一种通过SIMS对超低温离子注入设备监测的方法与流程

一种通过sims对超低温离子注入设备监测的方法
技术领域
1.本发明属于半导体制造领域，具体地涉及一种通过sims对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.因此，为了完成高质量的离子注入，必须确保设备内部环境合格，这就需要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。


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sims对超低温离子注入设备监测的方法，其主要用于监测或检测超低温离子注入工艺中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。
6.依据本发明的技术方案，本发明提供了一种通过sims对超低温离子注入设备监测的方法，其包括以下步骤：步骤s1，在基准机台完成超低温离子注入；步骤s2，在待测机台完成超低温离子注入；步骤s3，对步骤s1、步骤s2获得的晶圆分别进行取样；步骤s4，用二次离子质谱分析（sims）对步骤s3得到的晶圆样品分别进行测试并获得测试结果；步骤s5，对步骤s4获得的结果进行处理、分析，判定待测机台的工艺环境是否合
格。
7.其中，步骤s1包括步骤s11，步骤s11使用长期运行状态稳定的一超低温离子注入设备，在高真空条件下把待注入的晶圆传送至真空冷却模块c，使晶圆降温到第一温度q1，然后传送至真空注入模块d，再滞留一定时间，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺。注入离子为碳离子。
8.进一步地，注入条件为注入能量为2至60 kev附近的某值，剂量为10
14
至10
15 atom/cm
²
量级的某值，注入角度为0至45度中的某一角度。
9.优选地，步骤s2具体包括使用待测机台在与步骤s1真空条件相同的高真空条件下把待注入的晶圆传送至真空冷却模块c，使晶圆降温到第一温度q1，然后传送至真空注入模块d，再滞留与步骤s1中待注入的晶圆滞留时间相同的时间，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺。
10.优选地，所用的晶圆与步骤s11中所用的晶圆为同一批次的晶圆，晶圆注入工艺所设定的工艺条件与步骤s11中所设定的工艺条件相同。
11.更优选地，步骤s3具体包括步骤s31：对步骤s1和s2获得的完成注入的晶圆进行切割取样，取得为2
×
2cm的晶圆样品；两组晶圆样品的取样位置相近，两组晶圆样品均分别取自于对应晶圆的中心位置或均分别取自于对应晶圆的边缘位置。
12.更优选地，步骤s4具体包括步骤s41，使用二次离子质谱仪对步骤s3得到的晶圆样品进行测试分析，得到该两组晶圆样品的sims曲线图，并且两组晶圆样品需要按照同样的条件在同一台二次离子质谱仪上进行测试。
13.进一步地，步骤s51对步骤s41得到的sims曲线图进行分析：若d1
×
（1-a%）《 d2 《 d1
×
（1 a%），则该待测机台设备内部环境合格，该待测机台可继续工作；根据经验，a取值5；若d2 ≤ d1
×
（1-a%）或d2 ≥ d1
×
（1 a%），则表明该待测机台所测真空腔室内存在水汽或二氧化碳，此类气体在冷却晶圆表面凝结成霜，进而阻挡了部分注入离子，需要进行停机维护；其中，d1为深度标准值；d2为深度监测值。
14.与现有技术相比，本发明的通过sims对超低温离子注入设备监测的方法的有益技术效果如下：1、可以定期监测，实现了对超低温离子注入过程中的水汽或二氧化碳等气体含量是否存在的监测。
15.2、依据监测结果，可以调整机台工作状态，例如检漏并封闭漏孔。
16.3、定期监测可保证若出现问题便能及时发现、调整，从而提高整体的产品良率。
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为依据本发明一实施例的监测方法的流程简化示意图。
19.图3为采用二次离子质谱分析（sims）测试得到的两不同晶圆样品的曲线的示意图。
20.图4a为一超低温离子注入设备在设备内部环境合格的情况下完成注入后的晶圆
的tem照片。
21.图4b为一超低温离子注入设备在设备内部环境不合格的情况下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sims对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，所述sims为二次离子质谱分析技术。本发明通过一次离子溅射或多次离子溅射，可以对离子注入的晶圆进行质谱分析、深度剖析或成二次离子像；其检测下限可达百亿分之几的数量级（可以精确到1nm）；对痕量组分能进行深度剖析,可在微观(μm级)上观察表面的特征,也可以对同位索进行分析和对低原子序数的元素(如氢、锂、铍等)进行分析。本发明的通过sims对超低温离子注入设备监测的方法与现有技术的静态模式和动态模式溅射检测不同，而采用的是样品检测与基准检测的对比检测。
24.本发明的一种通过sims对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。
