CN101246809A

CN101246809A - 离子注入工艺的监测试片及监测方法

Info

Publication number: CN101246809A
Application number: CNA2007100376715A
Authority: CN
Inventors: 朱津泉; 戴树刚
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: CN101246809B

Abstract

本发明公开了一种离子注入工艺的监测试片，该试片具有衬底，所述衬底的杂质类型与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相反，此外，所述衬底内还具有预掺杂层，且所述预掺杂层的杂质类型与所述待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相同，所述预掺杂层的厚度大于所述待监测的离子注入工艺的注入深度。本发明的离子注入工艺的监测方法是利用该监测试片实现的，其可以改善现有的浅结离子注入工艺难以监测的问题，提高对浅结离子注入工艺的监测力。

Description

离子注入工艺的监测试片及监测方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种离子注入工艺的监测试片及监测方法。

背景技术

离子注入工艺是一种通过向衬底中引入可控制数量的杂质，改变该衬底的电学性能的工艺技术，其在现代半导体制造过程中有着广泛的应用。离子注入工艺中，为确保注入杂质后的衬底达到预定的电学性能，对注入的杂质浓度和深度均有严格的要求，为此，通常需要对离子注入工艺进行实时监测。

现有的对离子注入工艺的监测是利用监测试片实现的，在离子注入完成后，先对监测试片进行相应的退火处理，激活所注入的杂质，然后再利用四探针法检测其电阻率，判断注入的杂质浓度和深度是否满足要求。图1为现有的四探针法检测离子注入工艺监测试片的示意图，在p型(或n型)衬底101内进行n型(或p型)离子注入，形成离子注入层102，在快速热退火处理后，利用四探针法对其进行检测，图中110a和110b分别代表了与负、正电极相连的探针。图1中所示为离子注入较深、离子注入层102较厚的情况，此时，因离子注入层102与衬底101的杂质类型相反，且探针只会接触到表面的离子注入层102，测试电流120仅会在离子注入层102内流动，由四探针法测试得到的方块电阻值可以代表本次离子注入工艺中注入的杂质的情况，实现对离子注入工艺的较为准确的监测。

然而，随着超大规模集成电路的迅速发展，芯片的集成度越来越高，器件的尺寸越来越小，因器件的高密度、小尺寸引发的各种效应对半导体工艺制作结果的影响也日益突出。以离子注入工艺为例，由于器件尺寸的缩小，结深进一步变浅，利用四探针法对离子注入工艺进行监测出现了一些新的问题。

图2为现有的四探针法检测浅结离子注入工艺监测试片的示意图，如图2所示，当需要形成浅结时，离子注入较浅，形成的离子注入层201也较薄，在退火后，利用四探针法对其进行测试时，探针易穿过该薄层的离子注入层201到达衬底101中，此时，测试电流220不仅会在离子注入层201内流动，还会在衬底101内流动，这样，最终测试得到的方块电阻值实际上是离子注入层201的电阻与衬底101的电阻的并联值。由于离子注入层201很薄，衬底101较厚，衬底101部分的阻值大小通常可以与离子注入层201的阻值大小相比拟，甚至比其更小，即，测试时该衬底101电阻的并入会明显影响到最终的方块电阻测试结果，影响检测结果的准确性。另外，一方面由于片与片之间衬底的掺杂情况通常不一致，另一方面在同一片内测试的探针也不一定全会接触到衬底，因此衬底电阻对测试结果的影响大小实际上不能确定，表现为四探针法测试方块电阻的结果重复性较差，这必然会影响到对离子注入工艺的监测力。

为提高对离子注入工艺的监测力，申请号为200610071458.1的中国专利申请公开了一种评价用晶片(监测试片)，该评价用晶片内具有多个等密度的评价晶体管，通过在离子注入后对这些评价晶体管进行检测，可以得到评价用晶片内离子注入量的详细分布情况。利用该评价用晶片对离子注入工艺进行监测可以详细监测衬底内的离子注入量的分布情况，在一定程度上提高了对离子注入工艺的监测水平，但该评价用晶片的制作复杂，需要多步工艺制作完成，且不能解决上述实现浅结的离子注入工艺时难以监测的问题。

