离子注入的测量方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201510345847.8

申请日:

2015.06.18

公开号:

CN106324654A

公开日:

2017.01.11

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情:

实质审查的生效IPC(主分类):G01T 1/29申请日:20150618|||公开

IPC分类号:

G01T1/29; H01J37/317

主分类号:

G01T1/29

申请人:

中芯国际集成电路制造(上海)有限公司

发明人:

肖志强

地址:

201203 上海市浦东新区张江路18号

优先权:

专利代理机构:

北京市磐华律师事务所 11336

代理人:

董巍;高伟

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内容摘要

本发明提供一种离子注入的测量方法,包括:提供离子注入系统,在离子注入系统的离子束输出端设置有至少一组堆叠法拉第杯;使用堆叠法拉第杯在垂直于离子束入射方向的第一平面上进行第一二维离子束分布测量,以获得第一平面上的离子束分布的第一质心点;在垂直于离子束入射方向的第二平面确定离子束分布的第一质心点的投影点,其中第二平面与第一平面具有沿离子束入射方向的第一距离;使用堆叠法拉第杯在第二平面上进行第二二维离子束分布测量,以获得第二平面上的离子束分布的第二质心点;根据第一质心点的投影点与第二质心点的位置和第一距离计算所述离子束的入射角度。本发明提供的离子注入的测量方法能够在对离子束的入射角度进行测量的同时给出水平和竖直方向的离子束入射角度,有利于简化测量过程,并更加精确地测量离子注入特性

权利要求书

1.一种离子注入的测量方法,包括:
步骤1:提供离子注入系统,在所述离子注入系统的离子束输出
端设置有至少一组堆叠法拉第杯;
步骤2:使用所述堆叠法拉第杯在垂直于所述离子束入射方向的
第一平面上进行第一二维离子束分布测量,以获得所述第一平面上的
离子束分布的第一质心点;
步骤3:在垂直于所述离子束入射方向的第二平面确定所述离子
束分布的所述第一质心点的投影点,其中所述第二平面与所述第一平
面具有沿离子束入射方向的第一距离;
步骤4:使用所述堆叠法拉第杯在所述第二平面上进行第二二维
离子束分布测量,以获得所述第二平面上的离子束分布的第二质心
点;
步骤5:根据所述第一质心点的投影点与所述第二质心点的位置
和所述第一距离计算所述离子束的入射角度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述堆叠法拉第
杯的开口朝向所述离子束的入射方向。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括建立以所
述离子束入射方向为Z轴方向的三维直角坐标系,使所述第一质心点
的投影点与所述第二质心点位于所述三维直角坐标系的X-Y坐标面。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述堆叠法拉第
杯由沿Y轴或X轴排列的一组法拉第杯构成。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述法拉第杯连
接有电流测量装置。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一二维离
子束测量和所述第二二维离子束测量包括,所述堆叠法拉第杯沿X
轴或Y轴平移第二距离。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述离子注入系
统还包括目标靶,用以作为离子注入的受体,所述第二距离的长度大
于所述目标靶的直径。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述第一质心
点和所述第二质心点处测得的电流最大。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述离子束在X
轴方向的入射角度根据所述第一质心点的投影点与所述第二质心点
的X轴坐标分量差值和第一距离计算。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述离子束在Y
轴方向的入射角度根据所述第一质心点的投影点与所述第二质心点
的Y轴坐标分量差值和第一距离计算。

说明书

离子注入的测量方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺设备技术领域,具体而言涉及一种离子注
入的测量方法。

背景技术

早在20世纪60年代,离子注入技术就应用在半导体器件的生产
上。离子注入技术就是将某种元素的原子进行电离,并使其在电场中
加速,获得较高的速度后射入固体材料的表面,以改变材料表面的物
理或者化学性能的一种技术。随着半导体工业的进步,半导体器件的
特征尺寸和深度不断缩小,器件的阈值电压会随着离子注入的角度改
变而呈现明显变化。因此,为了保证半导体器件性能的稳定性,在对
其进行离子注入时要严格控制离子注入的角度。

