CN103165485A - 毫秒退火工艺稳定性的监测方法 - Google Patents

Abstract

一种毫秒退火工艺稳定性的监测方法，包括：提供待监测晶圆，所述晶圆表面依次形成有隔离层和多晶硅层；在所述多晶硅层表面形成金属镍层；对晶圆进行第一退火，使金属镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化二镍层；去除未反应的金属镍层；对晶圆进行毫秒退火，使硅化二镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化镍层，所述毫秒退火的温度范围为500～700摄氏度；测量硅化镍层的方块电阻值，并将方块电阻值与标准值进行比较，判断毫秒退火工艺的稳定性。本发明实施例的方法，提高监测晶圆的利用率，降低生产成本，提高监测的准确度。

Description

毫秒退火工艺稳定性的监测方法

技术领域

本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种毫秒退火工艺稳定性的监测方法。

背景技术

在集成电路制造工艺中，通过一系列的沉积、光刻、刻蚀、平坦化工艺在半导体衬底上形成半导体器件，随着超大规模集成电路ULSI(Ultra LargeScale Integration)的飞速发展，集成电路工艺制作工艺变得越来越复杂和精细，这就要求以更高的精度和更好的均匀性形成半导体器件。在集成电路的制作过程中，任何工艺参数的波动都将可能导致形成的半导体器件的失效，因此对形成半导体器件的每道工序的稳定性的监测变得非常重要。

而快速热退火工艺作为集成电路的制作过程非常重要的一个热处理工艺，退火时温度的准确性直接影响半导体器件的性能。由于快速热退火工艺的温度较难控制，温度时常变换，需要经常对快速热退火工艺的稳定性进行监测。

现有对快速热退火工艺的稳定性监测的方法具体为：首先，提供待监测晶圆，所述晶圆为含硅材料；然后，将硅离子注入到晶圆中，在晶圆中形成非晶态硅；接着向非晶态硅中注入硼离子，此时硼离子为非激活状态；对晶圆进行快速热退火，激活硼离子；测量晶圆的方块电阻值，并与标准值进行比较，若测量的方块电阻值与标准值的偏差值较大，一般为5％～15％，则快速热退火工艺异常。

更多关于快速热退火工艺的稳定性监测方法请参考公开号为US2005/0124080A1的美国专利。

现有快速热退火工艺的稳定性监测方法，待监测晶圆不能重复利用，增加了生产成本，并且现有的监测方法在监测毫秒退火工艺的稳定性时准确度较低。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种毫秒退火工艺稳定性的监测方法，提高待监测晶圆的利用率，降低生产成本，提高监测的准确度。

为解决上述问题，本发明提供了一种毫秒退火工艺稳定性的监测方法，包括：

提供待监测晶圆，所述晶圆表面依次形成有隔离层和多晶硅层；

在所述多晶硅层表面形成金属镍层；

对晶圆进行第一退火，使金属镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化二镍层；

去除未反应的金属镍层；

对晶圆进行毫秒退火，使硅化二镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化镍层，所述毫秒退火的温度范围为500～700摄氏度；

