专利名称：半导体器件离子注入工艺的优化方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件的制作工艺的优化方法，特别是涉及采用材料 芯片方法进行半导体器件离子注入工艺的优化方法。
背景技术：
半导体器件的制作需要经过大量的制程步骤，如材料淀积，以及材料
层的刻蚀，离子注入掺杂等。随着器件尺寸降到深次微米，如65nm或45nm， 为了满足设计目标，需要开发或优化非常多的器件和过程的参数，如N/P 型MOS器件的阱制程和延伸的制程，包括离子注入能量、离子注入剂量 以及离子注入角度等。这种工艺条件的优化需要非常大量的实验。
用于初期的生物实验中的材料芯片方法可以实现在一个芯片上进行 大量的实验。
为了提高材料科学的研究效率，美国劳伦斯一伯克莱国家实验室的 Xiang 禾卩 Schultz ( Xiang XD, Sun X， Briceno G et al, Science, 1995，268(5218):1738-1740)借鉴生物免疫系统对抗入侵病毒时在短时间内 生成大量不同抗体，从中发现那些对病毒杀伤力最大者加以大量繁殖的模 式，提出了新材料合成和优化的集成材料芯片方法，并成功地将其应用于 高温超导材料、磁阻材料、紫外发光材料、介电/铁电材料等的研究，进而 发现并优化了许多性能优异的新型功能材料。
集成材料芯片方法的核心思想在于快速合成、处理和检测大量不同成 份、不同惨杂和不同条件处理的样品阵列，从中发现并优化有应用价值或 有潜在应用价值的新型功能材料。
材料芯片的基本要求是尽可能高的密度和尽可能高的效率。以四元组 合方案结合薄膜顺序沉积是一个典型的例子。该方案利用一组精确定位 的，具有自相似的物理掩模，可在2.5cm见方的衬底上以20步的薄膜沉 积生成1024个不同组分或不同掺杂的样品阵列。其过程如图1所示首先用掩模A覆盖在衬底上沉积Al，然后转动掩模90。沉积A2，…，到 A4沉积完毕时完成了一层的沉积；换用掩模B， C， D和E以相同的方法 、沉积B1， B2， B3， B4， Cl， C2， C3， C4， Dl， D2， D3， D4禾QE1， E2， E3， E4共五层的材料，所获样品阵列的组分将覆盖AnBmC,DkEj(其中，n， m， 1， k， j=l， 2， 3， 4)所有可能的组合。
该方法是用图1中a e共5张物理掩模，然后靠在工艺过程中不断90 度转动掩模，或更换掩模，实现各个区域材料的不同成分组合。
材料芯片方法还可以在生物遗传研究中应用。构成DNA遗传基因只 有四种，通过n层，共4Xn步的核苷酸联接，可生成链长为n的所有DNA (共4"种)片段。
材料芯片方法在光刻和溶液喷射方法中也有一定应用价值。其中又以 光刻方法的潜在密度最高，但前提是材料必须与光刻胶及显影定影过程相 兼容；溶液喷射法则必须找到合适的溶液，且密度难以提高。
在现有技术的半导体芯片实验中通常是采用每个晶片进行一种工艺 条件的考察，这样即费时又费晶片。
如果将这种材料芯片方法引入集成电路的新器件的开发过程，可以加 速器件开发速度和节省晶片数量。
发明内容
本发明的目的在于，将材料芯片方法应用于半导体制程，通过采用半 导体工艺中常用的光阻掩模法，利用光刻机可控制的选择性曝光和光刻， 实现晶片上各个区域中的集成电路芯片不同的离子注入条件，以优化半导 体器件离子注入工艺，加速器件开发速度和节省晶片数量。
本发明的半导体器件离子注入工艺的优化方法，包括如下步骤
一种半导体离子注入工艺的优化方法，包括如下步骤
在晶片上或者选择材料芯片实验区域覆盖光刻胶；
进行第一次注入区域的选择性曝光和显影；
在显影后被暴露的区域进行第一次离子注入；
去除光刻胶；
在所述实验区域再覆盖光刻胶；进行第二次注入区域的选择性曝光和显影；
在显影后被暴露的区域进行第二次离子注入；
去除光刻胶；
依此，进行需要的第N次离子注入，获得若干组注入条件不同的芯片组。
根据本发明，所述的实验区域可以是整个晶片，也可以是晶片上的部 分区域。
根据本发明的方法，可以同时进行集成电路工艺中离子注入窗口的光 刻和材料芯片实验区域的光刻。
在本发明中光刻胶可以是任何适宜的光刻胶，如正型或负型光刻胶。
当采用正型光刻胶时，实验区域中被曝光的区域是离子注入区域；当 采用负型光刻胶时，实验区域中未被曝光的区域是离子注入区域。
选择曝光的多次注入区域一般不相同，不过，多次注入的条件不同时， 可以允许选择曝光的多次注入区域相同。当选择曝光的多次注入区域完全 相同时，可以采用同一次曝光。
