CN105097400A - 离子注入系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子注入系统及方法。所述离子注入系统包括：离子源模块，用于产生离子束；工艺腔，待注入离子的基板设置在所述工艺腔中，所述离子源模块产生的离子束通入所述工艺腔内，以对所述基板进行离子注入；所述离子注入系统还包括剂量探测模块，所述剂量探测模块用于对注入所述基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测。本发明采用剂量探测模块对基板上的离子注入剂量和均匀性进行实时检测，并将数据发送给剂量修正控制模块对离子束进行调节控制，从而实现离子注入工艺的实时监测和调控，保证了基板离子注入剂量的准确性和较好的均匀性。

Description

离子注入系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体及显示器件制造技术领域，尤其涉及一种离子注入系统及方法。

背景技术

随着微电子工业的快速发展，离子注入已经成为微电子器件制备工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制金属氧化半导体场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)阈值电压的一个重要手段。离子注入工艺利用离子注入机实现半导体的掺杂，即将特定的杂质原子以离子加速的方式注入到半导体材料内，改变半导体材料的导电特性，并最终形成所需的半导体器件。

随着半导体器件的尺寸越来越小，对离子注入的剂量准确度和均匀性的要求也越来越高，对于作为半导体离子掺杂工艺线的关键设备之一的离子注入设备也提出了更高的要求，例如：要求离子注入设备生产效率高、整机可靠性好、精确控制束纯度、精确控制注入能量、全自动化控制、注入均匀和重复性好等。因此，能够准确监控掺杂剂量和均匀性的离子注入系统正变得越来越不可或缺。

现有的一种剂量监测方法是采用法拉第杯周期性地测量束流，并调节扫描速度以确保连续掺杂。但是这种监测方法是在离子注入前周期性测量离子束情况，不能实时监测离子注入的剂量变化，从而不能实时地对注入剂量进行调整，无法确保注入基板的剂量准确度和均匀性。若要监测注入到基板上的离子剂量，需要将基板进行退火后再进行测试和评估，退火处理会导致注入后的晶格结构重排，不能如实反映离子注入的真实数据。另外，该方法无法监测剂量较低的离子注入工艺。

现有的另一种监测方法是对离子注入后的样品进行二次离子质谱测试以获取注入剂量和均匀性等数据，但是这种方法成本较高，测试周期较长，并且也无法进行实时监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子注入系统及方法，以解决现有技术中不能实时监测离子注入剂量，导致离子注入剂量准确度不高、注入均匀性不好的技术问题。

为解决上述技术问题，作为本发明的第一个方面，提供一种离子注入系统，包括：

离子源模块，用于产生离子束；

工艺腔，待注入离子的基板设置在所述工艺腔中，所述离子源模块产生的离子束通入所述工艺腔内，以对所述基板进行离子注入；

所述离子注入系统还包括剂量探测模块，所述剂量探测模块用于对注入所述基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测。

优选地，所述离子注入系统还包括剂量修正控制模块，所述剂量修正控制模块用于接收所述剂量探测模块的测量数据、将所述测量数据与预设数据范围进行对比、并根据对比结果对所述离子源模块产生的离子束进行调整，使注入所述基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求。

优选地，所述剂量探测模块包括至少一个光检测单元，所述光检测单元包括激光发生器和光电探测器，所述激光发生器用于产生照射到所述基板上的探测光，所述光电探测器用于检测从所述基板表面反射的反射光的光强；

所述剂量探测模块还包括数据转换单元，所述数据转换单元能够根据所述光强计算所述基板表面的离子浓度。

优选地，所述剂量探测模块包括多个所述光检测单元，多个所述光检测单元均匀分布以对所述基板的不同位置进行检测。

优选地，所述剂量探测模块还包括扫描单元，所述扫描单元包括可移动支架，所述可移动支架能够沿所述基板的表面移动，所述光检测单元设置在所述可移动支架上。

优选地，所述激光发生器为氩离子泵浦光源，所述激光发生器产生的探测光的波长为500-550nm。

优选地，所述剂量修正控制模块包括数据对比单元和修正单元，所述数据对比单元用于将所述测量数据与所述预设数据范围进行对比，并将对比结果发送给所述修正单元，当对比结果显示所述测量数据不在所述预设数据范围内时，所述修正单元根据所述测量数据与所述预设数据范围之间的差值对所述离子源模块产生的离子束进行调整。

