CN102832151B - 在等离子体离子注入过程中测量掺杂物浓度的方法 - Google Patents

在等离子体离子注入过程中测量掺杂物浓度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的具体实施方式提供一种在等离子体掺杂工艺期间用来检测预设掺杂物浓度终点的方法。在一具体实施方式中，此方法包含：将基板置于处理腔室中；于该处理腔室中的紧邻该基板的上表面处产生等离子体；传送光线穿过该基板；由传感器接收该光线；产生起始信号，该起始信号与该传感器所接收到的该光线成比例；在掺杂工艺中，以掺杂物注入该基板；与增加的掺杂物浓度成比例地来调控由该传感器所接收到的该光线；当该基板具有最终掺杂物浓度时，产生与由该传感器所接收到的该光线成比例的终点信号；以及停止该基板的掺杂物注入。

Description

在等离子体离子注入过程中测量掺杂物浓度的方法
发明背景
技术领域
本发明的各实施方式大致涉及处理基板的方法，更具体来说，涉及在掺杂工艺中用来测量基板上的掺杂物浓度的方法。
背景技术
在诸如等离子体增强型化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapordeposition,PE-CVD)工艺、高密度等离子体化学气相沉积(high densityplasma chemical vapor deposition,HDP-CVD)工艺、等离子体浸没式离子注入(plasma immersion ion implantation,P3I)工艺，以及等离子体刻蚀(plasma etch)之类的等离子体工艺中，恰当地控制离子剂量是相当重要的。集成电路制造中的离子注入工艺，特别需要恰当的设备和控制方法，才能在半导体基板上达到想要的离子剂量。
离子注入的剂量一般所指的是，在每单位面积中穿过被处理基板表面的全部离子的数量。被注入的离子会自行扩散至基板的内容积中。注入离子密度(每单位容积的离子数)主要的变化发生在沿着离子通量的方向上，通常是垂直于基板表面的方向上。沿着垂直方向的离子密度(每单位容积的离子数)的分布被称为离子注入深度轮廓(profile)。用以调节离子注入剂量(每单位面积的离子数)的设备和控制系统有时被称为剂量测定计(dosimetry)。
离子注入可在离子束注入设备和等离子体浸没式离子注入设备中进行。离子束注入设备(可产生窄离子束(narrow ion beam)且必须逐行扫描(raster-scanned)基板的表面)通常一次仅能注入一种原子。在这种设备中的离子流可被精准地测量并以时间进行积分(integrated over time)，而计算出实际的剂量。因为全部离子束皆会撞击基板，且离子束中的原子种类均为已知，所以可精准地确定离子注入剂量。这对于离子束注入设备是非常重要的，因为离子束注入机使用的是直流离子源(其输出电流会产生显著的漂移(drift))，且所使用的各种网格(grid)和电极同样也会产生漂移(这是因受到直流电源的影响使得沉积材料会堆积在部件表面)。所以，离子束注入设备必须具备精确的测定计。将精确监控的离子束以时间积分来计算出一瞬间电流的注入剂量，且当剂量达到预定的目标值时，工艺就停止。
相对地，等离子体浸没式离子注入反应器在测量掺杂物量时，就会遭遇一因难的问题。一般而言，入射进基板的离子的原子重量无法被精确地测定，因为这种反应器使用了含有理想离子注入物质以及其它物质的前驱物气体。例如，在硼的等离子体浸没式离子注入中，一般会使用多种元素的化合物，例如前驱物二硼烷，此时硼原子和氢原子都会入射进基板中。因此难以从所测量的电流中测定硼的剂量。其它在等离子体浸没式离子注入反应器中的剂量测定的因难点在于，等离子体离子会连续地撞击整个基板，所以难以有效直接地测量在基板上全部的离子流量。相反的，仅能以间接方式，从非常小区域中的测量去推算出掺杂物量。特别是在使用无线射频(radio frequency,RF)等离子体源功率或是RF等离子体偏压功率的反应器中更是如此。
所以，需要一种能在等离子体掺杂工艺中确定出预设掺杂物浓度终点(endpoint)的方法。
发明内容
本发明的具体实施方式提供了一种在等离子体掺杂工艺中用来检测预定掺杂物浓度终点的方法和设备。在一具体实施方式中，提供了一种在等离子体掺杂工艺中用来检测基板表面掺杂物浓度的方法，包含：将一基板置于一处理腔室中，其中该基板具有一上表面和一下表面，且基板温度为0℃至250℃；于该处理腔室中的该基板上方产生一等离子体；将由该等离子体所产生的一光线穿过该基板，其中该光线由该基板的该上表面进入并由该下表面离开基板；由位于该基板下方的一传感器接收该光线。此方法还包含：产生一信号，其与该传感器所接收到的该光线成比例；在一掺杂工艺中，以一掺杂物注入该基板；在掺杂工艺中，当基板达到最终的掺杂物浓度时，产生多组光信号，其与由该传感器所接收到的该光线的一减少量成比例；以及停止对该基板进行注入。
