CN103489806A - 一种在线监测离子损伤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在线监测离子损伤的方法，属于半导体制造技术领域。该方法包括以下步骤：在晶圆上生成介质层以制备形成测试晶圆；所述测试晶圆与生产晶圆在基本相同工艺条件下完成高能离子工艺步骤；测量所述测试晶圆的界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数；基于所述界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数判断所述测试晶圆的离子损伤程度，以反映所述生产晶圆在所述高能离子工艺步骤形成的离子损伤。该方法能实现离子损伤的在线监测，效率高、成本低，有利于提高高能离子工艺的产品性能。

Description

一种在线监测离子损伤的方法
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，涉及半导体制造中所使用的高能离子工艺，尤其涉及一种在线检测由该高能离子工艺所带来的离子损伤的方法。
背景技术
在半导体制造过程中，经常使用高能量的离子（即高能离子）来实现多种半导体工艺过程，例如，等离子刻蚀、离子注入工艺等，均使用高能离子来作用于晶圆表面。并且，半导体业界已经认识，高能离子工艺虽然具有很多优点并已经广泛使用，但是，其存在的弊端是，高能离子工艺处理后，会给晶圆表面直接带来损伤，并会在晶圆表面残留表面电荷（即表面电荷），该残留表面电荷也可能会带来残留电荷损伤；这些损伤均是直接或间接地有高能离子工艺所导致，因此，在本文中统称为“离子损伤”。
明显地，高能离子工艺所带来的离子损伤会影响所生产的器件的性能稳定性、可靠性等。业界也一直追求减小其离子损伤，例如，中国专利申请号为CN200810207334.0、名称为“减少等离子刻蚀工艺的残留方法”的专利中，提出了减少残留表面电荷，以降低离子损伤。但是，各种各样的减少离子损伤的方法中，是难以完全避免离子损伤的，因此，在高能离子工艺中，如果能够在线检测反映出高能离子工艺的损伤，是可以通过在预定范围内调整工艺参数来减小离子损伤的。
但是，现有技术中，在高能离子工艺实际应用于半导体制造中时，高能离子工艺完成后难以实现在线检测，一般是需要等到整体工艺完成之后、或者等到形成适用于测试机台测试的结构之后，通过对器件结构进行电学参数测试，根据分析异常的电学参数，由电学原理推断是否因工艺中离子能量过高而导致了表面电荷积累等离子损伤，然后再根据分析结果调整工艺。这种方法具有如下缺点：（一）只能在器件结构形成后才可以测量，通过电学参数反推高能离子对晶圆表面的损伤，不能实现直接地在线检测，如果某一高能离子工艺步骤的离子损伤影响大，需要其他许多工艺步骤完成后才可能获知其结果并才可以采取改进措施，明显地，易导致良率降低、成本增高，并且耗时长，无法及时监控离子损伤；（二）高能离子工艺完成后、检测之前，还引入了许多其他工艺步骤，容易导致测试结果不准确，或者难以判断测试结果的不正常是否由于高能离子工艺步骤所导致。
有鉴于此，有必要提出一种直接地在线监测离子损伤的方法。
发明内容
本发明的目的之一在于，实现直接地在线检测高能离子工艺所导致的离子损伤。
本发明的又一目的在于，提高离子损伤的检测准确性，并缩短检测时间、降低检测成本。
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供一种在线监测离子损伤的方法，其包括以下步骤：
在晶圆上生成介质层以制备形成测试晶圆；
所述测试晶圆与生产晶圆在基本相同工艺条件下完成高能离子工艺步骤；
测量所述测试晶圆的界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数；以及
基于所述界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数判断所述测试晶圆的离子损伤程度，以反映所述生产晶圆在所述高能离子工艺步骤形成的离子损伤。
按照本发明一实施例的在线监测离子损伤的方法，其中，完成所述高能离子工艺步骤中，将所述测试晶圆与所述生产晶圆在同一条件下同时完成所述高能离子工艺步骤。
