专利名称：使用离子注入过的晶片监测低温急速热退火工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路及半导体器件的制造工艺。更具体地说，本发明提供了一种监测集成电路制造中的低温急速热退火工艺的方法。同时也应看到此发明有更广泛的应用范围。可用于各种器件包括动态随机存取存储器，静态随机存取存储器，特定用途集成电路，微处理器，微控制器，散存器等等。
背景技术：
集成电路已从每个芯片上几个相互联接的器件发展到今天的集百万器件于一体的超大规模集成电路，现代的集成电路的复杂性及其所具备的功能已远非当初想象所能及，为进一步增加集成度(即单位面积的器件数)及电路的复杂性，器件的最小尺寸正在随集成电路的换代更新而不断缩小，目前的半导体器件是亚1/4微米的一代。
增加集成度不仅可以提高电路的性能，同时也为消费者提供低价的产品。建成一个集成电路制造厂要花费几亿甚至几十亿美元，而每个集成电路制造厂的晶片产量是有限的，且每个晶片上的集成电路器件数也是固定的，减小集成电路尺寸能使每个晶片上的集成电路数目增加，这也就增加了芯片厂的产量。然而，缩小集成电路的尺寸并非易事，因为每道工序都受一定的技术难度限制，也就是说，每一个工艺适用的尺寸只能小到一定程度，其余的改进要靠布线及设计的改变来实现。
在热处理的工艺中有效而精确地监测温度就是这种能力极限的一个例子。以上所指热处理过程包括急速热退火，通常缩写为RTP。RTP在大规模集成电路的制造中很有用，但RTP的使用上受许多限制。例如，用常规的RTP，控制温度是困难的。RTP过程中，存在温度变化，温度需每日监测，温度每日监测的技术通常是非常难以实现的。加之，这样的技术通常不能在保持很小的容许误差范围的情况下监测温度的变化，而这正是常规的集成电路所需要的。这些以及其他的一些限制会在后续的篇幅中描述。
从上可看出，技术的改进是需要的。
发明内容
本发明中提供了一个半导体器件制造中的工艺技术，值得提出的是，本发明有着更广泛的应用范围。具体地说，本发明提供了一个在低温下监测急速热退火工艺过程的方法。本发明可用于各种器件的制造过程中，如静态随机存取存储器，特定应用集成电路器件，微处理器，微控制器，散存存储器等等。
作为一个特别的案例，本发明为集成电路器件制造工艺提供了一个方法。此方法包括提供了一个监测用的晶片，这个监测晶片含有硅材料，其厚度到一预定的深度。本发明中的方法也包括将硅族元素的杂质注入硅材料之中，使硅材料自身厚度的一部分形成一个非晶状态。此方法然后将硼族元素杂质注入在非晶态硅中，硼族的杂质元素在注入过程中是不激发的，并在硅材料中降低激发能。方法然后将这样一个包括硅族掺杂及硼族掺杂的监测晶片通过一个急速热退火工艺，通常称为RTP。此方法将热退火工艺用于第一个温度下的第一状态以激发部分硼族杂质元素。这个第一温度是在一个被定义为低温的区域内，低温的区域是小于650℃。之后取出监测晶片。方法包括了测量监测晶片的平面电阻，在晶片全表面上容许误差范围小于2％的情况下，测定第一个温度。如果第一温度是在规定温度的误差范围内，方法也将对一些产品用晶片进行RTP。
在另一个应用中，此方法包括提供了一个监测硅片，在硅材料中一定深度内注入一些颗粒。这些颗粒的激发能在硅材料中会降低。此方法对含有颗粒的监测硅片进行急速热退火工艺。方法包括对第一温度下第一状态运用急速热退火。第一温度是在650℃下的一个定义为低温的区域。方法包括取出监测硅片，然后测量监测硅片的平面电阻。方法也在整个监测硅片表面容许误差范围小于2％的状态下测定第一温度，如果第一温度在规定的温度容许误差范围内，对一些产品硅片使用急速热退火工艺。
用本发明比常规的技术要有更多的好处。例如，此发明中的技术提供了一个基于常规技术之上而又易使用的工艺。在很多应用中，此发明中的方法提供了更高的器件的产率(芯片/硅片)。加之，此方法即提供了一种与常规方法兼容的工艺技术又不需要对常规技术及设备作大改动。更好的是，这项发明可用于许多不同的器件上。如存储器，ASIC，微处理器等等。此发明提供了一个在一个预定温度容许误差范围内监测RTP工艺的方法，此误差范围在整个硅片上小于2％。这个发明还提供了硅片到硅片的温度的重复性。依照不同的应用，一个或多个优越处可以表现出来，后续篇幅中有详述。
由本发明而导致的更多的应用、结构特征和优越性可在以下的文字及示意图描述中得到体现。
图1-3、5-6是说明此项发明应用实例的横截面简图。
图4显示的是离子注入截面分布曲线图作为深度的函数。
图4A是与发明应用实例相关的半导体衬底的一部分的横截面的简图。
图7-8是有关此发明应用实例的测量结果的曲线图。