在本发明中，离子注入的注入条件可以是注入元素、注入剂量、注入 能量或注入角度；也可以是注入元素、注入剂量、注入能量、注入角度中 的至少两种。
各次离子注入之间的注入条件可以相同，也可以不相同，也可以是部 分离子注入次数之间的注入条件相同。通过各次注入区域的选择曝光，最 后组合得到若干组注入条件各不相同的芯片组。
每个所述芯片组可以包括注入条件相同的l个或4个芯片，以便每个 注入条件得到1个或4个实验数据。
每个芯片包含SPICE测试结构布图(SPICE test keys layout)，该布 图用于收集器件性能参数。
本发明中，可以是任何晶片，如200mm或300mm晶片，可以分别采 用200mm或300mm步进式曝光机。
按照目前的半导体制程常用的300mm步进机设备，优选的材料芯片实 验晶片为300mm硅晶片。所述的曝光采用300mm步进式曝光机。
本发明的方法与前述现有技术的方法不同，是采用半导体工艺中常用的光阻掩模法，利用光刻机可控制的选择性曝光和光刻，实现各个区域中 的集成电路芯片不同的离子注入条件。
本发明首次将材料芯片的概念应用于集成电路工艺开发领域，其与集 成电路的工艺相容性好；由于高精度的光刻技术，可以同时实现集成电路 工艺中离子注入窗口的光刻和材料芯片方法中选中区域的光刻
采用本发明的方法进行半导体制程的工艺条件的实验，可以加速器件 开发速度和节省晶片数量。
下面结合附图详细介绍本发明。然而需要注意的是，这些附图只是用 来说明本发明的典型实施例，而不构成为对本发明的任何限制，在不背离 本发明构思的情况下，可以具有更多其他等效实施例。而本发明的保护范 围由权利要求书决定。
图1是现有技术的采用5张物理掩模通过的在工艺过程中不断90度 转动掩模，或更换掩模，实现各个区域材料的不同成分组合的例子，即四 元组合方案结合薄膜顺序沉积的示意图。其中，(a)掩模A; (b)掩模
B;(C)掩模C;(d)掩模D; (e)掩模E。
图2A 2F是本发明采用材料芯片实验方法进行离子注入实验的一个 实施例的示意图，得到16组注入条件不同的芯片组，每组1个芯片。
图3A 3F是本发明采用材料芯片实验方法进行离子注入实验的另一 个实施例的示意图，得到16组注入条件不同的芯片组，其中每组有注入 条件相同的4个芯片。
附图标记说明
11 选择性曝光区域(或选择离子注入区域)
12 未被曝光的光刻胶覆盖的部分
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
采用半导体工艺中常用的光阻掩模法，利用300mm步进机进行可控制的选择性曝光和光刻，实现各个区域中的集成电路芯片不同的离子注入 条件。其中以采用正型光刻胶为例进行说明。 实施例1
在一个晶片上进行两个元素掺杂(DOE)注入实验。 如图2A 图2C，在晶片上具有16个芯片的区域，利用三种不同的选 择曝光可以获得一种元素四个注入条件的结果。其中，每个芯片包含SPICE 测试结构布图(SPICE test keys layout)，该布图用于收集器件性能参数。 具体地，晶片上覆盖有光刻胶，对具有16个芯片的如图2A所示的实 验区域进行选择性曝光(11是透光区域，也可以说11是光刻胶的曝光区 域)、显影后，在选择露出晶片的区域ll进行第一种元素的1/4剂量的第 一次离子注入，然后去光刻胶，得到每一个芯片的第一种元素离子注入量 为1/4的结果。
接着对晶片上具有16个芯片的该区域再覆盖光刻胶，并进行如图2B 所示的曝光(其中，ll是透光区域，12是不透光区域；也可以说ll是光 刻胶的曝光区域，12是光刻胶的未曝光区域)、显影后，对选择暴露的一 组8个芯片区域11进行第一种元素的2/4剂量的第二次离子注入，然后去 除光刻胶，得到一组8个芯片的第一种元素离子注入量为1/4和另外一组 8个芯片的离子注入量为1/4+2/4 (合计为3/4)的两组实验结果。
再对晶片上具有16个芯片的区域覆盖光刻胶，并进行如图2C所示的 曝光、显影后，对暴露的一组8个芯片进行第一种元素的1/4剂量的第三 次离子注入，然后去除光刻胶，得到一组4个芯片的A元素离子注入量为 1/4，第二组4个芯片的第一种元素离子注入量为1/4+2/4 (合计为3/4)， 第三组4个芯片的第一种元素离子注入量为1/4+1/4 (合计为1/2)，第四 组4个芯片的第一种元素离子注入量为1/4+2/4+1/4 (合计为1)的四组芯 片和实验结果。
然后，再进行第二种元素的离子注入。
