CN103605388A - 通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法及校正外延炉台温场方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,A、提供一离子注入晶片;B、将离子注入晶片升高至指定温度T1,然后降温至常温;C、检测离子注入晶片多个点的电阻率ρ;D、根据电阻率与温度的换算关系确定外延炉台多个点的温度值。本发明可以直接表征实际长晶时基板片上每一点的温度,当出现均匀性差时可根据点的位置重新改善炉台内温场的分布,避免了大量的温度感应测量装置需要被设置在炉台内的问题,节约了机台内部的空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法及校正外延炉台温场方法。
背景技术
外延即在硅单晶衬底上沿原来的晶向再生长一层硅单晶薄膜的工艺。硅外延片是制作半导体分立器件的主要材料,因为它既能保证PN结的高击穿电压,又能降低器件的正向压降。硅外延片能让双极性电路(IC)的器件做在有重掺埋层的轻掺外延层上,形成生长的PN结,解决IC的隔离问题,因此它也是IC器件的主要原材料。
外延片的衬底也称为基板。其主要成分为单晶硅和掺杂剂,掺杂剂依不同的器件设计需要包含N型元素砷(As)、磷(Ph)、锑(Sb)和P型元素硼(B),根据掺杂浓度的大小还可分为重掺和轻掺。
对于半导体器件来说,需要外延层具有完美的晶体结构,而且对外延层的厚度、导电类型、电阻率及电阻均匀性等方面均有一定的要求。半导体的电阻率一般随着温度、掺杂浓度、磁场强度及光照强度等因素的变化而改变。
外延层电阻率均匀性是衡量一个外延生产企业实力的重要指标之一,是一种制程能力高低的衡量指标。电阻率均匀性优良会保证后面工艺外延片上的每一个器件电性符合要求。若外延片电阻率均匀性不良,在后续工艺过程中,会大大增加边缘器件报废率,增加工艺成本及降低集成电路产品品质。而外延长晶时晶片各点的温度是影响电阻率均匀性的重要条件之一,大量的实际生产数据和经验说明越均匀的温场生产的外延晶片整片电阻率均匀性越好,也越容易控制。
不同的长晶温度下,掺杂元素原子及硅原子沉积速率不同,在同一片晶片上表现出来的对外延后整体厚度和阻值均匀性有明显的影响。并且如果温度过高,则会造成晶片在长晶过程中碎裂,外延炉台本身材料融化等问题;若温度过低,则会导致外延工艺长成多晶硅,失去了半导体的特性。
未经过温度校正的同一外延机台在不同时期或不同机台不同时期进行外延长晶,即便是设定为同一工艺参数下,所长出的外延结构也有差异,该差异体现在由于实际长晶温度不同而导致基板与外延层之间的过渡区的宽度有明显的差异,在客户端则造成崩溃电压偏离原来设定值,进而导致后道器件失效。
因此,确定温场各处位置的温度对于外延片的生产具有非常重要作用。常用的一种确定温场温度的方法是在温场内设置测温仪测量。但这种方法对外延机台要求较高,生产成本高,同时,也无法在各个点均设置测温仪,不适合广泛使用。
发明内容
本发明的目的之一是为了克服现有技术中的不足,提供一种通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法。
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案实现:
通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,
A、提供一离子注入晶片;
B、将离子注入晶片升高至指定温度T1,然后降温至常温;
C、检测离子注入晶片多个点的电阻率ρ;
D、根据电阻率与温度的换算关系确定外延炉台多个点的温度值。
优选地是,所述离子注入晶片的离子注入厚度为自晶片表面起不大于2μm。
优选地是,所述离子选自B+、BF2 +、P+、As+、Sb+、Ar+中的一种。
优选地是,所述晶片为衬底或外延片。
优选地是,所述衬底为N型衬底或P型衬底;所述的N型衬底掺杂有砷、磷或锑;所述的P型衬底掺杂有硼。
优选地是,所述的外延片的外延层为P型或N型;所述的N型外延层掺杂有砷、磷或 锑;所述的P型外延层掺杂有硼。
优选地是,所述的温度T1为1080℃-1200℃。
优选地是,采用四探针电阻率测量仪测量选定点的电阻率。
优选地是,所述离子注入晶片为外延片;所述离子注入外延层内,外延层厚度为2μm以上。
优选地是,步骤B中,离子注入晶片升高至指定温度T1,在该温度T1保持1-5分钟。
优选地是,电阻率与温度的换算关系为T=1130℃-(ρ-348)/a;T为外延炉台的温度,单位是℃;ρ为电阻率,单位是ohm·cm;a为系数,取值为0.5~1.5。
优选地是,步骤D中,首先将外延炉台升温至指定温度,再测量温场三个以上位置的温度,并检测与该温场三个以上位置对应的晶片处的电阻率,代入公式T=1130℃-(ρ-348)/a,确定a值大小。
