CN104835755A - 一种离子注入损伤深度的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子注入损伤深度的测试方法，包括在硅片衬底上生长高应力的氮化硅薄膜，进行离子注入释放氮化硅薄膜的应力，对氮化硅薄膜进行若干次一定时间的湿法刻蚀并测厚，得出氮化硅损耗；将每次刻蚀后的氮化硅损耗与本征氮化硅损耗进行对比，当二者的差异落入一差异率限值内时，对氮化硅损耗进行加和，计算出总的氮化硅损耗量，该总的氮化硅损耗量即为所述氮化硅薄膜被离子注入损伤的深度值。本发明能监控离子注入工艺在氮化硅中的注入损伤深度，实现精确控制离子在氮化硅中的注入深度，为等离子注入释放应力应用到CESL高应力薄膜上提供了检测手段。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，更具体地，涉及一种对离子注入的损伤深度进行准确测试的方法。
背景技术
集成电路尤其是超大规模集成电路中的主要器件是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，简称MOS晶体管)。伴随着摩尔定律，集成电路特征尺寸一直在不断缩小，随着器件尺寸的不断缩小，对掺杂工艺的要求也更加苛刻，要求能够精确控制掺杂离子的深度和浓度。
离子注入可通过调节注入离子的能量和剂量，精确控制掺杂的深度和浓度。特别是，当需要超浅结和特殊形状的杂质浓度分布时，离子注入掺杂可保证其精确度和重复性。离子注入的杂质分布准直性好(即横向扩展小)，有利于获得精确的浅结掺杂，可提高电路的集成度和成品率。离子注入能在任意所需的温度下进行掺杂，并可达到高纯度掺杂的要求，避免有害物质进入半导体材料，因而可以提高半导体器件的性能。当前离子注入已成为大规模和超大规模集成电路中的一项重要掺杂技术。
同时，集成电路随着器件尺寸的不断缩小，对器件的速度要求也越来越高。而为了提高器件速度，应变硅技术开始引入，其中一种方法是在沟道上引入高应力，从而增加载流子的迁移率，进而增加器件速度。
高应力的引入比较常用的方法是在源漏接触形成以后，用等离子体增强技术沉积一层高应力的氮化硅薄膜(Contact etch stop layer，CESL)，通过应力传导，增加沟道的载流子迁移率。但是高应力薄膜一般分为拉应力和压应力，拉应力能大大提高NMOS器件的沟道载流子迁移率，但是会降低PMOS的载流子迁移率。
为了在提高NMOS器件速度的同时不降低PMOS的速度，在拉应力的CESL薄膜沉积到器件上去后，会进行一次光刻，将PMOS区域的CESL薄膜暴露出来，用一道离子注入(IMP)将CESL薄膜氮化硅的应力释放掉，仅暴露NMOS区域薄膜的高应力。
离子注入能够释放应力的原因是由于离子注入工艺会造成氮化硅晶格损伤，从而使得高拉应力释放，变成低应力的氮化硅。离子注入工艺的深度主要靠离子注入的能量控制，能量越高注入的深度也越深。因为CESL薄膜下方就是栅极和沟道，因此精确控制IMP的注入深度就很重要，既不能太浅、也不能太深。因为太浅会使得高应力并不能完全释放，起不到应力释放的效果；而太深又有可能将氮化硅击穿，使得注入的掺杂离子扩散到栅极或者沟道中，影响器件性能。
因此，为了精确控制离子在氮化硅中的注入深度，找到一个能监控离子注入工艺在氮化硅中的注入损伤深度的方法就很重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能监控离子注入工艺在氮化硅中的注入损伤深度的方法，实现精确控制离子在氮化硅中的注入深度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种离子注入损伤深度的测试方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一硅片衬底，在所述硅片衬底上生长一层氮化硅薄膜，然后对所述氮化硅薄膜进行紫外线照射，使所述氮化硅薄膜获得高应力；
步骤S02：对所述氮化硅薄膜进行离子注入，使所述氮化硅薄膜的应力得到释放，并测得所述氮化硅薄膜的初始厚度；
步骤S03：采用湿法工艺对所述氮化硅薄膜进行若干次一定时间的刻蚀，并在每次刻蚀后测得所述氮化硅薄膜的厚度，得出每次刻蚀后的氮化硅损耗；
步骤S04：将每次刻蚀后的氮化硅损耗与本征氮化硅损耗进行对比，当某次刻蚀后二者的差异落入一差异率限值内时，则停止后续刻蚀，并对该次前各次的氮化硅损耗进行加和，计算出总的氮化硅损耗量，该总的氮化硅损耗量即为所述氮化硅薄膜被离子注入损伤的深度值。
优选地，步骤S01中，采用等离子化学汽相淀积生长所述氮化硅薄膜。
优选地，步骤S02中，采用一定剂量和能量的Si离子或N离子等离子体，对所述氮化硅薄膜进行离子注入。
