半导体工艺设备及其法拉第杯的制作方法

[0001]
本申请涉及半导体加工领域，特别涉及一种半导体工艺设备及其法拉第杯。


背景技术：

[0002]
等离子体浸没离子注入系统不同于利用加速电场及离子质荷比特性得到目标能量离子的束线离子注入系统(beam-line ion implantation system)，等离子体浸没离子注入系统是将需要被掺杂的目标物直接浸没在包含掺杂剂的等离子体中，并通过给目标物施加特定负电压，使等离子体中的掺杂剂离子进入到目标物表面。然而随着集成电路制程工艺的不断发展，尤其是进入到7nm、5nm甚至3nm制程阶段，基片晶圆的成本更高，相关制程工艺对掺杂设备稳定性、掺杂均匀性、注入离子剂量控制以及金属污染量级提出了更高的要求。其中，掺杂工艺的精度主要由离子注入剂量测量装置决定。因此，离子注入剂量测量装置需不断更新优化以获得更高的工艺控制精度。


技术实现要素：

[0003]
本申请提出了一种半导体工艺设备的法拉第杯，包括：电源部、杯体以及杯口组件，其中，
[0004]
所述杯口组件设置在所述杯体的杯口上，所述杯口组件包括：
[0005]
第一电极层，位于在所述杯口的上方；
[0006]
第二电极层，位于所述第一电极层的上方，与所述第一电极层绝缘；
[0007]
其中，所述第一电极层和第二电极层上开设有对应设置的通孔；
[0008]
所述电源部用于向所述第一电极层施加第一负脉冲偏压，向所述第二电极层施加第二负脉冲偏压，其中，所述第一负脉冲偏压和第二负脉冲偏压具有相同的相位，且所述第一负脉冲偏压的偏压值大于所述第二负脉冲偏压的偏压值。
[0009]
进一步的，所述电源部还用于向所述杯体施加第三负脉冲偏压，其中，所述第三负脉冲偏压、第一负脉冲偏压和第二负脉冲偏压具有相同相位，且所述第三负脉冲偏压的偏压值小于所述第一负脉冲偏压的偏压值和第二负脉冲偏压的偏压值，所述杯体与所述第一电极层绝缘。
[0010]
进一步的，所述第一电极层与所述杯体之间、所述第一电极层和第二电极层之间、所述第二电极层远离所述第一电极层的一侧均设置有绝缘层，所述绝缘层上均开设有与所述第一电极层和第二电极层上的通孔对应设置的通孔。
[0011]
进一步的，所述杯体的内壁设置有保护层。
[0012]
进一步的，所述通孔具有多个，所述通孔的直径为0.5mm-2mm。
[0013]
进一步的，多个所述通孔的开口面积之和占所述杯体的杯口面积的0.4％-2％。
[0014]
本申请还提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室；所述工艺腔室内设置有用于承载晶圆的承载部，所述工艺腔室内还设置有固定安装部，所述固定安装部上设置有绕所述承载部设置的容置槽，上述的法拉第杯设置在所述容置槽内。
[0015]
进一步的，半导体工艺设备还还包括聚焦环，所述聚焦环将所述固定安装部的侧壁和所述固定安装部开设所述容置槽的端面包覆，所述聚焦环上开设有与所述第一电极层和第二电极层上的通孔对应设置的通孔。
[0016]
进一步的，所述固定安装部和所述杯体为陶瓷一体结构。
[0017]
进一步的，所述杯口组件的上端面与所述固定安装部的上端面平齐。
[0018]
与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
[0019]
杯口组件中的第一电极层和第二电极层被电源部施加具有相同相位但偏压值不同的第一负脉冲偏压和第二负脉冲偏压后，第一电极层和第二电极层之间形成电场方向朝向第一电极层的电场，电场能够防止等离子体中扩散的自由电子进入到杯体中，从而使得本申请的测量结果更加准确。
附图说明
[0020]
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0021]
图1是根据本申请的一个实施例的法拉第杯的整体结构示意图；
[0022]
图2是法拉第杯安装在固定安装部内的俯视示意图；
[0023]
图3是法拉第杯安装在固定安装部内的正视示意图；
[0024]
图4是半导体工艺设备的整体结构示意图。
[0025]
附图标记说明：
[0026]
100-杯体，110-保护层；
[0027]
200-杯口组件，210-第一电极层，220-第二电极层，230-通孔，240-绝缘层；
