CN116994975A - 一种离子注入机能量污染的监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种离子注入机能量污染的监控方法，对晶圆进行低能量离子注入；使用激光退火工艺对晶圆进行表面离子激活；量测晶圆的方块电阻值RS1；对晶圆进行快速高温退火；量测晶圆的方块电阻值RS2；提供晶圆的标准方块电阻值，将方块电阻值RS1和方块电阻值RS2分别与标准方块电阻值进行比较；若方块电阻值RS1与标准方块电阻值的偏差大于5％，而方块电阻值RS2与标准方块电阻值的偏差小于5％，则离子注入机存在能量污染。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种离子注入机能量污染的监控方法。
背景技术
高集成度电路的发展需要更小的特征图形尺寸和更近的电路器件间距。而热扩散对先进电路的生产有所限制。其所受限之处在于横向扩散、超浅结、粗劣的掺杂控制、表面污染的干涉以及位错的产生。
离子注入技术则克服了扩散的上述限制，同时也提供了额外的优势。离子注入过程中没有侧向扩散，工艺在接近室温下进行，杂质原子被置于晶圆表面的下面，同时使得宽范围浓度的掺杂成为可能。有了离子注入，可以对晶圆内掺杂的位置和数量进行更好的控制。因此，离子注入技术在半导体制造技术中占有重要的地位。扩散是一个化学过程，而离子注入是一个物理过程。离子注入工艺采用气态和固态的杂质源材料。在离子注入过程中，掺杂原子被离化、分离、加速(获取动能)，形成离子束流，扫过晶圆。杂质原子对晶圆进行物理轰击，进入晶圆表面并在表面以下停止。
离子注入机是用于离子注入工艺的设备，是多个极为复杂精密的子系统的集成。常用的离子注入可包括中电流离子注入、高电流离子注入和高能离子注入。在离子注入工艺中，原子数量(注入剂量)是由离子束流密度(每平方厘米面积上的离子数量)和注入时间来决定的。通过测量离子电流可严格控制剂量。在离子注入的过程中，由于入射离子的碰撞，晶圆晶体结构会受到损伤。修复晶体损伤可以通过对晶圆的加热退火来实现。
随着半导体制造技术的不断发展，对离子注入机的工艺稳定性有了更高的要求。如何有效地监控离子注入机，准确地反映离子注入机的状况以及发生故障的原因，对保持现有半导体制造工艺的稳定性和对新工艺的研发具有重要意义。
离子注入机能量污染问题是指注入机掺杂离子注入到晶圆中的能量有部分与实际设定能量有偏差。这部分存在偏差的掺杂离子可能导致掺杂的深度偏离预期，导致器件电性存在偏差，引发器件良率损失。随着半导体工艺尺寸的不断缩小，为满足超浅节的要求，注入深度的控制非常重要，能量污染问题对工艺的影响越来越突出，特别是对于低能量离子注入技术，能量污染带来的电性偏差非常明显。现有技术通常通过二次离子质谱仪(SIMS)来分析注入机是否存在能量污染。二次离子质谱仪通过使用一个主要的重离子束轰击晶圆表面并收集不同时间溅射的二次离子质谱，测量出掺杂离子浓度和掺杂离子深度的剖面曲线。通过判断剖面曲线与标准曲线是否存在偏差来判断是否存在能量污染。由于SIMS测试技术通常测试时间很长(一般需要一周左右)，而且对晶圆是破坏性的，通常无法应用于实际生产过程的监控。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种离子注入机能量污染的监控方法，用于解决现有技术中SIMS测试技术测试时间长，无法应用于实际生产过程的监控能量污染的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种离子注入机能量污染的监控方法，至少包括：
步骤一、提供晶圆，对所述晶圆进行低能量离子注入；
步骤二、使用激光退火工艺对所述晶圆进行表面离子激活；
步骤三、量测晶圆的方块电阻值RS1；
步骤四、对所述晶圆进行快速高温退火；
步骤五、量测晶圆的方块电阻值RS2；
步骤六、提供所述晶圆的标准方块电阻值，将所述方块电阻值RS1和方块电阻值RS2分别与所述标准方块电阻值进行比较；若所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差大于5％，而所述方块电阻值RS2与所述标准方块电阻值的偏差小于5％，则离子注入机存在能量污染。
优选地，步骤一中的所述晶圆为光片。
优选地，步骤一中注入的离子为硼离子；离子注入能量为1～5KeV；离子注入剂量为5E13～2E14 Ions/cm2；注入角度为0～7度。
优选地，步骤二中的激光退火的峰值温度为1100℃～1300℃。
优选地，步骤三中采用四探针法量测所述晶圆的方块电阻值RS1。
优选地，步骤三中的量测去边范围为3～5mm,量测点数为49～121点。
优选地，步骤四中的快速高温退火的退火温度为950～1150℃，退火时间为30～50秒。
优选地，步骤五中采用四探针法量测所述晶圆的方块电阻值RS2。