优选地，步骤S03中，采用DHF或磷酸溶液对所述氮化硅薄膜进行湿法刻蚀。
优选地，步骤S03中，每次的刻蚀时间相同。
优选地，步骤S03中，每次的刻蚀时间为2～20秒。
优选地，采用椭偏仪测得所述氮化硅薄膜的厚度。
优选地，还包括步骤S05：变换离子注入能量，并重复步骤S01～S05，得到所述氮化硅薄膜在不同离子注入能量时所对应的总的氮化硅损耗量，建立不同离子注入能量在所述氮化硅薄膜中的对应注入深度关系模型。
优选地，步骤S04中，所述差异率限值为小于等于5％。
优选地，所述DHF溶液的稀释配比为200：1。
从上述技术方案可以看出，本发明通过采用湿法刻蚀(WET Etch)的方法测试被离子注入损伤的氮化硅薄膜的刻蚀损耗，根据刻蚀损耗的变化可较精确地定义出被离子注入损伤的厚度范围，从而测试出不同能量的离子注入在氮化硅中的注入深度，为等离子注入释放应力应用到CESL高应力薄膜上提供了检测手段。
附图说明
图1是本发明一种离子注入损伤深度的测试方法的流程图；
图2是氮化硅的刻蚀次数和损耗量的关系曲线图；
图3是不同离子注入能量对应的在氮化硅中注入深度的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一种离子注入损伤深度的测试方法的流程图。如图1所示，本发明的一种离子注入损伤深度的测试方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一硅片衬底，在所述硅片衬底上生长一层氮化硅薄膜，然后对所述氮化硅薄膜进行紫外线照射，使所述氮化硅薄膜获得高应力；
步骤S02：对所述氮化硅薄膜进行离子注入，使所述氮化硅薄膜的应力得到释放，并测得所述氮化硅薄膜的初始厚度；
步骤S03：采用湿法工艺对所述氮化硅薄膜进行若干次一定时间的刻蚀，并在每次刻蚀后测得所述氮化硅薄膜的厚度，得出每次刻蚀后的氮化硅损耗；
步骤S04：将每次刻蚀后的氮化硅损耗与本征氮化硅损耗进行对比，当某次刻蚀后二者的差异落入一差异率限值内时，则停止后续刻蚀，并对该次前各次的氮化硅损耗进行加和，计算出总的氮化硅损耗量，该总的氮化硅损耗量即为所述氮化硅薄膜被离子注入损伤的深度值。
在本发明以下的具体实施方式中，上述的步骤S01中，可在硅片衬底上采用等离子化学汽相淀积生长一层高应力的氮化硅薄膜。本实施例中例如可采用LAM公司的Vector型号等离子化学汽相沉积系统，沉积温度例如为400℃，用到的气体主要为SiH4、NH3和N2，流量分别为100sccm、2000sccm和10000sccm；沉积的射频RF为13.56MHz的高频，功率为500W，沉积时间为44秒，沉积厚度为500埃。
紧接着，可采用LAM公司的Sola型号紫外线处理设备，对上述氮化硅薄膜进行紫外线照射，处理腔体的温度例如为480℃，紫外线的波长在100～400纳米，处理时间为600秒。氮化硅薄膜经过紫外线处理后会收缩并形成高拉应力。
然后，可采用KLA-Tensor公司的椭偏仪8530型号测试经过紫外线处理的氮化硅薄膜的厚度和应力。本实例中氮化硅薄膜经过紫外线处理后的厚度为454埃，氮化硅的应力为1670Mpa。
接下来，在上述的步骤S02中，可采用一定剂量和能量的Si离子或N离子等离子体，对所述氮化硅薄膜进行离子注入，将氮化硅薄膜的应力释放。本实施例中注入的N离子的能量例如为12Kev，注入的剂量为5E15，注入角度为0度。
然后，可采用KLA-Tensor公司的椭偏仪8530型号测试经过离子注入的氮化硅薄膜的厚度和应力。本实例中氮化硅薄膜处理后的厚度为451埃，氮化硅的应力为300Mpa。
接下来，在上述的步骤S03中，可采用DHF或热磷酸溶液对所述氮化硅薄膜进行若干次的湿法刻蚀。进一步地，在每次刻蚀时，可以选择相同的刻蚀时间。优选地，每次的刻蚀时间为2～20秒。为控制刻蚀速率，对DHF溶液的稀释配比可为200：1，即DHF溶液中去离子水：HF＝200：1。本实例中，采用热磷酸溶液对氮化硅薄膜先进行第一次刻蚀，刻蚀时间例如为8秒。
然后，可采用KLA-Tensor公司的椭偏仪8530型号测试，得出第一次刻蚀的氮化硅损耗，本实施例中测试的第一次刻蚀后氮化硅薄膜的厚度为437.5埃，得出的第一次氮化硅损耗为(451-437.5)＝13.5埃。
接下来，再次用热磷酸溶液进行第二次刻蚀，刻蚀时间同样可为8秒，并测试出氮化硅损耗。如此反复，直到某次测试出的氮化硅损耗和本征氮化硅(未被离子注入损伤)损耗之间的差异落入设定的5％的差异率限值内(小于等于5％)时，停止刻蚀，计算出该次之间总的刻蚀时间和氮化硅损耗量，该氮化硅损耗量即为被离子注入损伤的氮化硅的深度值。将各次刻蚀后的氮化硅损耗值作图，即得到如图2所示的氮化硅的刻蚀次数和损耗量的关系曲线图。图中横坐标代表刻蚀次数，纵坐标代表氮化硅损耗(单位：埃)。
