CN1695240A - 对扩散层水平方向扩散的测量方法 - Google Patents

Abstract

可改变任何半导体晶片制程技术来监控在掺添层水平方向的陡度分布，以作为晶片制程技术的另一附加步骤。在具体实施例之一中，包括一个或多个掺添区的取样结构形成在制造晶片(例如，同时和一个或多个晶体管一同被形成)中，并测量该取样结构的一或多个尺寸，并以其来估计晶片内其它掺添区(例如，在同时形成的晶体管)中的陡度分布。取样结构内的掺添区域彼此之间可以规律间隙配置，或毗连的掺添区域可改为以各种不同间隙配置。此外或并且，可在单一晶片内形成多重测试构造，在各测试构造内的掺添区域彼此有着规则的空间间隔，而不同的测试构造则有不同的空间间隔。

Description

对扩散层水平方向扩散的测量方法

技术领域

本发明涉及应用于半导体工艺中的测量方法。

背景技术

图1显示现有技术所习知的MOS场效应晶体管(FET)的横切面图。该MOS晶体管一般包括源极区1s和汲极区1d、源极外延区2s和汲极外延区2d、甬道3、闸极绝缘体4以与门极5。源极区和汲极区1s及1d均为重掺杂，一般在n-型掺添是使用砷或p-型掺添是使用硼。掺添量是每立方公分的掺杂物原子量为10²⁰。1s及1d区域的层深度一般在500-700。外延区2s及2d也是以与源极区及汲极区1s及1d同型的掺杂原子做重度掺杂，然而外延区较浅-一般深度在300至500。图2A及2B显示在垂直与水平方向的掺添波形(在图1中分别顺沿着箭头A及B)。

外延区2s以及2d可与甬道区3接触。此晶体管通过在闸极5施加偏差而操作。例如，假定区域1s、2s、2d以及1d是n-型，因此多数载子是电子。如果正电压置于甬道3的闸极5，则将无电流在闸极5和甬道3之间流动，这是因为有薄的闸极绝缘体4存在所致。然而，此正电压将吸引电子朝向闸极地区3，产生了一层连接源极外延2s到汲极外延2d的电子薄层(称为反转层)，可供电流在源极与汲极之间流动。当闸极5的电压被移除时，甬道3内的反转层便不存在，源极即与汲极分离。以此方法，晶体管便可开及关。

在施行时，不同源极与汲极层1s、1d、2s以及2d的掺添波形并非全然陡峭(似箱型)。其通常由涉及若干热处理循环的扩散程序形成，使得波形略呈圆滑形。例如，图2A显示源极外延2s的二种波形11a以及11b，如图1的箭号A。线11a显示相对陡峭的波形，而线11b则显示较不陡峭的波形。这种不同的陡度分布(介于线11a及11b之间)均可能在不同的半导体晶片制造过程中发生，因为在制程中的各步骤均会有若干容差。单一制造步骤造成的差异或由一系列制造步骤累积造成的差异均可使波形失去陡度(例如可从线11a趋向线11b)。

此外，接合深度可依制程性质(例如，退火温度之变化)而有所不同。例如，波形11b所形成的扩散波形比波形11a深。

同样地，水平方向的波形显示陡度分布会依半导体晶片制程个别制造步骤的容差而有差异。图2B显示顺着图1箭号B的波形(箭号B依平行半导体晶片的表面且在其正下方的方向而行)。波形10sa和10da(图2B)坡形更陡；波形10sb以及10db的陡度较小。此外，波形10sb以及10db扩散得更大，减少了源极区与汲极区之间的距离以及甬道3的长度。一般均认为由于水平方向扩散对于水平向陡度分布的减缓程度应比对应的垂直向陡度分布的减缓程度较小。然而，水平方向陡度分布减缓或水平方向扩散增加对于晶体管效能的影响却超过垂直方向陡度分布减缓。造成水平方向及垂直方向陡度分布减缓的因素也可能不同，以致于某一方的测量方式并不适用于另一方。例如，表面应力可促进掺杂原子的水平方向扩散，在垂直方向却没有此效应。

水平方向扩散和陡度分布必须要小心的控制，因为它会直接地影响此晶体管的速度以及此晶体管在电路中驱动下一阶段的能力。陡度分布较小，如波形10sb及10db(图2B)，会导致接触甬道3的源极和汲极外延2s及2b(图1)部分的掺添量较低，因此阻性较高。水平陡度分布减缓会产生一系列阻性组件，导致源极1s和汲极1d之间(图1)的电压下降较多。这种电压下降会减低此晶体管驱动下一阶段的能力，降低电路的速度。此外，介于源极与汲极外延(2s以及2d)之间的水平距离，则定义了甬道区3的长度。此甬道的长度直接决定晶体管的某些性质，例如截断频率。

某些在现有技术中用以测量水平方向扩散(经退火期间接合点水平移动多远加以确认)以及陡度分布(其系经扩散波形之斜率定义)的方法是采用晶体管的电探测、电容原子力显微镜(C-AFM)、以及垂直二次离子干扰质谱仪法(SIMS)波形。

水平方向扩散和陡度分布的干扰可能可用晶体管的电探测取得。这个步骤需要与全部的晶体管构造接触。因此，在制程中当掺添层已形成且此晶体管仍未完全时，无法使用电探测。在源极/汲极处理步骤之间的时间以及进行探测的第一时机会为数天或数周，大幅地降低进行实时程控的能力。

