CN117059509B - 改善离子注入监控稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善离子注入监控稳定性的方法，通过对控片晶圆进行第一次离子注入，且使该第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，从而使其形成的预掺杂层的浓度相对稳定，以保证与后续形成的监控掺杂层之间形成浓度稳定的PN结，该稳定的PN结在对控片晶圆的方块电阻进行测量时可以形成稳定的耗尽层，该稳定的耗尽层可有效隔绝控片晶圆不稳定的电阻率对其表层监控掺杂层电阻率测量的影响，达到提高日常监控离子注入机稳定性和均匀性的精确性。

Description

改善离子注入监控稳定性的方法
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种改善离子注入监控稳定性的方法。
背景技术
在半导体器件制造工艺中，通过掺杂可以在晶圆上形成各种器件结构。离子注入是最常用的掺杂技术，其通过将加速到一定能量的固定剂量离子束注入晶圆特定深度，以改变晶圆表面的物理和化学性质，在晶圆中注入相应的杂质离子，可以改变其表面的电导率或形成相应的PN结。由于注入的角度、浓度、深度、表面均匀性分布，会极大地影响器件的实际工作性能，因此对离子注入工艺性能的监测是保障生产稳定、高效的重要保障。为确保离子注入工艺的稳定性，需要对离子注入机的工艺稳定性和均匀性作定期监控，以准确地反映离子注入机的状况。
目前半导体制造中大多不是通过对产品晶圆的离子注入工艺的inline监控，而是通过定期对机台的控片晶圆，即非产品片（Non Production Wafer，简称NPW wafer）监控来保证离子注入机台性能的稳定性和均匀性。现有的对离子注入晶圆的稳定性和均匀性的常用监控方式是对离子注入后的晶圆进行高温退火后，采用四探针测试仪量测晶圆离子注入层的方块电阻(RS)，通过观察电阻的平均电阻（Mean）值以及标准偏差值（Stdv）来判断机台的稳定性和均匀性。但是目前裸晶圆（Bare wafer）的衬底电阻率不稳定，从而会导致日常监控离子注入机稳定性和均匀性时产生监控不准的现象，进而对离子注入机的正常运行产生影响。
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改善离子注入监控稳定性的方法，用于解决现有技术中裸晶圆（Bare wafer）的衬底电阻率不稳定，从而会导致日常监控离子注入机稳定性和均匀性时产生监控不准的现象，进而对离子注入机的正常运行产生影响等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善离子注入监控稳定性的方法，所述改善离子注入监控稳定性的方法包括以下步骤：
提供控片晶圆，所述控片晶圆的电阻率不稳定；
对所述控片晶圆进行第一次离子注入，注入预设深度，且所述第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，以在所述控片晶圆中形成掺杂浓度稳定的预掺杂层；
对所述控片晶圆进行与所述第一次离子注入的离子掺杂类型相反的第二次离子注入，以于所述控片晶圆表面形成预设厚度的监控掺杂层；其中，所述第一次离子注入的注入浓度小于所述第二次离子注入的注入浓度，且所述预掺杂层与所述监控掺杂层之间接触形成PN结；
对所述控片晶圆进行快速热退火；
测量所述控片晶圆的方块电阻。
可选地，所述控片晶圆为非故意掺杂的硅晶圆或P型掺杂的硅晶圆或N型掺杂的硅晶圆。
可选地，所述第一次离子注入的离子掺杂类型为N型或P型，所述第二次离子注入的离子掺杂类型为N型或P型。
进一步地，N型掺杂离子为磷离子，P型掺杂离子为硼离子。
可选地，所述预掺杂层的掺杂浓度是所述控片晶圆掺杂浓度的10倍以上，包括端点值。
可选地，所述控片晶圆的电阻率介于0.1Ω.cm~999Ω.cm之间，包括端点值。
可选地，所述第一次离子注入的掺杂浓度波动介于±1%的预设范围内，包括端点值。
可选地，采用四探针测量所述控片晶圆的方块电阻。
进一步地，选取所述控片晶圆上100个~130个不同位置的测量点测量所述控片晶圆的方块电阻。
进一步地，选取所述控片晶圆上121个不同位置的测量点测量所述控片晶圆的方块电阻。
如上所述，本发明的改善离子注入监控稳定性的方法，通过对控片晶圆进行第一次离子注入，且使该第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，从而使其形成的预掺杂层的浓度相对稳定，以保证与后续形成的监控掺杂层之间形成浓度稳定的PN结，该稳定的PN结在对控片晶圆的方块电阻进行测量时可以形成稳定的耗尽层，该稳定的耗尽层可有效隔绝控片晶圆不稳定的电阻率对其表层监控掺杂层电阻率测量的影响，达到提高日常监控离子注入机稳定性和均匀性的精确性。
