CN1165981C - 监测电荷中和过程的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
电荷中和监测器(300)监测用于离子注入系统(100)的电荷中和系统(120)的运行过程，该电荷中和系统(120)在离子束(102)处理一个或多个工件(132)时穿行的区域(222)内产生中和电子(202)。该电荷中和监测器(300)为靶电极(220)施加一个合适的电压(332)，靶电极(332)捕获电荷中和系统(120)产生的中和电子(202)。然后电荷中和监测器(300)通过监测流过靶电极(220)的电流而测量上述电荷中和系统(120)可能产生的中和电子电流。
Description
技术领域
本发明通常涉及离子注入领域。尤其涉及离子注入的电荷中和领域。
背景技术
离子注入机是用来对一个工件进行离子注入处理的。例如，在半导体集成电路制造中，可以用离子注入机根据生产n型或p型外加材料的需要选择一种离子对硅晶片进行离子注入。
典型的离子注入机包括一个用于从可离子化源材料产生带正电的电荷的离子源和一个用于把产生的离子形成离子束并沿预定路径加速从而注入一个或多个晶片的离子束成形结构。然而，当粒子束碰撞晶片时，晶片将带净正电荷。这种带电过程通常是不均匀的并且会在晶片表面产生强大的电场，有可能损坏晶片。例如，当晶片包含氧化物层时，晶片带电会导致介电层击穿。
为了防止晶片以这种方式损坏，典型的注入机包括一个电子簇射或源系统以把低能电子引入离子束附近以中和带正电的离子束和晶片表面。在等离子体电子源(PEF)系统中，例如一根灯丝在相对于该灯丝为正偏压的弧室内被加热以激发热电子。这些热电子与供给弧室的一种合适的气体作用形成一种包含中和电子的等离子体，通过弧室的引出孔将其引至离子束附近。
制造越来越薄的栅极氧化物晶片的趋势要求更严格地控制电荷中和以控制离子注入过程中产生的电应力。由于PEF系统进行的电荷中和过程取决于一系列因素，例如，灯丝电流、灯丝状态、电弧电流、弧室状态、气体纯度和流速、PEF系统的组装方式等等，因此，PEF系统的运行应能被监测以协助控制电荷敏感器件的电荷中和。
发明内容
本发明提供一种用于监测离子注入系统100内电荷中和过程的方法，所述离子注入系统100用于产生离子束102对一个或多个工件132进行处理，该方法包括以下步骤：
(a)在一个离子束102处理一个或多个工件132时要穿过的区域222内产生中和电子202；以及
(b)监测用于捕获在区222内产生的中和电子202的靶电极220上的电流，以检测电荷中和电子电流；
其中，监测步骤(b)包括使通道体220与弧室234电隔离的步骤；以及该方法进一步包括在离子束102处理一个或多个工件132的过程中将通道体220与室234电联接的步骤。
本发明还提供一种用于离子注入系统100的电荷中和装置120，所述离子注入系统100能产生离子束102以处理一个或多个工件132的该装置120包括：(a)在处理一个或多个工件132时离子束102穿过的内部区域内产生中和电子202的组件232、234、242、244、246、252、254；以及(b)用于监测流过捕获产生于内部区域222内的中和电子202的靶电极220的电流以测量产生的电荷中和电子电流的组件300、302、322、332、333、334；
其中监测组件300、302、322、332、333、334包括当监测电流流过通道体220时用于使通道体220与中和电子发生组件232、234、242、244、246、252、254电隔离的组件322以及当离子束102处理一个或多个工件132时使通道体220与电子产生组件232、234、242、244、246、252、254电接触的组件322。
本发明还提供一种用于离子注入系统(100)的电荷中和系统120，该离子注入系统100产生离子束102以对一个或多个工件132进行处理，该电荷中和系统包括：(a)一个用于在离子束102处理一个或多个工件132时，穿过的区域222内产生中和电子202的电子源系统232、234、242、244、246、252、254；以及(b)用于监测流过用以捕获产生于区域222内的电子202的靶电极220的电流以测量产生的中和电子电流的电路300、302、322、332、333、334；