探测方法例如C-AFM，需要将晶体管切割及各种中间制备步骤。即使完成上述事项，探测也需要几个小时，且其分辨率通常是比100差，因为太差而无法提供程控需要的扩散或陡度分布的准确测量。

假设水平和垂直方向的扩散及陡度分布均与相同的物理现象有关，则也可能从垂直波形(展示在图2A内的型态)推导水平方向的扩散和陡度分布。然而，一些方法例如SIMS过于缓慢及具有破坏性，因此不适用于一般的同轴程控。此外，正如上述，在某些情况下水平方向及垂直方向的扩散和陡度分布彼此并非全然相关。

发明内容

依据本发明，任何半导体晶片制程技术均可经过更改以监控掺添层的水平方向扩散和陡度分布而作为晶片制程(或研发此类制程)的步骤之一。某些具体实施例中，这种监控一向用于控制晶片制程技术中的一个或多个参数，例如用来改良制程的产率。

特定而言，在具体实施例之一中，包括一个或多个掺添区的取样结构在半导体晶片(例如同时和一个或多个晶体管)中形成且对该取样结构的一个或多个尺寸进行测量，并用以估计晶片(例如在同时形成的晶体管)内其它掺添区中的水平方向扩散和陡度分布。

上述取样结构的型态可为小型-例如边长若干微米-且可安放在制造晶片的预定位置处。取样结构内的掺添区域彼此之间可规律地间隔配置，或毗连的掺添区域可改为以各种不同间隙配置。

此外或并且，可在单一晶片内形成多重取样结构，在各取样结构内的掺添区域彼此有着规则的空间间隙，而不同的取样结构则有不同的空间间隙。

在另一具体实施例中，充分掺添区及未掺添区均包含在取样结构内。此类是用于校正接合深度更改的效应。在另一具体实施例中，其包括测量光阻剂线宽以便校正由于微影蚀刻制程的差异所造成的线宽误差结果。

在另一具体实施例中，在某些情况下掺添线及空间结构可以芯片图案的一部份的形式来提供。例如，电阻带是掺添线。在此案例中，其为直接测量集成电路的组件主动区，而无需取样结构。

具体实施例之一中，在形成掺添层后立刻监测一个或多个上述取样结构型态，以便对晶片制程技术进行实时控制。然而，这种装置性质评估也可离线进行(例如非晶片制造)，并在另一具体实施例中用以发展制程。

附图说明

图1现有技术的半导体晶片的横切面图，展示MOS场效应晶体管的构造。

图2A及2B在图中显示前述技术的半导体晶片的掺添波形，其分别是沿着图1的箭号A穿过外延层2s，及沿着图1的箭号B穿过此晶体管并平行晶片表面。

图3A在决策图中显示，利用依据本发明对取样结构尺寸的测量结果制程是否在控制之中。

图3B在方框图显示，依据本发明的取样结构原位测量工具联合其它晶片制程工具的用途。

图4A及4B分别以平面图及横切面图说明，本发明具体实施例之一中用以估计晶体管的掺添区的水平方向扩散的取样结构。

图4C及4D分别以平面图及横切面图说明显示，图4A及4B取样结构经过去除氧化物罩11及退火。

图5A-5E的一系列截面图显示产生图4C及4D型态的取样结构的制程。

图6流程图展示测量的过程。

图7A显示在照射图4A和4B取样结构的截面图，并显示表面载子分布和深层载子分布的反射部分。

图7B于图表中展示，沿着两个邻近掺添区14b以及14c的中央线以过量载子浓度对深度作图，由表面反射部分PRSC测量。

图7C于图表中展示，沿着掺添区14d的中央线以过量载子浓度对深度作图，由表面反射部分PRJC测量。

图7D于图中显示，其以实测的讯号对参考晶片的水平方向扩散绘制校正曲线，显示如何将测量结果转换成水平方向扩散值以及如何设定制程的控制限值。

图8的方框图显示，依图6的方式评估取样结构的硬件构造。

图9的截面图显示，对具有充分掺添区与未掺添区的结构进行扫描。

图10显示，由线型的斜率获取水平方向的扩散(其在掺添提高时会显示讯号减弱时)。

注意，此类图标并未按照比例。

附图标记说明

w_r                      掺添区的宽度

Dr                       布植区深度

Vd                       深度

Hd                       距离

P_IN                     光束

P_RSO、P_RSC、P_RJC       表面反射部分

W_b                     掺添区的间隙

S                        间隙

Su                       讯号控制的上限值

Sm                       讯号值

Sl                       讯号控制的下限值

Du                       水平方向扩散的最大值

Dm                       水平方向扩散值

Dl                       水平方向扩散的最小值

Wa                       掺添区的间隙

14a-14h                  退火后的布植区

13a-13h                  布植区

12a-12h                  孔

1s                       源极区

1d                       汲极区

2s                       源极外延区

2d                       汲极外延区

3                        甬道

4                        闸极绝缘体

5                                闸极

10sa、10da、10sb、10db、11a、    波形

11b

10                               基底

11                               光阻层

14b、14c、14d                    掺添区

15d、15s                         浓度

15                               过量载子分布

16                               探测光束

17、18、19                       反射部分

20、816                          晶片表面

21                               界限

24                               接合点

30、331                          晶片

310                              图案化工具

311                              离子布植机

312                              氧化物罩去除工具

313                              退火炉

314                              测量工具

315                              工厂计算机

320                              总线

321、322                         接点

701                              反应曲线

801                              载子生产激光

803                              准直光束

805                              测量激光

807、823                         准直镜

809、811                     光束

810                          双色镜

812、814                     分光器

815                          接物镜

817                          透镜

818                          相机

819                          滤光器

820                          侦测器

821                          激光驱动器

824                          转阻放大器

825                          锁相放大器

901                          激光束

902                          位置

920                          水平线

930                          图案

941、942、943                区域

950                          掺添区

1010、1020                   线

1030、1041u、1041d、1042u、  点

1042d、1043u、1043d、1050、1051

具体实施方式

本发明具体实施例之一是基于在导体晶片内产生一种取样结构和其后对取样结构的一个或多个性质进行非接触性测量。测得的此取样结构的性质可用于，例如，估计晶体管内掺添区的水平方向扩散，例如若取样结构也包括掺添区。