附图说明
图1显示为本发明的改善离子注入监控稳定性的方法的流程示意图。
图2显示为本发明的改善离子注入监控稳定性的方法中步骤S1结束后的一示例的截面结构示意图。
图3显示为本发明的改善离子注入监控稳定性的方法中步骤S1结束后的另一示例的截面结构示意图。
图4显示为本发明的改善离子注入监控稳定性的方法中步骤S2结束后的截面结构示意图。
图5显示为本发明的改善离子注入监控稳定性的方法中步骤S3结束后的截面结构示意图。
图6显示为本发明的改善离子注入监控稳定性的方法中步骤S4结束后的截面结构示意图。
元件标号说明
10控片晶圆，11掺杂层，12预掺杂层，13监控掺杂层，14耗尽层，S1~S5步骤。
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至图6。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，遂图示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。
目前，制造执行系统（Manufacture Execution System，简称MES）是半导体芯片生产制造过程中不可或缺的管理工具，其可以对半导体生产制造全过程进行管控，能够对生产过程进行优化，确保产品性能可靠，并且满足用户客制化需求。在MES系统中管理的产品类型包含实际需要交付的产品片（Production Lot）和非产品片（Non Production Wafer，简称NPW wafer）；非产品片主要功能为保证生产制造产品片的制程稳定，设备参数准确，提升生产效率和良率。非产品片一般包括：控制片源片、控制片、炉管控制片、暖机片及挡片等等。离子注入机台稳定性和均匀性的监控是指需监控的离子注入机台对非产品片进行离子注入并进行高温退火后，采用测量仪测量离子注入层的方块电阻(RS)，通过观察电阻的平均电阻值（Mean）以及标准偏差值（Stdv）来判断离子注入机台的稳定性和均匀性。
如图1所示，本实施例提供一种改善离子注入监控稳定性的方法，所述改善离子注入监控稳定性的方法包括以下步骤：
S1、提供控片晶圆，所述控片晶圆的电阻率不稳定；
S2、对所述控片晶圆进行第一次离子注入，注入预设深度，且所述第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，以在所述控片晶圆中形成掺杂浓度稳定的预掺杂层；
S3、对所述控片晶圆进行与所述第一次离子注入的离子掺杂类型相反的第二次离子注入，以于所述控片晶圆表面形成预设厚度的监控掺杂层；其中，所述第一次离子注入的注入浓度小于所述第二次离子注入的注入浓度，且所述预掺杂层与所述监控掺杂层之间接触形成PN结；
S4、对所述控片晶圆进行快速热退火；
S5、测量所述控片晶圆的方块电阻。
这里需要说明的是，所述第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内指的是，假定离子注入的掺杂浓度为N，则掺杂浓度在98%*N~102%*N的波动范围内，该范围内的掺杂浓度可保证其掺杂浓度的稳定性，以为后续形成浓度稳定的PN结提供基础。
本实施例的改善离子注入监控稳定性的方法，通过对控片晶圆进行第一次离子注入，且使该第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，从而使其形成的预掺杂层的浓度相对稳定，以保证与后续形成的监控掺杂层之间形成浓度稳定的PN结，该稳定的PN结在对控片晶圆的方块电阻进行测量时可以形成稳定的耗尽层，该稳定的耗尽层可有效隔绝控片晶圆不稳定的电阻率对其表层监控掺杂层电阻率测量的影响，达到提高日常监控离子注入机稳定性和均匀性的精确性。
下面结合具体附图对本实施例的改善离子注入监控稳定性的方法进行详细说明。
如图1及图2所示，首先进行步骤S1，提供控片晶圆10，且所述控片晶圆10的电阻率不稳定。
如背景技术中所述控片晶圆10的电阻率不稳定，由于控片晶圆10为非产品片，制备标准要求比较低，或者为降级的产品片用做非产品片，所以控片晶圆10的电阻率非常不稳定，一般在0.1Ω.cm~999Ω.cm之间波动，包括端点值。
作为示例，所述控片晶圆10的材料可以是任意半导体材料，例如硅、锗、砷化镓、氮化镓、蓝宝石等等。本实施例中选择现有半导体器件常用材料硅。
如图3所示，作为示例，所述控片晶圆10可是具有掺杂层11的控片晶圆10，该掺杂层11的掺杂类型可以为P型也可以为N型。该掺杂层11的掺杂浓度一般很不稳定，与其形成的PN结在进行控片晶圆的方块电阻测量时形成的耗尽层厚度极不稳定，有时耗尽层厚，有时耗尽层薄，而耗尽层的薄厚对表层监控层方块电阻的测量具有直接影响，耗尽层越厚其底部的控片晶圆10的电阻率对监控层的电阻影响越小，反之越大。因此掺杂浓度不稳定的掺杂层11会对日常监控离子注入机稳定性和均匀性的精度产生很大的影响。如上所述，当该控片晶圆10的材料选择为硅材料时，该控片晶圆10可以为具有P型掺杂层11的硅晶圆或具有N型掺杂层11的硅晶圆。
