CN101461027B - 离子注入的剂量闭环控制 - Google Patents

Abstract

一种导出终端返回电流以在离子注入期间调节和/或补偿束流变化的方法。从离子注入系统的区域获得一个或多个单独的上游电流测量值，从所述的上游电流测量值导出终端返回电流或复合上游电流。然后为了促进目标晶片上的束流均匀性，所述终端返回电流用来调节离子束的扫描或剂量。

Description

离子注入的剂量闭环控制

技术领域

本发明通常涉及离子注入系统，更具体地，涉及控制和调节剂量的系统和方法。

背景技术

在制造半导体器件时，离子注入用来用杂质或掺杂物掺杂半导体。为了在集成电路制造期间生产n或p型非本征掺杂材料或形成钝化层，离子束注入机用来用离子束处理晶片。当用来掺杂半导体时，离子束注入机射出选定的离子种类以生产所需要的非本征材料。从源材料如锑、砷或磷产生的注入离子产生“n型”非本征材料晶片，而如果需要“p型”非本征材料晶片，可注入由源材料如硼、镓或铟产生的离子。

典型的离子束注入机包括从离子化源材料产生正电荷离子的离子源。产生的离子形成束并沿着预定的束路径投向注入位置。离子束注入机可包括在离子源和注入位置之间延伸的束形成和成形结构。束形成和成形结构保持离子束并限定一个使所述束通过并到达所述注入位置的拉长的内部腔或通道。当操作注入机时，该通道被抽成真空，以降低离子由于与气体分子碰撞而从所述预定的束路径反射的可能性。

相对于离子电荷的离子质量(如，电荷-质量比)影响离子被静电场或磁场在轴向和横向上加速的角度。因此，由于不需要的分子重量的离子会被偏移到远离所述束的位置，到达半导体晶片或其他目标的所需要区域的所述束可能变得很纯，并可避免不需要的材料的注入。有选择地分离需要和不需要的电荷质量比的离子的过程称之为质量分析。质量分析器通常采用产生偶极磁场的质量分析磁体，并通过磁偏转在弓形通道中偏移离子束中的各种离子，其中弓形通道将有效地分离不同电荷质量比的离子。

剂量测定是对注入晶片或其他工件中的离子的测量。在控制注入离子的剂量时，为了动态调节注入以在注入的工件中达到均匀性，通常采用闭环反馈控制系统。在一个例子中，控制系统利用实时电流监控来控制慢扫描速度。法拉第盘或法拉第杯周期性地测量束流，并调节慢扫描速度以确保连续掺杂。频繁的测量允许剂量控制系统能对束流的改变进行快速响应。所述法拉第杯可以是固定的、很好地屏蔽的并位于晶片附近，以使它对实际掺杂所述晶片的所述束流敏感。

法拉第杯仅测量电流。注入期间的离子束与析出气体的交互作用可将所述束中的掺杂离子的一部分中性化，析出气体例如是从光刻胶中析出的气体。结果，测量的流量或束流不能代表实际的束流或流量。注入的中性粒子对晶片接收的剂量有贡献，但不能通过法拉第杯进行测量。结果，晶片会被过掺杂和/或具有实质上的剂量非均匀性。

解决这种变化的传统机制是采用除获得法拉第杯读数之外还获得压力读数的方式。然后，压力读数和法拉第测量用来调节束流。然而，压力补偿机制可能不能解决这些变化，例如，在气体混合物、束能量、种类、剂量水平等方面的变化，不能在选定的水平和剂量条件下提供合适的、均匀的注入。

发明内容

接下来介绍本发明的简单概述，以提供对本发明的某些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛意义上的总结，并且即不是试图确定本发明的关键或主要元件也不是描述本发明的保护范围。准确地说，该概述的目的是以简单的形式介绍本发明的某些原理，以作为后面将介绍的更详细的描述的序言。

本发明的方面是补偿源自离子注入期间由于除气(out gassing)而引起的束流的变化。终端返回电流被获得或导出，以在用中性化检测或确定束流变化之前，指示或代表完整束流。法拉第杯不能引起(account for)中性化的离子或掺杂物，因此，不能检测和/或指示束流变化，且在中性的离子或掺杂物均不存在时能检测和/指示变化。

