CN105551992B - 离子注入机台的测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种离子注入机台的测试方法，用于测试离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定，所述测试方法包括：提供晶圆；在所述晶圆表面形成氧化物层，从而使所述晶圆成为测试晶圆；将所述测试晶圆放置到离子注入机台的离子注入腔室中；在所述离子注入腔室中对所述测试晶圆进行离子注入；在所述离子注入后，测量所述氧化物层的电荷，根据所述电荷判断离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入。所述测试方法能够准确判断离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定。

Description

离子注入机台的测试方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种离子注入机台的测试方法。
背景技术
随着半导体工艺的发展，由于越来越多的半导体产品需要通过在多晶硅的薄膜上植入杂质来控制氧化物层的生长厚度，以此来防止后续研磨和蚀刻工艺中将需要保留的多晶硅除去。
传统上，监控多晶硅在离子注入后的氧化层生长厚度的方法是，通过电阻值测试的方法。即用离子注入过的晶圆进行高温热退火，然后根据所述晶圆得到现有腔体状况下离子注入的状况。不过这种方法只适用于后续无氧化层生长晶片的制程。越来越多产品需要在后续进行氧化层生长，必须增加多晶硅在离子注入后的氧化层生长厚度的监控方法以保证腔体状况适合所有产品安全生产。
然而，目前尚无有效方法监控离子注入对多晶硅表面后续生长的氧化层厚度的影响。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种离子注入机台的测试方法，用于有效测试离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定。
为解决上述问题，本发明提供一种离子注入机台的测试方法，用于测试离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定，所述测试方法包括：
提供晶圆；
在所述晶圆表面形成氧化物层，从而使所述晶圆成为测试晶圆；
将所述测试晶圆放置到离子注入机台的离子注入腔室中；
在所述离子注入腔室中对所述测试晶圆进行离子注入；
在所述离子注入后，测量所述氧化物层的电荷，根据所述电荷判断所述离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入。
可选的，所述氧化物层为氧化硅层。
可选的，所述氧化硅层的厚度范围为
可选的，所述离子注入采用的离子为砷离子或者磷离子。
可选的，所述砷离子的注入浓度范围为1E15atom/cm2～1E16atom/cm2。
可选的，所述砷离子的注入电压范围为20kV～60kV。
可选的，所述砷离子的注入浓度为7E15atom/cm2，所述砷离子的注入电压为30kV，所述氧化硅层的厚度范围为
可选的，采用炉管氧化方法形成所述氧化硅层。
可选的，通过测量所述氧化物层的平均表面电压得到所述氧化物的电荷，并根据电荷对应的所述平均表面电压判断所述离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定；当所述氧化物层的平均表面电压大于-2V时，判定所述离子注入机台状况异常，不适于对多晶硅进行离子注入；当所述氧化物层的平均表面电压小于等于-2V时，判定所述离子注入机台状况正常，适于对多晶硅进行离子注入。
可选的，在测试所述离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入中，所述多晶硅为闪存器件的多晶硅共源极或逻辑运算器件上的栅极。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案中，通过在晶圆上形成氧化硅层，就可以设置到相应的离子注入机台内进行离子注入，并从而测试出相应离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定，整个测试方法操作简单，结果准确。同时，所述测试结果能及时直接地监测到腔体是否适合进行多晶硅晶片的离子注入生产的状况，进而保证后续在多晶硅表面生长氧化层时，相应氧化层的生长厚度满足安全生产的要求。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的离子注入机台的测试方法流程示意图；
