CN101615578A - 用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，属于半导体技术领域。所述法拉第杯包括杯身、杯底和杯口，杯身相对于杯底的至少一个倾角小于90度；倾角α＝arctan(H/M)，其中，H为法拉第杯杯身的高度，M为杯底最外侧到距离其最近的杯口边缘的水平距离。本发明能够有效地抑制二次电子逸出法拉第杯杯口，提高了等离子体浸没注入剂量检测的精确度。

Description

用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯。

背景技术

在半导体工艺中，主流的杂质掺杂技术都采用离子注入技术(也称为束线离子注入)，这种方法是由离子源产生等离子体，再通过质谱分析将所需的离子组分提取出来，对离子加速到一定能量并注入到半导体基片中(例如硅片)。这种方法需要复杂的质谱分析和扫描装置，注入效率低，结构复杂，成本极高。

随着集成电路特征尺寸的进一步缩小，离子注入能量需要进一步降低到一千电子伏特以下，然而离子束能量降低后会出现束流分散、均匀性变差和效率降低等一系列负面效应。近年来，提出了一种新型的等离子体浸没注入技术来避免以上问题。等离子体浸没注入技术是将半导体基片放置在作为阴极的电极上，并在该电极上加负偏压；向注入系统工作腔室内引入需要的气体，并对系统加功率源，通过感性耦合、容性耦合等放电方法使被引入腔室的气体起辉，形成等离子体；由于在阴极上加有负偏压，这样在基片附近就会有负偏压鞘层存在；在此鞘层的高电压加速下，鞘层中的正离子会穿过鞘层并注入到基片中。该方法具有如下优点：1)无需从离子源中抽取离子、对离子进行质谱分析和线性加速，使得注入设备的结构大为简化，节省大量成本；2)该技术采用鞘层加速机理，注入过程为整片注入，与基片尺寸无关，所以该技术产率极高。因此，等离子体浸没注入技术是一种非常有希望取代束线离子注入的下一代注入技术。

在任何带电粒子流的工艺设备中，注入粒子的剂量检测都是一项非常关键的技术，通常都采用法拉第杯(或法拉第筒)的形式，依靠它的实时检测，可以确定束流大小、注入时间，可以对工艺进行完全的控制，保证设备运行的可靠性和稳定性。在现有技术中利用法拉第杯检测浸没注入离子剂量时，由于法拉第杯的杯身与杯底一般成垂直的角度，因此，法拉第杯内壁易受到高能粒子的轰击会溅射出二次带电粒子，其中主要是二次电子。溅射出来的二次电子剂量与入射离子的能量、种类、杯内壁材料等因素有关，且与入射离子无特定的标度关系。法拉第杯检测到的电流为注入离子形成的电流与二次电子电流之和，因此若要精确检测离子剂量就必须抑制二次电子电流。在束线离子注入中，通过在杯内壁用低二次电子发射率的材料(例如石墨)来抑制二次电子，除此之外还可以采用如下的技术方案来抑制二次电子：

