一种通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法与流程

1.本发明属于半导体制造领域，具体地涉及一种通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法，其适用于超低温离子注入设备。


背景技术：

2.半导体器件在很长的一段时间内一直向着小型化发展，根据摩尔定律，集成电路芯片单位面积上所集成的半导体器件数目每隔18个月就将翻一倍，而伴随着器件的小型化，器件内部大部分结构势必要等比例缩小。目前半导体器件的关键尺寸业已达到纳米或深纳米级，而使用超低温离子注入技术制造超浅结、突变结，减少离子注入射程末端缺陷(eor damage)，成为提高互补金属氧化物半导体性能的有效途径。
3.超低温离子注入技术对生产环境的要求极为严格，在对晶圆进行离子注入前需要将晶圆温度降至零下50摄氏度以下。在降温过程中，冷却晶圆所处的设备内部环境中，极微量的水汽或二氧化碳等气体都将在晶圆表面凝结成霜。这层霜将阻挡后续离子注入，导致整片晶圆离子注入剂量减少，离子注入均匀度降低，进而导致器件性能降低，杀伤产品良率。如图4a、图4b所示，其中图4a为在设备内部环境合格的情况下、超低温离子注入设备以一特定超低温离子注入条件完成注入后的晶圆的tem照片，其中非晶层（上层浅色区域）与晶体层（下层深色区域）之间的界面平整、清晰，非晶层较厚且无明显缺陷；图4b为在设备内部环境不合格的情况下、超低温离子注入设备以相同的离子注入条件完成注入后晶圆的tem照片；图4b与图4a对比可见，非晶层与晶体层之间的界面粗糙度较大，图4b中的非晶层比图4a中的非晶层整体厚度较薄，非晶层较薄处对应位置即说明晶圆表面相应位置在注入过程中存在阻挡。
4.综上述，为了完成高质量的离子注入，必须确保设备内部环境合格；如何确保设备内部环境合格一直是研究人员苦恼的事情。


技术实现要素：

5.基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法。
6.依据本发明的技术方案，本发明提供了一种通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法，所述方法适用于超低温离子注入设备，所述方法包括以下步骤：步骤s1，晶圆降温步骤，在超低温离子注入设备中将一片或多片晶圆在高真空环境中降温；步骤s2，在选定位置滞留步骤，将降温后的晶圆传送至待监测的腔室中滞留一段时间；步骤s3，晶圆升温步骤，将晶圆传送至真空升温模块e并进行升温，在此过程中通过真空计持续监测腔室中的真空度；步骤s4，数据处理步骤，对步骤s3获得的数据进行数据处理；
步骤s5，分析判断步骤，分析判断待测机台工艺系统是否合格。
7.进一步地，步骤s1进一步包括以下步骤：步骤s11，将一片或多片晶圆放置于晶圆传送盒中，将晶圆传送盒放置于一超低温离子注入设备的前端晶圆传送模块f的容纳台上；步骤s12，前端晶圆传送模块f中的机械手抓取一片晶圆并将其传送至装载模块a，然后，将前端晶圆传送模块f和装载模块a之间的门阀关闭，真空泵对装载模块a的腔室进行抽真空，使装载模块a的腔室的真空度降至与真空传送模块b接近的高真空度；步骤s13，装载模块a和真空传送模块b之间的闸板阀打开，真空传送模块b中的机械手抓取晶圆并将其传送至真空冷却模块c，在高真空条件下把晶圆温度降低至第一温度q1。
8.更进一步地，步骤s2进一步包括机械手将降温后的晶圆传送至真空传送模块b中，滞留第一时间t1。
9.优选地，步骤s3进一步包括步骤s31，步骤s31机械手将晶圆传送至真空升温模块e，对晶圆进行真空下的升温，使其温度升高至第二温度q2，q2为室温。
10.更优选地，步骤s4进一步包括对真空计在步骤s31得到的真空度数据进行处理形成真空度-时间曲线图，真空度数据进行处理包括与真空计相连的监测设备自动处理或人工处理。
11.另外，根据所述真空度
‑‑
时间曲线图，选取其中位于左侧和/或右侧的、图线明显较为稳定的部分数据；选取其中一点值，或对所选取的该部分数据中的真空度计算平均值。
12.在本发明的方法中，观察得到的真空度
‑‑
时间曲线图，若测得的真空度
‑‑
时间曲线上全部的数据点均处于真空度上限值pu和真空度下限值pl之间，则对于所监测的离子注入设备，步骤s14中晶圆所滞留的腔室中不存在水汽或二氧化碳，该低温离子注入设备正常。
13.与现有技术相比，本发明的通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法具有以下有益技术效果：1、可以定期监测超低温离子注入设备的生产情况，实现了对超低温离子注入过程中是否存在水汽或二氧化碳等气体含量的监测。