测量硅化镍层的方块电阻值，并将方块电阻值与标准值进行比较，判断毫秒退火工艺的稳定性。

可选的，所述方块电阻值与标准值之间的偏差值小于5％时，毫秒退火工艺正常，所述方块电阻值与标准值之间的偏差值大于或等于5％时，毫秒退火工艺异常。

可选的，若所述方块电阻值与标准值之间的偏差值大于或等于5％时，根据方块电阻对应的标准温度，对设定温度进行补偿。

可选的，所述对设定温度的补偿为差值补偿，对设定温度补偿后的值等于设定温度加上差值补偿值，所述差值补偿值为设定温度减去标准温度。

可选的，所述对设定温度的补偿为系数补偿，对设定温度补偿后的值等于设定温度乘以补偿系数，所述补偿系数为两倍设定温度减去标准温度的差值与设定温度的比值。

可选的，所述毫秒退火的时间范围为0.1～2毫秒。

可选的，所述第一退火的温度范围为180～280摄氏度，时间范围为10～90秒。

可选的，所述金属镍层的厚度范围为50～200埃。

可选的，所述隔离层的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

可选的，所述隔离层的厚度范围为10～100埃。

可选的，所述多晶硅层的厚度范围为500～2000埃。

可选的，所述金属镍层中还包括金属铂。

可选的，所述形成金属镍层后，还包括：在金属镍层表面形成保护层。

可选的，所述保护层的材料为氮化钛。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

在晶圆上形成隔离层，后续通过选择性刻蚀去除硅化镍层、多晶硅层，不会多晶圆表面造成损害，使晶圆能重复利用，降低了生产成本；采用金属镍形成硅化镍层来监测毫秒退火工艺的稳定性，由于在500～700摄氏度的温度下形成的硅化镍层的方块电阻与毫秒退火工艺的温度呈线性关系，通过比较测量的方块电阻值与标准值的大小，很方便的判断毫秒退火工艺的稳定性，监测的准确度高；

进一步，由于形成的硅化镍层的方块电阻与毫秒退火工艺的温度呈线性关系，当形成硅化镍层的方块电阻值与标准值的偏差大于或等于5％时，毫秒退火工艺异常，此时的硅化镍层的方块电阻值反应的为毫秒退火设备实际温度的值，设定温度与实际温度发生了偏移，通过硅化镍层的方块电阻与毫秒退火工艺的温度的线性关系，可以很方便的对设定温度进行补偿，提高了效率。

附图说明

图1为本发明实施例毫秒退火工艺稳定性的监测方法的流程示意图；

图2～图7为本发明实施例毫秒退火工艺稳定性的监测过程的结构示意图；

图8为本发明实施例形成的硅化镍层的方块电阻与毫秒退火温度的关系示意图。

具体实施方式

发明人在采用的监测方法在监测快速热退火工艺的稳定性的过程中发现，待监测晶圆在离子注入后，由于晶圆的厚度和离子注入深度的不同，不能通过刻蚀去除被注入区域的硅材料实现监测晶圆的重复利用，增加了生产成本。

发明人进一步研究发现，现有的快速热退火工艺的稳定性的监测方法在监测毫秒退火工艺的稳定性时，监测晶圆上的方块电阻值与毫秒退火工艺的温度呈非线性变化，使得监测的误差加大，监测的准确率较低，尤其是对于低温区，这种影响尤为严重。

为解决上述问题，发明人提出一种毫秒退火工艺稳定性的监测方法，包括：提供待监测晶圆，所述晶圆表面依次形成有隔离层和多晶硅层；在所述多晶硅层表面形成金属镍层；对晶圆进行第一退火，使金属镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化二镍层；去除未反应的金属镍层；对晶圆进行毫秒退火，使硅化二镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应形成硅化镍层；测量硅化镍层的方块电阻值，并将方块电阻值与标准值进行比较，判断毫秒退火工艺的稳定性。本发明提供的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，提高监测晶圆的利用率，降低生产成本，提高监测的准确度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。

参考图1，图1为本发明实施例毫秒退火工艺稳定性的监测方法的流程示意图，包括：

步骤S200，提供待监测晶圆，所述晶圆表面依次形成有隔离层和多晶硅层；

步骤S201，在所述多晶硅层表面形成金属镍层；

步骤S202，在所述金属镍层表面形成保护层；

步骤S203，对晶圆进行第一退火，使金属镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化二镍层；

步骤S204，去除保护层和未反应的金属镍层；

步骤S205，对晶圆进行毫秒退火，使硅化二镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化镍层，所述毫秒退火的温度范围为500～700摄氏度；

步骤S206，测量硅化镍层的方块电阻值，并将方块电阻值与标准值进行比较，判断毫秒退火工艺的稳定性。

图2～图7为本发明实施例毫秒退火工艺稳定性的监测过程的结构示意图。

参考图2和图3，图3为图2沿切割线A-B方向的剖面结构示意图，提供待监测晶圆300，所述晶圆300上依次形成有隔离层301和多晶硅层302。

所述晶圆300为晶圆裸片(Bare wafer)，材料为硅。

所述隔离层301材料为二氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅中的一种，隔离层301用于隔离多晶硅层302和晶圆300表面，后续可以通过刻蚀工艺选择性的去除晶圆300表面的多晶硅层302和/或隔离层301，不会在晶圆300表面产生非硅材料的残留，刻蚀时不会对晶圆300表面产生损坏，使得晶圆300能实现重复利用。所述隔离层301形成工艺为炉管工艺、化学气相沉积工艺(CVD)或旋转式玻璃工艺(SOG)；所述隔离层301的厚度范围为10～100埃，隔离层301要满足一定的厚度，避免后续在选择性去除多晶硅层302层时对晶圆300表面的损害，影响下次使用时形成膜层的均匀性。