优选地，步骤六中所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差指的是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值大。
优选地，步骤六中所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差指的是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值小。
如上所述，本发明的一种离子注入机能量污染的监控方法，具有以下有益效果：本发明首先通过低能量离子注入晶圆，再使用激光退火工艺实现表面离子激活，测试晶圆方块电阻值RS1，并继续进行高温快速退火，测试晶圆方块电阻值RS2。如果存在能量污染，方块电阻值RS1会与标准值存在差异，且RS2差异不大。该方法可以快速判断注入机是否存在能量污染问题，而且流程基本与注入机的日常监控流程类似，可以在实际生产过程中应用。另外，该方法相比SIMS测试，对晶圆不会造成破坏性。测试后的晶圆可以回收再利用，有效降低监控成本。
附图说明
图1显示为本发明中的离子注入机能量污染的监控方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种离子注入机能量污染的监控方法，如图1所示，图1显示为本发明中的离子注入机能量污染的监控方法流程图，所述方法至少包括：
步骤一、提供晶圆，对所述晶圆进行低能量离子注入；
本发明进一步地，本实施例的步骤一中的所述晶圆为光片，也就是说，所述晶圆上没有进行任何工艺。
本发明进一步地，本实施例的步骤一中注入的离子为硼离子；离子注入能量为1～5KeV；离子注入剂量为5E13～2E14 Ions/cm2；注入角度为0～7度。
步骤二、使用激光退火工艺对所述晶圆进行表面离子激活；
本发明进一步地，本实施例的步骤二中的激光退火的峰值温度为1100℃～1300℃。
步骤三、量测晶圆的方块电阻值RS1；也就是说，经过激光退火后，量测所述晶圆的方块电阻值RS1。
本发明进一步地，本实施例的步骤三中采用四探针法量测所述晶圆的方块电阻值RS1。
本发明进一步地，本实施例的步骤三中的量测去边范围为3～5mm,量测点数为49～121点。
步骤四、对所述晶圆进行快速高温退火；
本发明进一步地，本实施例的步骤四中的快速高温退火的退火温度为950～1150℃，退火时间为30～50秒。
步骤五、量测晶圆的方块电阻值RS2；也就是说，经过快速高温退火后，量测所述晶圆的方块电阻值RS2。
本发明进一步地，本实施例的步骤五中采用四探针法量测所述晶圆的方块电阻值RS2。
步骤六、提供所述晶圆的标准方块电阻值，将所述方块电阻值RS1和方块电阻值RS2分别与所述标准方块电阻值进行比较；若所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差大于5％，而所述方块电阻值RS2与所述标准方块电阻值的偏差小于5％，则离子注入机存在能量污染。
本发明进一步地，本实施例的步骤六中所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差指的是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值大。
本发明进一步地，在其他实施例中，步骤六中所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差也可以是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值小。
也就是说，所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差在本发明中既可以是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值大，也可以是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值小。
本发明的步骤六中，将所述方块电阻值RS1和方块电阻值RS2分别与所述标准方块电阻值进行比较，若所述方块电阻值RS1和方块电阻值RS2分别与所述标准方块电阻值的偏差均小于5％，则离子注入机不存在能量污染；若所述方块电阻值RS1和方块电阻值RS2分别与所述标准方块电阻值的偏差均大于5％，则注入剂量或角度存在偏差。
当离子注入机存在能量污染问题时，注入机掺杂离子注入到晶圆中的能量有部分与实际设定能量有偏差。这种能量污染问题通常存在低能量离子注入机中表现较明显，具体表现为掺杂到晶圆中的离子部分会存在离子能量比设定的目标能量要高，注入深度也会因此变深。通常在SIMS检测中能看到注入较深的部位离子浓度明显偏离标准值。随着特征尺寸的不断缩小，为满足超浅节的要求，注入深度的控制非常重要。这部分偏离的掺杂离子会导致器件电性发生偏差，引起器件良率损失。
