離子注入工藝的監測試片及監測方法

2023-05-19 13:02:26

專利名稱：離子注入工藝的監測試片及監測方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種離子注入工藝的監 測試片及監測方法。
背景技術：
離子注入工藝是一種通過向襯底中引入可控制數量的雜質，改變該 村底的電學性能的工藝技術，其在現代半導體製造過程中有著廣泛的應 用。離子注入工藝中，為確保注入雜質後的襯底達到預定的電學性能， 對注入的雜質濃度和深度均有嚴格的要求，為此，通常需要對離子注入 工藝進行實時監測。現有的對離子注入工藝的監測是利用監測試片實現的，在離子注入 完成後，先對監測試片進行相應的退火處理，激活所注入的雜質，然後 再利用四探針法檢測其電阻率，判斷注入的雜質濃度和深度是否滿足要 求。圖i為現有的四探針法檢測離子注入工藝監測試片的示意圖，在p型(或n型)襯底101內進行n型(或p型)離子注入，形成離子注入層102， 在快速熱退火處理後，利用四探針法對其進行檢測，圖中110a和110b分 別代表了與負、正電極相連的探針。圖l中所示為離子注入較深、離子注 入層102較厚的情況，此時，因離子注入層102與襯底101的雜質類型相反， 且探針只會接觸到表面的離子注入層102，測試電流120僅會在離子注入 層102內流動，由四探針法測試得到的方塊電阻值可以代表本次離子注入 工藝中注入的雜質的情況，實現對離子注入工藝的較為準確的監測。然而，隨著超大規模集成電路的迅速發展，晶片的集成度越來越高， 器件的尺寸越來越小，因器件的高密度、小尺寸引發的各種效應對半導 體工藝製作結果的影響也日益突出。以離子注入工藝為例，由於器件尺 寸的縮小，結深進一步變淺，利用四探針法對離子注入工藝進行監測出 現了一些新的問題。圖2為現有的四探針法檢測淺結離子注入工藝監測試片的示意圖，如圖2所示，當需要形成淺結時，離子注入較淺，形成的離子注入層201也較薄，在退火後，利用四探針法對其進行測試時，探針易穿過該薄層的離子注入層201到達襯底101中，此時，測試電流220不僅會在離子注入層 201內流動，還會在襯底101內流動，這樣，最終測試得到的方塊電阻值 實際上是離子注入層201的電阻與襯底101的電阻的並聯值。由於離子注 入層201很薄，襯底101較厚，襯底101部分的阻值大小通常可以與離子注 入層201的阻值大小相比擬，甚至比其更小，即，測試時該襯底101電阻 的併入會明顯影響到最終的方塊電阻測試結果，影響檢測結果的準確性。 另外， 一方面由於片與片之間襯底的摻雜情況通常不一致，另一方面在 同一片內測試的探針也不一定全會接觸到襯底，因此襯底電阻對測試結 果的影響大小實際上不能確定，表現為四探針法測試方塊電阻的結果重 復性較差，這必然會影響到對離子注入工藝的監測力。為提高對離子注入工藝的監測力，申請號為200610071458.1的中國專 利申請公開了一種評價用晶片(監測試片)，該評價用晶片內具有多個 等密度的評價電晶體，通過在離子注入後對這些評價電晶體進行檢測， 可以得到評價用晶片內離子注入量的詳細分布情況。利用該評價用晶片 對離子注入工藝進行監測可以詳細監測襯底內的離子注入量的分布情 況，在一定程度上提高了對離子注入工藝的監測水平，但該評價用晶片 的製作複雜，需要多步工藝製作完成，且不能解決上述實現淺結的離子 注入工藝時難以監測的問題。發明內容本發明提供一種離子注入工藝的監測試片及監測方法，可以提高現 有的對淺結離子注入工藝的監測力。本發明提供的一種離子注入工藝的監測試片，所述試片具有襯底， 所述村底的雜質類型與待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相反，其中，所述襯底內還具有預摻雜層，且所述預摻雜層的雜質類型與所述待 監測的離子注入工藝注入的雜質類型相同，所述預4參雜層的厚度大於所 述持監測的離子注入工藝的注入深度。其中，所述預摻雜層的雜質濃度小於所述待監測的離子注入工藝注 入的雜質濃度。其中，所述預摻雜層的厚度不小於500A。