JP2011165722A - Ion implantation angle monitoring wafer and monitoring method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、イオン注入角度をモニタするウェハ及びそれを用いたモニタリング方法に関するものである。 The present invention relates to a wafer for monitoring an ion implantation angle and a monitoring method using the same.
現在、半導体の微細化により、MOSトランジスタにおける高電界状態のチャネル内で生成されるホットキャリアのゲート酸化膜内への注入による特性劣化を防ぐためのLDD(Lightly Doped Drain:低濃度ドレイン)構造や、次世代IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートパイポーラトランジスタ)の高耐圧化のためのバッファ層形成において、イオン角度注入やチャネリングによるイオン注入が利用されている。 Currently, due to miniaturization of semiconductors, LDD (Lightly Doped Drain) structure for preventing deterioration of characteristics due to injection of hot carriers generated in a channel in a high electric field state in a MOS transistor into a gate oxide film, In the formation of a buffer layer for increasing the breakdown voltage of a next-generation IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ion implantation by ion angle implantation or channeling is used.
上記のようなイオン角度注入を行う場合、イオン注入角度は非常に重要なパラメータである。例えばIGBTバッファ層で使用されるチャネリング(イオン注入角度0°)によるイオン注入では、数度傾くと不純物が深くまで打ち込まれない可能性がある。微細MOSトランジスタのチャネル部のように浅く打ち込みたい場合は角度を付けるが、イオン注入角度が小さくなると不純物が深く打ち込まれてしまう可能性がある。 When performing ion angle implantation as described above, the ion implantation angle is a very important parameter. For example, in ion implantation by channeling (ion implantation angle 0 °) used in the IGBT buffer layer, impurities may not be implanted deeply when tilted several degrees. An angle is set when it is desired to be implanted as shallow as the channel portion of a fine MOS transistor, but impurities may be implanted deeply when the ion implantation angle is reduced.
この注入角度のズレにより不純物量が変化し、例えば耐圧低下や閾値変動などの特性変動を生じてしまう。また、微細プロセスにおける熱処理の低温化や処理時間の短縮のため、あえてシャドーイングを利用するため、イオン注入角度を大きく取ることもある。 Due to the deviation in the implantation angle, the amount of impurities changes, resulting in characteristic fluctuations such as a decrease in breakdown voltage and threshold fluctuation. In addition, in order to reduce the heat treatment temperature and shorten the processing time in a fine process, the ion implantation angle may be increased because shadowing is used.
従って、イオン注入工程において注入角度をモニタすることにより、角度のズレの認識や調整を実施でき、不純物量変化による上記のような特性変動を極力回避でき、製品の信頼性を増すことができる。 Therefore, by monitoring the implantation angle in the ion implantation step, it is possible to recognize and adjust the angle deviation, avoid the above-described characteristic variation due to the change in the impurity amount, and increase the reliability of the product.
下記特許文献1には、イオン注入工程のモニタリング方法の一例が記載されている。図12は、特許文献1に示されたモニタリング方法を説明するためのテストパターン図である。
図12に示されるテストパターン91は、ウェハ上に作られたパターンで、酸化膜とイオン注入領域表面が交互に表われているライン&スペース形状となっている。また、図のライン間距離d9を変更した様々なパターンを1枚のウェハ上に作成することができる構成となっている。
A
図12のように構成されるテストチップに対しイオン注入した場合、その注入角度によってテストチップに注入される不純物量は変化する。例えば、イオン注入角度がテストチップ表面に対し直角(0°)に近くなれば注入される不純物量は増加し、熱伝導度と電気抵抗値は低下する。逆にテストチップ表面に対し水平方向に傾けば注入される不純物量は減少し、熱伝導度と電気抵抗値は増加する。 When ions are implanted into the test chip configured as shown in FIG. 12, the amount of impurities implanted into the test chip varies depending on the implantation angle. For example, when the ion implantation angle is close to a right angle (0 °) with respect to the test chip surface, the amount of implanted impurities increases, and the thermal conductivity and electrical resistance value decrease. On the contrary, if the test chip is tilted in the horizontal direction with respect to the surface of the test chip, the amount of implanted impurities decreases, and the thermal conductivity and the electrical resistance value increase.