某些具体实施例中，这样的测量结果用于以反馈回路控制晶片制程技术。特别地，在具体实施例之一中，其在晶片制造之内形成一个或多个取样结构，即与晶体管同时建造，如act 301的说明(图3A)。如果是要评估晶体管的掺添区的水平方向扩散，这在act 301内形成的取样结构可能需要植入掺杂原子，且视此具体实施例而异，可在以此晶片植入形成晶体管的同时进行植入。然而，在另一个具体实施例中，其它测试结构亦可形成，例如若欲评估金属层的性质便可形成一部份金属层。

待一个或多个取样结构形成后，内含此取样结构的晶片便与一个测量系统联机(参见图3A的act 302)，接着使用非接触型探针测量代表此取样结构尺寸的讯号，(参见图3A的act 303)。可对一个或多个acts 302以及303重复进行，例如act 304的多重取样结构，并可交替的或同时的进行其它种熟悉此技术的专业人士显见的测量。

其后，将act 303内进行的此测量结果与预定的限制值相较，若测量结果落在限制内，可继续制造此晶片(参见图3A的act 306)，接着返回act301(说明如上)以便在相同晶片内或在另一晶片内形成另一个取样结构。若测量值落在此预定限值之外，则须更改制程中使用的参数(参见图3A的act307)，且视背离值而异可将此晶片弃除或另外再予以处理。

因此，此取样结构的性质是在制造晶片时以原位方式进行，且在具体实施例之一中，测量工具314(图3B)是和其它种晶片制造工具同放，例如退火炉313、离子布植机311、图案化工具310以及氧化物罩去除工具312。晶片331(图3B)可进入图案化工具310，在此与待形成晶体管的源极与汲极外延相关的图案、以及一个或多个取样结构的掺添区，即在晶片331上形成。

具体实施例之一中，在图案转移后及在离子植入之前，用通常可取得的工具，例如扫描电子显微镜(SEM)测量图案的线宽。在此具体实施例中，线宽测量结果是用于矫正微影蚀刻的图案转移误差，其会影响以后即将进行的水平方向扩散测量分析。

其后，将晶片331插入离子布植机311，在其中将掺杂原子植入。其次，以工具312将植入罩移除，在退火炉313内待此晶片退火。其后，在此晶片内的取样结构是使用工具314依上述acts 302-303进行评估。工具314产生的测量讯号可供传输到总线320，后者是通过接点321连接至退火炉313并通过接点322到达离子布植机311，以提供反馈讯号到此类工具311和313。此外，或额外地，总线320的测量讯号可通过接点322输送到工厂计算机315。工厂计算机315可储存此测量讯号意以便供将来与(例如)晶片331上的组件的电效能对应。

在以act 303(图3A)测量在依据本发明成品晶片上形成的测试结构的尺寸或其它性质时可使用任何技术上已习知的方法。例如，可使用描述于美国专利申请案号09/544,280、09/274,821以及09/799,481中的型态的一个或多个方法参照图3A及3B的方式。甚至，视特定用途而异，任何种类的测试结构均可在晶片制造上形成，熟悉技术的专业人士在本说明书中将可认识。

图4A及4B在平面图及截面图中显示该取样结构的实施例。在图4A的实施例中，此取样结构包括许多离子布植区13a-13h(实施例中展示八个区域，虽然视其它因素而定，例如测量系统校准图案的能力、或在集成电路模具中的空间限制，可使用较多或较少)。

晶片的取样结构的13a-13h区域可为形状尺寸完全相同者(例如长方形块状)，彼此均平行排列，若由晶片30上方的方向C望去(图4B)，可看出其形成一列整齐平行的区段13a-13h(图4A)。在此实施例中，区域13a-13h的方位均垂直于共同直线E(图4A)，而使此类布植区彼此平行。

在其中一个特别的具体实施例中，布植区13a-13h的中心对中心的间隙为S而区与区的距离为w_b。在设计内含区域13a-13h的测试结构时，可将间距(S)缩小至微影蚀刻术的分辨率限值内。如此将能使在尺寸有小变异时所测得的讯号(例如因水平方向扩散所致)效应加大。例如，S可选定为0.26微米而w_b可为0.13微米，视微影蚀刻的几何形状态而定。虽然图4A的具体实施例中，13a-13h中任意两个邻近区的S以及w_b均相同，在另一个具体实施例中也可使用其它种预定的几何形状。例如，在另一个具体实施例中，此距离S以及W_b在预定的方向内(例如沿着线E从左至右)渐进地增加。此外，在另一具体实施例中，许多这样的取样结构已形成，而虽然在取样结构中此距离S以及W_b系相同，此距离在不同取样结构中则不同。

此外，在图4A及4B的实施例中，13a-13h各区的宽度wr均全与区域间隙距离Wb相等，例如0.13微米。然而，在此例中图3A的方法在wr与wb不相等时便不可行。值得注意的是，当使用图3A的方法时，条的宽度和间隙的宽度并无限制。此方法在条的宽度和间隙的宽度不相等时依然可行。

