在具有垂直射束角装置的离子注入系统中测量垂直射束轮廓的方法与流程

相关申请的引用

本申请请求于2014年12月26日提交、标题为“在具有垂直射束角装置的离子注入系统中测量垂直射束轮廓的方法(methodofmeasuringverticalbeamprofileinanionimplantationsystemhavingaverticalbeamangledevice)”的美国临时申请序列号62/096,928的优先权及权益，其全部内容通过引用的方式完整并入本文。

本发明大体上涉及离子注入系统，更具体涉及一种用于在具有用于测量垂直射束角的装置的扫描射束离子注入设备中测量垂直离子射束轮廓的系统及方法。

背景技术：

离子注入系统是在集成电路的制备中用于以掺杂物或杂质掺杂半导体衬底的机制。在这类系统中，将掺杂材料离子化并从中产生离子束。在半导体晶片的表面处引导离子束，以便利用该掺杂元素注入该晶片。射束中的离子穿透晶片的表面以形成理想传导率的区域，诸如在晶片中制作晶体管装置时。典型的离子注入器包括：离子源，用于产生离子束；束线组件，其包括质量分析设备，用于利用磁场来引导和/或过滤(例如，质量解析)射束内的离子；以及目标腔室，其包含待由离子束注入的工件。

通常，在离子注入中进行注入的工件是尺寸远大于离子束尺寸的半导体晶片。在大多数离子注入的应用中，注入的目标是将精确控制量的掺杂物均匀递送至工件或晶片表面的整个面积上。为达成利用尺寸远小于工件面积的离子束的掺杂均匀性，一种广泛使用的技术是所谓的混合扫描系统，其中小尺寸的离子束在某一方向上迅速地来回扫过或扫描，并且工件沿扫描的离子束的正交方向做机械式移动。

为实现工件全部面积的均匀剂量覆盖，在两个方向上的扫描宽度被设定成使得整个离子束部分在扫描的末端处完全离开工件，通常称为“过扫描(overscan)”。也就是说，扫描宽度大于工件尺寸加上离子束在扫描维度中的尺寸的总和。然而，在许多情况下，两个方向或任一方向上的离子束尺寸未知，并且在设定扫描宽度时经常会假设存在极大的射束尺寸。这一假设虽然可安全地提供均匀的剂量覆盖，但却会降低射束利用效率，因为在过扫描位置处的射束并不会有助于在工件上进行掺杂。另外，在一些注入情形下，离子束的尺寸已知以影响掺杂特性(例如，剂量率效应)，并且在进行掺杂过程之前知悉离子束的尺寸将十分有益。

技术实现要素：

下文介绍本发明的简要概述，以便对本发明的某些方面具有基本了解。该发明内容部分并非本发明的详尽综述。其既非旨在确定本发明的关键元件或主要元件，亦非限定本发明的范围。而是，其主要目的仅在于，以简化形式呈现本发明的一个或多个构思，作为下文具体实施方式的引言。

电子工业中的发展趋势是缩小电子装置，以生成更小、功能更强大的装置，其能够实行若干日趋复杂的功能，同时消耗更少的能量。因此，在这类装置中利用的半导体和集成电路(例如晶体管等)在尺寸上会不断减小。在单个半导体衬底上“封装”更多这些装置或其一部分(称为晶粒)的能力也会改善制作效率及产率。为提高封包密度，在晶片之中与之上作为半导体制作过程的一部分形成的特征元件在尺寸上可能会减小。应当领会，能够将掺杂物加入半导体衬底的选取位置的准确性在成功提高封装密度方面至关重要。举例而言，在特征元件尺寸有所减小的前提下，将掺杂物离子注入半导体衬底的选取位置内的误差裕度可能会较小。

离子注入系统(诸如，位于美国马萨诸塞州贝弗利市的axcelistechnologies,inc.所制造的所谓“optimaxe”系统)并不具有测量离子束的垂直轮廓或位置的性能。典型地，虽然没有测量离子束的垂直轮廓，但本发明目前领会，了解这种垂直轮廓在最佳的利用率中会有利于优化垂直过扫描，同时在该过程会受剂量率影响的情况下确保完全覆盖整个工件并控制注入物的剂量率。