このようにイオン注入した際の熱伝導度と電気抵抗値をモニタリングすることにより、イオン注入角度のモニタリングを行うことができる。 By monitoring the thermal conductivity and the electrical resistance value at the time of ion implantation in this way, the ion implantation angle can be monitored.
上記特許文献1に記載された方法によれば、イオン注入角度のモニタリングができるため、設定されたイオン注入角度から逸脱した場合でもその旨を認識し、迅速に注入角度を再調整することで不良製品の製造割合を減らし、製品信頼性を保つことができる。
According to the method described in
しかし、上記特許文献1に記載された方法によれば、電気抵抗値を測定するために酸化膜除去を行い、その後アニールを実施する必要があるため、ある程度の時間を要する。また、その際、アニール炉に何らかの故障があった場合、電気抵抗値の信頼性が著しく低下する。
However, according to the method described in
時間短縮の方法としてRTA(Rapid Thermal Annealing:急速熱処理)を利用しても、不純物量が多い場合は不純物がすべて活性化しない可能性があり、こちらも電気抵抗値の信頼性が低下する可能性がある。さらに同機種で別注入角度に変更したい場合、事前に何度もテストを実施し、データ実績を積む必要がある。 Even if RTA (Rapid Thermal Annealing) is used as a method for shortening the time, if the amount of impurities is large, all impurities may not be activated, and this may also reduce the reliability of the electrical resistance value. There is. In addition, if you want to change to a different injection angle on the same model, it is necessary to test many times in advance and accumulate data results.
本発明は上記の問題点に鑑み、電気抵抗値などの数値データのみに囚われず、短時間かつ視覚的にイオン注入角度をモニタリングするウェハとそれを用いたモニタリング方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a wafer for monitoring an ion implantation angle in a short time and visually without using only numerical data such as an electric resistance value and a monitoring method using the wafer. .
上記目的を達成するための本発明であるモニタリングウェハは、イオン注入工程でのイオン注入角度をモニタリングするためのものであり、ウェハ表面に複数のイオン注入角度に対応したトレンチ(溝)を複数パターン形成することを特徴とする。 A monitoring wafer according to the present invention for achieving the above object is for monitoring an ion implantation angle in an ion implantation process, and a plurality of trenches (grooves) corresponding to a plurality of ion implantation angles are formed on the wafer surface. It is characterized by forming.
また上記トレンチ構造において、そのトレンチ幅または深さはモニタリングしようとするイオン注入角度によって決定されることを特徴とする。 In the trench structure, the trench width or depth is determined by the ion implantation angle to be monitored.
モニタリング方法としては、ある角度からイオン注入したウェハを選択エッチングし、トレンチ底部または側壁部を観察することでイオン注入角度を視覚的に評価することを特徴とする。このとき、不純物の活性化は不要なのでアニールは必要ない。 The monitoring method is characterized in that the ion implantation angle is visually evaluated by selectively etching a wafer implanted with ions from a certain angle and observing the bottom or side wall of the trench. At this time, since the activation of impurities is unnecessary, annealing is not necessary.
さらにエッチング寸法を蓄積・比較すれば、より正確に条件の変化を比較・判断することができることを特徴とする。 Furthermore, if etching dimensions are accumulated and compared, it is possible to compare and judge changes in conditions more accurately.
ウェハ内に複数のイオン注入角度に対するトレンチが存在する場合、装置側で設定した角度で注入されたイオンは、その設定角度に対応したトレンチ側壁全体と設定角度以上に対応するトレンチ底部に到達するが、イオン注入角度が設定角度を超えていた場合、イオンは設定角度に対応したトレンチ底部には到達できず、側壁の一部にイオンが打ち込まれる。この場合、側壁部に打ち込まれたイオン注入領域からイオン注入角度を求めることができる。また、注入角度が設定角度よりも小さい場合は、設定角度に対応したトレンチ底部には到達し、トレンチ底部に打ち込まれたイオン注入領域からイオン注入角度を求めることができる。 When trenches for a plurality of ion implantation angles exist in the wafer, ions implanted at an angle set on the apparatus side reach the entire trench sidewall corresponding to the set angle and the trench bottom corresponding to the set angle or more. When the ion implantation angle exceeds the set angle, the ions cannot reach the bottom of the trench corresponding to the set angle, and ions are implanted into a part of the side wall. In this case, the ion implantation angle can be obtained from the ion implantation region implanted in the side wall. When the implantation angle is smaller than the set angle, the ion implantation angle can be obtained from the ion implantation region that reaches the trench bottom corresponding to the set angle and is implanted into the trench bottom.
