一种IV族元素离子的离子注入工艺的监测方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法。

背景技术：

在现有的半导体离子注入工艺中，除了注入ⅲ族或ⅴ族元素离子(例如硼离子、磷离子或砷离子)以改变半导体器件的导电性能之外，通常还会注入iv族元素离子(例如碳离子、硅离子、锗离子、锡离子或铅离子)，以对半导体器件进行非晶化处理。具体而言，可以通过注入iv族元素离子使得待处理表面形成预损伤，从而减轻在后续离子注入工艺中的沟道效应，并且有助于避免浅层注入的离子从表面析出。

进一步地，在生产中需要对离子注入工艺的一致性进行监测，例如在对控片进行预设剂量的离子注入后，采用四探针法测量所述控片表面的电阻率，以根据所述电阻率是否符合预期，确定是否发生离子注入的异常情况，特别是是否发生注入剂量异常。其中，所述电阻率可以通过方块电阻(sheetresistance，rs)或者薄膜电阻的方式测得。

但是，在现有技术中，由于iv族元素离子并不提供多余的电子或空穴，即向半导体衬底注入iv族元素离子后，所述半导体衬底的电阻率不会发生变化，也就无法直接采用测量电阻率的方法确定是否发生iv族元素离子注入剂量异常。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法，可以采用电阻率测量方法确定是否发生iv族元素离子注入工艺异常。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法，包括以下步骤：提供半导体衬底；根据预设的第一离子注入参数，向所述半导体衬底内进行载流子离子注入，以形成载流子掺杂区；按照预设的第二离子注入参数，向所述载流子掺杂区进行iv族元素离子的离子注入，以形成混合掺杂区；对所述混合掺杂区的电阻率进行测量；根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常。

可选的，向所述半导体衬底内进行载流子离子注入的掺杂离子为：p型离子或n型离子。

可选的，所述p型离子或n型离子选自：硼离子、磷离子以及砷离子。

可选的，所述第一离子注入参数包括：注入能量为0.5kev至60kev；注入剂量为1e13atom/cm²至5e16atom/cm²；注入角度为0度至10度。

可选的，向所述载流子掺杂区进行iv族元素离子的离子注入的掺杂离子为：碳离子、硅离子或锗离子。

可选的，所述第二离子注入参数包括：注入能量为0.5kev至60kev；注入剂量为1e13atom/cm²至5e16atom/cm²；注入角度为0度至10度。

可选的，采用四探针法或扩展电阻法对所述混合掺杂区的电阻率进行测量。

可选的，根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常包括：如果所述混合掺杂区的电阻率与预设电阻率的差值超出预设差值范围，则确定所述iv族元素离子的注入工艺发生异常。

可选的，根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常包括：如果所述混合掺杂区的电阻率与前一次或者前多次测量得到的电阻率的差值超出预设差值范围，则确定所述iv族元素离子的注入工艺发生异常。

可选的，所述iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法还包括：存储所述离子注入工艺的异常记录和/或发出警示信息。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，提供半导体衬底；根据预设的第一离子注入参数，向所述半导体衬底内进行载流子离子注入，以形成载流子掺杂区；按照预设的第二离子注入参数，向所述载流子掺杂区进行iv族元素离子的离子注入，以形成混合掺杂区；对所述混合掺杂区的电阻率进行测量；根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常。采用上述方案，可以在进行iv族元素离子的离子注入之前，预先向所述半导体衬底内进行载流子离子注入，由于iv族元素离子的离子注入会破坏所述载流子与半导体衬底自身的离子之间形成的共价键，所以使得所述半导体衬底内的电阻率增大，因此可以采用电阻率测量方法确定是否发生iv族元素离子注入工艺异常。相比于现有技术中采用热波仪进行测量的方案，由于电阻率测量较为简单易行，实施电阻率测量的仪器种类往往多于热波仪，因此本发明实施例的方案具有更广泛的适用性。

进一步，在本发明实施例中，当监测到发生iv族元素离子注入工艺异常时，可以存储所述离子注入工艺的异常记录和/或发出警示信息，从而有效地提醒操作者及时处理，减少再次发生同样问题的可能性，有效地降低同类型问题导致的损失。

