SiGe单晶层中Ge浓度的确定方法和应用与流程

本发明涉及半导体集成电路，尤其是涉及一种sige单晶层中ge浓度的确定方法和应用。

背景技术：

1、随着集成电路技术节点的进一步缩减，应力工程被广泛采用来提升半导体mos晶体管器件的性能。在finfet器件架构的集成电路中，通常在源漏区嵌入sige合金材料来提升pmos器件的速度，其基本原理是通过在pmos沟道两侧通过外延生长的方式嵌入sige应变材料，利用si和ge晶格常数不同，从而在沟道si中引入压应变，改变si能带结构，降低空穴的有效质量，提升pmos的迁移率。因此sige中ge的浓度分布会影响器件的电学性能，从工艺上去监控器件中ge的浓度就显得尤为重要。

2、器件级sige单晶膜层关键尺寸通常在几十纳米尺度，图1为沿着沟道方向鳍式晶体管器件截面结构示意图，图2为垂直于沟道方向源漏电极截面结构示意图，可以看出，很难使用二次离子质谱(sims)微区分析方法来测量ge浓度，因此常规采用能量色散x射线光谱(edx)、电子能量损失谱(eels)等纳米级分析方法来表征ge的浓度，但是两种方法都有各自的局限性。

3、edx方法是通过采集来自样品的x射线信号，eels是通过采集能量损失的入射电子信号，两种方法分析的都是电子与样品相互作用的效应，都属于半定量分析方法，另外器件级sige周围的环境介质会对分析结果产生很大的影响，因为edx和eels分析方法是穿透式分析方法，如图3所示，如果要得到较为纯净的分析结果，需要保证将环境介质用离子束完全清扫掉，会大大增加样品的制备时间，增加样品的制备成本，得出的分析结果可靠性不高。

4、有鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种sige单晶层中ge浓度的确定方法，以缓解现有技术中测量ge浓度时样品制备复杂、样品制备成本高、以及分析结果精度不高的技术问题。

2、本发明的第二目的在于提供上述sige单晶层中ge浓度的确定方法的应用。

3、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

4、本发明提供了一种sige单晶层中ge浓度的确定方法，包括以下步骤：

5、a、在芯片的pmos器件层的源漏电极区域，使用聚焦离子束将待检测区域制成tem切片；

6、b、将所述的tem切片置于tem机台获得sige目标单晶的衍射谱图；

7、c、对所述衍射谱图中点阵进行分析获得任意晶面的晶面间距dhkl，通过晶面间距dhkl计算sige单晶的晶格常数；

8、d、通过晶格常数计算sige单晶层中ge原子浓度。

9、进一步地，sige单晶的晶格常数的计算公式为：

10、

11、其中，a为sige单晶的晶格常数，单位为

12、dhkl为晶面间距，单位为

13、h、k、l为晶面指数。

14、进一步地，ge原子浓度通过下述公式计算得到：

15、a＝5.43105+0.1988x+0.028x2

16、其中，a为sige单晶的晶格常数，单位为

17、x为ge原子浓度，单位为at.％。

18、进一步地，步骤a中，所述芯片的器件层形成于半导体si衬底上，所述si衬底为(100)单晶硅衬底；

19、所述器件层中包含pmos器件；

20、在所述pmos器件的源漏区域，sige单晶层通过外延生长的方式沉积在si衬底表面形成sige源漏电极。

21、进一步地，步骤a中，所述tem切片包括一整排器件或一整排源漏电极；

22、所述一整排器件或所述一整排源漏电极中包括待检测的pmos器件。

23、进一步地，步骤b中，所述衍射谱图通过高分辨tem晶格像、高分辨stem原子像经快速傅里叶变换或纳米束衍射得到。

24、进一步地，所述sige源漏电极的尺寸≤50nm。

25、进一步地，步骤a中，将所述芯片置于聚焦离子束机台内采用聚焦离子束进行tem切片。

26、优选地，聚焦离子束的电压设置为1kv-30kv，切片过程中先采用高电压粗加工，待离子束接近目标区域后，降低离子束的电压进行切片，直到tem切片清扫至目标厚度。

27、进一步地，所述高电压为8kv-30kv，降低后离子束的电压为1kv-5kv。

28、优选地，所述离子束为ga离子束。

29、优选地，所述tem切片厚度为40nm-60nm。

30、本发明第二方面提供了所述的确定方法在工艺开发、指导生产或失效分析中的应用。

31、与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

32、本发明提供的sige单晶层中ge浓度的确定方法，直接分析sige合金的晶面间距，从晶面间距的变化来测量ge浓度，一方面避免了周围环境介质(多为非晶或多晶)对分析结果的影响，提高了精度，另外无需将目标结构完全暴露在外，缩短了样品制备时间，节约了研发成本。

33、本发明提供了上述sige单晶层中ge浓度的确定方法的应用，鉴于上述方法所具有的优势，使得ge浓度获取更方便、时间更短，结果更准确，为后续工艺开发、指导生产或失效分析提供了更科学准确的指导。

技术特征：

1.一种sige单晶层中ge浓度的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，sige单晶的晶格常数的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，ge原子浓度通过下述公式计算得到：

4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，步骤a中，所述芯片的器件层形成于半导体si衬底上，所述si衬底为(100)单晶硅衬底；

5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，步骤a中，所述tem切片包括一整排器件或一整排源漏电极；

6.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，步骤b中，所述衍射谱图通过高分辨tem晶格像、高分辨stem原子像经快速傅里叶变换或纳米束衍射得到。

7.根据权利要求4所述的确定方法，其特征在于，所述sige源漏电极的尺寸≤50nm。

8.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，步骤a中，将所述芯片置于聚焦离子束机台内采用聚焦离子束进行tem切片；

9.根据权利要求8所述的确定方法，其特征在于，所述高电压为8kv-30kv，降低后离子束的电压为1kv-5kv；

10.一种权利要求1-9任一项所述的确定方法在工艺开发、指导生产或失效分析中的应用。

技术总结
本发明提供了一种SiGe单晶层中Ge浓度的确定方法和应用，涉及半导体集成电路技术领域。该确定方法包括以下步骤：A、在芯片的PMOS器件层的源漏电极区域，使用聚焦离子束将待检测区域制成TEM切片；B、将TEM切片置于TEM机台获得SiGe目标单晶的衍射谱图；C、对衍射谱图中点阵进行分析获得任意晶面的晶面间距d<subgt;hkl</subgt;，通过晶面间距d<subgt;hkl</subgt;计算SiGe单晶的晶格常数；D、通过晶格常数计算SiGe单晶层中Ge原子浓度。本发明直接分析SiGe合金的晶面间距，从晶面间距的变化来测量Ge浓度，一方面避免了周围环境介质对分析结果的影响，提高了精度，另外缩短了样品制备时间，节约了研发成本。

技术研发人员：任锦华,王静,高强
受保护的技术使用者：上海季丰电子股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17