本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種離子注入的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

早在20世紀(jì)60年代，離子注入技術(shù)就應(yīng)用在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)上。離子注入技術(shù)就是將某種元素的原子進(jìn)行電離，并使其在電場(chǎng)中加速，獲得較高的速度后射入固體材料的表面，以改變材料表面的物理或者化學(xué)性能的一種技術(shù)。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)步，半導(dǎo)體器件的特征尺寸和深度不斷縮小，器件的閾值電壓會(huì)隨著離子注入的角度改變而呈現(xiàn)明顯變化。因此，為了保證半導(dǎo)體器件性能的穩(wěn)定性，在對(duì)其進(jìn)行離子注入時(shí)要嚴(yán)格控制離子注入的角度。

在現(xiàn)有工藝中，對(duì)離子注入角度進(jìn)行控制時(shí)，通常需要借助系統(tǒng)進(jìn)行沿X軸或沿Y軸的測(cè)量，即分別對(duì)橫向和縱向的注入角度進(jìn)行測(cè)量。然而，離子注入實(shí)際上包括X方向、Y方向、Z方向的位移以及分別沿X、Y、Z軸入射的角度。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)需要對(duì)除X軸方向和Y軸方向以外的方向進(jìn)行入射角度的測(cè)量和計(jì)算時(shí)，需要借助其他裝置進(jìn)行。鑒于此，有必要設(shè)計(jì)一種新的離子注入的測(cè)量方法，用以簡化測(cè)量過程，并更加精確地測(cè)量離子注入特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種離子注入的測(cè)量方法，包括：步驟1：提供離子注入系統(tǒng)，在所述離子注入系統(tǒng)的離子束輸出端設(shè)置有至少一組堆疊法拉第杯；步驟2：使用所述堆疊法拉第杯在垂直于所述離子束入射方向的第一平面上進(jìn)行第一二維離子束分布測(cè)量，以獲得所述第一平面上的離子束分布的第一質(zhì)心點(diǎn)；步驟3：在垂直于所述離子束入射方向的第二平面確定所述離子束分布的所 述第一質(zhì)心點(diǎn)的投影點(diǎn)，其中所述第二平面與所述第一平面具有沿離子束入射方向的第一距離；步驟4：使用所述堆疊法拉第杯在所述第二平面上進(jìn)行第二二維離子束分布測(cè)量，以獲得所述第二平面上的離子束分布的第二質(zhì)心點(diǎn)；步驟5：根據(jù)所述第一質(zhì)心點(diǎn)的投影點(diǎn)與所述第二質(zhì)心點(diǎn)的位置和所述第一距離計(jì)算所述離子束的入射角度。

其中，所述堆疊法拉第杯的開口朝向所述離子束的入射方向。

其中，還包括建立以所述離子束入射方向?yàn)閆軸方向的三維直角坐標(biāo)系，使所述第一質(zhì)心點(diǎn)的投影點(diǎn)與所述第二質(zhì)心點(diǎn)位于所述三維直角坐標(biāo)系的X-Y坐標(biāo)面。

其中，所述堆疊法拉第杯由沿Y軸或X軸排列的一組法拉第杯構(gòu)成。

其中，所述法拉第杯連接有電流測(cè)量裝置。

其中，所述第一二維離子束測(cè)量和所述第二二維離子束測(cè)量包括，所述堆疊法拉第杯沿X軸或Y軸平移第二距離。

其中，所述離子注入系統(tǒng)還包括目標(biāo)靶，用以作為離子注入的受體，所述第二距離的長度大于所述目標(biāo)靶的直徑。

其中，在所述第一質(zhì)心點(diǎn)和所述第二質(zhì)心點(diǎn)處測(cè)得的電流最大。

其中，所述離子束在X軸方向的入射角度根據(jù)所述第一質(zhì)心點(diǎn)的投影點(diǎn)與所述第二質(zhì)心點(diǎn)的X軸坐標(biāo)分量差值和第一距離計(jì)算。