通过测量外壳、壳体、电极等由通过的离子束所产生的一个或多个电流，可以获得或导出终端返回电流。单独的电流可被处理成终端返回电流。可替换地，分离结构或壳体可直接定位于质量分析器的下游，以测量终端返回电流。一旦获得，终端返回电流可用来调节离子束的剂量或扫描，以促进晶片上的束流和注入均匀性。

接下来的描述和附图详细阐述本发明的某些例证性方面和实施方式。这些仅仅是本发明的原理可应用的多种方式中的少许部分。

附图说明

图1是图示适合实现本发明一个或多个方面的示范性离子注入的平面视图。

图2是图示根据本发明一个方面的离子注入系统200和系统中的各个区域的示意图。

图3是图示根据本发明一个方面的用于离子注入系统的终端返回电流系统的方框图。

图4是图示根据本发明一个方面的终端返回电流系统的方框图。

图5是图示根据本发明一个方面的终端返回电流剂量控制系统的一部分的方框图。

图6是图示根据本发明一个方面的离子注入系统的示意图。

图7是图示根据本发明一个方面的用于导出离子束的终端返回电流和根据终端返回电流调节离子束剂量的方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图描述本发明，其中在附图中所有相同的附图标记表示相同的元件，并且所示出的结构没有必要按比例画出。

除气(out gassing)，例如光刻胶除气，是离子注入系统的难题。除气增加了系统中的真空压力，导致离子流中的一些离子转变成中性粒子。中性粒子通常不能被检测到，从而导致剂量测定问题。特别是在缺少弯曲的高电流离子注入系统中是会有问题的。结果，对传统系统来说剂量控制是一个问题。传统已知技术如压力补偿，至少在某些情况下，是不足以处理上述中性化问题的。

本发明的各方面采用终端返回电流，也称之为上游电流测量来调节晶片的扫描速度。终端返回电流可包括，例如，束引导件电流、电源电流和其他单独的上游电流测量值。终端返回电流可指示，例如，在磁体内的离子束损失百分比的量，用来调节晶片在一个或多个方向如水平、垂直、慢、快等条件下的扫描速度的量，从而改善剂量测定。在闭环系统中采用终端返回电流和扫描控制。

在中性化被用来检测或确定束流的变化前，终端返回电流被获得或导出并用来指示或代表一个完整束流。在仅有一部分注入期间的法拉第杯测量电流并位于目标晶片的下游。法拉第杯并不引起(account for)中性粒子或掺杂物，因此不能检测和/或指示束流变化，和/或在中性粒子或掺杂物都不存在时能检测或指示变化。

通过测量外壳、壳体、电极等由通过的离子束产生的一个或多个电流，可获得或导出终端返回电流。单独的电流可被处理成终端返回电流。可选择地，分离结构或壳体可直接定位于质量分析器的下游以测量终端返回电流。一旦获得，终端返回电流可用来调节离子束的剂量或扫描，以促进晶片上的束流和注入均匀性。

图1是图示具有终端12、束线组件14和终端站16的示例性的离子注入系统10的平面视图。该示例性系统10适合实现本发明的一个或多个方面。应当理解，可以采用其他离子注入系统来实现本发明的各方面。

终端12包括由高压电源22供电的离子源20，离子源产生离子束24并使离子束24投向束线组件14。离子源20产生从所述离子源20提取并形成为离子束24的带电离子，离子束沿着束线组件中的束路径投向终端站16。

束线组件14具有束引导件32；质量分析器26，其中在质量分析器中建立偶极磁场以仅使合适的电荷质量比的离子穿过分解孔34；扫描系统35；和平行器38。离子注入系统10也可包括在离子源20和终端站16之间延伸的各种束形成和成形结构，这些结构保持离子束24并限定形成拉长的内部腔或通道，其中离子束24通过内部腔或通道被输送到被支撑在终端站16中的工件30。通常这种离子束输送通道抽成真空，以降低离子由于与空气分子的碰撞而被从束路径上偏移的可能性。