优选地，所述修正单元通过调整所述离子束的电流密度分布来调整注入所述基板的离子剂量和离子均匀性。

优选地，所述离子注入系统还包括质量分析模块，所述质量分析模块用于从所述离子源模块产生的离子束中选出所需注入的离子种类，并将选出的离子通入所述工艺腔内。

优选地，所述质量分析模块包括筛选单元、加速单元和聚焦单元，所述筛选单元用于从所述离子束中筛选出所需注入的离子种类，所述加速单元包括电场发生器，所述电场发生器用于对筛选后的离子束进行加速，所述聚焦单元用于对加速后的离子束进行聚焦，并将聚焦后的离子束通入所述工艺腔内。

作为本发明的第二个方面，还提供一种离子注入方法，包括以下步骤：

采用离子束对试做基板进行离子注入；

对注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测，获取测量数据；

将所述测量数据与预设数据范围进行对比，并根据对比结果对所述离子束进行调整，使注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求；

采用调整后的离子束对其余基板进行离子注入。

优选地，采用调整后的离子束对其余基板进行离子注入的步骤包括：

对注入所述基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测；

根据探测结果对所述离子束进行调整，使注入所述基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求。

优选地，对注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测的步骤包括：

采用探测光对所述试做基板进行照射；

检测从所述试做基板反射的发射光的光强；

根据所述光强计算所述试做基板表面的离子浓度。

优选地，所述测量数据包括测量得到的所述离子浓度，所述预设数据范围包括预设离子浓度范围，将所述测量数据与所述预设数据范围进行对比，并根据对比结果对所述离子束进行调整的步骤包括：

将测量得到的所述离子浓度与预设离子浓度范围进行对比；

当测量得到的所述离子浓度不在预设离子浓度范围内时，根据两者之间的差值对所述离子束进行调整。

优选地，对所述离子束进行调整的步骤包括：

对所述离子束的电流密度分布进行调整。

优选地，采用离子束对试做基板进行离子注入的步骤还包括：

对所述离子束进行筛选，从所述离子束中选出所需注入的离子种类；

采用电场对筛选后的离子束进行加速；

对加速后的离子束进行聚焦。

优选地，所述离子注入方法还包括在采用离子束对试做基板进行离子注入之前进行的：

采用法拉第杯对所述离子束进行预调整。

优选地，所述试做基板为玻璃基板或硅基板，所述试做基板的数量为1-10。

本发明采用剂量探测模块对基板上的离子注入剂量和均匀性进行实时检测，并将数据发送给剂量修正控制模块对离子束进行调节控制，从而实现离子注入工艺的实时监测和调控，保证了基板离子注入剂量的准确性和较好的均匀性。

此外，光探测是一种灵敏度很高的无损非接触式探测方法，所以本发明在对样品完全没有损伤的情况下，提高了离子注入工艺的剂量准确性和均匀性，从而实现对半导体器件参数的精确控制。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1是依照本发明一种实施例的离子注入系统的模块示意图；

图2是依照本发明一种实施例的离子注入系统的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的离子注入方法的流程图。

在附图中，1-离子源模块；2-质量分析模块；21-筛选单元；22-加速单元；23-聚焦单元；3-工艺腔；4-基板；5-剂量探测模块；6-剂量修正控制模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种离子注入系统，如图1和图2所示，所述离子注入系统包括：

离子源模块1，用于产生离子束；

工艺腔3，待注入离子的基板4设置在工艺腔3中，离子源模块1产生的离子束通入工艺腔3内，对基板4进行离子注入；

所述离子注入系统还包括剂量探测模块5，剂量探测模块5用于对注入基板4的离子剂量和离子均匀性进行实时探测。

本发明采用剂量探测模块5对基板4上的离子注入剂量和均匀性进行实时检测，之后通过对检测结果进行分析，即可获取基板4表面的离子浓度及分布情况，从而可以实现对基板4表面的离子注入剂量及均匀性的准确管控。

进一步地，所述离子注入系统还包括剂量修正控制模块6，剂量修正控制模块6用于接收剂量探测模块5的测量数据并将所述测量数据与预设数据范围进行对比，剂量修正控制模块6还根据对比结果对离子源模块1产生的离子束进行调整，使注入基板4的离子剂量和离子均匀性满足预定要求。