其中，所述離子束在Y軸方向的入射角度根據(jù)所述第一質(zhì)心點(diǎn)的投影點(diǎn)與所述第二質(zhì)心點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)分量差值和第一距離計(jì)算。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的離子注入的測(cè)量方法能夠在不增加任何軟件、硬件形式的其他設(shè)備、裝置和操作機(jī)制的情況下對(duì)離子束的入射角度進(jìn)行測(cè)量，還能夠同時(shí)給出水平和豎直方向的離子束入射角度，有利于簡化測(cè)量過程，并更加精確地測(cè)量離子注入特性。

附圖說明

本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。

附圖中：

圖1示出了離子注入系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、設(shè)定坐標(biāo)軸方向的示意圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、進(jìn)行離子束的二維測(cè)量的示意圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、進(jìn)行離子束的三維測(cè)量的示意圖；

圖5A-5B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、進(jìn)行離子束的三維測(cè)量的原理圖；以及

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、進(jìn)行離子束的三維測(cè)量的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明能夠以不同形式實(shí)施，而不應(yīng)當(dāng)解釋為局限于這里提出的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例將使公開徹底和完全，并且將本發(fā)明的范圍完全地傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人員。

為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟以及詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，以便闡釋本發(fā)明提出的技術(shù)方案。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。

離子注入技術(shù)所需要的環(huán)境溫度較低，其摻雜的均勻性好、污染小，可以精確地控制雜質(zhì)的分布，并且可以注入各種各樣的元素而沒有固溶度的限制，因此已經(jīng)成為大規(guī)模集成電路制造中的不可缺少的摻雜工藝。離子注入機(jī)的低能、低劑量和快速掃描會(huì)形成低摻雜濃度和淺結(jié)深，而離子注入機(jī)的高能、大劑量和慢速掃描會(huì)形成高摻雜濃度和深結(jié)深，這會(huì)造成摻雜晶圓的不同特性。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)離子注入的劑量和角度進(jìn)行控制，需要閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)離 子注入的角度進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。同時(shí)由于離子注入時(shí)離子束會(huì)被掃描為具有一定長度和寬度的離子束流，要實(shí)現(xiàn)對(duì)離子注入的角度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，需要同時(shí)對(duì)離子束長度和寬度兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在這個(gè)過程中，離子的電荷可以通過法拉第杯(Faraday Cup)進(jìn)行收集而被計(jì)算。法拉第杯與其他部件保持一定電位差以便捕獲離子，當(dāng)離子經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)抑制柵極進(jìn)入杯中時(shí)，將產(chǎn)生電流，經(jīng)轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行放大并記錄。

如圖1所示，示出了根據(jù)本實(shí)施例的離子注入系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。離子注入系統(tǒng)主要由離子源101、質(zhì)量分析器102、加速器103、聚焦裝置104、中性束流陷阱及偏束板105、Y向掃描裝置106、束流陷阱及偏束板107、X向掃描裝置108、目標(biāo)靶109組成。其中，離子源101用于離化雜質(zhì)。常用的雜質(zhì)源氣體主要為BF₃、BCl₃、AsH₃和PH₃等等。在質(zhì)量分析器102中，由于不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且采用質(zhì)量分析得到的離子束較為純凈。隨后，加速器103形成了高壓靜電場(chǎng)，用來對(duì)離子束進(jìn)行加速，使其成為高能離子束，此處加速器對(duì)離子的加速能量是決定離子注入深度的重要參量，電場(chǎng)的電量優(yōu)選為5-500KeV。聚焦裝置104可以將加速后的離子聚焦成直徑為數(shù)毫米的離子束。在離子束經(jīng)過中性束偏移器105時(shí)，利用偏移電極和偏移角度可以將其中的中性原子分離。而Y向掃描裝置106和X向掃描裝置108將在一定面積內(nèi)對(duì)離子束進(jìn)行掃描，最終離子束轟擊目標(biāo)靶109(半導(dǎo)體材料)。當(dāng)離子進(jìn)入目標(biāo)靶109時(shí)，受到目標(biāo)靶原子阻擋，從而停留在其中，經(jīng)過退火后雜質(zhì)進(jìn)入替位、電離成為具有電活性的雜質(zhì)。目標(biāo)靶109通常為需要實(shí)施離子注入的晶圓，晶圓可以由摻雜的單晶硅、摻雜有雜質(zhì)的單晶硅、絕緣體上硅(SOI)、絕緣體上層疊硅(SSOI)、絕緣體上層疊鍺化硅(S-SiGeOI)、絕緣體上鍺化硅(SiGeOI)以及絕緣體上鍺(GeOI)等制成。在形成離子注入之前，晶圓可能經(jīng)過很多工藝步驟，如光刻、蝕刻、摻雜。完成的離子注入工藝的質(zhì)量可能在很大程度上取決于注入晶圓中的離子的均勻性。例如，晶圓中的離子的非均勻分布可能會(huì)導(dǎo)致晶圓中 的晶體管的較差的驅(qū)動(dòng)電流一致性(IDU)或較差的閾值電壓均勻性(VTU)。