所述多晶硅层302的形成工艺为化学气相沉积工艺(CVD)，厚度范围为500～2000埃，为后续形成硅镍化物提供足够的硅源。多晶硅层302太薄，使得后续金属镍层转化为高电阻的硅化二镍层或者高电阻的硅化二镍层转化为低电阻的硅化镍层时硅源不够，造成后续测量的方块电阻不准确，最终影响毫秒退火工艺稳定性的监测方法的准确性；多晶硅层302太厚的话，容易造成材料的浪费，提高了生产成本。

参考图4，在所述多晶硅层302表面形成金属镍层303；在所述金属镍层303表面形成保护层304。

形成金属镍层303的工艺为溅射工艺，所述金属镍层303的厚度范围为厚度范围为50～200埃。采用金属镍作为后续形成金属硅化物的金属材料，由于镍在500～700摄氏度的毫秒退火工艺下能形成低电阻的硅化镍层，并且形成的硅化镍层的方块电阻与退火的温度呈线性关系，采用测量金属硅镍化物的方块电阻能很方便的监测500～700摄氏度毫秒退火工艺的稳定性，并且准确性很高，而采用其他金属形成的金属硅化物，比如：钴、钛等金属，由于硅化钴和硅化钛的形成温度相对过高(一般大于800摄氏度)，在500～700摄氏度形成的金属硅化物方块电阻很大，方块电阻值与温度值呈非线性的关系，采用硅化钴和硅化钛不利用500～700摄氏度毫秒退火工艺的稳定性的监测。

在本发明的其他实施例中，所述金属镍层303还包括金属铂，形成铂镍合金层，铂镍合金层的形成可采用铂镍合金靶共溅射工艺，金属铂提高金属镍层的热稳定性。

所述保护层304的形成工艺为沉积工艺，材料为氮化钛，保护层304用于防止形成的金属镍层303被氧化，形成氧化镍，氧化镍会影响后续形成硅化二镍的均匀性。

参考图5，对晶圆300进行第一退火，使金属镍层303中的镍与多晶硅层302中的硅反应，形成硅化二镍层305。

所述第一退火的温度范围为180～280摄氏度，时间范围为10～90秒。第一退火过程中，金属镍层303中的镍与多晶硅层302中的硅反应，形成高电阻的硅化二镍层305，硅化二镍层305的厚度与退火条件和金属镍层303的厚度相关。

参考图6，去除图5所示的保护层304和未反应的金属镍层303。

去除保护层304和未反应的金属镍层303采用湿法刻蚀工艺，湿法刻蚀工艺采用的溶液为硫酸和双氧水的混合溶液，反应温度范围为100～180摄氏度，反应时间为10～100秒。硫酸和双氧水的混合溶液对未反应的金属镍层303和硅化二镍层305具有高的刻蚀选择比，在去除未反应的金属镍层303时，不会有未反应的金属镍的残留和硅化二镍层305的损耗。

参考图7，对晶圆300进行毫秒退火，使硅化二镍层305(图6所示)中的镍与多晶硅层302中的硅反应，形成硅化镍层306，所述毫秒退火的温度范围为500～700摄氏度。

所述毫秒退火的时间范围为0.1～2毫秒，毫秒退火的温度范围为500～700摄氏度。毫秒退火时，硅化二镍层305中的镍与多晶硅层302中的硅反应，形成低电阻的硅化镍层306。在毫秒退火的温度范围为500～700摄氏度时，发明人发现，对同一厚度的硅化二镍层305在不同温度的温度下进行毫秒退火时，后续测量的硅化镍层306方块电阻值与毫秒退火温度满足线性关系，温度越高，测量的方块电阻越小，温度越低，测量的方块电阻越大；对不同厚度的硅化二镍层305层在不同温度的温度下进行毫秒退火时，测量的硅化镍层306方块电阻值与毫秒退火温度也满足线性关系，直线的斜率略有变化。毫秒退火时，硅化二镍层305转化为硅化镍的量与退火温度有关，即退火后形成的硅化镍层306还是会有少量的硅化二镍，退火温度越高，硅化镍层306中含有的硅化二镍越少，测量的硅化镍层306电阻越小。

