CN202487543U - 一种piii工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置，属于PIII技术领域。该装置包括工作腔室、气源、功率源、偏压源、真空系统、偏压电极、冷却系统，还包括法拉第杯系统、信号检出系统和信号处理与控制系统。该装置能够实现在线检测PIII剂量和均匀性。

Description

一种PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置

技术领域

本实用新型涉及PIII技术领域，特别涉及一种PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置。

背景技术

半导体掺杂技术能够使半导体呈现出不同的电学特性。

目前，通常使用的半导体掺杂技术为束线离子注入(Ion Implantation，II)，采用II时，利用质谱仪分析提取所需的离子组分，利用扫描装置对提取出来的离子组分加速，使之具有一定的能量后注入到半导体基片中，采用II时，需要使用质谱仪和扫描装置，成本很高，并且，束线离子注入的效率很低。

同时，随着集成电路特征尺寸的进一步减小，离子注入能量需要降低到一千电子伏特以下。但是，粒子束能量降低后，束流会分散，束流的均匀性会变差，注入效率也会进一步降低。

为了解决上述问题，近些年出现了等离子体浸入离子注入(PlasmaImmersion Ion Implantation，PIII)，PIII利用作为半导体基片基座的偏压电极引入负偏压，向注入系统的工作腔室内通入工艺气体，向注入系统施加功率源，产生用于PIII的等离子体。等离子体与工作腔室壁和偏压电极接触处能够形成等离子体鞘层，该等离子体鞘层由带正电的离子构成，呈电正性，从而，形成由等离子体指向工作腔室壁或者偏压电极的电场。当等离子体中的正离子由等离子体穿过该鞘层到达工作腔室壁或者偏压电极时，会被等离子体鞘层电压加速。在PIII中，利用该等离子体鞘层，偏压电极能够引入相对于等离子体中心的负偏压，该负偏压最终会全部降落到该等离子体鞘层上，通过调整该负偏压的大小，便可以控制注入到半导体基片中的正离子的能量，进而控制该正离子注入到半导体基片中的深度。

PIII的优点如下：

1)PIII不需要质谱仪和扫描仪，因此，半导体掺杂技术的装置结构简单，成本降低。

2)PIII采用鞘层加速机理，注入过程为整片注入，与基片尺寸无关，因此，产出率不会受到基片面积的影响。

但是，PIII也存在如下问题：

1)PIII难以在线对等离子体注入剂量进行检测；

2)PIII难以在线对等离子体注入均匀性进行检测；

3)难以对PIII的过程进行控制。

PIII中，用于检测等离子体注入剂量的方法主要有偏压电流检测法和法拉第杯检测法。

偏压电流检测法通过检测流过基片的电流检测离子注入剂量。当等离子体注入基片时，

流过基片的电流为I，

I＝I_ion+I_e+I_se+I_dis+I_si，(1)

其中，

I_ion，注入等离子体电流；

I_e，等离子体中电子流向基片的电流；

I_se，基片表面发射二次电子形成的电流；

I_dis，位移电流；

I_si，基片发射二次离子形成的电流。

若注入基片的等离子体剂量的面密度为n_i，

$n_1=\frac{1}{\mathrm{ne}}{\∫}_0^T{I}_{\mathrm{ion}}\mathrm{dt},---\left(2\right)$

其中，

n，注入等离子体带的单位电荷量；

e，单位电荷；

T，注入时间。

大多数情况下，I_e、I_dis和I_si相对于其他部分较小，可以忽略，但是，有些情况下，当I_dis不能忽略时，采用偏压电流法测量PIII剂量更加困难。事实是，通常情况下，I_se比I_ion大一到两倍，甚至更多，并且I_se与基片材料，偏压电流的大小相关，因此，I_se的大小难以确定；同时，组成I_ion的离子不仅带有一种电荷量，还有多次电力的离子，即式(2)中的n并不唯一，所以，采用偏压电流法测得的PIII剂量并不是PIII的真实剂量数据，因而，难以根据偏压电流法的n_i对PIII的流程进行控制。

法拉第杯检测法与偏压电极检测法的本质相同，都是通过测量等离子体电流来测量PIII的剂量，所不同的是，偏压电极检测法将整个载物台作为电流测量探头，而法拉第杯检测法中有一个独立的工作腔室，注入的等离子体进入该工作腔室之后才被测量。

