CN101467227A - 离子束电流均匀度监控器、离子注入机以及其方法 - Google Patents

Abstract

本案揭示了一种离子束电流均匀度监控器、离子注入机及相关的方法。在一实施例中，所述离子束电流均匀度监控器(15)包括：离子束电流测量器，包括多数个测量装置(17)，以测量离子束(12)内多个位置的电流；以及控制器(18)，以根据所述离子束电流测量器的离子束电流测量值来维持离子束电流均匀度。

Description

离子束电流均匀度监控器、离子注入机以及其方法

技术领域

本发明是有关于离子注入系统及方法，特别是有关于离子束测量。

背景技术

离子注入(ion implantation)为一种在半导体晶圆中注入改变导电性的杂质的标准技术。期望的杂质材料在离子源中被离子化，将这些离子加速以形成具有规定能量的离子束，而该离子束对准晶圆的表面。离子束中的能量离子穿入半导体块材并内嵌入半导体材料的晶格中，以形成具有预期导电性的区域。

离子注入机通常具有离子源，以将气体或固体材料转化为精确定义的离子束。该离子束可被进行质量分析以消除不想要的离子种类，可加速至预期的能量，并导引至靶材平面。该离子束可藉由离子束扫描、靶材移动或离子束扫描及靶材移动组合方式而分布于靶材区域。该离子束可为点状束(spot beam)或带状束(ribbon beam)。其中，带状束具有长边及短边，该长边大小可至少为晶圆的宽度大小。

将预期剂量的杂质注入晶圆对于确保所形成的半导体的运作合乎规格是很重要的。可能影响注入晶圆的杂质剂量的一个因素是离子束电流分布。获得精确均匀的杂质剂量需要保证一定的离子束均匀度。离子束电流的意外波动可能降低杂质剂量的均匀度。如果离子束不均匀，可能导致注入晶圆的离子的浓度随区域不同而变化。

随着半导体制造技术的进步，越来越需要得到工艺讯息，例如，为提供工艺保证(process assurance)或设备建模资料(device modeling data)。因此，必须对离子束属性，例如离子束均匀度，进行更加精确及完整的测量。对离子束属性进行更加精确及完整的测量亦可在注入过程中，藉由侦测不均匀离子束来降低工艺风险。

当以用户设定的间隔，熟知为均匀度检查间隔(uniformity checkinterval)，来测量离子束均匀度时，用户经常发现均匀度不合格。这些间隔可能例如为每小时或每100个晶圆。然而，均匀度检查间隔在晶圆的注入过程中并不提供反馈讯息。

一些单一晶圆注入机是假设如果在建立过程中离子束是均匀时，则在晶圆处理过程中均匀度是不会改变，除非整个离子束的离子束电流发生变化。一些扫描束机器、带状束机器以及点状束机器可利用此方法，因为这些机器依靠不变的离子束形状来满足均匀度规格同时达到高产能。但是，该方法在晶圆注入过程中亦不提供关于离子束均匀度的反馈讯息。

在建立过程中，一些单一晶圆注入机是依靠整个晶圆的离子束电流的测量来进行离子束均匀度测试。在离子注入过程中，典型地，单点测量或单个数字被用来代表离子束。基本上，此种方式仅提供在建立过程中离子束电流是否已经上升或下降的讯息。但，单点测量并不会检查离子束均匀度是否有被维持。

因此，业界一直寻求一种改良的新方法及装置，以改善离子束均匀度的监控。

发明内容

本案揭示了一种离子束电流均匀度监控器、离子注入机及相关的方法。在一实施例中，所述离子束电流均匀度监控器包括：离子束电流测量器，包括多数个测量装置，以测量离子束内多个位置的电流；以及控制器，以根据所述离子束电流测量器的离子束电流测量值来维持离子束电流均匀度。