结合参考图7和图8，图8为本发明实施例形成的硅化镍层306的方块电阻与毫秒退火温度的关系示意图，其中横坐标表示毫秒退火的温度，纵坐标表示硅化镍层306的方块电阻值，直线20表示硅化镍层306的方块电阻值随毫秒退火温度的变化趋势，硅化镍层306的方块电阻值与毫秒退火温度呈线性变化，每一个温度值都对应硅化镍层306的方块电阻值的一个标准值。因此本发明实施提供的方法，通过硅化镍层306的方块电阻值与毫秒退火温度线性变化关系，可以很方便的监测毫秒退火工艺的稳定性，当毫秒退火设备的温度不稳定或者产生漂移(设定温度与实际温度不符)，将导致硅化镍层306测量的方块电阻的偏移。

监测过程中，在形成硅化镍层306后，测量硅化镍层306的方块电阻值，并将测量的方块电阻值与形成硅化镍层306时的退火温度对应的方块电阻的标准值进行比较，当方块电阻值与标准值之间的偏差值小于5％时，则判断毫秒退火工艺正常；当方块电阻值与标准值之间的偏差值大于或等于5％时，则判断毫秒退火工艺异常。由于方块电阻测量方法为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

本实施例中所述偏差值是指方块电阻的标准值与测量的方块电阻值之差的绝对值与方块电阻的标准值的比值。

若所述方块电阻值与标准值之间的偏差值大于或等于5％时，根据方块电阻对应的标准温度，对毫秒退火工艺设定温度进行补偿。

在实际毫秒退火工艺的应用中，在进行毫秒退火工艺之前要设定一个退火温度，称之为设定温度，一般情况下，设定温度和毫秒退火设备的实际温度是相同的，这种情况下，毫秒退火工艺不会出现异常的情况，但是，由于毫秒退火设备自身的限制，会出现退火温度不稳定的情况，即出现设定温度与毫秒退火设备的实际温度不相同的情况，实际温度发生了偏移，实际的温度比设定温度大或者小，这时进行毫秒退火工艺的话，将导致毫秒退火工艺的异常，严重时会导致晶圆的报废，为了保证毫秒退火工艺正常，因此除了对毫秒退火工艺进行监测之外，还需要对发生偏移的设定温度进行补偿修正，使设定温度与实际温度相同。本发明的设定温度指机台的工艺菜单中指定的温度，实际温度为高精度的温度传感器测量的毫秒退火设备的温度。

本实施例中毫秒退火工艺的设定温度表示为Ts，该设定温度下形成的硅化镍层测量的方块电阻值表示为Rsc，下面将结合图8对设定温度的补偿方法进行详细的描述。

参考图8，以设定温度Ts为600摄氏度为例，设定温度Ts对应的硅化镍的方块电阻的标准值为Rsb，Rsc为硅化镍层测量的方块电阻值。在正常情况下，即满足设定温度Ts和毫秒退火设备的实际温度均为600摄氏度，监测晶圆上形成的硅化镍层测量的方块电阻值Rsc与标准值Rsb相等或两者的偏差值小于5％；当实际温度与设定温度Ts发生偏移时，在设定温度Ts下形成的硅化镍层测量的方块电阻值Rsc将发生偏移，方块电阻值Rsc与标准值Rsb的偏差值大于或等于5％，以方块电阻值为Rsc1为例，Rsc1为设定温度为600摄氏度时形成的硅化镍层测量的方块电阻值，参考图8，根据硅化镍层的方块电阻与退火温度的线性关系，此时方块电阻值Rsc1对应的毫秒退火设备的实际温度值或者毫秒退火温度的标准值为Tb，正常情况下，只有在毫秒退火工艺的退火温度为Tb，形成的硅化镍层测量的方块电阻值才等于Rsc1，而现在设定温度Ts为600，方块电阻值Rsc1明显小于标准值Rsb，设定温度Ts与实际温度产生了偏移，根据方块电阻与退火温度的线性关系，可以很方便的对设定温度进行补偿，在对设定温度进行补偿后，毫秒退火机台会根据补偿后的值对机台的实际温度值进行调整，已达到与设定温度相对应的温度。