在一些具体实施方式中，此方法可包含产生多组与一增加的掺杂物浓度成比例的信号。由等离子体所产生的光线可包含红外线、可见光、紫外线、或其组合。在一实例中，光线包含红外线。通常来说，在等离子体掺杂过程中，基板温度可以是介于0℃至90℃的范围内，较佳为介于25℃至45℃的范围内。
在一些具体实施方式中，掺杂物可为硼、磷、砷(arsenic)、锑、氮、氧、氢、碳、锗、或其组合。掺杂物的最终浓度范围可为1×1014cm-2至1×1018cm-2，较佳为5×1015cm-2至1×1017cm-2。在一实例中，掺杂物为硼，且掺杂工艺包含将基板暴露于硼的前驱物之中，例如三氟硼烷、二硼烷、其等离子体、其衍生物、或其组合。在另一实例中，掺杂物为磷，且掺杂工艺包含将基板暴露于磷的前驱物之中，例如三氟化磷(trifluorophosphine)、膦、其等离子体、其衍生物、或其组合。在另一实例中，掺杂物为砷，且掺杂工艺包含将基板暴露于砷的前驱物之中，例如胂(arsine)、其等离子体、或其衍生物。
在另一具体实施方式中，提供了一种在等离子体掺杂工艺时检测基板表面掺杂物浓度的方法，包含：将一基板置于一处理腔室中，其中基板具有一上表面和一下表面，且基板温度为0℃至250℃；于该处理腔室中的该基板上方产生一等离子体；将一光线穿过该基板，其中光线从基板的下表面进入基板，且从基板的上表面离开基板，且该光线是由一位于基板下方的光源所产生；以及由位于基板上方的一传感器接收该光线。此方法还包含：产生一与该传感器所接收的光线成比例的信号；在掺杂工艺中，以一掺杂物注入该基板；在该掺杂工艺中，产生多组光信号，其与由该传感器所接收到的该光线的一减少量成比例；当基板上的最终掺杂物浓度达到时，产生一终点信号，其与该传感器所接收的该光线成比例；以及停止注入该基板。
具体实施方式所提供的光源可为激光器，例如红外线激光器。光线可包含红外线、可见光、紫外线、或其组合。在一实例中，该传感器可位于处理腔室中的一喷头组件上或与其耦接。光源则可耦接至一基板支撑组件、在其内或位于其上。该基板支撑组件可具有一静电吸盘。
在特定实例中，该传感器位于该喷头组件上或其中，且该光源配置成可实质引导该光线朝向该传感器。该光源可为耦接至一远程光源的光缆，远程光源例如是发射激光束的激光器光源。在一些具体实施方式中，在一校准步骤中，可将由该等离子体所产生的光信号值大小自该光信号值中扣除。
在另一具体实施方式中，提供了一种在等离子体掺杂工艺时的检测基板表面掺杂物浓度的方法，包含：将基板置于处理腔室中，其中基板具有上表面和下表面，且基板温度为0℃至250℃；于该处理腔室中的该基板上方产生一等离子体，并使一光线穿过基板。此方法还包含：由一传感器接收该光线；产生一起始信号，其与该传感器所接收到的该光线成比例；在一掺杂工艺中，以一掺杂物注入该基板；与一增加的掺杂物浓度成比例地来调控由该传感器所接收到的该光线；当基板上最终掺杂物浓度达成时，产生一终点信号，其与该传感器所接收的该光线成比例；以及停止注入该基板。
在一实例中，光线由等离子体产生，且该传感器所接收的光随着所增加的掺杂物浓度成比例地减少，且该传感器是位在该基板下方。在另一实例，光线由位于基板下方的光源(例如，激光光源)所产生，且该传感器所接收的光随着所增加的掺杂物浓度成比例地减少，且该传感器是位于该基板下方。在另一实例中，光线是由位于该基板上方的一光源所产生，且该传感器所接收的光随着所增加的掺杂物浓度成比例地减少，其中该传感器是位于该基板上方。
在另一具体实施方式中，提供了一种在等离子体掺杂工艺中检测一基板表面上掺杂物浓度的方法，包含：将一基板置于处理腔室中，其中该基板具有一上表面和一下表面，且基板温度为0℃至250℃；于该处理腔室中的该基板上方产生一等离子体；由位于该基板上方的一光源产生一光线；将该光线传送至该基板的该上表面，且将该基板的上表面上的该光线反射朝向位于该基板上方的一传感器。此方法还包含：产生一信号，其与该传感器所接收的该光线成比例；在一掺杂工艺中，以一掺杂物注入该基板；在该掺杂工艺中产生多组光信号，其与该传感器所接收的该光线的一增加量成比例；当该基板具有最终的掺杂物浓度时，产生一终点信号，其与该传感器所接收的光线成比例；以及停止注入该基板。
具体实施方式所提供的光线可以相对于一横越该基板上表面的平面成45°至90°的夹角被照向该基板的上表面。此夹角可较佳为75°至90°，更佳为实质90°。在一实例中，光源可耦接至一喷头组件或位于其中，且该传感器可设在该喷头组件上或与其耦接，且光源的配置方式可以是可将基板上的该光线反射朝向该传感器。
在另一具体实施方式中，提供了一种在等离子体掺杂工艺中检测一基板表面掺杂物浓度的方法，包含：将一基板置于一处理腔室中，其中该基板具有上表面和下表面，且基板温度为0℃至250℃；于该处理腔室中的该基板上方产生一等离子体；从该基板的上表面将一光线反射，并以一传感器来接收该光线。此方法还包含：产生一起始信号，其与该传感器所接收到的该光线成比例；在一掺杂工艺中，以一掺杂物注入该基板；随着该掺杂物浓度的增加而成比例地增加由该传感器所接收到的该光线；当基板达到最终的掺杂物浓度时，产生一终点信号，其与该传感器所接收到的该光线成比例；以及停止注入该基板。
附图说明
