CN113984788A

CN113984788A - 一种通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法

Info

Publication number: CN113984788A
Application number: CN202111594235.4A
Authority: CN
Inventors: 康劲; 刘金涛; 郑皓文; 侯爽; 关天祺; 王振辉; 肖嘉星; 孙世豪; 张晓伟; 雷晓刚; 查泽奇; 张欣; 王亚; 张彦彬; 张林凯
Original assignee: Beijing Kaishitong Semiconductor Co ltd
Current assignee: Beijing Kaishitong Semiconductor Co ltd
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN113984788B

Abstract

本发明提供一种通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其包括下列步骤：步骤S1，测定光学特征基准值及可控范围；步骤S2，测量待测机台超低温离子注入后光学特征值；步骤S3，对步骤S2中测得的数据进行数据处理；步骤S4，分析判断待测机台工艺环境是否合格。本发明方法用于监测或检测超低温离子注入工艺中冷却后的晶圆所处设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体，依据监测结果，可以调整机台工作状态，例如检漏并封闭漏孔等；以及定期监测可保证若出现问题便能及时发现、调整，从而提高整体的产品良率。

Description

一种通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，具体地涉及一种通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法，其适用于超低温离子注入设备。

背景技术

半导体器件在很长的一段时间内一直向着小型化发展，根据摩尔定律，集成电路芯片单位面积上所集成的半导体器件数目每隔18个月就将翻一倍，而伴随着器件的小型化，器件内部大部分结构势必要等比例缩小。目前半导体器件的关键尺寸业已达到纳米或深纳米级，而使用超低温离子注入技术制造超浅结、突变结，减少离子注入射程末端缺陷(EOR Damage)，成为提高互补金属氧化物半导体性能的有效途径。

超低温离子注入技术对生产环境的要求极为严格，在对晶圆进行离子注入前需要将晶圆温度降至零下50摄氏度以下。在降温过程中，冷却晶圆所处的设备内部环境中，极微量的水汽或二氧化碳等气体都将在晶圆表面凝结成霜。这层霜将阻挡后续离子注入，导致整片晶圆离子注入剂量减少，离子注入均匀度降低，进而导致器件性能降低，杀伤产品良率。如图4a、图4b所示，其中图4a为在设备内部环境合格的情况下、超低温离子注入设备以一特定超低温离子注入条件完成注入后的晶圆的TEM照片，其中非晶层（上层浅色区域）与晶体层（下层深色区域）之间的界面平整、清晰，非晶层较厚且无明显缺陷；图4b为在设备内部环境不合格的情况下、超低温离子注入设备以相同的离子注入条件完成注入后晶圆的TEM照片；图4b与图4a对比可见，非晶层与晶体层之间的界面粗糙度较大，图4b中的非晶层比图4a中的非晶层整体厚度较薄，非晶层较薄处对应位置即说明晶圆表面相应位置在注入过程中存在阻挡。

为了完成高质量的离子注入，必须确保设备内部环境合格；如何监测超低温离子注入工艺中冷却晶圆所处设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体，进而确保设备内部环境合格一直是研究人员苦恼的事情。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法，其主要用于监测或检测超低温离子注入工艺中冷却后的晶圆所处设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体。

依据本发明的技术方案，本发明提供了一种通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备内部环境监测的方法，其包括下列步骤：

步骤S1，测定光学特征基准值及可控范围；

步骤S2，测量待测机台超低温离子注入后光学特征值；

步骤S3，对步骤S2中测得的数据进行数据处理；

步骤S4，分析判断待测机台工艺环境是否合格。

步骤S1进一步包括：

步骤S11，预检测晶圆，用光学检测仪器测量晶圆的光学特征值的前值，若该值为某一范围内，则该晶圆合格，否则该晶圆不合格；

步骤S12，使用处于长期运行状态稳定的超低温离子注入设备，在高真空条件下把步骤S11判定合格的待处理晶圆传送至真空冷却模块C，使晶圆降温到第一温度Q1，然后传送至真空注入模块D，再滞留一定时间，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺；