即ち、イオン注入角度が変化した場合、角度が大きくなれば設定角度に対応するトレンチ側壁部の一部にのみイオン注入の痕跡が観察でき、その設定角度以上に対応したトレンチ底部で痕跡が観察できる可能性がある。注入角度が小さくなった場合は設定角度に対応するトレンチ底部に注入された痕跡が観察でき、その設定角度以下に対応したトレンチ底部の端にイオン注入の痕跡が観察できる可能性があることになる。 That is, when the ion implantation angle is changed, if the angle is increased, a trace of ion implantation can be observed only at a part of the trench sidewall corresponding to the set angle, and a trace can be observed at the trench bottom corresponding to the set angle or more. there is a possibility. When the implantation angle is reduced, traces implanted into the trench bottom corresponding to the set angle can be observed, and traces of ion implantation may be observed at the end of the trench bottom corresponding to the set angle or less. .
本発明の構成によれば、複数のイオン注入角度に対するトレンチをウェハ表面に形成することにより、短時間かつ視覚的なモニタリングによって、イオン注入角度の異常状態を認識することが可能となる。 According to the configuration of the present invention, by forming trenches for a plurality of ion implantation angles on the wafer surface, it is possible to recognize an abnormal state of the ion implantation angle by a short time and visual monitoring.
以下、本発明によるモニタリングウェハ及びそれを用いたモニタリング方法(以下、本発明方法)の実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a monitoring wafer and a monitoring method using the same according to the present invention (hereinafter referred to as a method of the present invention) will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明方法で用いられるウェハの概略平面図となっている。ウェハ1は、イオン注入角度のモニタリングに用いられるトレンチ構造(以下、トレンチという)を有した構成となっている。ウェハ1は、複数のトレンチ2のみが形成されたイオン注入角度モニタリング用ウェハとしても、他工程のモニタリング,テスト用途としての複数チップも備えられた総合的なモニタリング・テスト用ウェハとしても構わない。トレンチ2は様々な角度で配置されており、これは、イオン注入時の種々のスキャン方式に対応するためである。
FIG. 1 is a schematic plan view of a wafer used in the method of the present invention. The
図2及び図3は、ウェハ1上に構成された複数のトレンチ2の断面概略図である。該図に示してある通り、図2における各トレンチ構造では幅が異なり、深さが一定となっている(ここでは、w1<w2<w3とする)。これは、複数のイオン注入角度に対してモニタできるようにしたものである。モニタリングしたいイオン注入角度θを決定すると、トレンチ幅wと深さtの比が次式で決定される。
2 and 3 are schematic cross-sectional views of a plurality of
図2に示されているように、同一角度からイオン注入3が行われると、その角度に対応したトレンチ22では側壁全体と底部端にイオン注入され、それより小さい角度に対応したトレンチ21では、トレンチ底部にイオンが到達せず一部側壁のみにイオン注入される。また、大きい角度に対応したトレンチ23では、トレンチ底部にもイオン注入される。
As shown in FIG. 2, when the
そして、このトレンチ2を利用した、異なったイオン注入角度(θ1,θ2,θ3,θ4)からのイオン注入の例を示したものが図4〜図7である。図4〜図7は、それぞれ異なったイオン注入角度からのイオン注入3を行う場合で、イオン注入角度θはウェハ表面の法線に対するイオン注入線のチルト角であり、θ4<θ3<θ1<θ2である。
FIG. 4 to FIG. 7 show examples of ion implantation from different ion implantation angles (θ1, θ2, θ3, θ4) using the
ここでイオン注入条件として、イオン:P+,エネルギー:125keV,ドーズ量:1.0E13/cm2とすると、このときのビーム径は約28〜30mmとなる。このビーム径はトレンチの幅,深さよりも大きくなる。 Here, if the ion implantation conditions are ion: P +, energy: 125 keV, dose: 1.0E13 / cm 2 , the beam diameter at this time is about 28-30 mm. This beam diameter is larger than the width and depth of the trench.