在现有工艺中,对离子注入角度进行控制时,通常需要借助系统
进行沿X轴或沿Y轴的测量,即分别对横向和纵向的注入角度进行
测量。然而,离子注入实际上包括X方向、Y方向、Z方向的位移以
及分别沿X、Y、Z轴入射的角度。此外,在现有技术中,当需要对
除X轴方向和Y轴方向以外的方向进行入射角度的测量和计算时,
需要借助其他装置进行。鉴于此,有必要设计一种新的离子注入的测
量方法,用以简化测量过程,并更加精确地测量离子注入特性。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明提供了一种离子注入的测量方法,
包括:步骤1:提供离子注入系统,在所述离子注入系统的离子束输
出端设置有至少一组堆叠法拉第杯;步骤2:使用所述堆叠法拉第杯
在垂直于所述离子束入射方向的第一平面上进行第一二维离子束分
布测量,以获得所述第一平面上的离子束分布的第一质心点;步骤3:
在垂直于所述离子束入射方向的第二平面确定所述离子束分布的所
述第一质心点的投影点,其中所述第二平面与所述第一平面具有沿离
子束入射方向的第一距离;步骤4:使用所述堆叠法拉第杯在所述第
二平面上进行第二二维离子束分布测量,以获得所述第二平面上的离
子束分布的第二质心点;步骤5:根据所述第一质心点的投影点与所
述第二质心点的位置和所述第一距离计算所述离子束的入射角度。

其中,所述堆叠法拉第杯的开口朝向所述离子束的入射方向。

其中,还包括建立以所述离子束入射方向为Z轴方向的三维直角
坐标系,使所述第一质心点的投影点与所述第二质心点位于所述三维
直角坐标系的X-Y坐标面。

其中,所述堆叠法拉第杯由沿Y轴或X轴排列的一组法拉第杯
构成。

其中,所述法拉第杯连接有电流测量装置。

其中,所述第一二维离子束测量和所述第二二维离子束测量包
括,所述堆叠法拉第杯沿X轴或Y轴平移第二距离。

其中,所述离子注入系统还包括目标靶,用以作为离子注入的受
体,所述第二距离的长度大于所述目标靶的直径。

其中,在所述第一质心点和所述第二质心点处测得的电流最大。

其中,所述离子束在X轴方向的入射角度根据所述第一质心点
的投影点与所述第二质心点的X轴坐标分量差值和第一距离计算。

其中,所述离子束在Y轴方向的入射角度根据所述第一质心点
的投影点与所述第二质心点的Y轴坐标分量差值和第一距离计算。

与现有技术相比,本发明提供的离子注入的测量方法能够在不增
加任何软件、硬件形式的其他设备、装置和操作机制的情况下对离子
束的入射角度进行测量,还能够同时给出水平和竖直方向的离子束入
射角度,有利于简化测量过程,并更加精确地测量离子注入特性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附
图中示出了本发明的实施例及其描述,用来解释本发明的原理。

附图中:

图1示出了离子注入系统的基本结构示意图;

图2示出了根据本发明的一个实施例的、设定坐标轴方向的示意
图;

图3示出了根据本发明的一个实施例的、进行离子束的二维测量
的示意图;

图4示出了根据本发明的一个实施例的、进行离子束的三维测量
的示意图;

图5A-5B示出了根据本发明的一个实施例的、进行离子束的三
维测量的原理图;以及

图6示出了根据本发明的一个实施例的、进行离子束的三维测量
的方法流程图。

具体实施方式

在下文的描述中,给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为
彻底的理解。然而,对于本领域技术人员而言显而易见的是,本发明
可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中,为了避
免与本发明发生混淆,对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是,本发明能够以不同形式实施,而不应当解释为局
限于这里提出的实施例。相反地,提供这些实施例将使公开彻底和完
全,并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。

为了彻底理解本发明,将在下列的描述中提出详细的步骤以及详
细的结构,以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详
细描述如下,然而除了这些详细描述外,本发明还可以具有其他实施
方式。