如上述所言，应将取样结构的尺寸设计得尽可能的小。这种设计能达到水平方向扩散封闭空间w_b的测量程度。此效应正比于比例2d/w_b，其中d是水平方向扩散距离(产生2的系数是由于扩散在两侧均会进行)。例如，如果此水平方向扩散是d＝.03微米而W_b是0.13微米，则此比例效应是.06/.13，或大约50％。若w_b较大，如1微米，则此效应是只有.06/1，或大约6％。因此，可将尺寸设计得尽量小。同时，掺添区WR的宽度可选择至少为此水平方向扩散的两倍，而使掺添块内的掺杂物不致于因水平方向扩散而耗尽。

在13a-13h邻近区域的间隙S为渐进式增加的具体实施例中，其可由.26增加至.5微米并使其间距固定(相等的条宽及缺口)。此外，S可自.26增加至.5微米并使其缺口固定在0.13微米而变化掺添条的长度，或固定掺添条的宽度在0.13微米而变化缺口。

在具体实施例之一中，用于形成区域13a-13h(图4A)的离子布植物的能量及剂量与用于形成存在于此半导体晶片中的晶体管(为正常的电子线路的一部份)的源极/汲极外延区的离子布植物完全相同。取样结构的此能量以及剂量可选定成与此MOS晶体管一致，其原因有二：第一，它最能代表真实的晶体管掺添，第二则是其不需要再另外进行制造步骤。在图4A及4B的具体实施例中，此掺杂原子的布植深度多达Dr(图4B)，可为例如，50。此类布植物可为非常浅，一般＜100。在此具体实施例中，此布植参数是布植物(B、As、P、Sb、等)、能量(一般为0.2至2keV)、以及剂量(一般为1×10¹⁴至3×10¹⁵原子/公分²)。其退火参数一般是其温度(约在1000℃)、时间(即刻至10秒)、升至温度的加温速率(50至200℃/秒)以及降温时间(与加温速率相同)。

此布植区域13a-13h的长度(图4A)(在垂直此图4B的纸平面的方向)一般是若干微米(约或大于10微米)，以便供激光点与(在测量时将会用到，如下述)和此取样结构对准。因此，如果可将目前所用的点尺寸3微米(如下述)将来成比例地建造得较小，则线长L(约10微米)将来可以更小。目前该方法的分辨率在具体实施例之一中少于10。

在晶片30退火之后，其布植区域的尺寸由于扩散而增加，如展示于图4C。原来在晶片30形成之区域13a-13h以虚线展示，而在退火之后变得较大且以区域14a-14h标记。区域14a-14h(图4C及4D)的区间隙为w_a，其中w_a＜w_b。示范的数值如w_b＝200nm；w_a＝120nm。

一种制造上述图4A及4B型态的取样结构的方法如图5A-5D所展示，作为具体实施例。首先，将光阻层11施用于晶片30表面(图5A)。其次，光阻剂经过曝光及显影使光阻层11产生图案，在光阻层11上制造孔12a-12h(图5B)。

上述方法(如先前段落所述)也适用于产生硅晶片晶体管的一个或多个部份。例如，源极与汲极区、及其外延区也可在形成区域13a-13h的同时形成，视具体实例而定。若然，则除了形成取样结构所需的孔12a-12h之外，层11在晶体管即将形成的区域也带有孔。此外，晶片30上各种不同的晶体管的所有区域均可分别且依照与上述不同的方法形成，视具体实施例而异。

采用离子植入是为了在孔12a-12h下方(及在任何可能在形成晶体管时出现的额外孔的下方)形成区域13a-13h。光阻层11则阻挡了其它的离子布植物(图5C)。其后将光阻剂11移除，在基底10上留下布植区域13a-13h(图5D)。

值得注意的是图案区13a-13h的宽度可能异于微影蚀刻图案转移罩上所用的宽度。例如，如果此图案是过度曝光，此线可能会变宽。某些具体实施例中，线宽知识用来导出水平方向扩散测量。此时，一些制程的具体实施例便在此时进行使用SEM测量真实的线宽。

最后，使此晶片退火，引起布植区13a-13h发生扩散，形成膨胀的掺添区14a-14h(图5E)。此膨胀的掺添区14a-14h超过对应的布植区域13a-13h的深度有Vd，且水平尺寸也超过距离Hd。此水平尺寸的改变Hd与对应的垂直尺寸Vd的相关性系依循下列准则：水平方向的扩散约为垂直向的0.7倍。本文中的一种方法可免除依赖这种准则，因为其为实际测量水平方向的扩散。正如上文所言，此道步骤可与晶体管的制造步骤合并进行，例如浸蚀接触窗或门极结构。因此，无须使用额外的罩或制造步骤来形成取样结构，除了一些正常用来形成集成电路的，即在无取样结构的情况下也须要的。

在退火期间水平方向扩散横跨距离Hd会造成掺添区14a-14h(也称为″掺添手指″)之间的间隙缩小。因此，本发明其中一个具体实施例即以测量空间缩小程度w_a-w_b来估算源极与汲极外延2s及2d之间的水平方向扩散。此间隙缩少的测量试验在退火前后以测量距离w_b及w_a进行，例如参考下述图6。在其中一个实施例中，退火前的距离W_b等于印刷罩的宽度，且可用SEM测量；退火后的距离使用本文前述的方法测量。不过，正如上述所言，也可采用其它方法来测量此间隙。而某些具体实施例中并未计算间隙的缩小值w_a-w_b，而是用间隙w_a或间隙w_b或两者个别地用于施行制程控制。