さらに、θ1=2°,θ2=3°,θ3=1°と仮定し、トレンチ21はθ3、トレンチ22はθ1、トレンチ23はθ2に対応するものとする。図4〜図7において、t1=8umとした場合、数1により、w1=0.15um,w2=0.28um,w3=0.42umとなる。図4のようにイオンが2°で注入された場合、その角度に対応したトレンチ22の側壁全体と底部端にイオンが注入され、3°に対応したトレンチ23では、底部にもイオン注入される。しかし、1°に対応したトレンチ21では、底部にイオンが到達できず、トレンチ21の一部側壁にイオン注入跡が観察できる。その際、θとイオン注入跡の深さt′には次式の関係が成り立つ。
Further, assuming that θ1 = 2 °, θ2 = 3 °, and θ3 = 1 °, the
例えば、上記のようにθ=2°でトレンチ21にイオン注入した場合、トレンチ側壁部イオン注入領域深さt′は数2よりt′=3.7umという値が得られる。また、トレンチ底部イオン注入領域幅w′とθに関する式は次式となる。
For example, when ions are implanted into the
例えば、上記のようにθ=2°でトレンチ23にイオン注入した場合、トレンチ23の底のイオン注入幅は数3よりw′=0.14umという値が得られる。
For example, when ions are implanted into the
図5に示すように、イオン注入角度がθ1=2°からθ2=3°にずれた場合、トレンチ23の側壁全体にイオンが注入される。しかし、トレンチ21,22ではイオンが底部に到達せず、トレンチ21側壁では数2より深さ約5.14umに亘りイオン注入跡が観察でき、トレンチ22側壁では同様にして深さ約2.66umに亘りイオンが注入されると考えられる。
As shown in FIG. 5, when the ion implantation angle is shifted from θ1 = 2 ° to θ2 = 3 °, ions are implanted into the entire sidewall of the
図6のようにイオン注入角度が小さい方、θ3=1°にずれた場合、トレンチ21側壁全体と底部端にイオン注入され、トレンチ22,23は底部にもイオン注入される。この場合は数3を利用してトレンチ22底部のイオン注入幅は約0.14um、トレンチ23底部のイオン注入幅は約0.28umとなる。イオン注入角度がさらに小さくなった場合(図7))においても、数3を利用してw′を求められる。また、数2,数3はt′,w′からイオン注入角度θを求めることにも利用できる。
When the ion implantation angle is smaller, that is, θ3 = 1 ° as shown in FIG. 6, ions are implanted into the entire sidewall of the
以上のことから、イオンがトレンチ底部に注入された場合、評価したいθ、さらにw,tが決定していれば、トレンチ底部に注入される領域の寸法w′、または側壁部に注入される領域の寸法t′は数2,数3により決定することができる。
From the above, when ions are implanted into the bottom of the trench, if the θ to be evaluated and w and t are determined, the dimension w ′ of the region implanted into the trench bottom or the region implanted into the side wall Dimension t ′ can be determined by
上記のようにどのトレンチにイオン注入されたかをモニタリングする際には、まず薬液を使用し、短時間エッチングする。これによりイオン注入された部分とされていない部分のエッチングレートの差を利用し、イオン注入された部分のみ選択エッチングする。そして、トレンチ底部または側壁部を観察することでイオン注入角度をモニタリングする。例えばトレンチ21の一部側壁でイオン注入跡が観察でき、トレンチ22側壁部全体にイオン注入跡が観察できれば、イオン注入角度が1°<θ≦2°の範囲にある。さらにトレンチ21側壁のイオン注入領域の寸法により、さらにθの範囲を絞ることができる。
When monitoring which trench is ion-implanted as described above, first, a chemical solution is used and etching is performed for a short time. As a result, by using the difference in etching rate between the ion-implanted portion and the non-implanted portion, only the ion-implanted portion is selectively etched. Then, the ion implantation angle is monitored by observing the trench bottom or side wall. For example, if an ion implantation trace can be observed on a partial side wall of the
