DE10056872C1

DE10056872C1 - Implantationsüberwachung unter Anwendung mehrerer Implantations- und Temperschritte

Info

Publication number: DE10056872C1
Application number: DE10056872A
Authority: DE
Inventors: Karsten Wieczorek; Manfred Horstmann; Christian Krueger
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: US6754553B2; US20020059011A1

Abstract

Der Verbrauch an Testwafern trägt signifikant zu den Gesamtherstellungskosten in der Halbleiterindustrie aufgrund des Wegwerfens der Testwafer nach einer einzigen Überwachung von Implantationsparametern bei. Diese Erfindung stellt ein Verfahren zur mehrmaligen Wiederverwendung des gleichen Testwafers zur Überwachung der Implantationsparameter bereit. Dieses Verfahren beinhaltet die Möglichkeit des Implantierens der gleichen Implantationsspezies zusammen mit identischen Implantations- und Temperbedingungen sowie das Implantieren einer großen Bandbreite von Implantationsspezies zusammen mit unterschiedlichen Implantations- und Temperbedingungen. Daher hilft die Erfindung, die Anzahl verbrauchter Testwafer im Implantationsbereich deutlich zu verringern.

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Überwachen von Implantationspa rametern bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Verwendung von Test wafern zur Gewinnung von Information über Ionenimplantationseigenschaften. Insbe sondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen der Ionen implantation mehrerer Ionensorten mit unterschiedlicher Dotierpolarität, oder der glei chen Ionensorte und mit variabler Implantationstiefe.

2 Hintergrund der Erfindung

Die Herstellung von Halbleiterbauelementen erfordert eine große Anzahl einzelner Pro zessschritte, um ein konfektioniertes Halbleiterschaltungsbauteil zu schaffen, beginnend von einem leeren Halbleitersubstrat, das im Allgemeinen als ein Halbleiterwafer bereit gestellt wird. Der Halbleiterbauelementehersteller produziert die Halbleiterschaltungs bauelemente, beispielsweise Mikroprozessoren, DRAM(dynamischer Direktzugriffs speicher)-Chips und ASIC(anwendungsspezifische integrierte Schaltungen)-Chips und dergleichen auf einzelnen Wafern, wobei normalerweise eine Reihe von Bauteilen auf jedem Wafer hergestellt wird. Die einzelnen Herstellungsprozesse für die Halbleiter schaltungsbauelemente schließen Fotolithografie, Ionenimplantation, Ätzen und andere damit verknüpfte, im Stand der Technik bekannte Herstellungsprozesse mit ein. Um die Halbeiterbauelemente erfolgreich mit einer hohen Produktionsausbeute herzustellen, müssen alle der oben erwähnten Prozesse in Übereinstimmung mit den strengen Pro zessspezifikationen in zuverlässiger Weise durchgeführt werden. Um sicherzustellen, dass diese Prozesse gemäß den Spezifikationen ablaufen, werden typischerweise aus gewählte Halbleiterwafer, im weiteren als Testwafer bezeichnet, häufig und periodisch in die diversen Herstellungsprozesse eingeführt, um Prozessparameter dieser Schritte zu kontrollieren und geeignet einzustellen.

Für den Ionenimplantationsprozess ist die Implantationshomogenität jeder implantierten Ionenspezies über die Wafer verteilt, die im Allgemeinen Durchmesser bis zu 8 Inch (20,32 cm) oder 12 Inch (30,48 cm) aufweisen, sehr wichtig. Eine gleichförmige Ionen implantation ist für eine hohe Prozessausbeute erforderlich. Nachdem die Ionenimplan tation abgeschlossen ist, ist ein Tempern eines derartigen Wafers, beispielsweise ein schnelles thermisches Ausglühen (RTA) notwendig, um die implantierten Ionen elek trisch zu aktivieren und die implantierten Ionen in das Gitter das Wafers durch Substitu tion einzubauen. Durch das elektrische Aktivieren sind die elektrischen Eigenschaften des implantierten Substrats, etwa der lokale elektrische Schichtwiderstand (R_S) für die Implantationsparameter repräsentativ. Sich auf die Tatsache stützend, dass das RTA- Tempern und seine Auswirkungen auf das elektrische Aktivieren im Wesentlichen ho mogen über den gesamten Wafer sind, wird die Homogenität jeder implantierten Ionen spezies über den Wafer, die durch den lokalen elektrischen Schichtwiderstand reprä sentiert wird, lediglich von dem Ionenimplantationsvorgang beeinflusst.

