检测X射线光电子能谱仪稳定性的方法与流程

检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法。


背景技术：

2.氮氧化硅薄膜具有良好的光电性能、机械性质和化学稳定，氮氧化硅薄膜的含氮量直接影响到氮氧化硅薄膜性能；因此，对氮氧化硅薄膜的含氮量的监控十分重要，典型的氮氧化硅薄膜的含氮量是通过x射线光电子能谱仪(xps)获取的，如果x射线光电子能谱仪工作不稳定，则对氮氧化硅薄膜的含氮量测试会产生示值误差。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述问题，提供一种检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法。
4.一种检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法,包括：
5.获取表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值；
6.使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一测试值；
7.当氧氮含量的比率的第一测试值在所述第一上限值与所述第一下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定；
8.其中，所述氮氧化硅薄膜的厚度小于10纳米；通过所述x射线光电子能谱仪测量的氮氧化硅薄膜的氧含量的值、氮含量的值、硅氧含量的值之和为百分之百，所述氧含量的值、所述氮含量的值、所述硅氧含量的值均为百分数值，所述氧氮含量的比率是指所述校准片对应的氧含量和氮含量之和与所述氮氧化硅薄膜厚度的比值。
9.在其中一个实施例中，获取表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值的步骤包括：
10.分别使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行n次测量，相邻两次测量的测试时间之差为第一时间间隔，获取每次测量对应的氧含量的值、氮含量的值、硅氧含量的值、氮氧化硅薄膜的薄膜厚度值；
11.根据每次测量获取的所述氧含量的值和所述氮含量的值之和与所述氮氧化硅薄膜的薄膜厚度值的比值，获取每次测量对应的氧氮含量的比率；
12.根据所述n次测量对应的校准片的n个氧氮含量的比率,获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值；
13.其中，n为大于等于2的整数。
14.在其中一个实施例中，根据所述n次测量对应的校准片的n个氧氮含量的比率,获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值的步骤包括：
15.对所述n个氧氮含量的比率取平均值，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的
第一目标值；
16.根据所述n个氧氮含量的比率和所述第一目标值，获取所述氧氮含量的比率的标准偏差；
17.根据所述第一目标值、所述标准偏差，获取所述第一上限值和所述第一下限值。
18.在其中一个实施例中，根据所述第一目标值、所述标准偏差，获取所述第一上限值和所述第一下限值的步骤包括：
19.根据所述第一目标值与3倍所述标准偏差之和，获取所述第一上限值；
20.根据所述第一目标值与3倍所述标准偏差之差，获取所述第一下限值。
21.在其中一个实施例中，所述第一时间间隔的单位为天，所述n为30。
22.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
23.对所述n个氧氮含量的比率和所述n次测量对应的测试时间进行一次线性拟合，获取第一曲线；
24.根据所述第一曲线、所述第一上限值和所述第一下限值，获取所述x射线光电子能谱仪的校准周期。
25.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
26.分别使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行m次测量，相邻两次测量的测试时间之差为第二时间间隔，获取所述m次测量对应的氧氮含量的比率；
27.根据所述m次测量获取的氧氮含量的比率,获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第二上限值和第二下限值；
28.使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第二测试值；
29.当氧氮含量的比率的第二测试值在所述第二上限值与所述第二下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定；
30.其中，m为大于等于2的整数。
31.在其中一个实施例中，当氧氮含量的比率的第一测试值在所述第一上限值与所述第一下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定的步骤还包括：
32.当氧氮含量的比率的第一测试值大于所述第一上限值或小于所述第一下限值时，判定所述x射线光电子能谱仪不稳定。
33.在其中一个实施例中，当氧氮含量的比率的第一测试值在所述第一上限值与所述第一下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定的步骤还包括：