测量掺添区的间隙w_a或w_b时，视具体实施例而定，有一或两道光束照射在取样结构上。特定而言，第一光束(亦称为″泵光束″)，其光子位于半导体材料能隙之上，最初是瞄准在取样结构(如图6 act 601说明)。取样结构经此照射后会产过量载子，且过量载子的浓度在较低掺添区较高，在较高掺添布植区较低。此外，第二光束(也称为″探测光束″)是用于测量(如图6的act602)，且在图7A中两道光束(其为同时)是由箭号16代表，其亦标记成P_IN。载子浓度的差异会造成载子分布在交叉斜线区15(参见图7A)高于掺添区14a-14h。

图7B以及图7C显示过量载子浓度为深度的函数。这些图标均显示由泵光束照射所造成的过量载子浓度；亦即，载子浓度随着光束的频率调整而变化(而非总载子浓度，因为有背景载子而较高)。

在掺添区14a-14h之间的区域中，过量载子浓度15s(图7B)由表面20到在基底10内掺添区的终点均保持不变(图7B)。掺添区的深度也许在200至400左右。此浓度在较深处-数微米约略维持不变。载子浓度的数值15s依泵光束的强度而异。就以受照射级数在5mW的激光强度照射的晶片表面20而言，当受波长830毫微米的光束聚焦在直径3微米的点时，在光束直径范围内(即照射区)的过量载子浓度15s可能落在1x1078载子/公分3的等级。此过量载子浓度在光束以外逐渐变细。不过，在此光束直径以外发生的事对于此测量方法并不重要，只要此探测光束点落在泵的区域内即可。

沿着一条垂直线穿过掺添区14d，距离表面20愈远，其过量载子浓度15d(图7C)会愈高。掺添区14d与区14a-14h是完全相同的。根据此理由，相同的波形也出现在图7A，有一条垂直切线7C-7C穿过掺添区14g。过量载子浓度15d是沿着切线穿过任何掺添线段14a-14h的浓度波形。一条穿过二个掺添线段14g及14h缺口的第二切线7B-7B在图7B中沿着此切割线有过量载子波形。

在14a-14h各掺添区的下方，通常是在界限(21)的下方数百(200-300)处，其浓度15d(图7C)大约等于浓度15s(图7B)。不过，当沿着此垂直线从基底10朝向晶片表面20垂直向上时，浓度15d最初维持固定不变，直到抵达掺添区14d的水平界限21，且在这个界限21处浓度15d遽降且其幅度低于浓度15s达数阶。在图7A，虚线24代表每个掺添区的界限21所在的水平面。

水平陡度分布测量根据下式得出，因为其净讯号是(％缺口的面积)×表面之讯号+(％掺添区的面积)×接合点24的讯号)。当水平方向扩散增加时，掺添区的面积百分比增加且非掺添区的面积百分比下降。因此，所测得的讯号是测量水平方向扩散。同时，所测得的讯号是接合深度24的函数，因此深度为此测量的一部分，而接合深度可由图10所示得出且如下文讨论。

硅的折射率已知是其传导性的函数，且根据下式随着过量载子浓度呈线性增加

$\mathrm{\Δn}=\frac{q^{2}N}{2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_s{m}^{*}{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

其中Δn是折射率的变化，N为过量载子浓度(在本案例中，其为在黑暗中的浓度与在产生载子的条件(例如光照)下的浓度差异)，ε_o是真空电容率，ε_s是硅的介电常数，m*是此载子的有效质量，q是电价，以及w是照射载子的光的频率。此关系式来自已知的Drude传导模式(参见Jackson，Electrodynamics)。

由于过量载子浓度造成折射率改变，因而在掺添区之间的晶片表面20会发生急速的折射率梯度，而在扩散区域14a-14h的较低界面21则会出现较和缓的梯度。不过，此表面梯度在掺添区内已大为缩小(因为在掺添区内的过量载子浓度较小)。同时，深度24的梯度在掺添区14a-14h的缺口处并不存在，因为缺口区域的深度并没有掺添步骤。

探测光束16(图7A)可沿着扩散区14a-14h的长轴极化(即沿着垂直于图7A中纸的平面的线极化)，不过探测光束16也可未经极化，视具体实施例而异。美国专利申请案序号09/521,232(申请日期2000年3月8日)曾提及：使平行于长轴的泵光束或探测光束其中之一或两者极化，能提高其对于掺添区以及介于区域间的空间存在的敏感度。当探测光束撞击在半导体晶片30上时，便出现了不同的反射部分，如图7A中箭头17、18以及19所展示。反射部分17从表面20前方出现，因为其材质是从空气改成硅。无论过量载子分布15是否存在，此探测光束反射部分17依然出现。另一个反射部分18也出自表面20，且其是由于半导体10表面20上的过量载子浓度15s中的急速梯度造成部份的折射率所致。不过，另一个反射部分19则是由于在掺添区14a-14h的较低边沿21上的过量载子浓度15d的梯度所引起。

其中一个具体实施例包括调控第一光束，以及用锁相放大器测量第二光束经过调控后的反射部分的强度，例如act 603(图6)的展示。然而，因为反射部分18以及19只有在过量载子存在时才出现，因此要分辨这些反射部分与其它反射部分时，只须将载子生产(例如通过第一光束)开及关便可。测量第二光束的反射时可因此先转开第一光束，然后再关闭第一光束，取此两个测量结果的差值，进行act 603。