Die Prozessspezifikationen sind für alle auf einem Wafer hergestellten Chips in gleicher Weise strikt. Daher muss die Homogenität der Implantationsparameter sichergestellt werden, um eine hohe Produktionsausbeute für jeden Chip zu erhalten, unabhängig von der Lage auf dem Produktwafer. Die Überwachung der Ionenimplantation stützt sich normalerweise auf Messungen des lokalen elektrischen Schichtwiderstands mit einer Vier-Punkt-Sondentechnik, die wiederholt auf über den gesamten Wafer verteilte Posi tionen angewendet wird. Diese Art der Messung ist im Stand der Technik wohlbekannt. Die Vier-Punkt-Sondentechnik misst den Widerstand ρ unter Verwendung von vier Son den auf einer Oberfläche eines blanken Halbleiterwafers. Diese Sonden sind auf einer geraden Linie angeordnet und haben einen konstanten Abstand s (in cm). Es wird ein Strom I (in mA) durch die äußeren Sonden geleitet und eine Spannung V (in mV) wird zwischen den inneren Sonden gemessen. Der gemessene Widerstand V/I wird gemäß der allgemein bekannten Formel

ρ = (V/I)2πs

in den Widerstands ρ (in Ω.cm) umgewandelt.

Um zuverlässige Testergebnisse zu erhalten, werden ziemlich teure Wafer, beispiels weise Silicium-auf-Isolator-Wafer, die ebenfalls zur Bauteileherstellung verwendet wer den, als Testwafer verwendet. Herkömmlicherweise benötigt das Ionenimplantations überwachen unter Anwendung von Implantationsüberwachungstestwafern einen Wafer pro Implantationsspezies, Implantationsdosis, Implantationstiefe und Testdurchlauf.

Mit Bezug zu den Fig. 1a und 1b wird ein anschauliches Beispiel des Implantierens von Ionen in einen leicht dotierten Siliciumwafer gemäss eines typischen Prozesses nach dem Stand der Technik beschrieben. Anzumerken ist, dass die Fig. 1a und 1b sowie die folgenden Figuren in dieser Anmeldung lediglich schematische Darstellungen der diversen Schritte beim Herstellen des betrachteten beispielhaften Bauelements sind. Der Fachmann erkennt leicht, dass die in den Figuren gezeigten Abmessungen nicht maßstabsmäßig sind, und dass unterschiedliche Bereiche oder Schichten nicht durch scharfe Grenzen, wie sie in den Figuren dargestellt sind, getrennt sind, sondern statt dessen kontinuierliche Übergänge aufweisen können. Ferner können diverse Prozess schritte, wie sie im Folgenden beschrieben sind, abhängig von speziellen Designerfor dernissen unterschiedlich durchgeführt werden. Ferner sind in dieser Beschreibung le diglich die relevanten Schritte und Bereiche des Bauteils, die zum Verständnis der vor liegenden Erfindung notwendig sind, betrachtet.

Fig. 1a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Wafers 101 mit einem Silici umsubstrat 102 mit einer Oberfläche 103, wobei das Siliciumsubstrat 102 mit einer er sten Spezies implantierter Ionen leicht dotiert ist. Gemäß einem herkömmlichen Im plantationsprozess 104 wird eine zweite Ionenspezies, die eine entgegengesetzt dotie rende Spezies zu der ersten Spezies ist, über die Oberfläche 103 in den Wafer 101 mit einer Implantationsdosis implantiert, bis eine gewünschte Implantationstiefe erreicht ist. Zum Aktivieren der zweiten Ionenspezies, d. h. dem Einbauen der neu implantierten Io nen in das Gitter des Wafers 101 mittels Substitution, muss der Wafer 101 getempert werden.

Fig. 1b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Wafers 101 nach der Ionen implantation und dem RTA-Tempern. Eine implantierte Schicht 105 mit der zweiten Io nenspezies ist gemäß dem oben erwähnten Implantationsprozess 104 in dem Wafer 101 gebildet. Zwischen der implantierten Schicht 105 und dem Siliciumsubstrat 102 ist ein pn-Übergang 106 in der gewünschten Implantationstiefe gebildet. Nach dem Tem perschritt wird der Schichtwiderstand des Substrats durch lokale Vier-Punkt-Sonden messungen, die über das gesamte Substrat verteilt sind, gemessen, um die Implantati onseigenschaften und insbesondere die Homogenität zu bestimmen. Nachdem die Im plantationseigenschaften erhalten werden, wird gemäß dem Stand der Technik das Substrat entsorgt.

Folglich gibt es während der Herstellung von Halbleiterbauelementen einen großen Ge samtverbrauch an Testwafern. Dieser Verbrauch an Testwafern trägt deutlich zu den Herstellungskosten in der Halbleiterindustrie, hauptsächlich aufgrund des Wegwerfens der Testwafer nach lediglich nur einem Überprüfungsvorgang der Implantationspara meter, bei. Es besteht daher der große Wunsch, den Gesamtverbrauch an Testwafern und demgemäß die Herstellungskosten zu verringern.

Aus dem Stand der Technik sind bereits zwei Dokumente bekannt, die Verfahren zum Wiederverwenden von Ionenimplantationstestwafern beschreiben (US 5 861 632 und der Artikel "Reuse Reduces Implant Test Wafer Costs" in "Semiconductor International" vom Dezember 1997). In den in beiden Dokumenten beschriebenen Verfahren werden die Implantationsparameter, anhand der durch das Implantieren verursachten Schäden am Kristallgitter des Testwafers, ermittelt.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt zur Lösung der o. g. Aufgabe Verfahren zum Wieder verwenden von Ionenimplantationstestwafern zur Überwachung von Implantationspara metern gemäß den Patentansprüchen 1, 18 und 28 bereit.

Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zum Überwachen von Implantationspara metern zur Charakterisierung einer Implantationsvorrichtung bereitgestellt, wobei das Verfahren in der folgenden Reihenfolge umfasst: Bereitstellen eines Substrats zur An wendung als ein Testwafer zum Überwachen der Implantationsparameter, Implantieren erster Ionen in das Substrat und Tempern des Substrats mit den ersten implantierten Io nen. Ferner umfasst das Verfahren das Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten implantierten Ionen, Implantieren zweiter Ionen in das Substrat mit den ersten implantierten Io nen und Tempern des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen. Ferner umfasst das Verfahren das Erhalten der Implantationsparameter durch Messen von im plantationsabhängigen Eigenschaften des Substrats mit den ersten und zweiten implan tierten Ionen und das Wiederverwenden des Substrats für einen weiteren Parameter messprozess.

Gemäß Patentanspruch 18 wird ein Verfahren zum Überwachen von Implantationspa rametern zur Charakterisierung einer Implantationsvorrichtung bereitgestellt, wobei das Verfahren in der folgenden Reihenfolge umfasst: Bereitstellen eines Substrats zur Ver wendung als ein Testwafer zum Überwachen der Implantationsparameter, Implantieren erster Ionen einer ersten Spezies in das Substrat und Tempern des Substrats mit den ersten implantierten Ionen. Ferner umfasst das Verfahren das Erhalten der Implantati onsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten implantierten Ionen, Implantieren zweiter Ionen einer zweiten Spezies in das Substrat mit den ersten implantierten Ionen und Tempern des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen. Ferner umfasst das Verfahren das Erhalten der Im plantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Sub strats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen mit Wiederverwenden des Sub strats für einen weiteren Parametermessprozess.

Gemäß diesem zweiten Verfahren verläuft die zweite Ionenimplantation mit einer zur er sten Ionenimplantation unterschiedlichen Implantationsspezies. Wenn zusätzlich variie rende Implantationsbedingungen verwendet werden, werden abwechselnd pn- Übergänge mit fortschreitend abnehmender Übergangs-Tiefe im Testwafer geschaffen. Da die pn-Übergänge das darunter liegende Substrat von der Waferoberfläche isolieren, werden lediglich die Eigenschaften der obersten Implantationsschicht der elektrischen Messung unterzogen.

Gemäß Patentanspruch 28 wird ein Verfahren zum Überwachen von Implantationspa rametern zur Charakterisierung einer Implantationsvorrichtung bereitgestellt, wobei das Verfahren in der folgenden Reihenfolge umfasst: Bereitstellen eines Substrats zur Ver wendung als ein Testwafer zum Überwachen der Implantationsparameter, Implantieren erster Ionen einer ersten Spezies in das Substrat und Tempern des Substrats mit den ersten implantierten Ionen. Ferner umfasst das Verfahren das Erhalten der Implantati onsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten implantierten Ionen, Implantieren zweiter Ionen einer ersten Spezies in das Substrat mit den ersten implantierten Ionen und Tempern des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen. Des weiteren umfasst das Verfahren das Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen wobei das Sub strat für einen weiteren Parametermessprozess wieder verwendet wird.

Gemäß diesem dritten Verfahren wird in der zweiten Ionenimplantation die gleiche Im plantationsspezies wie in der ersten Ionenimplantation und identische Implantations- und Temperbedingungen verwendet. Dieses Verfahren erlaubt ein Wiederverwenden des Testwafers bis die Schichtwiderstandsempfindlichkeit beginnt, sich durch die Dotie rungssättigung zu verschlechtern. Dieses Verfahren kann auf alle bekannten Implantati onsspezies angewendet werden.

Als Folge der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine deutliche Kostenreduzierung in den Implantationsbereichen der Halbleiterbauteilherstellungsindustrie aufgrund des Wiederverwendens der teuren Testwafer.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Be schreibung von Ausführungsbeispielen, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen verwendet wird, hervor; es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Querschnittsansicht eines leichtdotierten Halbleitersub strats während einer Ionenimplantation nach dem Stand der Technik;

Fig. 1b eine schematische Querschnittsansicht des leichtdotierten Halbleitersubstrats nach der Ionenimplantation, dem Tempern und dem Bilden eines pn-Über gangs nach dem Stand der Technik;

Fig. 2a eine schematische Querschnittsansicht eines leichtdotierten Halbleitersub strats nach einem ersten Implantations- und Temperschritt eines erfindungs gemäßen Verfahrens;

Fig. 2b eine Darstellung eines Graphen als ein Ergebnis einer Simulation einer Im plantation erster Ionen in ein leichtdotiertes Halbleitersubstrat entsprechend der Fig. 2a;

Fig. 2c eine schematische Querschnittsansicht des leichtdotierten Halbleitersubstrats mit den implantierten ersten Ionen nach einem zweiten Implantations- und Temperschritt;

