毫秒退火工藝穩定性的監測方法
2023-06-01 23:22:41
專利名稱：毫秒退火工藝穩定性的監測方法
技術領域：
本發明涉及半導體製作領域，特別涉及一種毫秒退火工藝穩定性的監測方法。
背景技術：
在集成電路製造工藝中，通過一系列的沉積、光刻、刻蝕、平坦化工藝在半導體襯底上形成半導體器件，隨著超大規模集成電路ULSI (Ultra Large Scale Integration)的飛速發展，集成電路工藝製作工藝變得越來越複雜和精細，這就要求以更高的精度和更好的均勻性形成半導體器件。在集成電路的製作過程中，任何工藝參數的波動都將可能導致形成的半導體器件的失效，因此對形成半導體器件的每道工序的穩定性的監測變得非常重要。而快速熱退火工藝作為集成電路的製作過程非常重要的一個熱處理工藝，退火時溫度的準確性直接影響半導體器件的性能。由於快速熱退火工藝的溫度較難控制，溫度時常變換，需要經常對快速熱退火工藝的穩定性進行監測。現有對快速熱退火工藝的穩定性監測的方法具體為:首先，提供待監測晶圓，所述晶圓為含矽材料；然後，將矽離子注入到晶圓中，在晶圓中形成非晶態矽；接著向非晶態矽中注入硼離子，此時硼離子為非激活狀態；對晶圓進行快速熱退火，激活硼離子；測量晶圓的方塊電阻值，並與標準值進行比較，若測量的方塊電阻值與標準值的偏差值較大，一般為5% 15%，則快速熱退火工藝異常。更多關於快速熱退火工藝的穩定性監測方法請參考公開號為US2005/0124080A1的美國專利。現有快速熱退火工藝的穩定性監測方法，待監測晶圓不能重複利用，增加了生產成本，並且現有的監測方法在監測毫秒退火工藝的穩定性時準確度較低。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種毫秒退火工藝穩定性的監測方法，提高待監測晶圓的利用率，降低生產成本，提高監測的準確度。為解決上述問題，本發明提供了一種毫秒退火工藝穩定性的監測方法，包括:提供待監測晶圓，所述晶圓表面依次形成有隔離層和多晶矽層；在所述多晶娃層表面形成金屬鎳層；對晶圓進行第一退火，使金屬鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化二鎳層；去除未反應的金屬鎳層；對晶圓進行毫秒退火，使矽化二鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化鎳層，所述毫秒退火的溫度範圍為500 700攝氏度；測量矽化鎳層的方塊電阻值，並將方塊電阻值與標準值進行比較，判斷毫秒退火工藝的穩定性。
可選的，所述方塊電阻值與標準值之間的偏差值小於5%時，毫秒退火工藝正常，所述方塊電阻值與標準值之間的偏差值大於或等於5%時，毫秒退火工藝異常。可選的,若所述方塊電阻值與標準值之間的偏差值大於或等於5%時,根據方塊電阻對應的標準溫度，對設定溫度進行補償。可選的，所述對設定溫度的補償為差值補償，對設定溫度補償後的值等於設定溫度加上差值補償值，所述差值補償值為設定溫度減去標準溫度。可選的，所述對設定溫度的補償為係數補償，對設定溫度補償後的值等於設定溫度乘以補償係數，所述補償係數為兩倍設定溫度減去標準溫度的差值與設定溫度的比值。可選的，所述毫秒退火的時間範圍為0.1 2毫秒。可選的，所述第一退火的溫度範圍為180 280攝氏度，時間範圍為10 90秒。可選的，所述金屬鎳層的厚度範圍為50 200埃。可選的，所述隔離層的材料為二氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。可選的，所述隔離層的厚度範圍為10 100埃。可選的，所述多晶矽層的厚度範圍為500 2000埃。可選的，所述金屬鎳層中還包括金屬鉬。可選的，所述形成金屬鎳層後，還包括:在金屬鎳層表面形成保護層。可選的，所述保護層的材料為氮化鈦。與現有技術相比，本發明技術方案具有以下優點:在晶圓上形成隔離層，後續通過選擇性刻蝕去除矽化鎳層、多晶矽層，不會多晶圓表面造成損害，使晶圓能重複利用，降低了生產成本；採用金屬鎳形成矽化鎳層來監測毫秒退火工藝的穩定性，由於在500 700攝氏度的溫度下形成的矽化鎳層的方塊電阻與毫秒退火工藝的溫度呈線性關係，通過比較測量的方塊電阻值與標準值的大小，很方便的判斷毫秒退火工藝的穩定性，監測的準確度高；進一步，由於形成的矽化鎳層的方塊電阻與毫秒退火工藝的溫度呈線性關係，當形成矽化鎳層的方塊電阻值與標準值的偏差大於或等於5%時，毫秒退火工藝異常，此時的矽化鎳層的方塊電阻值反應的為毫秒退火設備實際溫度的值，設定溫度與實際溫度發生了偏移，通過矽化鎳層的方塊電阻與毫秒退火工藝的溫度的線性關係，可以很方便的對設定溫度進行補償，提高了效率。