步骤S13，取出晶圆传送盒，将晶圆传送盒放入光学检测仪器，用该光学检测仪器测量步骤S12得到的一片或多片注入后的晶圆的光学特征值。

其中，步骤S1进一步包括：

步骤S14，晶圆检验：对步骤S13所测量的晶圆切割取样，取得晶圆样品，用透射电子显微镜进行观察，判断该晶圆的离子注入情况是否合格；

步骤S15，将经过步骤S13得到的光学特征值作为基准值J，设定上限值为J×（1+a%）、设定下限值为J×（1-a%），a=5。

更进一步地，步骤S2具体包括：

步骤S21，对晶圆进行预检测，用光学检测仪器测量晶圆的光学特征值前值，若该光学特征值前值在同类型晶圆所测光学特征值前值的平均值±10%范围内，则该晶圆合格，否则该晶圆不合格；

步骤S22，使用待测机台，在高真空条件下把步骤S21判定合格的待处理晶圆传送至真空冷却模块C，使晶圆降温到第一温度Q1，然后传送至真空注入模块D，再滞留第一时长T1，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺；

步骤S23，对步骤S22得到的晶圆进行真空下的升温，使其温度升高至第二温度Q2，Q2为室温；

步骤S24，取出晶圆传送盒，将晶圆传送盒放入光学检测仪器，用该光学检测仪器测量步骤S13得到的一片或多片注入后的晶圆的光学特征值。

进一步地，步骤S3具体为将步骤S2测得的数据与步骤S14得到的上限值和下限值相比较。

优选地，步骤S4具体包括：

若当次测得的数据处于上限值和下限值之间，则判断该待测机台的设备内部环境合格且不存在水汽或二氧化碳，该待测机台可继续工作；

若当次测得的数据处于下限值以下，则表明该待测机台的工艺环境存在问题，真空腔室内存在水汽或二氧化碳，需要进行停机调整。

更优选地，若当次测得的数据等于下限值的情况，则表明该待测机台的工艺环境存在问题，设备的真空腔室内存在水汽或二氧化碳气体，需要进行停机调整。

进一步地，停机调整为将水汽和二氧化碳气体排除，调整方法例为检测该机台的真空腔室中何处存在漏点导致外界的水汽和二氧化碳等进入，进而针对漏点进行密封处理。

另一方面，通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法采用SPC系统和OCAP系统自动进行相应的分析和控制，超低温离子注入设备与SPC系统和OCAP系统有机地结合。

进一步地，通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法中的步骤S1具体包括：

步骤S11’，对晶圆进行预检测，用光学检测仪器测量晶圆的光学特征值的前值，若该值为某一范围内，则该晶圆合格，否则该晶圆不合格；

步骤S12’，使用长期运行状态稳定的超低温离子注入设备，在高真空条件下把步骤S11判定合格的待处理晶圆传送至真空冷却模块C，使晶圆降温到第一温度Q1，然后传送至真空注入模块D，再滞留一定时间，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺；

步骤S13’，取出晶圆传送盒，将晶圆传送盒放入光学检测仪器，用该光学检测仪器测量步骤S12’得到的一片注入后的晶圆的光学特征值；

步骤S14’，晶圆检验：对步骤S13’所测量的晶圆切割取样，取得晶圆样品，用透射电子显微镜进行观察，判断该晶圆的离子注入情况是否合格；

步骤S15’，重复多次步骤S11’至S14’，获得相同注入条件下的大量的合格晶圆的光学特征值并取其平均值，该平均值为目标值M，并录入统计过程控制系统，以及在过程控制系统中确定上控制限M +3σ、下控制限M -3σ、上规格线M +6σ、下规格线M-6σ；其中，σ为获得的相同注入下的大量的合格晶圆的光学特征值全体数据的标准差。

优选地，若当次测得的数据处于上控制限M +3σ和下控制限M -3σ之间范围以外、上规格线M +6σ和下规格线M -6σ之间范围内的结果，表明该待测机台的真空腔室内存在水汽或二氧化碳，需要进行停机调整；其中M为获得相同注入条件下的大量的合格晶圆的光学特征值的其平均值，σ为获得的相同注入下的大量的合格晶圆的光学特征值的全体数据的标准差。

与现有技术相比，本发明的一种通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法监测方法的有益技术效果如下：