其中电路300、302、322、332、333、334当监测流过通道体的电流时使通道体220与电子源系统232、234、242、244、246、252、254电隔离，而当离子束102处理一个或多个工件132时，使通道体220与电子源系统232、234、242、244、246、252、254电接触。
一种方法和装置用于监测产生离子束处理一个或多个工件的离子注入系统的电荷中和过程。
在该方法中，在离子束处理一个或多个工件时穿过的一个区域内产生中和电子。可在一个室内产生一种包含中和电子的等离子体以将其引入离子束穿过的上述区域。
监测流过一个用于捕获上述区域内产生的中和电子的靶电极的电流以决定可能发生的电荷中和电流。上述靶电极上可以施加一个偏压，当离子束离开上述区域时可以监测流过该靶电极的电流。该监测电流可与一个预定电流值相比较。靶电极上的电压也可以监测。
上述靶电极可以是一个限定离子束穿行的内部区域的通道体。借助于等离子体发生室产生的中和电子，当监测流过通道体的电流时该通道体可以与上述等离子体发生室电绝缘，而在离子束处理一个或多个工件的过程中通道体可以与等离子体发生室电接触。
一种包含用于在离子注入系统内类似地监测电荷中和过程的合适的组件的装置。该装置可以与产生和引导离子束穿过上述区域的组件以及支承一个或多个工件以进行离子束处理的组件配合使用。
一种电荷中和系统包括一个用于在上述离子束穿行的区域内产生中和电子的电子源系统和用于监测流过靶电极的电流的电路。该电子源系统也可以是一个等离子体电子源系统。可以用一个数据处理系统比较上述监测电流和一个预定电流值。上述电荷中和系统可以与产生并引导离子束进入上述区域的离子束源和用于支承一个或多个工件以进行离子束处理的注入台配合使用。
本发明通过一个实施例及其附图进行了说明，其中，实施例的附图是一个包括一个电荷中和监测器的离子注入系统的示意图。
一个根据本发明形成的电荷中和监测器监测离子注入系统的电荷中和系统的运行过程。
附图说明
附图1示出了一个用离子束102处理一个或多个晶片132的离子注入系统100的一个实施例的示意图。
具体实施方式
如图所示，离子注入系统100包括一个用于产生离束102的离子源110，一个用于把中和电子引入离子束102附近的电荷中和系统120以及一个用于对一个或多个晶片132进行离子束102处理的离子注入台130。尽管以上描述的是对一个或多个晶片132进行处理，但是离子注入系统100也可以对其它适合的工件进行处理。
离子束源110可以包括任何合适的以任何合适方式产生离子束102的仪器。在一个实施例中，离子束源110包括一个从可离子化的源材料产生带正荷的离子的离子源和用于形成离子束102并将其沿着从电荷中和系统102至注入台130的真空路径加速的离子束成形结构。
离子束源110可以包括比如一个等离子体室，在该室对注入该室的合适的源材料施加能量以产生正离子。这些离子可以从上述等离子体室的一个窄缝引出并由电极向一个质量分析器加速以形成离子束102。该质量分析器使离子束102的离子沿弯曲轨迹运动从而仅使那些原子量合适的离子保留在离子束102内。离子束源110还可以包括一个四极装置以调节离子束102内。离子束源110还可以包括一个四极装置以调节离子束102的高度和一个如能绕离子束102的路径旋转的Faraday旗以便于测量102的离子束特性并且在处理一个或多个晶片132的过程中可以从离子束102路径中抽回。
电荷中和系统120把中和电子引入离子束102附近以便防止注入台130上的一个或多个晶片132被离子束102充电。
注入台130支承一个或多个晶片132以便于离子束102进行处理。该注入台130可以以任何合适的方式支承一个或多个晶片132。如图所示，在一个实施例中，注入台130包括一个可绕轴转动的支承体134。支承体134支承一系列晶片132于其处周边并且由一个电机驱动绕一个圆形路径运行以切过离子束102，这样，离子束102便可以在晶片穿过离子束102时碰撞晶片132。
已有许多专利披露了产生离子束并将其由电荷中和系统输送至注入台的合适的装置，例如，Benveniste的U.S.PatentNo.5,164,599，Benveniste的U.S.Patent No.5,531,420，Blake的U.S.Patent No.5,633,506，Chen等人的U.S.Patent No.5,691,537，以及Chen等人的U.S.Patent No.5,703,375.
