CN101225506A - 一种监测离子注入状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监测离子注入状态的方法，包括以下步骤：A)在监测晶圆上沉积外延层，用于制作P/N结；B)用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；C)对监测晶圆进行离子注入；D)用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；E)计算两次测量的薄层电阻值的差值。该方法用于监测同一台离子注入设备的工作稳定性或不同离子注入设备的工作状态的一致性。

Description

一种监测离子注入状态的方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术，特别是指一种利用离子注入前、后分别测量的晶圆薄层电阻的差值监测离子注入状态的方法。
背景技术
在集成电路制造工艺中，通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，形成各种器件结构。离子注入是一种掺杂技术，通过高能离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被注入硅本体，在其他部位，杂质离子被硅表面的保护层屏蔽，完成选择掺杂的过程。
在离子注入过程中，为判断不同的离子注入设备对于待处理晶圆的工作状态是否一致，包括离子注入的深度、浓度和杂质分布等的一致性，或者是同一台离子注入设备是否工作稳定，需要一片用于监测的晶圆，通过在不同的设备上分别进行监测或者是在同一台离子注入设备上进行多次监测，利用监测结果判定离子注入状态的一致性和稳定性。业界的判定标准是：对于不同的离子注入设备，提供相同的离子注入剂量，离子注入完成后，实际注入监测晶圆的剂量之差＜3％，则上述不同离子注入设备之间符合一致性。
监测晶圆的剂量之差可以通过其薄层电阻值(RS)之差反映。在离子注入后，会对监测晶圆进行快速热退火(RTA)，由于退火的温度较高，一般为800～1100℃，在高温下，掺杂离子将与其相邻的硅原子发生共价键结合，从而影响薄层电阻值。因此，可以通过分别测量不同离子注入设备的薄层电阻值，计算电阻值之差，从电阻值之差和注入剂量之差的关系，即可判断不同离子注入设备之间的一致性。
现有的监测离子注入状态的方法如图1所示：
步骤101、对监测晶圆进行离子注入；
步骤102、对离子注入后的监测晶圆进行快速热退火处理；
步骤103、用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值。
测量监测晶圆的薄层电阻值的测量方法如图2所示：
步骤201、将测量机器的四点探针扎在晶圆的表面特定位置；
步骤202、在外侧的两个探针上加一定的电流；
步骤203、测量内侧的两个探针上的电压值，进而计算出监测晶圆上四十九个不同点的电阻值，并取其平均值。
上述四十九个点的布局图如图3所示。
现有的监测离子注入状态的方法有以下不足之处：
1、薄层电阻值RS是在快速热退火RTA处理完成后测量的，故RTA的设备性能对RS的影响很大，RS不能真实地反映离子注入剂量等的实际状态。
2、当离子注入的剂量小于5＊1013atm/cm2时，灵敏度＝RS差值的百分比/离子注入剂量差值的百分比，将会显著减小。例如，当离子注入的剂量等于1012atm/cm2时，灵敏度约等于0.1，故如RS差值的百分比是1％，则离子注入剂量差值的百分比将会是10％。所以，现有方法已不能准确反映离子注入的剂量，也即不能准确反映离子注入的状态。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用离子注入前、后分别测量的晶圆薄层电阻的差值监测离子注入状态的方法，消除快速热退火对薄层电阻值的影响，并能有效提高监测小剂量的离子注入状态的灵敏度。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤：
一种监测离子注入状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在监测晶圆上沉积外延层，用于制作P/N结；
B、用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；
C、对监测晶圆进行离子注入；
D、用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；
E、计算两次测量的薄层电阻值的差值。
进一步地，所述步骤E完成后，对监测晶圆作快速热退火处理。
进一步地，所述外延层的材质是硅单晶。
进一步地，所述外延层的电阻率是0.09ohm·cm。
较佳地，所述外延层的厚度是1.2um～2um。
进一步地，所述测量监测晶圆的薄层电阻值的方法包括以下步骤：
A1、将测量机器的四点探针扎在晶圆的表面特定位置；
B1、在外侧的两个探针上加一定的电流；
C1、测量内侧的两个探针上的电压值，进而计算出监测晶圆上四十九个不同点的电阻值，并取其平均值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：两次测量薄层电阻值前都没有进行快速热退火处理，消除了快速热退火对薄层电阻值的影响，使影响离子注入状态的因素仅限于离子注入的剂量。
另外，本发明的方法能以较高的灵敏度监测小剂量的离子注入的状态，解决了现有方法不能准确监测小剂量的离子注入的状态的不足之处。
此外，本发明的监测晶圆在作热退火处理后，能循环使用，降低了成本。
附图说明
图1是现有的监测离子注入状态方法的流程图；
图2是现有的测量方法的流程图；
图3是测量机器需计算的监测晶圆的四十九个点的布局图；
图4是本发明的监测离子注入状态方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。
首先，对本发明所依据的原理进行介绍。