1、可以定期监测，实现了对超低温离子注入过程中的水汽或二氧化碳等气体含量是否存在的监测。

2、依据监测结果，可以调整机台工作状态，例如检漏并封闭漏孔等。

3、定期监测可保证若出现问题便能及时发现、调整，从而提高整体的产品良率。

附图说明

图1为本发明所监测的一种超低温离子注入设备的结构示意图。

图2为依据本发明的通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法的流程简化示意图。

图3为采用本发明监测方法得到的超低温离子注入设备的SPC控制图的示意图。

图4a为超低温离子注入设备在设备内部环境合格的情况下完成注入后的晶圆的TEM照片。

图4b为超低温离子注入设备内部环境不合格的情况下完成注入后的晶圆的TEM照片。

具体实施方式

下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

本发明提供一种通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法，其尤其适用于监测超低温离子注入设备，本发明主要用于监测超低温离子注入工艺中设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体，进一步监测冷却后的晶圆所处设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体，例如监测真空注入模块的工艺腔中是否存在水汽或二氧化碳等气体。

本发明的一种通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法中所适用的超低温离子注入设备，如图1所示，其主要为实施晶圆离子注入的离子注入机等，超低温离子注入设备至少包括前端晶圆传送模块F、装载模块A、真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E，前端晶圆传送模块F、装载模块A、真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E相互配合且形成一个有机整体，该有机整体实现超低温离子注入过程中晶圆的传送、冷却、注入、升温等功能。前端晶圆传送模块F、装载模块A、真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E均单独设有对应结构的腔室；在晶圆离子注入过程中，真空传送模块B、真空冷却模块C和真空注入模块D形成一个超低温工作环境，以满足超低温离子注入的需要；所述超低温工作环境一般为零下50摄氏度以下的低温环境，优选为零下100摄氏度至零下160摄氏度的低温环境。

在所适用的超低温离子注入设备中，前端晶圆传送模块F用于在晶圆传送盒与装载模块A之间移动传送待处理的晶圆或离子注入完成之后的晶圆；装载模块A用于真空环境与常温大气环境的转换以及加载待注入的晶圆或卸载注入完成之后的晶圆；真空传送模块B用于在真空环境下将待注入的晶圆传送到真空冷却模块C，或者将真空注入模块D中已完成注入的晶圆传送到真空升温模块E等；真空冷却模块C用于冷却待注入的晶圆，确保待注入的晶圆处于一个低温状态；真空注入模块D包括且不限于用于晶圆离子注入过程中翻转或移动晶圆，真空注入模块D是完成晶圆离子注入的模块；真空升温模块E用于对晶圆进行升温，将晶圆从超低温升温至室温。真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E的腔室设置有与真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E的腔室相连通的至少一台抽真空设备；在超低温离子注入设备工作过程中，相连通的真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E的腔室始终有至少一台抽真空设备处于工作状态，使上述真空腔室保持在所需的高真空度；此外，包括与真空腔室相连的至少一台真空度测量设备，所述真空度测量设备对真空腔室的真空度进行监测。抽真空设备优选真空泵，真空度测量设备优选真空计。

此外，前端晶圆传送模块F中至少包括一个用于传送晶圆的机械手和用于承载晶圆传送盒的容纳台。进一步地，前端晶圆传送模块F与装载模块A的一侧相连接，二者相连处设置有可控制的门阀，装载模块A的腔室中设置有用于放置晶圆的装载平台11，装载模块A还包括与其腔室相连的真空设备，例如抽真空的真空泵以及检测真空度的真空计等。

真空传送模块B与装载模块A的另一侧相连接，二者相连处设置有可控制的闸板阀。真空传送模块B中至少设有一个用于传送晶圆的机械手，优选为二个。机械手的末端具有能够承载晶圆的固持部，例如为金属板、夹子或吸盘等。真空传送模块B中还包括对准平台22，用于确定、校准晶圆的缺口位置，以确保晶圆在正确的角度、位置进行注入。对准平台22采用的方式例如光学对位或机械对位等。真空传送模块B中还包括与其腔室相连的真空设备，例如抽真空的真空泵以及检测真空度的真空计等。

真空冷却模块C与真空传送模块B的另一侧连接并连通，真空冷却模块C使晶圆在注入前冷却到低于注入工艺条件设定的温度，其中包括冷却装置，冷却装置连接有冷却系统，冷却装置上设置有晶圆固持部，例如为耐低温的静电吸盘。冷却系统通过冷却装置将晶圆固持部的温度降低至某一温度，例如为-60摄氏度以下。

