CN103000481B - 离子注入监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种监测晶圆离子分布的装置，包括第一传感器和第二传感器。第一传感器、第二传感器和晶圆置于均匀的离子注入流轮廓的有效区域内。控制器基于来自第一传感器和第二传感器的感测信号确定晶圆的每个区域的离子剂量。此外，控制器调节离子束的扫描频率或晶圆的移动速度以实现晶圆上的离子均匀分布。本发明还提供了一种离子注入监测装置。
Description
技术领域
本发明一般地涉及半导体领域，更具体地来说，涉及离子注入检测装置。
背景技术
自从发明集成电路以来，半导体行业由于各种电子元件(例如，晶体管、二极管、电阻器、电容器等)集成密度的改进而经历了快速增长。这种集成密度的改进源于半导体工艺节点的缩小(例如，朝向小于20nm的节点缩小工艺节点)。由于不断需要微型化，进一步缩小工艺节点可能增加制造集成电路的复杂性。
随着半导体技术的发展，半导体制造工艺也越来越复杂，因此需要复杂的设备和装置。在半导体工艺中，在半导体晶圆上制造集成电路。在通过切割半导体晶圆分离多个集成电路之前，半导体晶圆经过多个处理步骤。处理步骤可以包括：光刻、蚀刻、掺杂和淀积不同的材料。
离子注入是一种向晶圆掺杂不同的原子或分子的处理技术。通过采用离子注入，大部分的电荷载流子可能会改变，从而使晶圆上的区域具有不同导电类型和不同导电水平。在离子注入机中，离子发生器可以产生离子束，并将离子束对准目标晶圆。根据离子束的横截面，离子注入工艺可以划分为两类，即，具有矩形截面的带状束和具有圆形截面的点状束。
此外，为了实现目标晶圆上均匀的离子分布，扫描要注入的晶圆或者离子束。根据扫描图案，离子注入工艺可以分为两类，即一维(1-D)离子注入扫描或二维(2-D)离子注入扫描。此外，在进行离子注入工艺之前，可以采用各种离子注入监测系统来表征离子束。然而，离子束的意外波动可能导致目标晶圆上非均匀的离子分布。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种装置，包括：晶圆保持器，被配置成支撑晶圆；第一传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第一传感器和所述晶圆保持器位于均匀的离子注入流轮廓的有效区域内；以及第一测流计，连接至所述第一传感器，用于接收来自所述第一传感器的第一感测信号。
该装置进一步包括：第二传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第二传感器位于均匀的离子注入流轮廓的所述有效区域内；以及第二测流计，连接至所述第二传感器，用于接收来自所述第二传感器的第二感测信号。
该装置进一步包括：环形束轮廓分析仪，其中：所述环形束轮廓分析仪设置为与所述晶圆保持器上的所述晶圆相邻；所述第一传感器设置在所述环形束轮廓分析仪上方；以及所述第二传感器设置在所述环形束轮廓分析仪上方。
该装置进一步包括：控制器，被配置成生成点状离子束的1-D机械扫描，所述点状离子束的1-D机械扫描生成均匀的离子注入流轮廓。
该装置进一步包括：控制器，被配置成生成带状离子束的1-D机械扫描，所述带状离子束的1-D机械扫描生成均匀的离子注入流轮廓。
该装置进一步包括：控制器，被配置成生成点状离子束的2-D机械扫描，所述点状离子束的2-D机械扫描生成均匀的离子注入流轮廓。
在该装置中，所述第一传感器由石墨制成。
该装置进一步包括：第一法拉第杯，探测离子颗粒，其中，所述第一法拉第杯设置成与所述晶圆保持器上方的所述晶圆相邻；以及第二法拉第杯，探测离子颗粒，其中，所述第二法拉第杯和所述第一法拉第杯相对于所述晶圆对称。
根据本发明的另一方面，提供了一种系统，包括：离子束发生器；离子注入监测装置，包括：晶圆保持器，被配置成支撑晶圆；第一传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第一传感器和所述晶圆保持器位于均匀的离子注入流轮廓的有效区域内；以及第一测流计，连接至所述第一传感器，用于接收来自所述第一传感器的第一感测信号；以及控制器，连接至所述第一测流计。