14.2、依据水汽或二氧化碳等气体的监测结果，可以实时调整机台工作状态，从而提高整体产品良率。
15.3、省去了在晶圆离子注入后期进行晶圆检测的工序，在晶圆离子注入前期就实现了实时监测超低温离子注入工艺中冷却晶圆所处设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体。
16.4、对超低温离子注入设备或超低温离子注入工艺进行监测，无需对机台结构进行改动，进一步节约了时间和费用成本。
附图说明
17.图1为本发明所监测的一种超低温离子注入设备的结构示意图。
18.图2为依据本发明的通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法的流程示意图。
19.图3为晶圆升温过程中，真空腔室中的真空度随时间变化的曲线的示意图。
20.图4a为在设备内部环境合格的情况下超低温离子注入设备完成注入后的晶圆的tem照片。
21.图4b为在设备内部环境不合格的情况下超低温离子注入设备完成注入后的晶圆的tem照片。
具体实施方式
22.下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
23.本发明提供一种通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法，其尤其适用于监测超低温离子注入设备的工作状况，本发明的一种通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法主要用于监测超低温离子注入工艺中设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体，进一步监测冷却后的晶圆所处设备内部环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体，例如监测真空注入模块的工艺腔中是否存在水汽或二氧化碳等气体。
24.所适用的超低温离子注入设备主要为实施晶圆离子注入的离子注入机等，在本发明的实施例中，超低温离子注入设备至少包括前端晶圆传送模块f、装载模块a、真空传送模块b、真空冷却模块c、真空注入模块d和真空升温模块e，前端晶圆传送模块f、装载模块a、真空传送模块b、真空冷却模块c、真空注入模块d和真空升温模块e相互配合且形成一个有机整体，该有机整体实现超低温离子注入过程中晶圆的传送、冷却、注入、升温等功能。前端晶圆传送模块f、装载模块a、真空传送模块b、真空冷却模块c、真空注入模块d和真空升温模块e均单独设有对应结构的腔室；在晶圆离子注入过程中，真空传送模块b、真空冷却模块c和真空注入模块d形成一个超低温工作环境，以满足超低温离子注入的需要；所述超低温工作环境一般为零下50摄氏度以下的低温环境，优选为零下100摄氏度至零下160摄氏度的低温环境。
25.在所适用的超低温离子注入设备中，前端晶圆传送模块f用于在晶圆传送盒与装载模块a之间移动传送待处理的晶圆或离子注入完成之后的晶圆；装载模块a用于真空环境与常温大气环境的转换以及加载待注入的晶圆或卸载注入完成之后的晶圆；真空传送模块b用于在真空环境下将待注入的晶圆传送到真空冷却模块c，或者将真空注入模块d中已完成注入的晶圆传送到真空升温模块e等；真空冷却模块c用于冷却待注入的晶圆，确保待注入的晶圆处于一个低温状态；真空注入模块d包括且不限于用于晶圆离子注入过程中翻转或移动晶圆，真空注入模块d是完成晶圆离子注入的模块；真空升温模块e用于对晶圆进行升温，将晶圆从超低温升温至室温。真空传送模块b、真空冷却模块c、真空注入模块d和真空升温模块e的腔室设置有与真空传送模块b、真空冷却模块c、真空注入模块d和真空升温模块e的腔室相连通的至少一台抽真空设备；在超低温离子注入设备工作过程中，相连通的真空传送模块b、真空冷却模块c、真空注入模块d和真空升温模块e的腔室始终有至少一台抽真空设备处于工作状态，使上述真空腔室保持在所需的高真空度；此外，包括与真空腔室相连的至少一台真空度测量设备，所述真空度测量设备对真空腔室的真空度进行监测。抽真
空设备优选真空泵，真空度测量设备优选真空计。
26.此外，前端晶圆传送模块f中至少包括一个用于传送晶圆的机械手和用于承载晶圆传送盒的容纳台。进一步地，前端晶圆传送模块f与装载模块a的一侧相连接，二者相连处设置有可控制的门阀，装载模块a的腔室中设置有用于放置晶圆的装载平台11，装载模块a还包括与其腔室相连的真空设备，例如抽真空的真空泵以及检测真空度的真空计等。