真空注入模块D与真空传送模块B的又一侧连接并连通。半导体晶圆在真空注入模块D中按超低温的工艺条件实现离子注入。真空注入模块D内设置有晶圆扫描机械手41，晶圆扫描机械手41的末端设置有晶圆注入承载盘42，晶圆注入承载盘42例如为静电吸盘，用于承载并固持晶圆。优选的，晶圆注入承载盘42背面还设置有晶圆机械辅助夹具，晶圆机械辅助夹具用于使晶圆注入承载盘42可在与晶圆接触较少的情况下稳定固持。晶圆扫描机械手41用于翻转、移动晶圆注入承载盘42。在真空注入模块D一侧壁外固定设置有离子源生成和离子束成形模块，真空注入模块D的真空工艺腔与离子源生成和离子束成形模块相对的一侧壁上设置有束流收集法拉第44，用于在非注入阶段接收、检测离子束。在一实施例中，真空注入模块D还包括与真空注入模块D的腔室相连的真空计。

真空升温模块E与真空传送模块B的一侧相连接并连通，真空升温模块E中包括温度控制器、升温装置以及晶圆固持部，使晶圆在注入后升温到室温左右。升温装置上固定设置有晶圆固持部，晶圆固持部优选为静电吸盘，晶圆被固持于晶圆固持部上，并且，优选的，晶圆固持部对每一片晶圆实现单独升温。升温装置与其连接的晶圆固持部之间采用接触式的热传导或辐射传热等方式均可。在一实施例中，真空升温模块E还包括与真空升温模块E的腔室相连的真空泵和/或真空计。

本申请人经过研究发现：若离子注入设备中存在水汽和二氧化碳等气体时，在一定低温下，这些气体会凝固为固体、附着在晶圆表面（呈现为一定厚度的结霜情况），形成一定离子注入阻碍，这些离子注入阻碍减轻了离子束对晶圆造成的损伤。当离子注入后，升温并取出晶圆，上述离子注入阻碍已在升温过程中升华，但通过对损伤程度的检测、与正常情况（不存在这些气体结霜阻碍的情况）进行对比，即可发现这些气体形成的阻碍曾经存在。

本发明方法依据本申请人的上述研究而实现，本发明方法通过学检测仪器来监测超低温离子注入设备，来判断被冷却的晶圆所处的环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体。当水汽和二氧化碳等气体含量极低时，其不会引起注入的离子的浓度分布发生变化，此时可以认为不存在水汽和二氧化碳等气体。

如图2所示，本发明的一种通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法，用于监测超低温离子注入设备中被冷却的晶圆所处的环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体，其包括下列步骤：

步骤S1，测定光学特征基准值及可控范围；

步骤S2，测量待测机台超低温离子注入后光学特征值；

步骤S3，对步骤S2中测得的数据进行数据处理；

步骤S4，分析判断待测机台工艺环境是否合格。

在一实施例中，步骤S1进一步包括：

步骤S11，预检测晶圆步骤，用光学检测仪器（例如热波设备，缩写为TW）测量晶圆的光学特征值（优选热播光学特征值，例如TW值）的前值，若该值为某一范围内，例如同类型晶圆所测平均值±10%范围内（同类型晶圆所测平均值为通过大量数据分析后得到比较基准值，通过缺陷检测和缺陷质量分析确定比较基准值的10%的范围为合理特征值范围），则该晶圆合格，否则该晶圆不合格。在晶圆不合格时，无法继续使用该缺陷晶圆进行检测，需更换新的晶圆，直至所测的晶圆为合格的晶圆，才可用来进行接下来的步骤。

步骤S1进一步包括步骤S12，使用处于长期运行状态稳定的超低温离子注入设备，在高真空条件下把步骤S11判定合格的待处理晶圆传送至真空冷却模块C，使晶圆降温到第一温度Q1，然后传送至真空注入模块D，再滞留一定时间，例如60秒以上，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺，所述一设定的注入条件优选为至少包括注入能量、剂量、注入角度其中的一项的晶圆注入工艺条件。

其中，高真空条件例如真空度V1在1×10^-4 torr以下，优选为3×10^-6 torr；注入条件例如，注入离子为碳离子，注入能量为2KeV至60 KeV之间的某量值，剂量为10¹⁴至10¹⁵atom/cm²量级中的某量值，注入角度为0度至45度之间的某一角度。