离子注入技术所需要的环境温度较低,其掺杂的均匀性好、污染
小,可以精确地控制杂质的分布,并且可以注入各种各样的元素而没
有固溶度的限制,因此已经成为大规模集成电路制造中的不可缺少的
掺杂工艺。离子注入机的低能、低剂量和快速扫描会形成低掺杂浓度
和浅结深,而离子注入机的高能、大剂量和慢速扫描会形成高掺杂浓
度和深结深,这会造成掺杂晶圆的不同特性。因此,在现有技术中,
为了实现对离子注入的剂量和角度进行控制,需要闭环控制系统对离
子注入的角度进行实时的测量。同时由于离子注入时离子束会被扫描
为具有一定长度和宽度的离子束流,要实现对离子注入的角度进行实
时准确的测量,需要同时对离子束长度和宽度两个方向同时进行测
量。在这个过程中,离子的电荷可以通过法拉第杯(Faraday Cup)进
行收集而被计算。法拉第杯与其他部件保持一定电位差以便捕获离
子,当离子经过一个或多个抑制栅极进入杯中时,将产生电流,经转
换成电压后进行放大并记录。

如图1所示,示出了根据本实施例的离子注入系统的基本结构示
意图。离子注入系统主要由离子源101、质量分析器102、加速器103、
聚焦装置104、中性束流陷阱及偏束板105、Y向扫描装置106、束
流陷阱及偏束板107、X向扫描装置108、目标靶109组成。其中,
离子源101用于离化杂质。常用的杂质源气体主要为BF3、BCl3、AsH3
和PH3等等。在质量分析器102中,由于不同离子具有不同的电荷质
量比,因而在分析器磁场中偏转的角度不同,由此可分离出所需的杂
质离子,且采用质量分析得到的离子束较为纯净。随后,加速器103
形成了高压静电场,用来对离子束进行加速,使其成为高能离子束,
此处加速器对离子的加速能量是决定离子注入深度的重要参量,电场
的电量优选为5-500KeV。聚焦装置104可以将加速后的离子聚焦成
直径为数毫米的离子束。在离子束经过中性束偏移器105时,利用偏
移电极和偏移角度可以将其中的中性原子分离。而Y向扫描装置106
和X向扫描装置108将在一定面积内对离子束进行扫描,最终离子
束轰击目标靶109(半导体材料)。当离子进入目标靶109时,受到
目标靶原子阻挡,从而停留在其中,经过退火后杂质进入替位、电离
成为具有电活性的杂质。目标靶109通常为需要实施离子注入的晶
圆,晶圆可以由掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅
(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、
绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等制成。在形
成离子注入之前,晶圆可能经过很多工艺步骤,如光刻、蚀刻、掺杂。
完成的离子注入工艺的质量可能在很大程度上取决于注入晶圆中的
离子的均匀性。例如,晶圆中的离子的非均匀分布可能会导致晶圆中
的晶体管的较差的驱动电流一致性(IDU)或较差的阈值电压均匀性
(VTU)。

此外,在根据本实施例的离子注入系统结构中,还包括法拉第杯
110。法拉第杯110为由金属制成的真空侦测器,金属设计成杯状,
用来测量带电粒子入射强度,其测得的电流可以用来判定入射电子或
离子的数量。优选的,法拉第杯110布置在目标靶109与扫描装置
108之间。法拉第杯110包括开口端和底部(未示出),所述开口端
均朝向所述离子束入射方向。作为示例,所述法拉第杯置于目标靶
109附近的离子束路径上,且法拉第杯110的开口端朝向离子注入的
方向,当离子束入射时,所述离子束中的离子就会进入法拉第杯110
的开口,此时,与每个法拉第杯110底部相连接的电流测量装置(未
示出)会测得每个法拉第杯110产生的电流值。根据每个电流测量装
置的读数,可以得出该法拉第杯处的离子束电流的测量值。典型的,
电流测量装置可以是安培表、电流互感器、电流传感器等。

如图2所示,根据本实施例,当使用法拉第杯对离子束211进行
测量时,为便于描述,在目标靶209的表面设定三维直角坐标系。目
标靶209表面构成了X-Y轴坐标平面,而Z轴方向设定为入射离子
束211的方向。通常,在现有技术的离子注入测量中,主要进行离子
注入的一维(1D)或二维(2D)的测量。

