CN103165371B - 一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置，属于半导体制造技术领域。所述装置包括：等离子体浸没注入系统，用于注入离子；离子成分与组分诊断单元，用于确定注入离子的种类、每种离子的电荷数以及每种离子占总离子数的比例；注入离子电流检测单元，用于探测离子所形成的电流；离子电流信号检出单元，用于检出注入离子电流检测单元探测到的电流；信号处理与控制单元，用于根据注入离子的种类、每种离子的电荷数、每种离子占总离子数的比例以及离子电流信号检出单元检出的电流获得离子的注入剂量。本发明能够实现单一种离子注入剂量的精确检测与控制，可直接用于PIII中注入离子剂量检测和控制。

Description

一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置。

背景技术

半导体工艺中，主流杂质掺杂技术为束线离子注入技术(IonImplantation，II)，它是由离子源产生等离子体，通过质谱分析提取所需的离子组分，再对离子加速到一定能量并注入到半导体基片中(如硅片)。该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(亚KeV)，然而离子束能量降低后会出现束流分散、均匀性变差、效率进一步降低等一系列负面效应。因而近年提出了一种新型的等离子体浸没注入技术(PlasmaImmersionIonImplantation，PIII)来避免以上问题。等离子体浸没注入中通过作为半导体基片基座的偏压电极引入负偏压，并向注入系统工作腔室内通入所需工艺气体，向系统施加功率源产生等离子体。等离子体与腔室壁包括偏压电极接触处会形成一个等离子体鞘层，该鞘层由带正电离子构成，呈电正性，形成由等离子指向腔室壁或者是偏压电极的电场。当等离子体中的正离子由等离子体穿过该鞘层到达腔室壁或偏压电极时，会被等离子体鞘层电压加速。等离子体浸没注入方法中，利用该等离子体鞘层，由偏压电极引入相对于等离子体中心的负偏压，该偏压最终全部降落到等离子体鞘层上，通过调整偏压电极引入的负偏压的大小便可以控制注入到偏压电极上半导体基片中的正离子能量，进而控制注入到半导体基片深度。

PIII中用于剂量检测的方法主要有偏压电流法与法拉弟杯检测方法。偏压电流法通过测量流过基片的电流测量注入离子剂量。当等离子体注入时，流过基片电流

I＝I_ion+I_e+I_se+I_dis+I_si(1)

其中I_ion为注入离子电流，I_e为等离子体中电子流向基片的电流，I_se为基片表面发射二次电子形成的电流，I_dis为位移电流，I_si为基片发射二次离子形成的电流。若注入基片的离子剂量的面密度

$n_i=\frac{1}{\mathrm{ne}}{\∫}_0^T{I}_{\mathrm{ion}}\mathrm{dt},---\left(2\right)$

其中n为注入离子带的单位电荷量，T为注入时间。组成基片电流的五部分中，I_dis、I_si、I_e相对于其他部分较小可忽略(有时位移电流不可忽略，这样偏压电流法测量注入离子剂量更加困难)，但二次电子电流I_se却比I_ion要大一到两倍甚至更多，且I_se与基片材料，偏压大小等等因素相关而无法精确确定。同时组成I_ion的离子并不仅仅只带有一种电荷量还有多次电离的离子即式(2)中的n并不唯一，所以偏压电流法测得的离子剂量n_i并不是PIII注入到基片中的真实离子剂量，从而不可以根据n_i控制控制PIII工艺流程。

法拉弟杯的检测原理与偏压电流法本质相同都是通过测量离子电流来测量注入离子剂量，所不同的是偏压电流法通常将整个载物台作为电流测量探头，而法拉弟杯有一个独立的腔室，注入离子进入腔室之后才被测量。由于法拉第杯测量法有一个独立的测量腔室就可以通过各种方法和结构设计来消除偏压电流法中存在的位移电流、二次电流。但法拉弟杯检测方法仍然无法解决多种带电离子问题，无法获得精确的总离子注入剂量，所以该方法虽然比偏压电流法有所提高，但仍无法实现离子注入剂量的精确检测与控制，以及无法获得某一种离子的注入剂量更无法获得某一种元素的原子注入剂量。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置。

