CN100524628C - 一种离子注入均匀性控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子注入均匀性控制系统及控制方法，涉及离子注入机，属于半导体制造领域。该系统包括移动法拉第杯、剂量积分检测器、数控扫描发生器、靶台运动和均匀性控制器和计算机，所述的移动法拉第杯输出与剂量积分检测器连接；所述的剂量积分检测器输出与靶台运动和均匀性控制器连接；所述的移动法拉第杯、剂量积分检测器、数控扫描发生器、靶台运动和均匀性控制器均与计算机连接，由计算机协调动作并进行控制；均匀性控制方法包括水平均匀性检测与修正方法和垂直均匀性检测与修正方法，均通过检测扫描数据、多次修正数据来使得均匀性达到误差范围。本发明能够自动实现离子注入剂量的精确检测、自动调整和剂量均匀性控制。

Description

一种离子注入均匀性控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种离子注入均匀性控制系统及控制方法，特别地涉及离子注入机，属于半导体器件制造领域。

背景技术

离子束注入机是半导体器件制造中最关键的掺杂设备之一。随着半导体器件制造的集成度向片上系统规模发展，用于器件制造的晶圆片朝着300mm以上尺寸扩展，而单元器件尺寸则朝微纳米细线条减缩，特别是片上晶体管、场效应管尺寸的减缩，对离子束注入掺杂技术提出了很明显的挑战。100nm级的器件，其单元场效应管需生成浅结源漏结构，即：源漏结深变得非常的浅，而源漏极分界要非常的陡峭。为了保证片上浅结晶体管和场效应管的性能稳定和重复，在离子注入掺杂过程中，要求对注入剂量、注入能量、注入的重复性、注入角度、注入元素纯度、以及注入剂量的均匀性实施精确的闭环控制和进行全自动调整。

目前，国内传统的离子注入机，整机控制还处在半自动状态，离子注入掺杂的剂量均匀性控制更是一个空白，不能满足微纳米器件制造中半导体掺杂工艺的要求。

发明内容

本发明是针对现有技术中离子束注入机无注入剂量均匀性检测和控制系统及方法这一问题而提出的一种离子注入均匀性控制的方法，该发明应用于离子注入机，不但可以满足半导体器件制造工艺发展的需要，而且能够精确检测和自动调整注入剂量，使得整块晶圆片上的注入剂量均匀性得到控制。

本发明提供一种离子注入均匀性控制的系统，包括移动法拉第杯、剂量积分检测器、数控扫描发生器、靶台运动和均匀性控制器、数控装置以及计算机，其中，所述的移动法拉第杯输出与剂量积分检测器连接，且在数控装置的控制下可沿水平X方向移动，并且其移动位置为通过计算机准确定位；所述的剂量积分检测器输出与靶台运动和均匀性控制器连接，且将移动法拉第杯探测的离子束流对时间进行积分求出离子束注入的剂量值，并模数转换后输送给均匀性控制器和计算机；所述均匀性控制器为根据剂量积分检测器对离子束注入剂量进行监测和控制，且在离子注入及对晶圆片实施注入掺杂过程时控制一直线电机驱动靶台沿垂直方向匀速运动；所述的移动法拉第杯、剂量积分检测器、数控扫描发生器、靶台运动和均匀性控制器均与计算机连接，由计算机协调动作并进行控制。

本发明还提供一种离子注入均匀性控制方法，包括水平均匀性检测与修正过程和垂直均匀性检测与修正过程。其中：

水平均匀性检测与修正过程包括如下步骤：

(1)静电偏转数控扫描发生器产生一线性扫描电压波形，使离子束沿X水平方向线性扫描，扫描长度大于晶圆片直径；

(2)移动法拉第杯，逐点测出X向水平线上各点的束流；

(3)根据测出束流的非均匀性误差，按照修正计算公式：

[dV(x)/dt]_n＝[dV(x)/dt]₀×I(x)/I₀

对线性扫描电压斜率进行逐点修正；其中：I(x)是法拉第杯测得的束流，I₀是理想的束流，dV(x)/dt是扫描电压随时间变化的斜率；

(4)重新启动静电偏转扫描发生器扫描，再次移动法拉第杯沿X水平方向逐点测出离子束流I(x)；

(5)反复多次步骤(3)和(4)，进行扫描波形修正和均匀性检测，直到所测得的均匀性误差小于设置的偏差为止。

垂直均匀性检测与修正过程包括如下步骤：

A、在进行离子束注入时，将移动法拉第杯移到晶圆片的右侧；在水平方向，静电偏转扫描从左向右扫过晶圆片，再扫过法拉第杯，然后回扫过法拉第杯，再回扫过晶圆片，最后停在晶圆片的左侧，完成了一个扫描周期的注入；同时，在垂直方向，直线电机驱动靶台，带动晶圆片作上下往复的匀速运动；