一维测量即通过单个法拉第杯沿X轴的位置变化而获得离子束
电流沿X轴分布的曲线,作为示例,当法拉第杯未进入离子束的中
心区域时,所测得的离子束电流的值为零;随着法拉第杯沿X轴逐
渐向入射离子束的中心区域靠近,法拉第杯所俘获的离子增多,所测
得的电流迅速增大;当法拉第杯由离子束的边缘区域完全进入离子束
的中心区域后,由于离子束的中心区域的离子束数量较为稳定,入射
密度较为均匀,因此在曲线上将呈现在某电流值周围微量浮动的恒定
值;随着法拉第杯继续沿X轴移动,当法拉第杯离开离子束的中心
区域进入边缘区域时,由于离子束中的离子密度迅速下降,法拉第杯
中俘获的离子数量也迅速减少,所测得的电流值减小;直至法拉第杯
沿X轴完全移出离子束范围,所测得的电流值为零。因此,使用单
个法拉第杯沿X轴移动所测得的离子束电流值曲线为台状曲线。

二维测量则需要通过一组堆叠法拉第杯(Stacked Faraday Cup)
进行。当离子束入射时,所述堆叠法拉第杯(SFC)成组移动,从而
得到离子束的分布特性图像。

作为示例,如图3所示,在进行二维离子束测量时,堆叠法拉第
杯310为一组由沿Y轴排列的法拉第杯310A、310B、310C…310N
组成的阵列。在测量过程中,所述堆叠法拉第杯310沿X轴平移距
离x,当离子束开始入射时,离子束中的离子就会进入法拉第杯310A、
310B、310C…310N的开口,此时,在堆叠法拉第杯310中的每个法
拉第杯310A、310B、310C…310N的底部相连接的电流测量装置(未
示出)会测得每个法拉第杯310A、310B、310C…310N的产生的电
流值。根据每个电流测量装置的读数,可以得出该法拉第杯处的离子
束电流的测量值,从而不仅能够得到离子束电流沿X轴分布的值,
还可以得到离子束电流沿Y轴分布的值,即得到离子束在X-Y轴平
面上的分布密度情况。典型的,电流测量装置可以是安培表、电流互
感器、电流传感器等。此外,需要注意的是,距离x的长度应当大于
诸如晶圆的目标靶的直径,这样才能有效地测量离子束分布密度。

如图4所示,在现有技术的基础上,本发明提供了一种在三维
(3D)维度上进行离子注入测量的方法。本发明所述的三维测量不
需要增加新的离子注入测量机制,而是基于与二维离子注入测量相同
的一组堆叠法拉第杯(Stacked Faraday Cup)进行。

作为示例,如图4所示的X-Y轴平面上,所述三维测量在对离
子束分布进行测量时,堆叠法拉第杯410为一组由沿Y轴排列的法
拉第杯410A、410B、410C…410N组成的阵列。在测量过程中,所
述堆叠法拉第杯410沿X轴平移距离x,当离子束开始入射时,离子
束中的离子就会进入法拉第杯410A、410B、410C…410N的开口,
此时,在堆叠法拉第杯410中的每个法拉第杯410A、410B、410C…
410N的底部相连接的电流测量装置(未示出)会测得每个法拉第杯
410A、410B、410C…410N的产生的电流值。根据每个电流测量装置
的读数,可以得出该法拉第杯处的离子束电流的测量值,从而不仅能
够得到离子束电流沿X轴分布的值,还可以得到离子束电流沿Y轴
分布的值,即得到离子束在X-Y轴平面上的分布密度情况。典型的,
电流测量装置可以是安培表、电流互感器、电流传感器等。此外,需
要注意的是,距离x的长度应当大于诸如晶圆的目标靶的直径,这样
才能有效地测量离子束分布密度。

作为示例,本发明在对离子束分布进行测量的同时还包括在在如
图4所示的Z轴(垂直于目标靶表面方向)上进行的测量。首先,每
个法拉第杯410A、410B、410C…410N组成的堆叠法拉第杯410在
平面S处进行离子束的二维测量。需要注意的是,通过在平面S处的
X-Y平面进行离子束测量,可以获得离子束在平面S处的射入强度最
大的点。优选的,在该点处连接法拉第杯的电流测量装置所测得的电
流值最大,本发明将该点作为离子束注入的“质心”点。随后,由每
个法拉第杯410A、410B、410C…410N组成的堆叠法拉第杯410被
沿着Z轴负值方向平移距离d,其中平移距离d优选为垂直于目标靶
表面,即沿Z轴方向的平移距离。当由每个法拉第杯410A、410B、
410C…410N组成的堆叠法拉第杯410被平移到距平面S的距离为d
的平面S’处时,再次进行离子束的二维测量。需要注意的是,通过在
平面S’处进行离子束的X-Y二维测量,同样可以获得离子束在平面
S’处的射入强度最大的点。