注入机可采用不同类型的扫描系统。例如，所示出的静电系统，耦合高压电源到扫描板。调节所述扫描板上的电压以扫描所述离子束。在磁系统中，高电流电源连接到电磁圈。调节电磁场以扫描所述离子束。在本发明中，所有不同类型的扫描系统是等同的，静电系统用来进行图示。

扫描系统35包括扫描器36和耦合到扫描器板或电极36a和36b的电源50，其中在扫描系统中，扫描器36从质量分析器26沿着束路径接收质量分析过的离子束24，并沿着束路径向平行器38提供扫描过的束24。然后平行器38将扫描过的束24导向终端站16，使得束24以大致不变的入射角度撞击剂量测定系统52的测量传感器。

扫描器36接收具有相对窄的轮廓(如，示出系统10中的“铅笔”束)的质量分析过的离子束24，由电源50施加给扫描器板36a和36b的电压波形开始操作，以在X方向(扫描方向)前后扫描束24，将束24展开成拉长的“带”束(如，扫描的束24)，“带”束的有效的X方向的宽度至少等于所关注的工件的宽度或比所关注的工件的宽度宽。然后，扫描过的束24穿过平行器38，平行器38将束投向大致平行于Z方向(如，通常垂直工件表面)的终端站16。

注入机10可采用不同类型的终端站16。例如，“批处理”型终端站可在旋转支撑结构上同时支撑多个工件，其中，工件被旋转通过离子束的路径直到所有的工件都被完全注入。另一方面，“连续”型终端站，沿着用于注入的束路径支撑单一工件，其中多个工件是以连续方式一次一个进行注入的，在下一个工件注入开始之前，每个工件都被完全注入。

图示的终端站16是沿着用于注入的束路径支撑单一工件30(如，半导体晶片、显示屏或其他从束24注入离子的工件)的“连续”型终端站，其中为了在注入操作前进行校正测量，剂量测定系统52定位于工件放置位置附近。在校正期间，束24通过剂量测定系统52。剂量测定系统52包括一个或多个可持续横过靠模工具机的路径58的靠模工具机(profiler)56，从而测量扫描过的束的轮廓。在图示的剂量测定系统52中，靠模工具机56包括用于测量扫描过的束的电流密度的电流密度传感器，如传统的法拉第杯。电流密度传感器以相对扫描的束大致直交的方式移动，从而横过带状束的宽度。剂量测定系统52可操作地耦合到控制系统54，以接收来自控制系统的命令信号并向控制系统提供测量值。

控制系统54也从质量分析器26的下游处或附近区域获得终端返回电流，也称之为上游电流或复合上游电流。在一个例子中，在由于质量分析而在离子束24中存在实质上的中性粒子之前，终端返回电流与离开质量分析器26的束流成比例。可以理解，在操作期间可发生束流24的中性化，特别是在涉及压力转换除气(out gassing)期间发生，例如在光刻胶除气时发生。结果，终端返回电流可促进束流的同一，这是因为它不受如基于压力的转换或中性粒子存在的影响。为了获得所希望的或所选择的均匀性和避免变化，终端返回电流可用来调节离子束24的扫描和/或产生。

终端返回电流可包含一个或多个单独上游电流测量值，如电极电流、壳体电流、电源电流等。在一个例子中，通过测量如束引导件外壳或其他增加正离子通过的组件上的电荷，获得电流测量值。终端返回电流可用比例因子、过滤器、阻抗匹配、多个电流的附加等来进行处理。比例因子等可在校正时确定。

图2是图示根据本发明一个方面的离子注入系统200和系统中的各个区域的示意图。提供系统200作为例子以示出中性化发生的地方和它对离子束的影响。

系统200包括与提取电极204结合在一起产生离子束203的离子源202。离子束源202包括，例如，具有关联功率源的等离子体源。等离子体源，例如，可包含电离室和提取光学元件，从提取光学元件提取聚焦且成形的离子束。离子源202产生具有选定的掺杂物或种类的离子束203。可选择的掺杂物的一些例子，例如，包括p型硼和n型磷。提取电极204用来用初始能量从离子源中提取离子束203。

离子束203向下行进通过质量分析磁体206。质量分析磁体206选择性地通过具有合适的电荷质量比的离子。其它离子或粒子沿着不同的路径或轨迹通过磁体206并离开离子束203。质量分析磁体206的下游是组件或部件208，可包括，例如，扫描器、加/减速电极等的。

