CN109473369B - 一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法 - Google Patents

一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，通过将易于实现的扩散操作融入含有待监控衬底片的MOS结构之中，使测试区域O1和区域O2带有不同的掺杂分布，进一步测试MOS结构区域O2的准静态C‑V特性和高频C‑V特性，区域O1的准静态C‑V特性和高频C‑V特性并对所测数据进行数据分析计算出MOS结构区域O1和区域O2的平带电压值，得到该衬底片区域O2和区域O1的平带电压差值ΔVoFB，将ΔVoFB代入平带电压差值和离子注入剂量的函数关系便可快速计算出对应的等效离子注入剂量，该等效离子注入剂量即为本次扩散待监控衬底片实际引入的硼离子或磷离子的掺杂浓度。

Description

一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造中的掺杂监控，具体为一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法。
背景技术
半导体集成电路制造中，通常使用扩散的方法调制特定区域的杂质掺杂浓度及结深，以满足产品参数要求。因此，保障在线扩散工艺的硼磷杂质浓度一致性，对产品工艺稳定起到关键作用。特别是对于小线宽产品制程，产品表面掺杂杂质浓度通常较低，如果产品在流片过程中表面被微量硼磷杂质沾污或扩散条件波动均可能导致器件阈值电压及击穿特性发生异常。因此，在流片过程中，防止产品表面被硼磷杂质沾污为重点管控事宜。
通常监控掺杂杂质浓度常用的方法有四探针法及热波仪测试方法。四探针法用于高浓度掺杂测试，通常应用于等效离子注入剂量大于1.0×1013ions/cm2的情况。热波仪法用于测试低浓度掺杂测试，其测试原理为通过测试离子注入损伤程度计算离子注入计量，通常应用于测试等效离子注入剂量在1.0×1011ions/cm2～1.0×1013ions/cm2的情况。
半导体集成电路生产线通常利用测试MOS结构的CV特性来表征MOS结构栅介质内的电荷情况，其具体结构如图1所示。目前利用该原理检测掺杂的杂质浓度还未见报道。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，成本低，易操作，测试精度和准确性高，可覆盖半导体集成电路生产线中扩散的工艺监控。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，包括如下步骤，
步骤1，在待监控衬底片表面生长掩蔽氧化层；
步骤2，光刻生长有掩蔽氧化层的衬底片，使其一半的区域O1掩蔽氧化层保留，另一半的区域O2掩蔽氧化层去除；
步骤3，对步骤2得到的衬底片在待监控炉管内作业退火，进行高温炉管内的掺杂；
步骤4，去除衬底片表面的掩蔽氧化层并在全部表面生长栅介质氧化层；
步骤5，在栅介质氧化层表面淀积一层电极，并在电极上进行光刻，刻蚀出测试的图形后进行合金工艺形成待测的MOS结构；
步骤6，分别测试待测的MOS结构区域O2的准静态C-V特性和高频C-V特性，区域O1的准静态C-V特性和高频C-V特性，得到对应区域的平带电压值
Figure BDA0001846050990000021
和
Figure BDA0001846050990000022
的差值ΔVoFB；
步骤7，将ΔVoFB带入平带电压差值和离子注入剂量的函数关系中，计算出相应的离子注入剂量，得到的离子注入剂量为待监控衬底片高温炉管内的掺杂浓度。
优选的，步骤7中的平带电压差值和离子注入剂量的函数关系按以下步骤求得，
步骤7.1，在衬底片表面生长栅介质氧化层；
步骤7.2，光刻生长有栅介质氧化层的衬底片，使其一半的区域D1被光刻胶掩蔽，另一半的区域D2无光刻胶；
步骤7.3，根据测试需要的剂量对步骤7.2得到的衬底片进行离子注入；
步骤7.4，去除衬底片表面的光刻胶并在全部表面淀积一层电极；
步骤7.5，在电极上进行光刻工序，刻蚀测试的图形后进行合金工艺形成待测的离子注入MOS结构；
步骤7.6，分别测试待测的MOS结构区域D2的准静态C-V特性和高频C-V特性，区域D1的准静态C-V特性和高频C-V特性，得到对应区域的平带电压值，结合步骤7.3的离子注入剂量得到区域D2和区域D1的平带电压值，求区域D2和区域D1的平带电压差值ΔVFB(Da)和对应的离子注入剂量；