1.加一垂直于离子轨迹方向的横向磁场；二次电子会在该磁场的作用做回旋而减小逸出杯口的几率，减小二次电子的影响，提高检测的精度；

2.加一平行于离子轨迹方向的纵向电场，电场的方向指向杯口；在杯内产生的二次电子会被该电场拉回杯底而减小逸出杯口的几率，提高检测精度；

3.同时加横向磁场和纵向电场。

但是，上述抑制二次电子的方法在具体实施起来却存在着诸多问题：a)用外加磁场来减小二次电子溢出的方法，产生的二次电子会在杯内做回旋运动，回旋的电子会和中性粒子或离子碰撞，前者会出现中性粒子电离，后者会出现离子复合，二者对注入离子剂量的检测精确度都是不利的，同时法拉第杯内中性粒子的电离更是不容许的；同时，为了保证改变电子运动的方向，所加的磁场一般比较大，速度较大的电子就会一直在杯内做回旋运动而无法回到杯壁上，新产生的二次电子同样也会不停地回旋，这样检测出来的剂量显然是不准确的；b)采用外加电场抑制二次电子，外加电场需要是恒电场，这就需要有直流电源，并且还需要将直流偏压和其他脉冲偏压部分(例如杯底和杯身)分开，这就使法拉第杯在电性上被分成了很多部分，彼此之间的绝缘性不容易处理，结构更加复杂；同时，直流偏压中有信号电流流过还需要将这部分电流从直流偏压中提取出来加到最终检测结果中，这会使后续信号提取和处理变得更加复杂；c)外加电场或磁场需要在原有的法拉第杯上加上诸多附件，从而使得法拉第杯变得大而笨重。另外，在束线离子注入中，由于法拉第检测是非实时的检测，法拉第系统处在注入腔之外并不紧靠基片，所以可以有足够的空间容纳复杂的法拉第系统，安装相对简单；而在等离子体浸没注入中，法拉第检测是实时在线检测，法拉第杯紧靠基片且放电腔室并不很大，这就会使法拉第系统的安装变得困难。

发明内容

本发明的主要目的在于通过几何结构来抑制二次电子逸出法拉第杯杯口，并简化现有技术中抑制二次电子逸出所需的复杂结构以及降低安装的复杂度。

根据本发明，提供了一种用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，包括杯身、杯底和杯口，其特征在于，所述杯身相对于所述杯底的至少一个倾角小于90度；

所述倾角α＝arctan(H/M)，其中，H为所述法拉第杯杯身的高度，M为所述杯底最外侧到距离其最近的所述杯口边缘的水平距离。

优选地，所述杯身的高度与所述杯口的最大尺寸之比大于等于3且小于等于15。

优选地，所述杯身的高度与所述杯口的最大尺寸之比为10。

优选地，所述至少一个倾角大于等于60度。

优选地，所述法拉第杯的形状为所述杯口的尺寸小于所述杯底的尺寸的任意规则的立体几何形状。

优选地，所述法拉第杯的形状为圆锥形、棱锥形或至少包括两级的宝塔形。

优选地，所述法拉第杯的杯底由石墨、铝、或不锈钢制成。

优选地，所述杯底的内表面是无纹理的平面结构或者具有梳状沟槽结构。

优选地，所述梳状沟槽结构包括同心圆状梳状沟槽结构、相互平行的直线状有序排列的梳状沟槽结构和无序排列状的梳状沟槽结构。

有益效果：相比于现有技术中利用外加电磁场的方法来抑制二次电子逸出的复杂结构和安装的麻烦，本发明中的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯具有高深宽比，并且法拉第杯杯身相对于杯底具有小于90度的倾角，从而能够有效地抑制二次电子逸出法拉第杯杯口，提高了等离子体浸没注入剂量检测的精确度。

附图说明

图1是本发明实施例的等离子体浸没注入系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的保护环的俯视图；