发明内容

本发明提供一种离子注入工艺的监测试片及监测方法，可以提高现有的对浅结离子注入工艺的监测力。

本发明提供的一种离子注入工艺的监测试片，所述试片具有衬底，所述衬底的杂质类型与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相反，其中，所述衬底内还具有预掺杂层，且所述预掺杂层的杂质类型与所述待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相同，所述预掺杂层的厚度大于所述待监测的离子注入工艺的注入深度。

其中，所述预掺杂层的杂质浓度小于所述待监测的离子注入工艺注入的杂质浓度。

其中，所述预掺杂层的厚度不小于

其中，所述待监测的离子注入工艺注入的杂质类型为n型时，预掺杂层的杂质为磷或砷；所述待监测的离子注入工艺注入的杂质类型为p型时，预掺杂层的杂质为硼。

本发明具有相同或相应技术特征的一种离子注入工艺的监测方法，包括：

提供与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相反的衬底；

在所述衬底内进行预掺杂处理形成预掺杂层，且所述预掺杂层的杂质类型与所述待监测的离子注入工艺注的入杂质类型相同，所述预掺杂层的厚度大于所述待监测的离子注入工艺的注入深度；

对已形成预掺杂层的所述衬底进行所述待监测的离子注入；

对已进行所述待监测的离子注入后的衬底进行热退火处理；

利用四探针法检测已进行所述热退火处理后的衬底。

其中，所述预掺杂处理时的离子注入能量大于所述待监测的离子注入时的注入能量。

其中，所述预掺杂处理时的离子注入剂量小于所述待监测的离子注入时的注入剂量。

其中，所述预掺杂处理时的离子注入的能量在5KeV至3000KeV之间。

其中，所述预掺杂层的杂质浓度小于所述待监测的离子注入时的注入浓度。

其中，形成的所述预掺杂层的厚度不小于

其中，若所述待监测的离子注入工艺注入的杂质为n型，则所述预掺杂层的杂质为磷或砷；若所述待监测的离子注入工艺注入的杂质为p型，则所述预掺杂层的杂质为硼。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的离子注入工艺的监测试片，形成了较厚的与待监测的浅结离子注入同型的预掺杂层，在后面的四探针法检测过程中，探针不能穿过该预掺杂层到达衬底，测得的方块电阻值不会再受到阻值不能确定的衬底的影响，提高了用四探针法检测浅结离子注入工艺的重复性和准确性。

此外，可以将预掺杂层的杂质浓度设置得较低，使得该预掺杂层的电阻值要远大于浅结离子注入层的电阻值，这样，四探针法测得的电阻值实际上基本与浅结离子注入层的电阻值相同，受预掺杂层的影响很小，可以进一步提高对浅结离子注入工艺监测的准确性。

本发明的离子注入工艺的监测方法只增加了一步对试片的预掺杂处理，该步预掺杂处理所掺的杂质类型与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相同，即可实现对浅结离子注入工艺的有效监测，具有实现简单、操作方便的特点。