该系统进一步包括：第二传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第二传感器位于所述均匀的离子注入流轮廓的所述有效区域内；以及第二测流计，连接至所述第二传感器，用于接收来自所述第二传感器的第二感测信号。
在该系统中，所述控制器被配置成：基于所述第一感测信号和所述第二感测信号，调节离子束的扫描频率；以及基于所述第一感测信号和所述第二感测信号，调节所述晶圆保持器的移动速度。
在该系统中，所述离子束发生器产生点状离子束，所述点状离子束采用1-D机械扫描，从而形成均匀的离子注入流轮廓。
在该系统中，所述离子束发生器产生带状离子束，所述带状离子束采用1-D机械扫描，从而形成均匀的离子注入流轮廓。
在该系统中，所述晶圆保持器和所述离子束发生器形成2-D机械扫描，从而产生均匀的离子注入流轮廓。
该系统进一步包括：环形束轮廓分析仪，其中，所述环形束轮廓分析仪设置为与所述晶圆保持器上方的所述晶圆相邻；以及多个由石墨制成的传感器设置在所述环形束轮廓分析仪上方。
根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：由离子束产生均匀的离子注入流轮廓；将第一传感器设置在所述均匀的离子注入流轮廓的有效范围内；以及基于来自所述第一传感器的第一感测信号估计第一离子剂量。
该方法进一步包括：通过控制器确定离子剂量分布；以及基于所述离子剂量分布调节所述离子束的扫描频率。
该方法进一步包括：由控制器确定离子剂量分布；以及基于所述离子剂量分布调节晶圆保持器的移动速度。。
该方法进一步包括：将环形束轮廓分析仪设置在所述晶圆保持器上方，其中，所述环形束轮廓分析仪的内径等于晶圆的直径；将至少一个传感器置于所述环形束轮廓分析仪上方；基于来自所述传感器的信号确定晶圆区域的离子剂量；以及调节所述离子束的扫描频率。
该方法进一步包括：将多个法拉第杯设置在均匀的离子注入流轮廓内；以及基于来自所述多个法拉第杯的检测信号确定离子剂量。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出了根据实施例的离子注入的原理图。
图2示出了根据实施例的环形束轮廓分析仪的俯视图。
图3示出了根据实施例的放置离子注入传感器的有效范围；以及
图4示出了根据实施例的包括一维(1-D)机械扫描和二维(2-D)机械扫描的监测离子注入的实施方法。
除非另有说明，不同附图中的相应数字和符号通常指的是相应部件。为了清楚地说明各个实施例的相关方面绘制这些附图，并且没有必要按比例绘制。
具体实施方式
以下详细讨论了本优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅为制造和使用本发明的具体方式，并且没有限定本发明的范围。
将结合具体上下文的优选实施例描述本发明，即，监测离子注入工艺的均匀性的装置。然而，也可以将本发明应用于各种离子注入的工艺和装置，如，高能量离子注入机(high energy ion implanter)、高电流离子注入机(high current ion implanter)、中电流离子注入机(medium current implanter)等。
最初参考图1，示出了根据实施例的离子注入系统的原理图。离子注入系统100包括：离子束发生器102、离子束104、晶圆106、和监测离子注入工艺的装置。离子注入监测装置进一步包括：环形束轮廓分析仪(ring-shaped beam profiler)108、多个传感器112和114、多个测流计116和118、和控制器120。如图1所示，离子束发生器102产生离子束104，并将离子束104对准晶圆106以及传感器112和114。控制器120接收感测到的离子分布信息，并通过调节离子束104的扫描频率或调节晶圆106相对于离子束104的移动速度来补偿离子束104流(current of ion beam 104)。
晶圆106可以由硅或诸如硅锗的其他半导体材料制成。在形成完成的管芯之前，晶圆106可能经过很多工艺步骤，如光刻、蚀刻、掺杂。在掺杂工艺中，可以将晶圆106置于用于离子注入工艺的晶圆保持器130的上方。完成的管芯质量可能在很大程度上取决于注入(embed)晶圆106中的离子的均匀性。例如，晶圆106中的离子的非均匀分布可能导致晶圆106中的晶体管的较差的驱动电流一致性(IDU)或较差的阈值电压均匀性(VTU)。