图3是本发明实施例的法拉第杯和保护环的安装示意图；

图4是本发明实施例的法拉第杯的纵剖面图；

图5是本发明实施例的法拉第杯的二次电子逸出率随高深比分布的曲线图；

图6是本发明实施例的法拉第杯的二次电子逸出率随倾角分布的曲线图；

图7是本发明实施例的法拉第杯另一结构的纵剖面图，其中，法拉第杯的杯底具有梳状沟槽结构；

图8是本发明实施例平行梳状结构的法拉第杯的杯底俯视图；

图9是本发明实施例同心圆梳状结构法拉第杯的杯底俯视图；

图10是本发明实施例宝塔状法拉第杯的纵剖面图；

图11是本发明实施例一法拉第杯的杯身纵剖面图；

图12是图11所示实施例的法拉第杯的杯身俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是示出根据本发明一个实施例的等离子体浸没注入系统的示意图。图1中，12是等离子体浸没注入工作腔室，位于腔室内的基座32为半导体基片(如硅片)31提供支撑。负偏压电源70加到下电极50上，在电性上下电极50与基座32是相连的，从而可以为基片31提供偏压。下电极50可以上下移动来调整基座与基片的高度以便使工艺达到最佳状态。系统工作时，给线圈11加上射频功率源，通过感性耦合的方式将功率耦合到通入腔室12中的工作气体，工作气体便会起辉并在腔室内形成等离子体20。等离子体在基片31附近形成鞘层，鞘层中的正离子在负偏压的加速下穿过鞘层注入基片31中。基座32周围是保护环33。保护环33的环面与基片31面齐平，且材料是铝、不锈钢或上述材料的组合。为了使等离子均匀、法拉第杯的装入对等离子体影响减到最小且法拉第杯检测到的剂量可以更精确代表注入基片31的离子量，保护环33可以接负高偏压，偏压值和频率可以和基片31上相同。由于保护环33会一直暴露在等离子体的轰击之下，为减小保护环33因轰击而引起的溅射对工艺的污染，保护环33表面可以镀一层低溅射率的材料或对工艺污染小的材料如碳化硅(SiC)。保护环33为法拉第杯40提供安装支撑。如图2所示，保护环33上具有用于使等离子体进入法拉第杯40的一个或多个通孔35，这些通孔35根据法拉第杯40的杯口形状可以是圆形、方形或其他的几何形状。这些通孔35的数量对应于安装的法拉第杯的数量。等离子体20鞘层中的正离子注入基片31时，也会通过保护环33上的通孔35进入中空的法拉第杯40中。

该实施例中的法拉第杯40和保护环33的安装如图3所示。参照图3，所示的法拉第杯数量只是示意性的，示出的法拉第杯的数量为四个且各法拉第杯均匀分布，但是图3所示的法拉第杯的数量和分布只是示意性的，实际可以有更多的或更少的杯数量且可以任意布置，但是，更多的法拉第杯数量可以使得通过取各个法拉第检测结果平均的方法使检测结果更精确，同时均匀分布的多个法拉第杯还可以用来监测等离子体的均匀性。实际可以有更多的或更少的法拉第杯，图中结构大小并不代表实际的尺寸，且本发明实施例中的杯身高指的是包括保护环厚度在内的杯身高。

在本实施例中，法拉第杯的形状为圆锥形。图4是本实施例的法拉第杯的纵剖面图。如图4所示，41是法拉第杯杯身，81是离子进入法拉第杯的通孔，45为石墨杯底。杯口宽(杯口直径)为W，杯身高为H，杯底宽(杯底直径)为L，倾角为α，且

α＝arctan(H/M)                                    (1)

其中，M＝(L-W)/2，即M为在倾角^α所在的平面中，杯底最外侧到距离其最近的杯口边缘的水平距离。

该法拉第杯的几何结构具有如下两个最显著的特点：

第一，高深宽比，杯身高H与杯口宽w或杯底宽L的比值大，在本实施例中，所说的深宽比是指杯身高H与杯口宽w的比值；

第二，杯身倾斜，即杯身侧壁与杯底之间的倾角α小于90度。

由于杯身的倾斜，从通孔81进入法拉第杯的离子将直接打在杯底45上。二次电子大部分在杯底产生，由于法拉第杯是高深宽比的，在杯底产生的具有任意方向上速度的电子会与杯身多次碰撞而最终在杯身上损失掉，无法逸出杯口。这样虽然在杯内产生了二次电子，但相对于法拉第杯杯口来看，引起产生电流信号的只有进入杯内的离子，没有二次电子。该杯的几何结构上之所以设计成高深宽比、杯身倾斜就是为了增加二次电子在杯内的反射次数，减少二次电子逸出杯口的几率，提高检测精度。

图5是本实施例的法拉第杯的二次电子逸出率曲线图。二次电子与杯内壁的碰撞看成是弹性碰撞并假设电子和杯内壁经过数次连续碰撞便在杯内壁上损失掉，以此模拟计算得到电子逸出率随深宽比或倾角分布的曲线。最终根据所得曲线来确定最佳深宽比与倾角。