其中，所述待監測的離子注入工藝注入的雜質類型為n型時，預摻 雜層的雜質為磷或砷；所述待監測的離子注入工藝注入的雜質類型為p 型時，預摻雜層的雜質為硼。本發明具有相同或相應技術特徵的 一種離子注入工藝的監測方法， 包括提供與待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相反的村底； 在所述襯底內進行預摻雜處理形成預摻雜層，且所述預摻雜層的雜 質類型與所述待監測的離子注入工藝注的入雜質類型相同，所述預摻雜 層的厚度大於所述待監測的離子注入工藝的注入深度；對已形成預摻雜層的所述村底進行所述待監測的離子注入； 對已進行所述待監測的離子注入後的襯底進行熱退火處理； 利用四探針法檢測已進行所述熱退火處理後的襯底。其中，所述預摻雜處理時的離子注入能量大於所述待監測的離子注 入時的注入能量。其中，所述預摻雜處理時的離子注入劑量小於所述待監測的離子注 入時的注入劑量。其中，所述預摻雜處理時的離子注入的能量在5KeV至3000KeV之間。其中，所述預4參雜層的雜質濃度小於所述待監測的離子注入時的注入濃度。其中，形成的所述預摻雜層的厚度不小於500A。其中，若所述待監測的離子注入工藝注入的雜質為n型，則所述預 摻雜層的雜質為磷或砷；若所述待監測的離子注入工藝注入的雜質為p 型，則所述預摻雜層的雜質為硼。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明的離子注入工藝的監測試片，形成了較厚的與待監測的淺結 離子注入同型的預摻雜層，在後面的四探針法檢測過程中，探針不能穿 過該預摻雜層到達襯底，測得的方塊電阻值不會再受到阻值不能確定的 襯底的影響，提高了用四探針法檢測淺結離子注入工藝的重複性和準確性。此外，可以將預摻雜層的雜質濃度設置得較低，使得該預摻雜層的 電阻值要遠大於淺結離子注入層的電阻值，這樣，四探針法測得的電阻 值實際上基本與淺結離子注入層的電阻值相同，受預摻雜層的影響很 小，可以進一步提高對淺結離子注入工藝監測的準確性。本發明的離子注入工藝的監測方法只增加了 一步對試片的預摻雜雜質類型相同，即可實現對淺結離子注入工藝的有效監測，具有實現簡 單、操作方便的特點。


圖1為現有的四探針法檢測離子注入工藝監測試片的示意圖； 圖2為現有的四探針法檢測淺結離子注入工藝監測試片的示意圖； 圖3為本發明的離子注入工藝的監測試片的剖面示意圖； 圖4為本發明的離子注入工藝的監測試片在淺結離子注入後的剖面 示意圖；圖5為本發明的四探針法檢測淺結離子注入工藝的監測試片的示意圖；圖6為本發明的離子注入工藝的監測方法的流程圖； 圖7為測得的本發明具體實施例中的預摻雜層的雜質分布情況示意圖；圖8為測得的本發明具體實施例中的淺結離子注入層的雜質分布情 況示意圖。
具體實施方式
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。本發明的處理方法可被廣泛地應用到許多應用中，並且可利用許多 適當的材料製作，下面是通過較佳的實施例來加以說明，當然本發明並 不局限於該具體實施例，本領域內的普通技術人員所熟知的一般的替換 無疑地涵蓋在本發明的保護範圍內。其次，本發明利用示意圖進行了詳細描述，在詳述本發明實施例時， 為了便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，不 應以此作為對本發明的限定，此外，在實際的製作中，應包含長度、寬 度及深度的三維空間尺寸。為改善對淺結離子注入工藝的監測的重複性和準確性較差的問題， 本發明提出了一種離子注入工藝的監測試片，圖3為本發明的離子注入 工藝的監測試片的剖面示意圖，如圖3所示，該監測試片包括襯底101 和在襯底101內形成的預摻雜層301，該預摻雜層301可以利用不同的 工藝方法實現，如擴散法或離子注入法。其中，襯底101的雜質類型與 待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相反，預摻雜層301的雜質類型 與待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相同。