專利名稱：低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域，更具體地，本發(fā)明涉及低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法。
背景技術：
在半導體芯片制造過程中，為了提高器件的性能，需要減少半導體襯底的導電區(qū)域與金屬互連材料的接觸電阻。例如，對于金屬氧化物半導體(MOS)晶體管而言，其源極、 漏極以及柵極往往會采用具備較低電阻率的金屬硅化物來降低接觸電阻。在MOS晶體管的制作工藝中，通常采用自對準方式形成的金屬硅化物。為了形成所述金屬硅化物，首先在包含有源區(qū)、漏區(qū)以及柵極的半導體襯底上形成介電層，之后，將需要形成自對準的金屬硅化物區(qū)域的介電層刻蝕去除，露出用來形成金屬硅化物的區(qū)域； 隨后，在半導體襯底上繼續(xù)沉積金屬材料(例如鈦、鈷等)及氮化鈦，所述氮化鈦作為后續(xù)退火處理中防止金屬材料氧化的的保護層；接著，通過快速熱處理的方式將所述金屬材料與半導體襯底中的硅熔合，以形成金屬硅化物。在以往的MOS制作工藝中，用于形成所述金屬硅化物的金屬材料通常采用鈦、鈷等。隨著工藝要求的提高，例如更小線寬的MOS晶體管要求所述金屬硅化物需要具有更低的接觸電阻，現(xiàn)有技術的MOS晶體管中越來越多的采用硅化鎳(NiSi)作為金屬接觸的材料。與硅化鈷或硅化鈦不同，硅化鎳的形成溫度較低，僅需200至500攝氏度的加熱處理即可使得硅與鎳反應生成硅化鎳。然而，在所述熱低溫處理過程中，鎳原子很容易沿著半導體襯底的晶格缺陷擴散至半導體襯底中，從而引起MOS晶體管的性能下降。因此，所述半導體襯底的低溫快速熱處理工藝需要準確監(jiān)控，以避免鎳原子不必要擴散所引起的缺陷。現(xiàn)有技術低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法中，通?；诮饘俟杌镌跓崽幚硐碌南嘧冞^程中的方塊電阻變化來監(jiān)控實際反應溫度，包括提供輔助硅片；在所述輔助硅片上沉積金屬材料；對所述輔助硅片進行快速熱處理，所述快速熱處理應與需要進行工藝處理的硅片采用相同的工藝條件；檢測所述輔助硅片襯底表面金屬硅化物的方塊電阻。由于不同的熱處理溫度對應于不同的方塊電阻，所述金屬硅化物的方塊電阻值即可確定實際的熱處理溫度。美國專利US6204484還公開了更多關于快速熱處理溫度監(jiān)控方法的內容。圖1示出了硅化鎳方塊電阻與快速熱處理溫度的對應關系。其中，橫坐標為快速熱處理的反應溫度，而縱坐標為硅化鎳方塊電阻的阻值?？梢钥闯?，在270至340攝氏度的溫度范圍內，硅化鎳的方塊電阻隨快速熱處理溫度的變化顯著改變。然而，在其他溫度范圍內，所述方塊電阻的變化幅度并不明顯，難以準確反映快速熱處理溫度，從而影響溫度監(jiān)控效果。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決的問題是提供一種低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法，提高了對低溫快
3速熱處理反應溫度監(jiān)測的準確性。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法，包括提供P型摻雜的半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有非晶區(qū)；對所述半導體襯底進行離子激活處理；對所述半導體襯底進行低溫快速熱處理；檢測所述半導體襯底表面的襯底參數(shù)；基于襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系，確定所述低溫快速熱處理的實際反應溫度。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點基于半導體襯底中摻雜離子的失活效應來監(jiān)測低溫快速熱處理的反應溫度，提高了在低溫快速熱處理溫度范圍內所述監(jiān)測的準確性。


圖1示出了硅化鎳方塊電阻與快速熱處理溫度的對應關系；圖2示出了本發(fā)明低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法；圖3至圖5示出了本發(fā)明第一實施例各階段半導體襯底的剖面示意圖；圖6至圖8示出了本發(fā)明第二實施例各階段半導體襯底的剖面示意圖；圖9示出了方塊電阻與熱波值與反應溫度的對應關系。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。正如背景技術部分所述，低溫快速熱處理的反應溫度通常為200至500攝氏度，現(xiàn)有技術主要通過金屬硅化物相變過程中的方塊電阻變化來監(jiān)控反應溫度的實際值。然而， 對于硅化鎳而言，其相變主要發(fā)生在270至350攝氏度的溫度范圍內。在這段溫度區(qū)間內， 硅化鎳的方塊電阻隨反應溫度的變化趨勢較為明顯，而在其他溫度范圍內，所述硅化鎳方塊電阻的變化幅度并不明顯，難以準確反映實際工藝處理時的反應溫度，從而影響溫度監(jiān)控效果。