本案揭示的一方面包括一种方法，包括：在离子注入之前，测量离子束内多个位置的每个位置的离子束电流；对至少一晶圆进行离子注入；在离子注入过程中，周期性地测量所述离子束内的所述多个位置的每个位置的离子束电流；以及根据所述离子束电流测量值来判断所述离子束电流是否为非均匀。

本案揭示的第二方面包括一种离子束电流均匀度监控器，包括：离子束电流测量器，包括多数个测量装置，以测量离子束内多个位置的电流；以及控制器，以根据所述离子束电流测量器的离子束电流测量值来维持离子束电流均匀度。

本案揭示的第三方面包括一种离子注入机，包括：离子源，以产生离子束；质量分析器；终端站，以固持欲被离子束进行注入的晶圆，所述终端站更包括离子束电流测量器，包括多数个测量装置，以测量离子束内多个位置的电流；以及控制器，以根据所述离子束电流测量器的离子束电流测量值来判断离子束电流均匀度。

本案揭示的第四方面包括一种程序产品，储存于电脑可读媒体上，当被执行时，其监控离子束电流均匀度，所述程序产品包括：程序码，以在离子注入之前接收离子束内多个位置的每个位置的离子束电流测量值；程序码，以导引离子至至少一晶圆；程序码，以在离子注入过程中接收周期性的离子束内所述多个位置的每个位置的离子束电流测量值；以及程序码，以根据所述离子束电流测量值来判断所述离子束电流是否为非均匀的。

附图说明

图1是根据本发明实施例适用于实作离子束电流均匀度监控装置的离子注入机的一实施例的简化示意图。

图2绘示使用中的离子束电流均匀度监控器的一实施例的简化视图。

图3绘示使用中的离子束电流均匀度监控器的一实施例的另一简化视图。

图4绘示在带状束离子注入机中图1的监控装置的一实施例的示意图。

图5绘示为使用法拉第杯的图1的监控装置的一实施例。

图6绘示为使用法拉第杯的图1的监控装置的另一实施例。

图7绘示为使用多画素剂量阵列的图1的监控装置的另一实施例。

图8绘示为使用监控器致动器的图1的监控装置的另一实施例。

10：离子注入机                   11：离子束产生器

12：离子束                       13：终端站

14：晶圆                         15：监控器

16：数据测量器                   17：测量装置

18：控制器                       19：处理器

20：机器可读媒体                 21：使用者介面系统

80：多画素电子元件               90：多画素剂量阵列

91：致动器

具体实施方式

本发明在此是结合离子注入机来加以描述。但，本发明可被应用于其他使用高能带电粒子束的系统及方法。因此，本发明并不限于下面描述的具体实施例。

图1为适合实施本发明的离子注入机一实施例的简化示意图。离子注入机10包括离子束产生器11。离子束产生器11可包括各种元件及系统以产生具有适于注入的预期属性的离子束12。离子束12可为点状束或带状束。点状束可为无扫瞄器的固定或静止点状束。或者，点状束可经过离子束产生器11的扫瞄器加以扫描以提供扫瞄点状束。带状束可具有大的宽高比。带状离子束的长边至少具有待注入的工件以及晶圆的宽度的大小。离子束12亦可为任何类型的高能带电粒子，如高能离子束。离子束12在终端站13内将多数个离子注入晶圆14。

监控器15可设置于终端站13内靠近晶圆14的位置。监控器15可包括多数个测量装置17。测量装置17测量离子束电流均匀度，例如可为多数个法拉第杯(Faraday cup)或多画素剂量阵列(multipixel dose array)。测量装置17亦可包括其他形式的测量装置。测量装置17可与控制器18进行通讯，并受控制器18连续并同步地监控。控制器18可为例如离子注入机10的剂量控制器或离子注入机10的多画素电子元件。其他形式的控制器18可被应用于离子注入机10中，而不限于上述列举的两个范例。