举例而言，上述optimaxe系统通常配备垂直射束角(vba)测量装置。然而，本发明提供了vba硬件以及与其相关的测量软件，其有利地配置成借由提供宽度可与位于vba装置下游的剂量杯(例如法拉第杯)相较的vba测量设备的延伸前遮罩来提供垂直射束轮廓。在进行vba测量的过程中，延伸vba遮罩的底部边缘(例如，笔直边缘)切入离子束之中，并且在vba装置后的束电流(例如，在剂量杯中所测得的束电流)开始下降。

在转移至vba测量期间，能够进行非常精确地倾斜(tilt)运动。根据本发明，通过使剂量杯束电流变化与倾斜角相关联，便能够有利地获取垂直射束轮廓。为避免在剂量杯信号与vba装置信号之间快速切换，来自这两个杯体的信号能够被相加在一起，而不会发生不利结果，因为该vba装置和剂量杯照惯例不会被同时使用。垂直射束轮廓信号能够根据倾斜角范围经由控制器而被有利地分离(例如，配合倾斜角和vba信号来降低剂量杯电流、配合倾斜角来上调与下调vba信号等)。

vba遮罩的宽度能够有利地提供上述测量，其中，vba装置信号与剂量杯信号相互连接或以其他方式加在一起。能够提供在转移至vba测量期间聚集剂量杯信号与vba装置信号的数据连同倾斜角测量，并且根据倾斜角分离垂直射束轮廓信号和vba。还能够执行轮廓信号处理(例如，利用倾斜位置求微分)，并且所产生的数据可以被显示给操作者，以便用于控制所述系统。

本发明理解到，离子束的利用率同样至关重要，因为使离子束的利用率最大化有益于总处理量，也有益于能量和生产。据此，本发明提供了促进更加精确的离子注入的机制与技术。

因此，为实现上述及相关目的，下述内容及附图将详细阐述本发明公开内容的某些说明性方面及实施方式。然而，这些方面及实施方式仅表明可以运用本发明的一个或多个方面的各种不同方式中的少数几种。在结合附图考虑的情况下，从下文对本发明的详细描述中会更清楚理解本发明的其他方面、优点及新颖性特征。

附图说明

图1是晶格结构的一部分的示例的透视图，其中，离子束以大体上平行于晶格结构的平面的方式在该晶格结构处被引导。

图2是晶格结构的一部分的示例的透视图，诸如图1中所示的晶格结构，其中，离子束以并不大体上平行于晶格结构的平面的方式在该晶格结构处被引导。

图3是半导体衬底的一部分的剖视图，在该半导体衬底上形成多个特征元件，这些特征元件分开不同的距离并且在离子注入期间遭受不同程度的遮蔽效应。

图4图示出示例性离子注入系统，其中可以实施本发明的一个或多个方面。

图5是图示出示例性终端站的示意图，其中示出根据本发明的一个或多个方面的各种观点。

图6图示出示例性测量构件，其中可以实施本发明的一个或多个方面。

图7a至图7d图示出根据本发明的一个或多个方面的离子束的垂直尺寸的示例性测量。

图8是根据本发明的一个或多个方面的用于描绘离子束的轮廓的方法。

具体实施方式

参照附图对本发明的一个或多个方面予以描述，其中，相同的附图标记总体上用来表示相同的元素，并且各种结构未必按比例绘制。出于解释目的，在下文中阐明若干具体细节，以便全面理解本发明的一个或多个方面。然而，本领域技术人员可以理解，即使并未详细说明这些特定细节依然可以实行本发明的一个或多个方面。在其他实例中，公知的结构和装置以框图的形式示出，以便帮助说明本发明的一个或多个方面。

在半导体制备过程中，会利用带电粒子或离子来注入半导体晶片或工件。离子因其净正电荷或负电荷而呈现理想的电子特性。当配合半导体处理来运用时，这些已经离子化的材料称作掺杂物，因为它们“掺杂”或改变它们所注入的基本层或其他层的电子特性，导致这些层具有理想且可预期的电气行为。