Fig. 2d ein Diagramm des Graphen aus Fig. 2b und eines Graphen als ein Ergebnis einer Simulation der Implantierung der zweiten Ionen in ein leichtdotiertes Halbleitersubstrat mit den ersten implantierten Ionen gemäß der Fig. 2c;

Fig. 2e eine schematische Querschnittsansicht des leichtdotierten Halbleitersubstrats mit den implantierten ersten und zweiten Ionen nach einem dritten Implanta tions- und Temperschritt;

Fig. 2f eine Darstellung des Graphen aus der Fig. 2d und eines Graphen als ein Ergebnis einer Simulation der Implantation dritter Ionen in ein leichtdotiertes Halbleitersubstrat mit implantierten ersten und zweiten Ionen gemäß der Fig. 2e.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Im Folgenden werden diverse Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der vorlie genden Erfindung in der folgenden Beschreibung mit Bezug zu den Zeichnungen darge stellt.

Eine erste Ausführungsform betrifft das Wiederverwenden von Test wafern für zyklische Durchläufe von Ionenimplantations-, RTA- und Überwachungs schritten, so dass unterschiedliche Implantationsbedingungen auf den gleichen Wafer angewendet werden. Die unterschiedlichen Implantationsbedingungen umfassen das Verwenden abwechselnd entgegengesetzt dotierender Spezies für aufeinanderfolgende Ionenimplantationen und das allmähliche Verringern der Implantationstiefe. Die entge gengesetzt dotierenden Spezies können aus einer beliebigen bekannten Implantations spezies, vorzugsweise aus jenen, die in der tatsächlichen Bauteileherstellung verwendet werden, ausgewählt werden. Das Überwachen der Implantationsparameter, insbesonde re der Implantationskonzentration, wird ebenfalls durch Vier-Punkt-Sonden-Schicht widerstandsmessungen durchgeführt. Eine derartige abwechselnde Implantation von Gegendotierstoffen ergibt die pn-Übergänge in speziellen entsprechenden Tiefen des Testwafers nach dem RTA-Tempern. Diese pn-Übergänge isolieren die später implan tierte Schicht jeweils von dem Substrat oder den vorhergehenden Schichten. Die Im plantationskonzentration des letzten Implantationsschutzes ist immer direkt mit dem Schichtwiderstand der Oberfläche des Testwafers, der mit Ionen implantiert ist, ver knüpft. Daher wird eine derartige Überwachung mit der notwendigen Empfindlichkeit für den Schichtwiderstand durchgeführt.

Folglich müssen die Implantationsbedingungen für die Ionenimplantations- und RTA- Temperschritte so gestaltet sein, dass sich daraus abwechselnde Schichten von pn- Übergängen mit zunehmend geringerer Tiefe ergeben. Dies liegt daran, dass die unter suchte Schicht elektrisch von zuvor gekennzeichneten Implantierungsschichten entkop pelt ist.

Im folgenden Beispiel wird eine detailliertere Beschreibung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.

Ein Testwafer aus Silicium, der mit Bor mit einer Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁴ Ionen pro cm³ leicht dotiert ist, wird mit Phosphor mit einer Implantationsenergie von 80 keV beschossen. Durch RTA-Tempern für 30 s bei einer Temperatur von 1050°C wird ein pn-Übergang in einer Tiefe von ungefähr 300 nm gebildet. Die implantierte n- Siliciumschicht über dem pn-Übergang ergibt einen Schichtwiderstand von ungefähr 1740 Ω/▱, der einer Phosphorimplantationsdosis von 1 × 10¹³ Ionen pro cm² entspricht.

Auf diesen Schritt folgend wird als ein Gegendotiermaterial zu Phosphor Borfluorid (BF₂) mit einer Implantationsenergie von 80 keV in den Testwafer implantiert. Nach dem RTA- Tempern des Testwafers, wieder für 30 s mit einer Temperatur von 1050°C, wird ein zweiter pn-Übergang in einer Tiefe von ungefähr 95 nm gebildet. Es wird ein Schichtwi derstand von ungefähr 10 kΩ/▱ erhalten. Dieser Schichtwiderstand entspricht einer BF₂- Implantationsdosis von 1 × 10¹³ Ionen pro cm².

Das Gegendotiermaterial zu BF₂ in dem anschließend folgenden Implantationsschritt ist Arsen (As), das mit einer Implantationsenergie von 30 keV in den Testwafer implantiert wird. Mittels eines Temperschritts unter den gleichen Bedingungen wie die obigen Tem perschritte, der wieder das RTA-Tempern des Testwafers für 30 s bei einer Temperatur von 1050°C beinhaltet, wird ein dritter pn-Übergang bei einer Tiefe von ungefähr 41 nm gebildet. Die Messung des resultierenden Schichtwiderstandes ergibt einen Wert von 3850 Ω/, der einer Arsenimplantationsdosis von 1 × 10¹³ Ionen pro cm² entspricht. Somit wird ein Testwafer gemäß diesem Beispiel der weiteren Ausführungsform dieser Erfin dung viermal zum Überwachen verwendet. Dies führt zu einem Testwafer-zu-Produkt wafer-Verhältnis für diese Überwachungsart, das dreimal geringer als beim herkömmli chen bekannten Stand der Technik ist.