可以更详细地方式理解本发明上述列举的特征，本发明更详细的描述可通过参考实施例而获得，所述更详细的描述的一部分在附图中图示，并且所述更详细的描述已在上文简要概括。需要注意的是，附图仅绘示了本发明的典型实施方式，因此不应被视为是对本发明范围的限制，本发明也可允许其它同等效果的具体实施方式。
图1是依据本发明的一具体实施方式所绘示的等离子体腔室轴测剖面图；
图2是绘示图1中的等离子体腔室的轴测俯视图；
图3是绘示本发明一具体实施方式所描述的在等离子体掺杂工艺中检测最终掺杂物浓度终点的流程图；
图4是绘示本发明另一具体实施方式所描述的在等离子体掺杂工艺中检测最终掺杂物浓度终点的流程图；
图5是绘示如何利用在图1所示的等离子体腔室中的光学传感器来实时控制基板中的掺杂物浓度的简图；
图6是绘示本发明另一具体实施方式所描述的在等离子体掺杂工艺中检测最终掺杂物浓度终点的流程图；
图7是绘示利用光学传感器检测等离子体离子注入工艺终点的可替代的具体实施方式；
图8是绘示本发明另一具体实施方式所描述的在等离子体掺杂工艺中检测最终掺杂物浓度终点的流程图；以及
图9A-9B是绘示利用光学传感器检测等离子体离子注入工艺终点的其它可替代具体实施方式。
具体实施方式
本发明的具体实施方式提供了在等离子体离子注入系统中，利用光学传感器测量掺杂物浓度的方法和设备。如此就可以有效方式控制等离子体离子注入的终点(end point)。
图1是依据本发明的一具体实施方式所绘示的等离子体腔室100的轴测剖面示意图。等离子体腔室100被配置成可进行等离子体增强型化学气相沉积工艺(plasma enhanced chemical vapor deposition,PE-CVD)、高密度等离子体化学气相沉积工艺(high density plasma chemical vapor deposition,HDP-CVD)、等离子体增强型原子层沉积工艺(plasma enhanced atomic layerdeposition,PE-ALD)、离子注入工艺、刻蚀工艺、和其它等离子体工艺。
等离子体腔室100具有环状(toroidal)等离子体源101，其耦接至等离子体腔室100的腔体103。腔体103具有腔壁105，其与腔盖106和腔底108耦接，进而界定出内容积110。等离子体腔室100的其它例子可参见美国专利第6,939,434号和第6,893,907号，其全文在此做为参考数据。
内容积110包含处理区125，所述处理区125形成于气体分配组件121和基板支撑组件123之间。围绕在基板支撑组件123的一部分处设有一抽气区122，其经由阀门126(设在腔底108的端口127上)可选择性地与真空泵浦124连通。在一具体实施方式中，阀门126为节流阀，用以控制从内容积110所产生、且经由端口127而流至真空泵浦124的气流或蒸气。在一具体实施方式中，阀门126在操作时没有使用O型环(o-ring)，在2005年4月26日提交的美国专利申请第11/115,956号、现已公开为美国专利公开第2006-0237136号中有更详细的描述，在此包含其全部内容作为参考资料。
环状等离子体源101位于腔体110的腔盖106上。在一具体实施方式中，环状等离子体源101具有第一管道150A(通常为“U”形)和第二管道150B(通常为“M”形)。第一管道150A和第二管道150B各自分别包含至少一天线170A和170B。天线170A和170B配置为使电感耦合等离子体形成在每一管道150A/150B的各自的内容积155A/155B中。如图2所示，每一天线170A/170B也可为耦合至一功率源(例如RF等离子体功率源171A/172A)的绕组(winding)或是一线圈。RF阻抗匹配系统171B/172B也可分别和天线170A/170B耦接。工艺气体，例如氦气、氩气和其它气体，可被分别输入至管道150A、150B的各自的内部区域155A、155B中。在一具体实施方式中，具有掺杂物前驱气体的工艺气体被输入至每一管道150A/150B的内部区域155A/155B。在一具体实施方式中，工艺气体从气板(gas panel)130A或130B输入至环形等离子体源101中。在另一具体实施方式中，工艺气体可从与等离子体腔室100的腔盖106中的端口130连接的气板135被传输通过气体分配组件121。
在一具体实施方式中，管道150A/150B的对侧端耦接至形成于等离子体腔室100的腔盖106中的各自端口131A-131D(在这个角度中仅绘示了131A和131B)。在工艺期间，工艺气体被提供到每一管道150A/150B的内部区域155A/155B，并且RF功率被施加给每一根天线170A/170B，以产生循环的等离子体路径(其通过端口131A-131D和处理区125)。具体而言，在图1中，该循环的等离子体路径经过端口131A至端口131B，反之亦然，并穿过气体分配组件121和基板支撑件之间的处理区125。每一管道150A/150B具有耦接在各管道150A/150B的端部和端口131A-131D之间的等离子体通道140。在一具体实施方式中，等离子体通道140被设计成可分裂和加宽形成于每一管道150A/150B之中的等离子体路径。