这里所说的对离子源模块1产生的离子束进行调整是指：对离子源模块1产生离子束的工艺条件进行调整，从而实现对离子束的调整。

通常，所述测量数据包括剂量探测模块5测量得到的注入到基板4表面的离子浓度，通过分别探测基板4表面的各个位置的离子注入浓度，即可获取离子注入的均匀性情况。

在本发明中，剂量探测模块5对基板4上的离子注入剂量和均匀性进行实时检测后，将测量数据发送给剂量修正控制模块6以对离子束进行调节控制，从而实现离子注入工艺的实时监测和调控，保证了基板离子注入剂量的准确性和较好的均匀性，进而能够实现对半导体器件参数(如阈值电压)的精确控制。

进一步地，所述离子注入系统还包括质量分析模块2，质量分析模块2用于从离子源模块1产生的离子束中选出所需注入的离子种类，并将选出的离子通入工艺腔3内。

具体地，质量分析模块2包括筛选单元21、加速单元22和聚焦单元23。筛选单元21用于从离子源模块1产生的离子束中筛选出所需注入的离子种类，以提高离子注入纯度。加速单元22包括电场发生器，所述电场发生器用于对筛选后的离子束进行加速，聚焦单元23用于对加速后的离子束进行聚焦，并将聚焦后的离子束通入工艺腔3内，从而提高离子注入效率。

作为本发明的一种实施方式，剂量探测模块5包括至少一个光检测单元，所述光检测单元包括激光发生器和光电探测器，所述激光发生器用于产生照射到基板4上的探测光，所述光电探测器用于检测从基板4表面反射的反射光的光强。

所述光检测单元的检测原理为：当激光束入射到半导体样品表面时，会在样品表面层内激发光生载流子，形成等离子体波，同时光生载流子通过非辐射复合作用产生热波，在等离子体波和热波的作用下，样品的反射率会发生变化。通常，反射光的光强与注入样品的离子浓度成正比，即注入到样品的离子浓度越高，将导致样品表面反射的反射光光强越大。因此，可以通过探测反射光的光强来获取注入到基板表面的离子浓度。

光探测是一种灵敏度很高的无损非接触式探测方法，所以本发明在对样品完全没有损伤的情况下，提高了离子注入工艺的剂量准确性和均匀性，从而实现对半导体器件参数的精确控制。并且，由于光探测的灵敏度较高，本发明尤其适用于低剂量离子注入工艺的剂量监测。

进一步地，剂量探测模块5还包括数据转换单元，所述数据转换单元能够根据所述光电探测器探测到的反射光的光强来计算所述基板表面的离子浓度，从而实现对离子注入剂量准确性的管控。

优选地，剂量探测模块5包括多个所述光检测单元，多个所述光检测单元均匀分布以对基板4的不同位置的离子浓度进行检测。也就是说，多个所述光检测单元分布在二维平面内，对基板4的各个部位同时进行检测，以实现对离子注入均匀性的管控。

或者，剂量探测模块5还包括扫描单元，所述扫描单元包括可移动支架，所述可移动支架能够沿基板4的表面移动，所述光检测单元设置在所述可移动支架上。在这种实施方式中，通过使所述可移动支架沿基板4的表面移动来对基板4的不同位置的离子浓度进行检测，从而实现对离子注入均匀性的管控。

在本发明中，所述激光发生器可以采用氩离子泵浦光源，所述激光发生器产生的探测光的波长为500-550nm，所述氩离子泵浦光源的功率为150-250mW，所述光电探测器的探测功率为3-5mW。

进一步地，剂量修正控制模块6包括数据对比单元和修正单元，所述数据对比单元用于将剂量探测模块5获取的测量数据与预设数据范围进行对比，并将对比结果发送给所述修正单元，当对比结果显示所述测量数据不在所述预设数据范围内时，所述修正单元根据所述测量数据与所述预设数据范围之间的差值对所述离子源模块产生的离子束进行调整。

通常，离子束的分布就是指离子束所对应的电流密度在基板4上的平面分布，离子束的电流密度分布决定了注入到基板4上的离子的分布情况。因此，所述修正单元通过调整所述离子束的电流密度分布来调整注入基板4的离子剂量和离子均匀性。

