半導(dǎo)體離子注入工藝評估

離子注入工藝評估

摻雜物的種類、結(jié)深與摻雜物濃度是離子注入工藝的最重要因素。摻雜物種類可以通過離子注入機(jī)的質(zhì)譜儀決定，摻雜物濃度由離子束電流與注入時間的乘積決定。四點探針是離子注入監(jiān)測中最常使用的測量工具，可以測量硅表面的薄片電阻。離子注入過程中，薄片電阻R由Rs=p/t定義。電阻系數(shù)主要由摻雜物濃度決定，厚度方主要由摻雜結(jié)深決定，結(jié)深由摻雜物離子的能量決定。薄片電阻的測量可以提供有關(guān)摻雜物濃度的信息，因為結(jié)深可以由已知的離子能量、離子種類和襯底材料估計。

二次離子質(zhì)譜儀

通過使用一個主要的重離子束轟擊樣品表面并收集不同時間濺射的二次離子質(zhì)譜，可測量摻雜種類、摻雜濃度和摻雜濃度的深度剖面。SIMS是一個標(biāo)準(zhǔn)的離子注入測量方法，因為它可以測量并評估所有離子注入過程中的關(guān)鍵因素。但是，它是破壞性的，濺射的光斑尺寸大，速度慢。SIMS被廣泛應(yīng)用于實驗室和早期離子工藝發(fā)展時期。這種方法不能用于臨場檢測系統(tǒng)。下圖(a)說明了SIMS的工作過程，結(jié)深可以通過濺射時間計算。下圖(b)顯示T1keV11B離子注入在硅片上的SIMS測量結(jié)果。

四點探針法

下圖所示的四點探針是最常用于測量薄片電阻的工具。通過在兩個探針之間施加定量的電流并測量另外兩個探針之間的電壓差，薄片電阻便能被計算出來。四點探針測量通常在熱退火過程后進(jìn)行，因為熱退火能修復(fù)損壞的晶體結(jié)構(gòu)并激活摻雜物。由于四點探針直接與晶圓表面接觸，所以這種測量方法主要用在測試晶圓上進(jìn)行工藝過程的發(fā)展、驗證以及控制。在測量過程中，必須使用足夠的力使探針與硅表面接觸，這樣探針才能穿透10?20A的原生氧化層與硅襯底真實接觸。下圖說明了一個離子注入退火后的晶圓利用四點探針法測量的例子。

熱波法

另一個常使用的工藝監(jiān)測過程是熱波探針系統(tǒng)。熱波系統(tǒng)中，氯激光在晶圓表面上產(chǎn)生熱脈沖，而He-Ne探針激光將在同一點測量由加熱激光造成的直流反射系數(shù)（E）和反射系數(shù)的調(diào)制量。二者的比例稱為熱波（ThermalWave,TW）。熱波信號與晶體的損傷有關(guān)，因為晶體損傷是離子注入劑量的函數(shù)。下圖所示為熱波法系統(tǒng)示意圖。

熱波測量是在離子注入后的熱退火前進(jìn)行。這是優(yōu)于四點探針技術(shù)的方面，因為四點探針在測量之前需要先進(jìn)行退火。熱波探針的另一個優(yōu)點是非破壞性測量，所以可以應(yīng)用在產(chǎn)品晶圓上，而四點探針只能用在測試晶圓上。熱波量測的缺點之一是在低劑量時靈敏度較低，例如當(dāng)神與磷注入的劑量為10的12次方離子/cm2時，10%的劑量變化只能引起熱波信號2%的改變。另一個缺點為熱波信號對時間的漂移，這由室溫退火或周圍環(huán)境退火引起，所以熱波測量需要在離子注入后盡快進(jìn)行。由激光束在測量期間引起的晶圓加熱也會加速損傷松弛，這個松弛效應(yīng)也會改變襯底的反射系數(shù)。測量過程將干擾被測數(shù)值，因此熱波測量缺乏較高的測量準(zhǔn)確性。許多因素將影響熱波測量,例如離子束電流、離子束能量、晶圓圖形及屏蔽氧化層的厚度。熱波主要的優(yōu)點是可以測量產(chǎn)品晶圓，其他的測量則無法做到。熱波測量提供給工藝工程師一個有用的工具，通過離子注入后立刻測量產(chǎn)品晶圓進(jìn)行工藝控制，從而可以避免其他工藝監(jiān)測所需的長時間。

審核編輯：湯梓紅