圖1為本發明實施例毫秒退火工藝穩定性的監測方法的流程示意圖；圖2 圖7為本發明實施例毫秒退火工藝穩定性的監測過程的結構示意圖；圖8為本發明實施例形成的矽化鎳層的方塊電阻與毫秒退火溫度的關係示意圖。
具體實施例方式發明人在採用的監測方法在監測快速熱退火工藝的穩定性的過程中發現，待監測晶圓在離子注入後，由於晶圓的厚度和離子注入深度的不同，不能通過刻蝕去除被注入區域的矽材料實現監測晶圓的重複利用，增加了生產成本。發明人進一步研究發現，現有的快速熱退火工藝的穩定性的監測方法在監測毫秒退火工藝的穩定性時，監測晶圓上的方塊電阻值與毫秒退火工藝的溫度呈非線性變化，使得監測的誤差加大，監測的準確率較低，尤其是對於低溫區，這種影響尤為嚴重。為解決上述問題，發明人提出一種毫秒退火工藝穩定性的監測方法，包括:提供待監測晶圓，所述晶圓表面依次形成有隔離層和多晶矽層；在所述多晶矽層表面形成金屬鎳層；對晶圓進行第一退火，使金屬鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化二鎳層；去除未反應的金屬鎳層；對晶圓進行毫秒退火，使矽化二鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應形成矽化鎳層；測量矽化鎳層的方塊電阻值，並將方塊電阻值與標準值進行比較，判斷毫秒退火工藝的穩定性。本發明提供的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，提高監測晶圓的利用率，降低生產成本，提高監測的準確度。為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在詳述本發明實施例時，為便於說明，示意圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明的保護範圍。參考圖1，圖1為本發明實施例毫秒退火工藝穩定性的監測方法的流程示意圖，包括:步驟S200，提供待監測晶圓，所述晶圓表面依次形成有隔離層和多晶矽層；步驟S201，在所述多晶矽層表面形成金屬鎳層；步驟S202，在所述金屬鎳層表面形成保護層；步驟S203，對晶圓進行第一退火，使金屬鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成
矽化二鎳層；步驟S204，去除保護層和未反應的金屬鎳層；步驟S205，對晶圓進行毫秒退火，使矽化二鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化鎳層，所述毫秒退火的溫度範圍為500 700攝氏度；步驟S206，測量矽化鎳層的方塊電阻值，並將方塊電阻值與標準值進行比較，判斷毫秒退火工藝的穩定性。圖2 圖7為本發明實施例毫秒退火工藝穩定性的監測過程的結構示意圖。參考圖2和圖3，圖3為圖2沿切割線A-B方向的剖面結構示意圖，提供待監測晶圓300，所述晶圓300上依次形成有隔離層301和多晶矽層302。所述晶圓300為晶圓裸片(Bare wafer),材料為娃。所述隔離層301材料為二氧化矽、氮化矽或者氮氧化矽中的一種，隔離層301用於隔離多晶矽層302和晶圓300表面，後續可以通過刻蝕工藝選擇性的去除晶圓300表面的多晶矽層302和/或隔離層301，不會在晶圓300表面產生非矽材料的殘留，刻蝕時不會對晶圓300表面產生損壞，使得晶圓300能實現重複利用。所述隔離層301形成工藝為爐管工藝、化學氣相沉積工藝(CVD)或旋轉式玻璃工藝(SOG);所述隔離層301的厚度範圍為10 100埃，隔離層301要滿足一定的厚度，避免後續在選擇性去除多晶矽層302層時對晶圓300表面的損害，影響下次使用時形成膜層的均勻性。所述多晶矽層302的形成工藝為化學氣相沉積工藝(CVD)，厚度範圍為500 2000埃，為後續形成矽鎳化物提供足夠的矽源。多晶矽層302太薄，使得後續金屬鎳層轉化為高電阻的矽化二鎳層或者高電阻的矽化二鎳層轉化為低電阻的矽化鎳層時矽源不夠，造成後續測量的方塊電阻不準確，最終影響毫秒退火工藝穩定性的監測方法的準確性；多晶娃層302太厚的話，容易造成材料的浪費，提聞了生廣成本。