在上述注入第一种元素离子的晶片上具有16个芯片的区域，进行图 2D 2F所示的三种不同的选择曝光，可以获得第二种元素的四个注入条件 的结果。
首先，上述晶片上覆盖光刻胶，对具有16个芯片的所述实验区域，
8进行如图2D所示的曝光(其中，图2A和图2D所示的步骤，可以采用同 一次曝光)、显影后，进行第二种元素的1/4剂量的第一次离子注入，然 后去光刻胶，得到每一个芯片的第二种元素离子注入量为1/4的结果。
在实践中，由于图2D所示的步骤与图2A所示的步骤选择曝光的区域 相同，因此，通常图2D所示的步骤与图2A所示的步骤采用同一次曝光、 显影，并先后进行第一种元素和第二种元素的第一剂量条件的注入。即将 第二种元素的第一注入步骤放在第一种元素的第一注入步骤之后，而其他 步骤不变。
接着对晶片上具有所述16个芯片的区域覆盖光刻胶，并进行如图2E 所示的曝光和显影后，进行第二种元素的2/4剂量的第二次离子注入，然 后去光刻胶，得到一组8个芯片的第二种元素离子注入量为1/4，另一组8 个芯片的离子注入量为1/4+2/4 (合计为3/4)的两组结果。
再对晶片上具有所述16个芯片的区域覆盖光刻胶，并进行如图2F所 示的，曝光和显影后，进行第二种元素的1/4剂量的第三次离子注入，然 后去光刻胶，完成第二种元素的离子注入。得到一组4个芯片的第二种元 素离子注入量为1/4，第二组4个芯片的第二种元素离子注入量为1/4+2/4 (合计为3/4)，第三组4个芯片的第二种元素离子注入量为1/4+1/4 (合 计为1/2)，第四组4个芯片的第二种元素离子注入量为1/4+2/4+1/4 (合 计为1)的四组结果。
于是，在一片硅片上完成了两种元素4种成分的交叉实验。也就是两 个元素掺杂实验可以通过结合五次选择性曝光而得到两种元素不同剂量 的离子注入结果的16个芯片。
实施例2
图3A 3F是在晶片上具有64个芯片的区域，用六种不同的选择曝光 可以分别获得两种元素不同离子注入剂量的16组芯片结果，每一组同样 条件的为四个芯片。其中，每个芯片包含SPICE测试结构布图，该布图可 以用于收集器件性能参数。
首先在晶片上覆盖光刻胶，对具有64个芯片的区域进行如图3A所示 的曝光和显影后，进行第一种元素的1/4剂量的第一次离子注入，然后去
9光刻胶，得到第一种元素离子注入量为1/4的64个芯片。
接着在晶片上覆盖光刻胶，对具有64个芯片的区域进行如图3B所示 的曝光和显影后，进行第一种元素的2/4剂量的第二次离子注入，然后去 光刻胶，得到一组32个芯片的第一种元素离子注入量为1/4，另一组32 个芯片的第一种元素离子注入量为1/4+2/4 (3/4)的两组结果。
再在晶片上覆盖光刻胶，对具有64个芯片的区域进行如图3C所示的 曝光和显影，进行第一种元素的1/4剂量的第三次离子注入，然后去光刻 胶，完成第一种元素的离子注入。得到一组16个芯片的第一种元素离子 注入量为1/4，第二组16个芯片的第一种元素离子注入量为1/4+2/4(3/4)， 第三组16个芯片的第一种元素离子注入量为1/4+1/4 (1/2)，第四组16 个芯片的第一种元素离子注入量为1/4+2/4+1/4 (1)的四组结果。 接着进行第二种元素的离子注入。
首先在上述完成第一种元素注入的晶片上覆盖光刻胶，对具有64个 芯片的区域进行如图3D所示的曝光和显影后(其中，图3A和图3D所示 的步骤，可以采用同一次曝光)，进行第二种元素的1/4剂量的第一次离 子注入，然后去光刻胶，得到第二种元素离子注入量为1/4的64个芯片。
在实践中，通常图3D所示的步骤与图3A所示的步骤采用同一次曝光、 显影，并先后进行第一种元素和第二种元素的第一剂量条件的注入。即将 第二种元素的第一注入步骤放在第一种元素的第一注入步骤之后，而其他 步骤不变。
接着在晶片上覆盖光刻胶，对具有64个芯片的区域进行如图3E所示 的曝光和显影后，进行第二种元素的2/4剂量的第二次离子注入，然后去 光刻胶，得到一组32个芯片的第二种元素离子注入量为1/4，另一组32 个芯片的第二种元素离子注入量为1/4+2/4 (3/4)的两组结果。
再在晶片上覆盖光刻胶，对具有64个芯片的区域进行如图3F所示的 曝光和显影，进行第二种元素的1/4剂量的第三次离子注入，然后去光刻 胶，完成第二种元素的离子注入。得到一组16个芯片的第二种元素离子 注入量为1/4，第二组16个芯片的第二种元素离子注入量为1/4+2/4(3/4)， 第三组16个芯片的第二种元素离子注入量为1/4+1/4 (1/2)，第四组16 个芯片的第二种元素离子注入量为1/4+2/4+1/4 (1)的四组结果。于是，在一片硅晶片上完成了两种元素四种成分交叉实验，得到两种