34.当氧氮含量的比率的第一测试值与10的乘积大于所述第一上限值与10的乘积或小于所述第一下限值与10的乘积时，判定所述x射线光电子能谱仪不稳定。
35.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
36.获取表面形成有第一氮氧化硅薄膜的制程监控片；
37.获取所述制程监控片的氮含量的第一数值及所述氮含量的第三上限值和第三下限值；
38.使用所述x射线光电子能谱仪测试所述制程监控片，获取所述制程监控片的氮含量的第二数值；
39.当所述第二数值大于所述第三上限值或小于所述第三下限值时，判定所述x射线
光电子能谱仪不稳定。
40.在其中一个实施例中，所述氮氧化硅薄膜的厚度大于等于6.5纳米且小于等于9.78纳米。
41.上述检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法，包括获取表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值；使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一测试值；当氧氮含量的比率的第一测试值在所述第一上限值与所述第一下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定；其中，所述氮氧化硅薄膜的厚度小于10纳米；通过所述x射线光电子能谱仪测量的氮氧化硅薄膜的氧含量的值、氮含量的值、硅氧含量的值之和为百分之百，所述氧含量的值、所述氮含量的值、所述硅氧含量的值均为百分数值，所述氧氮含量的比率是指所述校准片对应的氧含量和氮含量之和与所述氮氧化硅薄膜厚度的比值。通过获取表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值后，使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，当校准片对应的氧氮含量的比率的第一测试值在所述第一上限值和所述第一下限值之间时，使用所述x射线光电子能谱仪获取的氮氧化硅薄膜制程监控片的氮含量的值在正常波动范围内，可以认为x射线光电子能谱仪能准确测试出氮氧化硅薄膜制程监控片的氮含量，进而判定所述x射线光电子能谱仪处于稳定状态，能够排除校准片的氮氧化硅薄膜被进一步氧化带来的干扰，准确判断x射线光电子能谱仪的稳定性，避免了因x射线光电子能谱仪测试异常引起的生产失误，降低了生产成本。
附图说明
42.图1为使用x射线光电子能谱仪测试制程监控片获取的氮含量的值随测试时间变化的曲线图；
43.图2为使用x射线光电子能谱仪测试校准片获取的氮含量的值随测试时间变化的曲线图；
44.图3为第一实施例中检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法的流程图；
45.图4为一实施例中获取校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值的流程图；
46.图5为一实施例中根据n个氧氮含量的比率获取第一上限值和第一下限值的流程图；
47.图6为一实施例中根据第一目标值、标准偏差，获取第一上限值和第一下限值的流程图；
48.图7为第二实施例中检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法的流程图；
49.图8为一实施例中获取的第一曲线的示意图；
50.图9为第三实施例中检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法的流程图；
51.图10为第四实施例中检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法的流程图。
具体实施方式
52.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所
描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
53.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
54.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
55.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
56.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
57.这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
58.当原子受到x射线照射，若x射线能量大于内层z轨道电子束缚能eb，则z电子可被游离成为自由电子即光电子。由能量守恒原理知，电子动能ek＝hν
–
eb，其中，ek为光电子动能，h为普朗克常数，v为x射线的频率。光电子发射自固态表面，因此，考虑电子脱离固体表面位能束缚的功函数ψ后，电子动能ek＝hν
–
e b
–
ψ。不同元素具有不同的特定电子束缚能，电子束缚能eb因元素种类的变化而不同，因此，检测光电子的动能可以获取测试片的元素种类。不同元素的光电子，具有特定动能而可作为判定材料表面元素成份的根据。