如图5A所示,512C为离子束在平面S处的射入强度最大的点,
优选的,在该点处连接法拉第杯的电流测量装置所测得的电流值最
大,本发明认为该点512C是离子束在平面S处进行二维测量所得到
的“质心”点。在堆叠法拉第杯410被沿着Z轴负值方向平移距离d
后到达S’平面,设512A为“质心”点512C沿垂直于S’平面的法线
在S’平面上的投影。而由于入射离子与目标靶的原子核和电子不断发
生碰撞,其方向改变,能量减少,经过一段曲折路径的运动后,才能
够因为动能耗尽而停止在目标靶中。512B为在平面S’处经过二维测
量所得到的“质心”点,优选的,在512B处法拉第杯所测得的电流
值最大。

如图5B所示,512A为图5A中的在平面S处进行二维离子束测
量所得的“质心”点在平面S’处的投影点。512B为在平面S’处经过二
维测量所得到的“质心”点。512A和512B在同一平面S’上,在平
面S’上以X-Y坐标设定512A和512B的坐标分别为(x1,y1)和(x2,
y2)。通过这样的三维直角坐标系设定,可以根据512A至512B的确
定从平面S到平面S’移动距离d后,离子束的入射角度分别为:Y
轴方向θv=arctan(Δy/d),X轴方向θh=arctan(Δx/d)。

如图6,示出了根据本发明的一个实施例的、进行离子束的三维
测量的方法流程图。其中,S601提供离子注入系统,在所述离子注
入系统的离子束输出端设置有至少一组堆叠法拉第杯;S602使用所
述堆叠法拉第杯在垂直于所述离子束入射方向的第一平面上进行第
一二维离子束分布测量,以获得所述第一平面上的离子束分布的第一
质心点;S603在垂直于所述离子束入射方向的第二平面确定所述离
子束分布的所述第一质心点的投影点,其中所述第二平面与所述第一
平面具有沿离子束入射方向的第一距离;S604使用所述堆叠法拉第
杯在所述第二平面上进行第二二维离子束分布测量,以获得所述第二
平面上的离子束分布的第二质心点;S605根据所述第一质心点的投
影点与所述第二质心点的位置和所述第一距离计算所述离子束的入
射角度。

需要注意的是,本文所述的离子束测量方法不仅能够用于离子束
注入系统的离子束输出端的测量,还可以应用于离子束注入系统任意
位置的离子束测量。同理,本发明所述的离子束测量方法也能够应用
太阳能领域、光电子领域或FPD领域的其他用途的离子注入机中。

本发明不仅能够在不增加任何软件、硬件形式的其他设备、装置
和操作机制的情况下对离子束的入射角度进行测量,还能够同时给出
水平和竖直方向的离子束入射角度,有利于实时监测离子束注入在三
维方向上的变化。本领域普通技术人员可以在本发明的教导下根据不
同复杂程度的原始设计版图作出合适的选择。

本发明已经通过上述实施例进行了说明,但应当理解的是,上述
实施例只是用于举例和说明的目的,而非意在将本发明限制于所描述
的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是,本发明并不局
限于上述实施例,根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修
改,这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的
保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

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本发明提供一种离子注入的测量方法,包括:提供离子注入系统,在离子注入系统的离子束输出端设置有至少一组堆叠法拉第杯;使用堆叠法拉第杯在垂直于离子束入射方向的第一平面上进行第一二维离子束分布测量,以获得第一平面上的离子束分布的第一质心点;在垂直于离子束入射方向的第二平面确定离子束分布的第一质心点的投影点,其中第二平面与第一平面具有沿离子束入射方向的第一距离;使用堆叠法拉第杯在第二平面上进行第二二维离子。

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