基本层或衬底通常由结晶形态的硅所组成。当材料的原子以规则方式呈三维排列时，这些材料被视为具有结晶结构。举例而言，图1图示出一般晶格结构10的一部分，其具有大体上立方体的配置。特别地，在所示的示例中，晶格结构10具有二十七个(例如，三乘三乘三)晶胞12，它们大体上呈立方体形状。晶体的晶格结构存在于平面14内，在图中所示的示例中，这些平面14大体上彼此垂直(例如，在x、y和z方向上)。然而，应当领会，晶格结构能够具有任意各种不同的配置并且具有任意数目的各种不同形状的晶胞，诸如菱形、角锥形、六角形等。

半导体掺杂过程中的一项参数是用来将掺杂物离子注入衬底内的离子束与半导体材料的内部晶格结构之间的入射角。除此之外，入射角还在称作沟道效应(channeling)的现象中起到重要作用。特别地，如图1所示，如果掺杂物离子的射束16(亦称为离子束)的方向大体上平行于晶格结构的(垂直)平面14，则射束可以贯穿其中，在平面之间的空间中移动的离子与结晶原子的碰撞较少，因此每单位长度的能量损耗较少。

如此，离子尤其可以被深深地注入衬底内(例如，图1中的中央通道内)。应当领会，其他方面也会影响沟道效应，例如，衬底的非晶化程度、衬底的原子质量以及射束内的离子的质量和/或能量。譬如，射束16内的离子的能量越大，则将离子深深地注入衬底之中的可能性越大。

在图2中，例如，离子束16的方向并不大体上平行于晶格结构10的(垂直)平面14。如此，离子束16内的某些离子可能会撞击晶格结构的某些部分18并且改变(例如破坏)晶格结构。如此一来，离子可能会损失能量并且放慢速度和/或如箭头20所示那般从原方向发生散射，由此停留于工件的较浅部分中。据此，可能期望将离子束定向到相对于晶格结构的特定方位，以缓解沟道效应和/或局部化掺杂。

除沟道效应之外，遮蔽效应同样对产生已知的注入方位具有重要影响。遮蔽效应通常归因于电子工业中特征部件尺寸不断缩小以生产更小且功能更强的半导体装置的趋势。然而，在某些实例中，特征部件之间的间距虽然缩窄，但这些特征部件的高度却可能并未缩短。这些大体上固定的特征部件高度结合特征部件之间缩窄的间距会导致遮蔽效应增强，由此使得晶片中待掺杂的部分接收极少掺杂物离子，甚至没有接收任何掺杂物离子。在离子注入角度增大的情况下，例如为消减沟道效应，这种遮蔽效应会变得更加强烈。

例如，回顾图3，示出半导体基板或晶片30的一部分的剖视图，在该半导体基板或晶片具有形成于其上的多个特征部件32、34、36、38，其间限定出相应的间距40、42、44。这些特征部件32、34、36、38由电阻性材料构成，因此全部具有基本上相同的高度。基板30中因间距40、42、44露出的区域50、52、54会经由离子注入来掺杂。据此，在基板30处引导一个或多个离子束60以执行掺杂。然而，这些射束60被定向成与基板30的表面70构成一定角度，例如，用以减轻沟道效应。因此，这些射束60中的某些部分的某些离子会受阻于这些特征部件32、34、36、38中的某些部分(例如边角)。如此，基板区域50、52、54内的区域80、82、84接收少于预期数量的掺杂物离子。这种遮蔽效应可能会让所述装置中的某些区域具有不适当的剂量。据此，与遮蔽效应相关联的不良影响能够根据注入角度而扩大。因此，应当领会，可能希望了解注入取向，这样才能例如调节遮蔽效应和沟道效应。

现将参照图4，说明示例性离子注入系统100，其具有终端102、束线组件104和终端站106。终端102例如包括由高压电源供应器110供电的离子源108，其中该离子源产生离子束112并引导其通过束线组件104，最终抵达终端站106。例如，离子束112能够采取点状射束、笔状射束、带状射束或任何其他形状射束的形式。束线组件104进一步具有束导114和质量分析器116，其中建立偶极磁场，以仅让适当荷质比的离子穿过束导114的出口端处的孔径118抵达定位于终端站106中的工件120(例如，半导体晶片、显示面板等)。

