一种用于等离子体浸没注入剂量检测的法拉第装置 技术领域 本发明涉及半导体掺杂技术领域， 尤其涉及一种用于等离子体浸没注入剂量检测 的法拉第装置。
背景技术 在半导体工艺中， 主流的杂质掺杂技术都采用离子注入技术 ( 也称为束线离子注 入 )， 这种方法是由离子源产生等离子体， 再通过质谱分析将所需的离子组分提取出来， 对 离子加速到一定能量并注入到半导体基片中 ( 如硅片 )。这种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。因而近年提出了新型的等离子体浸没注入技术来避免以上问题。
等离子体浸没注入中将半导体基片放置在作为阴极的电极上， 并在该电极上加负 偏压。向注入系统工作腔室内引入需要的气体， 并对系统加功率源， 通过感性耦合、 容性耦 合等放电方法使被引入腔室的气体起辉， 形成等离子体。 由于在阴极上加有负偏压， 这样在 基片附近就会有负偏压鞘层存在。在此鞘层的高电压加速下， 鞘层中的正离子会穿过鞘层 并注入到基片中。该方法具有如下优点 ：
1)、 无需从离子源中抽取离子、 对离子进行质谱分析和线性加速， 使得注入设备的 结构大为简化， 节省大量成本 ；
2)、 该技术采用鞘层加速机理， 注入过程为整片注入， 与基片尺寸无关， 所以该技 术产率极高。
因此， 等离子体浸没注入是一种非常有希望取代束线离子注入的下一代注入技 术。
在任何带电粒子流的工艺设备中， 注入粒子的剂量检测都是一项非常关键的技 术， 通常都采用法拉第杯 ( 或称为法拉第筒 ) 的形式， 依靠它的实时检测， 可以确定束流大 小、 注入时间， 可以对工艺进行完全的控制， 保证设备运行的可靠性和稳定性。
离子束线注入可以通过法拉第杯对注入离子的剂量与分布进行精确的控制， 然而 等离子体浸没注入中的法拉第杯需要与基片同时连接负偏压， 因此离子剂量检测与控制要 比离子束注入的剂量检测要复杂的多。其复杂性体主要现在以下几个方面 ：
1)、 等离子体浸没注入中法拉第杯所处的环境复杂。法拉第杯口与基片同处于等 离子体环境， 同时法拉第还处于阴电级上负偏压所形成的强电场环境中。这样的环境对法 拉第杯检测结果有严重的影响。
2)、 等离子体浸没注入中法拉第杯检测是实时的原位检测， 法拉第杯要经受长时 间的离子轰击， 溅射出大量的二次粒子， 这些粒子影响等离子体的均匀、 污染基片。
基于上述， 等离子体浸没注入中剂量检测需要采用新型结构的法拉第杯才能实 现。
发明内容 ( 一 ) 要解决的技术问题
有鉴于此， 本发明的主要目的在于提供一种用于等离子体浸没注入技术中剂量检 测的法拉第杯装置， 以实现对外界干扰的屏蔽， 并且使法拉第杯的引入对等离子体和基片 的影响最小， 从而提高法拉第检测结果的精确度。
( 二 ) 技术方案
为达到上述目的， 本发明提供了一种用于等离子体浸没注入剂量检测的法拉第装 置， 该装置包括一个用于将收集到的离子流转化成电信号的法拉第杯 40 和一个为该法拉 第杯安装提供支撑的保护环 33。
上述方案中， 所述法拉第杯 40 由杯身和杯口构成， 杯身具有三层结构， 在电性上 分别是外导电层 44、 杯身绝缘层 43 和内导电层 42， 外导电层 44 用于屏蔽， 杯身绝缘层 43 用于隔离内导电层和外导电层， 内导电层 42 用于收集信号 ； 杯口具有三层结构， 在电性上 分别是上导电层 80a、 杯口绝缘层 80b 和下导电层 80c， 上导电层 80a 用于接负偏压， 杯口绝 缘层 80b 用于隔离上导电层和下导电层， 下导电层 80c 用于收集从法拉第杯 40 内部跑到杯 口的二次电子。
上述方案中， 所述内导电层 42 的材料是铝、 不锈钢、 石墨， 或者是铝、 不锈钢和石 墨的任意组合 ； 所述外导电层 44 的材料是铝、 不锈钢， 或者是铝和不锈钢的任意组合 ； 所述 杯身绝缘层 43 的材料是聚四氟乙烯、 石英或陶瓷。
上述方案中， 所述杯口具有的三层结构是三片分立的块材， 或者是一片在绝缘层 两面分别镀有导电层的块材。
上述方案中， 所述上导电层 80a 的材料是碳化硅或石墨 ； 所述杯口绝缘层 80b 的材 料是铝、 不锈钢， 或者是铝和不锈钢的任意组合 ； 所述下导电层 80c 的材料是碳化硅或石墨。