針對上述問題，發(fā)明人提供了一種低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法，基于半導體襯底中摻雜離子的失活(de-activation)效應，半導體襯底的襯底參數(shù)會隨快速熱處理的反應溫度變化而明顯變化，而這種變化關系即可以用于檢測低溫快速熱處理過程中的溫度變化。所述失活效應是指半導體襯底中的摻雜離子被激活后，若繼續(xù)對所述半導體襯底進行低溫快速熱處理，則所述激活的摻雜離子會重新偏離晶格位置，從而不能有效電離。 這導致半導體襯底中的載流子濃度會顯著下降，進而影響例如方塊電阻、熱波值(thermal wave)等襯底參數(shù)。
參考圖2，示出了本發(fā)明低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法，包括執(zhí)行步驟S202，提供P型摻雜的半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有非晶區(qū)；執(zhí)行步驟S204，對所述半導體襯底進行離子激活處理；執(zhí)行步驟S206，對所述半導體襯底進行低溫快速熱處理；執(zhí)行步驟S208，檢測所述半導體襯底表面的襯底參數(shù)；執(zhí)行步驟S210，基于襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系，確定所述低溫快速熱處理的實際反應溫度。其中，所述襯底參數(shù)包括不限于方塊電阻、熱波值。接下來，結合具體的實施例，對本發(fā)明低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法進行說明。第一實施例圖3至圖5示出了本發(fā)明第一實施例各階段半導體襯底的剖面示意圖。如圖3所示，提供半導體襯底301，在所述半導體襯底301上形成非晶區(qū)303。所述非晶區(qū)303可以提高后續(xù)注入的P型離子在半導體襯底301中分布的均勻性。在具體實施例中，所述非晶區(qū)303可以采用離子注入的方法形成，可以注入鍺離子、銻離子或其他原子序數(shù)大于硅的半導體離子，也可以以較大的注入劑量注入原子序數(shù)小于硅的離子，所述離子注入的注入劑量范圍為3E14至1E16/平方厘米，注入離子的能量范圍為5keV至50keV。如圖4所示，對所述半導體襯底進行P型離子注入，所述注入的P型離子摻雜在非晶區(qū)303及半導體襯底301中，形成離子摻雜區(qū)305。在具體實施例中，所述P型離子包括但不限于砷離子、磷離子或其他P型離子。所述P型離子注入的注入劑量范圍為1E14至 1E16/平方厘米，注入離子的能量范圍為IkeV至lOkeV。接著，對所述半導體襯底301進行離子激活處理，使得注入的P型離子被激活。在具體實施例中，所述離子激活處理采用尖峰退火，反應溫度為1100攝氏度至1300攝氏度， 反應時間為0. 1毫秒至5秒。在實際應用中，所述離子激活處理同時使得非晶區(qū)303部分或完全結晶。如圖5所示，在所述半導體襯底301中的摻雜離子被激活后，對所述半導體襯底 301進行低溫快速熱處理。在所述低溫快速熱處理的過程中，非晶區(qū)303中的摻雜離子會發(fā)生失活，而且，在不同的反應溫度下，摻雜離子發(fā)生失活的程度也不相同。所述失活使得非晶區(qū)303中摻雜的P型離子的激活率變化，進而影響該區(qū)域的方塊電阻與熱波值。在具體實施例中，所述低溫快速熱處理可以采用浸入式(soak)低溫快速熱處理或尖峰(peak)低溫快速熱處理，即用所述兩種低溫快速熱處理方法對半導體襯底進行退火處理對于所述浸入式低溫快速熱處理，其反應時間為10秒至60秒；對于所述尖峰低溫快速熱處理，其反應時間為1毫秒至5秒。其中，所述反應時間是指低溫快速熱處理保持溫度峰值的時間。所述低溫快速熱處理的反應溫度為300攝氏度至500攝氏度。在實際應用中，本發(fā)明用于監(jiān)控低溫快速熱處理的反應溫度，其采用的半導體襯底301為輔助測試片，因此，對所述輔助測試片進行的低溫快速熱處理應采用與待監(jiān)控的低溫快速熱處理相同的反應條件。例如，所述待監(jiān)控的低溫快速熱處理用于在晶片上形成金屬硅化物，則所述半導體襯底301應與形成金屬硅化物的晶片采用相同的反應條件進行處理。