此外，在根據(jù)本實(shí)施例的離子注入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，還包括法拉第杯110。法拉第杯110為由金屬制成的真空偵測(cè)器，金屬設(shè)計(jì)成杯狀，用來測(cè)量帶電粒子入射強(qiáng)度，其測(cè)得的電流可以用來判定入射電子或離子的數(shù)量。優(yōu)選的，法拉第杯110布置在目標(biāo)靶109與掃描裝置108之間。法拉第杯110包括開口端和底部(未示出)，所述開口端均朝向所述離子束入射方向。作為示例，所述法拉第杯置于目標(biāo)靶109附近的離子束路徑上，且法拉第杯110的開口端朝向離子注入的方向，當(dāng)離子束入射時(shí)，所述離子束中的離子就會(huì)進(jìn)入法拉第杯110的開口，此時(shí)，與每個(gè)法拉第杯110底部相連接的電流測(cè)量裝置(未示出)會(huì)測(cè)得每個(gè)法拉第杯110產(chǎn)生的電流值。根據(jù)每個(gè)電流測(cè)量裝置的讀數(shù)，可以得出該法拉第杯處的離子束電流的測(cè)量值。典型的，電流測(cè)量裝置可以是安培表、電流互感器、電流傳感器等。

如圖2所示，根據(jù)本實(shí)施例，當(dāng)使用法拉第杯對(duì)離子束211進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為便于描述，在目標(biāo)靶209的表面設(shè)定三維直角坐標(biāo)系。目標(biāo)靶209表面構(gòu)成了X-Y軸坐標(biāo)平面，而Z軸方向設(shè)定為入射離子束211的方向。通常，在現(xiàn)有技術(shù)的離子注入測(cè)量中，主要進(jìn)行離子注入的一維(1D)或二維(2D)的測(cè)量。

一維測(cè)量即通過單個(gè)法拉第杯沿X軸的位置變化而獲得離子束電流沿X軸分布的曲線，作為示例，當(dāng)法拉第杯未進(jìn)入離子束的中心區(qū)域時(shí)，所測(cè)得的離子束電流的值為零；隨著法拉第杯沿X軸逐漸向入射離子束的中心區(qū)域靠近，法拉第杯所俘獲的離子增多，所測(cè)得的電流迅速增大；當(dāng)法拉第杯由離子束的邊緣區(qū)域完全進(jìn)入離子束的中心區(qū)域后，由于離子束的中心區(qū)域的離子束數(shù)量較為穩(wěn)定，入射密度較為均勻，因此在曲線上將呈現(xiàn)在某電流值周圍微量浮動(dòng)的恒定值；隨著法拉第杯繼續(xù)沿X軸移動(dòng)，當(dāng)法拉第杯離開離子束的中心區(qū)域進(jìn)入邊緣區(qū)域時(shí)，由于離子束中的離子密度迅速下降，法拉第杯中俘獲的離子數(shù)量也迅速減少，所測(cè)得的電流值減小；直至法拉第杯沿X軸完全移出離子束范圍，所測(cè)得的電流值為零。因此，使用單 個(gè)法拉第杯沿X軸移動(dòng)所測(cè)得的離子束電流值曲線為臺(tái)狀曲線。

二維測(cè)量則需要通過一組堆疊法拉第杯(Stacked Faraday Cup)進(jìn)行。當(dāng)離子束入射時(shí)，所述堆疊法拉第杯(SFC)成組移動(dòng)，從而得到離子束的分布特性圖像。