[0028]
300-工艺腔室，310-气源部，311-喷头，320-耦合部，321-耦合线圈，322-电极射频源，323-匹配器，330-检测系统，340-锥形筒，341-支撑架，350-转接件，360-衬板，370-光敏感应器，371-信号处理系统，380-真空泵系统，390-电源部；
[0029]
400-固定安装部，410-容置槽，420-隔板，430-聚焦环；
[0030]
500-承载部。
具体实施方式
[0031]
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0032]
图1和4示意性地显示了根据本申请的一个实施例的半导体工艺设备的法拉第杯，包括电源部390、杯体100和杯口组件200，上述的杯口组件200设置在杯体100的杯口上，杯口组件200包括第一电极层210和第二电极层220。其中第二电极层220与杯口的间距大于第一电极层210与杯口的间距，具体的，第一电极层210设置在杯体100的杯口上方，第二电极层220设置在第一电极层210的上方，第二电极层220与第一电极层210绝缘，第一电极层210和第二电极层220上具有对应设置的通孔230，离子能够通过通孔230进入到杯体100中。
[0033]
电源部390与第一电极层210和第二电极层220电连接，电源部390能够对第一电极
层210施加第一负脉冲偏压，电源部390还能够对第二电极层220施加第二负脉冲偏压，第一负脉冲偏压和第二负脉冲偏压具有相同的相位，并且第一负脉冲偏压的负偏压值大于第二负脉冲偏压的负偏压值。例如，第二负脉冲偏压为-u0，第一负脉冲偏压为-u0-70v。
[0034]
第一电极层210、第二电极层220和杯体100之间可设置一定间距，使三者之间相互绝缘。
[0035]
法拉杯是等离子体浸没离子注入系统中用于测量离子掺杂精度的重要装置，在掺杂过程中，正离子会进入到法拉第杯中被转化成电流信号，通过电子系统的计算得到进入到法拉第杯中的正离子的量，从而得到等离子体浸没系统中的离子掺杂量。在实际测量过程中，部分来自等离子体的自由电子会进入到法拉第杯中造成测量不准。
[0036]
在本实施例中，上述的第二电极层220被施加的第二负脉冲偏压能够将正离子引入到杯体100中，正离子进入到杯体100中后形成电流信号，从而可测得离子掺杂量。第一电极层210和第二电极层220由于分别被电源部390施加不同偏压值但是相位相同的偏压，因此在第一电极层210和第二电极层220之间会形成电场，同时由于第一电极层210被施加的第一负脉冲偏压的偏压值大于第二电极层220上被施加的第二负脉冲偏压的偏压值，因此在第一电极层210和第二电极层220之间形成的电场方向与第二电极层220向第一电极层210延伸的方向同向，根据物理规则，电子在电场中的运动方向与电场方向是相反的，因此等离子中向杯体100中自由扩散的自由电子在进入到第一电极层210和第二电极层220之间的电场时会受到排斥力，电场能够使自由电子向第二电极层220运动，即远离杯体100的一侧运动，从而避免自由电子进入到杯体100中，减少自由电子对离子测量精度的影响。
[0037]
当法拉第杯的测量精度提高后，相应的，离子掺杂的精度也会提升。
[0038]
在一个实施例中，如图1所示，上述的电源部390还用于对杯体100施加第三负脉冲偏压，第三负脉冲偏压、第一负脉冲偏压和第二负脉冲偏压都具有相同的相位，且同时，第三负脉冲偏压的偏压值小于第一负脉冲偏压和第二负脉冲偏压的偏压值，例如将第三负脉冲偏压设置为-u0+20v，同时杯体100应与第一电极层210绝缘。可以将杯体100与第一电极层210之间设置一定的间距。
[0039]
在对杯体100施加第三负脉冲偏压后，杯体100与第一电极层210和第二电极层220之间都形成电场，并且此电场的方向与杯体100向第一电极层210和第二电极层220延伸的方向同向，因此在第二负脉冲偏压处于off阶段时等离子体产生的部分低能正离子向杯体100自由扩散时会受到杯体100与第一电极层210和杯体100与第二电极层220之间的电场的排斥作用而无法进入到杯体100中，进而进一步保证了法拉第杯的测量精度。
[0040]