如图所示，电荷中和系统120包括一个电子簇射通道体220，该通道体220限定了离子束102从离子源110至注入台130所穿行的内部区域222。电子荷中和系统120引导通道体220内部区域222内的中和电子至离子束102附近以防止注入台130上的一个或多个晶片130被离子束102充电。
在一个实施例中，电荷中和系统120可以包括一个孔径限定部件210，离子束102从通道体220穿过该孔径限定组件210上行。该孔径限定组件210由一个偏压孔径电源212施加一个负偏压以防止Chen等人的专利U.S.Patent No.5,691,537中所讨论的离子束102的膨胀。偏压孔径电源212可以为孔径限定组件210施加任意合适的电压，如大约-2.5KV。
如图所示，电荷中和系统120包括一个等离子体电子源(PEF)系统，一根灯丝232在该系统内由灯丝电源242加热到高温以便在弧室外234内发射热电子，该弧室由电弧电源244施加一个相对于灯丝232的正偏压。热电子与弧室234内的合适的气体反应产生一种包含中和电子的等离子体202。弧室234内产生的等离子体202穿过弧室234内的引出孔233被引入内部区域222。
通道体220可以用任何合适的导电材料制成，在一个实施例中它由铝制成并且内部区域222内衬石墨。通道体220可以为任何合适形状，在一个实施例中它为矩形管或圆筒形。通道体220在一个实施例中完全包围离子束102，而在其它实施例中它可以只包围离子束102的一部分。
弧室234可以以任何与通道体220的相对合适的方式安装以便使弧室内234内产生的等离子体202直接从引出孔233引入通道体220的内部区域222。弧室234可以用任何合适的导电材料，如钼形成。弧室234包含一个包含任何合适材料，如氮化硼的绝缘基体236。
如图所示，一个实施例的弧室234由一个水冷支承体262(图中示部分)支承并且安装在通道体220的侧壁内，从而使弧室234与通道体220的侧壁之间由弧室234周围的真空区域235电绝缘。水冷支承体262也辅助支承通道体220。水冷支承体262包括一种导电材料，与弧室234电接触，而与通道体220之间由一个绝缘块264绝缘。
在一个实施例中，如图所示，气体可以从一个气源252穿过基体绝缘体236通向弧室234。气体可以包括氩气或氙气等，其流速由一个质量流速控制器(MFC)254调节。可以以任何合适的流速向弧室234供气，例如，约0.2sccm~0.8sccm的氙气或约1.5sccm~3sccm的氩气。
如图所示，在一个实施例中，灯丝232穿过基体绝缘体236装进弧室234内。灯丝232可为任意合适的形状，可由任何合适的材料制成，例如钨。灯丝电源242可为灯丝提供任何合适的电流，例如约150A~200A。灯丝电源242可以调节以便于给灯丝232提供如约达5V的可变电压。
在一个实施例中，灯丝232形成如直径大约为2.3mm的环形。灯丝232如由大约160A~180A的电流加热，为弧室234内的等离子体202提供如大约400GS的限定磁场。灯丝232的形状使弧室234内的磁场向引出孔233迅速下降，直至如大约10GS。
电弧电源244可以为弧室234提供如相对于灯丝232大约0~48V的可变电压，和如大约0.1~4A的电流，在一个实施例中，电弧电源244可以为弧室234提供相对于灯丝232大约23V的偏压。电弧电源244可以以任何方式与弧室234电联接，例如通过水冷支承体262联接，如图所示。
灯丝232和弧室234均接地或由一个偏压电源246施加负偏压。偏压电源246可以为灯丝232和弧室234提供如大约0~-6V的可变电压。
在离子注入过程中通道体220与弧室234电联接，因此也接地或由偏压电源246施加负偏压。在一个实施例中，通道体220也可以被施加负偏压以协助把电子保留在通道体220内。
电荷中和系统120的性能取决于许多因素，例如，灯丝232的电流、灯丝232的状态、弧室234的电流、弧室234的状态、供入弧室234的气体纯度和流速、引出孔233的状态、电荷中和系统120的组装方式，等等。尽管可以监测弧室234的电流以控制灯丝234的电流并且因此控制通道体220内部区域222的电荷中和电流，但是弧室234的电流值不能显示等离子体电子损失，这是由于如供给弧室234的气体的杂质，流入弧室234的气体泻漏和过量或不适量，电荷中和系统120的不合理组装、和/或弧室234内绝缘块上的沉积等因素造成的。
电荷中和系统120包括一个监测电荷中和系统120生产的中和电子电流的电荷中和监测器300。在进行离子注入之前，监测器300监测由提供给通道体220合适电压而产生的中和电子电流，此时通道体220与弧室234电绝缘。当电荷中和系统120产生等离子体202时，通道体220的侧壁从等离子体202中捕获电子。那么，监测器300就可以通过监测通道体220的电流而监测电荷中和系统120产生中和电子的能力。监测器300可以包含任何用于监测电荷中和系统120的合适电路。
为了进行离子注入，在一个实施例中监测器300要求电荷中和系统120进入运行模式，这点是这样达到的，通过一个开关使联至通道体220的一个导体302与弧室234电联接，以及通过一个开关324使灯丝电源242和电弧电源244电联接至偏压电源246上。在离子注入过程中监测器300把通道体220电联接至弧室234上以维持离子束102的电压控制。