作为示例，所述控片晶圆10还可以是非故意掺杂的控片晶圆10，由于其是非产品片，所以电阻率一般也是很不稳定。
如图1及图4所示，然后进行步骤S2，对所述控片晶圆10进行第一次离子注入，注入预设深度，且所述第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，以在所述控片晶圆10中形成掺杂浓度稳定的预掺杂层12。
这里需要说明的是第一次离子注入的参数（包括注入能量、注入剂量及注入角度等参数）根据实际需要进行调节，但需要满足该次离子注入的注入浓度小于后续第二次离子注入的注入浓度。
离子注入的深度一般是由离子注入的注入能量决定的，注入能量越大，深度则越深。所以，一般第一次离子注入的注入能量要大一些，大于后续第二次离子注入的注入能量，这样才可形成预掺杂层12形成在后续的监控掺杂层13下方的结构。
作为示例，优选选择所述预掺杂层12的掺杂浓度是所述控片晶圆10掺杂浓度的10倍以上，包括端点值。如此可完全隔绝控片晶圆10不稳定的电阻率对后续由预掺杂层12及监控掺杂层13形成的PN结耗尽层厚度的影响。
作为一较佳示例，所述第一次离子注入的掺杂浓度波动介于±1%的预设范围内，包括端点值，更能有效保证预掺杂层12掺杂浓度的稳定性。
所述第一次离子注入的离子掺杂类型可以为N型也可以为P型，只要与后续进行的第二次离子注入的离子掺杂类型相反即可。一般地，N型掺杂离子选择为磷离子，但也不限于此，其他N型离子也可；P型掺杂离子选择为硼离子，但也不限于此，其他P型离子也可。
如图1及图5所示，接着进行步骤S3，对所述控片晶圆10进行与所述第一次离子注入的离子掺杂类型相反的第二次离子注入，以于所述控片晶圆10表面形成预设厚度的监控掺杂层13；其中，所述第一次离子注入的注入浓度小于所述第二次离子注入的注入浓度，且所述预掺杂层12与所述监控掺杂层13之间接触形成PN结。
这里需要说明的是第二次离子注入的参数（包括注入能量、注入剂量及注入角度等参数）根据产品片实际需要进行的离子注入参数进行设置，但需要满足该次离子注入的注入浓度大于第一次离子注入的注入浓度，以使监控掺杂层13与预掺杂层12的掺杂类型相反。
所述第二次离子注入的离子掺杂类型可以为N型也可以为P型，只要与第一次离子注入的离子掺杂类型相反即可。一般地，N型掺杂离子选择为磷离子，但也不限于此，其他N型离子也可，例如砷离子或锑离子等等；P型掺杂离子选择为硼离子，但也不限于此，其他P型离子也可，例如镓离子或铟离子等等。
如图1及图5所示，接着进行步骤S4，对所述控片晶圆10进行快速热退火，以对注入所述控片晶圆10中的离子进行激活。
快速热退火工艺可以采用现有常规的处理工艺，例如炉管退火或快速热处理设备。热退火工艺的参数选择常规退火参数，退火气氛一般为在氮气的氛围下进行退火。
如图6所示，进行快速热退火后，之前的两次离子注入的离子得到激活，从而可在测量时在PN结的界面处形成稳定的耗尽层14，该耗尽层14可有效的将监控掺杂层13与其下部的控片晶圆10层（包括预掺杂层12及剩余部分的控片晶圆10）进行电阻隔离。
如图1及图5所示，最后进行步骤S5，测量所述控片晶圆10的方块电阻。
作为一较佳示例，采用四探针测量所述控片晶圆10的方块电阻，准确性高。具体为：通过将4根等间距配置的探针扎在控片晶圆10的表面上，由恒流源向外侧两根探针提供一个适当小的电流，然后测量中间两根探针之间的电压V，从而得到该组数据测得的电阻率。为了测量整片晶圆的均匀性，一般会在控片晶圆10上选择多组不同位置的测量点，例如100个~130个不同位置的测量点，本实施例中优选121个不同位置的测量点，较佳地，多组不同位置的测量点一般均匀遍布整个控片晶圆10表面。通过对测得的多组不同位置的测量点测得的方块电阻值求平均电阻（Mean）值以及标准偏差值（Stdv）来判断机台的稳定性和均匀性。
如下表一，是对两片控片晶圆#17号控片晶圆及#19号控片晶圆分别在AIMCI04及AIMCI01两款离子注入机型中进行离子注入后进行方块电阻测量的测量值，其中采用的主要制程参数为：硅材料控片晶圆，预掺杂层12的掺杂离子为磷离子、注入能量为440Kev、注入剂量为1.5×1013/cm2，监控掺杂层13的掺杂离子为硼离子、注入能量为30Kev、注入剂量为1.0×1014/cm2，采用四探针进行121组不同位置的测量点测量。从表中可以看出，得到的平均方块电阻值（RS Mean）分别为618.42及622.01，方块电阻标准偏差值（RS Stdv）分别为0.26%及0.20%，测量结果相当稳定。
表1：控片晶圆在不同离子注入机中进行离子注入后方块电阻的测量数据表