具体实施例方式
本发明提供了半导体器件制造工艺中的一项技术，并且更广泛的应用范围。更具体地说，发明提供了一个方法用于监测在低温下的急速热退火的工艺过程。此发明可用于各种器件，例如，静态随机存取存储器，特定应用集成电路器件，微处理器，微控制器，散存器等等。
本发明的一个制造监测硅片用于急速热退火工艺过程的温度分析的方法包括1、提供一个硅片；2、引入一些粒子(例如硼和硅)进入到晶片上硅材料中一定的深度以减低其在硅材料中的激发能；3、将这片带粒子的监测硅片进行急速热退火的工艺处理；4、在第一个温度下的第一状态，也就是一个定义为小于650℃低温区域，进行急速热退火(RTP)；5、取出监测硅片；6、测量监测硅片的平面电阻；7、在硅片全表面小于2％容许误差范围内，测定第一个温度；8、如果第一温度是在规定的温度容许误差范围内，则将一些产品用硅片进行急速热退火；9、否则，重新调试RTP的工艺再进行第一到第八步；10、进行其他必要的步骤；以上的步骤是用来制备监测硅片，这个硅片将被用来测定一个急速热处理工艺中准确的温度。这些步骤可以提供精确度和跨整个硅片2％以下的容许误差。最好是用一些硅族元素和硼族元素的颗粒，但也可以是砷或磷的杂质。
本发明提供的一个制备用于急速热退火工艺工程的温度分析监测衬底的方法包括；1、提供一个硅片；2、用注入或沉积的方法在硅材料中形成非晶状态；3、在非晶状态下的硅材料中引入杂质；4、对含杂质的监测硅片实施急速热退火的工艺处理；5、在第一个温度状态下也就是一个定义为小于650℃的低温区域，进行急速热退火；6、取出监测硅片；7、测量监测硅片的平面电阻；8、用实验结果中阻值比温度曲线测定在跨硅片容许误差小于2％的范围内第一温度的值；9、如果这第一温度是在规定的温度的容许误差范围内，则将一些产品用硅片进行急速热退火；10、否则，重新调试RTP的工艺，再进行第一到第九步；11、进行其他必要的步骤；以上的步骤是用来制备监测硅片，这个硅片将用来测定一个急速热处理工艺的准确的温度。这些步骤可以提供精确度和跨硅片2％以下的容许误差，最好是用一些硅族元素和硼族元素的杂质颗粒，但也可以是砷或磷的杂质。进一步的细节可以在下面图中找到。
图1-3、5-6是发明的方法(100)应用的截面示意简图。这些图示的目的是展示一个例证，而不应认为是对本发明所触及的范围的限制。示意图可根据需要而有所改变、修改或选择。如上显示，方法(100)首先提供一个监测衬底(101)，这个衬底是硅片或类似的晶片。衬底也可以包括任何合适的材料如多晶硅的膜，在绝缘体材料衬底上的硅。但最好是用硅片作监测晶片。
参照图2，方法引入一些粒子(105)来导致监测衬底一部分厚度(111)形成非晶状态。这个厚度是被定义到一个预定的深度(107)，这个深度可以是常数也可以是根据应用不同而有细微变化，用离子注入或其他技术将离子通过衬底表面(109)引入。如图示粒子可以是硅族粒子。例如硅元素本身。这样的硅元素可以从象硅烷，二氯硅烷或二者混合这类气体中提取。进一步关于非晶态的细节会在下面给出。
这个方法引入粒子(301)以减少监测衬底的电阻。在一个具体的例子中，粒子可以是象硼，砷，磷这类掺杂元素。也可以是其它合适的元素，最好，粒子是硼族杂质，这种杂质来自三氟化硼，AsH3和PH3。硼族杂质元素在监测衬底中的离子注入区(301)其激发能态有所降低。降低了的激发能态可被用于监测热处理的温度，例如，急速热退火以及其热处理。
参见图4，图4显示的是离子注入截面分布曲线图(400)作为深度的函数。这里仅仅是一个例子。而不应认为是对本发明所触及的范围的限制。示意图可根据需要而有所变化、修改或选择。如图所示，纵轴(401)表示浓度，横轴(403)表示从监测衬底表面到预计深处的深度，曲线图(405)是足够均匀并且是一个浓度随深度而减小的函数。进一步关于这样的曲线图如下提供。
图4A是一个关于本发明的一个半导体衬底的一部分的横截面简图。这个截面曲线图仅作为一个例子，而不应认为是对本发明所触及的范围的限制。示意图可根据需要而有所变化、修改或选择。衬底的(450)部分含有硅族元素及硼族元素部分的硅族元素来自于衬底本身材料。另一些硅族元素来自于离子注入，这样的硅族元素有断开的键(451)并会在衬底中形成非晶态。硼族元素(453)也包括在内。这样的硼族元素在这里没有被激发。包含有注入元素的衬底可以被用于监测如急速热退火这样的热处理工艺的温度。