若是要调控第一光束的强度，在具体实施例之一中此调控频率是低于未掺添区内载子生命期的倒数。在某些具体实施例中这是用以形成图7C所述的载子分布。就生命周期100微秒者，其频率可选定在10kHz以下，在其它具体实施例可能有所不同。可测量的讯号将出现在较高频，但也可能弱化。较佳的具体实施例中，因此，使用较低频。在较高的频率下，载波也将产生。在此案例中，上述的过量载子浓度分布(其结果乃为一个静态扩散公式之解答)并不符合，且此讯号将是载波反射与静态分布重叠的结果，后者才是所欲得的讯号。

特别言之，以频率ω周期性激发下，具时间依存性的扩散公式如下：

$\frac{{\∂}^{2}n}{{\∂z}^2}-\frac{n}{D}(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\mathrm{j\ω})=0---\left(2\right)$

其中D是散射率，i是生命周期，n为过量载子浓度，而j是(-1)的平方根。当ω＞＞1/τ时，第二项便不存在，产生了波型解。相反地，当ω＜＜1/τ，即产生了静态解。

其中，因过量载子的表面浓度产生的反射部分18其相对强度是水平方向扩散的函数。例如，试想在极端状况下，水平方向扩散将扩散区之间的空间完全用尽(wa＝0)。此时，反射部分18为零。相反地在无水平方向扩散时，反射部分18最大。因此，反射部分18将仅随着水平方向扩散而异，而其强度的测量结果则与水平方向扩散有关。

侦测器的讯号可用反射部分17、18以及19描述如下。源自表面20的反射振幅是反射部分17和18的总和，可记述成

r_s＝r_s0+Δr_s                                         (3)

其中右边第一项为反射部分17，而第二项为反射部分18。反射部分19，源自扩散区较低边21的反射振幅，则通过光线运输而相位转移到较低边21及后方，描述成

r_j(z)＝r_je^j2nkz                                      (4)

其中n为硅的折射率，k＝2/λ是其波数，其中λ为波长，而Z为表面20及扩散区21较低边之间的距离。

侦测器的功率是反射值总和的平方，如下述；

$P={|r_{s0}+{\mathrm{\Δr}}_s+r_j{e}^{j2\mathrm{nkz}}|}^2=r_{s0}^2+{2r}_{s0}{\mathrm{\Δr}}_s+2r_{s0}{r}_j\cos \left(2\mathrm{nkz}\right)---\left(5\right)$

在上式中，二次方项已忽略，因为反射部分rso数值通常大于其它项的数次方。若将讯号过滤以移除dc反射部分，则仅剩下最后两项，

P＝2r_s0(Δr_s+r_jcos(2nkz))                            (6)

其中在括号内有两项。此两项的相对量相当于晶片表面的掺添区和未掺添区的相对宽度。此外，第二项是掺添区垂直深度的函数。

上式中，可知测得的讯号是来自掺添区及未掺添区的讯号的线性重叠。在极端状况之一，晶片未经掺添(掺添区宽度为零)，讯号取自未掺添的晶片。在另一极端状况，晶片是充分掺添(未掺添区-介于掺添线之间的缺口-的宽度是零)而其讯号是取自经掺添的晶片。讯号以掺添区：未掺添区表面面积的比例作为函数，在此两种极端之间呈线性变化。

在一个具体实施例中，其陡度分布使用图7D的图形取得。对以现有技术方法测试的参考晶片进行独立的校正实验可求得反应曲线701。在这些实验中，取样结构的样品建立于参考晶片中并依序在较长的时间或温度下经历退火。这些样品依上述图6所言测量而产生讯号。此退火后扩散区的深度Dr(图4B)可依常见方法例如SIMS(其中提供扩散量估计值)而求得。在一个实施例中，此曲线701根据下表定义：

图7D的符号    值

Sf            20,000μV/条件化的

Sl            17,600μV/条件化的

Sm            18,000μV/条件化的

Su            18,500μV/条件化的

Df            500

Du            200

Dm            250

Dl            300

在图7D展示的实施例中，取样结构由掺添线宽2800和线的间隔2400形成。所测得的讯号其接合深度为400。

参见图7D，在曲线701斜坡部份之后有一段平台区，其理由如下。某些退火时间及/或温度最大的参考晶片其扩散作用能将扩散区域完全连接，使得间隔w_a为零且曲线701呈平坦状，如所展示的大于Dx的大量水平方向扩散(图4D)。因此，Dx的位置能用以测量水平方向扩散Hd对垂直扩散Vd的比例(图4D)，因为当水平方向扩散Hd的值等于介于布植区之间的间隔w_b的一半时，则距离w_b便由罩的图案设定。

然后此校正曲线701(图7D)可用以控制生产中晶片(亦称为″晶片制造″)的扩散过程。依上述图6的方式测试未知样品并得到一个讯号值S_M。此讯号相当于一个从曲线701求得的水平方向扩散数值D_M。讯号控制的上限及下限值S_U及S_L可设定为对应于水平方向扩散的最大值以及最小值D_u以及D_L。当测得的讯号超出这些极限值S_U或S_L时，会激活警讯及/或自动调节。

较佳的硬件构造展示于图8。载子生产激光801为波长830毫微米的二极泵激光(Spectra Diode Labs，San Jose CA)。其输出是以准直镜823校正平行，成为准直光束803。测量激光805为波长980毫微米的二极泵激光(Spectra Diode Labs，San Jose CA)。其输出是以准直镜807校正平行，成为准直光束809。