为了监测电荷中和系统120产生的中和电子电流，监测器300要求电荷中和系统120进入一个试验模式，这点是这样达到的，使通道体220与弧室234电绝缘并通过一个开关322借助于导体302使通道体220电联接至一个试验电源332上。试验电源332可以提供合适的电压，例如大约0~20V。在一个实施例中试验电源332给通道体220提供约5V的电压。监测器300通过开关324与弧室234电联接并接地。
由于电荷中和系统120把中和电子引入内部区域222，监测器300在一个实施例中通过监测试验电源332的阴极端和接地端之间的电阻333上的电流以监测流过通道体220的电流。电阻333具有任意合适的电阻值，例如约10Ω。在一个实施例中，监测电流由一个运行放大器(Op amp)334放大。
在一个实施例中，监测器300监测离子束102离开通道体220内部区域220时流过通道体220的电流。监测器300也可以做成用如一个从电荷中和系统120上行的Faraday旗关掉离子束102或阻挡离子束102，从而使得当电荷中和系统120处于试验模式时离子束离开通道体220的内部区域222。当电荷中和系统120在离子束102离开内部区域222的试验模式中产生等离子体202时，通道体220模拟分析存在的离子束102并捕获等离子束202中的电子。监测器300可以在离子束102进入通道体220的内部区域222时，监测流过通道体220的电流。但是，离子束102离开内部区域222时的结果更容易解释。
在一个实施过程中，监测器300可以通过监测耦联至联接于通道体220的导体302上的结335上的电压而显示施加于通道体220上的电压，当电荷中和系统120处于运行模式时，监测器300可以显示偏压电源246施加于通道体220的电压。当它处于试验模式时，监测器300还可以显示由试验电源332施加于通道体的电压。试验电源332阳极端和结335之间接一个电阻336，而结335和接地端之间接另一个电阻337。电阻336和337形成分配器。当电荷中和系统120处于试验模式时，如果试验电源332不恰当地接至通道体220，那么结335上的电压将小于由试验电源332按电阻336和337形成的分配器所提供的电压。电阻336和337具有任何合适的阻值，例如：分别约为3000Ω和3000Ω。在一个实施例中，监测到的电压由一个运行放大器338放大。
在一个实施例中，导体302和304分别通过真空法兰310(图中部分示出)的合适的真空线束312和314定线并直接连接至通道体220的外壁。真空法兰310协助维持离子束的真空路径。
在一个实施例中监测器300用一个合适的机控装置140来监测电荷中和系统120，机控装置140包括一个用于控制离子注入系统100运行和性能的数字数据处理系统，离子注入系统100包括离子源110、电荷中和系统120(包括监测器300)，以及注入台130，机控装置140用如合适的模/数(A/D)转换器监测通道体220的电流和电压。
对于一套给定的电荷中和参数，如气流、电弧电流、电弧电压等等，可能的中和电流对每台机器应相对一致，而对一台给定的机器应为时间的函数。因此，机控装置140的用户可以用监测器300检查电荷中和系统。在一个实施例中，用户可以使监测器300处于手动状态或自动状态。
在手动状态，用户可以用一个机控装置140的合适的输入/输出界面使电荷中和系统120处于运行模式或试验模式。用户可以根据需要设定电荷中和参数。当电荷中和系统120处于试验模式时，机控装置140监测并输出通道体220的电流和电压以便于用户查阅。
对于自动状态，机控装置140按其内设值设定电荷中和参数，电荷中和系统120在注入之前被要求处于试验模式。机控装置140把通道体220的监测电流与两个预定值进行比较，一为正常值，一为服役值。如果监测值大于正常值，机控装置将使电荷中和系统工120正常运行。如果监测值小于正常值而大于服役值，机控装置140确定电荷中和系统120性能降低并发出警报。如果监测值小于服役值，机控系统140确定不能使电荷中和系统工120正常运行并且发出警报和/或使离子注入系统100处于等待状态。机控装置140还会储存电流和电压值以自动启动每次试验。
在监测通道体220的电压时，如果施加于通道体220的电压偏离电荷中和系统120运行或试验模式的期望值，机控装置140将输出错误信息，如果电荷中和参数不能或没有完成，那么机控装置140也输出错误信息。
尽管上面以监测电荷中和系统120的通道体220的电流进行了描述，然而，监测器300也可以用任何合适的靶电极，以捕获在离子束穿过的区域内由任何合适的电荷中和系统产生的中和电子。
上面已经参照具体的实施例中及其附图对本发明进行了描述。显然，在不背离本发明的精神和不超出权利要求书所限定的范围的情况下可以对其进行各种修改和变化。因此，上述说明和附图不是限制性的，而是说明性的。
Claims (16)
1、一种用于监测离子注入系统(100)内电荷中和过程的方法，所述离子注入系统(100)用于产生离子束(102)对一个或多个晶片(132)进行处理，该方法包括以下步骤：