附图说明

图1是本发明实施例中一种iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法的流程图；

图2至图3是本发明实施例中一种载流子掺杂区的形成方法中各步骤的对应的器件剖面结构示意图；

图4是本发明实施例中一种混合掺杂区的晶格结构示意图；

图5至图6是本发明实施例中一种混合掺杂区的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图；

图7是本发明实施例中一种混合掺杂区的晶格结构示意图。

具体实施方式

在现有的半导体离子注入工艺中，除了注入ⅲ族或ⅴ族元素离子以改变半导体器件的电学性能之外，通常还会注入iv族元素离子，以对半导体器件进行非晶化处理。但是，由于iv族元素离子无法提供多余的电子或空穴，即向半导体衬底注入iv族元素离子后，所述半导体衬底的电阻率不会发生变化，也就无法直接采用测量电阻率的方法确定是否发生iv族元素离子注入工艺异常。

在现有的iv族元素离子测量技术中，通常采用热波仪(thermalwave，tw)测量，但是热波仪在半导体制造中的应用较少，往往采购数量也较少，一旦发生热波仪机器故障，则容易导致生产受到影响。

本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，iv族元素离子不提供多余的电子或空穴，所以电阻率不发生变化，导致不能使用机器数量众多，并且得到广泛应用的电阻率测量法测量iv族元素离子，以至于生产受限。

在本发明实施例中，提供半导体衬底；根据预设的第一离子注入参数，向所述半导体衬底内进行载流子离子注入，以形成载流子掺杂区；按照预设的第二离子注入参数，向所述载流子掺杂区进行iv族元素离子的离子注入，以形成混合掺杂区；对所述混合掺杂区的电阻率进行测量；根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常。采用上述方案，可以在进行iv族元素离子的离子注入之前，预先向所述半导体衬底内进行载流子离子注入，由于iv族元素离子的离子注入会破坏所述载流子与半导体衬底自身的离子之间形成的共价键，所以使得所述半导体衬底内的电阻率增大，因此可以采用电阻率测量方法确定是否发生iv族元素离子注入工艺异常。相比于现有技术中采用热波仪进行测量的方案，由于电阻率测量较为简单易行，实施电阻率测量的仪器种类往往多于热波仪，因此本发明实施例的方案具有更广泛的适用性。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图1，所述图1是本发明实施例中一种iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法的流程图。所述iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法可以包括步骤s11至步骤s15：

步骤s11：提供半导体衬底；

步骤s12：根据预设的第一离子注入参数，向所述半导体衬底内进行载流子离子注入，以形成载流子掺杂区；

步骤s13：按照预设的第二离子注入参数，向所述载流子掺杂区进行iv族元素离子的离子注入，以形成混合掺杂区；

步骤s14：对所述混合掺杂区的电阻率进行测量；

步骤s15：根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常。

下面结合图2至图7对上述步骤s11至步骤s13进行说明。

图2至图3是本发明实施例中一种载流子掺杂区的形成方法中各步骤的对应的器件剖面结构示意图。

参照图2，提供半导体衬底100，根据预设的第一离子注入参数，向所述半导体衬底100内进行载流子离子注入。

具体地，所述半导体衬底100可以为硅衬底，或者所述半导体衬底100的材料还可以为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底100还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底，或者是生长有外延层(epitaxylayer，epilayer)的衬底。

向所述半导体衬底100内进行载流子离子注入的掺杂离子可以为p型离子或n型离子，以形成电流载体，也即载流子。具体地，电子以及电子流失导致共价键上留下的空穴均被视为载流子。

进一步地，所述p型离子或n型离子选自：硼离子、磷离子以及砷离子。具体地，在注入磷离子、砷离子以形成的n型半导体中，所载流子指自由电子；在注入硼离子以形成的p型半导体中，所载流子指空穴。所述自由电子或空穴在电场作用下能够进行定向运动，形成电流。

优选地，可以采用磷离子进行载流子离子注入。具体而言，与采用硼离子相比，采用磷离子可以以自由电子作为载流子，并且在离子注入后扩散运动较少，作为浅层注入时不容易从表面析出。进一步地，与同样提供电子的砷离子相比，原子量较小。

