TWI469178B - 離子植入器及其操作方法 - Google Patents

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Description

離子植入器及其操作方法 【相關申請案互相參照】
本申請案主張在2012年3月23日提申的美國臨時專利申請案第61/614,564號的優先權，其所揭露的內容以引用方式併入本文。
本發明是有關於一種壓板，且特別是有關於一種壓板夾持表面監控。
離子植入是將導電率變動雜質(conductivity-altering impurity)引入到半導體晶圓中的標準技術。離子植入可藉由束線離子植入器或電漿摻雜植入器來進行。在束線離子植入器中，摻質氣體可在離子源中被離子化，且可從離子源提取離子並將離子加速以形成所需能量的離子束。然後離子束可被導向至由壓板所支撐的晶圓的前表面。晶圓可為半導體晶圓，且離子束中的高能離子嵌入於半導體晶圓的晶格中，以在後續的退火步驟後形成所需導電率的區域。電漿摻雜植入器將由壓板所支撐的晶圓設置於電漿腔室內。於電漿腔室中可產生電漿，且例如是藉由對晶圓及/ 或電漿腔室施予偏壓，以將來自電漿的離子朝著晶圓加速。
大部分的壓板為靜電夾盤(electrostatic chuck)，其利用靜電力將晶圓夾至壓板的夾持表面。由於離子束副產物的沈積物(例如是在一例子中，由於離子束撞到劑量法拉第杯(dose Faraday cup)一段很長的時間後而累積在夾持表面上的砷沈積)，壓板的夾持表面可能會隨時間變髒。
壓板的夾持表面上的沈積物對熱離子植入與熱植入來說是有相當問題性的。積體電路製造業者為了他們的下一代元件(例如鰭狀場效電晶體(FinFETs))發展正在實驗熱植入。一般在高於150℃的溫度下進行熱植入。有些熱植入在高於300℃下進行，其他熱植入在300℃與750℃之間進行。除了一般來自離子束的副產物的沈積物以外，有些沈積物更容易被吸引至熱的夾持表面。此外，在熱植入程序期間，在壓板的熱夾持表面上可發生熱活化反應，而產生另外的沈積物。微量的材料(諸如碳、氟、鎢、以及氫)可能出現在離子植入器中。此些材料可導致熱活化反應而在壓板的夾持表面上產生額外不希望的沈積物。其一實例為，從氣體前驅物中分解耐火金屬。另一實例為，從甲烷反應中分解碳。
在壓板的夾持表面上的沈積物的累積對壓板所提供的夾持力是具有不利影響的。沈積物可關閉固持住晶圓的靜電場。若壓板不乾淨，沈積物的累積可達過量而不慎造成晶圓掉落及晶圓破損。可使用將低能離子導向至壓板的夾持表面的濺射清洗程序來有效地清洗夾持表面。然而，因為在夾持表面上沈積物累積的 量與位置取決於許多變因，所以預計何時需要濺射清洗程序是困難的。此可能導致對用於濺射清洗的離子處理的過度干擾。此會劣化在既定時間區間內可處理的產能表現或晶圓數量，因此對物主的成本造成不利的影響。或者，若不夠經常清洗壓板，會存在晶圓掉落與破損之虞。此外，在離子植入器處理晶圓時，臨場監控沈積物的量是困難的。
因此，為了標示過量的沈積物累積，需要監控壓板表面的技術。
根據本揭示的一態樣，提供一種離子植入器。所述離子植入器包括：壓板，具有夾持表面，夾持表面經配置以支撐用於離子處理的晶圓，壓板亦具有在夾持表面下的至少一對電極；夾持電源，提供交流信號及代表交流信號的感測信號，交流信號被提供至至少一對電極；以及控制器。當無晶圓被夾至夾持表面時，控制器經配置以接收來自夾持電源的感測信號。控制器更經配置以監控感測信號，並判斷感測信號是否代表夾持表面上的沈積物超過預定的沈積物臨界。
根據本揭示的另一態樣，提供一種離子植入器的操作方法，包括：提供交流信號至具有夾持表面的壓板的至少一對電極；當無晶圓被夾至夾持表面時，監控代表交流信號的感測信號；以及當無晶圓被夾至夾持表面時，判斷感測信號是否代表夾持表面 上的沈積物超過預定的沈積物臨界。
100‧‧‧離子植入器
102‧‧‧離子源
104‧‧‧離子束
105‧‧‧終端站
106‧‧‧加熱器
110、210‧‧‧晶圓
112‧‧‧壓板
114‧‧‧夾持表面
118‧‧‧傾斜機構
120‧‧‧控制器
132‧‧‧機械臂
150‧‧‧沈積物
160、162‧‧‧電極
168‧‧‧頂部介電層
171‧‧‧電路
172‧‧‧電源
202、204、206‧‧‧突出部分
212‧‧‧壓板