以在N型衬底上制作P阱为例，向晶圆注入一定浓度的III价元素，如硼。由于原子最外层电子需要达到八电子结构才能达到稳定状态，故硼离子会从相邻的硅原子获取电子形成共价键结合，以达到八电子结构。而失去电子的原子为达到平衡稳定状态，又会从其周边的原子获取电子。这样，在加一定的电势后，即会产生电流，这也就是半导体导电的原理。当离子注入的剂量越高，在相同电势作用下，产生的电流就越大，反之亦然。现有的方法，就是通过测量该电流的大小来反应离子注入的多少。反向思考，进行离子植入时，掺杂入硅本体的离子会具有一定的能量，持续轰击硅原子，而这会破坏掺杂离子和硅原子之间原本形成的共价键结合。如果共价键结合被破坏，载流子浓度会降低，薄层电阻值会随之升高。
根据上述原理，对本发明的方法进行详细描述。图4是本发明的监测离子注入状态方法的流程图，包括以下步骤：
步骤401、在监测晶圆上沉积外延层，用于制作P/N结；
步骤402、用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；
步骤403、对监测晶圆进行离子注入；
步骤404、再次用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；
步骤405、计算两次测量的薄层电阻值的差值。
在具体实施过程中，可在外延层(EPI)的N型衬底上制作P阱，也可在外延层的P型衬底上制作N阱，从而形成P/N结。外延层的材质是硅单晶，电阻率是0.09ohm·cm。较佳地，沉积的外延层的厚度是1.2um～2um。由于外延层的纵向浓度分布的均一性好，因此，适合于不同的离子注入剂量，包括小剂量的离子注入。
本发明的方法经过实验验证，具体的实验数据参见表1。
表1：薄层电阻值实验数据表
  晶圆序列号   离子注入剂量(atm/cm2)   第一次测量的RS(欧姆)   第二次测量的RS(欧姆)   两次测量的差值ΔRS(欧姆)   离子注入剂量差值百分比
  1   4＊1011   736.54   752.23   15.69   0％
  2   5＊1011   750.11   767.8   17.69   25％
  3   6＊1011   749.79   770.17   20.38   50％
如表1所示，对三片监测晶圆在同一离子注入设备上分别以本发明的方法作测试。离子注入剂量一列分别为三片监测晶圆每次测试的离子注入剂量，分别为4＊1011atm/cm2、5＊1011atm/cm2和6＊1011atm/cm2；第一次测量的RS一列分别为三片监测晶圆在离子注入前所测的薄层电阻值，分别为736.54ohm/square、750.11ohm/square和749.79ohm/square；第二次测量的RS一列分别为三片监测晶圆在离子注入后所测的薄层电阻值，分别为752.23ohm/square、767.8ohm/square和770.17ohm/square；两次测量的差值ΔRS一列分别为三片监测晶圆在离子注入前、后所测的薄层电阻值的差值，由第二次测量的RS减去第一次测量的RS所得，分别为15.69ohm/square、17.69ohm/square和20.38ohm/square；离子注入剂量差值百分比一列分别为三片监测晶圆的每次测试的离子注入剂量与第一次测试的离子注入剂量的差值百分比，计算公式为：(每次测试的离子注入剂量-基准剂量)/基准剂量，其中，基准剂量是4＊1011atm/cm2，也即第一次的测试剂量，三次的差值百分比分别为0％、25％和50％。
本发明的方法的灵敏度的计算公式为：ΔRS差值的百分比/离子注入剂量差值的百分比。对实验数据进行计算，灵敏度＝[(20.38-15.69)/15.69]/50％＝0.5978。对于小剂量的离子注入，现有的方法的灵敏度一般为0.1左右，远远低于本发明的方法的灵敏度。使用本发明的方法，可以通过对离子注入前、后薄层电阻值的差值的测量和计算，以较高的灵敏度监测同一台离子注入设备的工作稳定性或不同离子注入设备的工作状态的一致性。
在本发明的方法步骤401～405实施后，也即完成了一次离子注入状态的监测后，可以对监测晶圆作快速热退火处理，使断开的化学键重新结合，从而修复离子注入对晶圆造成的伤害。这样，监测晶圆即可重复使用，节约了成本。理论上，该监测晶圆可重复使用15～20次。
以上对本发明的监测离子注入状态的方法，包括具体实施方式作了详细说明。在具体的实施过程中可对本发明的方法进行适当的改进，以适应具体情况的具体需要。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。

Claims (6)

1.一种监测离子注入状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在监测晶圆上沉积外延层，用于制作P/N结；
B、用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；
C、对监测晶圆进行离子注入；
D、用测量机器测量监测晶圆的薄层电阻值；
E、计算两次测量的薄层电阻值的差值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E后进一步包括：对监测晶圆作快速热退火处理。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延层的材质是硅单晶。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延层的电阻率是0.09ohm·cm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延层的厚度是1.2um～2um。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量监测晶圆的薄层电阻值的方法包括以下步骤：
A1、将测量机器的四点探针扎在晶圆的表面特定位置；
B1、在外侧的两个探针上加一定的电流；
C1、测量内侧的两个探针上的电压值，进而计算出监测晶圆上四十九个不同点的电阻值，并取其平均值。
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