步骤7.7，重复步骤7.1～步骤7.6，改变步骤7.3离子注入的剂量，得到另一组ΔVFB(Db)和对应的离子注入剂量，重复若干次后将得到的ΔVFB(Di)和对应的离子注入剂量数据进行拟合，得出平带电压差值和离子注入剂量的函数关系。
优选的，步骤1所述的衬底片采用N型硅片，晶向为100，电阻率为4Ω.cm～7Ω.cm。
优选的，步骤1中的掩蔽氧化层厚度为
Figure BDA0001846050990000031
优选的，步骤3在作业时温度为950℃-1050℃，退火采用N2进行保护且在16SLM下退火60min。
优选的，步骤4中的栅介质氧化层厚度为
Figure BDA0001846050990000032
优选的，步骤5中淀积的电极为ALSICU。
优选的，步骤6中的测试位置点对称地分布在MOS结构的区域O2和区域O1上。
进一步，测试位置点均匀分布且区域O2和区域O1上的测试位置点均不少于4个。
优选的，步骤6在100KHz下测试待测的MOS结构区域O2和区域O1的高频C-V特性，并用Metrics ICS软件计算MOS结构区域O2和区域O1的平带电压值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，通过将易于实现的扩散操作融入含有待监控衬底片的MOS结构之中，使测试区域O1和区域O2带有不同的掺杂分布，进一步测试MOS结构区域O2的准静态C-V特性和高频C-V特性，区域O1的准静态C-V特性和高频C-V特性并对所测数据进行数据分析计算出MOS结构区域O1和区域O2的平带电压值，得到该衬底片区域O2和区域O1的平带电压差值ΔVoFB，将ΔVoFB代入平带电压差值和离子注入剂量的函数关系便可快速计算出对应的等效离子注入剂量，该等效离子注入剂量即为本次扩散待监控衬底片实际引入的硼离子或磷离子的掺杂浓度。
进一步的，根据平带电压变化量能表征离子注入剂量对应的掺杂杂质浓度这一原理，将微量硼离子或磷离子转移至MOS结构衬底片的任意一半表面，从而多次改变衬底片表面两边的掺杂信息，通过对比衬底片表面两边的掺杂信息变化，当其中任意一半的掺杂信息始终固定，便可使反映出的衬底片两边的平带电压差值和离子注入剂量的函数关系精确，且成本低，易操作。
进一步的，将测试位置点对称地设置在MOS结构的区域O2和区域O1上可以使测试前后同一位置的平带电压值一一对应能顾及到衬底片的各个主要位置，确保得到的平带电压差值数据的准确性。
进一步的，测试位置点均匀分布且区域O2和区域O1上的测试位置点均不少于4个的设计可以保证在测试时能顾及到衬底片的各个主要位置，确保得到的平带电压差值数据的准确性。
附图说明
图1为现有技术中的MOS结构测试区域剖面图。
图2为本发明实施例所述的引入待监控杂质的MOS结构测试区域剖面图。
图3为本发明实施例所述的MOS结构区域O2/O1和区域D2/D1的平带电压差值的测试位置点示意图。
图4为本发明实施例所述的对不同掺杂情况炉管内的杂质浓度监控图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的具体实现过程为将实际生产线上引入的微量硼离子或磷离子转移至含有待监控衬底片中，从而改变衬底片表面两边的掺杂信息，通过计算衬底片表面两边平带电压的差值，将该差值带入平带电压差值和离子注入剂量的函数关系中，计算出相应的离子注入剂量，得到的离子注入剂量对应炉管内的等效离子注入剂量，该等效离子注入剂量即为本次扩散待监控衬底片实际引入的硼离子或磷离子的掺杂浓度。
MOS结构中的平带电压VFB与金属功函数Wm、氧化层固定电荷QEFF、衬底掺杂浓度N相关，其中金属功函数Wm、氧化层固定电荷QEFF与衬底杂质浓度N无关，VFB的单位为V，Wm的单位为V，QEFF的单位为cm-2，N的单位为cm-2，因此MOS结构中的两边区域平带电压差值只为衬底杂质浓度的函数，具体推导如下：
Figure BDA0001846050990000051
ΔVFB＝KT(LnN1-LnN2)(2)
公式(1)中的Wms为金属-半导体功函数差，单位为V；Cox为氧化层电容，单位为F/cm2；χ为电子亲和能，单位为V；Eg为禁带宽度，单位为eV；K为常数；T为温度，单位为K；ni为本征载流子浓度，单位为cm-2。公式(2)中的N1为衬底片任意一半的掺杂浓度，N2为衬底片另一半的掺杂浓度，通过公式(2)可知，当N2的数值一旦确定，炉管内的等效离子注入剂量对应的掺杂杂质浓度N1能通过平带电压变化量来表征。本发明通过收集MOS结构两边平带电压变化量的实验数据可灵敏反映出衬底炉管内扩散掺杂浓度的变化，且稳定性较高。