使用双色镜810合并光束809及803以产生合并的光束811。此光束通过50∶50分光器812、90∶10分光器814、以及接物镜815(100X，Olympus，Tokyo，Japan)。透镜815将光束811对准到晶片表面816之上。反射讯号部分再经透镜815校正平行。分光器814将10％的回归光束转向透镜817及相机818，供应一种将光点对齐图案的系统。

在图8未显示的是自动对焦系统，其中包括针孔、塞孔以及侦测器，其亦利用一部分经分光器814转向的回归光束。此回归光束然后进入分光器812，再通过滤光器819。过滤器819让从测量激光805发出的光通过，但阻挡了生产激光801发出的光。

该穿透部分会到达侦测器820，其为一种硅光电二极管。此光电二极管的电流经转阻放大器824转换成电压，其输出则朝往锁相放大器825。锁相放大器825的输出通往数字计算机，在收取信号后并展现给使用者或其它数据收集系统。锁相825包括一个频率参考用于调控激光驱动器821，其能提供经调控驱动输出给激光发送器801。

上述讨论显示本发明的某些具体实施例。其它的具体实施例以及此描述的具体实施例的变更就熟悉此技术的专业人士的专业而言均有可能。

例如，上述具体实施例之一意指光阻剂作为布植罩层11的用途。然而，其它材料也可使用，在为了将取样结构的形成与晶片制程通常使用的流程整合为一时甚至为较佳上选。

例如，罩的材料可为一些沉淀的材料，例如二氧化硅、多晶硅及/或氮化硅。

某些具体实施例与过程控制有关。不过，其它具体实施例可应用在制程发展。例如，当发展工程师想要比较以不同的激光退火处理后所可能产生的陡度(亦即使用激光束加热硅的局部部位以活化掺杂原子)，此测试方法便可提供资料。就此案例而言，取样结构的可能性便扩大了，因为再也不须配合标准流程了。例如，可使用狭窄聚线的罩，然后放置间隙器(氮化硅层在聚线的一边，如同一般常施用在晶体管的多晶硅光闸上)，然后在去除此罩之前先行退火以减少间隙器可能带来的紧迫效应。其它在发展制程时的可能特制结构并无限制，不过仍会使用上述文中的一种或多种原理。

在另一具体实施例中，充分掺添区及未掺添区均包含在测试图案内。如图9所展示，在测试结构中可包括五个图案930、941、942、943及950，其中图案930为充分掺添区(无条纹图案，100％掺添)。图案950为充分未掺添区(无离子布植，0％掺添)。在各图案中，图案941、942以及943的掺添条(也称为″布植区域″)的宽度不变，三个图案的未掺添区的宽度则渐增加。其它具体实施例可使用别种图案或不同数目的图案。在此实施例内，在退火前的尺寸(被称为此印刷尺寸)是图案941(50％掺添)的条宽0.1微米以及0.1微米间隔，图案942(40％掺添)的条宽0.1微米以及0.15微米间隔，图案943(33％掺添)的条宽0.1微米以及0.2微米间隔。

上述取样结构型态的测量结果是在图案930、941-943以及950的位置进行。例如，第一个测量是在图案930上进行。然后以位置901上的激光束沿着水平线920扫瞄至测量终点图案950的位置902，沿着水平线920在每一个数字位点上均进行测量。例如，在内含图案930、941、942、943以及950的这五个区域进行五个测量结果。在另一具体实施例以内含大规模测量次数的线扫描进行，例如在位置901以及902之间沿着线920在进行100个固定增量区间进行测量而取得101个测试值。在一个实施例中，各图案均是10微米宽及区间0.5微米，以便在101道步骤中完成50微米长的图案。

当晶片中的一部份区域受光束照射并测取其反射光束，所测取的讯号是此掺添区及未掺添区在此测试部位内的讯号的重叠，以下式表示

S＝S_D×F_D+S_U×F_U                                     (7)

当S是讯号，S_D以及S_U分别是来自充分掺添区以及未掺添区的讯号，而F_D以及F_u分别是掺添以及未掺添的测量面积分率。其中，掺添以及未掺添的测量面积比例由下式表示

$F_D=\frac{W_{\mathrm{PD}}+2\mathrm{\δ}}{P}---\left(8\right)$

$F_U=\frac{W_{\mathrm{PU}}-2\mathrm{\δ}}{P}---\left(9\right)$

其中δ是水平方向扩散距离，P是间距(在条与条之间由中心-到-中心的间隔距离)，WPD以及WPU分别是掺添区以及未掺添区的印刷宽度(P＝WPD+WPU)，此讯号的公式如下

$S=S_D{F}_{\mathrm{PD}}+S_U{F}_{\mathrm{PU}}-\frac{2\mathrm{\δ}}{P}(S_D-S_U)---\left(10\right)$

其中F_PD以及F_PU是掺添及未掺添的测量面积的印刷分率。上式经过整理后，可得出在水平方向的扩散

$\mathrm{\δ}=\frac{P}{2}\×\frac{S_D{F}_{\mathrm{PD}}+S_U{F}_{\mathrm{PU}}-S}{(S_D-S_U)}---\left(11\right)$

使用如图9所示的测试结构的优点在于，上述所有公式的数值均为已知，因此可直接计算求得。特定而言，间距p是由经微影蚀刻的罩设定且已预先知道。掺添以及未掺添的印刷分率F_PD以及F_PU可从测量光阻罩的罩或SEM两者之一得知。掺添区的讯号S_D可由测量位置930而得知。从未掺添区SD发出的讯号则是由位置950测量出。各区941、942和942有不同印刷分率F_PD以及F_PU其由间距及掺添条的宽度设定。