參考圖4,在所述多晶娃層302表面形成金屬鎳層303 ;在所述金屬鎳層303表面形成保護層304。形成金屬鎳層303的工藝為濺射工藝，所述金屬鎳層303的厚度範圍為厚度範圍為50 200埃。採用金屬鎳作為後續形成金屬矽化物的金屬材料，由於鎳在500 700攝氏度的毫秒退火工藝下能形成低電阻的矽化鎳層，並且形成的矽化鎳層的方塊電阻與退火的溫度呈線性關係，採用測量金屬矽鎳化物的方塊電阻能很方便的監測500 700攝氏度毫秒退火工藝的穩定性，並且準確性很高，而採用其他金屬形成的金屬矽化物，比如:鈷、鈦等金屬，由於娃化鈷和娃化鈦的形成溫度相對過高(一般大於800攝氏度)，在500 700攝氏度形成的金屬矽化物方塊電阻很大，方塊電阻值與溫度值呈非線性的關係，採用矽化鈷和矽化鈦不利用500 700攝氏度毫秒退火工藝的穩定性的監測。在本發明的其他實施例中，所述金屬鎳層303還包括金屬鉬，形成鉬鎳合金層，鉬鎳合金層的形成可採用鉬鎳合金靶共濺射工藝，金屬鉬提高金屬鎳層的熱穩定性。所述保護層304的形成工藝為沉積工藝，材料為氮化鈦，保護層304用於防止形成的金屬鎳層303被氧化，形成氧化鎳，氧化鎳會影響後續形成矽化二鎳的均勻性。參考圖5，對晶圓300進行第一退火，使金屬鎳層303中的鎳與多晶矽層302中的娃反應，形成娃化二鎳層305。所述第一退火的溫度範圍為180 280攝氏度，時間範圍為10 90秒。第一退火過程中，金屬鎳層303中的鎳與多晶矽層302中的矽反應，形成高電阻的矽化二鎳層305，矽化二鎳層305的厚度與退火條件和金屬鎳層303的厚度相關。參考圖6，去除圖5所示的保護層304和未反應的金屬鎳層303。去除保護層304和未反應的金屬鎳層303採用溼法刻蝕工藝，溼法刻蝕工藝採用的溶液為硫酸和雙氧水的混合溶液，反應溫度範圍為100 180攝氏度，反應時間為10 100秒。硫酸和雙氧水的混合溶液對未反應的金屬鎳層303和矽化二鎳層305具有高的刻蝕選擇比，在去除未反應的金屬鎳層303時，不會有未反應的金屬鎳的殘留和矽化二鎳層305的損耗。參考圖7，對晶圓300進行毫秒退火，使矽化二鎳層305(圖6所示)中的鎳與多晶矽層302中的矽反應，形成矽化鎳層306，所述毫秒退火的溫度範圍為500 700攝氏度。所述毫秒退火的時間範圍為0.1 2毫秒，毫秒退火的溫度範圍為500 700攝氏度。毫秒退火時，矽化二鎳層305中的鎳與多晶矽層302中的矽反應，形成低電阻的矽化鎳層306。在毫秒退火的溫度範圍為500 700攝氏度時，發明人發現，對同一厚度的矽化二鎳層305在不同溫度的溫度下進行毫秒退火時，後續測量的矽化鎳層306方塊電阻值與毫秒退火溫度滿足線性關係，溫度越高，測量的方塊電阻越小，溫度越低，測量的方塊電阻越大；對不同厚度的矽化二鎳層305層在不同溫度的溫度下進行毫秒退火時，測量的矽化鎳層306方塊電阻值與毫秒退火溫度也滿足線性關係，直線的斜率略有變化。毫秒退火時，矽化二鎳層305轉化為矽化鎳的量與退火溫度有關，即退火後形成的矽化鎳層306還是會有少量的矽化二鎳，退火溫度越高，矽化鎳層306中含有的矽化二鎳越少，測量的矽化鎳層306電阻越小。結合參考圖7和圖8，圖8為本發明實施例形成的矽化鎳層306的方塊電阻與毫秒退火溫度的關係示意圖，其中橫坐標表示毫秒退火的溫度，縱坐標表示矽化鎳層306的方塊電阻值，直線20表示矽化鎳層306的方塊電阻值隨毫秒退火溫度的變化趨勢，矽化鎳層306的方塊電阻值與毫秒退火溫度呈線性變化，每一個溫度值都對應矽化鎳層306的方塊電阻值的一個標準值。因此本發明實施提供的方法，通過矽化鎳層306的方塊電阻值與毫秒退火溫度線性變化關係，可以很方便的監測毫秒退火工藝的穩定性，當毫秒退火設備的溫度不穩定或者產生漂移(設定溫度與實際溫度不符)，將導致矽化鎳層306測量的方塊電阻的偏移。監測過程中，在形成矽化鎳層306後，測量矽化鎳層306的方塊電阻值，並將測量的方塊電阻值與形成矽化鎳層306時的退火溫度對應的方塊電阻的標準值進行比較，當方塊電阻值與標準值之間的偏差值小於5%時，則判斷毫秒退火工藝正常；當方塊電阻值與標準值之間的偏差值大於或等於5%時，則判斷毫秒退火工藝異常。由於方塊電阻測量方法為本領域技術人員所公知，在此不再贅述。本實施例中所述偏差值是指方塊電阻的標準值與測量的方塊電阻值之差的絕對值與方塊電阻的標準值的比值。