优选地是,步骤D中,分别将外延炉台设定为三个以上不同的温度,测量温场同一位置的温度,并测量该温场位置对应的晶片处在不同温度下处理后的电阻率,代入公式T=1130℃-(ρ-348)/a,确定a值大小。
本发明的目的之二是为了克服现有技术中的不足,提供一种通过离子注入晶片校正外延炉台温场的方法。
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案实现:
通过离子注入晶片校正外延炉台温场的方法,其特征在于,采用前述的方法检测外延炉台温场多个点的温度;如存在超过设定温度范围的位置,则调整该位置的温场温度。
发明人经过研究发现,离子注入是一种把高能量的掺杂元素的离子注入半导体晶片中,以得到所需要的掺杂浓度和结深的方法。通常为浅注入,离子注入深度通常控制在2um以内。发明人进一步研究发现,晶片中注入的离子在高温下会有不同的扩散速率和不同程度的晶格重组程度。而离子扩散和晶格重组程度决定了晶片的电阻率大小值。因此,发明人进一步研发现,利用离子注入晶片在高温下保持一定时间后,通过测量晶片某一点电阻率的值,并利 用发明人研究得出的公式确定与该点对应的温场处的温度值。
本发明相对于传统的使用温度感应装置监控和校验温场的好处在于,它可以直接表征实际长晶时基板片上每一点的温度,当出现均匀性差时可根据点的位置重新改善炉台内温场的分布,避免了大量的温度感应测量装置需要被设置在炉台内的问题,节约了机台内部的空间,也避免了温度感应测量装置对不同的温度范围敏感程度不一的问题。使用本发明可以大大提升监控实际长晶时晶片各点温度的效率。
本发明的另一好处在于可以统一同一机台不同时期或不同机台不同时期的实际长晶温度,避免由于实际长晶温度不一致导致的外延结构差异而致使后道器件电讯失效。
使用本发明中的方法除了可以获得均匀的炉台内长晶温度和实际需要的长晶温度外,还可以在不同产品规格或者对外延片要求做一些电阻率均匀性特殊分布的热场时,监控和检验出某一点或某一区域的温度是否满足质量或性能要求。
附图说明
图1为离子注入片结构示意图。
图2为在不同温度下处理后的离子注入片示意图。
图3为测量不同位置的经高温处理后的离子注入片的电阻率示意图。
图4为测量的晶片9个点位置示意图。
图5为实施例1中为确定a值时测量的温度与电阻率对应关系图。
图6为使用校正温度后的外延机台生产的外延片结构示意图。
图7为使用未校温的外延机台生产的外延片结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明进行详细的描述:
实施例1
通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,
A、如图1所示,提供一离子注入衬底1;离子注入衬底1为掺有硼元素的p型衬底。离子注入衬底1具有晶格12。衬底1自上表面起具有一厚度为1μm的离子注入层11。离子注入层11内注入了离子2,离子2为P+。
B、炉台温度设定为1130℃,将离子注入衬底1升温至1130℃,并维持在该温度保持1分钟。炉台内通入惰性气体排空炉台中的残余化学试剂或颗粒。如图2所示,经高温处理后的离子注入衬底1,离子2扩散进入晶格12内重组。且不同温度下离子2扩散的程度不同。
C、取出离子注入衬底1,如图3所示,利用四探针电阻率测量仪3检测经高温处理后的离子注入衬底1的9个点的电阻率(图中仅示出两个点)。本实施例以离子注入衬底1圆心为中心,均匀选择9个点检测。
D、利用公式T=1130℃-(ρ-348)/a;T为外延炉台的温度,单位是℃;ρ为电阻率,单位是ohm·cm,将测量的9个点的电阻率值代入公式计算温度T。
为确定公式中a的值,首先使用同样的离子注入晶片,将外延机台升温至5个不同的温度并保持相同的时间。然后使用现有技术中的测温仪检测温场同一个位置在5种情况下的实际温度,再测量与该位置对应的晶片处的电阻率,测量值如表1所示。
表1
将上述五组数据代入公式T=1130℃-(ρ-348)/a,并利用作图,如图5所示,确定a值大小。最终确定a值为0.9。
根据该公式T=1130℃-(ρ-348)/0.9计算得到的与所选择的离子衬底1的9个点对应的炉台位置的温度。两者对应关系如表2所示。
表2
根据对该产品的质量要求,需要温场各个点的温度与设定值1130℃相差不应超过10℃。根据这个要求,与第6、8两点对应的温场位置温度偏高,需要调低该处的温度值。
在所有工艺参数不变的情况下,分别使用未有校温的机台和已经过本实施例的方法进行校温的机台生产外延片,通过SEMI标准计算外延过渡区,其结果如图6和图7所示。如图6计算线的过渡区厚度占总外延层厚度的16%,如图7所示的过渡区厚度占总外延层厚度的24%,两种外延层厚度在后道的崩溃电压测试下差异约为5%。所以,通过对比可以看出,通过本发明的方法进行校温后的机台用于生产外延片,可以提高外延层过渡区厚度的精确度。
实施例2
通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,