214‧‧‧夾持表面
216‧‧‧沈積層
404‧‧‧平面
θ‧‧‧入射角
X‧‧‧X軸
Y‧‧‧Y軸
Z‧‧‧Z軸
為了更加了解本發明，參考以引用方式併入本文的附圖。
圖1為依據一實施例離子植入器的示意圖。
圖2A為無晶圓存在時，壓板的乾淨夾持表面的部分剖面放大圖。
圖2B為有晶圓存在時，圖2A中的壓板的乾淨夾持表面的部分剖面放大圖。
圖2C為無晶圓存在時，圖2A中壓板的髒的夾持表面的部分剖面放大圖。
圖3為由圖1的夾持電源所提供的交流信號的電流對時間的曲線圖。
圖4為圖1的離子植入器的部分剖面圖，其被定向於濺射清洗程序的入射角。
參考圖1，繪示離子植入器100的方塊圖。離子植入器100包括離子源102、終端站105、及控制器120。終端站105可包括壓板112、夾持電源172、機械臂132、傾斜機構118、以及加熱器106。離子源102經配置以產生離子束104。在離子源102與壓板112之間，離子植入器100可包括所屬技術領域之通常知 識者所熟知的其他束線組件，從而在離子束104被導向至由壓板112所支撐的晶圓110的前表面時操控離子束104。為了方便說明，晶圓110繪示為虛像並稍微遠離壓板112的夾持表面114。所屬技術領域之通常知識者理解的是，在操作期間，晶圓110與夾持表面114緊密接觸。晶圓110可為具有直徑為300毫米(mm)或為其他尺寸的圓盤狀的半導體晶圓。壓板112的夾持表面114可具有相似的圓盤狀以支撐晶圓110。
本領域中所熟知的是，離子束104可為帶狀束(ribbon beam)或為點狀束(spot beam)。藉由離子束的移動、晶圓的移動、或兩者的結合，離子束104可分散遍及晶圓110的整個前表面。在一實施例中，離子束104可為具有近似矩形的截面形狀的帶狀束。帶狀束的長邊可比短邊長至少三倍。晶圓可在與帶狀束的長邊正交的方向上被機械式驅動，以將帶狀束分散至遍及晶圓的110的整個前表面。
終端站105包括壓板112。壓板112為具有形成夾持表面114的頂部介電層168的靜電夾盤。壓板112亦具有在夾持表面114下的至少一對電極160、162。在一些實施例中，壓板總共包括三對電極或六個電極。夾持電源172經配置以提供交流(AC)信號至電極160、162，以產生靜電力來確保晶圓100在壓板112的夾持表面114上。交流信號為在循環區間內反轉方向的電流。交流信號的實例包括方波信號、正弦波信號、或類方波信號。有益地說，夾持電源172亦包括電路171，電路171經配置以提供代表 交流信號的感測信號。
終端站105亦可包括自動化晶圓處理裝置，其用於將晶圓引導至壓板112，並從壓板112移除晶圓。自動化晶圓處理裝置可包括機械臂132以促進晶圓對壓板112的來回移動。自動化晶圓處理裝置必要時亦可包括額外的機械臂，以促進晶圓從大氣環境下經由承載室(load lock)移動至壓板112，並在離子處理後離開承載室回到大氣環境。
傾斜機構118經配置以將壓板112相對於離子束104傾斜。在一實施例中，傾斜機構118可將壓板112相對於兩正交軸傾斜。旋轉壓板或轉動平台(roplat)可經裝設以具備此能力。
終端站105亦可包括加熱器106，加熱器106經配置以加熱用於熱植入的晶圓110。加熱器106可在壓板112外部，且在晶圓110最接近加熱器時，加熱器106可對位於壓板上的晶圓110直接提供熱。例如，加熱器106可包括一個或多個的燈以對用於熱植入的晶圓提供熱。或者，加熱器106(諸如加熱元件或熱跟蹤(heat trace))可位於壓板112內。無論加熱器106位於壓板112的內部或外部(或使用兩者)，加熱器106經配置以使得熱植入的溫度能夠高於150℃。加熱器106亦經配置以使得熱植入的晶圓溫度能夠高於300℃(包括300℃與750℃之間)。
控制器120可為或包括一般用途的電腦或一般用途的電腦的網路，所述一般用途的電腦可進行程式以執行所希望的輸入/輸出功能。控制器120亦可包括其他電子電路或組件，諸如特定 應用積體電路(application specific integrated circuit)、其它硬體連接(hardwired)或可程式化電子裝置、分立元件電路(discrete element circuit)等。控制器120亦可包括通訊裝置、資料儲存裝置及軟體。控制器120可接收來自不同系統與組件(諸如夾持電源172、機械臂132、傾斜機構118、加熱器106、及離子源102)的輸入信號並提供輸出信號至各組件以對其控制。