图2至图5是图1所示流程示意图中某些步骤对应的结构示意图；
图6是多晶硅为闪存器件的多晶硅共源极进行离子注入后的结构；
图7是在异常离子注入机台中，对多晶硅共源极进行离子注入后，在多晶硅表面生长氧化硅层并去除所述氧化硅层后的结构；
图8是在正常离子注入机台中，对多晶硅进行离子注入后，在多晶硅表面生长氧化硅层并去除所述氧化硅层后的结构。
具体实施方式
对于离子注入制程的机台来说，异常的机台状况会影响多晶硅表面氧化层的生长效果。如果相应的产品在机台腔室状况不好的状况下进行生产，会影响后续氧化层的生长，并影响最终器件的电学特性，故离子注入过程中对腔室状况监控至关重要。但是，目前尚无有效方法监控离子注入对多晶硅表面后续生长的氧化层厚度的影响。
为此，本发明提供一种新的离子注入机台的测试方法，以直接监控多晶硅在离子注入后的氧化物层生长生产状况的方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种离子注入机台的测试方法，所述测试方法用于测试离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，请结合参考图1至图5。
请结合参考图1和图2，提供晶圆100。
本实施例中，晶圆100表面通常有一层自然氧化层，可以清洗去除所述自然氧化层。
请结合参考图1和图3，在晶圆100表面形成氧化硅层110，从而使晶圆100成为测试晶圆200。
本实施例中，采用形成氧化硅层110以用于测试，这是因为氧化硅层110的缺陷少，从而能够保证后续测量结果较为准确。而如果采用其他的膜层，由于其它膜层通常自身缺陷太多，会造成量测的误差。
本实施例中，氧化硅层110的厚度范围为
需要说明的是，其它实施例中，所述氧化硅层的厚度范围为所述氧化硅层的厚度控制在以上，以防止氧化硅层厚度不足，在量测时由于漏电荷造成误判。所述氧化硅层的厚度控制在以下，以防止所述氧化硅层厚度太高，从而造成量测机器测试结果误差太大。
本实施例中，采用炉管氧化方法形成氧化硅层110。通过炉管氧化方法生长的氧化硅层110不仅足够致密，而且自身缺陷少，可以进一步减少量测误差。同时，炉管氧化方法形成氧化硅层110的速度较快，可以提高整个测试方法的效率。所述炉管氧化方法采用的氧化温度可以为1005℃。
需要说明的是，其它实施例中，除了在所述晶圆表面形成氧化硅层，还可以形成其它的氧化物层。
请继续结合参考图1和图3，将测试晶圆200放置到离子注入机台的离子注入腔室(离子注入腔室未示出)中。
在离子注入腔室中进行离子注入的过程为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
请继续结合参考图1和图4，采用砷离子120，在离子注入腔室中对测试晶圆200进行离子注入。
本实施例中，砷离子120的注入浓度为7E15atom/cm2，砷离子120的注入电压为30kV。
需要说明的是，其它实施例中，所述砷离子的注入浓度范围可以为1E15atom/cm2～1E16atom/cm2。在所述注入浓度范围时，注入后整个测试晶圆的电阻值处在理想的可控范围内，为后续测试的准确性提供保障。
需要说明的是，其它实施例中，所述砷离子的注入电压范围可以为20kV～60kV。在20kV～60kV的注入电压范围内，所述砷离子的注入深度接近，也就是说，在该注入电压范围内能够使相应的砷离子注入到合适的深度范围。
需要说明的是，其它实施例中，除了采用砷离子，还可以采用磷离子进行所述离子注入，磷离子的导电性能与砷离子的导电性能接近。
请继续结合参考图1和图5，在离子注入后，测试氧化硅层110的表面电压。
由于离子注入是将带电荷的离子注入到晶片表面，离子注入会引起晶片表面的氧化硅层110中电荷富集，因此氧化硅层110会具有表面电势，当采用相应仪器进行测试时，就会测得测试晶圆200上氧化硅层110表面具有表面电压。