控制器18可包括特定用途或通用用途的电脑或电脑构成的网路，这些电脑可被程序化以执行预期的输出/输入功能。控制器18可包括处理器19以及机器可读媒体20。处理器19可包括一个或多个习知的处理器，例如，那些英特尔公司已经商用的处理器。机器可读媒体20可包括一个或多个机器可读存储媒体，例如，随机存取存储器(random access memory，RAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、磁盘(例如，软盘及硬盘)、光盘(例如，CD-ROM)及/或任何其他可存储执行指令的装置。控制器18亦可包括其他电子电路或元件，例如但不限于，特定用途集成电路、其他硬布线(hardwiring)或可程序化电子装置、或分离元件电路。控制器18亦可包括通讯装置。控制器18可从离子注入机10的各种系统或元件接收输入资料及指令，并输出信号以控制离子注入机10的元件。

离子注入机10亦可包括使用者介面系统21。使用者介面系统21可包括，但不限于，触控荧幕、键盘、用户指向装置、显示器或印表机等装置，以供用户输入命令及/或资料，及/或监控例如离子注入机10、控制器18或监控器15。

图2绘示在使用中的离子束电流均匀度监控器的一实施例的简化视图。此图绘示出七个测量装置17，但，亦可具有其他数目的测量装置17。

图2为如何测试离子束电流均匀度的一个范例。在晶圆14的离子注入进行之前，当离子束建立进行最后均匀度测量时，控制器18会对监控器15中的一些或所有测量装置17的离子束(图未示)电流(Fi setup)的建立值(setup value)进行纪录。

一旦离子注入开始，如图2所示，在扫描过程中，将晶圆14设置于监控器15的测量装置17的前面。当进行离子注入时，晶圆将会例如，沿着箭头方向移动。此时，监控器15可以不提供离子束电流均匀度的测量。

图3绘示使用中的离子束电流均匀度监控器的一实施例的另一简化视图。控制器18会在一定间隔中检查监控器15的一些或所有测量装置17的离子束(图未示)电流值是否有变化。如图3所绘示，例如，该间隔可以为每次晶圆14完成离子束的扫描，可例如以Fi来表示。在此范例中，比值Fi/Fi setup应该接近于1。但，亦可预期其他值Fi/Fi setup。在一范例中，离子束电流值可因离子束异常而变化，其中，所有电流消散于所有的测量装置上。离子束异常发生之后，在测量之前，监控器15可等待一段时间，例如，以等待重新建立离子束电流及均匀度稳定性。

如果监控器15的任何测量装置17的任何离子束电流值的变化超过门槛量时，举例而言，可能中断注入，则可能会对离子束执行修正动作或一些形式的工艺控制。该门槛量可能会变动。针对上述的异常问题，在等待一段时间之后，监控器15重新测量均匀度。如果一个或多个测量装置17的比值Fi(glitch)/Fi setup(即，异常恢复之后的电流对开始注入或建立的电流)大于门槛时，这表示离子束均匀度还没有回到监控器15要求的水平，并且会执行上述列举的一个或多个动作。

在其他范例中，同样的工艺控制或离子束均匀度检查是可依据监控器15的任何测量装置17的离子束电流值的趋势或依据监控器15的个别测量装置17的任何组离子束电流值的变化。但，其他测量以及针对其他测量所采取的动作的范例也是可能的。

在另一种资料测量范例中，如果每个测量装置17为法拉第杯，则在控制器18中处理的离子束电流值是那些存储在每个测量装置17内的值。因此，控制器18的输入可为每个法拉第杯的离子束电流值。例如，该输入可能为对应五个或七个法拉第杯的五个或七个值。