值得注意的是，上述的杯体100上被施加第三负脉冲偏压的目的是为了形成一个电场方向朝向第一电极层210和第二电极层220的电场，因此还可以在第一电极层210的下方设置一个第三电极层，将偏压值最小的负脉冲偏压施加在第三电极层上，这样也能够形成一个电场方向朝向第一电极层210和第二电极层220的电场，达到与上述的在杯体100上施加偏压相同的目的。杯体100的材质为镍。
[0041]
由于第一电极层210、第二电极层220和杯体100之间都被施加有负脉冲偏压，为了使第一电极层210、第二电极层220和杯体100之间不会相互影响，在上述的实施例中的解决方法是使第一电极层210、第二电极层220和杯体100相互之间具有一定的间距，但由于上述三者未完全隔离，相互之间还是会有一定的影响。
[0042]
因此，为了解决上述问题，在一个实施例中，如图1所示，第一电极层210与杯体100之间、第一电极层210和第二电极层220之间、第二电极层220远离第一电极层210的一侧均设置有绝缘层240，绝缘层240上均开设有与第一电极层210和第二电极层220上的通孔230对应设置的通孔230。
[0043]
通过设置绝缘层240能够使第一电极层210、第二电极层220和杯体100完全分隔，避免上述三者被施加负脉冲偏压后相互影响。具体的，绝缘层240的材质可采用陶瓷。
[0044]
在一个实施例中，如图1所示，杯体100的内壁设置有保护层110，设置保护层110的目的在于防止进入到杯体100中的正离子直接轰击杯体100的内壁而破坏杯体100，同时保护层110能够防止正离子轰击杯体100的内壁后溅射产生二次电子，避免产生二次电子影响测量的准确性。具体的，保护层110的材质可采用石墨、硅及其碳化硅等材质。
[0045]
在一个实施例中，为了使法拉第杯的测量精度更高，测量结果更准确，如图1所示，第一电极层210和第二电极层220上对应设置的通孔230的数量为多个，多个通孔230分布在第一电极层210和第二电极层220的各处。
[0046]
值得注意的是，通孔230的分布方式可以是均匀分布，相邻通孔230之间的间距应是相同的。
[0047]
通孔230的内径的范围在0.5mm-2mm之间，多个通孔230的开口面积之和占杯体100的杯口面积的0.4％-2％，多个通孔230开口面积之和为1平方厘米-5平方厘米，以满足测量精度的要求。
[0048]
本申请还提供了一种半导体工艺设备，如图2、3和4所示，包括工艺腔室300，上述的法拉第杯设置在工艺腔室300内，工艺腔室300内还设置有承载部500，承载部500用于固定安装晶圆，在工艺腔室300内设置有固定安装部400用于固定支撑法拉第杯，法拉第杯绕承载部500设置。
[0049]
具体的，在固定安装部400上设置有容置槽410，容置槽410绕承载部500设置，上述的法拉第杯固定在容置槽410内，为了使法拉第杯的固定更牢固，容置槽410的形状和大小与法拉第杯的外形相适应，以避免法拉第杯在容置槽410内发生晃动。
[0050]
在半导体工业中主要的加工对象是晶圆，晶圆的外形为圆形，因此，在一个实施例中，上述的承载部500用于承载晶圆的端面也可为圆形，相应的，为了更方便地设置固定安装部400上的多个绕承载部500设置的容置槽410，固定安装部400可设置为环状，将固定安装部400绕承载部500设置，容置槽410环形设置，这样能够使容置槽410与承载部500上的晶圆的间距更小，从而使得测量结果更为准确。
[0051]
值得注意的是，固定安装部400也可为矩形体状并绕承载部500设置。
[0052]
在一个实施例中，上述的容置槽410的数量可为一个，其整体绕承载部500设置，相应的，法拉第杯的外形也为圆柱形，这样能够使法拉第杯紧靠承载部500设置，同时也能够使法拉第杯处于承载部500的各处，从而提高测量的精确度。
[0053]
在另一个实施例中，如图2所示，在固定安装部400内设置有多个隔板420，多个隔板420将容置槽410数量变为多个，多个容置槽410均匀地绕承载部500设置，每个容置槽的410大小也相同，容置槽410的开口为弧形，这样设置能够减小法拉第杯的加工难度，使法拉第杯的耐用性更好。隔板420与固定安装部400为一体结构。
[0054]
在一个实施例中，如图3所示，上述的半导体工艺设备还包括聚焦环430，聚焦环