按照本发明又一实施例的在线监测离子损伤的方法，其中，完成所述高能离子工艺步骤中，模拟所述生产晶圆的高能离子工艺步骤的工艺条件，使所述测试晶圆置于基本同于所述生产晶圆对应的工艺条件下进行高能离子工艺步骤。
在之前所述任一实施例的在线监测离子损伤的方法中，优选地，所述介质层大于或等于500埃。
在之前所述任一实施例的在线监测离子损伤的方法中，优选地，所述高能离子工艺为等离子刻蚀或者离子注入。
在之前所述任一实施例的在线监测离子损伤的方法中，所述高能离子工艺为等离子刻蚀，所述生产晶圆上的介质层被等离子刻蚀以构图形成沟槽。
在之前所述任一实施例的在线监测离子损伤的方法中，优选地，所述测试晶圆上的介质层的材料和/或制备方法分别对应与所述生产晶圆上的介质层的材料和/或制备方法相同。
在之前所述任一实施例的在线监测离子损伤的方法中，优选地，所述测量步骤中所使用的测量设备可以为QUANTOX XP 200。
按照本发明还一实施例的在线监测离子损伤的方法，其中，在完成高能离子工艺步骤之后、测量步骤之前，还包括步骤：
将所述测试晶圆置放一段时间以稳定其残留表面电荷。
按照本发明再一实施例的在线监测离子损伤的方法，其中，判断所述测试晶圆的离子损伤程度的步骤中，包括将测量的所述界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数与基础数据进行比较计算。
按照本发明再又一实施例的在线监测离子损伤的方法，其中，判断所述测试晶圆的离子损伤程度的步骤中，包括将测量的所述界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数与预定参数值进行比较；如果大于或等于所述预定参数值，则调节高能离子工艺的参数以减小对生产晶圆的离子损伤；如果小于所述预定参数值，则表示高能离子工艺对所述生产晶圆的离子损伤在可接受范围内。
本发明的技术效果是，利用测试晶圆在与生产晶圆在基本相同工艺条件下完成高能离子工艺步骤，通过方便地测量其参数以准确反映生产晶圆所受的离子损伤，因此，实现了对离子损伤的直接在线监测，缩短了监测时间并降低了监测成本；通过及时获取监测结果，有利于快速准确反映调整工艺参数以使其后批次的生产晶圆免受过大的晶圆损伤，进而有利于提高高能离子工艺的产品性能。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1是按照本发明一实施例的在线监测离子损伤的方法流程示意图。
图2是测试晶圆示意图。
图3是按照本发明又一实施例的在线监测离子损伤的方法流程示意图。
具体实施方式
下文将参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明可以采用许多不同的形式来实施，而不应视为局限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例以使本文公开透彻且完整，它们将充分地将本发明的范围传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且，由于刻蚀引起的圆润等形状特征未在附图中示意出。
在本文中，“高能离子”是属于本领域技术人员所理解和定义的范畴，其作用于半导体衬底表面时会导致半导体衬底的表面形成残留表面电荷和缺陷等离子损伤。“高能离子工艺”是应用高能离子来实现对半导体衬底实现物理的或者化学的作用的方法，其包括但不限于等离子刻蚀工艺、离子注入工艺。离子损伤包括高能离子直接地或者间接地作用半导体衬底所带来的各种损伤，例如，界面缺陷、残留电荷损伤等。
图1所示为按照本发明一实施例的在线监测离子损伤的方法流程示意图。如图1所示，在该实施例中，高能离子工艺为等离子刻蚀，其应用于生产晶圆表面的沟槽的刻蚀。生产晶圆是指在半导体衬底上进行包括高能离子工艺的多道工艺步骤以形成器件和电路的基片，该实施例的在线监测离子损伤的方法主要监测反映等离子刻蚀过程中对生产晶圆的离子损伤，其主要包括以下步骤过程。
首先，步骤S110，在晶圆上沉积介质层以制备形成测试晶圆。
图2所示为测试晶圆示意图。在该实施例中，参阅图2，测试晶圆20上包括形成的介质层21，介质层21具体可以为氧化硅，其可以通过热氧化、PECVD等方法形成。等离子刻蚀生产晶圆是刻蚀生产晶圆上的介质层，介质层21优选与生产晶圆上介质层的材料相同，其制备方法也优选地与生产晶圆上的介质层的制备方法相同。介质层21厚度优选地大于或等于500埃。