在离子注入工艺中，为了实现均匀的离子分布，采用环形束轮廓分析仪108来容纳多个传感器112和114。根据实施例，环形束轮廓分析仪108由石墨形成。如图1所示，环形束轮廓分析仪108以及传感器112和114设置为与晶圆106相邻。因此，在离子注入工艺中，传感器112和114可以接收到与晶圆106相同的离子。应该注意，虽然图1示出了两个传感器112和114都安装在环形束轮廓分析仪108上方，但是传感器112和114可以内嵌于环形束轮廓分析仪108。
图1进一步示出了离子束发生器102。离子束发生器102可以包括：各种元件(例如，离子分离和离子加速器件)，从而产生离子束104并且将离子束104对准晶圆106。此处没有示出离子束发生器102的具体结构，以避免不必要的弱化各个实施例的创新方面。离子束104可以是具有圆形截面的点状束。可选地，离子束104也可以是具有矩形截面的带状束(ribbonbeam)。离子束(例如，离子束104)的截面直径可能小于晶圆106的直径。为了实现晶圆106上的均匀的离子分布，采用扫描离子束或者相对于离子束移动晶圆的方式来增大要均匀注入的晶圆面积。
根据实施例，离子束104可能具有高斯型非均匀的束流分布。更详细地说，离子束104可能中间是钟形，两侧是两条长尾形。如图1所示，沿±Y方向扫描离子束104形成扫描路径。沿扫描路径，离子束104的钟形部和长尾部按比例平均分配，从而形成均匀的束流分布。均匀的束流分布通常可被称为离子束流轮廓。
根据实施例，多个传感器112和114位于均匀的离子束流分布中。因此，传感器112和114可以接收到与大小类似的晶圆区域相同数量的离子颗粒。此外，虽然图1示出了两个传感器112和114，但是额外的传感器也可以置于环形束轮廓分析仪108上方，从而使得可以更好的估计晶圆106的每个子区域的离子颗粒密度。由传感器感测到的信号分别被传送到连接至传感器的多个测流计(例如，测流计116)。
根据实施例，可以提供法拉第探测器(Faraday detector)，如法拉第杯(Faraday cup)，从而实现以下功能：感测来自离子束104检测离子颗粒，并将感测的离子颗粒的数量转换成电流值。换句话说，传感器(例如，传感器114)和测流计(例如，测流计116)可被法拉第杯替代。本领域中众所周知法拉第杯的操作细节，因此此处没有更详细地进行讨论。
将来自测流计116和测流计118电流信号传送至控制器120。控制器120可以是微处理器、计算机等。基于电流信号，控制器120计算出晶圆106的每个区域的离子分布。此外，通过采用反馈算法，控制器120可以调节离子束104的扫描频率、晶圆106的移动速度、或者其组合。例如，当控制器120确定通过晶圆106的区域接收到的离子颗粒的数量偏低时，当该区域穿过离子束104时，控制器120可以发送信号，从而降低离子束104的扫描频率。可选地，从该区域开始接收离子颗粒的时间到该区域离开离子束104的时间之间，控制器120可以发送信号，从而降低了晶圆106的移动速度。具有与晶圆106相邻地设置的多个传感器的优点在于，可以更好的估计晶圆106的每个区域的离子密度，从而使得可以通过采用反馈机制调节离子束104的扫描频率或者晶圆106的移动速度，来实现均匀的离子注入工艺。
图2示出了根据实施例的环形束轮廓分析仪的俯视图。环形束轮廓分析仪108可以是圆环物体(donut-shaped object)。响应于晶圆尺寸的变化，环形束轮廓分析仪108的内径可以是300mm或者450mm。环形束轮廓分析仪108的外径可以比内径大20mm(为了更好地示出环形束轮廓分析仪108，没有按比例绘制)。在环形束轮廓分析仪108上，可以具有多个传感器(例如，传感器112)。每个传感器都连接一个测流计(未示出)。根据实施例，传感器(例如，传感器112)由石墨形成。为了具有感测离子的传感器，在环形束轮廓分析仪108上方可以具有多个石墨区域。石墨区域可以形成在环形束轮廓分析仪108的顶部。可选地，石墨区域可以内嵌在环形束轮廓分析仪108中。应该注意，图2中的石墨区域的形状基本上是矩形。在本发明的主旨和精神内，石墨区域可以包括其他形状，例如(但不限于)：椭圆形、方形、圆形等。