Dieser beispielhafte erfindungsgemäße Prozess ist in den Zeichnungen der Fig. 2a bis 2f dargestellt.

Fig. 2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Wafers 201 mit einem Silici umsubstrat 202 mit einer Oberfläche 203 und einer ersten implantierten Schicht 205 nach Ionenimplantation und RTA-Tempern, wobei das Siliciumsubstrat 202 geringfügig mit einer Anfangsspezies von implantierten Ionen dotiert ist. Das Tempern ist notwendig zur Aktivierung der ersten Spezies von Ionen, d. h. dem Einbauen der neuimplantierten Ionen in das Gitter des Wafers 201 mittels Substitution. Diese erste implantierte Schicht 205 wird durch Implantieren und Tempern einer ersten Ionenspezies, die eine entge gengesetzt dotierte Spezies zu der anfänglichen Spezies ist, durch die Oberfläche 203 in den Wafer 201 mit einer ersten Implantationsdosis gebildet. Zwischen der ersten im plantierten Schicht 205 und dem Siliciumsubstrat 202 ist ein erster pn-Übergang 206 in einer ersten gewünschten Implantationstiefe gebildet. Aufgrund des ersten pn- Übergangs 206 ist die erste implantierte Schicht 205 elektrisch von dem Siliciumsubstrat 202 isoliert. Eine Messung des Schichtwiderstands mittels einer Vier-Punkt- Sondentechnik ermöglicht Rückschlüsse über die tatsächlich implantierte Ionendosis der ersten Spezies.

Fig. 2b zeigt ein Diagramm eines Graphen 207 als ein Ergebnis aus einer beispielhaften Computersimulation für den Wafer 201 entsprechend der Fig. 2a. Das Diagramm zeigt als die x-Achse die Implantationstiefe (in nm) relativ zu der Oberfläche 203 des Wafers 201 und als die y-Achse die Dotierungskonzentration (in cm³) der entsprechenden Schicht. Der Graph 207 repräsentiert eine Ionensubstitution einer ersten Spezies im plantierter Ionen in den Wafer 201 und eine dadurch gebildete erste implantierte Schicht 205 entsprechend einem Schichtwiderstand von ungefähr 1740 Ω/▱. Der Wafer 201 weist eine Grunddotierung von 1 × 10¹⁴ Ionen pro cm³ einer Anfangsionenspezies auf. Die Implantation der ersten Ionenspezies wurde mit einer Implantationsenergie von 80 keV und einer Implantationsdosis von 1 × 10¹³ Ionen pro cm² angenommen. Der Graph 207 zeigt, dass der erste pn-Übergang 206 bei einer Tiefe von ungefähr 300 nm unter der Oberfläche 203 des Wafers 201 gebildet wird. Der erste pn-Übergang 206 wird im Graph 207 durch den Punkt 208 repräsentiert.

Der RTA-Temperschritt mit einer Dauer von 30 s bei einer Temperatur von 1050°C wird für diese und die folgenden Computersimulationen als konstant betrachtet. Daher tragen lediglich die veränderlichen Ionenimplantationen zu den gemessenen Schichtwiderstän den bei.

Fig. 2c zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Wafers 201 aus Fig. 2a, der weiterhin eine zweite implantierte Schicht 209 umfasst. Entsprechend einem zweiten Implantations- und Temperprozess wird die zweite implantierte Schicht 209 durch Im plantieren einer zweiten Ionenspezies, die eine entgegengesetzt dotierende Spezies zur ersten Spezies ist, durch die Oberfläche 203 in die erste implantierte Schicht 205 mit ei ner zweiten Implantationsdosis gebildet. Zwischen der zweiten implantierten Schicht 209 und der ersten implantierten Schicht 205 wird ein zweiter pn-Übergang 210 mit einer zweiten gewünschten Implantationstiefe, die geringer als die erste gewünschte Implan tationstiefe ist, gebildet. Aufgrund des zweiten pn-Übergangs 210 ist die zweite implan tierte Schicht 209 elektrisch von der ersten implantierten Schicht 205 isoliert. Eine Messung des Schichtwiderstands mittels einer Vier-Punkt-Sondentechnik erlaubt wiederum, Rückschlüsse über die tatsächlich implantierte Ionendosis der zweiten Spezies zu zie hen.

Fig. 2d zeigt ein Diagramm des Graphen 207 und eines Graphen 211 als ein Ergebnis der beispielhaften Computersimulation für den Wafer gemäß der Fig. 2c. Der Graph 207 ist bereits in Fig. 2b beschrieben. Der Graph 211 repräsentiert eine Ionensubstitution ei ner zweiten Spezies implantierter Ionen in die erste implantierte Schicht 205 und einer dadurch gebildeten zweiten implantierten Schicht 209 entsprechend einem Schichtwi derstand von ungefähr 10 kΩ/▱. Die Ionenimplantation der zweiten Spezies wird mit ei ner Implantationsenergie von 80 keV und einer Implantationsdosis von 1 × 10¹³ Ionen pro cm² durchgeführt. Der Kreuzungspunkt der Graphen 207 und 211 zeigt, dass der zweite pn-Übergang 210 bei einer Tiefe von ungefähr 95 nm unter der Oberfläche 203 des Wafers 201 gebildet wird. Der zweite pn-Übergang 210 wird in den Graphen 207 und 211 durch den Kreuzungspunkt 212 repräsentiert.

