[发明专利]离子束电荷量控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种离子束的电荷特性检测方法。

背景技术

随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件为了达到更快的运算速度、更大的数据存储量以及更多的功能，半导体晶片朝向更高的元件密度、高集成度方向发展，CMOS(互补金属氧化物半导体晶体管)器件的栅极特征尺寸已经进入深亚微米阶段，栅极长度变得越来越细且长度变得较以往更短。为了获得较好的电学特性，例如载流子迁移率、阈值电压和驱动电流，通常需要在器件的特定区域进行杂质离子注入，例如向MOS晶体管的源极区和漏极区注入N型或P型杂质。为避免短沟效应，还需对源极区和漏极区的延伸区域进行轻掺杂，通常称为延伸掺杂，以使源/漏结区变浅。图1为对MOS器件的源/漏极区进行延伸掺杂的剖面示意图。图2为对MOS器件的源/漏极区进行重掺杂的剖面示意图。如图1所示，在半导体衬底100上形成栅极140之后，注入杂质离子形成延伸掺杂区域120和130。然后，如图2所示，在栅极140两侧形成侧墙(offset spacer)141，采用自对准工艺，在源极区和漏极区执行重掺杂形成源极121和漏极131。对于NMOS器件而言，n型杂质离子为磷(P⁺)或砷(As)；对于PMOS器件而言，p型杂质离子主要为硼(B⁺)。

对于65nm以下的工艺节点，离子注入剂量和均匀性需要得到很好的控制。在离子注入中，电离的杂质原子经静电场加速注射到晶片表面，通过测量离子电流可以严格控制注入剂量，通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。注入工艺所用的剂量范围从很轻掺杂的10¹¹cm^-2到诸如源/漏极的低电阻区所用的10¹⁶cm^-2。某些特殊的应用要求剂量大于10¹⁸cm^-2。

在对整个晶片进行注入时，离子注入系统首先将含有注入物质的气体送入反应室，硅工艺中常用的气体有BF₃、AsH₃和PH₃；GaAs工艺中常用的气体为SiH₄和H₂。图3为离子注入时在晶片表面积累电荷的剖面示意图。如图3所示，在放电腔室将气体激发为带电离子212，带电离子212通常为带正电的离子。在电极的作用下带电离子212形成离子束。在许多情况下，硅衬底表面具有的一个或多个材料层，例如二氧化硅或光刻胶等。当离子注入时，采用剂量均匀的地毯式注入方式，暴露在硅片表面的材料，例如光刻胶或氧化层200都是绝缘体，离子轰击硅片表面时会发射出二次电子，使这些层充满电荷211而使晶片表面局部带电。

在半导体器件制造过程中，由于很多工艺步骤，例如离子注入、等离子刻蚀或化学气相淀积等工艺，都需要借助带电粒子进行，晶片带电是经常发生的现象。晶片表面绝缘层上聚集的电荷会建立起空间电场，随着离子注入过程的推移，聚集电荷的绝缘层会随着电荷聚集量的增加而对离子束产生越来越强的排斥作用。这样，靠近绝缘层的衬底区域注入的离子数量便会减少，从而使硅片表面离子注入的均匀程度下降。此外，MOS晶体管薄的栅极氧化层极易因多晶硅或金属层表面传导的电荷产生的隧道电流所损坏，造成器件的良率降低。

申请号为02156342.X的中国专利申请公开了一种在晶片处理和器件制造、特别是等离子体和离子注入工艺期间晶片表面出现的电荷的检测方法。该方法在衬底中形成由MOS晶体管和MOS电容器组成的检测电路。检测电路将聚集在晶片上的电荷传送给一个电荷收集极板，通过读取极板上的电荷来获得电荷量。该方法虽然能够检测晶片表面的带电电荷，但并未给出如何消除离子束的正电荷对晶片的充电现象。而且该方法需要在衬底上形成单独的器件结构作为电荷检测电路，占用了芯片面积，提高了工艺复杂程度和制造成本。

另一篇专利号为ZL02154880.3的中国专利中，介绍了一种用与扼制衬底电荷积累的离子束辐照装置和方法，该方法通过在电子回旋加速器共振(ECR)离子产生装置中采用调制射频功率输出的方式建立ECR放电，获得能量可调的电子，通过改变调制频率控制加入电子的能量，从而达到控制离子束中电子的能量，降低或调整离子束在衬底表面的电荷电势的积累。虽然该方法能够通过调整调制频率得到具有合适的电荷电势的离子束，其目的是降低离子束的电荷电势并维持一个合适的离子状态。但是该方法并没有解决如何确定加入电子的剂量与衬底表面离子注入均匀度之间的关系问题，以及如何通过控制加入电子的剂量使离子注入的均匀度达到最佳。