图3示出了根据实施例的放置离子注入传感器的有效范围。上文结合图2示出了包括环形束轮廓分析仪的离子注入监测装置的实施例。然而，离子注入监测装置的实施并不限于圈形环。相反，可以将多种选择用于精确地估计晶圆106上的离子注入分布。例如，如图3所示，当离子束104沿±X方向扫描时，产生了由虚线A和虚线B所指出的有效的束流范围或区域。在有效范围或区域内，通过扫描离子束104，离子束发生器(未示出)产生束流轮廓，该束流轮廓在虚线A和虚线B之间是均匀的。因此，只要传感器和环形束轮廓分析仪108位于离子束104的有效范围内，传感器和环形束轮廓分析仪108就可以是任意形状。此外，传感器和环形束轮廓分析仪可以附接在晶圆上或者晶圆支撑装置(例如，晶圆保持器)上。因此，传感器和晶圆106可以进行同样的运动。
图4示出了根据实施例包括一维(1-D)机械扫描和二维(2-D)机械扫描的监测离子注入的实施方法。第一1-D机械扫描402示出了点状束422在两个端点之间来回移动。因此，在两个端点之间，沿着扫描路径产生了均匀的离子注入流轮廓。同时，晶圆106和环形束轮廓分析仪108可以在如通过双箭头指示的扫描路径上移动。晶圆106的相对运动有助于在晶圆106的每个区域上产生均匀的离子剂量。
此外，因为环形束轮廓分析仪108与晶圆106同时移动，并且环形束轮廓分析仪108位于均匀的离子注入流轮廓的有效范围内，所以环形束轮廓分析仪的传感器(未示出)感测的离子剂量可以反映晶圆106的离子剂量。通过采用额外的传感器，额外的传感器可以有助于提供对晶圆106的每个区域的离子剂量的更高的分辨率。此外，额外的传感器可以有助于确定离子束104的入射角。
图4进一步示出了可用于1-D机械扫描的带状束424的环形束轮廓分析仪108。本领域中众所周知使用带状束实施离子注入工艺，因此没有进行详细讨论以避免不必要的重复。与上面结合402描述的环形束轮廓分析仪108类似，第二1-D机械扫描404示出了环形束轮廓分析仪108位于均匀的束流轮廓的有效范围内。此外，环形束轮廓分析仪108与晶圆106同时移动。因此，通过采用环形束轮廓分析仪108上的多个传感器，传感器可以感测晶圆106的离子剂量。
图4进一步示出了可用于2-D机械扫描的点状束426的环形束轮廓分析仪108。本领域中众所周知使用2-D机械扫描实施离子注入工艺，因此没有进行详细讨论以避免不必要的重复。双箭头416指示晶圆106和环形束轮廓分析仪108的移动路径。换句话说，晶圆106和环形束轮廓分析仪108可以沿水平方向穿过不变的离子束多次。同时，晶圆106和环形束轮廓分析仪108可以以较小的步距垂直移动。晶圆106的2-D移动可能导致离子束的均匀照射(uniform exposure of the ion beam)。因此，通过采用环形束轮廓分析仪108上的多个传感器，传感器可以感测晶圆106的离子剂量。
尽管已经详细地描述了本发明的实施例及其优点，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。
而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明的公开，现有的或今后开发的用于执行与本文所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。
Claims (20)
1.一种离子注入监测装置，包括：
晶圆保持器，被配置成支撑晶圆；
环形束轮廓分析仪，设置为与所述晶圆保持器上的所述晶圆相邻；
第一传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第一传感器和所述晶圆保持器位于均匀的离子注入流轮廓的有效区域内；以及
第一测流计，连接至所述第一传感器，用于接收来自所述第一传感器的第一感测信号。
2.根据权利要求1所述的离子注入监测装置，进一步包括：
第二传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第二传感器位于均匀的离子注入流轮廓的所述有效区域内；以及
第二测流计，连接至所述第二传感器，用于接收来自所述第二传感器的第二感测信号。
3.根据权利要求2所述的离子注入监测装置，其中：