27.真空传送模块b与装载模块a的另一侧相连接，二者相连处设置有可控制的闸板阀。真空传送模块b中至少设有一个用于传送晶圆的机械手，优选为二个。机械手的末端具有能够承载晶圆的固持部，例如为金属板、夹子或吸盘等。真空传送模块b中还包括对准平台22，用于确定、校准晶圆的缺口位置，以确保晶圆在正确的角度、位置进行注入。对准平台22采用的方式例如光学对位或机械对位等。真空传送模块b中还包括与其腔室相连的真空设备，例如抽真空的真空泵以及检测真空度的真空计等。
28.真空冷却模块c与真空传送模块b的另一侧连接并连通，真空冷却模块c使晶圆在注入前冷却到低于注入工艺条件设定的温度，其中包括冷却装置，冷却装置连接有冷却系统，冷却装置上设置有晶圆固持部，例如为耐低温的静电吸盘。冷却系统通过冷却装置将晶圆固持部的温度降低至某一温度，例如为-60摄氏度以下。
29.真空注入模块d与真空传送模块b的又一侧连接并连通。半导体晶圆在真空注入模块d中按超低温的工艺条件实现离子注入。真空注入模块d内设置有晶圆扫描机械手41，晶圆扫描机械手41的末端设置有晶圆注入承载盘42，晶圆注入承载盘42例如为静电吸盘，用于承载并固持晶圆。优选的，晶圆注入承载盘42背面还设置有晶圆机械辅助夹具，晶圆机械辅助夹具用于使晶圆注入承载盘42可在与晶圆接触较少的情况下稳定固持。晶圆扫描机械手41用于翻转、移动晶圆注入承载盘42。在真空注入模块d一侧壁外固定设置有离子源生成和离子束成形模块，真空注入模块d的真空工艺腔与离子源生成和离子束成形模块相对的一侧壁上设置有束流收集法拉第44，用于在非注入阶段接收、检测离子束。在一实施例中，真空注入模块d还包括与真空注入模块d的腔室相连的真空计。
30.真空升温模块e与真空传送模块b的一侧相连接并连通，真空升温模块e中包括温度控制器、升温装置以及晶圆固持部，使晶圆在注入后升温到室温左右。升温装置上固定设置有晶圆固持部，晶圆固持部优选为静电吸盘，晶圆被固持于晶圆固持部上，并且，优选的，晶圆固持部对每一片晶圆实现单独升温。升温装置与其连接的晶圆固持部之间采用接触式的热传导或辐射传热等方式均可。在一实施例中，真空升温模块e还包括与真空升温模块e的腔室相连的真空泵和/或真空计。
31.本技术人经过研究发现：若离子注入设备中存在水汽和二氧化碳等气体时，在一定低温下，这些气体会凝固为固体、附着在晶圆表面（呈现为一定厚度的结霜情况）；对晶圆进行升温时，晶圆表面的结霜固体会升华为气体，这些阻碍减轻了离子束对晶圆造成的注入，进而真空腔室的真空度（气压值）在该瞬间会发生明显变化。当水汽和二氧化碳等气体含量极低时，其不会引起真空腔室的真空度发生变化，此时可以认为不存在水汽和二氧化碳等气体。
32.本发明依据本技术人的上述研究而实现，本发明通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法来监测超低温离子注入设备，判断被冷却的晶圆所处的环境中是否存在水汽或二氧化碳等气体。
33.如图2所示，本发明通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法包括以下步骤：步骤s1，晶圆降温步骤，在超低温离子注入设备中将一片或多片晶圆在高真空环境中降温；步骤s2，在选定位置滞留步骤，将降温后的晶圆传送至待监测的腔室中滞留一段时间；步骤s3，晶圆升温步骤，将晶圆传送至真空升温模块e并进行升温，在此过程中通过真空计持续监测腔室中的真空度；步骤s4，数据处理步骤，对步骤s3获得的数据进行数据处理；步骤s5，分析判断步骤，分析判断待测机台工艺系统是否合格。
34.进一步的，步骤s1进一步包括：步骤s11，将一片或多片晶圆放置于晶圆传送盒中，将晶圆传送盒放置于超低温离子注入设备的前端晶圆传送模块f的容纳台上。超低温离子注入设备就是本方法即将进行监测的待测机台。
35.步骤s12，前端晶圆传送模块f中的机械手抓取一片晶圆并将其传送至装载模块a，然后将前端晶圆传送模块f和装载模块a之间的门阀关闭，真空泵对装载模块a的腔室进行抽真空，使装载模块a的腔室的真空度降至与真空传送模块b接近的高真空度。本步骤s12中的高真空度量级优选为真空度量级为10-5 torr至10-7 torr。
36.步骤s13，将装载模块a和真空传送模块b之间的闸板阀打开，使用真空传送模块b中的机械手抓取晶圆并将晶圆传送至真空冷却模块c，在高真空条件下把晶圆温度降低至第一温度q1。
37.其中，本步骤s13中的高真空条件的真空度v1控制在1
×
10-4 torr以下，优选为3
×
10-6 torr以下；第一温度q1根据真空度v1以及欲检测的气体物质的相图进行确定，例如第一温度q1低于h2o相图中的固-气转变温度，所述固-气转变温度为压力为v1时对应的固-气转变温度（此时真空度v1）；优选第一温度q1小于等于-60摄氏度，更优选为-130摄氏度左右；在一实施例中，与冷却装置关联的静电吸盘对晶圆进行降温，该静电吸盘的温度控制在小于等于-70摄氏度，优选的为-110摄氏度至-160摄氏度中的某一温度；晶圆在该静电吸盘上的滞留时间例如为30秒以上。