A、如图1所示,提供一离子注入衬底1;离子注入衬底1为掺有硼元素的P型衬底。离子注入衬底1具有晶格12。衬底1自上表面起具有一厚度为1μm的离子注入层11。离子注入层11内注入了离子2,离子2为Sb+。
B、炉台温度设定为1150℃,将离子注入衬底1升温至1150℃,并维持在该温度保持2分钟。炉台内通入惰性气体排空炉台中的残余化学试剂或颗粒。如图2所示,经高温处理后的离子注入衬底1,离子2扩散进入晶格12内重组。且不同温度下离子2扩散的程度不同。
C、取出离子注入衬底1,如图3所示,利用四探针电阻率测量仪3检测经高温处理后的离子注入衬底1的9个点的电阻率(图中仅示出两个点)。本实施例以离子注入衬底1圆心为中心,均匀选择9个点检测。
D、利用公式T=1130℃-(ρ-348)/a;T为外延炉台的温度,单位是℃;ρ为电阻率,单位是ohm·cm,将测量的9个点的电阻率值代入公式计算温度T。
根据实施例1中的方法确定a值大小。最终确定a值为1.1。
根据该公式T=1130℃-(ρ-348)/1.1计算得到的与所选择的离子衬底1的9个点对应的炉台位置的温度。两者对应关系如表3所示。
表3
根据对该产品的质量要求,需要温场各个点的温度与设定值1150℃相差不应超过10℃。根据这个要求,所有9个位置的温度均符合要求。
实施例3
通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,
A、提供一离子注入外延片;离子注入外延片具有掺有硼元素的P型外延层。离子注入外延片具有晶格。离子注入外延片的外延层自上表面起具有一厚度为1μm的离子注入层。离子注入层内注入了离子As+。
B、将炉台温度设定为1080℃,将离子注入外延片升温至1080℃,并维持在该温度保持3分钟。炉台内通入惰性气体排空炉台中的残余化学试剂或颗粒。经高温处理后的离子注入外延片,离子扩散进入晶格内重组。
C、取出离子注入外延片,利用四探针电阻率测量仪检测经高温处理后的离子注入外延片的9个点的电阻率(图中仅示出两个点)。本实施例以离子注入外延片圆心为中心,均匀选择9个点检测。
D、利用公式T=1130℃-(ρ-348)/a;T为外延炉台的温度,单位是℃;ρ为电阻率,单位是ohm·cm,将测量的9个点的电阻率值代入公式计算温度T。
根据实施例1中的方法确定a值大小。最终确定a值为0.8。
根据该公式T=1130℃-(ρ-348)/0.8计算得到的与所选择的离子衬底1的9个点对应的炉台位置的温度。两者对应关系如表4所示。
表4
根据对该产品的质量要求,需要温场各个点的温度与设定值1080℃相差不应超过10℃。根据这个要求,第2-9点的位置的温度均需往上调节。
实施例4
通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,
A、提供一离子注入外延片;离子注入外延片具有掺有磷元素的N型外延层。离子注入外延片具有晶格。离子注入外延片的外延层自上表面起具有一厚度为1μm的离子注入层。离子注入层内注入了离子Ar+。
B、将炉台温度设定为1100℃,将离子注入外延片升温至1100℃,并维持在该温度保持1.5分钟。炉台内通入惰性气体排空炉台中的残余化学试剂或颗粒。经高温处理后的离子注入外延片,离子扩散进入晶格内重组。
C、取出离子注入外延片,利用四探针电阻率测量仪检测经高温处理后的离子注入外延片的9个点的电阻率(图中仅示出两个点)。本实施例以离子注入外延片圆心为中心,均匀选择9个点检测。
D、利用公式T=1130℃-(ρ-348)/a;T为外延炉台的温度,单位是℃;ρ为电阻率,单位是ohm·cm,将测量的9个点的电阻率值代入公式计算温度T。
根据实施例1中的方法确定a值大小。最终确定a值为1.5。
根据该公式T=1130℃-(ρ-348)/1.5计算得到的与所选择的离子衬底1的9个点对应的炉 台位置的温度。两者对应关系如表5所示。
表5
根据对该产品的质量要求,需要温场各个点的温度与设定值1100℃相差不应超过10℃。根据这个要求,第7点至第9点实际温度偏高,需调低这三点的实际温度。
实施例5
通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,
A、如图1所示,提供一离子注入衬底1;离子注入衬底1为掺有锑元素的N型衬底。离子注入衬底1具有晶格12。衬底1自上表面起具有一厚度为1μm的离子注入层11。离子注入层11内注入了离子2,离子2为BF2 +。
B、炉台温度设定为1120℃,将离子注入衬底1升温至1120℃,并维持在该温度保持1分钟。炉台内通入惰性气体排空炉台中的残余化学试剂或颗粒。如图2所示,经高温处理后的离子注入衬底1,离子2扩散进入晶格12内重组。且不同温度下离子2扩散的程度不同。
C、取出离子注入衬底1,如图3所示,利用四探针电阻率测量仪3检测经高温处理后的离子注入衬底1的9个点的电阻率(图中仅示出两个点)。本实施例以离子注入衬底1圆心为中心,均匀选择9个点检测。