若所述方塊電阻值與標準值之間的偏差值大於或等於5%時,根據方塊電阻對應的標準溫度，對毫秒退火工藝設定溫度進行補償。在實際毫秒退火工藝的應用中，在進行毫秒退火工藝之前要設定一個退火溫度，稱之為設定溫度，一般情況下，設定溫度和毫秒退火設備的實際溫度是相同的，這種情況下，毫秒退火工藝不會出現異常的情況，但是，由於毫秒退火設備自身的限制，會出現退火溫度不穩定的情況，即出現設定溫度與毫秒退火設備的實際溫度不相同的情況，實際溫度發生了偏移，實際的溫度比設定溫度大或者小，這時進行毫秒退火工藝的話，將導致毫秒退火工藝的異常，嚴重時會導致晶圓的報廢，為了保證毫秒退火工藝正常，因此除了對毫秒退火工藝進行監測之外，還需要對發生偏移的設定溫度進行補償修正，使設定溫度與實際溫度相同。本發明的設定溫度指機臺的工藝菜單中指定的溫度，實際溫度為高精度的溫度傳感器測量的毫秒退火設備的溫度。本實施例中毫秒退火工藝的設定溫度表示為Ts，該設定溫度下形成的矽化鎳層測量的方塊電阻值表示為Rsc，下面將結合圖8對設定溫度的補償方法進行詳細的描述。參考圖8，以設定溫度Ts為600攝氏度為例，設定溫度Ts對應的矽化鎳的方塊電阻的標準值為Rsb，Rsc為矽化鎳層測量的方塊電阻值。在正常情況下，即滿足設定溫度Ts和毫秒退火設備的實際溫度均為600攝氏度，監測晶圓上形成的矽化鎳層測量的方塊電阻值Rsc與標準值Rsb相等或兩者的偏差值小於5%;當實際溫度與設定溫度Ts發生偏移時，在設定溫度Ts下形成的矽化鎳層測量的方塊電阻值Rsc將發生偏移，方塊電阻值Rsc與標準值Rsb的偏差值大於或等於5%，以方塊電阻值為Rscl為例，Rscl為設定溫度為600攝氏度時形成的矽化鎳層測量的方塊電阻值，參考圖8，根據矽化鎳層的方塊電阻與退火溫度的線性關係，此時方塊電阻值Rscl對應的毫秒退火設備的實際溫度值或者毫秒退火溫度的標準值為Tb，正常情況下，只有在毫秒退火工藝的退火溫度為Tb，形成的矽化鎳層測量的方塊電阻值才等於Rscl，而現在設定溫度Ts為600，方塊電阻值Rscl明顯小於標準值Rsb，設定溫度Ts與實際溫度產生了偏移，根據方塊電阻與退火溫度的線性關係，可以很方便的對設定溫度進行補償，在對設定溫度進行補償後，毫秒退火機臺會根據補償後的值對機臺的實際溫度值進行調整，已達到與設定溫度相對應的溫度。對設定溫度進行補償的方法包括差值補償，所述設定溫度的差值補償為設定溫度加上差值補償值，所述差值補償值為設定溫度減去標準溫度，以上述設定溫度Ts為例，補償後的設定溫度=Ts+(Ts-Tb)。對設定溫度進行補償的方法包括係數補償，所述對設定溫度的係數補償為設定溫度乘以補償係數，所述補償係數為兩倍設定溫度減去標準溫度的差值與設定溫度的比值。以上述設定溫度Ts為例，補償後的設定溫度=Ts* (Ts+(Ts-Tb))/Ts = TS*(2*Ts-Tb)/Ts。通過上述補償方法，可以很方便的對毫秒退火工藝中發生變化的設定溫度進行補償，使毫秒退火機臺的實際溫度與設定溫度相對應，提高毫秒退火工藝的穩定性，提高了效率。綜上，本發明提供的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，在晶圓上形成隔離層，後續通過選擇性刻蝕去除矽化鎳層、多晶矽層，不會多晶圓表面造成損害，使晶圓能重複利用，降低了生產成本；採用金屬鎳形成矽化鎳層來監測毫秒退火工藝的穩定性，由於在500 700攝氏度的溫度下形成的矽化鎳層的方塊電阻與毫秒退火工藝的溫度呈線性關係，通過比較測量的方塊電阻值與標準值的大小，很方便的判斷毫秒退火工藝的穩定性，監測的準確度高；進一步，由於形成的矽化鎳層的方塊電阻與毫秒退火工藝的溫度呈線性關係，當形成矽化鎳層的方塊電阻值與標準值的偏差大於或等於5%時，毫秒退火工藝異常，此時的矽化鎳層的方塊電阻值反應的為毫秒退火設備實際溫度的值，設定溫度與實際溫度發生了偏移，通過矽化鎳層的方塊電阻與毫秒退火工藝的溫度的線性關係，可以很方便的對設定溫度進行補償，提高了效率。本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.一種毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，包括: 提供待監測晶圓，所述晶圓表面依次形成有隔離層和多晶矽層； 在所述多晶矽層表面形成金屬鎳層； 對晶圓進行第一退火，使金屬鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化二鎳層； 去除未反應的金屬鎳層； 對晶圓進行毫秒退火，使矽化二鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化鎳層，所述毫秒退火的溫度範圍為500 700攝氏度； 測量矽化鎳層的方塊電阻值，並將方塊電阻值與標準值進行比較，判斷毫秒退火工藝的穩定性。
