CN103151281B - 一种离子注入工艺的监测方法 - Google Patents

Abstract

一种离子注入工艺的监测方法，通过在裸晶上先制作一层外延层，利用外延层电阻比较稳定的特性进行离子注入工艺的监测，从而获得该离子注入工艺在裸晶上的注入状态，保证了监测结果的准确性和稳定性，以及半导体制程的流畅性，节省了监测成本。

Description

一种离子注入工艺的监测方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，尤其是一种晶圆在离子注入工艺之后，对离子注入工艺的状态进行监测的方法。

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，通过高能离子来轰击硅片表面，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，为判断离子的注入能量和注入剂量是否达到规范要求，需要一片用于监测的晶园，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方块电阻值(RS)反映。

在现有的离子注入监测方法中，我们使用新下线的裸晶(barewafer)来直接注入，然后经快速退火(RTA)后量测方块电阻。在这种监测方式中，barewafer的衬底电阻(一般的，Ptypewafer：5～25ohm/cm)有很大的波动，对最终的结果影响较大。在实际监测过程中，当使用相同注入条件(同一注入机和同一注入菜单)和相同退火条件(同一RTP机台和同一退火菜单)以及相同量测条件时，不同衬底电阻的barewafer量测出来的最终结果会有较大差异，出现超控和超限(OOC/OOS)的概率较高。

因此，有必要对现有的离子注入状态监测方法做改进，以提高监测结果的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种离子注入工艺的监测方法，该方法通过先在晶圆衬底上制作一层外延层，利用外延层的电阻率比较稳定的特性，在外延层上实施离子注入并测量离子注入状态，然后换算成同等工艺下在晶圆中的离子注入状态，从而避免了因晶圆衬底电阻不稳所带来的测量不准的问题。

根据本发明的目的提出的一种离子注入工艺的监测方法，包括步骤：

以所述监测晶圆为衬底，制作一外延层；

在所述外延层上进行离子注入工艺，离子注入的深度小于该外延层厚度；

测量所述经离子注入之后的外延层方块电阻；

根据上述外延层方块电阻，计算离子在该外延层中的注入状态；

根据外延层与衬底的一换算关系，得出该次离子注入工艺相对该监测晶圆的离子注入状态。

优选的，所述外延层为单晶硅层，对该单晶硅层实施掺杂，以形成P型外延层或N型外延层。

优选的，当所述外延层为P型外延层时，该离子注入工艺注入的离子为N型离子，当所述外延层为N型外延层时，该离子注入工艺注入的离子为P型离子。

优选的，对所述外延层进行离子注入后，还包括对所述监测晶圆进行快速退火工艺的处理步骤。

优选的，所述方块电阻通过四探针测量方法测得。

优选的，所述离子在外延层中的注入状态为离子在横向和纵向上的注入深度以及离子的密度。

优选的，所述换算关系为：在所述确定参数的离子注入工艺下，衬底注入状态与对应的外延层注入状态对照表。

优选的，所述确定参数包括离子注入能量、注入角度和注入剂量。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

第一、离子注入状态监测结果的稳定性和可靠性有了保证，使得工艺人员能够及时有效地控制在线工艺；

第二、减少了监测过程中，Rs发生OOC/OOS的几率，保证了整个半导体制程工艺的流畅性；

第三、由于监测用的晶圆可重复利用，大大降低了监测成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的离子注入工艺监测方法的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有的离子注入工艺的监测方法，直接以裸晶作为监测的样本，而裸晶本身的衬底电阻极不稳定，容易产生如下问题：

1、增加了监测过程中的结果不确定性，对工艺人员保证在线离子注入状态有影响；

2、经常出现因衬底电阻异常而导致RsOOC/OOS，当更换晶圆重新监测后结果ok；这样既浪费了监测用的晶圆，增加离子注入监测工艺的成本，同时也增加了制程的时间，降低了生产效率；

3.监测用的晶圆不可重复利用，使得监测成本大大增加。

因此，本发明提出了一种离子注入状态的监测方法，通过现在晶圆衬底上制作一层外延层，利用外延层的电阻率比较稳定的特性，在外延层上实施离子注入并测量离子注入状态，然后换算成同等工艺下在晶圆中的离子注入状态，从而避免了因晶圆衬底电阻不稳所带来的测量不准的问题。

为了更好的说明本发明的创作思想，下面先对本发明的原理做简单说明。以在N型衬底上制作P阱为例，向晶圆注入一定浓度的四价元素，如棚。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，方块电阻值会随之升高。因此，只要测量方块电阻值，就能知道某一区域内离子注入的情况。

依据上述原理，本发明的详细说明如下：

请参见图1，图1是本发明的离子注入工艺监测方法的流程示意图。如图所示，该监测方法包括步骤：

S11：以所述监测晶圆为衬底，制作一外延层；

S12：在所述外延层上进行离子注入工艺，离子注入的深度小于该外延层厚度；

S13：测量所述经离子注入之后的外延层方块电阻；

S14：根据上述外延层方块电阻，计算离子在该外延层中的注入状态；

S15：根据外延层与衬底的一换算关系，得出该次离子注入工艺相对该监测晶圆的离子注入状态。

在步骤S11中，所述外延层的制作方法可以是化学气相沉积(CVD)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)，或者液相外延(LPE)中的一种，该外延层可以是多晶硅、单晶硅、氮化镓、砷化镓或磷化镓等半导体材料。该外延层的厚度视后续离子注入工艺的参数而定，通常情况下，该外延层厚度需要大于离子注入的深度，这样就可以避免离子注入过深而对衬底造成污染。