附图说明

图1为现有的四探针法检测离子注入工艺监测试片的示意图；

图2为现有的四探针法检测浅结离子注入工艺监测试片的示意图；

图3为本发明的离子注入工艺的监测试片的剖面示意图；

图4为本发明的离子注入工艺的监测试片在浅结离子注入后的剖面示意图；

图5为本发明的四探针法检测浅结离子注入工艺的监测试片的示意图；

图6为本发明的离子注入工艺的监测方法的流程图；

图7为测得的本发明具体实施例中的预掺杂层的杂质分布情况示意图；

图8为测得的本发明具体实施例中的浅结离子注入层的杂质分布情况示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可被广泛地应用到许多应用中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为改善对浅结离子注入工艺的监测的重复性和准确性较差的问题，本发明提出了一种离子注入工艺的监测试片，图3为本发明的离子注入工艺的监测试片的剖面示意图，如图3所示，该监测试片包括衬底101和在衬底101内形成的预掺杂层301，该预掺杂层301可以利用不同的工艺方法实现，如扩散法或离子注入法。其中，衬底101的杂质类型与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相反，预掺杂层301的杂质类型与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相同。即：当待监测的离子注入为n型，则衬底为p型的，预掺杂层的杂质为n型的，如可以为磷或砷；当待监测的离子注入为P型，则衬底为n型的，预掺杂层的杂质为P型的，如可以为硼。此外，该预掺杂层的厚度通常要大于其所要监测的离子注入工艺的注入深度，至少在

以上，如为

等，以确保探针不会穿过其接触到下面的衬底层；至于其厚度的上限，则只受掺杂工艺所能达到的掺杂厚度的限制。

图4为本发明的离子注入工艺的监测试片在浅结离子注入后的剖面示意图，如图4所示，在待监测的浅结离子注入后，在预掺杂层301内形成了浅结离子注入层201，其厚度较小，在利用四探针法对其阻值进行测试时，探针易穿过该层，如果采用的监测试片没有预掺杂层301，则所测得的阻值会受到浅结离子注入层下的衬底的影响，导致阻值测试结果不准确。本发明中加入了一层较厚的预掺杂层301，这样，在测试时，探针即使穿过了浅结离子注入层201，也不会穿过较厚的预掺杂层301接触到衬底101，避免了检测得到的方块电阻值受到阻值不能确定的衬底电阻的影响。另外，因预掺杂层301的掺杂情况是确定的，在根据测得的方块电阻值分析浅结离子注入工艺时，可以将其的影响(确定的电阻值)去除，实现准确、重复地监测浅结离子注入工艺。

图5为本发明的四探针法检测浅结离子注入工艺的监测试片的示意图，如图5所示，在利用四探针法对浅结离子注入工艺进行检测时，因浅结离子注入层201较薄，探针可能会穿过该层接触到下层预掺杂层301，结果探针110a和110b间的测试电流510不仅经过要检测的浅结离子注入层201，还可能经过了其下的预掺杂层301，但因为预掺杂层301的厚度较大，该探针不会再接触到下面的衬底101。此时，测得的方块电阻值为浅结离子注入层201与预掺杂层301电阻的并联值。其中，预掺杂层301的杂质量是确定的，其方块电阻值也是确定的，因此，可以根据四探针法测得的方块电阻值推导出浅结离子注入层201的方块电阻值，且测试的准确性、重复性较好。

此外，可以将预掺杂层301的杂质浓度设置得比待监测的浅结离子注入层201的注入浓度小很多，这样，预掺杂层301的电阻值会远大于浅结离子注入层201的电阻值，基本可以认为测试得到的方块电阻值就是浅结离子注入层201的电阻值，对浅结离子注入工艺的监测更方便、直接。

以上详细介绍了本发明的离子注入工艺的监测试片，下面再介绍一下如何利用本发明的离子注入工艺的监测试片对浅结离子注入工艺进行监测。图6为本发明的离子注入工艺的监测方法的流程图，下面结合图6进行具体说明。

首先，提供衬底(S601)，该衬底所掺的杂质类型与待监测的浅结离子注入工艺注入的杂质类型相反，本实施例中，假设浅结离子注入工艺的为n型的砷(As)，则用于制作监测试片的衬底(如为硅片)应为p型。

接着，在衬底内进行预掺杂处理形成预掺杂层(S602)。本步预掺杂处理可以用扩散工艺实现，也可以利用离子注入工艺实现，本实施例中，采用的是后者，也可将之称为预离子注入工艺。由于本步中形成的预掺杂层的杂质类型要与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相同，本实施例中，该预离子注入也需要采用n型的杂质，如可以选用磷。

