一种半导体器件退火工艺效果的测试方法与流程

1.本发明属于半导体器件欧姆接触退火技术领域，更具体的是涉及一种半导体器件退火工艺效果的测试方法。


背景技术：

2.欧姆接触技术是半导体领域重要的工艺技术之一，通过欧姆接触技术可以是金属与半导体材料形成良好的欧姆接触，从而减小器件的电阻和功耗。获得良好欧姆接触最常用的手段是热退火，即形成金属/半导体结构后对样片进行热退火，当金属/半导体界面达到反应温度时，二者扩发生反应形成合金，欧姆接触即可形成。
3.测试表征欧姆接触效果常用的手段是在热退火工艺后，使用光刻、刻蚀、金属加厚等工艺形成图形化的金属线条，最典型的是电荷传输线模型(charge transportion line model)，而后进行iv测试，根据测试结果分析欧姆接触效果。这种测试表征方法流程相对复杂、需要其它加工工艺配合、周期相对较长；另外，当前形成欧姆接触所需合金层的厚度越来越薄，已经达到纳米尺度，如仍使用传统的测试流程进行测试，则易带来超薄合金层的污染、损伤从而影响测试准确性。另一方面，集成电路产业追求效率，快速的完成工艺开发、测试表征并确立工艺窗口非常重要，传统的欧姆接触测试流程耗时较长，不利于效率提升。
4.为了解决以上问题，本发明提出一种准确地、快速地确定半导体器件退火工艺效果的简单方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决传统欧姆接触表征测试流程相对复杂、耗时相对较长等问题，提出一种准确地、快速地确定半导体器件退火工艺效果的简单方法，整个测试过程无需使用任何光刻、刻蚀、金属加厚等工艺，只使用无图形化的衬底就可完成形成欧姆接触所需退火工艺窗口的确认。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.第一方面，本发明提供一种半导体器件退火工艺效果的测试方法，其包括：
8.在裸晶圆的正面设置一层金属薄膜；
9.将覆盖有金属薄膜的晶圆沿水平和竖直方向裂片，得到侧面均无金属薄膜覆盖的实验片；
10.对实验片进行退火处理，观察实验片的金属表面形貌和颜色变化，测试实验片的正面和背面的电流电压特性，根据电流电压特性，确定能够形成欧姆接触所需的退火工艺窗口。
11.进一步地，在本发明较佳的实施例中，在晶圆的正面设置金属薄膜的方法包括热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射。
12.进一步地，在本发明较佳的实施例中，金属薄膜全面覆盖于晶圆的正面，金属薄膜的厚度为50～150nm。
13.进一步地，在本发明较佳的实施例中，退火处理包括使用热退火工艺或激光退火工艺处理实验片。
14.进一步地，在本发明较佳的实施例中，使用热退火工艺处理实验片：
15.当退火温度＜形成欧姆接触所需的退火工艺窗口下限时，金属与硅不能形成欧姆接触，电流电压特性表现为绝缘体特性；
16.当退火温度位于形成欧姆接触所需的退火工艺窗口内时，金属与硅形成欧姆接触，电流电压特性表现为肖特基特性；
17.当退火温度＞形成欧姆接触所需的退火工艺窗口上限时，金属与硅处于过渡合金状态，电流电压特性表现为绝缘体特性。
18.进一步地，在本发明较佳的实施例中，使用激光退火工艺处理实验片：
19.当激光能量密度＜形成欧姆接触所需的退火工艺窗口下限时，金属与硅不能形成欧姆接触，电流电压特性表现为绝缘体特性；
20.当光能量密度位于形成欧姆接触所需的退火工艺窗口内时，金属与硅形成欧姆接触，电流电压特性表现为肖特基特性；
21.当光能量密度＞形成欧姆接触所需的退火工艺窗口上限时，金属与硅处于过渡合金状态，电流电压特性表现为绝缘体特性。
22.进一步地，在本发明较佳的实施例中，金属薄膜中的金属包括al、ti、ni和cr中的至少一种。
23.进一步地，在本发明较佳的实施例中，裸晶圆由半导体材料制作，半导体材料包括硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化硅和氮化镓。