38.步骤s2进一步包括：步骤s21，机械手将降温后的晶圆传送至真空传送模块b中，滞留第一时间t1，例如为60秒以上。
39.步骤s3进一步包括：步骤s31，机械手将晶圆传送至真空升温模块e，对晶圆进行真空下的升温，使晶圆温度升高至第二温度q2，q2约为室温，例如为20至30摄氏度中的某一温度。在一实施例中，升温装置上连接的静电吸盘对晶圆进行升温，该静电吸盘的温度控制在例如40至80摄氏度，优选为70摄氏度左右；晶圆在该静电吸盘上的滞留时间为30秒以上，直到晶圆温度达到第二温度q2，q2约为室温。在升温过程中，可以是步骤s1至s3全过程或仅其中一部分时间段，但至少包括晶圆在真空中升温、且温度处于欲监测的气体在该真空度下的相变点附近时的部分时间段，通过与真空升温模块e相连的真空计持续监测并记录真空升温模块e中的
真空度。
40.步骤s4进一步包括：步骤s41，对真空计于步骤s31得到的真空度数据，经由与真空计相连的监测设备自动处理或由人工处理，形成真空度
‑‑
时间曲线图，示意图如图3所示。
41.步骤s42，根据步骤s41得到的真空度
‑‑
时间曲线图，选取其中位于左侧和/或右侧的、图线明显较为稳定的部分数据；所述数据通常选取真空计测量的值会有波动，但波动范围很小的数据；选取其中一点值，或对所选取的该部分数据中的真空度计算平均值，记为基准真空度po，例如为5
×
10-6 torr。
42.步骤s43，本技术人根据多次检验和多次测试获知，真空度波动范围在基准真空度po
±
5%范围内波动，则处于正常范围；以此确定真空度上限值pu，pu=po
×
（1 5%），真空度下限值pl，pl=po
×
（1-5%）；例如，po=5
×
10-6 torr时，pu=5.25
×
10-6 torr，pl=4.75
×
10-6 torr。
43.在真空度
‑‑
时间曲线图中画出真空度等于真空度上限值pu以及真空度等于真空度下限值pl的图线。所得到的真空度
‑‑
时间曲线图例如图3所示。
44.步骤s5进一步包括：步骤s51，观察分析步骤s43得到的真空度
‑‑
时间曲线图，若测得的真空度
‑‑
时间曲线上全部的数据点均处于真空度上限值pu和真空度下限值pl之间，则对于所监测的离子注入设备，步骤s14中晶圆所滞留的腔室中不存在水汽或二氧化碳等气体，该离子注入设备正常，可继续工作。
45.若在某一温度附近真空度明显升高、随后降低，且该升高后的真空度峰值超过真空度上限值pu，则表明该离子注入设备的真空传送模块b中存在水汽或二氧化碳等气体，该离子注入设备的工艺环境不合格，需要进行停机调整（维护）。调整的方式为停机之后将水汽和二氧化碳等气体排除，并且对该真空腔室进行漏点检测和漏点密封处理；例如检测该机台（超低温离子注入设备）的真空腔室中何处存在漏点导致外界的水汽和二氧化碳等气体进入，进而针对漏点进行密封处理。
46.在另一实施例中，与上面实施例的区别在于将上面实施例中步骤s14中的将降温后的晶圆在真空传送模块b中滞留，改为将降温后的晶圆在真空注入模块d中滞留，其余步骤均相同。即，将监测的重点替换为监测真空注入模块d中是否存在水汽或二氧化碳等气体。
47.进一步地，将降温后的晶圆滞留位置可根据需要选定为该离子注入设备中任一腔室的任一空间位置。
48.本发明通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法为每台设备按一定监测频率定期进行，监测频率根据每台设备实际工作状态等选择即可，监测频率例如为每一天/每二天进行一次。
49.超低温离子注入工艺对于半导体芯片先进制程是不可或缺的，尤其适用于例如28nm以下的先进制程的半导体芯片先进制程，更优选适用14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等的先进制程。这些先进制程的监测仅仅理论上有所研究，但是没有任何厂家或研究机构公开该监测技术实施细节内容。正因为没有可以公开且可以实施的半导体芯片先进制程技术等监测技术，导致良品率非常低且无法工业生产，进而导致我国的半导体芯片制造受限与人且
举步维艰。
50.本发明的通过测量真空度进行超低温离子注入设备监测的方法对于超低温离子注入设备工作状态的定期监测尤为重要，采用本发明的监测方法，有助于保障半导体制造业大规模产线稳定可靠的运行以及产品良率的提升。
51.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。