上述方案中， 所述杯口进一步开有多个通孔， 用于使离子能够进入法拉第杯。 所述 通孔是圆孔或狭缝， 通孔的排布是规则均匀排布或者是不规则无序排布。
上述方案中， 所述保护环 33 为环状， 其上开有与法拉第杯的杯口相同形状的孔。 所述保护环 33 的材料是铝、 不锈钢， 或者是铝和不锈钢的任意组合。
( 三 ) 有益效果
本发明具有如下的优点 ：
1、 法拉第杯对外界电磁场采取了屏蔽， 可以有效减小外界环境对法拉第杯检测结 果的影响。
2、 法拉第杯的杯口与基座同偏压， 法拉第杯上部的等离子体状态更接近基座上部 的等离子体状态， 因而法拉第杯的检测结果更接近真实结果， 同时法拉第杯的引入对等离 子体的均匀性影响最小。
3、 法拉第装置的结构简单， 在提高检测精度上没有引入额外的电磁场， 这就给法 拉第装置的实现提供了便利、 法拉第杯易于安装调换。
附图说明
图 1 是等离子体浸没注入系统的示意图 ；图 2 是本发明提供的用于等离子体浸没注入剂量检测的法拉第装置的示意图 ； 图 3 是本发明提供的法拉第杯装置的剖面图 ； 图 4 是本发明提供的法拉第杯的杯口剖面图 ； 图 5 是本发明提供的法拉第杯的杯口顶视图 ； 图 6 是本发明提供的保护环的顶视图。具体实施方式
为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 以下结合具体实施例， 并参照 附图， 对本发明进一步详细说明。
现结合附图对一个实施例进行说明， 以便对本发明有详细的理解， 但不作为对本 发明的限定， 同时附图中的大小不作为具体实施的尺寸大小。然而对本发明任何显而易见 的修改， 重新组合或非本质的变动都视为本发明所附权利要求的保护范围。示意图的标号 具有一致性， 对相同的结构用同一个标号。
图 1 是本发明提供的等离子体浸没注入系统的示意图。 12 是等离子体浸没注入工 作腔室， 位于腔室内的基座 32 用于为半导体基片 31( 如硅片 ) 提供支撑。负偏压电源 70 加到下电极 50 上， 在电性上， 下电极 50 与基座 32 是相连的， 从而可以给基片 31 提供偏压。 下电极 50 可以上下移动来调整基座与基片的高度以便使工艺达到最佳状态。
在系统工作时， 给线圈 11 加上射频功率源， 通过感性耦合的方式将功率耦合给通 入腔室 12 中的工作气体， 工作气体便会起辉并在腔室内形成等离子体 20。 等离子体在基片 31 附近形成鞘层， 鞘层中的正离子在负偏压的加速下穿过鞘层注入基片 31 中。基座 31 边 上是给法拉第杯 40 提供安装支撑的保护环 33。法拉第杯的纵剖面图如图 3， 保护环 33 的 顶视图如图 6。等离子体 20 鞘层中的正离子注入基片 31 时， 也会通过保护环 33 上的通孔 35( 图 6 中所示 ) 进入中空的法拉第杯 40 中。正离子进入法拉第杯 40 后， 被转化成电信号 送给后续处理模块 60 进行处理， 为工艺过程提供控制信号。
如图 2 所示， 图 2 是本发明提供的用于等离子体浸没注入剂量检测的法拉第装置 的示意图， 该装置包括一个用于将收集到的离子流转化成电信号的法拉第杯 40 和一个为 该法拉第杯安装提供支撑的保护环 33。
法拉第杯 40 由杯身和杯口构成， 杯身具有三层结构， 在电性上分别是外导电层 44、 杯身绝缘层 43 和内导电层 42， 外导电层 44 用于屏蔽， 杯身绝缘层 43 用于隔离内导电 层和外导电层， 内导电层 42 用于收集信号 ； 杯口具有三层结构， 在电性上分别是上导电层 80a、 杯口绝缘层 80b 和下导电层 80c， 上导电层 80a 用于接负偏压， 杯口绝缘层 80b 用于隔 离上导电层和下导电层， 内导电层 80c 用于收集从法拉第杯 40 内部跑到杯口的二次电子。
内导电层 42 的材料是铝、 不锈钢、 石墨， 或者是铝、 不锈钢和石墨的任意组合。外 导电层 44 的材料是铝、 不锈钢， 或者是铝和不锈钢的任意组合。杯身绝缘层 43 的材料是聚 四氟乙烯、 石英或陶瓷。
杯口具有的三层结构是三片分立的块材， 或者是一片在绝缘层两面分别镀有导电 层的块材。上导电层 80a 的材料是碳化硅或石墨 ； 杯口绝缘层 80b 的材料是铝、 不锈钢， 或 者是铝和不锈钢的任意组合 ； 下导电层 80c 的材料是碳化硅或石墨。杯口进一步开有多个 通孔， 用于使离子能够进入法拉第杯。 通孔是圆孔或狭缝， 通孔的排布是规则均匀排布或者是不规则无序排布。
