样片的厚度均匀性。
[0075] 可选的，步骤S104的具体实现方式为：测量n个所述测量点的第一厚度，得到n个第一厚度值，将n个所述第一厚度值中的最大值与最小值的差作为所述样片的厚度均匀性。其中，n为大于1的正整数。
[0076] 在本发明实施例中，厚度测量装置为椭偏仪，测量点可以为5个，使用椭偏仪分别测量5个测量点的第一厚度，得到5个第一厚度值，将5个第一厚度值中的最大值与最小值的差作为样片的厚度均匀性。例如，如表1所示，标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜样片的厚度均匀性为0.05纳米，标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜样片的厚度均匀性为0.06纳米。
[0077] 表1样片的厚度均匀性
[0078]
[0079] 步骤S105，使用所述厚度测量装置按照预设时间间隔测量m次n个所述测量点的第二厚度，得到m个厚度平均值，根据所述m个厚度平均值确定所述样片的厚度稳定性。其中，n和m为大于1的正整数。
[0080] 可选的，厚度稳定性u3的计算公式为：
[0081]
[0082] 其中， 为第i次测量确定的厚度平均值；
[0083] 在本发明实施例中，厚度稳定性反应二氧化硅薄膜厚度随时间的变化规律。例如，选取5个测量点，每隔一个月测量一次这5个测量点的第二厚度，共测量12次，根据公式(2)计算第i次测量的5个测量点第二厚度的平均值，最后根据公式(1)计算厚度的稳定性。
[0084]
[0085] 其中，dj为在第i次测量中第j个测量点的厚度。
[0086] 图3为标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜样片的5个测量点的平均厚度随时间的变化规律，厚度稳定性为0.05纳米，图4为标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜样片的5个测量点的平均厚度随时间的变化规律，厚度稳定性为0.05纳米。
[0087] 步骤S106，确定所述厚度测量装置引入的不确定度分量。
[0088] 可选的，所述厚度测量装置为椭偏仪。步骤S106的具体实现方式为：所述确定所述厚度测量装置引入的不确定度分量，包括：
[0089] 构建二氧化硅薄膜厚度与椭偏角和相位差的对应关系的数据库；
[0090] 使用所述厚度测量装置重复测量第j个测量点k次，获得k组偏振角和相位差，根据所述k组偏振角和相位差分别构建关于偏振角的正态分布曲线和关于相位差的正态分布曲线；
[0091] 从所述关于偏振角的正态分布曲线和所述关于相位差的正态分布曲线中选取h组第一偏振角和第一相位差，并与所述数据库匹配得到h个第三厚度，计算所述第三厚度的标准差，所述第三厚度的标准差为所述厚度测量装置引入的不确定度分量；
[0092] 其中，h和k为大于1的正整数。
[0093] 进一步的，所述构建二氧化硅薄膜厚度与椭偏角和相位差的对应关系的数据库，包括：
[0094] 构建结构模型和色散模型；其中，结构模型为硅衬底和硅衬底上表面的二氧化硅薄膜，设定二氧化硅的色散参数、硅的色散参数、入射光波长和入射角度；
[0095] 根据所述结构模型和色散模型构建二氧化硅薄膜厚度与偏振角和相位差关系的函数；
[0096] 其中，根据以下公式得到二氧化硅薄膜厚度与偏振角和相位差关系的函数，[0097]
[0098]
[0099]
[0100]
[0101] ρ为二氧化硅薄膜的椭圆函数，为p偏振方向的振幅反射系数，为s偏振方向的振幅反射系数，rp为p偏振方向的振幅反射系数的模，rs为s偏振方向的振幅反射系数的模，为p偏振相位， 为s偏振相位，Ψ为偏振角，Δ为相位差，r1s为空气与二氧化硅薄膜的交界面的s方向偏振分量菲涅耳反射系数，r2s为二氧化硅薄膜与衬底的交界面的s方向偏振分量菲涅耳反射系数，δ1为被测膜层的相位厚度，n0为空气折射率，θ0为入射角度，n1为二氧化硅薄膜折射率，θ1为二氧化硅薄膜内的入射角，n2为衬底折射率，θ2为衬底内折射角，r1p为界面1的p方向偏振分量菲涅耳反射系数，r2p为界面2的p方向偏振分量菲涅耳反射系数，d1为二氧化硅薄膜厚度，λ入射光波长；