430将固定安装部400的侧壁和固定安装部400开设容置槽410的端面包覆，聚焦环430上开设有与第一电极层210和第二电极层220上的通孔230对应设置的通孔230。
[0055]
具体的，将法拉第杯设置在容置槽410内后再设置聚焦环430将法拉第杯的上端面包覆，相应的，在聚焦环430上开设通孔230使离子能够进入到法拉第杯中。聚焦环430起到保护法拉第杯和固定安装部400的作用，防止离子直接轰击法拉第杯和固定安装部400的表面，聚焦环430的可采用硅材质。
[0056]
在一个实施例中，如图2和3所示，上述的固定安装部400和法拉第杯为陶瓷一体结构，一体结构的上述两者的一致性更好，可减少将法拉第杯装配到固定安装部400内的步骤。
[0057]
在一个实施例中，如图3所示，杯口组件200远离杯体100一侧的端面与固定安装部400开设容置槽410的端面平齐，这样能够使法拉第杯的设置方式和结构与晶圆更接近，从而使测量结果更为精确。
[0058]
在一个实施例中，为了完成半导体加工，如图4所示，上述的半导体工艺设备内还设置有气源部310、耦合部320和检测系统330；其中气源部310与工艺腔室300连通，其用于向工艺腔室300内输入工艺气体，耦合部320用于使工艺腔室300内的工艺气体启辉，从而形成等离子体，电源部390用于对固定在承载部500上的晶圆施加负脉冲偏压，处理系统通过测得正离子进入到法拉第杯内形成的等效电流来计算离子注入剂量。应注意是，上述电源部390并非一定是单一电源，也可以是多个电源的集合，其用于向半导体工艺设备内的各个用电组件供电。
[0059]
具体的，上述的耦合部320包括耦合线圈321、电极射频源322和匹配器323，耦合线圈321与工艺腔室300连接，电极射频源322通过匹配器323与耦合线圈321连接，电极射频源322通过感应耦合的方式将功率耦合给工艺腔室300内的工艺气体，从而使工艺气体启辉以产生等离子体。
[0060]
在加工晶圆时，为了更好地固定晶圆，上述的承载部500为静电卡盘，其能够使晶圆被固定。
[0061]
上述的气源部310通过喷头311与工艺腔室300连通，气源部310通过喷头311将工艺气体注入到工艺腔室300内，喷头311的数量可设置多个，使被注入的工艺气体均匀地分布在工艺腔室300内。
[0062]
在一个实施例中，如图4所示，工艺腔室300还连接有锥形筒340，锥形筒340位于工艺腔室300的上侧并与工艺腔室300连通以形成更大的腔室，锥形筒340内部空心，气源部310的喷头311与锥形筒340连通，喷头311喷出的工艺气体通过锥形筒340进入到工艺腔室300内。相应的，上述的耦合线圈321也可以绕锥形筒340设置，在锥形筒340与工艺腔室300之间设置有转接件350，转接件350作用在于支撑安装锥形筒340，同时其还能够使耦合线圈321与工艺腔室300电连接，转接件350的材质应采用可导电，同时还具有一定的强度材质以满足支撑安装锥形筒340的要求。
[0063]
具体的，在工艺腔室300设置有开口，用于与锥形筒340连通，转接件350水平设置在工艺腔室300的开口处，锥形筒340设置在转接件350上。
[0064]
值得注意的是，在转接件350上还设置有支撑架341以支撑安装喷头311，支撑架341可以设置多个，多个支撑架341绕锥形筒340的中心环形阵列设置，以避免喷头311完全
压设在锥形筒340上。
[0065]
在一个实施例中，工艺腔室300的内壁设置有衬板360，衬板360的材质为碳化硅、石墨或者石英，衬板360能够起到保护工艺腔室300内壁的作用。值得注意的是，衬板360还延伸到转接件350靠近工艺腔室300内的一侧，这样衬板360还一并将转接件350保护。
[0066]
在一个实施例中，工艺腔室300内还设置有光敏感应器370，光敏感应器370连接有信号处理系统371。光敏感应器370能够检测工艺腔室300内的光强度信号，信号处理系统371能够根据这一光强度信号计算得出工艺腔室300内是否有等离子体，即确定耦合部320是否让工艺气体启辉。
[0067]
在一个实施例中，工艺腔室300还连接有真空泵系统380，真空泵系统38用于改变工艺腔室内的气体环境，例如气压，以符合半导体加工所需的气体环境。
[0068]
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。