25.本发明的一种通过sims对超低温离子注入设备监测的方法，尤其适用于监测超低温离子注入设备，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，如图1所示，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。
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。当离子注入晶圆后，对晶圆升温并取出晶圆，上述结霜固体已在升温过程中升华，借助
通过对注入的离子的浓度分布等诸如情况的检测、与正常情况（不存在水汽和二氧化碳等这些气体）进行对比，即可发现这些气体形成的阻碍曾经存在。
33.本发明方法依据本技术人的上述研究而实现，本发明方法通过sims监测的方法来监测超低温离子注入设备，来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。当水汽和二氧化碳等气体含量极低时，其不会引起注入的离子的浓度分布发生变化，此时可以认为不存在水汽和二氧化碳等气体。
34.如图2所示，本发明的一种通过sims对超低温离子注入设备监测的方法，其包括晶圆w1在基准机台上进行离子注入、取样之后，利用二次离子质谱仪进行检测，以及包括晶圆w2在待测机台上进行离子注入、取样之后，利用二次离子质谱仪进行检测；此后将二者的检测结果进行处理、分析，进而判定待测机台的工艺环境是否合格。
35.进一步，所述通过sims对超低温离子注入设备监测的方法包括下列步骤：步骤s1，在基准机台完成超低温离子注入；步骤s2，在待测机台完成超低温离子注入；步骤s3，对步骤s1、步骤s2获得的晶圆分别进行取样；步骤s4，用二次离子质谱分析（sims）对步骤s3得到的晶圆样品分别进行测试并获得测试结果；步骤s5，对步骤s4获得的结果进行处理、分析，判定待测机台的工艺环境是否合格。
36.进一步的，步骤s1具体包括：步骤s11，步骤s1使用长期运行状态稳定的一超低温离子注入设备，在高真空条件下把待注入的晶圆传送至真空冷却模块c，使晶圆降温到第一温度q1，然后传送至真空注入模块d，再滞留一定时间，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺。其中滞留一定时间优选滞留60秒以上，以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺至少包括限定任一注入能量、剂量、注入角度的工艺条件下完成晶圆注入工艺。
37.其中，高真空条件例如真空度v1在1
×
10-4 torr以下，优选为3
×
10-6 torr；注入条件例如，注入离子为碳离子，注入能量为2至60 kev附近的某值，剂量为10
14
至10
15 atom/cm
²
量级之间的某值，注入角度为0至45度中的某一角度。
38.具体包括，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在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。
39.前端晶圆传送模块f中的机械手抓取一片或多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的腔室的气压降至与真空传送模块b接近的高真空度。优选高真空度的气压量级为10-5 torr至10-7 torr。
40.在装载模块a的腔室的气压降至与真空传送模块b接近的高真空度时，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对准平台22，对准平台22将晶圆的缺口位置及方向进行校准。
41.将校准后的晶圆传送至真空冷却模块c；在高真空条件下将晶圆温度降低至第一温度q1；其中，真空度v1例如在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相图中压力
为v1时对应的固-气转变温度，例如小于等于-60摄氏度，优选为-130摄氏度左右；一实施例中，冷却装置上连接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。
42.将晶圆传送至真空注入模块d内，滞留第一时间t1，例如为60秒以上。
43.然后以设定的工艺条件对至少一片晶圆完成超低温离子注入。
44.对完成注入的晶圆进行真空下的升温，使其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。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。
45.然后，将晶圆传送至装载模块a，关闭装载模块a与真空传送模块b之间的闸板阀，将装载模块a的气压升高至一个大气压左右，打开前端晶圆传送模块f与装载模块a之间的门阀，将晶圆通过前端晶圆传送模块f中的机械手传送至晶圆传送盒。
46.步骤s2具体包括：步骤s21，使用待测机台（即，欲对其设备内部环境是否合格进行监测的超低温离子注入设备），在与步骤s1真空条件相同的高真空条件下把待注入的晶圆传送至真空冷却模块c，使晶圆降温到第一温度q1，然后传送至真空注入模块d，再滞留与步骤s1中待注入的晶圆滞留时间相同的时间，优选再滞留例如60秒以上，然后以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺。以一设定的注入条件完成晶圆注入工艺至少包括限定任一注入能量、剂量、注入角度的工艺条件下完成晶圆注入工艺。