具体包括，将一片或多片晶圆放置于晶圆传送盒中，将晶圆传送盒放置于在超低温离子注入设备的前端晶圆传送模块F的容纳台上。

前端晶圆传送模块F中的机械手抓取一片或多片晶圆并将其传送至装载模块A，然后，将前端晶圆传送模块F和装载模块A之间的门阀关闭，真空泵对装载模块A的腔室进行抽真空，使装载模块A的腔室的气压降至与真空传送模块B接近的高真空度。所述高真空度优选气压量级为10^-5torr至10^-7torr。

装载模块A和真空传送模块B之间的闸板阀打开，真空传送模块B中的机械手抓取晶圆并将其传送至对准平台22，对准平台22将晶圆的缺口位置及方向进行校准，所述缺口为校准或对准定位的基准点。

将校准后的晶圆传送至真空冷却模块C；在高真空条件下将晶圆温度降低至第一温度Q1；其中，真空度V1例如在1×10^-4 torr以下，优选为3×10^-6 torr以下；第一温度Q1根据真空度V1以及欲检测的气体物质的相图进行确定，例如第一温度Q1低于H₂O相图中压力为V1时对应的固-气转变温度，例如小于等于-60摄氏度，优选为-130摄氏度左右；一实施例中，冷却装置上连接的静电吸盘对晶圆进行降温，该静电吸盘的温度控制在小于等于-70摄氏度，优选的为-110摄氏度至-160摄氏度中的某一温度；晶圆在该静电吸盘上的滞留时间例如为30秒以上。

将晶圆传送至真空注入模块D内，滞留第一时间T1，例如为60秒以上。然后以设定的工艺条件对至少一片晶圆完成超低温离子注入。

对完成注入的晶圆进行真空下的升温，使其温度升高至第二温度Q2，Q2约为室温，例如为20至30摄氏度中的某一温度。一实施例中，升温装置上连接的静电吸盘对晶圆进行升温，该静电吸盘的温度控制在例如40至80摄氏度，优选为70摄氏度或其左右；晶圆在该静电吸盘上的滞留时间为30秒以上，直到晶圆温度达到第二温度Q2。

然后，将晶圆传送至装载模块A，关闭装载模块A与真空传送模块B之间的闸板阀，将装载模块A的气压升高至一个大气压左右，打开前端晶圆传送模块F与装载模块A之间的门阀，将晶圆通过前端晶圆传送模块F中的机械手传送至晶圆传送盒。

步骤S13，取出晶圆传送盒，将晶圆传送盒放入光学检测仪器（例如热波检测设备），用该光学检测仪器（例如热波检测设备）测量步骤S12得到的一片或多片注入后的晶圆的光学特征值（例如热波光学特征值，TW值）。

步骤S14，晶圆检验：对步骤S13所测量的晶圆切割取样，取得例如约为2×2cm的晶圆样品，用透射电子显微镜（TEM）进行观察，判断该晶圆的离子注入情况是否合格。具体的判定标准例如，在某一工艺条件下，非晶层厚度约为25nm（此厚度值基准因工艺条件不同而不同）、非晶层完整（即，非晶层中不存在孤岛状或絮状的晶体）、非晶层与晶体层的界面清晰且平整，此三项为离子注入情况合格（即该设备工艺环境可控）的充分必要条件，即必须全部满足；若其中任一项存在问题均代表该设备的工艺环境存在问题，需要对该设备进行调整或更换为另一台设备，然后重新从步骤S11开始进行步骤S1，直到该晶圆经TEM观察后判定为合格。若步骤S14中测量的为多片晶圆，则该多片晶圆均需经TEM观察后判定为合格。

步骤S15，将经过步骤S13得到的光学特征值（例如热波光学特征值TW值）（若为多片晶圆检测，则取该多片晶圆的热波光学特征值TW值的平均值）作为基准值J；在经步骤S14验证后的情况下，优选设定上限值为J×（1+a%）、设定下限值为J×（1-a%），a的值根据需要或根据经验确定，例如在一实施例中a的取值为5。

步骤S2进一步包括：

步骤S21，对晶圆进行预检测，用光学检测仪器（例如热波检测设备）测量晶圆的光学特征值（例如热波光学特征值，TW值）前值，例如其光学特征值前值在同类型晶圆所测光学特征值前值的平均值±10%范围内（同类型晶圆所测平均值为通过大量数据分析后得到比较基准值，通过缺陷检测和缺陷质量分析确定比较基准值的10%的范围为合理特征值范围），则该晶圆合格，否则该晶圆不合格。在晶圆不合格时，无法继续使用该缺陷晶圆进行检测，需更换新的晶圆，直至所测的晶圆为合格的晶圆，才可用来进行接下来的步骤。需要说明的是，优选的，选用的晶圆为与步骤S1同一批次的晶圆，例如取自同一晶圆传送盒。