参照图5，对经离子注入的监测衬底进行的急速热退火处理(500)激发一部分硼族元素，经历这种激发，衬底的平面电阻改变。图6是监测衬底的表面电阻对温度的变化曲线(600)。图示的目的是展示一个例证，而不应认为是对本发明所触及的范围的限制。示意图可根据需要而有所变化、修改或选择。如显示中的纵轴(603)表示平面电阻。横轴(605)表示温度。曲线(601)显示出平面电阻减小是温度的函数。随着监测的硅片经历更高的温度有更多的硼族元素被激发，进而降低平面电阻的阻值。图6中的曲线能被用来测定在急速热退火工艺中随硅片平面阻值变化而变化的温度。曲线可以从基于监测机台的平面电阻用急速热退火的校准机台来测定其它机台的温度而得到。
尽管上面给出了发明的应用实例。但一定有其他的变化、修改和选择。例如在这儿硼被用作掺杂，但也可用其他杂质，例如，砷及磷。加之，第三种注入也可用来形成监测衬底。也可用一些附加步骤来形成非晶态。以上所举例证仅为说明本发明的内容，在本发明的精神及范围内，使用者可视应用而对以上案例进行改进和修正。
实验为了证明此发明提供方法的原理及操作，我们来进行一些实验，这些实验的目的是展示一个例证，而不应认为是对本发明所触及的范围的限制。实验可根据需要有所变化、修改或选择。进一步的关于实验的细节将在下面详述。
作为一个背景，RTP机台对产品用硅片进行RTP处理从500℃到1100℃，常规法来监测机台较高的温度是用在1100℃时氧化物的生长及在925℃时对含硼的硅片的退火来实现。而常规法监测RTP机台低温区则是用有金属沉积的硅片(例如，WSixor Ti/TiN)。由于平面电阻及均匀度都取决于金属的沉积，监测的数据波动太大。例如，当用WSix的晶片检测机台的低温时，大约均匀度在7％。相反，常规的注入机对Rs值及均匀度的控制要好得多。
硅的注入是通常用来形成非晶态的硅并且打断监测的硅片中硅与硅之间化学键的方法。硅与硅化学键断开的硅是处于不饱和的状态很易与另一个含硼这类的掺杂元素起反应。掺杂元素的激发可以在一个相对低很多的温度下发生，所以，较低温度下的激发提供了找到用硼及硅掺杂的硅片监测在低温下RTP的功效的可能性。用应用材料公司制造的Quantum Leap机台对一个N-型的硅片(2~5Ohms-cm)进行离子注入先用的硅(30KeV)及再用Boron(5KeV/3.5E15)硼进行离子注入。这个有注入的硅片然后在应用材料的公司的Centura XE+机台中650℃到700℃的氮气环境中进行退火。用在KLA-Tencor的Rs-75机器测量硅片的平面电阻。
图7显示出当保持硼的剂量不变的状态下，阻值Rs随硅的剂量增加的变化。硅片是在675℃下进行退火的。随着硅的注入剂量的增加，平面电阻的阻值Rs从491Ohm/SQ降到129Ohm/SQ。同时有更多的硼被激发。这些结果对这样的概念有着强有力支持，那就是非晶态前硅片的离子注入可使硼更易与硅反应，于是降低了退火温度及激发能。
图8显示出Rs值取决于不同硅元素注入剂量下的退火温度。硅的注入剂量是一个关键的参数，正如图中显示的那样，当退火温度从650℃增加到700℃且硅的注入剂量在5.0E14atoms/cm2，平面电阻Rs几乎保持不变。所以用这样剂量注入的硅片不适合监测RTP机台。随着硅注入的剂量的降低，平面电阻阻值Rs随退火温度而变的灵敏度增高。当非晶前的硅在1.2E14atoms/cm2时，获得灵敏度1.6Ohm/℃这比从用金属沉积过的硅片上得到的要高。更重要的是硅片的退火是在氮气下进行的，而不需要氧气。TiSix或CoSix退火用机台总是装有氧气探测器，所以退火室中是不允许有任何氧气的。硅与硅之间的化学键被硅的注入而打断，这样的掺杂输入使注入的硼可以与硅更容易反应，而对降低退火温度有帮助。
在一个合适的非晶态前的硅注入的剂量(S030K12E4T07和B005K35E5T00)下，可得到比金属沉积的硅片更高的敏感度1.6Ohm/℃。基于这样一个实验，我们认为低温退火及Rs对温度的较高灵敏度，提供了在低温下监测RTP的可能性。
以上所举例证仅为说明本发明的内容，在本发明的精神及范围内，使用者可视应用而对以上案例进行改进和修正。
权利要求
1.一个制造集成电路器件的方法，方法包括提供一个监测硅片，监测硅片含有硅材料，引入一些粒子到硅材料中一定的深度，这些粒子可降低激发能；将引入粒子的监测晶片置于急速热退火工艺中；在第一个温度状态，也就是一个定义为小于650℃低温区域，进行急速热退火；取出监测硅片；测量监测硅片的平面电阻；在硅片全表面小于2％容许误差范围内测定第一个温度；如果这第一温度是在规定的温度容许误差范围内，则将一些产品用的硅片进行急速热退火。
