CN104362109B - 监测多晶硅衬底热退火活化效果及制造多晶硅衬底的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了监测多晶硅衬底热退火活化效果及制造多晶硅衬底的方法，其中监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法包括：测量经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第一透光率，根据所述第一透光率判定热退火的活化效果。本发明利用多晶硅的透光率这一比较稳定的特性作为热退火活化效果好坏的评价标准，通过将透光率与预设值进行比较得到热退火的活化效果，这样可以保证监测热退火活化效果过程的稳定性和可靠性，使得工艺人员能够及时有效地控制在线工艺，同时缩短监测过程的周期，而且测量透光率比进行电学特性测试还能大大降低监测成本。

Description

监测多晶硅衬底热退火活化效果及制造多晶硅衬底的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及监测多晶硅衬底热退火活化效果及制造多晶硅衬底的方法。

背景技术

在薄膜晶体管制造领域，非晶硅和多晶硅衬底的应用十分广泛，常常用于形成多晶硅栅电极，或者用于形成特定阻值的电阻等等。通常地，多晶硅的制备过程常需要以下的步骤：首先，利用化学气相沉积方法在衬底基板(一般是玻璃基板)上形成非晶硅层，再用准分子激光晶化法照射非晶硅层形成多晶硅层；其次，利用离子注入法对多晶硅层进行掺杂；最后，利用热退火的活化方法来激活掺杂的多晶硅层，得到制作液晶面板所使用的多晶硅。

通常离子注入之后，多晶硅的结构中会发生一些变化，需要经过热退火活化使注入的离子到达理想的位置。所谓热退火就是在离子注入后进行热处理，修复多晶硅表面的辐射损伤以及激活注入离子的电性能。一般通过测试多晶硅的电子迁移率来确定热退火活化效果的好坏，即电子迁移率越高，活化效果越好；反之，电子迁移率越低，活化效果越差。可见现有的方法就是通过测量电子迁移率的大小来获取离子注入后的活化效果，经过热退火活化后的玻璃基板需要经过电学性质测试来评价活化效果的好坏。

综上所述，现有技术中对于多晶硅衬底热退火活化效果的监测方法是离子注入工艺之后直接检测玻璃基板的电学特性，并且在热退火工艺后再次检测玻璃基板的电学特性，通过热退火前后电学特性的变化获取热退火的活化效果，但是这样会导致监测过程的时间加长，增大加工周期，对工艺人员而言保证在线离子注入状态产生不良影响，而且监测效率较低，容易导致浪费大量的时间和人力物力成本。

发明内容

为解决现有监测方法需要在对多晶硅衬底进行热退火前后进行电学特性的检测，导致加工周期过长以及增大监测成本的技术问题，本发明提供了监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法，包括：

测量经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第一透光率，根据所述第一透光率判定热退火的活化效果。

可选的，所述根据所述第一透光率得到热退火的活化效果为将所述第一透光率与第一预设值进行比较来判定热退火的活化效果。

可选的，当所述第一透光率大于或等于第一预设值时，判定热退火的活化效果为合格，否则判定热退火的活化效果为不合格。

可选的，所述第一预设值为经电性测试验证热退火活化效果为合格的多个多晶硅衬底在热退火工艺后的透光率的平均值或最小值。

可选的，所述第一预设值为多个，对应不同工艺参数下制成的多晶硅衬底。

可选的，还包括：

测量未经离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第二透光率，并将所述第一透光率与所述第二透光率的差值与第二预设值进行比较来判定热退火的活化效果。

可选的，当所述第一透光率与所述第二透光率的差值小于或等于所述第二预设值时，判定热退火的活化效果为合格，否则判定热退火的活化效果为不合格。

可选的，所述第二预设值为经电性测试验证热退火活化效果为合格的多个多晶硅衬底在热退火工艺后透光率与热退火工艺前透光率的差值的平均值或最大值。

可选的，所述第二预设值为多个，对应不同工艺参数下制成的多晶硅衬底。

另一方面，

本发明还提供了制造多晶硅衬底的方法，采用以上所述的监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法来判定经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的热退火活化效果是否合格。

基于本发明提供的监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法，利用多晶硅的透光率这一比较稳定的特性作为多晶硅衬底热退火活化效果好坏的评价标准，通过将透光率与预设值进行比较得到热退火的活化效果，这样可以保证监测活化效果得到结果的稳定性和可靠性，使得工艺人员能够及时有效地控制在线工艺，同时缩短监测过程的周期，而且测量透光率比进行电学特性测试还能大大降低监测成本。