本发明提供了一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置，包括：

等离子体浸没注入系统，用于注入离子；

离子成分与组分诊断单元，用于确定注入离子的种类、每种离子的电荷数以及每种离子占总离子数的比例；

注入离子电流检测单元，用于探测离子所形成的电流；

离子电流信号检出单元，用于检出注入离子电流检测单元探测到的电流；

信号处理与控制单元，用于根据注入离子的种类、每种离子的电荷数、每种离子占总离子数的比例以及离子电流信号检出单元检出的电流获得离子的注入剂量。

在一个示例中，离子成分与组分诊断单元为质谱仪。

在一个示例中，注入离子电流检测单元为法拉第杯、偏压电极或者金属电极。

在一个示例中，离子电流信号检出单元具有滤波功能。

在一个示例中，信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内第i种离子注入剂量：

$n_i=\frac{1}{e}\frac{c_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，n_i为第i种离子注入剂量，e为单位电荷数，c_i为第i种离子占总离子数的比例，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I为离子电流信号检出单元检出的电流；i＝1，2，……，m；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

在一个示例中，信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内k种离子注入剂量：

$\underset{i=j}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i=\frac{1}{e}\frac{\underset{i=j}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，为k种离子注入剂量，e为单位电荷数，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I为离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

在一个示例中，信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内总离子注入剂量：

$n=\frac{1}{e}\frac{c_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，n为总离子注入剂量，e为单位电荷数，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

在一个示例中，信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内元素M注入剂量：

$n_M=\frac{1}{e}\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{q}_k{c}_k}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，n_M为元素M注入剂量，e为单位电荷数，c_k为第k种离子占总离子数的比例，q_k为第k种离子中元素M的原子数量，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

本发明能够实现单一种离子注入剂量的精确检测与控制，可直接用于PIII中注入离子剂量检测和控制。

附图说明

图1为本发明的用于等离子体浸没注入中剂量检测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置，该装置包括等离子体浸没注入系统、离子成分与组分诊断单元、注入离子电流检测单元、离子电流信号检出单元、以及信号处理与控制单元。等离子体浸没注入系统提供完成等离子体注入的平台，包括：气源，射频功率源、直流或脉冲负偏压源、静电卡盘或金属偏压电极、工作腔室、真空系统。离子成分与组分诊断单元典型的为离子质谱仪，用于诊断在负偏压作用下注入到半导体基片中的离子种类、带电量与各种离子所占比率。注入离子电流检测单元用于探测在负偏压作用下注入到半导体基片上的离子所形成的电流装置，可以为法拉第杯、偏压电极或者金属电极。离子电流信号检出单元用于检出注入离子电流检测单元探测到离子电流信号，离子电流信号检出单元具有滤波功能。信号处理与控制单元用于接受来自人机交互系统输入的外部信息、接受来自各终端部件的状态信号与反馈信号，例如来自离子成分与组分诊断单元的离子成分组分信号、接受来自离子电流信号检出单元的注入离子电流信号，精确计算得到单一种注入离子剂量，精确计算得到注入离子剂量。

信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内第i种离子注入剂量：

$n_i=\frac{1}{e}\frac{c_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，n_i为第i种离子注入剂量，e为单位电荷数，c_i为第i种离子占总离子数的比例，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I为离子电流信号检出单元检出的电流；i＝1，2，……，m；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内k种离子注入剂量：

$\underset{i=j}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i=\frac{1}{e}\frac{\underset{i=j}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，为k种离子注入剂量，e为单位电荷数，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I为离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内总离子注入剂量：

$n=\frac{1}{e}\frac{c_i}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，n为总离子注入剂量，e为单位电荷数，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内元素M注入剂量：

$n_M=\frac{1}{e}\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{q}_k{c}_k}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^T\mathrm{Idt};$

其中，n_M为元素M注入剂量，e为单位电荷数，c_k为第k种离子占总离子数的比例，q_k为第k种离子中元素M的原子数量，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1，2，……，m；m为离子种类数。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于等离子体浸没注入中注入离子剂量检测的装置，包括由气源23，功率源20，匹配网络21，工作腔室70，偏压电极11，机械泵18，分子泵16，尾气处理系统19构成的等离子体浸没注入系统；由离子成分与组分诊断单元53、注入离子电流检测单元25、离子电流信号检出单元51与信号处理与控制单元52构成的注入离子剂量检测与流程控制系统。