相应地，本发明还提供了一种离子注入方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

采用离子束对试做基板进行离子注入；

对注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测，获取测量数据；

将所述测量数据与预设数据范围进行对比，并根据对比结果对所述离子束进行调整，使注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求；

采用调整后的离子束对其余基板进行离子注入。

本发明在对基板进行批量离子注入工艺之前，先对试做基板的离子注入剂量和均匀性进行实时监测，并根据监测结果对离子束分布进行实时调整，直至试做基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求后，在对其余基板进行批量生产，不仅提高了离子注入工艺的剂量准确性和均匀性，还提高了产品良率和生产效率。

优选地，采用调整后的离子束对其余基板进行离子注入的步骤包括：

对注入所述基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测；

根据探测结果对所述离子束进行调整，使注入所述基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求。

也就是说，利用试做基板对离子注入系统进行预热和调整之后，在正式对基板进行离子注入工艺时，可以继续对注入基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测，并根据探测结果对入射的离子束进行调整，从而进一步确保离子注入过程的剂量准确性和均匀性。

优选地，对注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测的步骤包括：

采用探测光对所述试做基板进行照射；

检测从所述试做基板反射的发射光的光强；

根据所述光强计算所述试做基板表面的离子浓度。

如上所述，反射光的光强与注入样品的离子浓度成正比，本发明通过探测反射光的光强来获取注入到基板表面的离子浓度，从而判断离子注入剂量的准确性。进一步地，通过分别探测基板表面的各个位置的离子注入浓度，即可获取离子注入的均匀性情况。

并且，光探测是一种灵敏度很高的无损非接触式探测方法，所以本发明在对样品完全没有损伤的情况下，提高了离子注入工艺的剂量准确性和均匀性，从而实现对半导体器件参数的精确控制。

在本发明中，所述测量数据包括测量得到的所述离子浓度，所述预设数据范围包括预设离子浓度范围，将所述测量数据与所述预设数据范围进行对比，并根据对比结果对所述离子束进行调整的步骤包括：

将测量得到的所述离子浓度与预设离子浓度范围进行对比；

当测量得到的所述离子浓度不在预设离子浓度范围内时，根据两者之间的差值对所述离子束进行调整。

并且，由于离子束的分布就是指离子束所对应的电流密度在基板上的平面分布，离子束的电流密度分布决定了注入到基板上的离子的分布情况。因此，对所述离子束进行调整的步骤包括：

对所述离子束的电流密度分布进行调整。

进一步地，采用离子束对试做基板进行离子注入的步骤还包括：

对所述离子束进行筛选，从所述离子束中选出所需注入的离子种类；

采用电场对筛选后的离子束进行加速；

对加速后的离子束进行聚焦。

上述步骤能够提高入射离子的纯度，并提升离子注入工艺的生产效率。

通常，所述离子注入方法还包括在采用离子束对试做基板进行离子注入之前进行的：

采用法拉第杯对所述离子束进行预调整。

法拉第杯虽然无法实时监测离子注入的剂量变化，但是能够在离子注入前周期性地测量离子束的情况，从而可以用于对离子束进行预调整，使离子束分布大致处于生产所需的范围内，之后再采用本发明所提供的方法对离子注入剂量和均匀性进行精确管控。

优选地，所述试做基板为玻璃基板或硅基板，所述试做基板的数量为1-10。可以理解的是，试做过程完成后，正式生产中所用的基板也可以是玻璃基板或硅基板，或者是一种表面设置有半导体薄膜的玻璃基板，这里不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种离子注入系统，包括：

离子源模块，用于产生离子束；

工艺腔，待注入离子的基板设置在所述工艺腔中，所述离子源模块产生的离子束通入所述工艺腔内，以对所述基板进行离子注入；

其特征在于，所述离子注入系统还包括剂量探测模块，所述剂量探测模块用于对注入所述基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测。

2.根据权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，所述离子注入系统还包括剂量修正控制模块，所述剂量修正控制模块用于接收所述剂量探测模块的测量数据、将所述测量数据与预设数据范围进行对比、并根据对比结果对所述离子源模块产生的离子束进行调整，使注入所述基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求。

3.根据权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，所述剂量探测模块包括至少一个光检测单元，所述光检测单元包括激光发生器和光电探测器，所述激光发生器用于产生照射到所述基板上的探测光，所述光电探测器用于检测从所述基板表面反射的反射光的光强；