根据一个示例，离子束扫描机构122(诸如静电式或电磁式扫描仪，一般称作“扫描仪”)被配置成在相对于工件120的至少一个第一方向123上(例如，+/-y方向，亦称作第一扫描路径或“快速扫描”轴、路径或方向)扫描离子束112，其中限定出带状离子束或经扫描的离子束124。另外，在本示例中还提供工件扫描机构126，其中该工件扫描机构被配置成在至少一个第二方向125上(例如，+/-x方向，亦称作第二扫描路径或“慢速扫描”轴、路径或方向)通过离子束112选择性扫描工件120。例如，离子束扫描系统122和工件扫描系统126可以分开设立或者相互配合设立，以便提供所需的相对于离子束112的工件扫描。在另一示例中，离子束112在第一方向123上被静电式扫描，其中产生经扫描的离子束124，而工件120在第二方向125上通过经扫描的离子束124而被机械式扫描。这种离子束112和工件120的静电式扫描与机械式扫描的组合会产生所谓的“混合式扫描(hybridscan)”。本发明适用于相对于离子束112扫描工件120的全部组合，或者反之亦然。进一步而言，提供控制器130，其中控制器被配置成控制离子注入系统100的一个或多个构件。

根据本发明的一个示例性方面，进一步提供射束测量系统150。例如，射束测量系统150被配置成确定与离子束112相关联的一个或多个特性。在所谓的“optimaxe”离子注入系统以及robertd.rathmell等人共有的美国专利第7361914号中已提出用于测量入射至工件120的离子的垂直射束角度(vba)以及对所述工件晶面的测量进行校准的系统及方法，其内容以全文引用的方式并入本文中。在某些方面，射束测量系统150类似于rathmell等人所提供的射束测量设备。然而，rathmell等人的系统及方法的某一缺点在于无法测量离子束的垂直尺寸。

据此，本发明的离子注入系统100被配置成不仅测量离子束112相对于工件120的入射角度，本发明的离子注入系统还被进一步配置成确定先前未经测量的离子束112的垂直尺寸。

现将提出根据本发明的一个或多个方面的射束测量系统150的操作与配置的更详尽阐释。图5是示例性终端站106和测量系统150的剖视图，其中该测量系统包括第一测量构件162和第二测量构件164，它们被配置成测量一个或多个特性(例如，离子束电流)。

在一个示例中，离子束112在被注入图4的工件120内之前先被平行化并转弯，例如，约15度的垂直转弯角度θ。在本示例中，离子束112为水平带状射束或水平扫描的(例如，进入/离开纸面的方向)类带状射束。例如，离子束112可以被转弯成使得能量污染物不会冲击到工件120上。可以采用静电和/或磁力技术使离子束112转弯。然而，离子束112实际上被转弯的数量却可能与预期略有不同。然而，运用如本文中所述的测量系统150则借由不管射束112的轨迹如何皆可精确地确认工件120相对于射束的取向而消除这些变化的影响。

例如，第一测量构件162被设置在扫描臂166下游处的终端站106内，工件120位于该扫描臂166上以便进行离子注入。工件支撑件168以线性滑动的方式与扫描臂166接合，其中该工件支撑件被配置成使工件沿注入平面172平移通过离子束112的路径170。例如，第一测量构件162包括沿离子束的路径定位于扫描臂下游的第一法拉第杯174，其中该第一法拉第杯被配置成提供与入射于该第一法拉第杯的离子束112中的离子辐射相关联的第一信号175。

例如，第二测量构件164会被安装至终端站106内的构件，诸如安装至扫描臂166，工件120位于该扫描臂166上以便进行离子注入。通过这种方式，第二测量构件164呈相对于工件120的已知取向。例如，第二测量构件164的表面176可以呈相对于工件120的表面178的角度θ’。例如，工件的表面178在注入期间居于注入平面172上。同样地，第二测量构件164可以被取向成使得正交于测量构件164的表面176的方向180与工件120的表面178成已知角度θ”。总归，第二测量构件164与工件120的取向皆已知，这样一旦确定离子束相对于第二测量构件164的取向，便能够确定离子束112相对于工件的取向。