本实施例提供的等离子体浸没注入系统工作时，整个工作腔室壁10接地，由机械泵18、分子泵16和尾气处理系统19组成的真空部分首先启动，当工作腔室70的压强达到工作压强时，工作气体从气源23到达匀气装置30进入工作腔室70，匀气装置30会使工作气体更均匀地进入工作腔室70。等离子体起辉所需的功率由射频功率源20通过匹配网络21加到耦合线圈22上，耦合线圈22将功率源的能量通过石英窗24耦合到工作腔室70内。然后工作腔室70内的工作气体起辉产生等离子体。等离子体中的正离子在偏压电场的加速作用下注入到基片40中，偏压由负偏压源12提供。基片40放在偏压电极11上，注入过程中冷却系统17为基片散热。

工艺流程进行时，首先离子成分与组分诊断单元53与注入离子电流检测单元25、离子电流信号检出单元51给出等离子体的离子成分与组分信息和总注入离子电流。信号处理与控制单元根据离子成分与组分诊断单元获得的离子成分与组分信息和总注入离子电流，可以获得某一种离子的注入离子电流，进而获得该单一种离子的注入离子剂量。

信号处理与控制系统可以通过已获得的单一种离子的注入离子剂量，产生控制信号63与实时工艺参数信号62并将其分别送到终端动作部件以控制工艺流程与人机交互系统以供显示，外部信号通道61可以输入注入时间以控制离子掺杂的时间。

实施例中，所述的注入离子电流检测单元25典型的由法拉第杯构成，也可以为偏压电极，还可以为一金属电极。离子成分与组分诊断单元53典型的为离子质谱仪。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于等离子体浸没注入中剂量检测装置，其特征在于，包括：

等离子体浸没注入系统，用于注入离子；

离子成分与组分诊断单元，用于确定注入离子的种类、每种离子的电荷数以及每种离子占总离子数的比例；

注入离子电流检测单元，用于探测离子所形成的电流；

离子电流信号检出单元，用于检出注入离子电流检测单元探测到的电流；

信号处理与控制单元，用于根据注入离子的种类、每种离子的电荷数、每种离子占总离子数的比例以及离子电流信号检出单元检出的电流获得离子的注入剂量；所述信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内第i种离子注入剂量：

$n_i=\frac{1}{e}\frac{c_i}{\underset{j}{\Σ}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^{T}Idt;$

其中，n_i为第i种离子注入剂量，e为单位电荷数，c_i为第i种离子占总离子数的比例，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I为离子电流信号检出单元检出的电流；i＝1,2，……，m；j＝1,2，……，m；m为离子种类数；所述信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内k种离子注入剂量：

$\underset{i=j}{\overset{k}{\Σ}}{n}_i=\frac{1}{e}\frac{\underset{i=j}{\overset{k}{\Σ}}{c}_i}{\underset{j}{\Σ}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^{T}Idt;$

其中，为k种离子注入剂量，e为单位电荷数，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I为离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1,2，……，m；m为离子种类数。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述离子成分与组分诊断单元为质谱仪。

3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述注入离子电流检测单元为法拉第杯、偏压电极或者金属电极。

4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述离子电流信号检出单元具有滤波功能。

5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内总离子注入剂量：

$n=\frac{1}{e}\frac{1}{\underset{j}{\Σ}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^{T}Idt;$

其中，n为总离子注入剂量，e为单位电荷数，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1,2，……，m；m为离子种类数。

6.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号处理与控制单元按照下述公式计算时间段T内元素M注入剂量：

$n_M=\frac{1}{e}\frac{\underset{k}{\Σ}{q}_k{c}_k}{\underset{j}{\Σ}{m}_j{c}_j}{\∫}_0^{T}Idt;$

其中，n_M为元素M注入剂量，e为单位电荷数，c_k为第k种离子占总离子数的比例，q_k为第k种离子中元素M的原子数量，c_j为第j种离子占总离子数的比例，m_j为第j种离子的电荷数，I离子电流信号检出单元检出的电流；j＝1,2，……，m；m为离子种类数。