所述剂量探测模块还包括数据转换单元，所述数据转换单元能够根据所述光强计算所述基板表面的离子浓度。

4.根据权利要求3所述的离子注入系统，其特征在于，所述剂量探测模块包括多个所述光检测单元，多个所述光检测单元均匀分布以对所述基板的不同位置进行检测。

5.根据权利要求3所述的离子注入系统，其特征在于，所述剂量探测模块还包括扫描单元，所述扫描单元包括可移动支架，所述可移动支架能够沿所述基板的表面移动，所述光检测单元设置在所述可移动支架上。

6.根据权利要求3所述的离子注入系统，其特征在于，所述激光发生器为氩离子泵浦光源，所述激光发生器产生的探测光的波长为500-550nm。

7.根据权利要求2所述的离子注入系统，其特征在于，所述剂量修正控制模块包括数据对比单元和修正单元，所述数据对比单元用于将所述测量数据与所述预设数据范围进行对比，并将对比结果发送给所述修正单元，当对比结果显示所述测量数据不在所述预设数据范围内时，所述修正单元根据所述测量数据与所述预设数据范围之间的差值对所述离子源模块产生的离子束进行调整。

8.根据权利要求7所述的离子注入系统，其特征在于，所述修正单元通过调整所述离子束的电流密度分布来调整注入所述基板的离子剂量和离子均匀性。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的离子注入系统，其特征在于，所述离子注入系统还包括质量分析模块，所述质量分析模块用于从所述离子源模块产生的离子束中选出所需注入的离子种类，并将选出的离子通入所述工艺腔内。

10.根据权利要求9所述的离子注入系统，其特征在于，所述质量分析模块包括筛选单元、加速单元和聚焦单元，所述筛选单元用于从所述离子束中筛选出所需注入的离子种类，所述加速单元包括电场发生器，所述电场发生器用于对筛选后的离子束进行加速，所述聚焦单元用于对加速后的离子束进行聚焦，并将聚焦后的离子束通入所述工艺腔内。

11.一种离子注入方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用离子束对试做基板进行离子注入；

对注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测，获取测量数据；

将所述测量数据与预设数据范围进行对比，并根据对比结果对所述离子束进行调整，使注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求；

采用调整后的离子束对其余基板进行离子注入。

12.根据权利要求11所述的离子注入方法，其特征在于，采用调整后的离子束对其余基板进行离子注入的步骤包括：

对注入所述基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测；

根据探测结果对所述离子束进行调整，使注入所述基板的离子剂量和离子均匀性满足预定要求。

13.根据权利要求11所述的离子注入方法，其特征在于，对注入所述试做基板的离子剂量和离子均匀性进行实时探测的步骤包括：

采用探测光对所述试做基板进行照射；

检测从所述试做基板反射的发射光的光强；

根据所述光强计算所述试做基板表面的离子浓度。

14.根据权利要求13所述的离子注入方法，其特征在于，所述测量数据包括测量得到的所述离子浓度，所述预设数据范围包括预设离子浓度范围，将所述测量数据与所述预设数据范围进行对比，并根据对比结果对所述离子束进行调整的步骤包括：

将测量得到的所述离子浓度与预设离子浓度范围进行对比；

当测量得到的所述离子浓度不在预设离子浓度范围内时，根据两者之间的差值对所述离子束进行调整。

15.根据权利要求14所述的离子注入方法，其特征在于，对所述离子束进行调整的步骤包括：

对所述离子束的电流密度分布进行调整。

16.根据权利要求11至15中任意一项所述的离子注入方法，其特征在于，采用离子束对试做基板进行离子注入的步骤还包括：

对所述离子束进行筛选，从所述离子束中选出所需注入的离子种类；

采用电场对筛选后的离子束进行加速；

对加速后的离子束进行聚焦。

17.根据权利要求11至15中任意一项所述的离子注入方法，其特征在于，所述离子注入方法还包括在采用离子束对试做基板进行离子注入之前进行的：

采用法拉第杯对所述离子束进行预调整。

18.根据权利要求11至15中任意一项所述的离子注入方法，其特征在于，所述试做基板为玻璃基板或硅基板，所述试做基板的数量为1-10。