为防止探针穿过预掺杂层，要求本步预离子注入形成的预掺杂层厚度较厚，至少要比待监测的浅结离子注入工艺的注入深度大，通常至少在

以上，如为

等，以确保探针不会穿过其接触到下面的衬底层。因此，本步预离子注入所用的能量通常相对较大，一般会选用大于5KeV的能量，如可以是10KeV、100KeV、1000KeV、3000KeV等。此外，为了令预掺杂层的电阻值大到可以在后面的方块电阻测试中忽略不计，通常将其的注入剂量设置得比待监测的浅结离子注入工艺的剂量小得多，如可以小1至3个量级。

图7为测得的本发明具体实施例中的预掺杂层的杂质分布情况示意图，其中，预掺杂层所选用的掺杂剂为磷，所用的注入能量为30KeV，如图7所示，横坐标为监测试片的深度，纵坐标为监测试片内的杂质的浓度，图中701为预掺杂层的杂质浓度随着试片深度变化的曲线。可以看到，当监测试片的深度在

左右时，其杂质浓度达到峰值——1e19/cm³，当监测试片的深度到达

左右时，其杂质浓度已降到1e18/cm³，可以认为预掺杂层的厚度大约是在

左右。在后面利用四探法进行测试时，探针通常是不能穿过这一厚度的，因此可以确保探针不会接触到下面阻值较小，且不具有确定阻值的衬底。

至此，用于监测浅结离子注入工艺的试片已准备好，可以利用其对浅结离子注入工艺进行监测。

在进行待监测的浅结离子注入时，将上述监测试片放入，同时对其进行浅结的离子注入(S603)。本实施例中，该步离子注入较浅，是用于形成n型的源/漏极，其注入的杂质为砷(As)，注入能量为2KeV，注入深度在

左右。图8为测得的本发明具体实施例中的浅结离子注入层的杂质分布情况示意图，其中所用的试片没有经过预掺杂处理，即，没有形成预掺杂层。如图8所示，横坐标为样片的深度，纵坐标为样片内杂质的浓度，图中801为浅结离子注入层的杂质浓度随着样片深度变化的曲线。可以看到，当样片的深度达

左右，其杂质浓度达到了峰值——1e21/cm³，当样片的深度到达

左右时，其杂质浓度降到1e18/cm³，可以认为本次浅结离子注入工艺的注入深度大约是在

左右。

图7和图8所示的检测结果是利用二次离子质谱(SIMS，secondaryion mass spectroscopy)完成的，其可以实现对离子注入后的杂质分布情况的检测，且不用担心因探针接触到衬底而导致测试结果不准确。但是，与四探针法相比，采用该方法对生产中的离子注入工艺进行监测是不可取的，原因在于，采用SIMS方法对离子注入进行监测，一方面费时：SIMS检测较慢，不可能及时提供本次离子注入工艺的信息；另一方面费钱：SIMS的检测费用比四探针法要昂贵得多。为此，希望还是能采用四探针法对浅结离子注入工艺进行实时监测。

浅结离子注入后，对监测试片进行热退火处理(S604)，以激活在预离子注入和浅结离子注入步骤中所注入的杂质。如，可以在1000℃，氮气保护下对其进行快速热退火处理。

接着，利用四探针法检测该检测试片(S605)。由于监测试片的衬底内包含了厚度较大的预掺杂层，本步检测过程中，探针不会穿过该预掺杂层到达衬底，也就避免了阻值小且不确定的衬底对检测结果的干扰。

由于预掺杂层的杂质浓度是确定的，片与片之间也是重复的，四探针法检测方块电阻时，各片之间不会因预掺杂层的差异引起方块电阻值的变化，因此，可以认为只要浅结离子注入工艺是一致的，片与片之间的方块电阻值就应该一致，反之，如果检测得到的方块电阻值不一致，就可以表明浅结离子注入工艺出现了偏差，这样就可以实现对浅结离子注入工艺的准确监测。