气体分配组件121具有环形壁122和穿孔板132。环形壁122、穿孔板132、和腔盖106界定气室230。穿孔板132之中包含多个开口133，所述开口133以对称或非对称的一个或多个图形的方式形成。在一具体实施方式中，掺杂物前驱气体经由连接到气板130A的气体分配组件121而被输送至处理区125。例如掺杂物前驱气体的工艺气体从端口130被输送至气室230。一般而言，掺杂物前驱气体含有期望的掺杂物元素的掺杂物前驱物，例如，硼(一种在硅中为p型导电杂质)或磷(一种在硅中为n型导电杂质)。硼、磷、或其它掺杂物元素(例如砷、锑)的氟化物和/或氢化物可作为掺杂物前驱气体。在一实例中，用来注入硼掺杂物的掺杂物前驱气体包括三氟化硼(BF3)或二硼烷(B2H6)。气体流过开口133并进入穿孔板132之下的处理区125。在一实例中，穿孔板具有RF偏压，以帮助产生和/或保持在处理区125中的等离子体。
基板支撑组件123具有上方板142和阴极组件144。上方板142具有平滑的基板支撑表面143，用以将基板支撑于其上。上方板142具有一连接至直流电源146的嵌入式电极145，用以在工艺中在基板与上方板142的基板支撑表面143之间产生静电吸引力。在一具体实施方式中，嵌入式电极145也可用作将电容性RF能量提供给处理区125的电极。嵌入式电极145经由RF阻抗匹配电路147B与RF等离子体偏压功率源147A耦接。
基板支撑组件123也可包含举升销组件160。该举升销组件160具有多个举升销，经由选择性地抬升基板并将基板支撑于上方板142的方式来传送一个或多个基板，且该些举升销彼此间隔以容纳机械臂（robot blade）于其中。
图2绘示了图1中的等离子体腔体100的轴测俯视简图。等离子体腔体100的腔壁105具有基板端口107，可选择性地以狭缝阀（slit valve）(未绘示)进行封闭。工艺气体经由耦接至端口130的气板130A，输送至气体分配组件121。一种或多种工艺气体可经由气板130B输送至环状源(toroidalsource)150A和150B。
请再参考图1，等离子体腔室100还包含控制器170，用以监视和控制在等离子体腔室100中执行的工艺。控制器170可以与一个或多个传感器连接，用以取样、分析、和储存所测量的数据。在一个具体实施方式中，控制器170可以具有执行不同工艺的控制任务的能力。控制器170可以连接至等离子体腔室100的可操作部分，并将控制信号传送至此部分。控制器170可以依据测量的数据进行工艺参数的调整，并执行闭环控制任务以达成想要的工艺结果。在本发明的一具体实施方式中，控制器170可以用于执行一或多种掺杂物剂量控制、终点检测、和其它的控制任务。
在一具体实施方式中，光学传感器730被安装在基板支撑表面143的下方，并与控制器170耦接。光学传感器730用于检测从处理区125所产生的等离子体中发出的具有特定波长或频率的光线。发射光可包含红外线、可见光、紫外线、或上述光线的组合。在一具体实施方式中，光学传感器730配置为检测红外线。当基板在处理区125中被处理时，发射光先穿过位于基板支撑表面143上的基板，之后到达光学传感器730。当基板上的掺杂物浓度低时，从等离子体中所发射出来的光可实质穿透基板，并到达下方的光学传感器730。但当基板上表面的掺杂物浓度增加时，基板上表面会变得不透光，并使到达光学传感器730的光变少。依据基板中的掺杂物浓度和穿透基板并被检测到的光线量之间的关系，可操作控制器170来确定出基板上的一目标掺杂物浓度。之后，就终止离子注入工艺。
图3是绘示可用来如具体实施方式所述的检测等离子体离子注入工艺的终点的工艺方法300的流程图。所绘示的方法可应用于图4-9B所示的具体实施方式。
在步骤302中，需处理的基板702被置于处理区125之中，该处理区125位于穿孔板132和基板支撑组件123之间。在步骤304中，在开始离子注入工艺前，先进行光学传感器730和控制器170的校准。在一具体实施方式中，校准的方式可以为产生一入射到基板702上的光线，并由光学传感器730检测所接收的光线量，之后将掺杂物浓度参考值与检测到的光线量联系起来。在步骤306中，进行等离子体离子注入，以在基板702上注入掺杂物。在步骤308中，当进行离子注入时，控制器170会依据光学传感器730所接收的光线量，得到当时在基板702中的掺杂物注入浓度。由光学传感器730所检测的光线，可以包含穿过基板702或由基板702所反射的光线。在步骤310中，当掺杂物浓度达到理想或最终浓度时，控制器170就输出一控制信号以停止等离子体离子注入工艺。
图4是绘示可用来如具体实施方式所述的在等离子体掺杂工艺期间检测最终掺杂物浓度的终点(end point)的工艺方式400的流程图。在步骤402中，基板置于处理腔室之中，其中该基板具有一上表面和一下表面。在步骤404的掺杂工艺中，基板可被保持(不论通过加热或冷却)在低于约250℃的温度，较佳为在约0℃至于90℃的范围内，更佳为从约25℃至约45℃。在步骤406中，在处理腔室中的基板的上方产生一等离子体。在步骤408中，由等离子体所产生的光线穿过基板。光线可包含红外线、可见光、紫外线、或上述光线的组合。在一实例中，光线含有红外线。光线从基板的上表面进入并由基板的背面穿出。之后，在步骤410中，光线由位于基板下方的传感器接收。