进一步地，作为一个非限制性的例子，所述第一离子注入参数可以包括：

注入能量为0.5kev至60kev；

注入剂量为1e13atom/cm²至5e16atom/cm²；

注入角度为0度至10度。

优选地，以磷离子为例，注入剂量可以为2e15atom/cm²，注入角度可以为7度。

需要指出的是，在具体应用中，可以根据不同的工艺需求，选择适合的第一离子注入参数。

参照图3，可以对所述半导体衬底100进行退火处理，以形成载流子掺杂区120。

具体地，所述退火处理可以选自：炉管退火、快速热退火、尖峰退火以及激光退火。

优选地，在本实施例中，可以采用炉管退火或快速热退火(rapidthermalannealing，rta))，以修复晶格缺陷。

更优选地，可以选择rta，通过极快地升温和在高温下持续短暂的时间，对半导体衬底100进行处理，从而修复晶格缺陷、激活注入的杂质离子以及最小化杂质离子的扩散。

需要说明的是，退火处理的步骤是可选的。由于退火后可以形成更多的共价键，当采用电阻率测量法对载流子掺杂区120进行测量时，测得的电阻率较低并且更加稳定，有助于与后续再次测得的电阻率进行比较。

参照图4，图4是本发明实施例中一种载流子掺杂区的晶格结构示意图。以下以所述载流子为磷离子为例进行描述。

在进行退火处理后，所述载流子掺杂区中，图例41示出的磷原子(a)与图例42示出的硅原子(si)结合以形成共价键，被共价键束缚的电子或空穴无法用于导电，但磷原子中未被束缚的自由电子可以参与导电，从而可以采用电阻率测量法对载流子掺杂区进行测量。

如果图例41示出的所述载流子为硼离子，则在形成共价键之后，空穴可以参与导电，从而也可以采用电阻率测量法对载流子掺杂区进行测量。

图5至图6是本发明实施例中一种混合掺杂区的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。

参照图5，按照预设的第二离子注入参数，向所述载流子掺杂区120进行iv族元素离子的离子注入。

其中，向所述载流子掺杂区120进行iv族元素离子的离子注入的掺杂离子可以为碳离子、硅离子或锗离子。

进一步地，作为非限制性的例子，所述第二离子注入参数可以包括：

注入能量为0.5kev至60kev；

注入剂量为1e13atom/cm²至5e16atom/cm²；

注入角度为0度至10度。

优选地，以锗离子为例，注入剂量可以为5e14atom/cm²，注入角度可以为7度。

需要指出的是，在具体应用中，可以根据不同的工艺需求，选择适合的第二离子注入参数。

参照图6，通过注入iv族元素离子，以形成混合掺杂区122。

具体地，由于离子注入的注入能量越高，注入深度越深，因此，可以通过选择合适的iv族元素离子的离子注入的注入能量，使iv族元素离子的离子注入的注入区域与所述载流子掺杂区120所在区域接近。

参照图7，图7是本发明实施例中一种混合掺杂区的晶格结构示意图。以下以所述载流子为磷离子、以iv族元素离子为锗离子为例进行描述。

在所述混合掺杂区中，图例71示出的磷原子(a)的一部分与图例72示出的硅原子(si)以共价键的方式结合，磷原子中未被束缚的自由电子可以参与导电。通过向混合掺杂区注入图例74示出的锗离子(ge)，可以打断部分磷原子与硅原子形成的共价键，形成如图例73示出的共价键被破坏的磷原子(a)，使得图例73示出的磷原子中原本可以用于导电的自由电子不再参与导电，从而使混合掺杂区的电阻率增加。

如果图例71示出的所述载流子为硼离子，则在共价键被破坏之后，原本可以用于导电的空穴不再参与导电，也会使混合掺杂区的电阻率增加。

需要指出的是，注入的iv族元素离子的剂量越高，所述共价键被破坏的越严重，在采用同样的第一离子注入参数与第二离子注入参数的情况下，被破坏的共价键的数目应当是趋同的，即多次形成混合掺杂区，并且测量得到的电阻率也应当是趋同的。