法拉第杯检测法的优点如下：

法拉第杯检测法能够利用独立的工作腔室消除偏压电流检测法中存在的位移电流和二次电流。

法拉第杯检测法的不足如下：

单法拉第杯检测法无法满足PIII均匀性检测的要求，也难以对PIII的流程进行控制。

现有的既可以对PIII剂量进行检测，有可以对PIII均匀性进行检测的方法包括二次离子质谱检测法和方阻检测法。

二次离子质谱检测法的优点在于，

二次离子质谱检测法既可以对PIII剂量进行检测，也可以对PIII均匀性进行检测。

二次离子质谱检测法的缺点在于，

1)二次离子质谱检测法昂贵且费时，特别是当PIII深度接近10nm量级时，二次离子质谱检测法的应用更加困难。

2)二次离子质谱检测法是一种非在线检测法。

方阻检测法是一种能够间接反映PIII剂量和均匀性的方法。

方阻检测法的缺点在于，

采用方阻检测法之前，需要对基片进行退火，所以，方阻检测法也不能用于在线对PIII剂量和均匀性进行检测。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置。

本实用新型提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置，包括工作腔室、气源、功率源、偏压源、真空系统、偏压电极、冷却系统；所述气源为所述工作腔室提供工作气体，所述功率源用于产生等离子体，所述偏压源用于偏置所述偏压电极，所述真空系统用于为所述工作腔室营造工作环境，所述冷却系统用于所述基片散热；

所述PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置还包括法拉第杯系统、信号检出系统、信号处理与控制系统和人机交互界面；

所述偏压电极上具有用于放置需要对其进行PIII的基片的区域，

所述偏压电极上于所述区域之内均匀地开设有至少两个第I种通孔，并且，所述偏压电极于所述区域之外还开设有至少一个第I种通孔，

所述法拉第杯系统布置于所述偏压电极上，所述法拉第杯的布置位置与所述第I种通孔的位置相对应，所述法拉第杯的开口的当量≥所述第I种通孔的当量；

所述PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置通过人机交互界面输入初始条件；

所述信号处理与控制系统接收来自人机交互界面的初始条件信号，并且，所述信号处理与控制系统将所述初始条件信号转化成相应终端部件的控制信号后传输给所述相应的终端部件；

所述相应终端部件接收所述控制信号，并根据所述控制信号进行动作；所述相应终端部件采集实时状态参数后将所述实时状态参数信号传输给所述信号处理与控制系统，其中，PIII剂量和均匀性通过所述法拉第杯系统由所述信号检出系统实时检出，所述信号检出系统将实时检出的PIII剂量和均匀性信号传输给所述信号处理与控制系统；

所述信号处理与控制系统能够根据所述初始条件信号、所述实时状态参数信号和所述PIII剂量和均匀性信号对PIII工艺流程进行控制；

并且，所述信号处理与控制系统能够将所述实时状态参数信号和所述PIII剂量和均匀性信号传输给所述人机交互界面。

作为优选，所述区域上还覆盖有覆盖基片，所述覆盖基片上开设有与所述区域上开设的第I种通孔相对应的第II种通孔，所述第II种通孔的当量≤所述第I种通孔的当量。

作为优选，所述第I种通孔呈环状或者十字状或者辐射状排布。

作为优选，所述覆盖基片的材料选自硅、碳化硅、石墨、铝、铝合金、不锈钢中的一种或者他们的复合物。

作为优选，所述信号检出系统独立存在。

作为优选，所述信号检出系统与所述法拉第杯系统集成为一体。

本实用新型提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置的有益效果在于：

本实用新型提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置能够实现在线检测PIII剂量和均匀性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置的结构中第一种偏压电极的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置的结构中第二种偏压电极的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置的结构中第一种覆盖基片的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的本实用新型实施例提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置的结构中第二种覆盖基片的结构示意图。

具体实施方式

为了深入了解本实用新型，下面结合附图及具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例一

参加附图1，本实用新型提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置包括工作腔室70、气源23、功率源、偏压源12、真空系统、偏压电极11、冷却系统17；气源23为工作腔室70提供工作气体，功率源用于产生等离子体，偏压源12用于偏置偏压电极11，真空系统用于为工作腔室70营造工作环境，冷却系统17用于基片40散热；

所述PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置还包括法拉第杯系统25、信号检出系统51和信号处理与控制系统52；