D、利用公式T=1130℃-(ρ-348)/a;T为外延炉台的温度,单位是℃;ρ为电阻率,单位是ohm·cm,将测量的9个点的电阻率值代入公式计算温度T。
利用与实施例1中相同的方法确定a值大小。最终确定a值为1.2。
根据该公式T=1130℃-(ρ-348)/1.2计算得到的与所选择的离子衬底1的9个点对应的炉台位置的温度。两者对应关系如表6所示。
根据对该产品的质量要求,需要温场各个点的温度与设定值1120℃相差不应超过10℃。根据这个要求,所有点实际温度偏高,需调低所有点的实际温度。
本发明中,还可以按照如下方法确定a的值:分别将外延炉台设定一个温度后升温后保持1-5分钟,测量同一温场不同位置的温度,,并测量该几个不同位置对应的外延片外延层的电阻率。选取不同温度的三组数据,代入公式T=1130℃-(ρ-348)/a,确定a值大小。
通过本发明校正外延机台温场的均匀性,可以有效的表征晶片实际外延长晶时各点的实际温度,为改善外延机台温场的均匀性提供了方向。
实施例2-5中,使用实施例1的方法检验校正前和校正后的外延机台,使用校正温度后的外延机台生产的外延片,其过渡区厚度的精度至少能够提高5%。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明,并不构成对权利要求范围的限制,本领域内技术人员可以想到的其它实质上等同的替代,均在本发明保护范围内。
Claims (14)
1.通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,包括步骤,
A、提供一离子注入晶片;
B、将离子注入晶片升高至指定温度T1,然后降温至常温;
C、检测离子注入晶片多个点的电阻率ρ;
D、根据电阻率与温度的换算关系确定外延炉台多个点的温度值。
2.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,所述离子注入晶片的离子注入厚度为自晶片表面起不大于2μm。
3.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,所述离子选自B+、BF2 +、P+、As+、Sb+、Ar+中的一种。
4.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,所述晶片为衬底或外延片。
5.根据权利要求4所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,所述衬底为N型衬底或P型衬底;所述的N型衬底掺杂有砷、磷或锑;所述的P型衬底掺杂有硼。
6.根据权利要求4所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,所述的外延片的外延层为P型或N型;所述的N型外延层掺杂有砷、磷或锑;所述的P型外延层掺杂有硼。
7.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,所述的温度T1为1080℃-1200℃。
8.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,采用四探针电阻率测量仪测量选定点的电阻率。
9.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,所述离子注入晶片为外延片;所述离子注入外延层内,外延层厚度为2μm以上。
10.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,步骤B中,离子注入晶片升高至指定温度T1,在该温度T1保持1-5分钟。
11.根据权利要求1所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,步骤D中,电阻率与温度的换算关系为T=1130℃-(ρ-348)/a;T为外延炉台各点的温度,单位是℃;ρ为电阻率,单位是ohm·cm;a为系数,取值为0.5~1.5。
12.根据权利要求11所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,步骤D中,首先将外延炉台升温至指定温度,再测量温场三个以上位置的温度,并检测与该温场三个以上位置对应的晶片处的电阻率,代入公式T=1130℃-(ρ-348)/a,确定a值大小。
13.根据权利要求11所述的通过离子注入晶片检测外延炉台温场温度的方法,其特征在于,步骤D中,分别将外延炉台设定为三个以上不同的温度,测量温场同一位置的温度,并测量该温场位置对应的晶片处在不同温度下处理后的电阻率,代入公式T=1130℃-(ρ-348)/a,确定a值大小。
14.通过离子注入晶片校正外延炉台温场的方法,其特征在于,采用权利要求1-12任一权利要求所述的方法检测外延炉台温场多个点的温度;如存在超过设定温度范围的位置,则调整该位置的温场温度。
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