[发明专利]半导体结构中氮含量的测量方法及装置

说明书

本发明涉及一种半导体结构中氮含量的测量方法，包括：提供半导体结构，半导体结构包括电荷俘获层以及形成于电荷俘获层之上的隧穿层；扫描半导体结构，以获得半导体结构的氮含量电子能量损失图谱；其中，入射电子束在第一采集区域中电荷俘获层的底部形成第一扩展区域，并在与第一采集区域相邻的第二采集区域中电荷俘获层的底部形成第二扩展区域，第一扩展区域与第二扩展区域至少没有重叠；根据氮含量电子能量损失图谱，确定电荷俘获层和隧穿层中的氮含量。

技术领域

本发明主要涉及半导体测试领域，尤其涉及一种半导体结构中氮含量的测量方法。

背景技术

半导体集成电路自诞生以来，经历了从小规模、中规模到大规模和超大规模集成的发展阶段，并日益成为现代科学技术中最为活跃的技术领域之一。

为了克服传统的二维存储器在存储容量等方面的限制，常常采用三维(3D)堆叠技术以实现存储器更高的性能和集成度。三维堆叠技术可以将不同功能的芯片或结构，通过堆叠、孔互连等微机械加工技术，在垂直方向上形成立体集成、信号连通的三维结构。利用这一技术将存储单元三维地布置在衬底之上可以大幅提高存储芯片的存储密度。

半导体堆栈(stack)结构已经被广泛应用于3D存储芯片的制造中。举例来说，SiOx-SiOxNx-SiOxNy堆栈(ONO stack)的多层结构往往是3D NAND等非挥发性三维存储芯片的核心结构，其成分及厚度的变化会很大程度上影响芯片的编程、储存和读取能力。在ONO堆栈结构中，氮(N)元素的含量分布是一项非常关键的成分指标。由于氮元素的含量会显著影响多层结构的电学性能，因而准确地测量半导体结构中的氮含量显得尤为重要。

用于元素含量分析的仪器和方法主要有二次离子质谱(Secondary Ion MassSpectroscopy，SIMS)，X射线光电子能谱分析(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)，能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)以及电子能量损失图谱(ElectronEnergy Loss Spectroscopy，EELS)等。

ONO堆栈结构的厚度一般小于20纳米(nm)，由ONO堆栈结构包围而成的沟道孔直径小于150nm。二次离子质谱和X射线光电子能谱分析的探测区域处于微米尺度，无法应用于例如3D NAND存储芯片等器件中的元素分析。能谱仪定量分析受制于信号量小、样品对信号吸收(特别是轻元素信号吸收特别明显)、二次荧光干扰等的影响，测量结果准确度和精确度无法满足要求。电子能量损失图谱具有信号量大、信号干扰小的特点，在元素的定性和定量分析中具有广阔的应用前景。

ONO堆栈结构中氮元素的电子能量损失图谱定量表征难点在于高能入射电子束造成结构的辐照损伤会极大地影响测量结果的精度。这种辐照损伤主要来源于ONO堆栈结构中氮化硅的离子化损伤。已有的文献(Igor Levin et al.Applied Physics Letters 83,1548(2003))提到辐照损伤会造成氮元素朝着ONO堆栈薄膜(film)界面扩散，也提出了减小采谱时间和增加搜集效率可以减小辐照损伤，而无法给出ONO堆栈结构中氮含量分布的高精度结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种半导体结构中氮含量的测量方法，该方法可以有效提高半导体结构中氮含量的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体结构中氮含量的测量方法，包括：提供半导体结构，所述半导体结构包括电荷俘获层以及形成于所述电荷俘获层之上的隧穿层；扫描所述半导体结构，以获得所述半导体结构的氮含量电子能量损失图谱；其中，入射电子束在第一采集区域中电荷俘获层的底部形成第一扩展区域，并在与所述第一采集区域相邻的第二采集区域中电荷俘获层的底部形成第二扩展区域，所述第一扩展区域与所述第二扩展区域至少没有重叠；根据所述氮含量电子能量损失图谱，确定所述电荷俘获层和所述隧穿层中的氮含量。