元素不同注入剂量的16组结果，即得到16个条件的实验数据，同时每个
条件可以得到四个实验数据。
根据需要，也可以通过选择每个芯片组包含1或4个芯片，每个注入条件得到1或4个实验数据。
为便于说明，以上实施例中用了两种元素和1/4、 2/4剂量，即四种成分。根据需要可以进行元素和剂量的任意选择。
同样，可以进行的其他离子注入条件，还可以是注入能量或注入角度等的实验。除了以注入能量或注入角度等条件代替注入剂量外，其他具体步骤同上述实施例。
本发明的方法还可以用于进行注入剂量、注入能量和注入角度之间的交叉实验。除了以注入能量和/或注入角度部分或全部代替注入元素和/或注入剂量外，具体步骤同上述实施例。
另外，当采用负型光刻胶时，只是将实验区域中未被曝光的区域作为离子注入区域。以上所述的其他部分均适用于该负型光刻胶的情形。
然后，通过设置在芯片中的SPICE测试结构，对实验得到的芯片的参数进行评价，选出优化的工艺条件。
采用这种材料芯片方法，可以快速地找出优化的工艺条件，而且节省晶片数量。
以上所述是为了方便说明，举了两种元素不同剂量离子注入的例子，以及部分变化的情形。但是不仅仅限于这些实施例。在不脱离本发明的构思的前提下，根据实际需要，还可以有更多其他变化或组合的实施例。
权利要求
1. 一种半导体离子注入工艺的优化方法，包括如下步骤在晶片上或选定实验区域覆盖光刻胶；进行第一次注入区域的选择性曝光和显影；在显影后被暴露的区域进行第一次离子注入；去除光刻胶；在所述晶片上或选定实验区域再覆盖光刻胶；进行第二次注入区域的选择性曝光和显影；在显影后被暴露的区域进行第二次离子注入；去除光刻胶；依此，进行需要的第N次离子注入，获得若干组注入条件不同的芯片组。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的实验区域是整 个晶片或晶片上的部分区域。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，同时进行集成电路工 艺中离子注入窗口的光刻和材料芯片实验区域的光刻。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当选择曝光的多次注入 区域完全相同时，采用同一次曝光。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的注入条件是注 入元素、注入剂量、注入能量或注入角度，或其中至少两种的组合。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的各次离子注入 中的一部分，其注入条件相同。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述芯片组包括 注入条件相同的1或4个芯片。
8. 根据权利要求1 7中任一项所述的方法，其特征在于，每个芯片 包含SPICE测试结构布图(SPICE test keys layout)，该布图用于收集器 件性能参数。
9. 根据权利要求1 7中任一项所述的方法，其特征在于，所述的晶 片为200mm或300mm硅晶片。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的曝光，在200mm 晶片时200mm步进式曝光机；或在300mm晶片时采用300mm步进式曝 光机。
全文摘要
本发明涉及一种半导体器件离子注入工艺的优化方法，该方法采用材料芯片实验方法，对半导体制程中离子注入工艺条件进行优化，可以加速器件开发速度和节省晶片数量。该方法包括在晶片上覆盖光刻胶；选择实验区域进行第一次注入区域的选择性曝光和显影；在所述被暴露区域进行第一次离子注入；去除光刻胶；在所述晶片上的实验区域覆盖光刻胶；进行第二次注入区域的选择性曝光和显影；在所述被暴露区域进行第二次离子注入；去除光刻胶；依此，进行需要的第N次离子注入，获得若干组注入条件不同的芯片组，通过收集性能参数优化离子注入工艺条件。
文档编号H01L21/00GK101465272SQ20071017240
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者仇志军, 兴 余, 居建华 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司