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在所述低溫快速熱處理之后，檢測所述半導體襯底301的襯底參數(shù)，例如方塊電阻或熱波值。接著，基于預先確定的襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系，確定所述低溫快速熱處理的實際反應溫度。所述襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系可以采用下列方式獲得在多個不同的低溫快速熱處理的反應溫度下，采用可以準確確定反應溫度的快速熱處理設備對作為輔助測試片的半導體襯底進行與本發(fā)明溫度監(jiān)控方法相同的處理流程處理，并測得對應于不同反應溫度的襯底參數(shù)；之后，基于所述襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系制作變化曲線，并以所述變化曲線作為步驟S210襯底參數(shù)與反應溫度對應關系的參考。在實際應用中，對于不同的低溫快速熱處理方式(即尖峰低溫快速熱處理或浸入式低溫快速熱處理)，所述襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系也有所不同，因此，優(yōu)選的實施例中，需要基于不同的低溫快速熱處理反應條件預先確定襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系，以提高所述溫度監(jiān)控方法的準確性。第二實施例圖6至圖8示出了本發(fā)明第二實施例各階段半導體襯底的剖面示意圖。如圖6所示，提供半導體襯底601，對所述半導體襯底601進行P型離子注入，使得所述半導體襯底601中形成摻雜有P型雜質離子的離子摻雜區(qū)605。如圖7所示，對所述半導體襯底601進行非晶化處理，在半導體襯底601的表面形成非晶區(qū)603。在具體實施例中，所述非晶區(qū)603是由離子注入方法形成的，可以注入鍺離子、銻離子或其他原子序數(shù)大于硅的半導體離子，也可以以較大的注入劑量注入原子序數(shù)小于硅的離子，所述離子注入的注入劑量范圍為3E14至1E16/平方厘米，注入離子的能量范圍為5keV至50keVo接著，對所述半導體襯底601進行離子激活處理。使得注入的P型離子被激活。在具體實施例中，所述離子激活處理采用尖峰退火，反應溫度為1100攝氏度至1300攝氏度， 反應時間為0. 1毫秒至5秒。在實際應用中，所述離子激活處理同時使得非晶區(qū)603部分或完全結晶。在所述摻雜離子激活之后，檢測所述半導體襯底601表面的初始襯底參數(shù)，例如初始方塊電阻或初始熱波值。之所以檢測所述初始襯底參數(shù)，是因為對于不同的半導體襯底601而言，其固有參數(shù)(例如摻雜濃度，襯底材料)并不相同。因此，對于不同的半導體襯底601，其襯底參數(shù)與低溫快速熱處理的反應溫度對應關系有所不同。而基于所述初始襯底參數(shù)即可確定半導體襯底601的固有參數(shù)，進而更有針對性的選取適合于具體半導體襯底601的襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系。如圖8所示，對所述半導體襯底601進行低溫快速熱處理。在具體實施例中，所述低溫快速熱處理可以采用浸入式低溫快速熱處理或尖峰低溫快速熱處理對于所述浸入式低溫快速熱處理，其反應時間為10秒至60秒；對于所述尖峰低溫快速熱處理，其反應時間為1毫秒至5秒。在所述低溫快速熱處理之后，再次檢測所述半導體襯底601的襯底參數(shù)，例如方塊電阻或熱波值。接著，基于預先確定的方塊電阻或熱波值與反應溫度的對應關系，確定所述低溫快速熱處理的實際反應溫度，其中，所述對應關系應基于前述初始襯底參數(shù)進行選擇。這樣，即可得到需要監(jiān)控的快速低溫熱處理的實際反應溫度。
參考圖9，示出了方塊電阻與熱波值與反應溫度的對應關系。其中，橫坐標為低溫快速熱處理的反應溫度，而縱坐標分別為方塊電阻與熱波值。曲線901示出了方塊電阻隨反應溫度變化的擬合曲線，曲線903示出了熱波值隨反應溫度變化的擬合曲線。所述擬合曲線的端點是實驗測試值，所述實驗測試僅為示例，不應限制其范圍。具體的，當反應溫度為390攝氏度時，熱波值為496. 4，方塊電阻為282. lohm/sq ；當反應溫度為430攝氏度時， 熱波值為517. 6，方塊電阻為四1. 5ohm/Sq。例如，當?shù)蜏乜焖贌崽幚砗髾z測到方塊電阻為 282. lohm/sq，就可得到需要監(jiān)控的快速低溫熱處理的實際反應溫度為390攝氏度?？梢钥闯?，在390攝氏度至430攝氏度的實驗溫度范圍內，方塊電阻、熱波值隨低溫快速熱處理反應溫度的變化而顯著改變。而對于圖中未示出的反應溫度為300攝氏度至 500攝氏度范圍其他區(qū)域的情況，發(fā)明人實驗后仍得到了類似的結果，所述襯底參數(shù)變化顯著。因此，這種對應關系可以使得低溫快速熱處理的反應溫度可以由襯底參數(shù)有效監(jiān)控。對于形成硅化鎳的熱處理過程中，所述反應溫度的準確監(jiān)控可以避免鎳原子不必要擴散所引起的襯底缺陷，從而提高了工藝良率。當然，所述低溫快速熱處理可以用于多種應用場合， 并不僅局限于監(jiān)控硅化鎳的形成過程。應該理解，此處的例子和實施例僅是示例性的，本領域技術人員可以在不背離本申請和所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，做出各種修改和更正。
權利要求