24.与现有技术相比，本发明至少具有如下技术效果：
25.传统方法确定欧姆接触退火工艺效果需要使用光刻、刻蚀等图形化手段制备器件，而后测试器件电学特性，耗时较长、流程相对复杂且成本相对较高。而本发明提供的这种半导体器件退火工艺效果的测试方法，不需要使用任何图形化手段，也不需要其它工艺诸如离子注入激活等的配合。本发明方法基于裸晶圆，使用蒸发或溅射方法在晶圆正面全部覆盖金属，之后手动裂片实现样片侧壁的绝缘，再进行退火合金工艺，而后测试样片正面与背面之间的电流-电压特性。根据测试结果即可准确、快速确定形成良好欧姆接触所需的工艺窗口。
附图说明
26.图1为本发明的半导体器件退火工艺效果的测试方法的工艺流程图；
27.图2为本发明不同合金效果及对应的iv特性图示；
28.图3为实施例1中的金属薄膜沉积图；
29.图4为实施例1中的晶圆裂片过程示意图；
30.图5为实施例1中的金属薄膜厚度较小时合合金效果示意图；
31.图6为实施例1中的金属薄膜厚度较大时合合金效果示意图；
32.图7为实施例1中的不同激光退火条件下的电流电压特性实测结果。
具体实施方式
33.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围，实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或者制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
34.本发明的技术方案为：
35.本实施方式提供一种半导体器件退火工艺效果的测试方法，流程图如图1所示，其中101为裸晶圆；102为金属薄膜；103为合金层。
36.该测试方法包括：
37.步骤s1：在裸晶圆的正面设置一层金属薄膜；
38.使用无图形化的裸晶圆，例如硅、锗、砷化镓，磷化铟、碳化硅以及氮化镓等半导体材料制作的晶圆。
39.在裸晶圆的正面设置一层金属薄膜，该金属在后续的热退火过程中会与硅形成合金实现欧姆接触。金属薄膜中的金属包括al、ti、ni、cr金属，该类金属与硅的粘附性好。优选地采用al-si、ni-si两种半导体和金属体系。
40.进一步地，使用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等方法，在裸晶圆正面全部覆盖一层金属薄膜。优选地，使用磁控溅射法来制备金属薄膜。
41.进一步地，金属薄膜全面覆盖于晶圆的正面，金属薄膜的厚度为50～150nm，优选地，金属薄膜的厚度为80～120nm。
42.步骤s2：将覆盖有金属薄膜的晶圆沿水平和竖直方向裂片，得到侧面均无金属薄膜覆盖的实验片；
43.由于金属制备方法的特点，晶圆侧面也会被金属薄膜覆盖，如不经处理直接使用会导致不正确的测试结果。当将将覆盖金属薄膜的晶圆沿水平和垂直方向裂片，使用四个侧面均是裂片形成的样片为实验片，此时实验片四个侧面均无金属薄膜覆盖，电流通过侧面金属的传输被隔断。
44.步骤s3：对实验片进行退火处理，观察实验片的金属表面形貌和颜色变化；测试实验片的正面和背面的电流电压特性，根据电流电压特性，确定能够形成欧姆接触所需的退火工艺窗口。
45.显微镜观察：使用显微镜观察退火后金属表面形貌及颜色变化，当金属厚度较薄时(一般＜100nm)，退火过后，金属薄膜整体都会参与合金过程，金属区域的颜色会发生明显变化。此时是否发生合金及合金效果可通过显微镜观察判断。当金属厚度较厚时(一般大于100nm)，在合适的退火工艺窗口内，仅金属/硅界面上方一定厚度的金属参与合金过程，其余金属不参与合金过程，金属区域无明显颜色变化，此时无法通过显微镜观察判断合金是否发生。
46.退火处理包括使用热退火工艺或激光退火工艺处理实验片。
47.其中，热退火工艺过程包括：先将硅片表面清洗干净，并使用氟基溶液去除硅片表面氧化层，然后用蒸发或者溅射工艺在硅的表面制作一层厚度50～150nm的al，在热退火炉中加热到300℃以上，处理时间＞30秒，该处理过程中可以是真空状态，也可以通入氮气、惰性气体等保护气体。