(a)在一个离子束(102)处理一个或多个晶片(132)时要穿过的区域(222)内产生中和电子；以及
(b)监测用于捕获在区域(222)内产生的中和电子的通道体(220)上的电流，以检测电荷中和电子电流；
其中，监测步骤(b)包括使通道体(220)与弧室(234)电隔离的步骤；以及该方法进一步包括在离子束(102)处理一个或多个晶片(132)的过程中将通道体(220)与弧室(234)电联接的步骤。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测步骤(b)包括给通道体(220)
施加偏压(332)的步骤。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通道体(220)为一个限定离子束(102)穿行的内部区域(222)的通道体(220)。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括在离子束(102)穿行的区域(222)内形成包含中和电子的等离子体的步骤。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测步骤(b)包括监测离子束(102)离开区域(222)时流过通道体(220)的电流。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括将监测电流值和一个预定电流值进行比较的步骤。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括监测通道体(220)上的电压的步骤。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通道体(220)是一个限定离子束(102)穿行的内部区域(222)的通道体(220)；以及其中的步骤(a)包括在弧室(234)产生包含中和电子的等离子体(202)以引入通道体(220)的内部区域(222)，
9、一种用于离子注入系统(100)的电荷中和装置(120)，所述离子注入系统(100)能产生离子束(102)以处理一个或多个晶片(132)的该装置(120)包括：(a)在处理一个或多个晶片(132)时离子束(102)穿过的内部区域内产生中和电子的组件(232、234、242、244、246、252、254)；以及(b)用于监测流过捕获产生于内部区域(222)内的中和电子的通道体(220)的电流以测量产生的电荷中和电子电流的组件(300、302、322、332、333、334)；
其中监测组件(300、302、322、332、333、334)包括当监测电流流过通道体(220)时用于使通道体(220)与中和电子产生组件(232、234、242、244、246、252、254)电隔离的组件(322)以及当离子束(102)处理一个或多个晶片(132)时使通道体(220)与中和电子产生组件(232、234、242、244、246、252、254)电接触的组件(322)。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，监测组件(300、302、322、332、333、334)包括为通道体(220)施加偏压(332)的组件(302、322、332)。
11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，中和电子产生组件(232、234、242、244、246、252、254)包括用于在离子束(102)穿过的区域(222)内产生包含中和电子的等离子体(202)的组件(232、234、242、244、246、252、254)。
12、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，监测组件(300、302、322、332、333、334)包括用于监测当离子束(102)离开区域(222)时流过通道体(220)的电流的组件(302，332，333，334)。
13、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，包括用于比较电流监测值和预定值的组件(140)。
14、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，包括用于监测通道体(220)上的电压(335)的组件(304、336、337、338)
15、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，通道体(220)是一个限定离子束(102)穿行的内部区域(222)的通道体(220)。
16、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，它还结合了用于产生和引导离子束(102)穿过区域(222)的组件(110)和用于支承一个或多个晶片(132)以进行离子束(102)处理的组件(130)。
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