1.一種低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，包括提供P型摻雜的半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有非晶區(qū)；對所述半導體襯底進行離子激活處理；對所述半導體襯底進行低溫快速熱處理；檢測所述半導體襯底表面的襯底參數(shù)；基于襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系，確定所述低溫快速熱處理的實際反應溫度。
2.如權利要求1所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述非晶區(qū)采用離子注入的方法形成。
3.如權利要求2所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述非晶區(qū)離子注入的注入劑量范圍為3E14至1E16/平方厘米，注入離子的能量范圍為^eV至50keV。
4.如權利要求2所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，在所述非晶區(qū)離子注入之前或之后，對所述半導體襯底進行P型離子注入以形成P型摻雜的半導體襯底。
5.如權利要求4所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述P型離子注入的注入離子包括砷離子或磷離子，注入劑量范圍為1E14至1E16/平方厘米，注入離子的能量范圍為IkeV 至 IOkeV0
6.如權利要求1所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，采用尖峰退火的方法實現(xiàn)對半導體襯底的離子激活處理，所述尖峰退火的反應溫度為1100攝氏度至1300攝氏度，反應時間為0. 1毫秒至5秒。
7.如權利要求1所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，采用與被監(jiān)控的低溫快速熱處理相同的反應條件對所述半導體襯底進行低溫快速熱處理。
8.如權利要求7所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述低溫快速熱處理的反應溫度為300攝氏度至500攝氏度。
9.如權利要求8所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述低溫快速熱處理采用浸入式低溫快速熱處理，反應時間為10秒至60秒。
10.如權利要求8所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述低溫快速熱處理采用尖峰低溫快速熱處理，反應時間為1毫秒至5秒。
11.如權利要求1所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述襯底參數(shù)包括方塊電阻或熱波值。
12.如權利要求1所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，所述襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系通過下述方式確定在多個不同的低溫快速熱處理的反應溫度下，采用可以準確確定反應溫度的快速熱處理設備對作為輔助測試片的半導體襯底進行處理，并測得對應于不同反應溫度的襯底參數(shù)；基于所述襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系制作變化曲線，并以所述變化曲線作為襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系。
13.如權利要求1所述的溫度監(jiān)控方法，其特征在于，在對所述半導體襯底進行離子激活處理之后，還包括檢測所述半導體襯底表面的初始襯底參數(shù)，并基于所述初始襯底參數(shù)選擇襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系。
全文摘要
一種低溫快速熱處理的溫度監(jiān)控方法，包括提供P型摻雜的半導體襯底，所述半導體襯底表面形成有非晶區(qū)；對所述半導體襯底進行離子激活處理；對所述半導體襯底進行低溫快速熱處理；檢測所述半導體襯底表面的襯底參數(shù)；基于襯底參數(shù)與反應溫度的對應關系，確定所述低溫快速熱處理的實際反應溫度。本發(fā)明基于半導體襯底中摻雜離子的失活效應來監(jiān)測低溫快速熱處理的反應溫度，提高了在低溫快速熱處理溫度范圍內所述監(jiān)測的準確性。
文檔編號H01L21/66GK102418149SQ201010299350
公開日2012年4月18日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權日2010年9月25日
發(fā)明者何永根, 吳兵, 林靜, 禹國賓 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司