本征氮化硅的损耗一般为10埃。如图2所示，前14次的氮化硅损耗基本稳定在14埃左右，比本征氮化硅10埃的损耗高40％，可以认为这些损耗的氮化硅都是被离子注入损伤的。但是从第14次开始每次的损耗量逐渐降低，也就是从第14次开始接近离子注入的深度值，直到经过18次刻蚀。18次以后的每次刻蚀的损耗接近本征氮化硅的损耗量，并已落入设定的5％的差异率限值内可以认定第18次以后的氮化硅是未被离子注入的氮化硅，因而前18次刻蚀损耗氮化硅的总厚度即为离子注入的深度。本例中前18次氮化硅中的总厚度为245埃，即本次离子注入的深度值为245埃。
进一步地，上述本发明的方法中还可包括步骤S05：变换离子注入能量，并重复步骤S01～S05，得到所述氮化硅薄膜在不同离子注入能量时所对应的总的氮化硅损耗量，建立不同离子注入能量在所述氮化硅薄膜中的对应注入深度关系模型。将不同离子注入能量时对应的离子注入深度作图，即可得到如图3所示的不同离子注入能量对应的在氮化硅中注入深度的关系曲线图。图中横坐标代表Si离子注入能量(单位：Kev)，纵坐标代表Si离子注入深度(单位：埃)。从图3可以看出，离子注入深度随离子注入能量的提高而增加，具有明显的线性正相关性。因此，本发明为精确控制离子在氮化硅中的注入深度，监控离子注入工艺在氮化硅中的注入损伤深度提供了一个切实可行的方法。
从上述技术方案可以看出，本发明通过采用湿法刻蚀的方法测试被离子注入损伤的氮化硅薄膜的刻蚀损耗，根据刻蚀损耗的变化可较精确地定义出被离子注入损伤的厚度范围，从而测试出不同能量的离子注入在氮化硅中的注入深度，为等离子注入释放应力应用到CESL高应力薄膜上提供了检测手段。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一硅片衬底，在所述硅片衬底上生长一层氮化硅薄膜，然后对所述氮化硅薄膜进行紫外线照射，使所述氮化硅薄膜获得高应力；
步骤S02：对所述氮化硅薄膜进行离子注入，使所述氮化硅薄膜的应力得到释放，并测得所述氮化硅薄膜的初始厚度；
步骤S03：采用湿法工艺对所述氮化硅薄膜进行若干次一定时间的刻蚀，并在每次刻蚀后测得所述氮化硅薄膜的厚度，得出每次刻蚀后的氮化硅损耗；
步骤S04：将每次刻蚀后的氮化硅损耗与本征氮化硅损耗进行对比，当某次刻蚀后二者的差异落入一差异率限值内时，则停止后续刻蚀，并对该次前各次的氮化硅损耗进行加和，计算出总的氮化硅损耗量，该总的氮化硅损耗量即为所述氮化硅薄膜被离子注入损伤的深度值。
2.根据权利要求1所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，步骤S01中，采用等离子化学汽相淀积生长所述氮化硅薄膜。
3.根据权利要求1所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，步骤S02中，采用一定剂量和能量的Si离子或N离子等离子体，对所述氮化硅薄膜进行离子注入。
4.根据权利要求1所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，步骤S03中，采用DHF或磷酸溶液对所述氮化硅薄膜进行湿法刻蚀。
5.根据权利要求1所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，步骤S03中，每次的刻蚀时间相同。
6.根据权利要求1、4或5所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，步骤S03中，每次的刻蚀时间为2～20秒。
7.根据权利要求1所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，采用椭偏仪测得所述氮化硅薄膜的厚度。
8.根据权利要求1所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，还包括步骤S05：变换离子注入能量，并重复步骤S01～S05，得到所述氮化硅薄膜在不同离子注入能量时所对应的总的氮化硅损耗量，建立不同离子注入能量在所述氮化硅薄膜中的对应注入深度关系模型。
9.根据权利要求1所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，步骤S04中，所述差异率限值为小于等于5％。
10.根据权利要求4所述的离子注入损伤深度的测试方法，其特征在于，所述DHF溶液的稀释配比为200：1。
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