在外延层形成后，还可以对该外延层实施一轻掺杂工艺，在外延层内部加入少量P型杂质从而形成P型外延层，该P型杂质可以为硼或铟等元素；或者加入少量N型杂质从而形成N型外延层，该N型杂质可以为磷或砷等元素。如此做的目的在于：通过控制轻掺杂工艺中杂质的浓度，能够控制外延层的电阻率，使外延层的电阻率能够稳定在所需测量的范围之内。

外延层制作完成之后，对该外延层进行离子注入的工艺。该离子注入工艺的参数，按照对裸晶的实际生产需求确定。具体的，该离子注入工艺中，离子注入源种类视外延层的种类而定，当外延层为P型外延层时，注入的离子为N型离子，因此离子注入源可选用BF₃等；当外延层为N型外延层时，注入的离子为P型离子，因此离子注入源可选用AsH₃、PH₃等。离子注入的能量、剂量和角度等参数需视外延层厚度而定，因为这些参数会影响离子注入的深度，因此需要控制该些参数，使离子注入的深度不超过外延层厚度，通常情况下，外延层厚度在1μm至2μm之间时，离子注入的能量约为5KeV至200KeV，剂量约为10¹¹/cm₂～10¹⁶/cm₂，角度为0度至10度。

离子注入工艺完成后，可以对该含有外延层的晶圆进行快速退火工艺(RTP)。RTP工艺可以修复晶圆表面损伤和注入离子的电激活，退火时温度应低于离子扩散所需的温度，这样可以防止注入离子的横向扩散。且RTP工艺的时间极短，通常只有数秒钟时间就可以完成。

完成上述几步工艺之后，测试外延层的方块电阻并计算外延层中的离子注入状态。测试方块电阻时，采用四探针测试方法进行，具体为：

将测量仪器的四点探针扎在晶圆表面的待测位置处；

在外侧的两个探针上施加一定的电流；

测量内侧的两个探针上电压值，从而得出该两点间的电阻值；

取多个不同的区域进行测试，将获得的电阻值求平均，得出该外延层的方块电阻。

知道电阻值后，反向分析离子注入状态，得出离子在横向和纵向上的注入深度和离子的注入密度。

由于外延层的电学特征跟实际生产中所使用的裸晶的电学特征不一样，因此对于外延层上得到的离子注入状态数据，还不能直接反应实际生产时，采用同一离子注入工艺在裸晶上得到的离子注入状态，需要将该测试晶圆外延层上得出的离子注入状态，跟正常的裸晶注入工艺做比较，以得出该离子注入工艺在普通的裸晶中进行注入时的离子注入状态。具体地：

首先需要建立一个换算关系，即在所述确定参数的离子注入工艺下，衬底注入状态与对应的外延层注入状态对照表。该对照表的建立过程如下：

提供一片或多片监测用裸晶，进行离子注入工艺，在同一片或不同片裸晶上测试不同离子注入参数下的离子注入情况，并建立数据库；

提供一监测用裸晶，在裸晶上进行外延层制作，并对外延层进行离子注入工艺，监测不同参数下的离子注入情况，同样建立数据库；

将上述两个数据库绘制对照表，分别对应同一确定离子注入参数中裸晶和外延层上的离子注入情况。

其中所述离子注入参数包括注入能量、注入角度和注入剂量。

有了该对照表之后，只要知道选定的外延工艺参数，包括外延层的材质、厚度和轻掺杂之后形成的电阻，以及知道离子注入参数，就能通过外延层的离子注入情况查表知道所对应的裸晶的离子注入情况。

综上所述，本发明提出的一种离子注入工艺的监测方法，该方法通过在裸晶上先制作一层外延层，利用外延层电阻比较稳定的特性进行离子注入工艺的监测，从而获得该离子注入工艺在裸晶上的注入状态。与现有技术比较，本发明的技术效果在于：

第一、离子注入状态监测结果的稳定性和可靠性有了保证，使得工艺人员能够及时有效地控制在线工艺；

第二、减少了监测过程中，Rs发生OOC/OOS的几率，保证了整个半导体制程工艺的流畅性；

第三、由于监测用的晶圆可重复利用，大大降低了监测成本。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种离子注入工艺监测方法，该监测方法使用一监测晶圆作为监测样本，对一确定参数的离子注入工艺进行监测，其特征在于，包括步骤：

以所述监测晶圆为衬底，制作一外延层，所述监测晶圆为裸晶，所述外延层为单晶硅层，对该单晶硅层实施轻掺杂，以形成P型外延层或N型外延层；

在所述外延层上进行离子注入工艺，离子注入的深度小于该外延层厚度；

测量所述经离子注入之后的外延层方块电阻；

根据上述外延层方块电阻，计算离子在该外延层中的注入状态；

根据外延层与衬底的一换算关系，得出该次离子注入工艺相对该监测晶圆的离子注入状态。

2.如权利要求1所述的离子注入工艺监测方法，其特征在于：当所述外延层为P型外延层时，该离子注入工艺注入的离子为N型离子，当所述外延层为N型外延层时，该离子注入工艺注入的离子为P型离子。

3.如权利要求1所述的离子注入工艺监测方法，其特征在于：对所述外延层进行离子注入后，还包括对所述监测晶圆进行快速退火工艺的处理步骤。

4.如权利要求1所述的离子注入工艺监测方法，其特征在于：所述方块电阻通过四探针测量方法测得。

5.如权利要求1所述的离子注入工艺监测方法，其特征在于：所述离子在外延层中的注入状态为离子在横向和纵向上的注入深度以及离子的密度。

6.如权利要求1所述的离子注入工艺监测方法，其特征在于：所述换算关系为：在所述确定参数的离子注入工艺下，衬底注入状态与对应的外延层注入状态对照表。

7.如权利要求6所述的离子注入工艺监测方法，其特征在于：所述确定参数包括离子注入源种类、注入能量、注入角度和注入剂量。