CN103021777B - 一种离子注入方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子注入方法及装置。用以解决现有技术中减少晶片表面累积电荷的方法存在的加工工艺复杂且成本高的问题。本发明实施例的方法包括：在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；在具有确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；每次离子注入后，检测该晶片表面形成的电荷量；及从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围。采用本发明实施例的方法，能够有效减少离子注入后在晶片表面形成的电荷，并且本发明方法操作简单，且成本低。

Description

一种离子注入方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体器件制备领域，特别涉及一种离子注入方法及装置。

背景技术

随着微电子工业的快速发展，离子注入已经成为微电子器件制备工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制金属氧化半导体场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）阈值电压的一个重要手段。离子注入工艺利用离子注入机实现半导体的掺杂，即将特定的杂质原子（Dopant）以离子加速的方式注入到晶片（如硅半导体晶体等）内，改变晶片的导电特性，并最终形成所需半导体器件。

然而，由于利用离子注入工艺掺入的离子带有电荷，而在注入晶片后这些电荷会累积在晶片的表面，大量积累在晶片表面的电荷，可能通过已经制作在晶片表面上的电容结构，形成电流，从而造成晶片的栅极、栅极与半导体间的栅极氧化层的伤害。更为严重地是，由于瞬间高电流的通过，容易造成栅极结构的永久损坏。因此，在离子注入过程中，如何降低晶片表面累积的电荷量，以防止由于离子注入过程中在晶片表面累积电荷对晶片造成的损坏，成为半导体制备工艺亟待解决的技术问题。

为了解决上述问题，通常在每一个集成电路的芯片内部的切道上形成导电路径，以释放离子注入过程中在该芯片表面累积电荷形成的电流，从而将芯片表面的电荷导出，降低电荷累积造成的危害。但是，由于电路元件配置的限制，在芯片内部构造这种电荷释放路径的加工工艺是非常困难的，且成本非常高，不利用推广使用。

综上所述，现有技术中减少离子注入后晶片表面累积电荷的方法，存在加工工艺复杂且成本高的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种离子注入方法及装置，用以解决现有技术中减少晶片表面累积电荷的方法存在的加工工艺复杂且成本高的问题。

本发明实施例提供了一种离子注入方法，该方法包括：

在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；

在具有确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；

每次离子注入后，检测所述晶片表面形成的电荷量；及

从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围。

优选的，所述确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，进一步包括：

确定小于设定阈值的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者

确定最小的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者

确定在设定范围内的电荷量对应的流量值形成的流量范围。

优选的，所述确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值，进一步包括：

确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、初始流量值以及调整步长；或者

确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、调整次数以及每次使用的流量值。

优选的，所述流量值范围为0~100sccm。

优选的，所述方法还包括：

设置报警临界值，并在检测到晶片表面的电荷量超过所述报警临界值后，发出报警信号。

本发明实施例提供了一种离子注入装置，该装置包括：

流量控制单元，用于在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；

离子注入单元，用于在具有所述流量控制单元确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；

静电监控单元，用于在每次离子注入后，检测所述晶片表面形成的电荷量，并将得到的电荷量输出；及

比值选定单元，用于接收所述静电监控单元输出的电荷量，并从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量形成的流量范围。

优选的，所述流量控制单元进一步包括：

流量值设置子单元，用于确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、初始流量值以及调整步长；或者确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、调整次数以及每次使用的流量值；

显示子单元，用于显示当前使用的流量值。

优选的，所述离子注入单元进一步包括：

离子源子单元，用于产生离子注入过程中所需的等离子体；

高压电源供给子单元，用于提供离子注入过程中所需的工作电压；

萃取电极子单元，用于提取所述离子源子单元产生的等离子体；

加速电极子单元，用于加速所述萃取电极子单元提取的等离子体的转动，在所述等离子体具有注入过程所需的能量时，将所述等离子体送入注入子单元；

传输子单元，用于在需要进行离子注入时，将待注入的晶片传送至注入子单元进行离子注入过程，并将完成离子注入的晶片送出注入子单元；及

注入子单元，用于将所述加速电极子单元输送的等离子体注入到所述传输子单元输送的晶片内。

优选的，所述静电监控单元进一步包括：

临界值设置子单元，用于设置报警临界值，并在检测到晶片表面的电荷量超过所述报警临界值后，发出报警信号。

优选的，所述比值选定单元进一步包括：

流量范围确定子单元，用于确定小于设定阈值的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者确定最小的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者确定在设定范围内的电荷量对应的流量值形成的流量范围。