保护环 33 为环状， 其上开有与法拉第杯的杯口相同形状的孔。保护环 33 的材料 是铝、 不锈钢， 或者是铝和不锈钢的任意组合。
如图 6 所示， 图 6 是为法拉第杯 40 提供安装支撑的保护环 33。保护环 33 位于图 1 中基座 32 的周围， 且保护环 33 的环面与基片 31 面齐平。保护环 33 的材料是铝、 不锈钢 或上述材料的组合。
为了使等离子均匀、 法拉第杯 40 的装入对等离子体影响减到最小且法拉第检测 到的剂量可以更精确地代表注入基片 31 的离子量， 保护环 33 可以接负高偏压， 偏压值和频 率可以和基片 31 上相同， 也可以不同。
由于保护环 33 会一直暴露在等离子体的轰击之下， 为减小保护环 33 因轰击而引 起的溅射对工艺的污染， 保护环 33 表面可以镀一层低溅射率的材料或对工艺污染小的材 料如碳化硅 (SiC)。
35 是法拉第杯 40 通孔， 通孔 35 也可以是方形或其他的几何形状， 这可以根据法拉 第杯 40 的杯口形状来确定。本实施例中的法拉第杯口是圆形的。保护环 33 上的通孔 35 不一定仅仅是四个， 也可以两个或者更多， 相对应的也就会有两个或更多的法拉第杯 40。 本 实施例中的法拉第杯 40 数目是四个， 更多的法拉第杯 40 数目可以通过取各个法拉第检测 结果平均的方法使检测结果更精确， 同时均匀分布的多个法拉第杯可以用来监测等离子体 的均匀性。 法拉第杯 40 的纵剖面如图 3 所示。本实施例中法拉第杯是圆柱形杯状结构， 实际 的法拉第可以是其他的形状。42 是法拉第杯的导电内壁， 其材料是铝或者不锈钢， 本实施 例中导电内壁是一个中空的圆柱。 为减小离子轰击内壁产生大量的二次电子而影响检测的 结果， 可以在内壁 42 上镀上一层低二次电子发射率的材料如石墨， 图中 41 代表的就是这层 材料， 同样也可以将 41 与 42 用一种材料来代替， 只要达到上述目的即可。43 是绝缘层， 本 实施例中是一个敞口有底的圆柱形， 材料可以是聚四氟乙烯、 石英、 陶瓷。44 是由导电的材 料做成， 其形状与 43 一样。45 是一低二次电子发射率的块材如石墨， 本实施例中是石墨圆 片， 电性上与杯内壁 41 相连。其中信号可以从杯底引出也可以从其它方便的位置引出， 图 中未标出具体的位置。
法拉第杯壁也可能是更多层， 但从内到外电性上看是导电绝缘导电的三层结构。 其中内层的导电层是为了收集信号用的， 绝缘层将内外两层在电性上隔开， 外层用于屏蔽。 具体的每层结构可以再改， 如可以在内层或外层的导电层中加入冷却装置如循环水冷却装 置或者循环氦气冷却装置， 但整体在电性上这种三层结构不变。
80 是法拉第杯 40 的杯口或者叫杯盖、 杯顶， 杯口 80 的纵面图如图 4 所示， 杯口 80 的顶视图如图 5 所示。图 4 中 81 是离子进入法拉第杯的通孔， 与图 5 中的 81 是相同的。通 孔 81 的作用是减小杯内二次电子逸出法拉第杯的几率使检测更精确。图 5 中的通孔 81 的 数目只是示意性的， 并不仅仅是 5 个， 可以很多 ； 通孔的排列方式是成列的， 可以是均匀的， 可以是对称的， 也可以是无序的 ； 通孔的形状也不仅仅就是圆孔， 也可以是狭缝且狭缝的排 列可以有序也可以无序。
图 4 中 80a 是低溅射率层， 这一层的结构与作用和保护环 33 的表面相似 ； 80b 是 绝缘层 80c 是导电层， 在电性上与图 3 中杯内壁 42 相连。上述的法拉第杯杯口的三层结构
可以分立的三层， 也可以是一体的如可以通过在一层材料两面分别镀上两种导电材料来实 现。
以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 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， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明， 凡 在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保 护范围之内。