应当领会，第二测量构件164被牢固附接，使其相对于工件120的取向不会改变，特别是在操纵扫描臂166、工件120和/或测量构件164时。例如，第二测量构件164可以利用一个或多个刚性托架182而安装至扫描臂166。然而，第二测量构件164相对于工件120的取向可以借由松开螺丝、螺母、螺栓或其他夹持机构(图中未示)来调整，并且在已调整第二测量构件164之后再重新紧固螺丝、螺母、螺栓或是其他夹持机构。

在一个示例中，为使第二测量构件164相对于射束112取向，第二测量构件以离子束为基准来操纵，诸如通过使第二测量构件所附接的扫描臂166绕轴线184(例如水平轴线)进行枢转。据此，扫描臂166的上端186和下端187被配置成在相反的方向188与189上往复转动或摆动。因此，第二测量构件164被固定附接至扫描臂166，因此扫描臂绕轴线184转动可以进一步选择性使第二测量构件164穿过离子束112。第二测量构件164对离子辐射易感并且根据射束与测量构件之间的取向来检测各种离子辐射数量。

根据一个示例性方面，第二测量构件164包括可以由石墨构成的遮罩190并且包括被狭缝194隔开的多个齿部192，具体参阅图6。例如，第二测量构件164包括离子敏感部分196，例如法拉第杯200，其中该离子敏感部分位于遮罩190的后面或下游。例如，第二法拉第杯200被配置成随着扫描臂166绕轴线184旋转提供与离子束112中入射至此处的离子辐射相关联的图5的第二信号201。例如，齿部192具有长度l并且分开距离d，以便当离子束112并未与狭缝194同轴或者与第二测量构件164的表面176正交180时，离子束的某些部分受阻于齿部192并且不会抵达第二测量构件164的辐射敏感部分196。在一个示例中，齿部192的长度l介于约5毫米至50毫米之间，并且狭缝194使齿部192分开的距离d介于约1毫米至15毫米之间。

例如，第二测量构件164的辐射敏感部分196可以输出电流，指明射到其上的离子束112的数量。据此，不同数量的离子束112可以根据遮罩190与(相对静止的)离子束112之间的相对取向而穿过遮罩190，因此由第二测量构件164(更具体为辐射敏感部分196)输出的电流随射束112相对于第二测量构件164的排列(例如射束角度)而变化。因此，峰值电流便表示射束对齐于遮罩190，确切而言，平行于第二测量构件164的法线180。因为已知第二测量构件164相对于工件120的取向(角度)，能够易于确定射束112相对于工件120的取向，例如，仅仅通过加减偏移角度θ’。应当领会，在使第二测量构件164移动通过射束112的同时取得多个电流读数的情况下也能够实施质心计算和/或曲线拟合，以确定射束何时直接射到第二测量构件164上。利用射束112相对于工件120的已知取向，工件120能够被调整成获得所需的掺杂，例如，考虑到沟道效应和/或遮荫效应。

根据本发明，遮罩190进一步包括阻挡板202，其被定位于遮罩的一个或多个外侧位置204。例如，阻挡板202被配置成基于扫描臂166绕轴线184旋转来选择性阻挡入射至第一测量构件162的图5的离子束112中的离子辐射。据此，第一测量构件162包括法拉第杯208，其可操作用以感测离子束112中的离子辐射。

根据本发明的数个方面，图5中所示的扫描臂187被配置成绕轴线184移动，从而使第二测量构件164移动通过射束112，由此有利地确定离子束112的垂直尺寸217。图7a至图7d图示出，在扫描臂(清晰起见未示出)绕轴线184旋转时，第二测量构件164运动通过离子束112。例如，在倾斜角度210(例如，与偏移角度θ’相关联)从相应图7a至图7d的位置212、214、216和218改变时，第二测量构件164的外侧位置204(例如阻挡板202)与离子束112逐步相交，因而逐步阻挡离子束使其无法抵达第一测量构件162。在一个示例中，遮罩190的高度大于离子束112的垂直尺寸217。因此，根据本发明，已知第二测量构件164的外侧位置204作为倾斜角度210的严格函数，因此在倾斜角度从相应图7a至图7d的位置212、214、216、以及218改变时，仅通过简单分析与入射至第一测量构件162的离子束中的离子辐射相关联的图5的第一信号175便能确定离子束112的垂直尺寸217(和/或轮廓)。