附图说明

图1是本发明提供的监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法的步骤流程图；

图2是本发明提供的监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法的一个优选方案的步骤流程图；

图3是在衬底基板上形成氮化硅、二氧化硅和非晶硅层后的结构示意图；

图4是形成多晶硅层的结构示意图；

图5是对多晶硅层进行离子注入工艺之后得到的结构示意图；

图6是对注入离子的多晶硅层进行热退火工艺后得到的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法，步骤流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤S100、测量经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第一透光率TR1；

步骤S200、根据第一透光率TR1判定热退火的活化效果，具体为：当第一透光率TR1大于或等于第一预设值S1时，判定热退火的活化效果为合格，否则判定热退火的活化效果为不合格。

可选的，测量经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第一透光率TR1，根据第一透光率TR1判定热退火的活化效果。具体的判定过程为：当第一透光率TR1大于或等于第一预设值S1时，判定热退火的活化效果为合格，否则判定热退火的活化效果为不合格。

其中测量第一透光率TR的过程如下：

将需要测试的多晶硅衬底放置在膜厚检测仪上，利用膜层的出射光和入射光强度之比测试出多晶硅衬底的第一透光率TR1。

其中的第一预设值S1为经电学特性测试(简称电性测试)验证热退火活化效果为合格的多个多晶硅衬底在热退火工艺后的透光率的平均值或最小值。该第一预设值S1为预先利用电性测试获得，以便后续过程中可以直接将测得的透光率与预设值进行比较，以便对热退火活化效果进行判定。获取第一预设值S1的过程具体为：对多个多晶硅衬底在热退火工艺之后进行电性测试，同时，在热退火工艺之后还对多晶硅衬底进行透光率的测量，如果根据电性测试结果判定多晶硅衬底为合格，则将热退火工艺后测量得到的透光率进行存储，根据多个多晶硅衬底热退火工艺后的透光率中的最小值或者对这多个透光率求平均值作为第一预设值S1。其中最小值为根据透光率判定过多晶硅衬底合格的底线值，平均值是对多个透光率求平均的结果，在数据稳定性方面更加良好，因此根据最小值或平均值均可以作为预设值。其中电性测试就是利用电子参数测量(Electronic ParameterMeasurement，简称EPM)测试设备对经过活化后的多晶硅衬底衬底基板上的测试键来测试出衬底基板的电子迁移率、开态电流Ion、截止电流Ioff、阈值电压Vth等电学特性，以此判定多晶硅衬底的热退火活化效果是否合格。

还需要说明的是，其中第一预设值S1可以为多个，每个分别对应不同工艺参数下制成的多晶硅衬底，例如将这些预设值存储在对照表中，。由于实际加工过程中，不同批次产品往往需要满足不同的规格，相应的得到的预设值也可能是不同的。

得到预设值之后，在以后的监测过程中直接通过对多晶硅层透光率的测量值与预设值进行比较就可以判断出改多晶硅衬底是否合格，根据实际测量结果，一般来说，第一透光率TR1大于或等于第一预设值S1时，热退火的活化效果为合格，否则热退火的活化效果为不合格。

可选的，离子注入工艺之前还包括：

测量未经离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第二透光率TR2，并将第一透光率TR1与第二透光率TR2的差值与第二预设值S2进行比较来判定热退火的活化效果。根据实际测量结果，一般来说，当第一透光率TR1与第二透光率TR2的差值小于或等于第二预设值S2时，判定热退火的活化效果为合格，否则判定热退火的活化效果为不合格。

与第一预设值S1类似，第二预设值S2也是经电性测试验证热退火活化效果为合格的多个多晶硅衬底在热退火工艺后透光率与热退火工艺前透光率的差值的平均值或最大值，而且第二预设值S2可以为多个，对应不同工艺参数下制成的多晶硅衬底，也可储存在参照表中，其测量的原理与依据同上，此处不再赘述。

需要说明的是，本实施例中第一透光率TR1与第二透光率TR2的差值可以体现活化效果的好坏。进一步地，还可以在对照表生成过程中在注入离子工艺之后，热退火工艺之前对多晶硅衬底进行电性测试和透光率测量，得到第三透光率TR3。第三透光率TR3可以结合第二透光率TR2用于作为评价离子注入效果的依据。