分解孔和减速电极210在组件208的下游示出，并用来从离子束203中移除未被选择的离子和粒子。离子束203投向目标晶片212。为了测量束电流或流量，盘状法拉第214放置于晶片212的下游。

要说明的是除气可在离子注入期间发生，尤其是从光刻胶发生。压力变化在此产生，并且发生增大的中性化，和/或束流被改变。由于在离子束203中存在中性粒子，盘状法拉第214不能正确地测量电流。

图2也示出系统200的三个区域。区域3包围来自离子源202和离开分解磁体206的离子束203的路径。在区域3中，中性掺杂物或离子不具有所选择的电荷质量比，并且通常不能通过磁体206而仍出现在离子束203中。区域2包围从质量分析磁体206到分解孔210的离子束203的路径。在区域2中，由于离子束203是以直线或近似直线向目标晶片行进的，因此中性掺杂物或离子留在离子束203中。区域1包围从并包括分解孔210到目标晶片212的离子束203的路径。与区域2一样，区域1具有这样的特性，即由于离子束203是以直线或近似直线向目标晶片行进的，中性掺杂物或离子趋于留在离子束203中。此外，由于接近目标晶片212和发生除气，在区域1中离子束203中的离子会产生显著的中性化。

本发明的各方面确定、测量和/或导出终端返回电流，终端返回电流也被称为上游电流，当它离开磁体206和区域3时，是与离子束203的束流成比例的，也称之为完整电流。此时，由于质量分析磁体206，在束中并不存在中性掺杂物或离子的实际量。然后为了改善束均匀性，终端返回电流可用来调节束流变化。

在图2中，通过测量与质量分析磁体在区域1和/或区域2中相关的一个或多个电流，可获得终端返回电流。例如，在围绕质量分析磁体206下游的束的结构/外壳的终端进行电流测量。可从所述终端到地进行电流测量。类似地，也可在提取电极204、磁体206本身或包含磁体的壳体等进行电流测量。测量的电流可被处理和调节以产生接近或显示离子束203的完整束流的终端返回电流。

图3是图示根据本发明的一个方面的用于离子注入系统的终端返回电流系统300的方框图。为了更完整地图示本发明，离子注入系统的各种细节和组件被省略了。

离子源302产生沿着路径行进的离子束304。质量分析器306在离子束304上进行质量分析，并仅使具有选定电荷质量比的那些粒子，包括选定的掺杂物通过。结果，在图3表示为l1的完整束流从质量分析器306中分离出来。

法拉第杯310位于下游并接近目标晶片或终端站(未示出)。法拉第杯310测量束流，但是如先前所示，它不在离子束304中引起中性离子，结果，不需要提供束流的精确测量。在图3表示为l3的来自法拉第杯的法拉第测量束流不在离子束304中引起中性粒子。

测量装置308测量和/或获得终端返回电流，如图3的l2所示。测量装置308测量来自关于质量分析器306的分离结构和/或其他部分的一个或多个单独的上游电流，以获得终端返回电流。例如，通过连接到外壳、壳体等上的终端，并测量由通过那里的离子束304的正离子感应的电荷，可获得测量的上游电流。在另一个例子中，分离的、导电TRC结构或外壳直接位于质量分析器的下游。由于通过的离子束304中的正离子的原因，电荷在TRC结构上累积，测量累积的电荷以获得终端返回电流。

从物理的角度，终端返回电流(l2)与完整束流(l1)有关，如l1＝-l2。法拉第测量束流(l3)是完整束流(l1)的函数，但由于离子束304从离子源302到法拉第杯310的束输送，通常有点小。此外，如同以上所阐述的，法拉第测量束流(l3)不包括或不代表离子束304中的中性粒子。而且，对于离子注入工艺的基本部件，由晶片阻隔法拉第测量束流(l3)。

在没有改变或中断正在进行的离子注入工艺的情况下，直接测量完整束流(l1)会存在问题。因此，本发明的发明人获得不需要中断就能获得的终端返回电流(l2)。此外，终端返回电流(l2)没有被晶片阻隔，并在一个大的范围内与压力呈线性变化。因此，在离子注入期间终端返回电流(l2)可用来进行剂量控制。