方法400还提供用以产生与传感器所接收的光成比例的信号的步骤412。方法400可以在如图5中所配置的等离子体腔室中进行。通常，此方法包括产生与所增加的掺杂物浓度成比例的多组信号。在步骤414中，基板在掺杂工艺中被注入掺杂物。在步骤416中，在掺杂工艺中，产生了多组与由传感器接收的所减少的光量成比例的光信号。在步骤418中，当基板上的掺杂物达到最终浓度时，产生了一与传感器所接收的光线成比例的终点信号。之后在步骤420中，当基板具有理想的最终掺杂物浓度时，就停止掺杂工艺。
可以以下列掺杂物掺杂基板，例如硼、磷、砷、锑、氮、氧、氢、碳、锗、或其组合。基板最终的掺杂物浓度可以在约1×1014cm-2和约1×1018cm-2的范围内，较佳为从约5×1015cm-2至约1×1017cm-2。在一个实例中，掺杂物为硼，且掺杂工艺包括将基板暴露于硼的前驱物之中，例如三氟硼烷、二硼烷、它们的等离子体、它们的衍生物、或上述物质的组合。在另一个实例中，掺杂物为磷，且掺杂工艺包括将基板暴露于磷的前驱物，例如三氟化磷(trifluorophosphine)、膦、它们的等离子体、它们的衍生物、或上述物质的组合。在另一个实例中，掺杂物为砷，且掺杂工艺包含将基板暴露于砷的前驱物，例如胂、它的等离子体、或它的衍生物。
图5所示为进行掺杂物浓度测量时，用以确定掺杂物工艺终点的设备。此设备具有光学传感器730，可以装于如图1中所示的等离子体腔体100中，并用于执行工艺400。基板702暴露在产生于穿孔板132和基板支撑组件123之间的等离子体704之中。如图所示，穿孔板132可以接地，且基板支撑组件123可以经由RF阻抗匹配电路147B耦接至RF偏压功率源147A。等离子体704由RF等离子体偏压电源147A所产生的RF功率产生。耦接至控制器170的光学传感器730位于基板702的下方。
基板702可以在低于约250℃的温度下进行处理，较佳为低于约100℃，更精确为介于0℃至90℃的范围内，更佳为从约25℃至约45℃。当基板702在等离子体环境中受到处理时，从等离子体704所发射出的光线706，穿过基板702并照射在光学传感器730上。在一具体实施方式中，在环境温度低于约250℃时，基板702对光线而言是透明的。光学传感器730发出一与所检测的光线量成比例的测量信号至控制器170，以响应所检测的光线。
在操作时，离子性杂质也可以被送入有掺杂物的基板702中。所用掺杂物的例子可以包含、但不限于硼、磷、砷、锑、氮、氧、氢、碳、锗、和它们的组合。所绘示的具体实施方式中，在使用二硼烷(B2H6)作为等离子体前驱物的等离子体注入时，典型注入于基板702中的掺杂物可以为硼掺杂物。等离子体因而可以含有入射到基板702的上表面上的硼离子物。为了控制注入于基板702中的硼掺杂物的剂量，控制器170依据由光学传感器730所提供的测量信号，得出了所注入的硼掺杂物的浓度。在进行离子注入时，随着穿过基板702的光线的减少，由控制器170实时得出的基板702中的硼掺杂物浓度就增加。当达到理想的或最终掺杂物浓度时，控制器170输出一控制信号以停止供应等离子体前驱物，进而终止了离子注入工艺。在一具体实施方式中，目标掺杂物浓度为约1×1014cm-2至约1×1018cm-2的范围内，较佳为约5×1015cm-2至约1×1017cm-2。
如上所述，依据透过基板而被检测的光线量而得出基板中的掺杂物浓度。然而，在基板中的目标掺杂物浓度相对较高的例子中，当基板更不透明时，从等离子体中所发出的光线强度可能不足以穿过基板。
图6是绘示可用作如具体实施方式所描述的在等离子体掺杂工艺中检测最终掺杂物浓度的终点的方法600的流程图。方法600可以在如图7中所配置的等离子体腔室中进行。在步骤602中，基板可以被放置于处理腔室内，其中此基板具有一上表面和一下表面。在步骤604中，基板可被保持在低于约250℃的温度(不论通过加热或冷却的方式)，较佳为低于约100℃，更精确为在0℃和约90℃的范围之间，较佳为从约25℃至约45℃。在步骤606中，一等离子体产生于处理腔室或等离子体腔室中的基板上方。
在步骤608中，由光源(例如，激光光源)所产生的光线穿过基板。光源置于基板之下，且于基板上方装设一传感器。于是，光线从基板的下表面进入，并由基板的上表面穿出。在步骤610中，光线由安装在基板上方的传感器接收。光线可包含红外线、可见光、紫外线、或上述光线的组合。在一实例中，光线含有红外线，例如从红外激光器中所发出的红外线。
在一些实例中，传感器可安装在处理腔室内的喷头组件上或与所述喷头组件耦接。并且，光源可与基板支撑组件耦接、位于所述基板支撑组件内、或设置在所述基板支撑组件之上。在一实例中，基板支撑组件可以为静电吸盘。