控片晶圆ID Recipe（制程参数） Tool（离子注入机型） RS Mean RS Stdv
#17 B0030K100E4T00 AIMCI04 618.42 0.26%
#19 B0030K100E4T00 AIMCI01 622.01 0.20%
如下表二，是对四片控片晶圆#20号至#23号控片晶圆在AIMCI04离子注入机型中进行离子注入后进行方块电阻测量的测量值，其中采用的主要制程参数为：硅材料控片晶圆，预掺杂层12的掺杂离子为磷离子、注入能量为440Kev、注入剂量为1.5×1013/cm2，监控掺杂层13的掺杂离子为硼离子、注入能量为30Kev、注入剂量为1.0×1014/cm2，采用四探针进行121组不同位置的测量点测量。从表中可以看出，得到的平均方块电阻值（RS Mean）分别为617.55、618.42、618.21及620.73，方块电阻标准偏差值（RS Stdv）分别为0.21%、0.21%、0.25%及0.23%，机台的重复稳定性为0.22%，该测量结果相当稳定。
表2：控片晶圆在相同离子注入机中进行离子注入后方块电阻的测量数据表
综上所述，本发明的改善离子注入监控稳定性的方法，通过对控片晶圆进行第一次离子注入，且使该第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，从而使其形成的预掺杂层的浓度相对稳定，以保证与后续形成的监控掺杂层之间形成浓度稳定的PN结，该稳定的PN结在对控片晶圆的方块电阻进行测量时可以形成稳定的耗尽层，该稳定的耗尽层可有效隔绝控片晶圆不稳定的电阻率对其表层监控掺杂层电阻率测量的影响，达到提高日常监控离子注入机稳定性和均匀性的精确性。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)

1.一种改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于，所述改善离子注入监控稳定性的方法包括以下步骤：
提供控片晶圆，所述控片晶圆的电阻率不稳定；
对所述控片晶圆进行第一次离子注入，注入预设深度，且所述第一次离子注入的掺杂浓度波动在±2%的预设范围内，以在所述控片晶圆中形成掺杂浓度稳定的预掺杂层；
对所述控片晶圆进行与所述第一次离子注入的离子掺杂类型相反的第二次离子注入，以于所述控片晶圆表面形成预设厚度的监控掺杂层；其中，所述第一次离子注入的注入浓度小于所述第二次离子注入的注入浓度，且所述预掺杂层与所述监控掺杂层之间接触形成PN结；
对所述控片晶圆进行快速热退火，以在所述PN结的界面处形成稳定的耗尽层；
测量所述控片晶圆的方块电阻。
2.根据权利要求1所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：所述控片晶圆为非故意掺杂的硅晶圆或P型掺杂的硅晶圆或N型掺杂的硅晶圆。
3.根据权利要求1所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：所述第一次离子注入的离子掺杂类型为N型或P型，所述第二次离子注入的离子掺杂类型为N型或P型。
4.根据权利要求3所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：N型掺杂离子为磷离子，P型掺杂离子为硼离子。
5.根据权利要求1所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：所述预掺杂层的掺杂浓度是所述控片晶圆掺杂浓度的10倍以上，包括端点值。
6.根据权利要求1所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：所述控片晶圆的电阻率介于0.1Ω.cm~999Ω.cm之间，包括端点值。
7.根据权利要求1所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：所述第一次离子注入的掺杂浓度波动介于±1%的预设范围内，包括端点值。
8.根据权利要求1所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：采用四探针测量所述控片晶圆的方块电阻。
9.根据权利要求8所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：选取所述控片晶圆上100个~130个不同位置的测量点测量所述控片晶圆的方块电阻。
10.根据权利要求9所述的改善离子注入监控稳定性的方法，其特征在于：选取所述控片晶圆上121个不同位置的测量点测量所述控片晶圆的方块电阻。
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