步骤S22，使用待测机台（即，欲对其进行监测的超低温离子注入设备），在高真空条件下把步骤S21判定合格的待处理晶圆传送至真空冷却模块C，使晶圆降温到第一温度Q1，然后传送至真空注入模块D，再滞留第一时长T1，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺，所述设定的注入条件至少包括注入能量、剂量、注入角度其中的之一项完成晶圆注入工艺；需要说明的是，注入条件需要与步骤S12相同。

步骤S22中，高真空条件的真空度V1在1×10^-4 torr以下，优选为3×10^-6 torr；第一温度Q1根据真空度V1以及欲检测的气体物质的相图进行确定，例如第一温度Q1低于H₂O相图中压力为V1时对应的固-气转变温度，例如小于等于-60摄氏度，优选为-130摄氏度左右；一实施例中，冷却装置上连接的静电吸盘对晶圆进行降温，该静电吸盘的温度控制在小于等于-70摄氏度，优选的为-110摄氏度至-160摄氏度中的某一温度；晶圆在该静电吸盘上滞留例如30秒，使晶圆温度降低至第一温度Q1；冷却后的晶圆在真空注入模块D中滞留的第一时长T1例如为60秒以上；注入条件例如，注入离子为碳离子，注入能量为2至60 KeV附近的某值，剂量为10¹⁴至10¹⁵ atom/cm²量级的某值，注入角度为0至45度中的某一角度。

前端晶圆传送模块F中的机械手抓取一片晶圆并将其传送至装载模块A，然后，将前端晶圆传送模块F和装载模块A之间的门阀关闭，真空泵对装载模块A的腔室进行抽真空，使装载模块A的腔室的气压降至与真空传送模块B接近的高真空度。优选，高真空度的气压量级为10^-5torr至10^-7torr。

装载模块A和真空传送模块B之间的闸板阀打开，真空传送模块B中的机械手抓取晶圆并将其传送至对准平台22，对准平台22将晶圆的缺口位置及方向进行校准。将校准后的晶圆传送至真空冷却模块C；在高真空条件下将晶圆温度降低至第一温度Q1；其中，真空度V1例如在1×10^-4 torr以下，优选为3×10^-6 torr以下；第一温度Q1根据真空度V1以及欲检测的气体物质的相图进行确定，例如第一温度Q1低于H₂O相图中压力为V1时对应的固-气转变温度，例如小于等于-60摄氏度，优选为-130摄氏度左右；一实施例中，冷却装置上连接的静电吸盘对晶圆进行降温，该静电吸盘的温度控制在小于等于-70摄氏度，优选的为-110摄氏度至-160摄氏度中的某一温度；晶圆在该静电吸盘上的滞留时间例如为30秒以上。

将晶圆传送至真空注入模块D内，滞留60秒以上。然后以设定的工艺条件对至少一片晶圆完成超低温离子注入。

步骤S23，对步骤S22得到的晶圆进行真空下的升温，使其温度升高至第二温度Q2，Q2约为室温，例如为20至30摄氏度中的某一温度。一实施例中，升温装置上连接的静电吸盘对晶圆进行升温，该静电吸盘的温度控制在例如40至80摄氏度，优选为70摄氏度左右；晶圆在该静电吸盘上的滞留时间为30秒以上，直到晶圆温度达到第二温度Q2。完成升温后，将晶圆传送至装载模块A，关闭装载模块A与真空传送模块B之间的闸板阀，将装载模块A的气压升高至一个大气压左右，打开前端晶圆传送模块F与装载模块A之间的门阀，将晶圆通过前端晶圆传送模块F中的机械手传送至晶圆传送盒。

步骤S24，取出晶圆传送盒，将晶圆传送盒放入光学检测仪器（例如光学检测仪器），用该光学检测仪器（例如热波光学检测仪器）测量步骤S13得到的一片或多片注入后的晶圆的光学特征值（例如热波光学特征值，TW值）。