本发明监控高温炉管内杂质浓度的MOS结构制备及MOS结构两边的平带电压差值获得流程如下：
步骤1，在待监控衬底片表面生长厚度为
Figure BDA0001846050990000061
的掩蔽氧化层；
步骤2，将包含掩蔽氧化层的衬底片经过光刻工序，刻蚀后使其左半边掩蔽氧化层保留，而右半边掩蔽氧化层去除，记该衬底片中有掩蔽氧化层的一半区域为O1，无掩蔽氧化层的一半区域为O2；
步骤3，根据实际工艺的需要对上述衬底片在待监控炉管内950℃～1050℃下作业1h，N2在16SLM下退火60min，由于只有其左侧保留掩蔽氧化层，因此只有右半边有硼离子或磷离子扩散进衬底表面；
步骤4，去除衬底片表面的掩蔽氧化层并在全部表面生长厚度为
Figure BDA0001846050990000062
的栅介质氧化层；
步骤5，在栅介质氧化层表面淀积一层ALSICU电极，并在电极上进行光刻工序，刻蚀出测试的图形；
步骤6，对测试的图形进行合金工艺，形成待测的MOS结构，如图2所示，N+表示扩散引入的杂质离子；
步骤7，按照图3所示的对称测试点位，对比测试待测的MOS结构区域O2的准静态C-V特性和在100KHz下的高频C-V特性，区域O1的准静态C-V特性和在100KHz下的高频C-V特性，利用Metrics ICS软件得到区域O2和区域O1的平带电压值并求出
Figure BDA0001846050990000063
减去
Figure BDA0001846050990000064
的差值ΔVoFB；将ΔVoFB代入平带电压差值和离子注入剂量的函数关系中，计算出相应的离子注入剂量，该注入剂量对应待监控衬底片炉管内的等效离子注入剂量，该等效离子注入剂量即为本次扩散待监控衬底片实际引入的硼离子或磷离子的掺杂浓度；需要说明的是，由于测试时区域O2和区域O1对应的位置各对称且均匀分布有4个点，不仅可以使测试前后同一位置的平带电压值一一对应，保证数据的一致性，而且还可以保证在测试时能顾及到衬底片的各个主要位置，确保得到的平带电压差值数据的准确性。
本优选实施例中，平带电压差值和离子注入剂量的函数关系基于以下原理求得，
引入的微量硼离子或磷离子转移至MOS结构衬底片的任意一半表面，从而改变衬底片表面两边的掺杂信息，通过对比衬底片表面两边的掺杂信息变化，可精确反映出衬底片两边的平带电压差值和离子注入剂量的函数关系。
具体按照以下步骤获得，
步骤7.1，在类型为N，晶向为100，电阻率为4Ω.cm～7Ω.cm的衬底片表面生长厚度为
Figure BDA0001846050990000071
的栅介质氧化层；
步骤7.2，光刻生长有栅介质氧化层的衬底片，使其一半的区域D1被光刻胶掩蔽，另一半的区域D2无光刻胶；
步骤7.3，根据测试需要的剂量对步骤7.2得到的衬底片在注入能量为55keV～65keV的条件下进行离子注入；
步骤7.4，去除衬底片表面的光刻胶并在全部表面淀积一层ALSICU电极；
步骤7.5，在电极上进行光刻工序，刻蚀测试的图形后进行合金工艺形成待测的离子注入MOS结构；
步骤7.6，按照图3所示的对称测试点位，分别在均匀分布的4个点上对比测试待测的离子注入MOS结构区域D2的准静态C-V特性和在100KHz下的高频C-V特性，区域D1的准静态C-V特性和在100KHz下的高频C-V特性，利用Metrics ICS软件得到对应区域的平带电压值，结合步骤7.3的离子注入剂量得到一组区域D2的平带电压值减去区域D1的平带电压值所得到的平带电压差值ΔVFB(Da)和对应的离子注入剂量；
步骤7.7，重复步骤7.1～步骤7.6，改变步骤7.3离子注入的剂量，得到另一组ΔVFB(Db)和对应的离子注入剂量，重复6次后将得到的ΔVFB(Di)和对应的离子注入剂量数据进行拟合，得出平带电压差值和离子注入剂量的函数关系。
需要补充说明的是，由于本发明专利只是提供了一种监控方法，所以并没有对扩散操作时的具体硼离子或磷离子等效离子注入剂量和对应的ΔVFB做详细说明，本领域技术人员在看到本发明专利提供的这一监控方法同样可以得到自己需要的函数关系并进行监控。