继续参照图1，在步骤s14的具体实施中，通过测量所述混合掺杂区的电阻率，可以反映出在iv族元素离子的离子注入的步骤中真实注入的剂量。

具体地，可以采用四探针法或扩展电阻法对所述混合掺杂区的电阻率进行测量。

更具体而言，关于四探针法，可以采用4根探针，通过在一条线上的等距离放置，使4根探针依次接触混合掺杂区的表面，在外面的两根探针之间施加已知的电流值，可以测得里面的两根探针之间形成的电势差，进而根据所述电流值和电势差确定电阻率。

关于扩展电阻法，可以采用金属探针与混合掺杂区的表面形成压力接触，且在探针施加预设的电流值，流入混合掺杂区，则电流在接触点集中，而在半导体衬底中呈辐射状，可以根据微分电阻的累加结果，确定所述混合掺杂区的电阻率。

需要指出的是，还可以采用常规的用于测量电阻率的其他方法，在本发明实施例中，对于如何测量得到混合掺杂区的电阻率不做限制。

在步骤s15的具体实施中，根据所述混合掺杂区的电阻率，可以确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常，例如注入剂量不符合预期需求、注入位置发生非预期变化等。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常可以包括：如果所述载流子掺杂区的电阻率与预设电阻率的差值超出预设差值范围，则确定所述iv族元素离子的注入工艺发生异常。

具体地，可以根据同一产品或者其他同类型产品的历史数据确定预设电阻率，进而根据所述混合掺杂区的电阻率与预设电阻率的比较关系，确定真实注入的iv族元素离子的剂量是否与第二离子注入参数相符合，如果与预设电阻率的差值较大，例如超出预设差值范围，则可以确定所述iv族元素离子的注入工艺发生异常，例如注入剂量不符合预期需求。

在本发明实施例的另一种具体实施方式中，根据所述混合掺杂区的电阻率，确定所述iv族元素离子的离子注入工艺是否发生异常可以包括：如果所述混合掺杂区的电阻率与前一次或者前多次测量得到的电阻率的差值超出预设差值范围，则确定所述iv族元素离子的注入工艺发生异常。

具体地，可以将所述混合掺杂区的电阻率与前一次或者前多次的历史数据的比较关系，确定真实注入的iv族元素离子的剂量是否与前一次或者前多次的注入剂量相符合，如果与前一次或者前多次的注入剂量的差值较大，例如超出预设差值范围，则确定所述iv族元素离子的注入工艺发生异常。

在本发明实施例中，可以在进行iv族元素离子的离子注入之前，预先向所述半导体衬底内进行载流子离子注入，由于iv族元素离子的离子注入会破坏所述载流子与半导体衬底自身的离子之间形成的共价键，所以使得所述半导体衬底内的电阻率增大，因此可以采用电阻率测量方法确定是否发生iv族元素离子注入工艺异常。相比于现有技术中采用热波仪进行测量的方案，由于电阻率测量较为简单易行，实施电阻率测量的仪器种类往往多于热波仪，因此本发明实施例的方案具有更广泛的适用性。

进一步地，所述iv族元素离子的离子注入工艺的监测方法还包括：存储所述离子注入工艺的异常记录和/或发出警示信息。

在具体实施中，在判断iv族元素离子的注入工艺发生异常时，存储所述离子注入工艺的异常记录和/或发出警示信息。

其中，存储所述离子注入工艺的异常记录有助于长期地进行数据跟踪，以有效分析离子注入工艺的技术能力强度。具体地，可以通过复用测试设备或离子注入机器上的存储模块进行存储，或者传输至用户的其它存储设备上进行存储，本发明对此不做限制。

所述发出警示信息可以包括发出报警提示音或者显示报警信息。具体地，报警提示音可以通过复用测试设备或离子注入机器上的电声装置发出，也可以采用外加的电声装置发出。报警信息可以通过复用测试设备或离子注入机器上的显示装置进行显示，或者传输至用户的其它显示设备上进行显示，本发明对此不做限制。

在本发明实施例中，当监测到发生iv族元素离子注入工艺异常时，可以存储所述离子注入工艺的异常记录和/或发出警示信息，从而有效地提醒操作者及时处理，减少再次发生同样问题的可能性，有效地降低同类型问题导致的损失。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。