2.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述方塊電阻值與標準值之間的偏差值小於5%時，毫秒退火工藝正常，所述方塊電阻值與標準值之間的偏差值大於或等於5%時，毫秒退火工藝異常。
3.如權利要求2所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，若所述方塊電阻值與標準值之間的偏差值大於或等於5%時，根據方塊電阻對應的標準溫度，對毫秒退火工藝的設定溫度進行補償。
4.如權利要求3所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述對設定溫度的補償為差值補償，對設定溫度補償後的值等於設定溫度加上差值補償值，所述差值補償值為設定溫度減去標準溫度。
5.如權利要求3所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述對設定溫度的補償為係數補償，對設定溫度補償後的值等於設定溫度乘以補償係數，所述補償係數為兩倍設定溫度減去標準溫度的差值與設定溫度的比值。
6.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述毫秒退火的時間範圍為0.1 2毫秒。
7.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述第一退火的溫度範圍為180 280攝氏度，時間範圍為10 90秒。
8.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述金屬鎳層的厚度範圍為50 200埃。
9.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述隔離層的材料為二氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。
10.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述隔離層的厚度範圍為10 100埃。
11.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述多晶矽層的厚度範圍為500 2000埃。
12.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述金屬鎳層中還包括金屬鉬。
13.如權利要求1所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述形成金屬鎳層後，還包括:在金屬鎳層表面形成保護層。
14.如權利要求13所述的毫秒退火工藝穩定性的監測方法，其特徵在於，所述保護層的材料為氮化鈦。
全文摘要
一種毫秒退火工藝穩定性的監測方法，包括提供待監測晶圓，所述晶圓表面依次形成有隔離層和多晶矽層；在所述多晶矽層表面形成金屬鎳層；對晶圓進行第一退火，使金屬鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化二鎳層；去除未反應的金屬鎳層；對晶圓進行毫秒退火，使矽化二鎳層中的鎳與多晶矽層中的矽反應，形成矽化鎳層，所述毫秒退火的溫度範圍為500～700攝氏度；測量矽化鎳層的方塊電阻值，並將方塊電阻值與標準值進行比較，判斷毫秒退火工藝的穩定性。本發明實施例的方法，提高監測晶圓的利用率，降低生產成本，提高監測的準確度。
文檔編號H01L21/66GK103165485SQ201110406808
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者何永根, 禹國賓, 吳兵 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司