步骤S3进一步包括步骤S31，其将步骤S2测得的数据与步骤S14得到的上限值和下限值相比较；若步骤S2测得的数据为多个数据，则逐一与步骤S14得到的上限值和下限值进行比较。

步骤S4进一步包括步骤S41，若当次测得的数据处于上限值和下限值之间（不包括等于上限值或等于下限值的情况），则判断该待测机台的设备内部环境合格，不存在水汽或二氧化碳等气体，该待测机台可继续工作；

若当次测得的数据处于下限值以下（包括等于下限值的情况），则表明该待测机台的工艺环境存在问题，设备的真空腔室内存在水汽或二氧化碳等气体，需要进行停机调整（维护）。如果出现处于上限值以上的情况，则需另单独分析其成因。停机调整为采取各种措施，将水汽和二氧化碳等排除，具体方法例如检测该机台的真空腔室中何处存在漏点导致外界的水汽和二氧化碳等进入，进而针对漏点进行密封处理。

在另一实施例中，与上面通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法实施例的主要不同之处在于，采用SPC（统计过程控制）系统和OCAP（失控行动计划）系统自动进行相应的分析和控制，超低温离子注入设备与SPC系统和OCAP系统有机地结合，具体地其包括包括下列步骤：

步骤S1，测定光学特征基准值及可控范围；

步骤S2，测量待测机台超低温离子注入后光学特征值；

步骤S3，对步骤S2中测得的数据进行数据处理；

步骤S4，分析判断待测机台工艺环境是否合格。

其中，步骤S1测定光学特征基准值及可控范围包括步骤S11’、步骤S12’、步骤S13’、步骤S14’和步骤S15’，其中步骤S11’、步骤S12’、步骤S14’与上面通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法实施例的步骤S11、步骤S12、步骤S14分别相同；不同的步骤为步骤S13’和步骤S15’。

步骤S1具体包括：

进一步地，步骤S13’，取出晶圆传送盒，将晶圆传送盒放入光学检测仪器（例如热波光学检测设备），用该光学检测仪器（例如热波光学检测设备）测量步骤S12’得到的一片注入后的晶圆的光学特征值（例如热波光学特征值，TW值）。

步骤S15’，重复多次步骤S11’至步骤S14’，获得相同注入条件下的大量的合格晶圆的光学特征值（例如TW值）并取其平均值，该平均值为目标值M（Target，又称基准值或中心线），并录入统计过程控制系统（SPC），以及在过程控制系统SPC中确定上控制限UCL、下控制限LCL、上规格线USL和下规格线LSL，优选地上控制限UCL为M +3σ、下控制限LCL为M -3σ、上规格线USL为M +6σ、下规格线LSL为M -6σ；其中，σ为获得的相同注入下的大量的合格晶圆的光学特征值（例如热波光学特征值，TW值）的全体数据的标准差。

步骤S2测量待测机台超低温离子注入后光学特征值与上面实施例一的测量待测机台超低温离子注入后光学特征值步骤相同。

步骤S3进一步包括：

步骤S31’，步骤S2测得的数据由所用的光学检测仪器（例如热波设备）自动上传至SPC系统，对数据进行统计处理，获得SPC控制图，例如图3所示。

步骤S4进一步包括：

步骤S41’，SPC系统根据步骤S3得到的结果进行分析判定，若当次测得的数据（步骤S2测得的光学特征值，例如TW值）处于上控制限UCL和下控制限LCL之间（不包括数据落于线上的情况），则该待测机台的设备内部环境合格，该待测机台可继续工作。

若当次测得的数据处于上控制限UCL和下控制限LCL之间范围以外、上规格线USL和下规格线LSL之间范围内，例如图3中待测机台第9天（day9）的结果，表明该待测机台的工艺环境存在问题，机台的真空腔室内存在水汽或二氧化碳，需要进行停机调整；SPC系统会将此情况信息反馈给失控行动计划（OCAP）系统，反馈的信息例如包括该机台的设备编号、该机台于步骤S24测得的数据值、该机台近期多次监测的数据及SPC控制图等；OCAP系统中会新增一条消息提醒，提醒工作人员及时对该机台进行调整；同时，可以设定OCAP系统对该存在问题的设备进行自动处理，例如设定为当该设备内的晶圆全部完成注入后，该机台停机。