还需要说明的是，本实施例中对于同一批次产品或规格相同的产品，只需要测量第一透光率TR1即可。这是因为如果多晶硅衬底的规格相同则第三透光率TR3大致相同，且如果离子注入过程中工艺参数相同则第二透光率TR2也大致相同，因此只需要测量热退火工艺后的第一透光率TR1就可以知道经过热退火工艺透光率的变化情况，进而能够判断出热退火的活化效果是否合格。

本发明提供的监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法的一个优选方案的步骤流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤S10、以玻璃基板作为衬底基板，在衬底基板上制作形成多晶硅衬底，并且在离子注入工艺之前测量未经离子注入工艺的多晶硅衬底的透光率作为第二透光率TR2。

步骤S20、在多晶硅衬底上进行离子注入工艺，而且离子注入工艺之后，在对该多晶硅衬底进行热退火工艺之前，测量未经热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第三透光率TR3。

步骤S30、对离子注入工艺之后的多晶硅衬底进行热退火工艺，热退火工艺之后测量多晶硅衬底的透光率作为第一透光率TR1。

步骤S40、根据上述步骤S10、S20和S30得到的透光率与对照表中的预设值判定热退火的活化效果。判定热退火的活化效果可以采用之前所述的方式。

步骤S10中制作形成多晶硅衬底的方法例如为：采用等离子化学气相沉积的方法在衬底基板01上形成氮化硅02、二氧化硅03和非晶硅层04，结构示意图如图3所示，再以准分子激光晶化法照射非晶硅04形成多晶硅层，即多晶硅衬底05，结构示意图如图4所示。

由于多晶硅衬底形成后进行离子注入的轻掺杂工艺，在多晶硅衬底内部加入少量硼离子形成P型掺杂层或者加入少量磷离子从而形成N型掺杂层。通过控制轻掺杂工艺中掺杂离子的浓度，能够得到良好的欧姆接触并起到控制外延层的电阻率的作用，对多晶硅衬底05进行离子注入工艺之后得到的多晶硅衬底06结构示意图如图5所示。

其中步骤S2中离子注入工艺为向多晶硅衬底的衬底基板上注入一定浓度的硼离子(B)。由于原子最外层电子需要达到八个电子稳定结构，所以硼离子会从相邻的硅原子获取电子以形成共价键，达到八个电子稳定结构。同时失去电子的原子为达到平衡稳定状态，又会从其周边的原子获取电子，在施加一定的电势后就会产生电流，这也就是半导体导电的原理。由于，多晶硅衬底基板的透光率的变化比较稳定，通过比对热退火活化前后的透光率来监测热退火工艺的活化效果，能达到相应的预期结果。

离子注入工艺完成后，需要进行热退火工艺来修复多晶硅表面损伤和激活注入离子，得到的多晶硅衬底07结构示意图如图6所示。退火时温度应低于离子扩散所需的温度，这样可以防止注入离子的横向扩散，如果采用快速热退火工艺，则热退火的时间极短，通常只有数秒钟时间就可以完成。因此，只要测量多晶硅的透光率的变化，并将其与预先得到的对照表进行比较就能知道某一区域内热退火的活化效果。

可选的，上述步骤中的对照表为选取多个形成有多晶硅衬底的衬底基板作为样本，在样本的多晶硅衬底上进行离子注入工艺以及热退火工艺，并且在离子注入工艺之前、离子注入工艺之后热退火工艺之前以及热退火工艺之后分别测量并记录多晶硅衬底的透光率与热退火活化效果的对应关系。优选地，对照表中热退火活化效果为对多晶硅衬底进行电性测试得到的结果。虽然本发明可以例如通过对多晶硅衬底进行电性测试来得到预设值，但是也采用其他方法来得到预设值，均属于本发明的保护范围之内。在得到需要的预设值之后仅根据多晶硅衬底的透光率就可以判定热退火的活化效果，不需要再一一进行电性测试，可以节省大量的人力物力，降低监测成本，缩短监测周期。

需要说明的是，优选获取预设值过程中注入的离子与监测过程中注入的离子为同一种离子。例如，如果在获取对照表过程中注入的离子为硼离子，则该预设值优选用于对多晶硅衬底进行硼离子注入工艺以及热退火工艺的活化效果的监测。