図3における各トレンチ構造では深さが異なり、幅が一定となっている(ここでは、t4<t3<t2とする)。これは、複数のイオン注入角度に対してモニタできるようにしたものである。モニタリングしたいイオン注入角度θを決定すると、トレンチ幅wと深さtの比が実施例1と同様、数1で決定される。
Each trench structure in FIG. 3 has a different depth and a constant width (here, t4 <t3 <t2). This is designed to allow monitoring with respect to a plurality of ion implantation angles. When the ion implantation angle θ to be monitored is determined, the ratio of the trench width w to the depth t is determined by
図3に示されているように、同一角度からイオン注入5が行われると、その角度に対応したトレンチ25では側壁全体にイオン注入され、それより小さい角度に対応したトレンチ24では、トレンチ底部にイオンが到達せず側壁一部にイオン注入される。また、大きい角度に対応したトレンチ26では、トレンチ底部にもイオン注入される。
As shown in FIG. 3, when the
図8〜図11は、それぞれ異なったイオン注入角度からのイオン注入5を行う場合で、イオン注入角度θはウェハ表面の法線に対するイオン注入線のチルト角であり、θ8<θ7<θ5<θ6である。
8 to 11 show cases where
イオン注入条件は実施例1と同様、またθ5=2°,θ6=3°,θ7=1°と仮定し、トレンチ24はθ7、トレンチ25はθ5、トレンチ26はθ6に対応するものとする。図8〜図11において、w4=0.15umとした場合、数1により、t2=8um,t3=4.3um,t4=2.9umとなる。図8のように、イオンが2°で注入された場合、その角度に対応したトレンチ25の側壁全体にイオンが注入され、3°に対応したトレンチ26では、数3より底部約0.05umに亘りイオン注入され、痕跡を観察できる。しかし、1°に対応したトレンチ24では、底部にイオンが到達できず、数2より、トレンチ24側壁にイオン注入深さ痕跡が約3.7umに亘って観察できる。
The ion implantation conditions are the same as in the first embodiment, and θ5 = 2 °, θ6 = 3 °, and θ7 = 1 °. The
図9に示すように、イオン注入角度がθ5=2°からθ6=3°にずれた場合、トレンチ26の側壁全体にイオンが注入される。しかし、トレンチ24,25ではイオンが底部に到達せず、数2より、トレンチ24側壁ではイオン注入深さが約5.14umに亘り観察でき、トレンチ25側壁ではイオン注入深さが約1.44umに亘り観察できる。
As shown in FIG. 9, when the ion implantation angle is shifted from θ5 = 2 ° to θ6 = 3 °, ions are implanted into the entire sidewall of the
図10のように、イオン注入角度が小さい側、θ7=1°にずれた場合、トレンチ26側壁全体にイオン注入され、トレンチ24,25は底部にもイオン注入される。この場合は数3を利用してトレンチ24底部のイオン注入幅は約0.075um、トレンチ25底部のイオン注入幅は約0.10umとなる。イオン注入角度がさらに小さくなった場合(図11)においても、数3を利用してw′を求められる。
As shown in FIG. 10, when the ion implantation angle is shifted to the smaller side, θ7 = 1 °, ions are implanted into the entire sidewall of the
上記のようにどのトレンチにイオン注入されたかをモニタリングする際には、実施例1と同様の方法を取り、観察方法も同様である。 When monitoring which trench is ion-implanted as described above, the same method as in Example 1 is used, and the observation method is also the same.