进一步，步骤S120，将测试晶圆与生产晶圆同时置于等离子刻蚀设备的腔室中进行等离子刻蚀。
在该步骤中，测试晶圆20与生产晶圆在完全相同工艺条件下完成了等离子刻蚀过程。等离子刻蚀的具体工艺条件不是限制性的，其可以根据具体生产制造需要来设置工艺条件。经过等离子刻蚀过程后，测试晶圆在该步骤中产生的离子损伤等于生产晶圆在该步骤中产生的离子损伤，或者与生产晶圆在该步骤中产生的离子损伤呈一定的关系。
进一步，步骤S130，完成等离子刻蚀过程后，将测试晶圆置放一段时间以稳定其残留表面电荷。
通过该步骤，可以在其后的步骤中更准确地测量残留表面电荷量等参数。具体地，例如可以将测试晶圆置放30秒以上。
进一步，步骤S140，测量测试晶圆的残留表面电荷量、界面缺陷数和表面电压参数。 
在该步骤中，可以利用半导体制备厂中的测试设备对测试晶圆的残留表面电荷量、界面缺陷数和表面电压进行测量。由于测试晶圆表面为氧化层平面，其相对平整、适合于直接测量，而生产晶圆在制备过程中，一般不方便直接对其残留表面电荷量、界面缺陷数和表面电压进行测量，因此，如背景技术中所描述，需要等到整体工艺完成之后、或者等到形成适用于测试机台测试的结构之后，才能进行器件结构层面的电学参数测量以反推离子损伤情况。
在该实例中，测量残留表面电荷量、界面缺陷数和表面电压参数的具体设备可以为QUANTOX XP 200或其他使用Kelvin probe系统的非接触式电学参数测试仪器。
残留表面电荷量与表面电压之间呈一定的对应关系，在其他实施例中，也可以测量残留表面电荷量和表面电压中的一个参数（通过其中一个测量的参数计算另一个参数）以及界面缺陷数。
进一步，步骤S150，将测量的参数与预定参数值进行比较。
预定参数值反映了离子损伤的程度，对于表面电荷量、界面缺陷数和表面电压中的每个参数，其可以各设置一个预定参数值，测量的每个参数可以分别与其预定参数值进行比较。预定参数值的具体大小的设置以反映生产晶圆可接受的离子损伤为准。
进一步，如果比较结果为大于或等于预定参数值，则进入步骤S160，等离子刻蚀过程的离子损伤大，需要调节等离子刻蚀过程的工艺参数以减小对生产晶圆的离子损伤。如果比较结果为小于预定参数值，则进入步骤S170，等离子刻蚀过程的离子损伤在可接受范围，可继续进行下批次的生产晶圆的等离子刻蚀过程。
至此，对该类型的生产晶圆在该高能离子工艺下的离子损伤的监测完成。该监测过程在等离子刻蚀完成即可基本完成，从而实现了在线监测，缩短了监测时间并降低了监测成本，通过及时获取监测结果，有利于快速准确反映调整工艺参数以使其后批次的生产晶圆免受过大的晶圆损伤，进而有利于提高产品性能（例如提升可靠性和良率）。
图3所示为按照本发明又一实施例的在线监测离子损伤的方法流程示意图。在该实施例中，如图3所示，高能离子工艺也为等离子刻蚀过程，其应用于生产晶圆表面的沟槽的刻蚀；该实施例的在线监测离子损伤的方法主要监测反映等离子刻蚀过程中对生产晶圆的离子损伤情况，其主要包括以下步骤过程。
首先，步骤S310，在晶圆上生成介质层以制备形成测试晶圆。同样地，制备形成如图2所示的测试晶圆20，测试晶圆20主要用来在线监测离子损伤。
进一步，步骤S320，模拟生产晶圆的等离子刻蚀过程的工艺条件，使测试晶圆置于基本相同的工艺条件下进行等离子刻蚀过程。
在该实施例中，生产晶圆和测试晶圆不是同时置于同一等离子刻蚀设备的腔室中完成等离子刻蚀过程的，其是通过模拟生产晶圆的等离子刻蚀过程的工艺条件，使测试晶圆也在基本相同的工艺条件下进行等离子刻蚀过程。因此，经过等离子刻蚀过程后，测试晶圆在该步骤中产生的离子损伤基于等于生产晶圆在步骤中产生的离子损伤，或者与生产晶圆在步骤中产生的离子损伤的呈一定的关系。
进一步，步骤S330，完成等离子刻蚀过程后，将测试晶圆置放一段时间以稳定其残留表面电荷。通过该步骤，可以在其后的步骤中更准确地测量残留表面电荷量等参数。具体地，例如可以将测试晶圆置放1分钟以上。
进一步，步骤S340，测量测试晶圆的残留表面电荷量、界面缺陷数和表面电压参数。 
进一步，步骤S350，将测量的参数与基础数据进行比较计算。
在该步骤中，基础数据可以通过将测试晶圆置于已知离子损伤较小的等离子刻蚀工艺条件下测量得出，其也可以包括表面电荷量、界面缺陷数和表面电压的数据参数。测量的残留表面电荷量、界面缺陷数和表面电压参数与基础数据分别比较计算（例如与基础数据分别进行相减运算），相比于基础数据大得越多，反映离子损伤程度越大。需要理解的是，获取基础数据的测试晶圆的介质层的厚度与本实施例步骤S310中所形成的介质层的厚度应该相同。