2.如权利要求1所述的的方法，其特征在于，引入粒子的步骤包括注入硅族的元素进入硅材料来使硅材料进入非晶状态并且注入硼族杂质进入硅材料，硼是没有激发的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，注入的硅族杂质的剂量是1×1014Atoms/cm2。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，注入的硼族杂质元素的剂量为3.5×1015Atoms/cm2。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一温度小于650℃。
6.权利要求1所述的方法，其特征在于，第一温度是小于550℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，硅材料是在一个非晶体的状态。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于，平面电阻用不同机台来量测的。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对生产用的硅片的工艺实施持续24小时。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，监测晶片是用至少10hms/℃温度灵敏度来定量刻划其特性的。
11.一种制造集成电路器件的方法，包括提供一个监测晶片，这个晶片含有一定深度的硅材料；注入硅族杂质元素到硅材料中使硅材料厚度一部分成为非晶态；引入硼族杂质元素进入非晶态硅的厚度内，这里硼族杂质元素在注入的过程没有激发，并且在进入硅材料中激发能量随之降低；将有硅及硼掺杂的监测晶片置于急速热退火；在这第一状态下进急速热退火，第一状态是在第一温度下激发一部分硼掺杂的状态，第一温度是定义为小于650℃的低温区域；取出监测晶片；测量监测晶片的平面电阻；在硅片全表面小于2％容许误差范围内测定第一个温度；如果这第一温度是在规定的温度的容许误差范围内，则将一些产品用硅片进行急速热退火。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，激发的硼杂质元素会影响平面电阻。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，含有硼族和硅族杂质元素的监测硅片是用温度灵敏度至少为10hm/℃来定量刻划其特性的。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，温度区域是小于550℃。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，使用的硅族掺杂元素的注入剂量是1×1014Atoms/cm2。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，硼族掺杂元素的注入剂量是3.5×1015Atoms/cm2。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，温度规定的容许误差范围在整片晶片范围内小于1％。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，产品用晶片要至少有100片。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，监测晶片是硅片。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步是将有硼和硅的离子注入后的监测晶片储存好。
全文摘要
本发明提供一种制造集成电路器件的方法，具体地说涉及使用离子注入过的晶片监测低温急速热退火工艺。这个方法包括提供一个含有硅材料的监测晶片。此方法将一些粒子注入进硅材料的一定深度。这些粒子在硅材料中激发能被降低。将含有这些注入粒子的监测晶片置入急速热退火的工艺中处理。也就是在第一温度下的第一状态进行急速的热退火的工艺过程。第一温度是在一个小于650℃的被定义为低温区的区域内。方法然后将晶片取出测量其平面电阻并在跨晶片容许误差小于2％范围测定第一温度。假如第一温度是在规定温度的容许误差范围内，则将一些产品用晶片进行急速热退火。
文档编号H01L21/265GK1624884SQ20031010911
公开日2005年6月8日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者吴金刚, 王粒子, 黄晋德, 刘玉红 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司