图10展示一个具体实施例的实测讯号，其为印刷掺添的测试面积的分率的函数。若无水平方向扩散，则讯号将如线形1010。点1030等于充分掺添区950的讯号(其可为，例如，2000μV及接合深度350)。点1050等于在完全未掺添区950的讯号，其可为20,000μV。在零水平方向扩散和30毫微米水平方向扩散的情况下，其讯号如下表。

区	掺添条(nm)	未掺添(nm)	FD(％)	Fu(％)	讯号(δ＝0)(μV)	讯号(δ＝30nm)(μV)
							930	N/A	0	0	100	2,000	2,000
941	100	100	50	50	11,000	5,600
							942	100	150	40	60	12,800	8,480
943	100	200	33	67	14,000	10,400
							950	0	N/A	100	0	20,000	20,000

若无水平方向扩散，点1041u、1042u以及1043u是在区941、942以及943测得。这些点落在连接着点1050(对整个完全未掺添区950施测)和点1030(对整个充份掺添区930施测)的直线上。不过，若有水平方向扩散，此对应的点会落在斜率较小的线上，例如线1020。此线1020连接着点1030、1041d、1042d、以及1043d，且与垂直轴交会于位在点1050下方的点1051。将源自区域941、942或943三者其中之二的讯号(讯号1041d、1042d、或1043d)代入上述公式11即可求得水平方向扩散δ。这些结果可由一个区域中求得，或取数个区的平均值以改善准确度。

如是多种该修饰、更动及变化均涵盖于本文随附的权利要求范围。

Claims (21)

1.一种评估半导体晶片的方法，该方法包含：

在半导体材料中形成具有预定几何形状的取样结构，该取样结构内含数个彼此独立的区域，这数个区域中至少有一个区域的性质与这数个区域中的另外区域不同；

测量源自该取样结构的反射光，该反射光具有一部分，此部分包含来自具不同电子性质的区域中振幅或相位不同的反射光的重叠部分；

分析测得的讯号以决定区域内水平方向扩散的程度；

以水平方向扩散结果决定是否接受或拒绝该晶片做进一步处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

这数个区域包含至少一个近乎完全掺添的第一区，及一个近乎未掺添的第二区；及

该方法包含测量源自取样结构的反射光，该反射光具有源自每一该第一区及该第二区的光的部分。

3.如权利要求1所述的方法，其中：

位于该至少一个区域内的一部份掺添为已知；及

分析包括使用这部分掺添来决定水平方向扩散的程度。

4.如权利要求1所述的方法，还包含：

以第一光束照射至少一部份取样结构以产生数个电荷载子；

以第二光束照射以便测量半导体晶片的至少一个区域，该晶片的数个电荷载子中至少有一部份是因第一光束的照射而产生的。

5.如权利要求4所述的方法，其中：

第一光束及第二光束的每一个为同时发生。

6.如权利要求4所述的方法，其中：

第一光束及第二光束其中至少一个经过偏极化。

7.如权利要求6所述的方法，其中：

该取样结构包括数个掺添区，每一掺添区与彼此邻近的另一掺添区分离；且

偏极化是与各掺添区平行。

8.如权利要求6所述的方法，其中：

第一光束及第二光束均经过偏极化。

9.如权利要求4所述的方法，还包含：

将第一光束的强度调控在一预定的频率；及

在测量中使用该预定的频率。

10.如权利要求1所述的方法，其中：

各掺添区与其毗连的掺添区相隔一段固定距离。

11.如权利要求1所述的方法，其中：

各掺添区与其毗连的掺添区相隔一段不同的距离。

12.如权利要求1所述的方法，其中：

该测量会显示图案化后的线宽。

13.一种评估半导体晶片的方法，该方法包含：

在半导体晶片中形成具有预定几何形状的取样结构；

测量代表取样结构尺寸的讯号，该讯号源自至少一近乎完全掺添区及一近乎未掺添区；且

视测量所得的讯号而定，改变晶片制程的制造参数。

14.如权利要求13所述的方法，还包含：

以至少一道电磁辐射光束照射取样结构。

15.如权利要求14所述的方法，其中：光束经过偏极化。

16.如权利要求13所述的方法，还包含：

以第一光束照射取样结构以产生数个电荷载子；及

以第二光束照射取样结构以感应由第一光束产生的电荷载子的浓度。

17.如权利要求16所述的方法，其中：

将第一光束调控在一预定的频率；及

在测量步骤中使用该预定频率。

18.如权利要求11所述的方法，其中：

测量还额外包括测量在该掺添部分是已知的至少一区域中的反应；及掺添部分是用来决定制程参数的改变。

19.一种用于评估半导体晶片的设备，该设备包含：

用以在半导体晶片中形成具有预定几何形状的取样结构的装置；及

用以测量代表取样结构尺寸的讯号的装置。

20.如权利要求19所述的设备，还包含：

用于以一道电磁辐射光束照射取样结构的装置。

21.一种评估半导体晶片的方法，该方法包含：

在半导体材料中形成条纹几何形状的取样结构，取样结构内含数个彼此独立的区域，每一区域的掺添浓度均与另一相邻区域不同；

测量源自取样结构的反射光，该反射光具有一部分来自至少一个区域的光；

分析测得的讯号以决定区域内水平方向扩散的程度；

以水平方向扩散结果决定是否接受或拒绝晶片做进一步处理。

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