可选的，获取对照表过程中选用不同的离子注入参数，测量并记录在不同离子注入参数情况下多晶硅衬底在离子注入工艺之前、离子注入工艺之后热退火工艺之前以及热退火工艺之后分别测量并记录多晶硅衬底的透光率与热退火活化效果的对应关系。在实际工艺中，离子注入的能量、剂量等参数需视掺杂层厚度而定，因为这些参数会影响离子注入的深度，因此需要控制离子注入参数，同时保证在离子注入工艺过程中离子注入的深度小于多晶硅衬底的厚度。通常情况下，离子注入的能量约为15KeV至70KeV，剂量约1E11/cm2～1E16/cm2。

生产中，离子注入工艺的离子注入源种类需视外延层的种类而定，当掺杂层为P型掺杂层时，注入的离子为N型离子，因此离子注入源可选用三氟化硼等；当掺杂为N型掺杂层时，注入的离子为P型离子，因此离子注入源可选用磷烷等。

还需要说明的是，确定离子注入参数后，利用一片或多片用于监测的形成有多晶硅衬底的衬底基板，进行离子注入和快速热退火工艺，在同一片或不同片多晶硅衬底上测试不同离子注入参数下活化后的透光率变化情况，并建立对照表，分别对应离子注入前后透光率变化及经过快速热退火活化后的透光率。基于确定的离子注入参数得到的对照表，只要对照测量得到的透光率的变化情况就能监测出热退火的活化效果。

例如，在加工过程中，在衬底基板的厚度小于550nm的情况下，测试的多张多晶硅衬底在离子注入前和经过离子注入活化后的透光率差值(按百分分比计算)是0.07％～2.71％。对其进行EPM测试得到的Ion、Ioff、电子迁移率、以及阈值电压等电学特性符合要求。多次进行试验，可以得知当透光率前后的变化小于2％，EPM测试结果都能符合电性要求，因此可以将第二预设值(按百分分比计算)设为2％。

这样，测得经过离子注入工艺前、离子注入工艺后热退火之前以及热退火工艺后的多晶硅衬底的透光率分别为31.61％、22.82％及31.68％。测试结果显示，离子注入前和经过活化后的透光率比较接近，透光率差值(按百分分比计算)小于第二预设值2％，反映了注入的杂质离子的多晶硅衬底活化效果符合要求。

综上所述，本发明提供的监测热退火活化效果的方法，利用多晶硅衬底的透光率这一比较稳定的特性作为热退火活化效果好坏的评价标准，通过将透光率与对照表中预设值进行比较得到热退火的活化效果，这样可以保证监测活化效果得到结果的稳定性和可靠性，使得工艺人员能够及时有效地控制在线工艺，同时缩短监测过程的周期，而且测量透光率比进行电性测试还能大大降低监测成本。

另外，本发明还提供了制造多晶硅衬底的方法，在制造多晶硅衬底的过程中，采用上述的监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法来判定经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的热退火活化效果是否合格，从而可以据此调节热退火的工艺参数，提高产品的合格率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法，其特征在于，包括：

测量经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第一透光率，根据所述第一透光率判定热退火的活化效果；

以及，测量未经离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的透光率作为第二透光率，并将所述第一透光率与所述第二透光率的差值与第二预设值进行比较来判定热退火的活化效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一透光率判定热退火的活化效果为将所述第一透光率与第一预设值进行比较来判定热退火的活化效果。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述第一透光率大于或等于第一预设值时，判定热退火的活化效果为合格，否则判定热退火的活化效果为不合格。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一预设值为经电性测试验证热退火活化效果为合格的多个多晶硅衬底在热退火工艺后的透光率的平均值或最小值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一预设值为多个，对应不同工艺参数下制成的多晶硅衬底。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第一透光率与所述第二透光率的差值小于或等于所述第二预设值时，判定热退火的活化效果为合格，否则判定热退火的活化效果为不合格。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设值为经电性测试验证热退火活化效果为合格的多个多晶硅衬底在热退火工艺后透光率与热退火工艺前透光率的差值的平均值或最大值。

8.根据权利要求1、6和7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二预设值为多个，对应不同工艺参数下制成的多晶硅衬底。

9.一种制造多晶硅衬底的方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的监测多晶硅衬底热退火活化效果的方法来判定经过离子注入工艺和热退火工艺的多晶硅衬底的热退火活化效果是否合格。