所述第一传感器设置在所述环形束轮廓分析仪上方；以及
所述第二传感器设置在所述环形束轮廓分析仪上方。
4.根据权利要求1所述的离子注入监测装置，进一步包括：控制器，被配置成生成点状离子束的1-D机械扫描，所述点状离子束的1-D机械扫描生成均匀的离子注入流轮廓。
5.根据权利要求1所述的离子注入监测装置，进一步包括：控制器，被配置成生成带状离子束的1-D机械扫描，所述带状离子束的1-D机械扫描生成均匀的离子注入流轮廓。
6.根据权利要求1所述的离子注入监测装置，进一步包括：控制器，被配置成生成点状离子束的2-D机械扫描，所述点状离子束的2-D机械扫描生成均匀的离子注入流轮廓。
7.根据权利要求1所述的离子注入监测装置，其中，所述第一传感器由石墨制成。
8.根据权利要求1所述的离子注入监测装置，进一步包括：
第一法拉第杯，探测离子颗粒，其中，所述第一法拉第杯设置成与所述晶圆保持器上方的所述晶圆相邻；以及
第二法拉第杯，探测离子颗粒，其中，所述第二法拉第杯和所述第一法拉第杯相对于所述晶圆对称。
9.一种离子注入系统，包括：
离子束发生器；
离子注入监测装置，包括：
晶圆保持器，被配置成支撑晶圆；
环形束轮廓分析仪，设置为与所述晶圆保持器上方的所述晶圆相邻；
第一传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第一传感器和所述晶圆保持器位于均匀的离子注入流轮廓的有效区域内；以及
第一测流计，连接至所述第一传感器，用于接收来自所述第一传感器的第一感测信号；以及
控制器，连接至所述第一测流计。
10.根据权利要求9所述的离子注入系统，进一步包括：
第二传感器，被配置成与所述晶圆保持器同时移动，其中，所述第二传感器位于所述均匀的离子注入流轮廓的所述有效区域内；以及
第二测流计，连接至所述第二传感器，用于接收来自所述第二传感器的第二感测信号。
11.根据权利要求10所述的离子注入系统，其中，所述控制器被配置成：
基于所述第一感测信号和所述第二感测信号，调节离子束的扫描频率；以及
基于所述第一感测信号和所述第二感测信号，调节所述晶圆保持器的移动速度。
12.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中，所述离子束发生器产生点状离子束，所述点状离子束采用1-D机械扫描，从而形成均匀的离子注入流轮廓。
13.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中，所述离子束发生器产生带状离子束，所述带状离子束采用1-D机械扫描，从而形成均匀的离子注入流轮廓。
14.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中，所述晶圆保持器和所述离子束发生器形成2-D机械扫描，从而产生均匀的离子注入流轮廓。
15.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中，多个由石墨制成的传感器设置在所述环形束轮廓分析仪上方。
16.一种离子注入方法，包括：
由离子束产生均匀的离子注入流轮廓；
将环形束轮廓分析仪设置在晶圆保持器上方，其中，所述环形束轮廓分析仪的内径等于晶圆的直径；
将第一传感器设置在所述均匀的离子注入流轮廓的有效范围内；以及
基于来自所述第一传感器的第一感测信号估计第一离子剂量。
17.根据权利要求16所述的离子注入方法，进一步包括：
通过控制器确定离子剂量分布；以及
基于所述离子剂量分布调节所述离子束的扫描频率。
18.根据权利要求16所述的离子注入方法，进一步包括：
由控制器确定离子剂量分布；以及
基于所述离子剂量分布调节晶圆保持器的移动速度。
19.根据权利要求16所述的离子注入方法，进一步包括：
将至少一个传感器置于所述环形束轮廓分析仪上方；
基于来自所述传感器的信号确定晶圆区域的离子剂量；以及
调节所述离子束的扫描频率。
20.根据权利要求16所述的离子注入方法，进一步包括：
将多个法拉第杯设置在均匀的离子注入流轮廓内；以及
基于来自所述多个法拉第杯的检测信号确定离子剂量。
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