离子束沿水平方向扫描一次，法拉第杯对该次扫描的离子束束流采样一次；

B、若每次扫描采样到的束流积分值相等，则实际扫描时间不改变；若在扫描中采样到的束流发生变化，则表明在下一次扫描时，对实际扫描时间按照修正补偿公式t_n＝t_n-1×q₀/q进行调整；其中：q₀为理想的电荷量，q为前次扫描实际测得的电荷量，由剂量积分检测器检测，t_n-1为前次实际扫描时间，t_n为下次实际的扫描时间。

本发明具有如下显著优点：

1、能精确定位移动的测束流法拉第杯，定位精度可达0.1mm，在水平方向移动，可进行离子束剖面束流密度分布的测绘，为离子束引出提供详细的监控；

2、能够自动实现离子注入剂量的精确检测、自动调整和剂量均匀性控制。

附图说明

图1为本发明的一种离子注入均匀性控制系统实施例的结构框图；

图2为本发明实施例的均匀性修正前束流分布示意图；

图3为本发明实施例的均匀性修正后束流分布示意图；

图4为本发明实施例的扫描电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的介绍，但不作为对本发明的限定。

参见图1，一种离子注入均匀性控制装置，包括：移动法拉第杯1、剂量积分检测器2、数控扫描发生器3、靶台运动和均匀性控制器4和计算机5，移动法拉第杯1是离子束束流探测器，它在数控装置6的驱动下，能在水平方向作精确定位的移动，剂量积分检测器2将移动法拉第杯1探测到的离子束流对时间进行积分操作，求出离子束流的剂量值，且将该值进行模数转换，得到剂量的数字量后，送给计算机5；数控扫描发生器使离子束沿水平方向扫描开，覆盖整个晶圆片直径范围，在水平方向上实现对整个晶圆片范围的注入，该数控扫描发生器3受计算机5控制，扫描周期为固定常数，但在一个扫描周期内，实际进行扫描的时间可通过计算机5进行精确调节，即扫描的占空比可精确调节；靶台运动和均匀性控制器4在离子注入机对晶圆片实施注入掺杂的过程中，控制直线电机7，使得靶台8沿垂直方向作匀速的机械扫描运动，同时，靶台运动和均匀性控制器4还接收剂量积分检测器2送来的剂量值，对注入过程中的注入剂量实行实时监控，发现注入剂量偏离设定值，则通过计算机5控制去调整离子束水平方向扫描的实际时间，以补偿注入剂量的变化，维持注入剂量的恒定；在整个过程中，计算机5调整移动法拉第杯1、剂量积分检测器2、数控扫描发生器3、靶台运动和均匀性控制器4的协同工作，实现离子注入剂量的精确检测、自动调整和剂量均匀性控制。

从离子源引出的离子束，经束线传输系统到达晶圆片靶台，在数控扫描发生器的控制下，沿水平方向扫描开，覆盖整个晶圆片直径范围，由于静电偏转扫描场的非线性误差和平行透镜校正后的平行度误差使得扫描离子束在水平方向上束流分布是不均匀的，在离子源系统、束线系统各引束参数确定之后，只要各主要参数和平行透镜的电流设置不作改变，扫描离子束在X水平方向上的束流不均匀性分布就不会改变，因而在离子束引束正常之后，在晶圆片进行注入掺杂之前，就对离子束在X水平方向的非均匀性进行检测和修正，使其均匀性误差小于设定的偏差。

在靶室内，水平移动的法拉第杯接受面与靶台的晶圆片面运动为同一平面。

水平均匀性检测与修正的方法步骤为：

(1)静电偏转数控扫描发生器产生一线性扫描电压波形，使离子束沿X水平方向线性扫描，扫描长度大于晶圆片直径；

(2)移动法拉第杯，逐点测出X向水平线上各点的束流，各点的离子束流为X向位置的函数I(X)，函数曲线见图2，可见未经修正时，扫描离子束束流的分布是非均匀的；

(3)根据测出的非均匀性误差，按照修正计算公式：

[dV(x)/dt]_n＝[dV(x)/dt]₀×I(x)/I₀...