若当次测得的数据处于上规格线USL和规格线LSL之间的范围以外，则表明该待测机台的工艺环境存在严重问题，机台的真空腔室内存在较多水汽或二氧化碳，需要进行停机调整；SPC系统会将此情况信息反馈给OCAP系统，反馈的信息例如包括该机台的设备编号、该机台于步骤S24测得的数据值、该机台近期多次监测的数据及SPC控制图等；OCAP系统中会新增一条消息提醒，提醒工作人员及时对该机台进行调整；同时，可以设定OCAP系统对该存在问题的设备进行自动处理，例如设定为该机台立即停机。

可以理解的是，对于注入条件相同的情况，当步骤S15’中所用的数据量足够大，则获得的目标值M、上控制限UCL、下控制限LCL、上规格线USL和下规格线LSL会较为准确。实际可通过数据的积累不断完善，上述值在SPC系统中为随着数据的积累而动态调整的。当获得较准确的上述标准值后，对待测机台的监测方法直接从步骤S2开始即可，后续步骤的分析、比较、判断等基于已获得的上述标准值进行。

本发明的监测方法为每台机台按一定监测频率定期进行，监测频率根据每台机台实际工作状态等选择即可，监测频率例如为每一天/每二天进行一次。

一些晶圆的注入条件以及其在热波设备中得到的TW值的示例性的数据如下表1所示。

表1 一些晶圆的注入条件以TW值的示例性数据表格

参阅表1，示例性的，例如，采用表1所示工艺条件时，TW值的下限值（或下控制限LCL）为19000，则编号1、2的晶圆对应的离子注入设备在当次监测时设备内部工艺环境合格，编号3的晶圆对应的离子注入设备在当次监测时设备内部工艺环境不合格。

超低温离子注入工艺对于半导体芯片先进制程是不可或缺的，尤其是适用于例如28nm以下的先进制程的半导体芯片先进制程，更优选适用14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等的先进制程。这些先进制程的监测仅仅理论上有所研究，但是没有任何厂家或研究机构公开该监测技术实施细节内容。正因为没有可以公开且可以实施的半导体芯片先进制程技术等监测技术，导致良品率非常低且无法工业生产，进而导致我国的半导体芯片制造受限与人且举步维艰。

本发明的通过光学检测仪器进行超低温离子注入设备监测的方法对于超低温离子注入设备工作状态的定期监测尤为重要，采用本发明的监测方法，有助于保障半导体制造业大规模产线稳定可靠的运行以及产品良率的提升。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，其包括下列步骤：

步骤S1，测定光学特征基准值及可控范围；

步骤S2，测量待测机台超低温离子注入后光学特征值；

步骤S3，对步骤S2中测得的数据进行数据处理；

步骤S4，分析判断待测机台工艺环境是否合格；

步骤S1进一步包括：

步骤S11，预检测晶圆，用光学检测仪器测量晶圆的光学特征值的前值，若该值为某一范围内，则晶圆合格，否则该晶圆不合格；

2.根据权利要求1所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

3.根据权利要求2所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

4.根据权利要求3所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，步骤S3具体为将步骤S2测得的数据与步骤S14得到的上限值和下限值相比较。

5.根据权利要求4所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

6.根据权利要求4所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，若当次测得的数据等于下限值的情况，则表明该待测机台的工艺环境存在问题，设备的真空腔室内存在水汽或二氧化碳气体，需要进行停机调整。

7.根据权利要求5或6所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，停机调整为将水汽和二氧化碳气体排除，调整方法例为检测该机台的真空腔室中何处存在漏点导致外界的水汽和二氧化碳等进入，进而针对漏点进行密封处理。

8.根据权利要求1所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，对超低温离子注入设备监测的方法采用SPC系统和OCAP系统自动进行相应的分析和控制，超低温离子注入设备与SPC系统和OCAP系统有机地结合。

9.根据权利要求8所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

10.根据权利要求9所述的通过光学检测仪器对超低温离子注入设备监测的方法，其特征在于，若当次测得的数据处于上控制限M +3σ和下控制限M -3σ之间范围以外、上规格线M+6σ和下规格线M -6σ之间范围内的结果，表明该待测机台的真空腔室内存在水汽或二氧化碳，需要进行停机调整；其中M为获得相同注入条件下的大量的合格晶圆的光学特征值的其平均值，σ为获得的相同注入下的大量的合格晶圆的光学特征值的全体数据的标准差。