即當待監測的離子注 入為n型，則襯底為p型的，預摻雜層的雜質為n型的，如可以為磷或砷；當待監測的離子注入為P型，則襯底為n型的，預摻雜層的雜質為 P型的，如可以為硼。此外，該預摻雜層的厚度通常要大於其所要監測 的離子注入工藝的注入深度，至少在500A以上，如為1500A、 2000A 等，以確保探針不會穿過其接觸到下面的襯底層；至於其厚度的上限， 則只受摻雜工藝所能達到的摻雜厚度的限制。圖4為本發明的離子注入工藝的監測試片在淺結離子注入後的剖面 示意圖，如圖4所示，在待監測的淺結離子注入後，在預摻雜層301內 形成了淺結離子注入層201，其厚度較小，在利用四探針法對其阻值進 行測試時，探針易穿過該層，如果採用的監測試片沒有預摻雜層301， 則所測得的阻值會受到淺結離子注入層下的襯底的影響，導致阻值測試 結果不準確。本發明中加入了一層較厚的預摻雜層301,這樣，在測試 時，探針即使穿過了淺結離子注入層201，也不會穿過較厚的預摻雜層 301接觸到襯底101,避免了檢測得到的方塊電阻值受到阻值不能確定 的襯底電阻的影響。另外，因預摻雜層301的摻雜情況是確定的，在根 據測得的方塊電阻值分析淺結離子注入工藝時，可以將其的影響(確定 的電阻值)去除，實現準確、重複地監測'淺結離子注入工藝。圖5為本發明的四探針法檢測淺結離子注入工藝的監測試片的示意 圖，如圖5所示，在利用四探針法對'淺結離子注入工藝進行檢測時，因 淺結離子注入層201較薄，探針可能會穿過該層接觸到下層預摻雜層 301，結果探針110a和110b間的測試電流510不僅經過要檢測的淺結 離子注入層201，還可能經過了其下的預摻雜層301,但因為預摻雜層 301的厚度較大，該探針不會再接觸到下面的襯底101。此時，測得的 方塊電阻值為淺結離子注入層201與預摻雜層301電阻的並聯值。其中， 預摻雜層301的雜質量是確定的，其方塊電阻值也是確定的，因此，可 以根據四探針法測得的方塊電阻值推導出淺結離子注入層201的方塊電 阻值，且測試的準確性、重複性較好。此外，可以將預摻雜層301的雜質濃度設置得比待監測的淺結離子注入層201的注入濃度小很多，這樣，預摻雜層301的電阻值會遠大於 淺結離子注入層201的電阻值，基本可以認為測試得到的方塊電阻值就 是淺結離子注入層201的電阻值，對淺結離子注入工藝的監測更方便、 直接。以上詳細介紹了本發明的離子注入工藝的監測試片，下面再介紹一 下如何利用本發明的離子注入工藝的監測試片對淺結離子注入工藝進 行監測。圖6為本發明的離子注入工藝的監測方法的流程圖，下面結合 圖6進行具體說明。首先，提供襯底(S601)，該襯底所摻的雜質類型與待監測的淺結 離子注入工藝注入的雜質類型相反，本實施例中，假設淺結離子注入工 藝的為n型的砷(As),則用於製作監測試片的襯底(如為矽片)應為 p型。接著，在襯底內進行預摻雜處理形成預摻雜層(S602)。本步預摻 雜處理可以用擴散工藝實現，也可以利用離子注入工藝實現，本實施例 中，採用的是後者，也可將之稱為預離子注入工藝。由於本步中形成的 預摻雜層的雜質類型要與待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相同， 本實施例中，該預離子注入也需要採用n型的雜質，如可以選用磷。為防止探針穿過預摻雜層，要求本步預離子注入形成的預摻雜層厚 度較厚，至少要比待監測的淺結離子注入工藝的注入深度大，通常至少 在500A以上，如為1500A、 2000A等，以確保探針不會穿過其接觸到 下面的襯底層。因此，本步預離子注入所用的能量通常相對較大， 一般 會選用大於5KeV的能量，如可以是10KeV、 100KeV、 1000KeV、 3000KeV等。此外，為了令預摻雜層的電阻值大到可以在後面的方塊電 阻測試中忽略不計，通常將其的注入劑量設置得比待監測的淺結離子注 入工藝的劑量小得多，如可以小1至3個量級。圖7為測得的本發明具體實施例中的預摻雜層的雜質分布情況示意圖，其中，預摻雜層所選用的摻雜劑為磷，所用的注入能量為30KeV, 如圖7所示，橫坐標為監測試片的深度，縱坐標為監測試片內的雜質的 濃度，圖中701為預摻雜層的雜質濃度隨著試片深度變化的曲線。