本实施例通过测试所述氧化硅层110表面具有表面电压的大小，从而得到氧化硅层110表面电荷的多少。依据迪尔-格罗夫提出的假定，晶片或多晶硅表面的电荷会影响其后续氧化过程中氧化剂到达氧化界面的速度，从而影响氧化层的生长速度。氧化硅层110表面负电荷越多(即测得测试晶圆200上氧化硅层110表面电压绝对值越大)，多晶硅在后续氧化反应中其表面的负电荷会加快氧化过程中氧化剂到达氧化界面的速度，并加快氧化的速度。当多晶硅表面负电荷大于一定值后，受电荷影响的氧化速度趋于稳定。进而说明后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定，也即说明相应的离子注入机台越适于进行离子注入以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定。反之，氧化硅层110表面负电荷越少(即测得测试晶圆200上氧化硅层110表面电压绝对值越小)，则说明多晶硅后续生长的氧化硅层厚度不稳定，也即说明相应的离子注入机台越不适于多晶硅进行离子注入。
本实施例中，采用表面电压测试设备进行氧化硅层110表面电压的测试，所述测试设备可以为KLA-Tencor Quantox(R)tool。具体如图5中所述，所述设备(KLA-TencorQuantox(R)tool)可以为开尔文探针系统，包括可调电源300、开尔文探针310(KelvinProbe)、振动装置320和开尔文探针电子器件330(Kelvin Probe Electronics)。图5中所示开尔文探针系统是一种非接触无损震荡电容装置，用于测量导体材料的功函数(WorkFunction)，或者用于半导体和绝缘表面的表面势(Surface Potential)。在测试氧化硅层110的表面电压过程中，整个测试晶圆200的背面可以接地(测试晶圆200的晶圆100部分通常是绝缘的)，先利用电荷生成头，在晶片表面氧化硅层上放置已知数量的电荷，然后将开尔文探针移至测试晶圆200的氧化硅层110上方，振动装置控制开尔文探针在氧化硅层110上方上下振动(振动方向如图5中黑色双向箭头所示)，从而根据电容的大小得到氧化硅层110的表面电压大小，进而计算得到氧化硅层110的电荷。
本实施例中，当所述氧化硅层110的平均表面电压大于-2V时，判定所述离子注入机台状况异常，不适于对多晶硅进行离子注入。当所述氧化硅层110的平均表面电压小于等于-2V时，判定所述离子注入机台状况正常，适于对多晶硅进行离子注入。
从离线测试数据表明，传统测试方法无法找到异常的离子注入机台，而采用本发明实施例所提供的测试方法，能够准确迅速地找到异常的离子注入机台。具体测试结果由下列表1和表2所示。
表1
表2
表1显示采用现有办法无法有效的找到相应的异常机台。表1第一列中多晶硅厚度是指实际产品中的多晶硅厚度，第二列中氧化硅层厚度是在多晶硅表面所形成的氧化层厚度。从第三列的真实检验结果可以看到，在正常(离子注入)机台中进入离子注入后，在厚度为的多晶硅表面生长氧化硅层的厚度约为但是，在异常机台进行离子注入后，在厚度为的多晶硅表面生长氧化硅层的厚度通常有左右，但在有一些异常机台(异常机台1)进行离子注入后，多晶硅表面生长氧化硅层的厚度约为可见，现有方法无法有效的找到相应的异常机台。
表2显示，采用本实施例的测试方法能够准确迅速地找到异常的离子注入机台。表2第一列中表面电压指本实施例测试方法测试多个相应晶圆表面的表面电压，第二列中氧化硅层厚度是实际产品中相应多晶硅表面所形成的氧化层厚度。从第三列的真实检验结果可以看到，当本实施例设定平均表面电压小于等于-2V时，判定所述离子注入机台状况正常，因此，第一行和第二行的结构都对应正常机台，而第三行中，平均电压数据为-1.872V，而本实施例设定当所述氧化硅层110的平均表面电压大于-2V时，判定所述离子注入机台状况异常，不适于对多晶硅进行离子注入，相应测出最终的氧化硅层厚度确实只有可见本实施例的测试方法能够准确迅速地找到异常的离子注入机台。
并且，特别注意到，根据表2第三行所显示的数据找到相应的异常机台后，表2最后一行是对该异常机台进行故障排除，排除后，重新采用本实施例的方法进行测试，最终测试得到实际产品上氧化硅层厚度的结果，结果表明，异常机台在故障排除后，重新恢复到正常，因为此时重新测得相应的电压数据为-2.198V，并且最终得到的氧化硅的厚度为
因此，这种测试方法能够快速测得机台的适用状况。
本实施例所提供的离子注入机台的测试方法中，仅需要通过在晶圆100上形成氧化硅层110，就可以设置到相应的离子注入机台内进行离子注入，并从而测试出相应离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定，整个测试方法操作简单，结果准确。同时，所述测试结果能及时直接地监测到腔体是否适合进行多晶硅晶片的离子注入，进而保证后续在多晶硅表面生长氧化层时，相应氧化层的生长厚度满足安全生产的要求。