本发明实施例的方法在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；在具有确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；每次离子注入后，检测所述晶片表面形成的电荷量；及从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，以根据该流量范围进行批量生产。本发明实施例的方法通过调整离子注入过程中使用的工艺气体的流量值，优化该晶片表面形成的电荷量，以降低离子注入后该晶片表面累积的电荷量，从而减小了离子注入后对该晶片表面的损伤，保证了量产后制作的半导体器件的性能；并且，本发明实施例的方法操作简单，且成本低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的离子注入方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的离子注入装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种离子注入方法的流程示意图；

图4为本发明实施例工艺气体流量值与晶片表面电阻值之间的对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供的一种离子注入方法，该方法包括以下步骤：

步骤11、在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；

步骤12、在具有步骤11中确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；

步骤13、每次离子注入后，检测晶片表面形成的电荷量；及

步骤14、从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，以根据该流量范围进行批量生产。

进一步，步骤14中，根据以下方式中的一种确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，进一步包括：

方式一、确定小于设定阈值的电荷量对应的流量值形成的流量范围，其中，阈值可根据实际生产的需要进行设定，如将最大允许半导体器件表面累积的电荷量作为该阈值；

方式二、确定最小的电荷量对应的流量值形成的流量范围；

本方式中，确定的流量范围中可能仅包括一个流量值。

方式三、在设定范围内的电荷量对应的流量值形成的流量范围，其中，设定范围的端点值可根据实际生产的需要进行设定，如在实际生产或使用中，允许半导体器件表面具有一定量的电荷累积，则可将允许半导体器件表面累积量的电荷量的最大值作为设定范围的最大值，将允许半导体器件表面累积量的电荷量的最小值作为设定范围的最小值。

需要说明的是，若步骤14确定的流量范围中仅包括一个流量值，则将该流量值作为量产时工艺气体的流量参数；若该流量范围中包括多个流量值，则可以从该流量范围中任意选择某个流量值作为量产时工艺气体的流量参数。

进一步，步骤11中，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值，进一步包括以下两种方式：

方式A、确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、初始流量值以及调整步长；

其中，调整步长是指流量值确定过程中每次调整的流量值的大小，调整步长可以根据实际需要进行设定；举例说明，假设流量值范围为0~100sccm，初始流量值0，调整步长为20sccm，则每次确定的流量值分别为：20sccm、40sccm、60sccm、80sccm、100sccm。

方式B、确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、调整次数以及每次使用的流量值；

其中，每次使用的流量值可根据实际生产的需要进行选取，例如，假设流量值范围为0~100sccm，调整次数为5次，假设实际生产过程中需要分别将10sccm、20sccm、35sccm、55sccm及80sccm作为每次使用的流量值；也可以在设定的流量值范围内随机选取每次使用的流量值。

优选的，流量值范围为0~100sccm（standard cubic centimeter per minute，标准状态毫升/分）。

进一步，本发明实施例的方法还包括：

设置报警临界值，并在检测到晶片表面的电荷量超过该报警临界值后，发出报警信号；

优选的，本发明实施例的方法还包括：显示当前使用的流量值，以使工作人员能够确定当前工艺气体的流量值大小；

其中，该报警临界值可以根据实际生产的需要进行设定。

参见图2所示，本发明实施例的离子注入装置，包括：

流量控制单元21，用于在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；

离子注入单元22，用于在具有流量控制单元21确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；

静电监控单元23，用于在每次离子注入后，检测晶片表面形成的电荷量，并将得到的电荷量输出给比值选定单元24；及

比值选定单元24，用于接收静电监控单元23输出的电荷量，并从多个流量值及与其对应的电荷量组中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，并将该流量范围反馈给流量控制单元21，以指示流量控制单元21根据该流量范围进行生产。

下面以图2所示的离子注入装置为例，对本发明实施例的离子注入装置的工作原理进行说明。本发明实施例的离子注入装置在工作时，先由流量控制单元21确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值，并在每次进行离子注入之前，将具有确定流量值的工艺气体输送至离子注入单元22；该离子注入单元22在具有流量控制单元21确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；同时，静电监控单元23在每次离子注入过程后，检测晶片表面形成的电荷量，并将得到的电荷量发送给比值选定单元24；该比值选定单元24从多个流量值及与其对应的电荷量组中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，并将该流量范围反馈给流量控制单元21，以指示流量控制单元21根据该流量范围进行生产。