[0102] 根据所述函数，确定厚度为0至10纳米的二氧化硅薄膜与偏振角和相位差的对应关系。
[0103] 在本发明实施例中，结构模型如图5所示，结构模型包括硅衬底501和硅衬底上表面的二氧化硅薄膜502。色散模型为硅和二氧化硅的色散参数，其中，二氧化硅的色散参数为n1＝1.46，硅的色散参数为n2＝3.875-0.016i，n1为二氧化硅薄膜折射率，n2为衬底折射率。入射波长选用常用的波长λ＝632.8nm，入射角度为
光谱型椭偏仪适用的角度，本实施例中入射角度θ0＝65°。根据公式(3)至公式(6)可以得到二氧化硅薄膜厚度与偏振角和相位差关系的函数，即
[0104] f(d1)＝tanΨejΔ
[0105] (7)
[0106] 根据公式(7)可知，二氧化硅薄膜厚度与偏振角和相位差一一对应，二氧化硅薄膜厚度确定后，可以得到唯一的一组偏振角和相位差。根据公式(7)，确定厚度为0至10纳米的二氧化硅薄膜与偏振角和相位差的对应关系，得到二氧化硅薄膜厚度与椭偏角和相位差的对应关系的数据库，其中，厚度间隔为0.02纳米。
[0107] 进一步的，所述从所述关于偏振角的正态分布曲线和所述关于相位差的正态分布曲线中选取h组第一偏振角和第一相位差，并与所述数据库匹配得到h个第三厚度，包括：
[0108] 从所述关于偏振角的正态分布曲线中选取1个第一偏振角，从所述关于相位差的正态分布曲线中选取1个第一相位差；
[0109] 采用遍寻法，计算所述第一偏振角和所述第一相位差与数据库中的每一组第二偏振角和第二相位差的评价函数值，其中，所述第一偏振角和所述第一相位差与数据库中的第j组第二偏振角和第二相位差的评价函数为：
[0110]
[0111] 为第j个评价函数的值，Ψj为数据库中的第j组第二偏振角的值，Δj为数据库中的第j组第二相位差的值，Ψexp为选取的第一偏振角的值，Δexp为选取的第一相位差的值；
[0112] 选取使所述评价函数取值最小的第二偏振角和第二相位差对应的二氧化硅薄膜厚度作为第三厚度；
[0113] 重复从所述关于偏振角的正态分布曲线中选取1个第一偏振角，从所述关于相位差的正态分布曲线中选取1个第一相位差的步骤，直至得到h个第三厚度。
[0114] 在本发明实施例中，使用光谱型椭偏仪重复测量第j个测量点k次，获得k组偏振角和相位差，分别计算偏振角和相位差的期望值和标准差，构建关于偏振角的正态分布曲线和关于相位差的正态分布曲线。例如，使用光谱型椭偏仪测量第j个测量点6次，获得6组偏振角和相位差，分别计算相位差和偏振角的期望值和方差，构建关于偏振角的正态分布曲线和关于相位差的正态分布曲线。表2为标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜样片和标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜样片的偏振角和相位差的期望值和方差。
[0115] 表2期望值和标准差
[0116]
[0117] 使用MCM方法(蒙特卡洛方法)评定光谱型椭偏仪的测量不确定度。从关于偏振角的正态分布曲线中随机选取1个第一偏振角Ψexp，从关于相位差的正态分布曲线中随机选取1个第一相位差Δexp，得到一组(Ψexp，Δexp)，将(Ψexp，Δexp)与数据库中(Ψj，Δj)进行匹配，其中，j＝1，2，3，…，l，匹配方法为：根据评价函数(6)计算(Ψexp，Δexp)与数据库中的(Ψj，Δj)的评价函数值，将使评价函数值取值最小的(Ψj，Δj)对应的厚度作为第三厚度，重复步骤从关于偏振角的正态分布曲线中随机选取1个第一偏振角Ψexp，直至得到h个第三厚度。例如，当h为10000时，标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜样片光谱型椭偏仪引入的不确定度分量为0.04纳米，标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜样片光谱型椭偏仪引入的不确定度分量为0.04纳米。