离子注入机的日常监控通常使用测试方块电阻的方式。即晶圆中注入掺杂离子后，使用退火工艺将掺杂离子激活，然后测试方块电阻来监控注入机的稳定性。通常这种监控方式使用快速退火工艺(RTA)，退火时间一般为20s到40s之间，确保所有掺杂离子全部激活。在这种监控方式下，掺杂离子有足够的时间全部完成扩散和全部激活，部分离子的能量污染问题无法得到有效监控。
使用激光退火工艺可以有效的监控到这种能量污染问题。激光退火系统采用激光光源的能量来快速加热晶圆表面到临界溶化点温度，并快速降温。激光退火工艺可以在离子注入后以最小的杂质扩散激活掺杂离子，形成超浅结。激光退火工艺已经普遍应用于45nm以下工艺节点。对于离子注入机能量污染问题，通过控制激光退火工艺可以有效激活表面一层掺杂离子，而对于出现能量污染的情况，注入较深的离子无法激活。存在能量污染现象时，激光退火后晶圆阻值差异非常明显，通常偏差能达到10％以上。因此通过方块电阻测试方法，可以明显看到阻值的明显偏差，通过阻值偏差可以判定是否存在能量污染。
为排除注入剂量或角度对方块电阻值的影响，通过激光退火和快速高温退火相结合的方式，量测激光退火和快速退火之后的方块电阻值，可以有效判断注入机台是否存在能量污染问题。若两次量测的RS应该都在正常范围内波动，则注入机注入剂量或者角度无异常，无能量污染问题。若激光退火后的RS量测偏差较大，而高温快速退火后的RS在正常范围内，则认为注入机存在能量污染问题。若两次量测的RS都偏高或偏低，则主要怀疑注入机剂量或角度存在偏差。
综上所述，本发明首先通过低能量离子注入晶圆，再使用激光退火工艺实现表面离子激活，测试晶圆方块电阻值RS1，并继续进行高温快速退火，测试晶圆方块电阻值RS2。如果存在能量污染，方块电阻值RS1会与标准值存在差异，且RS2差异不大。该方法可以快速判断注入机是否存在能量污染问题，而且流程基本与注入机的日常监控流程类似，可以在实际生产过程中应用。另外，该方法相比SIMS测试，对晶圆不会造成破坏性。测试后的晶圆可以回收再利用，有效降低监控成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于，至少包括：
步骤一、提供晶圆，对所述晶圆进行低能量离子注入；
步骤二、使用激光退火工艺对所述晶圆进行表面离子激活；
步骤三、量测晶圆的方块电阻值RS1；
步骤四、对所述晶圆进行快速高温退火；
步骤五、量测晶圆的方块电阻值RS2；
步骤六、提供所述晶圆的标准方块电阻值，将所述方块电阻值RS1和方块电阻值RS2分别与所述标准方块电阻值进行比较；若所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差大于5％，而所述方块电阻值RS2与所述标准方块电阻值的偏差小于5％，则离子注入机存在能量污染。
2.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤一中的所述晶圆为光片。
3.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤一中注入的离子为硼离子；离子注入能量为1～5KeV；离子注入剂量为5E13～2E14 Ions/cm2；注入角度为0～7度。
4.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤二中的激光退火的峰值温度为1100℃～1300℃。
5.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤三中采用四探针法量测所述晶圆的方块电阻值RS1。
6.根据权利要求5所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤三中的量测去边范围为3～5mm,量测点数为49～121点。
7.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤四中的快速高温退火的退火温度为950～1150℃，退火时间为30～50秒。
8.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤五中采用四探针法量测所述晶圆的方块电阻值RS2。
9.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤六中所述方块电阻值RS1与所述标准方块电阻值的偏差指的是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值大。
10.根据权利要求1所述的离子注入机能量污染的监控方法，其特征在于：步骤六中方块电阻值RS1与标准方块电阻值的偏差指的是所述方块电阻值RS1比所述标准方块电阻值小。
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