在一个特定实例中，传感器安装在喷头组件的里面或上面，且光源设置为将光实质导向传感器的方向。光源可为耦接至远程光源的光缆，远程光源例如是可发射激光束的激光光源。在其它实施方式中，传感器依据从等离子体所发出的光线而产生一等离子体光信号。在校准步骤中，光信号值可以扣除由等离子体所产生的光的信号值。
方法600还提供了步骤612，用以产生一与传感器所接收的光成比例的信号。通常来说，此方法包括产生与所增加的掺杂物浓度成比例的多组信号。在步骤614中，基板在掺杂工艺中被注入掺杂物。在步骤616中，掺杂工艺中，产生了与检测器所接受的光减少的量成比例的多组光信号。在步骤618中，当基板达到最终掺杂物浓度，产生与传感器所接收的光成比例的终点信号。接下来在步骤620中，当基板具有理想的掺杂物浓度时，就停止掺杂工艺。
可以用下列掺杂物掺杂基板，例如硼、磷、砷、锑、氮、氧、氢、碳、锗、或上述物质的组合。基板的最终掺杂物浓度可以介于约1×1014cm-2至约1×1018cm-2的范围内，较佳为从约5×1015cm-2至约1×1017cm-2。在一实例中，掺杂物为硼，且掺杂工艺包含将基板暴露于三氟硼烷、二硼烷、它们的等离子体、它们的衍生物、或上述物质的组合中。在其它的实例中，掺杂物为磷，且掺杂工艺包含将基板暴露于三氟化磷(trifluorophosphine)、膦、它们的等离子体、它们的衍生物、或上述物质的组合之中。在另一实例中，掺杂物为砷，且掺杂工艺包含将基板暴露于胂、它的等离子体、或它的衍生物中。
图7表示一当测量掺杂物的浓度时用以检测掺杂工艺终点的装置，可用在图1中的等离子体腔室100内，且可用来执行方法600。装置具有与光缆722连接的光源720(例如激光光源)。光缆722可以被导引穿过基板支撑组件123。光学传感器730排列在基板支撑组件123的上表面上方，并面对光缆722的位置。在一具体实施方式中，光学传感器730可以嵌入在穿孔板132中。
在操作时，光缆722将光线724(例如激光光束)从光缆的一端723发射至基板702的背面。光线724可以包含红外线、可见光、紫外线、或其组合。发射光724穿过基板702，之后入射到光学传感器730上。在离子注入工艺中，因基板702中的掺杂物量增加，使基板702变得更加不透明，这使得由光学传感器730接收的光束724中可穿透基板的部分725逐渐减少。依据由光学传感器730所接收的激光辐射(穿透)的量，控制器170能得到基板702中的实际掺杂物浓度。当基板702达到目标掺杂物浓度后，控制器170就能输出一控制信号以终止离子注入工艺。
图8绘示了一方法800的流程图，该方法800可在进行所述具体实施方式的等离子体掺杂工艺时，用来检测最终掺杂物浓度的终点。方法800可以在如图9A-9B中所配置的等离子体腔室中进行。在步骤802中，可以将基板放置于处理腔室中，其中此基板具有上表面和下表面。在步骤804中，基板可以被保持在低于约250℃的温度(不论通过加热或冷却方式)，较佳为低于约100℃，更佳为在约0℃至约90℃的范围内，更佳为从约25℃至约45℃。在步骤806中，等离子体产生在处理腔室中的基板上方。
在步骤808中，由基板上方的光源(例如，激光光源)所产生的光线，传送至基板的上表面并产生反射。在步骤810中，反射光由置于基板上方的传感器接收。光线可包含红外线、可见光、紫外线、或上述光线的组合。在一实例中，光线含有红外线，例如从红外线激光器所发出。
本发明的具体实施方式的光线射向基板的上表面的角度相对于基板上表面所延伸的平面可以在约45°至约90°之间。较佳角度可以在约75°至约90°之间，更佳为实质角度约90°。光源可耦接至喷头组件或在喷头组件之中，传感器可置于喷头组件之上或耦接至喷头组件，且光源的摆放方式可以为可使光线从基板上反射至传感器。
光源可以为耦接至远程光源(例如发射激光光束的激光光源)的光缆。在一实例中，基板支撑组件可以为静电吸盘。在另一具体实施方式中，等离子体所产生的光信号值可以在校准步骤中被从光信号值中扣除。
方法800还提供了步骤812，用以产生与传感器所接收的光成比例的信号。通常来说，此方法包含产生与所增加的掺杂物浓度成比例的多组信号。在步骤814中，基板在掺杂工艺中被注入掺杂物。在步骤816中，在掺杂物工艺中产生了与所增加的光量(由传感器接收)成比例的多组信号。在步骤818中，当基板具有最终掺杂物浓度时，会产生一与传感器所接收的光成比例的终点信号。之后在步骤820中，当基板达到理想的掺杂物浓度时，就终止掺进工艺。
可以以下列掺杂物掺杂基板，例如硼、磷、砷、锑、氮、氧、氢、碳、锗、或其组合。基板最终的掺杂物浓度可以介于约1×1014cm-2至约1×1018cm-2的范围内，较佳为从约5×1015cm-2至约1×1017cm-2。在一个实例中，掺杂物为硼，且掺杂工艺包含将基板暴露于三氟硼烷、二硼烷、它们的等离子体、它们的衍生物、或上述物质的组合。在其它的实例中，掺杂物为磷，且掺杂工艺包含将基板暴露于三氟化磷(trifluorophosphine)、膦、它们的等离子体、它们的衍生物、或上述物质的组合之中。在另一个实例中，掺杂物为砷，且掺杂工艺包含将基板暴露于胂、其等离子体、或其衍生物之中。