Fig. 2e zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Wafers 201 aus Fig. 2c, der ferner eine dritte implantierte Schicht 213 umfasst. Entsprechend einem dritten Implan tations- und Temperprozess wird die dritte implantierte Schicht 213 durch Implantieren einer drillen Ionenspezies, die eine entgegengesetzt dotierte Spezies zu der zweiten Spezies ist, durch die Oberfläche 203 in die zweite implantierte Schicht 209 mit einer dritten Implantationsdosis gebildet. Zwischen der dritten implantierten Schicht 213 und der zweiten implantierten Schicht 209 wird ein dritter pn-Übergang 214 in einer dritten gewünschten Implantationstiefe, die geringer als die zweite gewünschte Implantati onstiefe ist, gebildet. Aufgrund des dritten pn-Übergangs 214 ist die dritte Implantations schicht 213 elektrisch von der zweiten Implantationsschicht 209 isoliert. Eine Messung des Schichtwiderstands mittels einer Vier-Punkt-Sondentechnik erlaubt erneut Rück schlüsse über die tatsächlich implantierte Ionendosis der dritten Spezies.

Fig. 2f zeigt ein Diagramm der Graphen 207 und 211 und eines Graphen 215 als ein Er gebnis der beispielhaften Computersimulation für den Wafer gemäß Fig. 2e. Die Gra phen 207 und 211 wurden bereits oben in Bezug mit Fig. 2d beschrieben. Der Graph 215 repräsentiert eine Ionensubstitution einer dritten implantierten Ionenspezies in die zweite implantiert Schicht 209 und eine dadurch gebildete dritte implantierte Schicht 213 entsprechend einem Schichtwiderstand von ungefähr 3850 Ω/▱. Die Implantation der Ionen der dritten Spezies wird mit einer Implantationsenergie von 30 keV und einer Im plantationsdosis von 1 × 10¹³ Ionen pro cm² angenommen. Das Überkreuzen der Gra phen 215 und 211 impliziert, dass der dritte pn-Übergang 216 bei einer Tiefe von unge fähr 41 nm unter der Oberfläche 203 des Wafers 201 gebildet wird. Der dritte pn- Übergang 214 wird in den Graphen 207, 211 und 215 durch den Kreuzungspunkt 216 dargestellt.

Da es hinsichtlich der Herstellungskosten wichtig ist, das Testwafer-zu-Produktwafer- Verhältnis so gering wie möglich zu halten, sorgt das obige Beispiel des Überwachens der Ionenimplantation für eine wesentliche Verringerung des Gesamtverbrauchs an Testwafern. Während die herkömmliche Parameterüberwachung während der Herstel lung von Feldeffekttransistoren auf einem Halbleitersubstrat drei Testwafer pro Substrat erforderlich macht, um die Implantations- und Temperbedingungen während der Formie rung des aktiven Gebiets, der leicht dotierten Drain- und Sourcegebiete und der Drain- und Sourcegebiete zu kontrollieren, ist erfindungsgemäß der Verbrauch an Testwafern während der Herstellung von Feldeffekttransistoren auf lediglich einen Testwafer pro hergestelltem Substrat beschränkt.

Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung betrifft eine Wiederverwendung von Testwafern durch zyklisches Durchlaufen von Ionenimplantation, schnellem thermischen Tempern und Überwachen, so dass die gleichen Implantationsbedingungen wiederholt auf den gleichen Wafer angewendet werden. Die gleichen Implantationsbedingungen umfassen das Verwenden der gleichen Spezies für die Ionenimplantation. Das Überwa chen der Implantationsparameter, insbesondere der Gleichmäßigkeit der Implantations konzentration über den Wafer, wird durch wiederholte Vier-Punkt-Sonden-Schichtwider standsmessungen durchgeführt. Diese Art der Messung ist dem Fachmann auf dem Gebiet geläufig. Die Implantationskonzentrationen der späteren Implantationsschritte er geben sich aus dem Nettoschichtwiderstand, der die Differenz zwischen gemessenen Werten des Schichtwiderstands vor und nach einer Implantation und eines Temperns darstellt. Dies bedeutet, dass der resultierende Nettoschichtwiderstand eine genaue In formation über die hinzugefügte Implantationskonzentration gibt. Das zuvor Gesagte gilt insbesondere in dem Maße, in dem die Spezies von nachfolgenden Implantationen ein gleiches Maß an elektrischer Aktivierung erfahren, d. h. dass konstante Temperbedin gungen angewendet werden.