在操作中，用於離子束104的處理，多個晶圓可被循環地來回於壓板112。在接替將要經離子束104處理的晶圓期間，沒有任何晶圓被夾持至壓板112。隨著時間的推移，沈積物150可能會累積在壓板112的夾持表面114上。僅為了清楚說明，在圖1以誇張尺寸與形狀表示沈積物150。沈積物150可能會均勻地或較通常不均勻地累積在夾持表面114上。此些沈積物150可能是由離子束的副產物所造成的，例如砷的沈積。當進行熱植入程序時，因為有些沈積物更容易被吸引至熱的夾持表面，沈積物150的量及其累積的速率會加劇。此外，在熱的夾持表面上可發生熱活化反應而產生另外的沈積物。微量的材料(諸如碳、氟、鎢、以及氫)可出現在離子植入器100中。此些材料可導致熱活化反應而在壓板112的夾持表面114上產生額外不希望的沈積物。
有益地說，經由電路171的夾持電源172經配置以提供感測信號至控制器120，控制器120代表提供至一對電極160、162的交流信號。控制器120經配置以接收來自夾持電源172的感測信號並監控該感測信號以判斷感測信號是否代表夾持表面114上 的沈積物超過一預定臨界。
參考圖2A，繪示無晶圓及無明顯沈積物的乾淨夾持表面時的壓板212(與圖1的壓板112相符)的夾持表面214的部分剖面放大圖。此圖亦繪示三個突出部分202、204、206或高度為5-7微米的高台(mesa)。無此突出部分的其他夾持表面可具有粗糙的紋理(texture)。圖2B繪示相同於圖2A的乾淨的夾持表面的部分剖面放大圖，但現在晶圓210在夾持位置，所以下方的被夾持的晶圓210停留在突出部分202、204、206的上表面。最後，圖2C繪示之與圖2A相同的部分的剖面放大圖，其具有無晶圓及髒的夾持表面214。在此實例中，沈積物已在夾持表面214上形成沈積層216。
在圖2A的無晶圓且乾淨的夾持表面的條件下，由夾持電源172提供至電極160、162的交流信號可能會具有極微小的峰間幅值(peak to peak amplitude)。在圖2B的夾持晶圓的情形下，交流信號的峰間幅值可為圖2A的極微小的峰間幅值的約6至7倍。最後，在圖2C的無晶圓且髒的夾持表面的條件下，交流信號的峰間幅值可大於圖2A的極微小值但小於具有晶圓的圖2B的值。在一實例中，在已發現發生晶圓掉落與破損之前，圖2A中電流幅值可接近2毫安培(mA)，圖2B接近13mA，圖2C最高接近8mA。
包括導體與半導體沈積物的沈積物或沈積層216有效作為一種被夾持的半導體晶圓的型態，相較於下方實際被夾持的晶圓210而言，上述被夾持的半導體晶圓的型態更接近電極160、 162。沈積物216有效形成改變壓板214電容的擬準層(quasi-layer)或板料(plate)。因此，無晶圓的峰間電流幅值傾向依沈積物216的累積比例增加。可將120°交流信號供應至三階段系統(三個電極對或六個總電極)的每一階段，以使得各階段彼此區隔。若沈積物均勻地累積在夾持表面214上，三個階段中的晶圓截止電流等量增加。若沈積物不均勻地累積(此為較可能的情形)，各階段中的晶圓截止電流會彼此不同以提供不均勻沈積物及/或過量沈積物的累積的指示。
參考圖3，由夾持電源172所提供的交流信號的峰間電流(mA)對時間的曲線圖，其被繪示為在晶圓夾持時間區間之間發生的多個晶圓截止時間區間。在時間(t0)與(t1)之間，如圖2A所示，沒有晶圓存在且壓板212的夾持表面214是乾淨的。交流信號的幅值可為極微小值(I1)或約2mA。在時間(t1)與(t2)之間，第一晶圓被夾至夾持表面，且交流信號的幅值可上升至值(I3)或約13mA。在時間(t2)與(t3)之間，再次沒有晶圓存在，且可觀察到無晶圓的電流幅值很輕微地上升比(I1)稍微高。持續此程序直到最終時間(t6)，無晶圓下的交流信號的電流位準會超過預定的幅值臨界(I2)。