图4是图示根据本发明的一个方面的终端返回电流系统400的方框图。系统400示出为了导出终端返回电流，从离子注入系统的部件获得测量的电流值的结构的一个例子。

系统400包括包含离子源404和提取/抑制电极405的离子源壳体。离子源404提供包含选定离子或掺杂物的离子束414。束引导件外壳406包括组件如用来使离子束414通过并进行质量分析的质量分析磁体(未示出)。分离壳体408位于束流引导件外壳406的下游，可包括，例如，分解孔、加/减速电极、扫描系统等。

目标晶片410位于远离壳体408的下游，法拉第杯412位于晶片的后面。图4中的l1示出的完整电流从壳体408分离出来而实际上不具有中性粒子(without substantial amounts of neutrals)。法拉第杯412获得法拉第测量电流，如图4中13所示，由于束传输和中性化的原因，其小于完整电流l1。

源测量组件416耦合到离子源404并测量提取电流I_EXT。电极测量组件418耦合到一个或多个抑制电极405并测量电极电流I_SUP。束引导件测量组件420测量束引导件电流I_BG。在本例中，束引导件测量组件420可以漂移和减速模式进行操作。对于漂移模式，束引导件406通过短路棒424接地。在减速模式，束引导件406通过继电器422连接到减速器PS。

然后，电流I_EXT、I_SUP和I_BG可用来在离子注入期间实时导出终端返回电流l2。终端返回电流l2代表完整电流l1，可用来在注入期间调节剂量。

图5是图示根据本发明一个方面的终端返回电流剂量控制系统500的一部分的方框图。系统500包括接收一个或多个上游电流测量值并导出终端返回电流(TRC)的信号调节组件502。在本方面，上游电流测量值包括束引导件外壳测量值(I_BG)、源提取测量值(I_EXT)、第一抑制电极测量值(I_SUP1)和第二抑制电极测量值(I_SUP2)。然而，应当理解，本发明可替换的方面可包括其他电流/电荷测量值。

信号调节组件502包括比例组件、过滤器组件、附加组件和阻抗匹配组件。阻抗匹配组件补偿电流测量的阻抗变化。比例组件为每个电流测量值施加一个比例值。比例值可在校正或安装处理期间确定，这期间采用法拉第测量电流，例如没有晶片。过滤器组件过滤来自电流测量值的噪声和/或其他不想要的信号。附加组件把成比例的和过滤的电流测量值结合进终端返回电流TRC。

图6图示根据本发明的一个方面的离子注入系统600的示意图。为了减轻下游的二次电子对导出的终端返回电流的影响，系统600采用分解抑制电极。

系统600包括离子源602和提供具有选定特性的离子束606的抑制电极604。束引导件外壳608包括对离子束608进行质量分析的束引导件部分。束线组件610包括各种组件，包括但不限于分解孔、分解抑制电极、等离子体电子流612、晶片位置、束角度测量组件614和盘状法拉第616。

等离子体电子流612和/或其他下游二次电子的操作会影响电流测量值，如用来导出终端返回电流的束引导件外壳电流测量值。结果，终端返回电流是不精确的。然而，本发明的发明人认识到，采用分解抑制电极(图6中的VR-SUP)，可减轻该影响并改善终端返回电流的精度。

图7是图示根据本发明一个方面的导出离子束的终端返回电流和根据终端返回电流调节离子束剂量的方法的流程图。

该方法从块702开始，其中在低压下获得/测量初始终端返回电流和初始法拉第电流。这些值可在没有除气的低压下确定，使得法拉第电流更接近完整电流。

在块704中继续，在低压下确定终端返回电流和法拉第电流之间的关系，包括获得初始终端返回电流和法拉第电流值。其他特性也可导出，包括例如电流测量值的比例因子、过滤器方面、附加规则、阻抗匹配等。

在块706，在离子注入期间获得一个或多个上游电流/电荷测量。这些一个或多个电流测量值可包括束引导件外壳电流、抑制电极电流等。此外，束流测量可包括或由来自位于质量分析磁体下游的外壳或结构的单一测量构成。分解抑制可选择地用来降低等离子体电子流和/或二次电子的影响。