Die Ionenimplantations-RTA- und Überwachungsschritte können grundsätzlich wieder holt werden, bis die Gesamtkonzentration der überwachten implantierten Ionen sich dem Sättigungsschwellwert nähert. In diesem Fall werden keine zusätzlichen Ionen in das Gitter des Wafers mittels Substitution eingebaut. Dies führt zu einer deutlichen Verringe rung der Schichtwiderstandsempfindlichkeit. Solange eine deutliche Unterscheidung zwischen nacheinander gemessenen Schichtwiderständen möglich ist, liegt die Diffe renz der Schichtwiderstandsempfindlichkeit unterhalb des Schwellwerts. Daher sollten die Ionendosisdifferenzen zwischen aufeinanderfolgenden Implantationen gering genug sein, um eine maximale Anzahl von Iterationen zu erlauben, bevor die Gesamtdosis zu einer Schichtwiderstandssättigung führt. Diese Ionendosisdifferenzen müssen jedoch hoch genug sein, um eine deutliche Unterscheidung zwischen den aufeinanderfolgend gemessenen Schichtwiderständen zu erlauben. Vorzugsweise entsprechen die Implan tationsdosen den in der Bauteileherstellung tatsächlich verwendeten Dosismengen.

Wie aus der obigen Erläuterung deutlich wird, kann das Verfahren gemäß dieser erfin dungsgemäßen Ausführungsform auf jede bekannte Implantationsspezies angewendet werden.

Diese Ausführungsform wird mittels des folgenden detaillierten Bei spiels beschrieben.

Eine Implantation von Arsen mit einer Dosis von 1,2 × 10¹³ Ionen pro cm² mit einer Im plantationsenergie von 80 keV in einem Siliciumwafer mit einer Dotierkonzentration von 1 × 10¹⁵ Arsenionen pro cm³ und einem RTA-Temperschritt für 30 s bei einer Temperatur von 1050°C kann fünfmal wiederholt werden, bevor man sich dem Schwellwert von un gefähr 10% der Schichtwiderstandsdifferenzempfindlichkeit nähert. Daher kann ein der artiger Testwafer fünfmal zur Überwachung verwendet werden. Dies führt zu einem Testwafer-zu-Produktwafer-Verhältnis, das fünfmal geringer ist als im herkömmlich be kannten Stand der Technik.

Obwohl ein schnelles thermisches Tempern in dem erfindungsgemäßen Verfahren be schrieben worden ist, sollte erwähnt werden, dass jede andere Art von Tempern, etwa eine Ofentemperung, dem Fachmann durchaus vertraut ist und ebenso zum Ausüben der vorliegenden Erfindung in Betracht zu ziehen ist.

Weitere Modifikationen und alternative Ausführungsformen diverser Aspekte der Erfin dung werden für den Fachmann auf diesem Gebiet angesichts dieser Beschreibung of fensichtlich. Daher ist die Beschreibung von Ausführungsbeispielen lediglich als bei spielhaft aufzufassen und dient dem Zwecke, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung aufzuzeigen. Es ist selbstverständ lich, dass die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegen wärtig bevorzugten Ausführungsformen aufzufassen sind. Hierin beschriebene Elemente und Materialien können entsprechend ersetzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen von Implantationsparametern zur Charakterisierung einer Implantationsvorrichtung, wobei das Verfahren in der folgenden Reihenfolge umfasst:

a) Bereitstellen eines Substrats zur Verwendung als ein Testwafer zum Über wachen der Implantationsparameter in einer Implantationskammer der Im plantationsvorrichtung,
b) Implantierung erster Ionen in das Substrat,
c) Tempern des Substrats mit den ersten implantierten Ionen,
d) Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten implantierten Ionen,
e) Implantieren zweiter Ionen in das Substrat mit den ersten implantierten Io nen,
f) Tempern des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen, und
g) Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen, wobei das Substrat zum Messen der Implantationsparameter wiederverwen det wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat durch schnelles thermisches Tempern (RTA) getempert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Substrat unter konstanten Temperbedin gungen getempert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Messen der implantationsabhängigen Ei genschaften des Substrats eine Schichtwiderstandsmessung umfasst, aus der ei ne Information über die Ionenimplantation ableitbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Messen der implantationsabhängigen Ei genschaften des Substrats an mehreren, über den Testwafer verteilten Stellen ausgeführt wird, um den Testwafer hinsichtlich von Ungleichmäßigkeiten bezüglich der Implantationsparameter zu analysieren.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die implantierten Ionen für jede Implantation von der gleichen Art sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die gleichen Bedingungen für jede Implantation und jedes Tempern verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei e), f) und g) aus Anspruch 1 zumindest zwei mal ausgeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei e), f) und g) aus Anspruch 1 wiederholt werden, bis eine Schichtwiderstandsdifferenzempfindlichkeit unter ungefähr 10% fällt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Substrat leicht vordotiert ist, bevor erste Ionen in das Substrat implantiert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die implantierten Ionen für jeden Implantations schritt unterschiedlicher Art sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die implantierten Ionen für jeden Implantati onsschritt von einer Art sind, um eine elektrische Polarität einer zuvor in das Sub strat implantierten Schicht umzukehren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Implantationsbedingungen zum Implantieren der ersten und zweiten Ionen variiert werden, so dass als eine Folge der umge kehrten elektrischen Polarität ein pn-Übergang in dem Substrat gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Implantationsenergie variiert wird, um den pn-Übergang bei einer spezifischen Tiefe unterhalb einer Oberfläche des Substrats zu erhalten, wobei ein Teil des Substrats unterhalb des pn-Übergangs von einem Teil des Substrats überhalb des pn-Übergangs elektrisch entkoppelt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei e), f) und g) aus Anspruch 1 zumindest zwei mal ausgeführt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Substrat leicht vordotiert ist, bevor erste Ionen in das Substrat implantiert werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Substrat eine anfängliche Dotierkonzen tration vor dem Implantieren erster Ionen in das Substrat aufweist.