对线性扫描电压斜率进行逐点修正，以使离子束束流I(x)在X向分布均匀。

其中：I(x)是法拉第杯测得的束流，I₀是理想的束流。dV(x)/dt是扫描电压随时间变化的斜率。这个修正算法逐点加到扫描电压波形上，就可得到新的非线性的扫描电压波形；

(4)将步骤(3)中的波形存入数字扫描发生器的波形存储器内，重新启动静电偏转扫描发生器扫描，再次移动法拉第杯沿X水平方向逐点测出离子束流I(x)，画出其分布曲线，见图3。可见这次离子束束流分布接近均匀。

(5)反复多次步骤(4)，进行扫描波形修正和均匀性检测，直到所测得的均匀性误差小于设置的偏差为止。

通过校正静电偏转扫描发生器的的扫描波形，已保证了离子束在水平条带内注入剂量的均匀性，而沿垂直方向，水平条带与条带之间的剂量均匀性还需要垂直均匀性检测与修正，其方法步骤为：

A、在进行离子束注入时，将移动法拉第杯移到晶圆片的右侧；在水平方向，静电偏转扫描从左向右扫过晶圆片，再扫过法拉第杯，然后回扫过法拉第杯，再回扫过晶圆片，最后停在晶圆片的左侧，完成了一个扫描周期的注入；同时，在垂直方向，直线电机驱动靶台，带动晶圆片作上下往复的匀速运动。

离子束沿水平方向每扫描一次，法拉第杯就可对该次扫描的离子束束流采样一次，见图4。

图中，T是扫描周期，为定值，在注入时保持不变，实际上也是晶圆片从一个条带向相邻条带移步的时间；t是实际扫描时间，为可调节量，通过对此参量的调节，可达到控制注入剂量的目的；Δt为扫描休止时间。

B、若每次扫描采样到的束流积分值相等，则图4中所示的t参数就无须改变，水平条带与条带之间的注入剂量均匀性也是一致的；若在扫描中采样到的束流发生变化，则表明法拉第杯接收到的电荷量发生了变化，在下一次扫描时，对实际扫描时间t参数进行调整，以保证水平条带与条带之间注入剂量的均匀性。修正补偿公式为：t_n＝t_n-1×q₀/q，其中：q₀为理想的电荷量，q为前次扫描实际测得的电荷量，t_n-1为前次实际扫描时间，t_n为下次实际的扫描时间。电荷量由剂量积分检测器检测。求得的t_n值，传递给数字扫描发生器，去调节校正扫描波形对时间的斜率，以调节实际扫描时间，达到控制条带间注入剂量的目的。

实施例：

根据上述方法记录一组水平均匀性修正数据，如下表1所示：

表1：                             单位：微安

 

校正次数	I(x1)	I(x2)	I(x3)	I(x4)	I(x5)	I(x6)	I(x7)	I(x8)	I(x9)	I(x10)	均匀性
												0	15.11	14.92	14.81	14.82	14.63	14.31	14.02	13.61	13.03	12.01	7％
1	14.65	14.65	14.60	14.60	14.50	14.50	14.30	14.26	14.13	14.08	1.5％
												2	14.58	14.60	14.61	14.49	14.51	14.50	14.45	14.34	14.30	14.21	0.93％
3	14.51	14.52	14.54	14.51	14.50	14.50	14.51	14.46	14.48	14.49	0.15％

表1中校正次数是指扫描电压波形修正计算公式

[dV(x)/dt]_n＝[dV(x)/dt]₀×I(x)/I₀进行校正的次数，取为3次，0次时扫描电压波形未经校正，为线性扫描波形。I(x)为在相应的扫描电压下，沿X方向测得的束流分布值，从左至右在200mm范围测10个点，从表中可以看出，扫描电压波形一般经过2—3次校正后，水平均匀性就可达±0.5％。

