使用沟道化的原位角度测量的制作方法

1.本公开的实施例涉及用于确定离子束的入射角度的系统及方法，且更具体来说，涉及使用沟道化来确定入射角度。


背景技术：

2.离子束用于将掺杂剂植入到工件(例如硅衬底)中。这些离子束可使用产生所期望种类离子的离子源来形成。这些离子是由选择所期望种类并朝向工件导引离子的多个组件提取及操纵。
3.所得离子束依据所述离子束的几何结构以一个或多个入射角度撞击工件。在某些实施例中，精确地测量离子在工件上的入射角度可为有利的。举例来说，在某些实施例中，存在其中需要紧密控制入射角度的植入工艺。
4.确定离子束的角度分布的一种方法是通过使用卢瑟福背散射(rutherford backscattering)。当离子撞击工件时，一些会被散射。随着离子变得与工件的结晶结构中的沟道对准，散射的离子量减少。举例来说，如果离子的入射角度与工件的沟道完全平行，则背散射将被最小化。
5.然而，卢瑟福背散射受限于其中被植入的离子的分子量小于工件的分子量的实施例。因此，可能无法对磷或砷离子束及硅工件实行卢瑟福背散射。
6.因此，如果存在一种准确地测量离子束的入射角度的系统及方法，则将是有益的。此外，如果可测量包括较重离子(例如砷及磷)的束，则将是有利的。最后，如果此系统及方法还可用于改善离子束的角度分布满足工艺需求的准确度，则将是有益的。