在块708，从一个或多个电流测量值中导出终端返回电流。在一个例子里，该导出包括按比例缩放电流测量值、阻抗匹配、过滤电流测量值和把电流测量值相加。导出可在快速扫描的终点、和在快速扫描期间的各点等连续进行。此外，终端返回电流可与先前的终端电流值取平均值、和在快速扫描时的终端返回电流取平均值，等等。

在块710，用于慢和快扫描方向的扫描速度或速率根据导出的终端电流进行调节。在一个例子里，根据在块702时获得的初始法拉第电流与在块706导出并被在块702获得的初始终端返回电流所除的终端返回电流的乘积，设定扫描系统的慢扫描的控制信号。在另一个例子里，根据导出的终端返回电流与加上初始法拉第电流的初始终端返回电流之间的差，设定或调节控制信号。在另一个例子里，根据压力补偿因子、初始终端返回电流、终端返回电流导出的电流和初始法拉第电流，设定控制信号。根据本发明，其他适合的控制机制是可以被预期的，并包括快和慢扫描的扫描速度的调节。此外，应当理解，至少部分根据导出的终端返回电流，本发明的可替换方面可调节由离子源产生的离子束的剂量。然后方法700可返回块704继续用于进行进一步的测量和调节。

应当理解，方法700的部分可被省略，和/或在本发明的替换方面中进行其他附加操作。此外，执行顺序可根据不同的阐述而不同。

虽然已经根据一个或多个实施方式图示和描述了本发明，但在不偏离随附的权利要求的精髓和保护范围的前提下，可进行替换和/或修改。特别是关于上述描述的组件或结构(块、单元、发动机、部件、装置、电路、系统等)所执行的各种功能，在没有其他指示条件下，用来描述这些组件的术语(包括涉及的“装置”)是要与任何执行所描述的组件的具体功能的组件或结构相符合的(如，功能相同)，即使与在本发明示出的示例性的实施方式中执行这些功能的公开的结构在结构上是不等同的。此外，虽然仅针对几个实施方式中的一个中公开了本发明的特定特征，但只要有需要的可能和有利于任何给出的或特定的应用，该特征可与其他实施方式中的一个或多个其他特征进行组合。这里使用的术语“示例性”是要表示一个例子，以区别于最好的或较好的。而且，在这个意义上，术语“包括”、“有”、“具有”或其变化在具体实施方式和权利要求中都被使用，这些术语是要表示包含的意思，在某种意义上，与开放式术语“包括”是类似的。

Claims (4)

1.一种离子注入系统，包括：

沿着束路径产生离子束的离子源；

外壳内的束引导件，所述束引导件沿着所述束路径并位于离开所述离子源的下游；

位于所述束引导件下游的扫描系统，所述扫描系统在快和/或慢方向可控地扫描所述离子束；

位于所述束引导件下游的目标晶片；

获得法拉第电流测量值的法拉第杯；

位于终端站上游的分解孔和减速电极；以及

终端返回电流系统，所述终端返回电流系统包括位于所述分解孔和减速电极上游的测量装置，其中所述终端返回电流系统获得终端返回电流并根据所述终端返回电流通过所述扫描系统改变扫描，一旦获得终端返回电流，终端返回电流被用来调节离子束的剂量或扫描，以促进晶片上的束流和注入均匀性。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述终端返回电流系统测量一个或多个单独的上游电流，并从所述一个或多个单独的上游电流导出所述终端返回电流。

3.一种调节离子注入系统操作的方法，所述方法包括：

通过位于分解孔和减速电极上游的终端返回电流系统的测量装置测量由位于所述离子注入系统中的外壳、壳体或电极上的通过的离子束所感应的一个或多个电流来获得一个或多个电流测量值，所述分解孔和减速电极位于所述离子注入系统的终端站的上游；

通过一个或多个比例因子按比例缩放所述一个或多个电流测量值；

过滤所述一个或多个按比例缩放的电流测量值；

把所述过滤的电流测量值相加以导出终端返回电流；以及

根据所述终端返回电流调节剂量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中调节所述剂量包括调节慢扫描速度。

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