从图5可以看出，当H/w约为10时，二次电子逸出杯口的几率是H/w为1时的1/e倍；H/w取3至15之间某一比值时对二次电子逸出杯口几率的减小有显著的效果。

图6是本实施例的法拉第杯的二次电子逸出率随倾角分布的曲线图。参照图6，所示曲线是在深宽比为50的情况下得到的，此时最佳倾角在76度左右；深宽比为10时的最佳倾角在81度左右，最佳倾角随深宽比的增加而增大。根据该曲线可知，倾角α取60度至90度之间某一值时对减小二次电子逸出杯口几率有显著的效果。

在本实施例中，杯底可以进一步采用梳状沟槽结构，如图7所示。将本实施例中的杯底45做成如图7具有梳状沟槽结构48的杯底，这样在杯底产生的二次电子逸出杯口的几率会进一步降低。具有图7中48结构的杯底既可以是图8那样的平行梳状结构也可以是图9那样同心圆梳状结构，甚至可以是无序排列的梳状结构。

在本发明的其他实施例中，法拉第杯的杯身形状还可以是图10中所示的宝塔状结构，该宝塔结构的杯身的每一级的横截面均为对称结构，诸如矩形或圆形，该结构会比图4中的圆锥状的杯身易于加工安装，为进一步减少二次电子逸出杯口几率，杯底同样可以采用图7中的梳状沟槽结构。图10中宝塔状杯身不一定只有三级，可以是其他的级数，但至少是两级。法拉第杯仍具有高深宽比与杯身倾斜两个显著特点，该形状的杯身具有一个等效倾角，该等效倾角大小仍用上述公式(1)来计算。仍可用得到图5和图6中的曲线的方法来确定深宽比与倾角的最佳值。当然，图10所示的宝塔的对称结构只是为了说明的目的，而还可以采用任何形状横截面的宝塔杯身，对于关于轴对称或中心对称的规则几何形状的法拉第杯的倾角都可以利用公式(1)计算得到。

法拉第杯身形状的截面还可以是如图11所示，其俯视图如图12所示，其中，41是杯身，81是离子通孔。如图11所示，该形状的杯身有一个等效倾角，该等效倾角仍可以利用公式(1)计算得到，即

α＝arctan(H/M)

其中，H为法拉第杯的高度，M＝(L-W)为在等效倾角所在的平面中，杯底最外侧到距离其最近的杯口边缘的水平距离。对于图11所示的法拉第杯仍可用得到图5和图6中曲线的方法来确定深宽比与倾角的最佳值。

本实施例中的法拉第杯身形状同样还可以有其他的形状。但这些形状一定都具有上述两个显著的特征：高深宽比与杯身具有小于90度的倾角。杯身倾角或等效倾角都可以通过公式(1)计算得到。其深宽比与倾角的最佳值可以用得到图5和图6的曲线的方法来确定。

本发明实施例中的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯具有高深宽比，并且杯身具有小于90度的倾角，从而能够有效地抑制二次电子逸出法拉第杯杯口，提高了等离子体浸没注入剂量检测的精确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，包括杯身、杯底和杯口，其特征在于，所述杯身相对于所述杯底的至少一个倾角小于90度；

所述倾角α＝arctan(H/M)，其中，H为所述法拉第杯杯身的高度，M为所述杯底最外侧到距离其最近的所述杯口边缘的水平距离。

2.根据权利要求1所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述杯身的高度与所述杯口的最大尺寸之比大于等于3且小于等于15。

3.根据权利要求2所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述杯身的高度与所述杯口的最大尺寸之比为10。

4.根据权利要求3所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述至少一个倾角大于等于60度。

5.根据权利要求4所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述法拉第杯的形状为所述杯口的尺寸小于所述杯底的尺寸的任意规则的立体几何形状。

6.根据权利要求5所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述法拉第杯的形状为圆锥形、棱锥形或至少包括两级的宝塔形。

7.根据权利要求6所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述法拉第杯的杯底由石墨、铝、或不锈钢制成。

8.根据权利要求7所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述杯底的内表面是无纹理的平面结构或者具有梳状沟槽结构。

9.根据权利要求8所述的用于检测等离子体浸没注入剂量的法拉第杯，其特征在于，所述梳状沟槽结构包括同心圆状梳状沟槽结构、相互平行的直线状有序排列的梳状沟槽结构和无序排列状的梳状沟槽结构。

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