実地例1及び2共に、一定の割合で製品と共にこのモニタリングウェハに対し同一条件でイオン注入を行い短時間選択エッチングした後、イオン注入角度周辺のトレンチ底部および側壁部を観察すれば、イオン注入角度が何らかの要因で変化した場合でも視覚的に捉えることができる。 In both practical examples 1 and 2, after performing ion implantation under the same conditions on this monitoring wafer together with the product at a constant rate and performing selective etching for a short time, the ion implantation angle can be determined by observing the trench bottom and sidewalls around the ion implantation angle. Even if changes due to some reason, it can be captured visually.
従って、本発明によるモニタリングウェハの特徴によれば、数値データの推移をモニタリングせずとも、直接ウェハを観察することでイオン注入角度の変化を知ることができ、視覚的な結果に基づいて対処するため、製品に逸脱したイオン量が注入されることを回避でき、迅速に不良製品の発生を防止することができる。また、本発明のモニタリング方法ではウェハを直接観察するため、同機種で注入角度を変更したい場合にも迅速に対応できる。 Therefore, according to the feature of the monitoring wafer according to the present invention, it is possible to know the change of the ion implantation angle by directly observing the wafer without monitoring the transition of numerical data, and take measures based on the visual result. Therefore, it is possible to avoid the ion quantity deviating from being injected into the product, and it is possible to quickly prevent the generation of defective products. Further, since the monitoring method of the present invention directly observes the wafer, it is possible to quickly cope with the case of changing the implantation angle in the same model.
製品に加えて一定の間隔で前記トレンチ構造のウェハを投入することで、定期的にイオン注入角度の変化をモニタリングし、イオン注入条件の変化を認識することができる。このときの画像データを蓄積し、さらにエッチング寸法を蓄積・比較すれば、尚正確に条件の変化を比較・判断することができる。 By introducing the wafer having the trench structure at regular intervals in addition to the product, it is possible to periodically monitor changes in the ion implantation angle and recognize changes in the ion implantation conditions. If the image data at this time is stored, and further the etching dimensions are stored and compared, it is possible to compare and judge the change in the conditions more accurately.
また、本発明によるモニタリングウェハは、上記のように製品と混在させて投入し、製品と同様の条件でイオン注入した後にウェハを観察するため、モニタリングのために複雑な工程を要することはなく、簡易にかつ迅速にモニタリングを行うことができる。 In addition, the monitoring wafer according to the present invention is mixed with the product as described above, and the wafer is observed after ion implantation under the same conditions as the product, so that a complicated process is not required for monitoring. Monitoring can be performed easily and quickly.
さらに、本発明に係るモニタリング方法では、イオン注入した後に短時間の選択エッチングにより注入部分をエッチングしウェハを観察するため、電気抵抗値を測定する前のアニール工程を必要とせず、より迅速にイオン注入角度の変化を認識できる。 Furthermore, in the monitoring method according to the present invention, after the ion implantation, the implanted portion is etched by short-time selective etching and the wafer is observed, so that an annealing step before measuring the electrical resistance value is not required, and the ions can be more quickly formed. Changes in injection angle can be recognized.
尚、同一の幅・深さを有するトレンチ構造を同一ウェハ内に複数配置し、同一のトレンチパターン間での比較を行うことにより、より厳密にイオン注入角度のモニタリングを行うことができる。 Note that the ion implantation angle can be monitored more strictly by arranging a plurality of trench structures having the same width and depth in the same wafer and comparing the same trench pattern.
また、上述したトレンチ構造をイオン注入角度モニタリング用途以外のチップと共に同一のウェハ上に形成する構造でも構わない。 Moreover, the structure which forms the trench structure mentioned above on the same wafer with the chip | tips other than the ion implantation angle monitoring use may be sufficient.
1 ウェハ
2,21,22,23,24,25,26 トレンチ
3,5 イオン注入
4,6 イオン注入跡
91 テストパターン
d9 ライン間距離
t1,t2,t3,t4 トレンチ深さ
t′,t″,t′′′ トレンチ側壁部イオン注入領域深さ
w1,w2,w3,w4 トレンチ幅
w′,w″,w′′′ トレンチ底部イオン注入領域幅
θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6 イオン注入角度
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