垂直均匀性修正数据，测试数据如下表2所示：

表2：                    单位：10¹⁴粒子数/厘米²

 

剂量值	条带1	条带2	条带3	条带4	条带5	条带6	条带7	条带8	条带9	条带10	均匀性
												扫描时间t固定为600μs	5.25	5.10	5.05	4.90	5.00	5.10	5.30	5.26	5.20	5.32	2.7％
扫描时间随计量变化调整	5.02	5.03	5.01	4.99	5.00	5.02	4.98	5.02	5.03	5.01	0.33％

表2中，沿Y垂直方向选择10个条带进行注入剂量测试，第一行为扫描时间固定为t＝600μs时，所测得的各条带的注入剂量值；第二行为扫描时间t随注入剂量变化而进行调整所测得的注入剂量值。可见第二行的注入剂量均匀性明显优于第一行。

本发明的特定实施例已对本发明的内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (5)

1、一种离子注入均匀性控制系统，包括移动法拉第杯、剂量积分检测器、数控扫描发生器、靶台运动和均匀性控制器和计算机，其特征在于：

所述的移动法拉第杯输出与剂量积分检测器连接，该移动法拉第杯为沿X水平方向移动的法拉第杯，该移动法拉第杯的移动位置为通过计算机定位；所述的剂量积分检测器输出与靶台运动和均匀性控制器连接，且将移动法拉第杯探测的离子束流对时间进行积分求出离子束注入的剂量值，并模数转换后输送给均匀性控制器和计算机；所述均匀性控制器为根据计量积分检测器对离子束注入剂量进行监测和控制，且在离子注入机对晶圆片实施注入掺杂过程时控制一直线电机驱动靶台沿垂直方向匀速运动；所述的移动法拉第杯、剂量积分检测器、数控扫描发生器、靶台运动和均匀性控制器均与计算机连接，由计算机协调动作并进行控制。

2、如权利要求1所述的一种离子注入均匀性控制系统，其特征在于：所述的移动法拉第杯与数控装置连接，且在该数控装置的控制下沿X水平方向上的离子束扫描范围内移动。

3、一种实施如权利要求1所述的一种离子注入均匀性控制系统的均匀性控制方法，包括水平均匀性检测与修正过程和垂直均匀性检测与修正过程，其特征在于：

所述的水平均匀性检测与修正过程包括如下步骤：

(1)静电偏转数控扫描发生器产生一线性扫描电压波形，使离子束沿X水平方向线性扫描，扫描长度大于晶圆片直径；

(2)移动法拉第杯，逐点测出X向水平线上各点的束流；

(3)根据测出束流的非均匀性误差，按照修正计算公式：

[dV(x)/dt]_n＝[dV(x)/dt]₀×I(x)/I₀

对线性扫描电压斜率进行逐点修正；其中：I(x)是法拉第杯测得的束流，I₀是理想的束流，dV(x)/dt是扫描电压随时间变化的斜率；

(4)重新启动静电偏转扫描发生器扫描，再次移动法拉第杯沿X水平方向逐点测出离子束流I(x)；

(5)反复多次步骤(3)和(4)，进行扫描波形修正和均匀性检测，直到所测得的均匀性误差小于设置的偏差为止；

所述的垂直均匀性检测与修正过程包括如下步骤：

A、在进行离子束注入时，将移动法拉第杯移到晶圆片的右侧；在水平方向，静电偏转扫描从左向右扫过晶圆片，再扫过法拉第杯，然后回扫过法拉第杯，再回扫过晶圆片，最后停在晶圆片的左侧，完成了一个扫描周期的注入；同时，在垂直方向，直线电机驱动靶台，带动晶圆片作上下往复的匀速运动；

离子束沿水平方向扫描一次，法拉第杯对该次扫描的离子束束流采样一次；

B、若每次扫描采样到的束流积分值相等，则实际扫描时间不改变；若在扫描中采样到的束流发生变化，则表明在下一次扫描时，对实际扫描时间按照修正补偿公式：t_n＝t_n-1×q₀/q进行调整；其中：q₀为理想的电荷量，q为前次扫描实际测得的电荷量，由剂量积分检测器检测，t_n-1为前次实际扫描时间，t_n为下次实际的扫描时间。

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