可以 看到，當監測試片的深度在500 A左右時，其雜質濃度達到峰值一一 lel9/cm3，當監測試片的深度到達1600 A左右時，其雜質濃度已降到 lel8/cm3，可以i^為預摻雜層的厚度大約是在1600 A左右。在後面利用 四探法進行測試時，探針通常是不能穿過這一厚度的，因此可以確保探 針不會接觸到下面阻值較小，且不具有確定阻值的襯底。至此，用於監測淺結離子注入工藝的試片已準備好，可以利用其對 淺結離子注入工藝進行監測。在進行待監測的淺結離子注入時，將上述監測試片放入，同時對其 進行淺結的離子注入(S603 )。本實施例中，該步離子注入較淺，是用 於形成n型的源/漏極，其注入的雜質為砷(As),注入能量為2KeV， 注入深度在150A左右。圖8為測得的本發明具體實施例中的淺結離子 注入層的雜質分布情況示意圖，其中所用的試片沒有經過預摻雜處理， 即，沒有形成預摻雜層。如圖8所示，橫坐標為樣片的深度，縱坐標為 樣片內雜質的濃度，圖中8oi為淺結離子注入層的雜質濃度隨著樣片深度變化的曲線。可以看到，當樣片的深度達50 A左右，其雜質濃度達 到了峰值一一le21/cm3，當樣片的深度到達150A左右時，其雜質濃度 降到lel8/cm3,可以認為本次淺結離子注入工藝的注入深度大約是在 150A左右。圖7和圖8所示的檢測結果是利用二次離子質譜(SIMS， secondary ion mass spectroscopy )完成的，其可以實現對離子注入後的雜質分布情 況的檢測，且不用擔心因探針接觸到襯底而導致測試結果不準確。但是， 與四探針法相比，採用該方法對生產中的離子注入工藝進行監測是不可取的，原因在於，採用SIMS方法對離子注入進行監測， 一方面費時 SIMS檢測較慢，不可能及時提供本次離子注入工藝的信息；另一方面 費錢SIMS的檢測費用比四探針法要昂貴得多。為此，希望還是能採 用四探針法對淺結離子注入工藝進行實時監測。淺結離子注入後，對監測試片進行熱退火處理(S604),以激活在 預離子注入和淺結離子注入步驟中所注入的雜質。如，可以在1000°C, 氮氣保護下對其進行快速熱退火處理。接著，利用四探針法檢測該檢測試片(S605 )。由於監測試片的襯 底內包含了厚度較大的預摻雜層，本步檢測過程中，探針不會穿過該預 摻雜層到達襯底，也就避免了阻值小且不確定的襯底對檢測結果的千 擾。由於預摻雜層的雜質濃度是確定的，片與片之間也是重複的，四探 針法檢測方塊電阻時，各片之間不會因預摻雜層的差異引起方塊電阻值 的變化，因此，可以認為只要淺結離子注入工藝是一致的，片與片之間 的方塊電阻值就應該一致，反之，如果檢測得到的方塊電阻值不一致， 就可以表明淺結離子注入工藝出現了偏差，這樣就可以實現對淺結離子 注入工藝的準確監測。經實驗證實，在採用沒有預摻雜層的傳統監測試片對圖8中所示的 淺結離子注入進行監測時，其檢測得到的方塊電阻值(包括片與片之間 及同一片之間)的偏差達50%左右，這一方面是由於探針有時接觸到了 襯底，有時未接觸到襯底，導致測得的方塊電阻值發生了較大變化；另 一方面是由於片與片之間的襯底阻值存在不一致，即使4冢針全接觸到了 襯底，也會出現片與片之間方塊電阻的檢測結果有較大偏差的情況。而 在採用本發明的具有預摻雜層的監測試片後，上述兩種情況不會再發 生，結果測試得到的片與片之間以及同一片之間的方塊電阻值的偏差減 小到了 2.4%以內，測試重複性大大提高，其測試結果可以更為準確地反映淺結離子注入工藝的真實情況。另夕卜，雖然預摻雜層要比淺結離子注入層厚得多(如在本實施例中， 約厚了 3倍)，但是，其摻雜濃度要遠小於淺結離子注入層(如在本實 施例中，小了兩個量級)，因此，預摻雜層的阻值仍要遠高於淺結離子 注入層(約兩個量級)。此時，由四探針法測試得到的方塊電阻值(其 由預摻雜層方塊電阻與淺結離子注入層的方塊電阻並聯得到)，基本代 表了淺結離子注入層的方塊電阻值，即使預摻雜層的阻值略有波動，對 最終的測試結果影響也不大，仍可以較為真實地反映淺結離子注入工藝 的注入情況。上述監測方法說明的是對n型的淺結離子注入工藝的監測，在本發明的其他實施例中，還可以對p型的淺結離子注入進行監測，此時預摻 雜處理(可以是預擴散方法，或者預離子注入方法等)形成的預摻雜層內所摻的雜質也為p型，如可以是硼。