具体的，对逻辑运算器件上的多晶硅(共源极)410进行离子注入后的结构如图6所示。
当未采用本发明实施例所提供的测试方法，而采用现有方法测试相应的离子注入机台时，由于现有方法未能正确测试出不适于对多晶硅进行离子注入的机离子注入台，导致相应的器件在不适于对多晶硅进行离子注入的离子注入机台中，进行了对多晶硅的离子注入，造成后续器件的多晶硅410在离子注入后，多晶硅410表面无法形成厚度均匀且表面平整的氧化物层，而形成表面不平整的氧化物层，进一步造成在去除所述氧化物层后，形成的多晶硅420表面凹凸不平，如图7所示，最终导致器件出现一系列的问题，例如电性特性偏移，可靠性问题等。
当采用本发明实施例所提供的测试方法测试相应的离子注入机台时，能够及时正确地测试出不适于对多晶硅进行离子注入的离子注入机台，因此，可以对相应的离子注入机台进行调整和维修等处理，从而保证相应的器件都在适于进行多晶硅离子注入的离子注入机台中，进行了对多晶硅的离子注入。因此，后续形成的器件的多晶硅410在离子注入后，多晶硅410表面可以形成厚度均匀且表面平整的氧化物层，在去除所述氧化物层后，形成的多晶硅430表面平坦，如图8所示，最终导致后续器件性能稳定，可靠性提高。
需要说明的是，其它实施例中，在测试所述离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入中，所述多晶硅也可以为逻辑运算器件上的栅极。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种离子注入机台的测试方法，用于测试离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中多晶硅表面生长的氧化层的厚度稳定，其特征在于，包括：
提供晶圆；
在所述晶圆表面形成氧化物层，从而使所述晶圆成为测试晶圆；
将所述测试晶圆放置到离子注入机台的离子注入腔室中；
在所述离子注入腔室中对所述测试晶圆进行离子注入；
在所述离子注入后，测量所述氧化物层的电荷，根据所述电荷判断所述离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中所述多晶硅表面生长的所述氧化层的厚度稳定；
其中，通过测量所述氧化物层的平均表面电压得到所述氧化物的电荷，并根据电荷对应的所述平均表面电压判断所述离子注入机台是否适于对多晶硅进行离子注入，以确保后续热氧化过程中所述多晶硅表面生的所述氧化层的厚度稳定；当所述氧化物层的平均表面电压大于-2V时，判定所述离子注入机台状况异常，不适于对多晶硅进行离子注入；当所述氧化物层的平均表面电压小于等于-2V时，判定所述离子注入机台状况正常，适于对多晶硅进行离子注入。
2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述氧化物层为氧化硅层。
3.如权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述氧化硅层的厚度范围为
4.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述离子注入采用的离子为砷离子或者磷离子。
5.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述砷离子的注入浓度范围为1E15atom/cm2～1E16atom/cm2。
6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述砷离子的注入电压范围为20kV～60kV。
7.如权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述砷离子的注入浓度为7E15atom/cm2，所述砷离子的注入电压为30kV，所述氧化硅层的厚度范围为
8.如权利要求2所述的测试方法，其特征在于，采用炉管氧化方法形成所述氧化硅层。
9.如权利要求1至8任意一项所述的测试方法，其特征在于，在测试所述离子注入机台是否适于对所述多晶硅进行离子注入中，所述多晶硅为闪存器件的多晶硅共源极或逻辑运算器件上的栅极。
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