因此，根据另一示例性方面，图5的控制器130被配置成确定相对于注入平面172的离子束112的角度以及该离子束的垂直尺寸217，其中所述确定至少部分基于以下一项或多项：第一信号175、第二信号201以及在第二测量构件164的法拉第杯200绕轴线184旋转时遮罩190与离子束之间的相对取向。

例如，工件120可以沿扫描臂166线性平移(例如由箭头220所示)和/或能够绕水平轴线221枢转或倾斜(例如由箭头222、224所示)，以便按所需的方式使工件与射束112对齐和/或获得一个或多个所需的注入角度，用以选择性离子注入到工件上的各个位置。此外，工件还可以绕正交于工件中心处的表面的轴线“扭转”，以便达成工件相对于离子束的所需取向。应当领会，工件120的这种移动通常能够利用精调机械来精确执行。

根据又一示例性方面，在图8中图示出用于描绘离子束轮廓的方法300。需指出，尽管在本文中以一系列动作或事件阐述示例性方法，但应理解，本发明不仅限于这类动作或事件的所示次序，根据本发明，某些步骤会以不同顺序执行且/或与除本文所述之外的其他步骤同时进行。此外，并非所述各步骤均必须用于实现根据本发明的方法。此外应领会，所述方法可结合本文所述的系统以及结合文中未示的其他系统来实施。

如图8所示，根据一个示例，方法300包括在动作302中将离子束引向终端站。在动作304中，设置工件支撑件，其中该工件支撑件以线性滑动的方式与扫描臂接合，并且该工件支撑件被配置成使工件沿注入平面平移通过离子束的路径。例如，扫描臂被进一步配置成绕轴线旋转。

在动作306中，经由沿离子束的路径定位于扫描臂下游的第一法拉第杯来测量离子束的一个或多个特性，在第一法拉第杯中提供与入射于该第一法拉第杯的离子束中的离子辐射相关联的第一信号。在动作308中，经由在操作上耦合至扫描臂的第二法拉第杯来进一步测量离子束的一个或多个特性，在第二法拉第杯中提供与入射于该第二法拉第杯的离子束中的离子辐射相关联的第二信号。

在动作310中，确定遮罩与离子束之间的相对角取向，诸如通过与扫描臂相关联的编码器。在动作312中，使扫描臂绕轴线旋转。遮罩被大体上固定至第二法拉第杯并被定位于第二法拉第杯的上游，其中，遮罩具有限定于其中的多个狭缝，并且，多个狭缝被配置成基于遮罩与离子束之间的相对角取向允许离子束中不同数量的离子辐射从中穿过抵达第二法拉第杯。另外，阻挡板被定位于遮罩的一个或多个外侧位置。

在动作314中，确定相对于注入平面的离子束的角度和离子束的垂直尺寸，其中，该确定至少部分基于以下一项或多项：第一信号、第二信号以及在第二法拉第杯绕轴线旋转时遮罩与离子束之间的相对取向。

尽管本发明已针对一个或多个实施方式来阐明，但基于对本发明说明书及附图的阅读和理解，本领域的技术人员应领会等同的变型及修改。本发明包括所有这些修改和变型并且仅受限于所附权利要求的范围。特别关于由上述部件(组合、器件、电路等)执行的各种功能，若非特别注明，则用于描述这些部件的术语(包括提及“装置”)旨在对应于执行所述部件的特定功能(即功能上等同)的任意部件，即便其在结构上不等同于执行本文所述的本发明典型实施方式所公开的结构亦然。另外，虽然仅就多个实施方式中的一种方式公开本发明的特定特征，如若适于或利于任何指定或特定应用，这一特征可结合其他实施方式的一个或多个其他特征。此外，就术语“包含”、“具有”、“带有”或其变体用于说明书或权利要求而言，这样的术语旨在以类似于术语“包括”的方式具有包容性。同样，本文采用的术语“示例性”在此仅供举例说明。