其監測過程與上述n型淺結離子 注入工藝的監測過程類似，在此不再贅述。注意到只要是在監測試片內形成較厚的預摻雜層，以屏蔽下層材料 對待監測的離子注入工藝的檢測結果所可能造成的影響的，都應落入本 發明的保護範圍之內。本發明雖然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，都可以做出可能 的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的 範圍為準。
權利要求
1. 一種離子注入工藝的監測試片，所述試片具有襯底，所述襯底的雜質類型與待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相反，其特徵在於所述襯底內還具有預摻雜層，且所述預摻雜層的雜質類型與所述待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相同，所述預摻雜層的厚度大於所述待監測的離子注入工藝的注入深度。
2、 如權利要求1所述的監測試片，其特徵在於所述預摻雜層的 雜質濃度小於所述待監測的離子注入工藝注入的雜質濃度。
3、 如權利要求1所述的監測試片，其特徵在於所述預摻雜層的 厚度不小於500A。
4、 如權利要求1所述的監測試片，其特徵在於所述待監測的離 子注入工藝注入的雜質類型為n型時，預摻雜層的雜質為磷或砷。
5、 如權利要求1所述的監測試片，其特徵在於所述待監測的離 子注入工藝注入的雜質類型為p型時，預摻雜層的雜質為硼。
6、 一種離子注入工藝的監測方法，包括 提供與待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相反的襯底； 在所述襯底內進行預摻雜處理形成預摻雜層，且所述預摻雜層的雜質類型與所述待監測的離子注入工藝注的入雜質類型相同，所述預摻雜層的厚度大於所述待監測的離子注入工藝的注入深度；對已形成預"t參雜層的所述襯底進行所述待監測的離子注入； 對已進行所述待監測的離子注入後的襯底進行熱退火處理； 利用四探針法^r測已進行所述熱退火處理後的襯底。
7、 如權利要求6所述的監測方法，其特徵在於所述預摻雜處理 時的離子注入能量大於所述待監測的離子注入時的注入能量。
8、 如權利要求6所述的監測方法，其特徵在於所述預摻雜處理 時的離子注入劑量小於所述待監測的離子注入時的注入劑量。
9、 如權利要求6所述的監測方法，其特徵在於所述預摻雜處理 時的離子注入的能量在5KeV至3000KeV之間。
10、 如權利要求6所述的監測方法，其特徵在於所述預摻雜層的 雜質濃度小於所迷待監測的離子注入時的注入濃度。
11、 如權利要求6所述的監測方法，其特徵在於形成的所述預摻 雜層的厚度不小於500A。
12、 如權利要求6所述的監測方法，其特徵在於若所迷待監測的 離子注入工藝注入的雜質為n型，則所述預摻雜層的雜質為磷或砷；若 所述待監測的離子注入工藝注入的雜質為p型，則所述預摻雜層的雜質 為硼。
全文摘要
本發明公開了一種離子注入工藝的監測試片，該試片具有襯底，所述襯底的雜質類型與待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相反，此外，所述襯底內還具有預摻雜層，且所述預摻雜層的雜質類型與所述待監測的離子注入工藝注入的雜質類型相同，所述預摻雜層的厚度大於所述待監測的離子注入工藝的注入深度。本發明的離子注入工藝的監測方法是利用該監測試片實現的，其可以改善現有的淺結離子注入工藝難以監測的問題，提高對淺結離子注入工藝的監測力。
文檔編號H01J37/317GK101246809SQ20071003767
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月13日 優先權日2007年2月13日
發明者戴樹剛, 朱津泉 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司