可選定預定的幅值臨界(I2)，以使得在諸如時間(t6)的晶圓截止時間區間，預定的幅值臨界被超過時，控制器120會判斷來自夾持電源172的感測信號代表夾持表面上的沈積物超過預定的沈積物臨界。在一實施例中，可選定預定的幅值臨界(I2)為 2.5mA。相對應地，控制器120可採取校正動作。校正動作可包括啟始夾持表面的濺射清洗(sputter clean)程序(此處更詳細如圖4所示)。校正動作亦可包括避免其他晶圓被夾至壓板112的自動終止操作。直到夾持表面被充分清洗為止，控制器120可控制機械臂132以避免機械臂將其他晶圓置於壓板上。在此方面，可大幅減小晶圓掉落及晶圓刮傷的可能性。或者，當開始清除程序時，控制器120可謹慎地發佈警告並提供離子植入器的操作子。
控制器120亦可將經過一時間區間後的交流信號的電流位準的幅值增加速率與預定的速率臨界做比較。換言之，預定的幅值臨界(I2)可能不會被晶圓的截止電流的位準超過，但若電流位準的增加的速率大到足以超過預定的速率臨界，會促使控制器120採取校正動作。
圖4繪示藉由控制器120回應感測信號代表夾持表面上的沈積物超過預定的沈積物臨界所啟始的濺射清洗程序。控制器120命令傾斜機構118去傾斜壓板112以達到相對於特定低能離子束104的路徑的所希望的入射角θ。
為了有助於描述入射角θ，可定義卡式座標(Cartesian coordinate)系，將離子束104的路徑定義為Z軸。Z軸貫穿一正交的平面。X軸為此平面的橫軸。Y軸垂直於X軸，且為平面的縱軸。如圖4所示，藉由傾斜機構118繞著X軸將壓板112傾斜，在所屬技術領域中有時稱為「X軸傾角(X-tilt)」。如圖4所示，入射角θ可被定義為平面404(由壓板112的夾持表面114來定義) 與Y軸之間的角度。
入射角θ可在小於90º而大於40°的範圍內以增加濺射率。在一實施例中，入射角θ可為70º。在濺射清洗程序的期間，用於壓板112的掃描撞擊壓板112的整個夾持表面114。在一實施例中，離子植入器100可提供低能(約5keV)的氬離子(Ar+ )束，其具有約5至15mA的離子束電流。
控制器120亦可藉由分析感測信號(代表無晶圓的電流位準的幅值)來監控在濺射清洗程序期間的沈積物的移除速率。在此方面，可比較及對照不同離子束種類的效果。此外，若移除速率為已知，控制器120可執行計算以確定總預計的清洗時間。如此一來，可減小對離子植入器的產率的影響。
因此，已經提供具有控制器的離子植入器，所述控制器藉由監控交流信號的幅值來監控壓板的夾持表面的狀況，所述交流信號在無晶圓被夾至壓板時被供應至壓板的電極。在無晶圓下交流信號的幅值的增加表示累積的沈積物。最後，若沈積物累積量過量時，會拖累壓板的夾持能力。控制器能將無晶圓下的交流信號的幅值與預定的幅值臨界(被選來減小夾持失誤的機會)做比較。此使夾持表面的狀況在不影響離子植入器產率的離子植入期間能被臨場監控。此外，還提供預估能力來判斷何時必須採取校正動作以減少清洗中斷的次數，以及當必須減小晶圓掉落與破損情況時，亦確保清洗仍能進行。校正動作可包括自動開始濺射清洗程序及中止其他晶圓的離子處理，直到清洗完全為止。此特 別有助於比室溫植入更易於累積沈積物的熱植入。
本揭示不受限於本文所述的具體實施例的範圍。當然，除了本文所述，本揭示的其他各種實施例及修正對所屬領域中的通常知識者而言，透過前文所述與隨附圖式為顯而易見。因此，其他實施例及修正落入本揭示的範圍內。進而，雖然在用於特定目的的特定情形下的特定實施方式的內文中已描述本揭示，所屬領域中的通常知識者將理解其用途不限於此，且在用於任何目的的任何情形下可有效地實施本揭示。
100‧‧‧離子植入器
102‧‧‧離子源
104‧‧‧離子束
105‧‧‧終端站
106‧‧‧加熱器
110‧‧‧晶圓
112‧‧‧壓板
114‧‧‧夾持表面
118‧‧‧傾斜機構
120‧‧‧控制器
132‧‧‧機械臂
150‧‧‧沈積物
160、162‧‧‧電極
168‧‧‧頂部介電層
171‧‧‧電路
172‧‧‧電源

Claims (17)