59.x射线光电子能谱仪是重要的表面分析技术之一，是一种对测试片表面非常灵敏的分析仪器，x射线光电子能谱仪的光电子发生过程只牵涉到一个电子，因此周期表上的所有元素均可产生光电子，故其可测量所有的元素。x射线光电子能谱仪光电子的产生机构简单，其能谱讯号峰简单易辨，当原子的化学环境产生了变化，例如氧化态，其光电子讯号峰的改变不会很复杂。x射线光电子能谱仪可分析被测物的表面元素，若有充分数据也可分析化合物的化学态及其价数，也可分析导体与非导体材料。使用x射线光电子能谱仪，可以分析厚度在10纳米以内的超薄薄膜的元素组成、元素含量和薄膜厚度。
60.氮氧化硅(sioxny)薄膜是一种新兴薄膜材料，具有良好的光电性能、机械性质和化学稳定性能，它由氧化硅(sio2)及氮化硅(si3n4)以不同比例混合而成的材料，藉由改变氧与氮的混合比例(x/y)，可使得氮氧化硅(sioxny)薄膜的光电性质以及机械性质有不同的变化。
61.在半导体工艺制程中，典型的氮氧化硅薄膜的含氮量是通过x射线光电子能谱仪(xps)获取的，在生产过程中，测试人员会使用x射线光电子能谱仪(xps)测量同一片表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片(tool monitor wafer)的氮含量，并通过获取的氮含量的值来判断该x射线光电子能谱仪是否稳定，进而确定使用该x射线光电子能谱仪能否准确测试出氮氧化硅薄膜制程中随产品制作的制程监控片的氮含量的值。测试人员发现，对于同一台x射线光电子能谱仪，在氮氧化硅薄膜制程无异常，使用x射线光电子能谱仪测试制程监控片，获取的氮含量的值在正常波动范围的情况下(如图1，横坐标为测试时间，纵坐标为制程监控片的氮含量的值)，使用该x射线光电子能谱仪测试同一片校准片，获取的氮含量的值随时间的增加而逐渐降低(参见图2，横坐标为测试时间，纵坐标为氮含量的值)，因此，不能通过固定的校准片的氮含量的范围，来判断该x射线光电子能谱仪是否稳定。通过其他方式可知，校准片上的氮原子数量没有随时间的增加而有所消失。
62.如图3所示，在一个实施例中，提供一种检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法,该方法包括：
63.s102，获取校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值。
64.获取表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值，其中，所述氮氧化硅薄膜的厚度小于10纳米，通过所述x射线光电子能谱仪测量的氮氧化硅薄膜的氧含量的值、氮含量的值、硅氧含量的值之和为百分之百，所述氧含量的值、所述氮含量的值、所述硅氧含量的值均为百分数值，所述氧氮含量的比率是指所述校准片对应的氧含量和氮含量之和与所述氮氧化硅薄膜厚度的比值。
65.在一个实施例中，所述氮氧化硅薄膜的厚度大于等于6.5纳米且小于等于9.78纳米。
66.如图4所示，在一个实施例中，步骤s102包括：
67.s202，对所述校准片进行n次测量，并获取n次测量的测试值。
68.分别使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行n次测量，相邻两次测量的测试时间之差为第一时间间隔，获取每次测量对应的氧含量的值、氮含量的值、硅氧含量的值、氮氧化硅薄膜的薄膜厚度值，其中，n为大于等于2的整数。
69.在一个实施例中，所述第一时间间隔的单位为天，所述n为30。在其他实施例中，根据实际需要选择不同的第一时间间隔和不同的n的数值。
70.s204，获取每次测量对应的氧氮含量的比率。
71.根据每次测量获取的所述氧含量的值和所述氮含量的值之和与所述氮氧化硅薄膜的薄膜厚度值的比值，获取每次测量对应的氧氮含量的比率。
72.s206，根据n个氧氮含量的比率获取第一上限值和第一下限值。
73.根据所述n次测量对应的校准片的n个氧氮含量的比率,获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值。
74.如图5所示，在一个实施例中，步骤s206包括：
75.s302，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一目标值。
76.对所述n个氧氮含量的比率取平均值，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一目标值。
77.s304，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的标准偏差。
78.根据所述n个氧氮含量的比率和所述第一目标值，获取所述氧氮含量的比率的标准偏差。
79.s306，根据第一目标值、标准偏差，获取第一上限值和第一下限值。
80.如图6所示，在一个实施例中，步骤s306包括：
81.s402，根据第一目标值与3倍所述标准偏差之和，获取第一上限值。
82.s404，根据第一目标值与3倍所述标准偏差之差，获取第一下限值。
83.s104，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一测试值。
84.使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一测试值。
85.s106，通过第一测试值、第一上限值和第一下限值，判定所述x射线光电子能谱仪是否稳定。
86.具体为，比较氧氮含量的比率的第一测试值、第一上限值和第一下限值，当氧氮含量的比率的第一测试值在所述第一上限值与所述第一下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定。