18. Verfahren zum Überwachen von Implantationsparametern zur Charakterisierung einer Implantationsvorrichtung, wobei das Verfahren in der folgenden Reihenfolge umfasst:

a) Bereitstellen eines Substrats zur Verwendung als ein Testwafer zum Über wachen der Implantationsparameter in einer Implantationskammer der Im plantationsvorrichtung,
b) Implantierung erster Ionen einer ersten Spezies in das Substrat,
c) Tempern des Substrats mit den ersten implantierten Ionen,
d) Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten implantierten Ionen,
e) Implantieren zweiter Ionen einer zweiten Spezies in das Substrat mit den er sten implantierten Ionen,
f) Tempern des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen, und
g) Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen, wobei das Substrat zum Messen der Implantationsparameter wiederverwen det wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die ersten und zweiten Spezies von entge gengesetzter elektrischer Polarität sind.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei Implantieren erster und zweiter Ionen unter verschiedenen Implantationsbedingungen zur Bildung eines pn-Übergangs in dem Substrat durchgeführt wird, wobei ein Teil des Substrats unterhalb des pn- Übergangs von einem Teil des Substrats überhalb des pn-Übergangs elektrisch entkoppelt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Substrat mittels schnellen thermischen Temperns (RTA) getempert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Substrat unter konstanten Temperbedin gungen getempert wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Messen der implantationsabhängigen Ei genschaften des Substrats eine Schichtwiderstandsmessung umfasst, aus der ei ne Information über eine Implantationskonzentration ableitbar ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Messen der implantationsabhängigen Ei genschaften des Substrats an mehreren, über den Wafer verteilten Stellen aus geführt wird, um den Testwafer hinsichtlich von Ungleichmäßigkeiten bezüglich der Implantationsparameter zu analysieren.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei lediglich der Teil des Substrats unterhalb des pn-Übergangs einen Beitrag zu der Schichtwiderstandsmessung des Substrats liefert.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei e), f) und g) aus Anspruch 18 zumindest zweimal durchgeführt werden.

27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Substrat leicht vordotiert ist, bevor erste Ionen in das Substrat implantiert werden.

28. Verfahren zum Überwachen von Implantationsparametern zur Charakterisierung einer Implantationsvorrichtung, wobei das Verfahren in der folgenden Reihenfolge umfasst:

a) Bereitstellen eines Substrats zur Verwendung als ein Testwafer zum Über wachen der Implantationsparameter in einer Implantationskammer der Im plantationsvorrichtung,
b) Implantierung erster Ionen einer ersten Spezies in das Substrat,
c) Tempern des Substrats mit den ersten implantierten Ionen,
d) Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten implantierten Ionen,
e) Implantieren zweiter Ionen der ersten Spezies in das Substrat mit den ersten implantierten Ionen,
f) Tempern des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen, und
g) Erhalten der Implantationsparameter durch Messen implantationsabhängiger Eigenschaften des Substrats mit den ersten und zweiten implantierten Ionen, wobei das Substrat zum Messen der Implantationsparameter wiederverwen det wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Substrat durch schnelles thermisches Tempern (RTA) getempert wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Substrat unter konstanten Temperbedin gungen getempert wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Messen der implantationsabhängigen Ei genschaften des Substrats eine Schichtwiderstandsmessung umfasst, aus der ei ne Information über eine Implantationskonzentration ableitbar ist.

32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Messen der implantationsabhängigen Ei genschaften des Substrats an mehreren, über den Testwafer verteilten Stellen durchgeführt wird, um den Testwafer hinsichtlich von Ungleichmäßigkeiten bezüg lich der Implantationsparameter zu analysieren.

33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei e), f) und g) aus Anspruch 28 zumindest zweimal ausgeführt werden.

34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei e), f) und g) aus Anspruch 28 wiederholt wer den, bis eine Schichtwiderstandsdifferenzempfindlichkeit unter ungefähr 10% fällt.

35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Substrat leicht vordotiert ist, bevor erste Ionen in das Substrat implantiert werden.

36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Substrat eine anfängliche Dotierkonzen tration vor dem Implantieren erster Ionen in das Substrat aufweist.