  1. 一種離子植入器，包括：壓板，具有夾持表面，所述夾持表面經配置以支撐用於離子處理的晶圓，所述壓板亦具有在所述夾持表面下的至少一對電極；夾持電源，經配置以提供交流信號以及代表所述交流信號的感測信號，所述交流信號被提供至所述至少一對電極；以及控制器，當無晶圓被夾至所述夾持表面時，所述控制器經配置以接收來自所述夾持電源的所述感測信號，所述控制器更經配置以監控所述感測信號並判斷所述感測信號是否代表所述夾持表面上的沈積物超過預定的沈積物臨界。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的離子植入器，其中當無晶圓被夾至所述夾持表面時，所述控制器更經配置以藉由分析所述交流信號的電流位準的幅值是否超過預定的幅值臨界，來判斷所述感測信號是否代表所述夾持表面上的所述沈積物超過所述預定的沈積物臨界。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的離子植入器，其中峰與峰之間的所述預定的幅值臨界為2.5mA。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的離子植入器，其中所述控制器更經配置以在所述交流信號的幅值超過所述預定的幅值臨界時，啟始所述壓板的所述夾持表面的濺射清洗程序。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的離子植入器，其中所述控制 器更經配置以防止其他晶圓被夾至所述夾持表面，直到所述交流信號的幅值低於所述預定的幅值臨界為止。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的離子植入器，其中所述控制器更經配置以藉由分析經過一時間區間後的所述交流信號的電流位準的幅值增加速率是否超過預定的速率臨界來判斷所述感測信號是否代表所述夾持表面上的所述沈積物超過所述預定的沈積物臨界。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的離子植入器，其中所述時間區間包括在晶圓夾持時間區間之間發生的多個晶圓截止時間區間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的離子植入器，其中所述交流信號包括方波信號。
  9. 一種離子植入器的操作方法，包括：提供交流信號至具有夾持表面的壓板的至少一對電極：當無晶圓被夾至所述夾持表面時，監控代表所述交流信號的感測信號；以及當無晶圓被夾至所述夾持表面時，判斷所述感測信號是否代表所述夾持表面上的沈積物超過預定的沈積物臨界。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的離子植入器的操作方法，更包括當無晶圓被夾至所述夾持表面時，比較交流信號的電流位準的幅值與所述預定的幅值臨界，以判斷所述感測信號是否代表所述夾持表面上的所述沈積物超過所述預定的沈積物臨界。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入器的操作方法，其中交流信號的幅值大於所述預定的幅值臨界時，所述感測信號代表所述夾持表面上的所述沈積物超過所述預定的沈積物臨界。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入器的操作方法，其中所述交流信號的幅值小於所述預定的幅值臨界時，所述感測信號代表所述夾持表面上的所述沈積物小於所述預定的沈積物臨界。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入器的操作方法，其中峰與峰之間的所述預定的幅值臨界為2.5mA。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入器的操作方法，更包括在所述交流信號的幅值大於所述預定的幅值臨界時，啟始所述壓板的所述夾持表面的濺射清洗程序。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的離子植入器的操作方法，更包括在所述濺射清洗程序期間監控所述感測信號，且使所述感測信號與所述沈積物的移除速率相關。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的離子植入器的操作方法，更包括對應於所述移除速率來計算預計的清洗時間。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的離子植入器的操作方法，更包括防止晶圓被夾至所述夾持表面，直到所述交流信號的幅值小於所述預定的幅值臨界為止。
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