47.其中，步骤s21所用的晶圆与步骤s11中所用的晶圆为同一批次的晶圆，例如取自同一晶圆传送盒。步骤s21所设定的工艺条件与步骤s11中所设定的工艺条件相同，进一步地，所述工艺条件为完成离子注入的所有设定的工艺条件。
48.其中，高真空条件例如真空度v1在1
×
10-4 torr以下，优选为3
×
10-6 torr；注入条件例如，注入离子为碳离子，注入能量为2至60 kev附近的某值，剂量为10
14
至10
15 atom/cm
²
量级的某值，注入角度为0至45度中的某一角度。
49.具体包括，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在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。
50.前端晶圆传送模块f中的机械手抓取一片或多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的腔室的气压降至与真空传送模块b接近的高真空度。优选高真空度的气压量级为10-5 torr至10-7 torr。
51.在装载模块a的腔室的气压降至与真空传送模块b接近的高真空度时，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对准平台22，对准平台22将晶圆的缺口位置及方向进行校准，将校准后的晶圆传送至真空冷却模块c。在高真空条件下将晶圆温度降低至第一温度q1；其中，真空度v1例如在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相图中压力为v1时对应的固-气转变温度，例如小于等于-60摄氏度，优选为-130摄氏度左右；一实施例中，冷却装置上连接的静电吸盘对晶圆
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。
52.将晶圆传送至真空注入模块d内，滞留第一时间t1，例如为60秒以上。然后以设定的工艺条件对至少一片晶圆完成超低温离子注入。
53.对完成注入的晶圆进行真空下的升温，使其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。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。然后，将晶圆传送至装载模块a，关闭装载模块a与真空传送模块b之间的闸板阀，将装载模块a的气压升高至一个大气压左右，打开前端晶圆传送模块f与装载模块a之间的门阀，将晶圆通过前端晶圆传送模块f中的机械手传送至晶圆传送盒。
54.步骤s3具体包括：步骤s31，对步骤s1和s2获得的完成注入的晶圆进行切割取样，取得例如约为2
×
2cm的晶圆样品；两组晶圆样品的取样位置相同或相近，例如均分别取自于对应晶圆的中心位置或均分别取自于对应晶圆的边缘位置。
55.步骤s4具体包括：步骤s41，使用二次离子质谱分析（sims）对步骤s3得到的晶圆样品进行测试分析，得到该两组晶圆样品的sims曲线图（示例性的，如图3所示，晶圆样品数为二，对应图2中两条图线）。需要注意的是，两组晶圆样品需要同时同一批次按照同样的条件地在同一台二次离子质谱仪上进行测试。
56.步骤s5具体包括：步骤s51，对步骤s41得到的sims曲线图进行分析。以图3为例进行说明，图3中图线1为步骤s11得到的基准机台处理的晶圆的分析结果，图线1的峰值点对应的深度值（横坐标值）即为标准值d1；图线2为步骤s21得到的待测机台处理的晶圆的分析结果，图线2的峰值点对应的深度值（横坐标值）为监测值d2。
57.若d1
×
（1-a%）《 d2 《 d1
×
（1 a%），则该待测机台设备内部环境合格，该待测机台可继续工作；根据经验，a取值例如为5左右。
58.若d2 ≤ d1
×
（1-a%）或d2 ≥ d1
×
（1 a%），则表明该待测机台所测真空腔室内存在水汽或二氧化碳等，此类气体在冷却晶圆表面凝结成霜，进而阻挡了部分注入离子，需要进行停机调整维护。
59.调整的方式即为将水汽和二氧化碳排除，具体方法为检测该机台的真空腔室中何处存在漏点导致外界的水汽和二氧化碳进入，进而针对漏点进行密封处理。
60.本发明的监测方法为每台机台按一定监测频率定期进行，监测频率根据每台机台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。
61.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，尤其是适用于例如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。
62.本发明的sims对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。
63.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。