在另一具体实施方式中，图9A-9B绘示了一种在测量基板上表面的掺杂物浓度时，用来检测掺杂工艺终点的装置。该装置可用于图1中的等离子体腔室100，并可用来执行方法800。如图9A-9B所示，光源720的位置接近于基板支撑组件123的上表面上方，与光学传感器730同在基板的一侧。基板702暴露于等离子体704(产生于穿孔板132和基板支撑组件123之间)之中。
在一具体实施方式中，光源720用以发射入射光束726，例如激光光束，与基板702的上表面的法线近乎垂直。光束726照射在基板702的上表面并产生反射，之后到达光学传感器730。当掺杂物被注入基板702时，入射光束726的反射部分728(由光学传感器730接收)会因基板中逐渐增加的掺杂物浓度而发生变化。依据由光学传感器730所检测的反射部分728，控制器170能得出在基板702中实际的掺杂物浓度。当基板中达到理想的最终掺杂物浓度时，控制器170就输出一控制信号以终止离子注入工艺。光束726可包含红外线、可见光、紫外光、或其组合。
图9A绘示了安装在基板702上方的光源720和光学传感器730。光源720和光学传感器730可以分别耦接至或安装在腔壁、腔盖、气体分布组件(例如穿孔板132)、或在等离子体腔室其它的内表面上(未绘示)。图9B也绘示了安装在基板702上方的光源720和光学传感器730。在一个具体实施方式中，光源720为连接至光缆722的远程光源，例如激光光源。光缆722可以被导引穿通穿孔板132。在操作时，光缆722从底端721发射光束726，例如激光光束。
这里需要理解的是，所述的方法和机制，一般可应用于实时测量注入基板中的(real time)的掺杂物浓度。在进行校准时使用特定等级的红外线和特定形态的掺杂物可达成此目的。所以，本发明的方法和装置可被用于监控各种掺杂物的剂量，例如砷、磷、氢、氧、氟、硅、和其它用于等离子体工艺的物质。
在其它的具体实施方式中，提供了一个在等离子体掺杂工艺中用以检测基板表面掺杂物浓度的方法，包含：将基板放置于处理腔室内，其中该基板具有上表面和下表面，且温度低于约250℃；在处理腔室中的基板上产生一等离子体，并传送一穿过此基板的光线。这个方法还包含：由一传感器接收此光线；产生一起始信号(与传感器所接受的光成比例)；在掺杂工艺中将掺杂物注入基板；调节传感器所接收的光线与所增加的掺杂物浓度成比例；当基板具有最终掺杂物浓度时，产生一与传感器所接收的光成比例的终点信号；及停止将掺杂物注入基板中。
在一实例中，光线由等离子体产生，由传感器所接收的光线量随着所增加的掺杂物浓度而成比例地减少，且传感器位于基板的下方。在另一个实例中，光线由位于基板下方的光源产生(例如，激光光源)，由传感器所接收的光线量随着所增加的掺杂物浓度而成比例地减少，且传感器位于基板的下方。在另一个实例中，光线由位于基板上方的光源产生，由传感器所接收的光线量随着所增加的掺杂物浓度而成比例地增加，且传感器位于基板的上方。
在另一个具体实施方式中，提供了一个在等离子体掺杂工艺中用以检测基板表面掺杂物浓度的方法，包含：将基板放置于处理腔室内，其中该基板具有上表面和下表面，且温度低于约250℃；在处理腔室中的基板上产生一等离子体，并从基板的上表面反射光线且以一传感器接收此光线。这个方法还包含：产生一起始信号(与传感器所接受的光成比例)；在掺杂工艺中将掺杂物注入基板；传感器所接收的光线随着所增加的掺杂物浓度而成比例地增加；当基板具有最终掺杂物浓度时，产生一与传感器所接收的光成比例的终点信号；以及停止将掺杂物注入基板中。
在另一个具体实施方式中，多组光学传感器被置于基板的下方，例如置于基板支撑组件内，光学传感器可用以监视在基板的表面的掺杂物浓度均匀度。
上述为本发明的具体实施方式，在不脱离本发明基本范围的情况下，可建议本发明其它的具体实施方式。本发明的范围取决于以下的权利要求书。

Claims (22)

1.一种在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，包含：
将基板置于处理腔室中；
于该处理腔室中的紧邻该基板的上表面处产生等离子体；
传送光线穿过该基板；
由传感器接收该光线；
产生起始信号，该起始信号与该传感器所接收到的该光线成比例；
在掺杂工艺中，以掺杂物注入该基板；
与增加的掺杂物浓度成比例地来调控由该传感器所接收到的该光线；
当该基板包括最终掺杂物浓度时，产生与由该传感器所接收到的该光线成比例的终点信号；以及
停止该基板的掺杂物注入。
2.根据权利要求1所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该光线由该等离子体产生，由该传感器所接收的该光线随着该增加的掺杂物浓度成比例地减少，且该传感器位于紧邻该基板的下表面处。
3.根据权利要求1所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该光线由位于紧邻该基板的下表面处的激光器所产生，由该传感器所接收的该光线随着该增加的掺杂物浓度成比例地减少，且该传感器位于紧邻该基板的上表面处。