48.使用热退火工艺处理实验片：
49.当退火温度＜形成欧姆接触所需的退火工艺窗口下限时，金属与硅不能形成欧姆接触，电流电压特性表现为绝缘体特性；
50.当退火温度位于形成欧姆接触所需的退火工艺窗口内时，金属与硅形成欧姆接触，电流电压特性表现为肖特基特性；
51.当退火温度＞形成欧姆接触所需的退火工艺窗口上限时，金属与硅处于过渡合金状态，电流电压特性表现为绝缘体特性。
52.激光退火工艺过程包括：先将硅片表面清洗干净，并使用氟基溶液去除硅片表面氧化层，然后用蒸发或者溅射工艺在硅的表面制作一层厚度50～150nm的al，制作完al的硅片放置于具有透明窗口的真空腔室中，或者激光头具有氮气或惰性气体吹扫功能，然后将具有一定能量的平顶激光光斑照射到al的表面，能量密度从0.1j/cm2开始按照0.1j/cm2的能量间隔依次加大进行系列能量密度的激光光斑照射，以找出最优的能量密度。
53.使用激光退火工艺处理实验片，不同合金效果对应的iv特性如图2所示：
54.当激光能量密度＜形成欧姆接触所需的退火工艺窗口下限时，金属与硅不能形成欧姆接触，电流电压特性表现为绝缘体特性；
55.当光能量密度位于形成欧姆接触所需的退火工艺窗口内时，金属与硅形成欧姆接触，电流电压特性表现为肖特基特性；
56.当光能量密度＞形成欧姆接触所需的退火工艺窗口上限时，金属与硅处于过渡合金状态，电流电压特性表现为绝缘体特性。
57.以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
58.实施例1
59.本实施例提供一种半导体器件退火工艺效果的测试方法，包括：
60.(1)使用硅晶圆作为裸晶圆。
61.(2)制备金属薄膜：如图3所示，使用磁控溅射法在裸晶圆正面全面覆盖一层100nm金属薄膜，其中，使用的金属为al。
62.(3)裂片：如图4所示，将覆盖金属薄膜的晶圆沿水平和竖直方向进行裂片，使用四个侧面均是裂片的样片为实验片。
63.(4)退火处理过程包括：对实验片进行激光退火工艺处理，具体地，将实验片放置于加工运动平台上，采用真空吸附。然后从0.1j/cm2开始按照0.1j/cm2的能量间隔依次加大进行系列能量密度的激光光斑照射，以找出最优的能量密度。在此过程中，我们使用氮气持续吹扫晶圆表面，在晶圆表面光斑照射区域形成局部的无氧环境，防止金属表面在激光照射下发生氧化。
64.(5)显微镜观察：使用显微镜观察退火后金属表面形貌及颜色变化，当金属厚度较薄时(一般＜100nm)，退火过后，金属薄膜整体都会参与合金过程，金属区域的颜色会发生明显变化(如图5所示)。此时是否发生合金及合金效果可通过显微镜观察判断。当金属厚度较厚时(一般大于100nm)，在合适的退火工艺窗口内，仅金属/硅界面上方一定厚度的金属参与合金过程，其余金属不参与合金过程，金属区域无明显颜色变化(如图6所示)，此时无法通过显微镜观察判断合金是否发生。
65.(6)电流电压测试：使用探针台测试样片正面和背面的电流电压特性。当退火温度未达到形成欧姆接触合金的阈值时，不能形成欧姆接触合金，此时样片正面和背面之间电流电压特性表现为绝缘体特性。当退火条件大于形成欧姆接触合金的阈值时，可以形成欧姆接触合金，此时样片正面和背面之间电流电压特性表现为肖特基二极管特性。当退火条件过于剧烈时，会形成其它形式的合金层，此时样片正面和背面之间电流电压特性再次表现为绝缘。
66.图7为使用不用激光能量密度进行激光退火工艺后的实测电流电压特性。所使用的能量密度大小排序为：ed1＜ed2＜ed3＜ed4＜ed5＜ed6，可以看出，ed2＜ed＜ed3时，电流电压表现为电性的肖特基整流特性，表明此时已形成良好的欧姆接触。
67.因此，根据电流电压特性确定形成良好的欧姆接触所需的退火工艺窗口，ed2＜ed＜ed3为形成良好欧姆接触所需的能量密度工艺窗口。
68.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。