采用上述方法对炉管内的微量硼离子或磷离子的类型及等效离子注入掺杂浓度进行监控，分别选择腔室内类型偏N型、腔室内杂质类型偏P型及腔室内无杂质的炉管，其中N型即磷离子，P型即硼离子。测试发现，腔室内偏P型的炉管内ΔVaFB为负值，腔室内偏N型的炉管内ΔVbFB为正值，腔室内无杂质的炉管内ΔVcFB与理论上ΔVco FB为0的情况存在一定的偏移量，如图4所示，其中HF052所对应的ΔVc1FB为0.06V的情况为其中一次的测试结果，说明该炉管内之前存有微量的磷离子；将测试得到的ΔVaFB、ΔVbFB与ΔVcFB代入平带电压差值和等效离子注入剂量的函数关系中可估算得出P型炉管内硼离子的掺杂浓度等效离子注入剂量为6.0×1010ions/cm2，N型炉管内磷离子的掺杂浓度等效离子注入剂量为8.0×1010ions/cm2，腔室内无杂质的炉管内磷离子掺杂浓度等效离子注入剂量为2.0×1010ions/cm2。

Claims (6)

1.一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，在待监控衬底片表面生长掩蔽氧化层；所述的衬底片采用N型硅片，晶向为100，电阻率为4Ω·cm～7Ω·cm；所述的掩蔽氧化层厚度为
Figure FDA0002598995840000011
步骤2，光刻生长有掩蔽氧化层的衬底片，使其一半的区域O1掩蔽氧化层保留，另一半的区域O2掩蔽氧化层去除；
步骤3，对步骤2得到的衬底片在待监控炉管内作业退火，进行高温炉管内的掺杂；
步骤4，去除衬底片表面的掩蔽氧化层并在全部表面生长栅介质氧化层；栅介质氧化层厚度为
Figure FDA0002598995840000012
步骤5，在栅介质氧化层表面淀积一层电极，并在电极上进行光刻，刻蚀出测试的图形后进行合金工艺形成待测的MOS结构；
步骤6，分别测试待测的MOS结构区域O2的准静态C-V特性和高频C-V特性，区域O1的准静态C-V特性和高频C-V特性，得到对应区域的平带电压值
Figure FDA0002598995840000013
和
Figure FDA0002598995840000014
的差值ΔVoFB；
步骤7，将ΔVoFB带入平带电压差值和离子注入剂量的函数关系中，计算出相应的离子注入剂量，得到的离子注入剂量为待监控衬底片高温炉管内的掺杂浓度；
步骤7中的平带电压差值和离子注入剂量的函数关系按以下步骤求得，
步骤7.1，在衬底片表面生长栅介质氧化层；
步骤7.2，光刻生长有栅介质氧化层的衬底片，使其一半的区域D1被光刻胶掩蔽，另一半的区域D2无光刻胶；
步骤7.3，根据测试需要的剂量对步骤7.2得到的衬底片进行离子注入；
步骤7.4，去除衬底片表面的光刻胶并在全部表面淀积一层电极；
步骤7.5，在电极上进行光刻工序，刻蚀测试的图形后进行合金工艺形成待测的离子注入MOS结构；
步骤7.6，分别测试待测的MOS结构区域D2的准静态C-V特性和高频C-V特性，区域D1的准静态C-V特性和高频C-V特性，得到对应区域的平带电压值，结合步骤7.3的离子注入剂量得到区域D2和区域D1的平带电压值，求区域D2和区域D1的平带电压差值ΔVFB(Da)和对应的离子注入剂量；
步骤7.7，重复步骤7.1～步骤7.6，改变步骤7.3离子注入的剂量，得到另一组ΔVFB(Db)和对应的离子注入剂量，重复若干次后将得到的ΔVFB(Di)和对应的离子注入剂量数据进行拟合，得出平带电压差值和离子注入剂量的函数关系。
2.根据权利要求1所述的一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，其特征在于，步骤3在作业时温度为950℃～1050℃，退火采用N2进行保护且在16SLM下退火60min。
3.根据权利要求1所述的一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，其特征在于，步骤5中淀积的电极为AlSiCu。
4.根据权利要求1所述的一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，其特征在于，步骤6中的测试位置点对称地分布在MOS结构的区域O2和区域O1上。
5.根据权利要求4所述的一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，其特征在于，测试位置点均匀分布且区域O2和区域O1上的测试位置点均不少于4个。
6.根据权利要求1所述的一种监控高温炉管内掺杂浓度的方法，其特征在于，步骤6在100KHz下测试待测的MOS结构区域O2和区域O1的高频C-V特性，并用Metrics ICS软件计算MOS结构区域O2和区域O1的平带电压值。
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