但，在另一种资料测量范例中，如果每个测量装置17为多画素阵列的一部分，则每一行画素的离子束电流值可以减少至五个或七个值，以与前一范例的多个法拉第杯的值匹配。在一范例中，瞄准法拉第杯cupi的那部份离子束将为Fi＝li/ltotal。在该范例中，一行画素的测量必须等于Fi。因此，输入控制器18的离子束电流均匀度测量值可能与多画素阵列中的画素的数目不匹配。而是，控制器18的输入可能为，例如，从多行画素编译得到的五个或七个值。如果每个测量装置17为适于控制器18所用软件的法拉第杯，这样即与可能的输入的数目相匹配。关于来自于测量装置17的值的编译的其他变化与实施例亦是可能。

复请参考图1，控制器18可与数据测量器16进行通讯。数据测量器16测量离子束12的电流值，可为法拉第杯或其他测量装置。从监控器15输入至控制器18的离子束电流信号亦可与从数据测量器16输入至控制器18的离子束电流信号进行比较。前述对于在晶圆平面内的均匀度，监控器15的信号变化与数据测量器16的信号变化的比较显示，监控器15的信号对于离子束均匀度的变化的敏感度较数据测量器16的信号高四倍。此种敏感度是可预期的，这样即可尽快对离子束变化作出反应。监控器15亦可用于侦测其他离子束属性，例如，离子束角度变化或能量污染。

从监控器15得到的测量值亦可使用统计方法进行处理。例如，西屋规则(westinghouse rule)可被应用于工艺控制环境中。这些规则可说明控制器18提供的反应。其它形式的统计方法亦可应用至从监控器15得到的测量值。

控制器15可提供工艺保证，使得当离子束12不满足均匀度要求时，离子注入机10不对晶圆14进行处理。藉由在工艺控制中，可判断离子束不均匀的原因及可能消除该离子束不均匀的原因，监控器15亦可用作诊断工具以识别离子束均匀度发生变化的状况。另外，在晶圆处理中，监控器15亦可用于工艺最佳化。通常在固定几分钟之后或固定数目的晶圆被处理之后，需要有均匀度检查间隔，藉由降低或消除这种均匀度检查间隔，监控器15可进一步用于提高产量。监控器15亦可在不降低产能的情形下，主动判断何时重新建立离子束均匀度。

图4为适于实施图1的监控装置的一种可能的离子注入机的一实施例的示意图。悉于此技术者当可认识到其他离子注入机亦可用于实施本案所揭示的技术。基本上，离子注入机包括产生离子及提供离子束31的离子源30。离子源30可包括离子室及盛装待离子化的气体的气室。气体供应至离子室而被离子化。如此形成的离子从离子室萃取出以形成离子束31。离子束31可被导引至解析磁铁(resolving magnet)32的磁极间。第一电源供应器29可连接至离子源30的萃取电极并提供正向的第一正压V0。第一正压V0可例如从大约0.2至80kV之间调整。因此，来自离子源10的离子被第一正压V0加速至大约0.2至80keV之间的能量。

离子束31通过抑制电极(suppression electrode)33及接地电极34，然后到达质量分析器35。质量分析器35包括解析磁铁32及遮罩电极(masking electrode)36，且遮罩电极36具有鉴别孔隙(resolvingaperture)37。解析磁铁32偏折离子束31中的离子，使得想要的离子种类的离子通过鉴别孔隙37。不想要的离子种类不通过鉴别孔隙37，而是被遮罩电极36所阻挡。在一实施例中，解析磁铁32将想要的种类的离子偏折90度。

想要的离子种类的离子通过鉴别孔隙37之后到达位于质量分析器35下游的第一减速平台40。减速平台40可包括上游电极41、抑制电极42以及下游电极43。离子束31中的离子可被减速平台40减速，然后可通过角度修正磁铁44。角度修正磁铁44偏折想要的离子种类的离子并将离子束从扩散离子束转换为带状离子束45，其具有实质上平行的离子轨道。在一实施例中，角度修正磁铁44将想要的种类的离子偏折70度。