[0118] 步骤S107，根据所述不确定度分量、所述厚度均匀性和所述厚度稳定性确定所述样片的合成不确定度和扩展不确定度。
[0119] 可选的，所述合成不确定度uc的计算公式为：
[0120]
[0121] 扩展不确定度U的计算公式为：
[0122] U＝2uc
[0123] (10)
[0124] u1为所述光谱型椭偏仪引入的不确定度分量，u2为厚度均匀性，u3为厚度稳定性。
[0125] 在本发明实施例中，根据光谱型椭偏仪引入的不确定度分量u1、厚度均匀性u2和厚度稳定性u3计算合成不确定度分量和扩展不确定度分量，表3为标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜样片和标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜样片的不确定度。可见，标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜样片和标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜样片的不确定度很小，说明测量结果可信度很高。
[0126] 表3不确定度
[0127]
[0128] 本发明实施例提供的超薄二氧化硅薄膜样片可用于校准椭偏仪测量范围在10nm以下的测量能力。通过使用厚度测量装置测量定值区域中n个测量点的第一厚度，可以确定样片的厚度均匀性，通过使用厚度测量装置按照预设时间间隔测量m次n个测量点的第二厚度，可以确定样片的厚度稳定性，确定厚度测量装置引入的不确定度分量，最后再根据不确定度分量、厚度均匀性和厚度稳定性确定样片的合成不确定度和扩展不确定度。通过该方法能够评价样片的厚度均匀性、厚度稳定性和不确定度，从而可以得知样片校准结果的可信度。
[0129] 实施例二
[0130] 一种超薄二氧化硅薄膜样片的制备方法，包括：
[0131] 将衬底在清洗液中清洗，去除所述衬底表面的杂质；
[0132] 通过快速热氧化工艺在清洗后的所述衬底的上表面生长二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜的厚度小于10纳米。
[0133] 在本发明实施例中，将所述衬底放入温度为80℃至90℃的第一清洗液中清洗10分钟至15分钟；其中，所述第一清洗液为蒸馏水、氨水和过氧化氢的混合溶液，蒸馏水、氨水和过氧化氢的体积比为4:1:1；将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；将所述衬底在氢氟酸溶液中清洗2分钟至5分钟；将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；将所述衬底放入温度为80℃至90℃第二清洗液中清洗10分钟至15分钟；其中，所述第二清洗液为蒸馏水、盐酸和过氧化氢的混合溶液，蒸馏水、盐酸和过氧化氢的体积比为4:1:1；将所述衬底用蒸馏水冲洗至中性；将所述衬底用氮气吹干。
[0134] 通过快速热氧化工艺生长的二氧化硅薄膜厚度可控、均匀性好。通过控制生长温度、氧化时间和氧气含量得到所需厚度的二氧化硅薄膜。例如，生长标称厚度为2纳米的二氧化硅薄膜时，最高温度为800℃，氧化时间为30秒，氧气含量为10％，其他气体为氩气。生长标称厚度为5纳米的二氧化硅薄膜时，最高温度为1000℃，氧化时间为90秒，氧气含量为10％，其他气体为氩气。
[0135] 本发明实施例通过快速热氧化工艺在清洗后的衬底上生长二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜厚度可控、均匀性好。
[0136] 应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0137] 以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