87.在一个实施例中，步骤s106还包括：
88.当氧氮含量的比率的第一测试值大于所述第一上限值或小于所述第一下限值时，判定所述x射线光电子能谱仪不稳定。
89.在一个实施例中，步骤s106还包括：
90.当氧氮含量的比率的第一测试值与10的乘积大于所述第一上限值与10的乘积或小于所述第一下限值与10的乘积时，判定所述x射线光电子能谱仪不稳定。
91.如图7所示，在一个实施例中，所述方法还包括：
92.s502，对所述n个氧氮含量的比率和所述n次测量对应的测试时间进行一次线性拟合，获取第一曲线。
93.s504，根据第一曲线、第一上限值和第一下限值，获取所述x射线光电子能谱仪的校准周期。
94.图8为一实施例中获取的第一曲线的示意图，其中，氧氮含量的比率与测试时间之间的第一曲线为：y＝3e-05x+9.2603,第一曲线的斜率为0.00003，对n次测量获取的氮含量和对应的测试时间进行线性拟合，获取的拟合曲线的斜率为-0.0025，两者约有80倍的差
异，假设校准片的总厚度永远不会超过10纳米,即可推算假设氮含量每四个月需要重新定义x射线光电子能谱仪对应的校准片的上限值和下限值,才能通过测试校准片的氮含量来准确判定所述x射线光电子能谱仪是否稳定，则通过使用所述校准片的氧氮含量的比率来判定所述x射线光电子能谱仪是否稳定时，可以使重新定义x射线光电子能谱仪对应的校准片的氧氮含量的比率的上限值和下限值的时间延缓80倍,就是4*80＝320个月(26年),如此就可以消除校准片的氮氧化硅薄膜被自氧化后，带来的判定所述x射线光电子能谱仪是否稳定的干扰。
95.如图9所示，在一个实施例中，所述方法还包括：
96.s602，对所述校准片进行m次测量，并获取所述m次测量对应的氧氮含量的比率。
97.分别使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行m次测量，相邻两次测量的测试时间之差为第二时间间隔，获取所述m次测量对应的氧氮含量的比率，其中，m为大于等于2的整数。
98.s604，根据m次测量对应的氧氮含量的比率获取第二上限值和第二下限值。
99.根据所述m次测量获取的氧氮含量的比率,获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第二上限值和第二下限值。
100.s606，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第二测试值。
101.使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第二测试值。
102.s608，通过第二测试值、第二上限值和第二下限值，判定所述x射线光电子能谱仪是否稳定。
103.当氧氮含量的比率的第二测试值在所述第二上限值与所述第二下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定。
104.步骤s602-s608是对所述x射线光电子能谱仪进行的定期校准，通过定期校准得到的氧氮含量的比率的第二目标值、第二上限值和第二下限值，当氧氮含量的比率的第二测试值在所述第二上限值与所述第二下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定，同时通过氧氮含量的比率的第二测试值与氧氮含量的比率的第二目标值可以获取使用x射线光电子能谱仪进行制程监控片的氮含量的测试时的测试精度，此时获取的测试精度更接近测试时的真实精度。
105.如图10所示，在一个实施例中，所述方法还包括：
106.s702，获取表面形成有第一氮氧化硅薄膜的制程监控片。
107.s704，获取所述制程监控片的氮含量的第一数值及所述氮含量的第三上限值和第三下限值。
108.s706，使用所述x射线光电子能谱仪测试所述制程监控片，获取所述制程监控片的氮含量的第二数值。
109.s708，当第二数值大于第三上限值或小于第三下限值时，判定所述x射线光电子能谱仪不稳定。
110.上述检测x射线光电子能谱仪稳定性的方法，包括获取表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值；使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，获取所述校准片对应的氧氮含量的比率的第一测试值；当氧氮
含量的比率的第一测试值在所述第一上限值与所述第一下限值之间，判定所述x射线光电子能谱仪稳定；其中，所述氮氧化硅薄膜的厚度小于10纳米；所述氧氮含量的比率是指所述校准片对应的氧含量和氮含量之和与所述氮氧化硅薄膜厚度的比值。通过获取表面形成有氮氧化硅薄膜的校准片对应的氧氮含量的比率的第一上限值和第一下限值后，使用所述x射线光电子能谱仪对所述校准片进行测量，当校准片对应的氧氮含量的比率的第一测试值在所述第一上限值和所述第一下限值之间时，使用所述x射线光电子能谱仪获取的氮氧化硅薄膜制程监控片的氮含量的值在正常波动范围内，可以认为x射线光电子能谱仪能准确测试出氮氧化硅薄膜制程监控片的氮含量，进而判定所述x射线光电子能谱仪处于稳定状态，能够排除校准片的氮氧化硅薄膜被进一步氧化带来的干扰，准确判断x射线光电子能谱仪的稳定性，避免了因x射线光电子能谱仪测试异常引起的生产失误，降低了生产成本。
111.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
112.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。