进一步，步骤S360，量化地判断测试晶圆的离子损伤程度，进而反映生产晶圆在高能离子工艺步骤形成的离子损伤。
通过与基础数据的比较计算，测试晶圆的离子损伤程度相对于基础数据对应的离子损伤可以量化（例如通过差值）地表示，其在反映测试晶圆的离子损伤的同时，也反映了生产晶圆在高能离子工艺步骤形成的离子损伤。如果离子损伤程度过大，可以采用相应的应对措施来改善，这样，实现了在线监测，有利于提高产品性能。
至此，图3所示实施例的监测方法基本完成。
需要理解的是，尽管以上实施例中仅示意了高能离子工艺为等离子刻蚀工艺的情形，但本领域技术人员应该当理解的是，该监控方法的原理可以类推地应用到其他类型的高能离子工艺中实现在线监测该高能离子工艺中的离子损伤，例如，还可以应用到离子注入的工艺中。
以上例子主要说明了本发明的在线监测离子损伤的方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1. 一种在线监测离子损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在晶圆上生成介质层以制备形成测试晶圆；
所述测试晶圆与生产晶圆在基本相同工艺条件下完成高能离子工艺步骤；
测量所述测试晶圆的界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数；以及
基于所述界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数判断所述测试晶圆的离子损伤程度，以反映所述生产晶圆在所述高能离子工艺步骤形成的离子损伤。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，完成所述高能离子工艺步骤中，将所述测试晶圆与所述生产晶圆在同一条件下同时完成所述高能离子工艺步骤。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，完成所述高能离子工艺步骤中，模拟所述生产晶圆的高能离子工艺步骤的工艺条件，使所述测试晶圆置于基本同于所述生产晶圆对应的工艺条件下进行高能离子工艺步骤。
4. 如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述介质层大于或等于500埃。
5. 如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述高能离子工艺为等离子刻蚀或者离子注入。
6. 如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述高能离子工艺为等离子刻蚀，所述生产晶圆上的介质层被等离子刻蚀以构图形成沟槽。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述测试晶圆上的介质层的材料和/或制备方法分别对应与所述生产晶圆上的介质层的材料和/或制备方法相同。
8. 如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，在完成高能离子工艺步骤之后、测量步骤之前，还包括步骤：
将所述测试晶圆置放一段时间以稳定其残留表面电荷。
9. 如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，判断所述测试晶圆的离子损伤程度的步骤中，包括将测量的所述界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数与基础数据进行比较计算。
10. 如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，判断所述测试晶圆的离子损伤程度的步骤中，包括将测量的所述界面缺陷、和残留表面电荷量和/或表面电压参数与预定参数值进行比较；如果大于或等于所述预定参数值，则调节高能离子工艺的参数以减小对生产晶圆的离子损伤；如果小于所述预定参数值，则表示高能离子工艺对所述生产晶圆的离子损伤在可接受范围内。
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