作為示例，如圖3所示，在進(jìn)行二維離子束測(cè)量時(shí)，堆疊法拉第杯310為一組由沿Y軸排列的法拉第杯310A、310B、310C…310N組成的陣列。在測(cè)量過程中，所述堆疊法拉第杯310沿X軸平移距離x，當(dāng)離子束開始入射時(shí)，離子束中的離子就會(huì)進(jìn)入法拉第杯310A、310B、310C…310N的開口，此時(shí)，在堆疊法拉第杯310中的每個(gè)法拉第杯310A、310B、310C…310N的底部相連接的電流測(cè)量裝置(未示出)會(huì)測(cè)得每個(gè)法拉第杯310A、310B、310C…310N的產(chǎn)生的電流值。根據(jù)每個(gè)電流測(cè)量裝置的讀數(shù)，可以得出該法拉第杯處的離子束電流的測(cè)量值，從而不僅能夠得到離子束電流沿X軸分布的值，還可以得到離子束電流沿Y軸分布的值，即得到離子束在X-Y軸平面上的分布密度情況。典型的，電流測(cè)量裝置可以是安培表、電流互感器、電流傳感器等。此外，需要注意的是，距離x的長度應(yīng)當(dāng)大于諸如晶圓的目標(biāo)靶的直徑，這樣才能有效地測(cè)量離子束分布密度。

如圖4所示，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供了一種在三維(3D)維度上進(jìn)行離子注入測(cè)量的方法。本發(fā)明所述的三維測(cè)量不需要增加新的離子注入測(cè)量機(jī)制，而是基于與二維離子注入測(cè)量相同的一組堆疊法拉第杯(Stacked Faraday Cup)進(jìn)行。

作為示例，如圖4所示的X-Y軸平面上，所述三維測(cè)量在對(duì)離子束分布進(jìn)行測(cè)量時(shí)，堆疊法拉第杯410為一組由沿Y軸排列的法拉第杯410A、410B、410C…410N組成的陣列。在測(cè)量過程中，所述堆疊法拉第杯410沿X軸平移距離x，當(dāng)離子束開始入射時(shí)，離子束中的離子就會(huì)進(jìn)入法拉第杯410A、410B、410C…410N的開口，此時(shí)，在堆疊法拉第杯410中的每個(gè)法拉第杯410A、410B、410C…410N的底部相連接的電流測(cè)量裝置(未示出)會(huì)測(cè)得每個(gè)法拉第杯410A、410B、410C…410N的產(chǎn)生的電流值。根據(jù)每個(gè)電流測(cè)量裝置 的讀數(shù)，可以得出該法拉第杯處的離子束電流的測(cè)量值，從而不僅能夠得到離子束電流沿X軸分布的值，還可以得到離子束電流沿Y軸分布的值，即得到離子束在X-Y軸平面上的分布密度情況。典型的，電流測(cè)量裝置可以是安培表、電流互感器、電流傳感器等。此外，需要注意的是，距離x的長度應(yīng)當(dāng)大于諸如晶圓的目標(biāo)靶的直徑，這樣才能有效地測(cè)量離子束分布密度。

作為示例，本發(fā)明在對(duì)離子束分布進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)還包括在在如圖4所示的Z軸(垂直于目標(biāo)靶表面方向)上進(jìn)行的測(cè)量。首先，每個(gè)法拉第杯410A、410B、410C…410N組成的堆疊法拉第杯410在平面S處進(jìn)行離子束的二維測(cè)量。需要注意的是，通過在平面S處的X-Y平面進(jìn)行離子束測(cè)量，可以獲得離子束在平面S處的射入強(qiáng)度最大的點(diǎn)。優(yōu)選的，在該點(diǎn)處連接法拉第杯的電流測(cè)量裝置所測(cè)得的電流值最大，本發(fā)明將該點(diǎn)作為離子束注入的“質(zhì)心”點(diǎn)。隨后，由每個(gè)法拉第杯410A、410B、410C…410N組成的堆疊法拉第杯410被沿著Z軸負(fù)值方向平移距離d，其中平移距離d優(yōu)選為垂直于目標(biāo)靶表面，即沿Z軸方向的平移距離。當(dāng)由每個(gè)法拉第杯410A、410B、410C…410N組成的堆疊法拉第杯410被平移到距平面S的距離為d的平面S’處時(shí)，再次進(jìn)行離子束的二維測(cè)量。需要注意的是，通過在平面S’處進(jìn)行離子束的X-Y二維測(cè)量，同樣可以獲得離子束在平面S’處的射入強(qiáng)度最大的點(diǎn)。