参见附图2和附图3，偏压电极11上具有用于放置需要对其进行PIII的基片40的区域41，

偏压电极11上于区域41之内均匀地开设有至少两个第I种通孔25a，并且，偏压电极11于区域41之外还开设有至少一个第I种通孔25b，

法拉第杯系统25布置于偏压电极11上，法拉第杯于的布置位置与第I种通孔25a和25b的位置相对应，法拉第杯的开口的当量≥第I种通孔25a或者25b的当量，

本实用新型提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置的工作原理如下：

首先，在区域41空载的情况下执行PIII工艺流程。通过人机交互界面输入初始条件；信号处理与控制系统52接收来自人机交互界面的初始条件信号，并且，将该初始条件信号转化成相应终端部件的控制信号62后传输给相应终端部件。相应终端部件接收该控制信号62后进行动作并采集初始实时状态参数信号，其中，PIII剂量和均匀性通过法拉第杯系统25由信号检出系统51实时检出。信号处理与控制系统52还接收初始实时状态参数信号和PIII剂量和均匀性信号，所述信号处理与控制系统52将所述初始实时状态参数和所述初始条件进行对比，当初始实时状态参数和初始条件的偏差达到容许范围内，并且，PIII剂量和均匀性达到限定的条件时，在区域41加载基片40，执行PIII工艺流程，信号处理与控制系统52接收来自人机交互界面的初始条件信号，并且，将该初始条件信号转化成相应终端部件的控制信号62后传输给相应终端部件。相应终端部件接收该控制信号62后进行动作并采集过程实时状态参数信号，其中，PIII剂量和均匀性通过法拉第杯系统25由信号检出系统51实时检出。信号处理与控制系统52还接收过程实时状态参数信号和PIII剂量和均匀性信号，信号处理与控制系统52能够根据初始条件信号、过程实时状态参数信号和PIII剂量和均匀性信号对PIII工艺流程进行控制，当过程实时状态参数与初始条件偏差较大和/或PIII剂量和均匀性与限定的条件偏差较大时，信号处理与控制系统52强行终止PIII工艺流程。并且，信号处理与控制系统52能够将实时状态参数信号和PIII剂量和均匀性信号传输给人机交互界面。

其中，参见附图2和附图3，区域41上开设的第I种通孔25a可以呈环状或者十字状或者辐射状排布。

其中，信号检出系统51可以独立存在。

其中，信号检出系统51可以与法拉第杯系统25集成为一体。

本实用新型实施例一提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置工作时，整个工作腔室壁10接地，真空泵16、18和尾气处理装置19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，被匀气装置30均匀后进入工作腔室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。基片40放置于偏压电极11的区域41上，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。PIII过程中，冷却系统17为基片40散热。法拉第杯系统25既是PIII工艺流程控制系统的组成部分，也为PIII剂量与均匀性信号检出系统51提供检出信号。

实施例二

与实施例一的不同之处在于：

区域41上还可以覆盖有覆盖基片42，从而能够在测量PIII剂量均匀性时保护处于区域41内的偏压电极不受等离子体轰击，覆盖基片42上开设有与区域41上开设的第I种通孔25a相对应的第II种通孔43，第II种通孔43的当量≤第I种通孔25a或者25b的当量，进行PIII时将覆盖基片42移除，将基片40放置在区域41上。

其中，覆盖基片42的材料可以选自硅、碳化硅、石墨、铝、铝合金、不锈钢中的一种或者他们的复合物。

本实用新型提供的PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置能够实现在线检测PIII剂量和均匀性。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置，包括工作腔室、气源、功率源、偏压源、真空系统、偏压电极、冷却系统；所述气源为所述工作腔室提供工作气体，所述功率源用于产生等离子体，所述偏压源用于偏置所述偏压电极，所述真空系统用于为所述工作腔室营造工作环境，所述冷却系统用于所述基片散热；

其特征在于，

还包括法拉第杯系统、信号检出系统、信号处理与控制系统和人机交互界面；

所述偏压电极上具有用于放置需要对其进行PIII的基片的区域，

所述偏压电极上于所述区域之内均匀地开设有至少两个第Ⅰ种通孔，并且，所述偏压电极于所述区域之外还开设有至少一个第Ⅰ种通孔，

所述法拉第杯系统布置于所述偏压电极上，所述法拉第杯的布置位置与所述第Ⅰ种通孔的位置相对应，所述法拉第杯的开口的当量≥所述第Ⅰ种通孔的当量；

所述PIII工艺流程控制和在线剂量、均匀性检测装置通过人机交互界面输入初始条件；

所述信号处理与控制系统接收来自人机交互界面的初始条件信号，并且，所述信号处理与控制系统将所述初始条件信号转化成相应终端部件的控制信号后传输给所述相应的终端部件；

所述相应终端部件接收所述控制信号，并根据所述控制信号进行动作；所述相应终端部件采集实时状态参数后将所述实时状态参数信号传输给所述信号处理与控制系统，其中，PIII剂量和均匀性通过所述法拉第杯系统由所述信号检 出系统实时检出，所述信号检出系统将实时检出的PIII剂量和均匀性信号传输给所述信号处理与控制系统；

所述信号处理与控制系统能够根据所述初始条件信号、所述实时状态参数信号和所述PIII剂量和均匀性信号对PIII工艺流程进行控制；

并且，所述信号处理与控制系统能够将所述实时状态参数信号和所述PIII剂量和均匀性信号传输给所述人机交互界面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述区域上还覆盖有覆盖基片，所述覆盖基片上开设有与所述区域上开设的第Ⅰ种通孔相对应的第Ⅱ种通孔，所述第Ⅱ种通孔的当量≤所述第Ⅰ种通孔的当量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第Ⅰ种通孔呈环状或者十字状或者辐射状排布。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号检出系统独立存在。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号检出系统与所述法拉第杯系统集成为一体。 

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