终端站13将一个或多个半导体晶圆(例如，晶圆14)固持于带状离子束45的路径上，使得想要的种类的离子被注入至晶圆14中。终端站13可包括平台50以支撑晶圆14。终端站13亦可包括扫描器(图未示)，以沿垂直于带状离子束45横截面的长边的方向移动晶圆14，藉以将离子分布于整个晶圆表面。带状离子束45可至少与晶圆14一样宽。虽然介绍的是带状离子束45，其他的离子注入机实施例可提供扫描离子束(在一个或多个方向上扫描)或可提供固定离子束。离子注入机可包括第二减速平台46，位于角度修正磁铁44的下游。减速平台46可包括上游电极47、抑制电极48及下游电极49。

离子注入机可包括其他业界习知的元件。例如，终端站13典型地包括自动晶圆移动设备，以将晶圆送入离子注入机及离子注入之后将晶圆移走。终端站13亦可包括剂量测量系统，淹没式电子枪(electron flood gun)及其他习知的元件。应当理解，离子束行径的整个路径在离子注入时应被抽成真空。

终端站13亦可包括监控器15，以进行连续离子束均匀度测量。监控器15可包括多数个位于终端站13内的测量装置17。监控器15的测量装置17可与控制器18进行通讯。控制器18可同时检查一个以上的测量装置并可包括软件，以侦测被检查的所有测量装置17的带状离子束45的离子电流分布的相对变化。其亦可根据带状离子束45的分布来提供反馈。

使用法拉第杯的图1的监控装置的一实施例绘示于图5。监控器15为多数个法拉第杯71，其可与控制器进行通讯，该控制器在此例中为剂量控制器72。在此例中，是绘示二个法拉第杯71，但，法拉第杯71亦可具有其他数目及设置。在本实施例中，在中电流离子注入时，剂量控制器72可同时读取二个通道。

使用法拉第杯的图1的监控装置的另一实施例绘示于图6。监控器15为多数个法拉第杯71，其可与控制器进行通讯，该控制器在此例中为多画素电子元件80。在该实施例中，在高电流离子注入时，多画素电子元件80可同时读取最多七十二个法拉第杯。图中仅绘示三个法拉第杯71。法拉第杯71亦可具有其他数目及设置。

使用多画素剂量阵列的图1的监控装置的另一实施例绘示于图7。监控器15为多画素剂量阵列90。多画素剂量阵列90可与控制器进行通讯，该控制器在此例中为多画素电子元件80。

使用监控器致动器的图1的监控装置的另一实施例绘示于图8。在该实施例中，监控器15为多画素剂量阵列90，其可与控制器进行通讯，该控制器在此例中为多画素电子元件80。致动器91可在特定方向驱动测量装置17。致动器91亦可将多画素剂量阵列90移进或移除离子束12的路径。移动方向可以是例如相对于离子束或晶圆的x、y或z方向。其他测量装置亦可同样被制动器91驱动。

控制器18包括软件，以执行上述实施例。例如，控制器18可包括：程序码，以在离子注入之前接收离子束内多个位置的每个位置的离子束电流测量值；程序码，以导引离子至至少一晶圆；程序码，以在离子注入过程中接收离子束内多个位置的每个位置的离子束电流的周期性测量值；以及程序码，以根据上述离子束电流测量值判断离子束电流是否为非均匀的。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定为准。

Claims (35)