如圖5A所示，512C為離子束在平面S處的射入強(qiáng)度最大的點(diǎn)，優(yōu)選的，在該點(diǎn)處連接法拉第杯的電流測(cè)量裝置所測(cè)得的電流值最大，本發(fā)明認(rèn)為該點(diǎn)512C是離子束在平面S處進(jìn)行二維測(cè)量所得到的“質(zhì)心”點(diǎn)。在堆疊法拉第杯410被沿著Z軸負(fù)值方向平移距離d后到達(dá)S’平面，設(shè)512A為“質(zhì)心”點(diǎn)512C沿垂直于S’平面的法線在S’平面上的投影。而由于入射離子與目標(biāo)靶的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)后，才能夠因?yàn)閯?dòng)能耗盡而停止在目標(biāo)靶中。512B為在平面S’處經(jīng)過二維測(cè)量所得到的“質(zhì)心”點(diǎn)，優(yōu)選的，在512B處法拉第杯所測(cè)得的電流值最大。

如圖5B所示，512A為圖5A中的在平面S處進(jìn)行二維離子束測(cè)量所得的“質(zhì)心”點(diǎn)在平面S’處的投影點(diǎn)。512B為在平面S’處經(jīng)過二維測(cè)量所得到的“質(zhì)心”點(diǎn)。512A和512B在同一平面S’上，在平面S’上以X-Y坐標(biāo)設(shè)定512A和512B的坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2，y2)。通過這樣的三維直角坐標(biāo)系設(shè)定，可以根據(jù)512A至512B的確定從平面S到平面S’移動(dòng)距離d后，離子束的入射角度分別為：Y軸方向θ_v＝arctan(Δy/d)，X軸方向θ_h＝arctan(Δx/d)。

如圖6，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、進(jìn)行離子束的三維測(cè)量的方法流程圖。其中，S601提供離子注入系統(tǒng)，在所述離子注入系統(tǒng)的離子束輸出端設(shè)置有至少一組堆疊法拉第杯；S602使用所述堆疊法拉第杯在垂直于所述離子束入射方向的第一平面上進(jìn)行第一二維離子束分布測(cè)量，以獲得所述第一平面上的離子束分布的第一質(zhì)心點(diǎn)；S603在垂直于所述離子束入射方向的第二平面確定所述離子束分布的所述第一質(zhì)心點(diǎn)的投影點(diǎn)，其中所述第二平面與所述第一平面具有沿離子束入射方向的第一距離；S604使用所述堆疊法拉第杯在所述第二平面上進(jìn)行第二二維離子束分布測(cè)量，以獲得所述第二平面上的離子束分布的第二質(zhì)心點(diǎn)；S605根據(jù)所述第一質(zhì)心點(diǎn)的投影點(diǎn)與所述第二質(zhì)心點(diǎn)的位置和所述第一距離計(jì)算所述離子束的入射角度。

需要注意的是，本文所述的離子束測(cè)量方法不僅能夠用于離子束注入系統(tǒng)的離子束輸出端的測(cè)量，還可以應(yīng)用于離子束注入系統(tǒng)任意位置的離子束測(cè)量。同理，本發(fā)明所述的離子束測(cè)量方法也能夠應(yīng)用太陽能領(lǐng)域、光電子領(lǐng)域或FPD領(lǐng)域的其他用途的離子注入機(jī)中。

本發(fā)明不僅能夠在不增加任何軟件、硬件形式的其他設(shè)備、裝置和操作機(jī)制的情況下對(duì)離子束的入射角度進(jìn)行測(cè)量，還能夠同時(shí)給出水平和豎直方向的離子束入射角度，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離子束注入在三維方向上的變化。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在本發(fā)明的教導(dǎo)下根據(jù)不同復(fù)雜程度的原始設(shè)計(jì)版圖作出合適的選擇。

本發(fā)明已經(jīng)通過上述實(shí)施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述 的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。