对设定温度进行补偿的方法包括差值补偿，所述设定温度的差值补偿为设定温度加上差值补偿值，所述差值补偿值为设定温度减去标准温度，以上述设定温度Ts为例，补偿后的设定温度＝Ts+(Ts-Tb)。

对设定温度进行补偿的方法包括系数补偿，所述对设定温度的系数补偿为设定温度乘以补偿系数，所述补偿系数为两倍设定温度减去标准温度的差值与设定温度的比值。以上述设定温度Ts为例，补偿后的设定温度＝Ts*(Ts+(Ts-Tb))/Ts＝Ts*(2*Ts-Tb)/Ts。

通过上述补偿方法，可以很方便的对毫秒退火工艺中发生变化的设定温度进行补偿，使毫秒退火机台的实际温度与设定温度相对应，提高毫秒退火工艺的稳定性，提高了效率。

综上，本发明提供的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，在晶圆上形成隔离层，后续通过选择性刻蚀去除硅化镍层、多晶硅层，不会多晶圆表面造成损害，使晶圆能重复利用，降低了生产成本；采用金属镍形成硅化镍层来监测毫秒退火工艺的稳定性，由于在500～700摄氏度的温度下形成的硅化镍层的方块电阻与毫秒退火工艺的温度呈线性关系，通过比较测量的方块电阻值与标准值的大小，很方便的判断毫秒退火工艺的稳定性，监测的准确度高；

进一步，由于形成的硅化镍层的方块电阻与毫秒退火工艺的温度呈线性关系，当形成硅化镍层的方块电阻值与标准值的偏差大于或等于5％时，毫秒退火工艺异常，此时的硅化镍层的方块电阻值反应的为毫秒退火设备实际温度的值，设定温度与实际温度发生了偏移，通过硅化镍层的方块电阻与毫秒退火工艺的温度的线性关系，可以很方便的对设定温度进行补偿，提高了效率。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (14)

1.一种毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，包括：

提供待监测晶圆，所述晶圆表面依次形成有隔离层和多晶硅层；

在所述多晶硅层表面形成金属镍层；

对晶圆进行第一退火，使金属镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化二镍层；

去除未反应的金属镍层；

对晶圆进行毫秒退火，使硅化二镍层中的镍与多晶硅层中的硅反应，形成硅化镍层，所述毫秒退火的温度范围为500～700摄氏度；

测量硅化镍层的方块电阻值，并将方块电阻值与标准值进行比较，判断毫秒退火工艺的稳定性。

2.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述方块电阻值与标准值之间的偏差值小于5％时，毫秒退火工艺正常，所述方块电阻值与标准值之间的偏差值大于或等于5％时，毫秒退火工艺异常。

3.如权利要求2所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，若所述方块电阻值与标准值之间的偏差值大于或等于5％时，根据方块电阻对应的标准温度，对毫秒退火工艺的设定温度进行补偿。

4.如权利要求3所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述对设定温度的补偿为差值补偿，对设定温度补偿后的值等于设定温度加上差值补偿值，所述差值补偿值为设定温度减去标准温度。

5.如权利要求3所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述对设定温度的补偿为系数补偿，对设定温度补偿后的值等于设定温度乘以补偿系数，所述补偿系数为两倍设定温度减去标准温度的差值与设定温度的比值。

6.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述毫秒退火的时间范围为0.1～2毫秒。

7.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述第一退火的温度范围为180～280摄氏度，时间范围为10～90秒。

8.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述金属镍层的厚度范围为50～200埃。

9.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述隔离层的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

10.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述隔离层的厚度范围为10～100埃。

11.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述多晶硅层的厚度范围为500～2000埃。

12.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述金属镍层中还包括金属铂。

13.如权利要求1所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述形成金属镍层后，还包括：在金属镍层表面形成保护层。

14.如权利要求13所述的毫秒退火工艺稳定性的监测方法，其特征在于，所述保护层的材料为氮化钛。

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