4.根据权利要求1所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该光线由位于紧邻该基板的上表面处的激光器所产生，由该传感器所接收的该光线随着该增加的掺杂物浓度成比例地增加，且该传感器位于紧邻该基板的上表面处。
5.根据权利要求1所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该光线包含红外线、可见光、紫外线、或上述光线的组合。
6.根据权利要求5所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该光线包含红外线。
7.根据权利要求5所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该基板在该掺杂工艺期间的温度保持在低于250℃。
8.根据权利要求1所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物是选自由下列物质所组成的组：硼、磷、砷、锑、氮、氧、氢、碳、锗、和上述物质的组合。
9.根据权利要求8所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物的最终浓度范围在约5×1015cm-2至约1×1017cm-2间。
10.根据权利要求8所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物为硼，且该掺杂工艺包含将该基板暴露于三氟硼烷、二硼烷、上述物质的等离子体、上述物质的衍生物、或上述物质的组合。
11.根据权利要求8所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物为磷，且该掺杂工艺包含将该基板暴露于三氟化磷、膦、上述物质的等离子体、上述物质的衍生物、或上述物质的组合。
12.根据权利要求8所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面 上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物为砷，且该掺杂工艺包含将该基板暴露于胂、胂的等离子体、或胂的衍生物。
13.根据权利要求8所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该基板在该掺杂工艺期间的温度保持在0℃和90℃之间。
14.一种在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，包含：
将基板置于处理腔室中；
于该处理腔室中的紧邻该基板的上表面处产生等离子体；
从该基板的上表面将光线反射；
由传感器接收该光线；
产生与由该传感器所接收的该光线成比例的起始信号；
在掺杂工艺中，以掺杂物注入该基板；
随着该掺杂物浓度的增加而成比例地增加由该传感器所接收到的该光线；
当该基板包括最终掺杂物浓度时，产生终点信号，该终点信号与该传感器所接收的该光线成比例；以及
停止该基板的掺杂物注入。
15.根据权利要求14所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该光线包含红外线、可见光、紫外线、或上述光线的组合。
16.根据权利要求15所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该光线包含红外线。
17.根据权利要求15所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该基板在该掺杂工艺期间的温度保持在低于250℃。
18.根据权利要求15所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物是选自由下列物质所组成的组：硼、磷、砷、锑、氮、氧、氢、碳、锗、和上述物质的组合。
19.根据权利要求18所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物的最终浓度范围在约5×1015cm-2至约1×1017cm-2间。
20.根据权利要求18所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物为硼，且该掺杂工艺包含将该基板暴露于三氟硼烷、二硼烷、上述物质的等离子体、上述物质的衍生物、或上述物质的组合。
21.根据权利要求18所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该掺杂物为磷，且该掺杂工艺包含将该基板暴露于三氟化磷、膦、上述物质的等离子体、上述物质的衍生物、或上述物质的组合，或者该掺杂物为砷，且该掺杂工艺包含将该基板暴露于胂、胂的等离子体、或胂的衍生物。
22.根据权利要求17所述的在等离子体掺杂工艺期间用来检测基板表面上的掺杂物浓度的方法，其中该基板在该掺杂工艺期间的温度保持在0℃和90℃之间。
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