经实验证实，在采用没有预掺杂层的传统监测试片对图8中所示的浅结离子注入进行监测时，其检测得到的方块电阻值(包括片与片之间及同一片之间)的偏差达50％左右，这一方面是由于探针有时接触到了衬底，有时未接触到衬底，导致测得的方块电阻值发生了较大变化；另一方面是由于片与片之间的衬底阻值存在不一致，即使探针全接触到了衬底，也会出现片与片之间方块电阻的检测结果有较大偏差的情况。而在采用本发明的具有预掺杂层的监测试片后，上述两种情况不会再发生，结果测试得到的片与片之间以及同一片之间的方块电阻值的偏差减小到了2.4％以内，测试重复性大大提高，其测试结果可以更为准确地反映浅结离子注入工艺的真实情况。

另外，虽然预掺杂层要比浅结离子注入层厚得多(如在本实施例中，约厚了3倍)，但是，其掺杂浓度要远小于浅结离子注入层(如在本实施例中，小了两个量级)，因此，预掺杂层的阻值仍要远高于浅结离子注入层(约两个量级)。此时，由四探针法测试得到的方块电阻值(其由预掺杂层方块电阻与浅结离子注入层的方块电阻并联得到)，基本代表了浅结离子注入层的方块电阻值，即使预掺杂层的阻值略有波动，对最终的测试结果影响也不大，仍可以较为真实地反映浅结离子注入工艺的注入情况。

上述监测方法说明的是对n型的浅结离子注入工艺的监测，在本发明的其他实施例中，还可以对p型的浅结离子注入进行监测，此时预掺杂处理(可以是预扩散方法，或者预离子注入方法等)形成的预掺杂层内所掺的杂质也为p型，如可以是硼。其监测过程与上述n型浅结离子注入工艺的监测过程类似，在此不再赘述。

注意到只要是在监测试片内形成较厚的预掺杂层，以屏蔽下层材料对待监测的离子注入工艺的检测结果所可能造成的影响的，都应落入本发明的保护范围之内。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1. 一种离子注入工艺的监测试片，所述试片具有衬底，所述衬底的杂质类型与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相反，其特征在于：所述衬底内还具有预掺杂层，且所述预掺杂层的杂质类型与所述待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相同，所述预掺杂层的厚度大于所述待监测的离子注入工艺的注入深度。

2. 如权利要求1所述的监测试片，其特征在于：所述预掺杂层的杂质浓度小于所述待监测的离子注入工艺注入的杂质浓度。

3. 如权利要求1所述的监测试片，其特征在于：所述预掺杂层的厚度不小于

4. 如权利要求1所述的监测试片，其特征在于：所述待监测的离子注入工艺注入的杂质类型为n型时，预掺杂层的杂质为磷或砷。

5. 如权利要求1所述的监测试片，其特征在于：所述待监测的离子注入工艺注入的杂质类型为p型时，预掺杂层的杂质为硼。

6. 一种离子注入工艺的监测方法，包括：

提供与待监测的离子注入工艺注入的杂质类型相反的衬底；

对已形成预掺杂层的所述衬底进行所述待监测的离子注入；

对已进行所述待监测的离子注入后的衬底进行热退火处理；

利用四探针法检测已进行所述热退火处理后的衬底。

7. 如权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述预掺杂处理时的离子注入能量大于所述待监测的离子注入时的注入能量。

8. 如权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述预掺杂处理时的离子注入剂量小于所述待监测的离子注入时的注入剂量。

9. 如权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述预掺杂处理时的离子注入的能量在5KeV至3000KeV之间。

10. 如权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述预掺杂层的杂质浓度小于所述待监测的离子注入时的注入浓度。

11. 如权利要求6所述的监测方法，其特征在于：形成的所述预掺杂层的厚度不小于

12. 如权利要求6所述的监测方法，其特征在于：若所述待监测的离子注入工艺注入的杂质为n型，则所述预掺杂层的杂质为磷或砷；若所述待监测的离子注入工艺注入的杂质为p型，则所述预掺杂层的杂质为硼。