1、一种方法，其特征在于其包括以下步骤：

在离子注入之前，测量离子束内多个位置的每个位置的离子束电流；

对至少一晶圆进行离子注入；

在离子注入过程中，周期性地测量所述离子束内的所述多个位置的每个位置的离子束电流；以及

根据所述离子束电流测量值来判断所述离子束电流是否为非均匀。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其还包括判断所述多个位置的离子束电流分布。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于其还包括，在所述离子束电流分布变化超过门槛的情形下，修正电流非均匀度。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在离子束包括带状离子束的情形下，所述判断分布包括同时测量所述离子束内的多数个位置。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在离子束包括点状离子束的情形下，所述判断分布包括同时测量所述离子束内的被扫瞄的多数个位置。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其还包括，在所述多数个位置至少其中之一的离子束电流变化超过门槛的情形下，修正电流非均匀度。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多数个位置的至少其中之一包括一组位置。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其还包括，在所述多数个位置至少其中之一的离子束电流的趋势变化超过门槛的情形下，修正电流非均匀度。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个晶圆执行离子注入之后进行所述周期性测量及所述非均匀度判断。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每次离子束对所束晶圆扫描之后进行所述周期性测量及所述非均匀度判断。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在一次离子束异动之后执行所述周期性测量的情形下，还包括在下一次周期性测量之前等待一段时间。

12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量以及所述周期性测量包括使用多数个测量装置。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多数个测量装置包括多数个法拉第杯。

14、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多数个测量装置包括多画素剂量阵列。

15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述测量以及所述周期性测量包括使用所述多画素剂量阵列的一部分。

16、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非均匀度判断包括比较所述多个位置的值与剂量均匀度数据测量器的值。

17、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其还包括，根据所述周期性测量，判断离子束角度变化以及能量污染的其中之一。

18、根据权利要求1所述的方法，其特征在于其还包括统计分析所述周期性测量值。

19、一种离子束电流均匀度监控器，其特征在于其包括：

离子束电流测量器，包括多数个测量装置，以测量离子束内多个位置的电流；以及

控制器，以根据所述离子束电流测量器的离子束电流测量值来维持离子束电流均匀度。

20、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述多数个测量装置包括多数个法拉第杯。

21、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述多数个测量装置包括多画素剂量阵列。

22、根据权利要求22所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述控制器使用所述多画素剂量阵列的一部分。

23、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于其还包括使用者介面系统。

24、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于其还包括致动器，以移动所述离子束电流测量器。

25、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述控制器判断所述离子束电流的分布。

26、根据权利要求25所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，在所述离子束电流分布变化超过门槛的情形下，所述控制器会修正电流非均匀度。

27、根据权利要求25所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述离子束包括带状离子束，所述控制器藉由测量所述离子束内的多数个位置来判断所述分布。

28、根据权利要求25所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述离子束包括点状离子束，所述控制器藉由测量所述离子束内的被扫瞄的多数个位置来判断所述分布。

29、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，在所述多数个位置至少其中之一的离子束电流变化超过门槛的情形下，所述控制器会修正电流非均匀度。

30、根据权利要求29所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述多数个位置的至少其中之一包括一组位置。

31、根据权利要求25所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，在所述多数个位置至少其中之一的离子束电流的趋势变化超过门槛的情形下，所述控制器会修正电流非均匀度。

32、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述控制器藉由比较所述多个位置的值与剂量均匀度数据测量器的值来判断所述非均匀度。

33、根据权利要求19所述的离子束电流均匀度监控器，其特征在于，所述控制器还根据所述周期性测量来判断离子束角度变化以及能量污染的其中之一。

34、一种离子注入机，其特征在于其包括：

离子源，以产生离子束；

质量分析器；

终端站，以固持欲被离子束进行注入的晶圆，所述终端站还包括离子束电流测量器，包括多数个测量装置，以测量离子束内多个位置的电流；以及

控制器，以根据所述离子束电流测量器的离子束电流测量值来判断离子束电流均匀度。

35、一种程序产品，储存于电脑可读媒体上，当被执行时，其监控离子束电流均匀度，其特征在于所述程序产品包括：

程序码，以在离子注入之前接收离子束内多个位置的每个位置的离子束电流测量值；

程序码，以导引离子至至少一晶圆；

程序码，以在离子注入过程中接收离子束内所述多个位置的每个位置的离子束电流的周期性测量值；以及

程序码，以根据所述离子束电流测量值来判断所述离子束电流是否为非均匀的。

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