进一步，流量控制单元21包括：

流量值设置子单元，用于确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、初始流量值以及调整步长；或者确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、调整次数以及每次使用的流量值；以及

显示子单元，用于显示当前使用的流量值。

优选的，流量值范围为0~100sccm。

需要说明的是，若流量值设置子单元预先确定了离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、初始流量值以及调整步长，则比值选定单元24只需要知道预先设定的流量值范围、初始流量值以及调整步长就可以确定每次离子注入过程中使用的工艺气体的流量值，并在接收到静电监控单元23发送的最后一次注入过程对应的电荷量后，从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围；

若流量值设置子单元确定了离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、调整次数以及每次使用的流量值，由于每次离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值可能为随机选取的，比值选定单元24无法获知每次离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值，则流量值设置子单元需要将每次确定的流量值发送给比值选定单元24以存储，比值选定单元24根据预先设定的调整次数，在接收到流量值设置子单元发送的最后一次注入过程所使用的流量值及静电监控单元23发送的最后一次注入过程对应的电荷量后，从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围。

进一步，常见的工艺气体包括：乙硼烷B₂H₆、磷烷PH₃、砷烷AsH₃及氢气H₂等。

需要说明的是，由制作成的半导体器件的类型不同（如N型半导体器件、P型半导体器件等），对晶片进行离子注入过程中使用的工艺气体也会有所不同，例如，在制作N型半导体器件时，晶片的离子注入过程中使用的工艺气体包括：PH₃、AsH₃及H₂；又如，在制作P型半导体器件时，晶片的离子注入过程中使用的工艺气体包括：B₂H₆及H₂。

进一步，离子注入单元22包括：

离子源子单元，用于产生离子注入过程中所需的等离子体；

高压电源供给子单元，用于提供离子注入过程中所需的工作电压；

萃取电极子单元，用于提取所述离子源子单元产生的等离子体；

加速电极子单元，用于加速所述萃取电极子单元提取的等离子体的转动，在所述等离子体具有注入过程所需的能量时，将所述等离子体送入注入子单元；

传输子单元，用于在需要进行离子注入时，将待注入的晶片传送至注入子单元进行离子注入过程，并将完成离子注入的晶片送出注入子单元；以及

注入子单元，用于将所述加速电极子单元输送的等离子体注入到所述传输子单元输送的晶片内。

进一步，静电监控单元23包括：

临界值设置子单元，用于设置报警临界值，并在检测到晶片表面的电荷量超过所述报警临界值后，发出报警信号。

需要说明的是，可以采用能够表征静电特性的测试仪器，如静电容探头、反馈式静电计、表面电阻率测量仪等，实现本发明实施例的静电监控单元23的功能。

进一步，比值选定单元24包括：

流量范围确定子单元，用于确定小于设定阈值的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者确定最小的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者确定在设定范围内的电荷量对应的流量值形成的流量范围。

其中，阈值可根据实际生产的需要进行设定，如将最大允许半导体器件表面累积的电荷量作为该阈值；

设定范围的端点值可根据实际生产的需要进行设定，如在实际生产或使用中，允许半导体器件表面具有一定量的电荷累积，则可将允许半导体器件表面累积量的电荷量的最大值作为设定范围的最大值，将允许半导体器件表面累积量的电荷量的最小值作为设定范围的最小值。

下面举例说明本发明实施例提供的离子注入方法。

参见图3所示，本实施例提供的一种离子注入方法包括以下步骤：

步骤31、设置报警临界值，在检测到晶片表面形成的电荷量超过该报警临界值后，发出报警提示；

步骤32、预先设置离子注入过程中使用的工艺气体的初始流量值、流量值范围及调整次数；

步骤33、对晶片进行离子注入；

步骤34、在离子注入后，测试晶片表面形成的电荷量；

步骤35、记录每个设置的工艺气体的流量值条件下对应的电荷量测试数据；

步骤36、判断当前的流量值是否为最后一个流量值；

若是，则执行步骤37；

若否，则重复执行步骤33~步骤35；

步骤37、从所有电荷量中选择最小电荷量对应的流量条件，并将该流量条件反馈给流量控制单元进行量产。

其中，步骤37中确定的流量条件可以为某一流量值，也可以为流量范围。

需要说明的是，离子注入过程中采用的工艺气体的流量值与离子注入后在晶片表面形成的电荷量之间存在一定的变化规律，该变化规律一般呈抛物线分布。工艺气体的流量值的大小会影响到注入的离子体的浓度，随着流量值的增大，离子浓度也会随之增大，掺杂后晶片表面的电阻值会随之减小，形成在晶片表面的电荷会通过该晶片内部得到逸散或吸收，从而累积于晶片表面的电荷量减小，但当工艺气体的流量值增大到一定程度时，晶片内的载流子达到饱和，其表面的电阻值不再减小，又由于此时带电粒子浓度过大，过多的电荷不能逸散，使得晶片表面的电荷量增大。

参见图4所示，图4反映了工艺气体流量值与晶片表面电阻值之间的对应关系，其中，图4中通过电阻测试仪测得的晶片表面的电阻值Rs来表征离子注入后晶片表面形成的电荷量，从图4中可以看出，当流量值小于45sccm时，随着流量值的增大，在晶片表面累积的电荷量减小；当流量值大于45sccm时，随着流量值的增大，在晶片表面累积的电荷量增大。

本发明实施例的方法在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；在具有确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；每次离子注入后，检测所述晶片表面形成的电荷量；及从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，以根据该流量范围进行批量生产。本发明实施例的方法通过调整离子注入过程中使用的工艺气体的流量值，优化该晶片表面形成的电荷量，以降低离子注入后该晶片表面累积的电荷量，从而减小了离子注入后对该晶片表面的损伤，保证了量产后制作的半导体器件的性能；并且，本发明实施例的方法操作简单，且成本低。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种离子注入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；

在具有多个确定的流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；

每次离子注入后，检测所述晶片表面形成的电荷量；及

从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定满足设定条件的电荷量对应的流量值形成的流量范围，进一步包括：

确定小于设定阈值的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者

确定最小的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者

确定在设定范围内的电荷量对应的流量值形成的流量范围。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值，进一步包括：

确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、初始流量值以及调整步长；或者

确定离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、调整次数以及每次使用的流量值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述流量值范围为0～100sccm。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

设置报警临界值，并在检测到晶片表面的电荷量超过所述报警临界值后，发出报警信号。

6.一种离子注入装置，其特征在于，该装置包括：

流量控制单元，用于在设定的流量值范围内，确定每次离子注入过程所使用的工艺气体的流量值；

离子注入单元，用于在具有所述流量控制单元确定的多个流量值的工艺气体下，对晶片进行多次离子注入；

静电监控单元，用于在每次离子注入后，检测所述晶片表面形成的电荷量，并将得到的电荷量输出；及

比值选定单元，用于接收所述静电监控单元输出的电荷量，并从多组流量值及与其对应的电荷量中，确定满足设定条件的电荷量对应的流量形成的流量范围。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述流量控制单元进一步包括：

流量值设置子单元，用于设置离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、初始流量值以及调整步长；或者设置离子注入过程中所使用的工艺气体的流量值范围、调整次数以及每次使用的流量值；

显示子单元，用于显示当前使用的流量值。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述离子注入单元进一步包括：

离子源子单元，用于产生离子注入过程中所需的等离子体；

高压电源供给子单元，用于提供离子注入过程中所需的工作电压；

萃取电极子单元，用于提取所述离子源子单元产生的等离子体；

加速电极子单元，用于加速所述萃取电极子单元提取的等离子体的转动，在所述等离子体具有注入过程所需的能量时，将所述等离子体送入注入子单元；

传输子单元，用于在需要进行离子注入时，将待注入的晶片传送至注入子单元进行离子注入过程，并将完成离子注入的晶片送出注入子单元；及

注入子单元，用于将所述加速电极子单元输送的等离子体注入到所述传输子单元输送的晶片内。

9.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述静电监控单元进一步包括：

临界值设置子单元，用于设置报警临界值，并在检测到晶片表面的电荷量超过所述报警临界值后，发出报警信号。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述比值选定单元进一步包括：

流量范围确定子单元，用于确定小于设定阈值的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者确定最小的电荷量对应的流量值形成的流量范围；或者确定在设定范围内的电荷量对应的流量值形成的流量范围。