技术实现要素：

7.公开一种能够测量离子束(特别是包括较重离子的离子束)的入射角度的系统及方法。在一个实施例中，使用x射线而不是背散射离子来确定沟道化方向。在另一实施例中，工件至少部分由具有高分子量的材料构造而成，使得可测量较重离子束。此外，在另一实施例中，在整个束上测量离子束的参数，从而使得离子植入系统的组件能够被进一步调整以形成更均匀的束。
8.根据一个实施例，公开一种入射角度测量系统。所述入射角度测量系统包括：离子植入系统，产生离子束；可移动工件保持器，用于保持工件；探测器，用于捕获来自所述工件的发射，其中所述探测器包括沿所述离子束的宽度(称为x方向)设置的多个传感器；以及控制器，其中所述控制器旋转所述可移动工件保持器以改变x角度并在多个x角度中的每一者处接收来自所述探测器的输出，且其中在沿所述x方向的多个位置中的每一者处，所述离子束在所述x方向上的入射角度被确定为处于其中从相应传感器接收的所述输出最小的所述x角度。在一个实施例中，所述多个传感器包括法拉第传感器，其中所述法拉第传感器中的每一者捕获来自所述离子束的一部分的背散射离子。在某些实施例中，所述多个传感器包括x射线探测器，其中所述x射线探测器中的每一者捕获从所述工件的一部分发射的x射线。
在某些实施例中，所述控制器根据从所述多个传感器接收的输出计算所述x方向上的入射角度扩展。在一些实施例中，所述离子植入系统包括设置在离子源附近的提取光学器件，其中所述控制器调节所述提取光学器件的定位以校正所述入射角度扩展。在某些实施例中，所述离子植入系统包括设置在离子源下游的四极透镜，其中所述控制器调节所述四极透镜的聚焦效果以校正所述入射角度扩展。在某些实施例中，所述离子植入系统包括设置在离子源下游的准直器，其中所述控制器调节供应到所述准直器的电流以校正所述入射角度扩展。在某些实施例中，所述控制器旋转所述可移动工件保持器以改变y角度并在多个y角度中的每一者处接收来自所述探测器的输出，且其中在沿所述x方向的多个位置中的每一者处，所述离子束在y方向上的入射角度被确定为处于其中从相应传感器接收的所述输出最小的所述y角度。在某些实施例中，所述控制器根据从所述多个传感器接收的输出计算所述y方向上的入射角度扩展。
9.根据另一实施例，公开一种入射角度测量系统。所述入射角度测量系统包括：离子植入系统，产生离子束；可移动工件保持器，用于保持工件；探测器，其中所述探测器包括一个或多个x射线探测器；以及控制器，其中所述控制器旋转所述可移动工件保持器以改变x角度并在多个x角度中的每一者处接收来自所述探测器的输出，且其中所述离子束的入射角度被确定为处于其中来自所述探测器的所述输出最小的所述x角度。在某些实施例中，所述离子束包括具有比所述工件高的原子质量的离子。在某些实施例中，所述离子束包括磷或砷离子，且所述工件包括硅工件。
10.根据另一实施例，公开一种入射角度测量系统。所述入射角度测量系统包括：离子植入系统，产生离子束；可移动工件保持器，用于保持工件；探测器；单晶靶材料，不同于所述工件，设置在所述可移动工件保持器上；以及控制器，其中所述控制器旋转所述可移动工件保持器以改变x角度并在多个x角度中的每一者处接收来自所述探测器的输出，且其中所述离子束的入射角度被确定为处于其中来自所述探测器的所述输出最小的所述x角度。在某些实施例中，所述单晶靶材料设置在所述可移动工件保持器上超出所述工件的边缘的位置处，使得当所述工件设置在所述可移动工件保持器上时，所述单晶靶材料可通过所述离子束进行植入。在某些实施例中，所述单晶靶材料包括具有比所述工件高的原子质量的元素。在一些实施例中，所述单晶靶材料选自由钨、钼、钽、锗、砷化镓、氮化镓及磷化铟组成的群组。在某些实施例中，所述控制器旋转所述可移动工件保持器以改变y角度，且其中所述离子束的入射角度被确定为处于其中来自所述探测器的所述输出最小的所述y角度。在某些实施例中，所述单晶靶材料代替所述工件设置在所述可移动工件保持器上。在一些实施例中，所述单晶靶材料具有所述工件的形状及大小。
附图说明
11.为更好地理解本公开，参照并入本文中供参考的附图且在附图中：
12.图1是根据一个实施例的离子植入系统。
13.图2是根据一个实施例的入射角度测量系统。
14.图3a是根据另一实施例的入射角度测量系统的侧视图。
15.图3b是图3a所示入射角度测量系统的俯视图。
16.图4示出安装到可移动工件保持器的单晶靶材料。
具体实施方式
17.如上所述，本系统可用于实行沟道化植入或者测量及调整离子植入系统中的离子束。在某些实施例中，离子束可为使用点波束离子植入系统(spot beam ion implantation system)形成的扫描带状束(scanned ribbon beam)。
18.如图1中所示，离子植入系统包括离子源100，离子源100包括界定其中形成等离子体的离子源腔室的多个腔室壁。在某些实施例中，离子源100可为射频(radio frequency，rf)离子源。在此实施例中，rf天线可抵靠介电窗(dielectric window)设置。此介电窗可包括腔室壁中的一者的部分或全部。rf天线可包含例如铜等导电材料。rf电源与rf天线电通信。rf电源可向rf天线供应rf电压。由rf电源供应的功率可在0.1kw与10kw之间，且可为任何适合的频率，例如在1mhz与100mhz之间。此外，由rf电源供应的功率可经历脉冲调制。
19.在另一实施例中，在离子源腔室内设置有阴极。在阴极后面设置有丝极(filament)，且所述丝极被激励以发射电子。这些电子被吸引到阴极，阴极又将电子发射到离子源腔室中。由于所述阴极是通过从丝极发射的电子间接地加热，因而此阴极可称为间接加热式阴极(indirectly heated cathode，ihc)。
20.其他实施例也是可能的。举例来说，等离子体可例如通过伯纳斯离子源(bernas ion source)、电容耦合等离子体(capacitively coupled plasma，ccp)源、微波或电子回旋共振(electron-cyclotron-resonance，ecr)离子源以不同的方式产生。产生等离子体的方式不受此公开所限制。
21.称为提取板的一个腔室壁包括提取孔口。提取孔口可为开口，在离子源腔室中产生的离子1经由所述开口被提取且被引导穿过质量分析器120并被朝向工件10引导。提取孔口可为任何适合的形状。在某些实施例中，提取孔口可被造型为卵形或矩形，具有称为宽度(x尺寸)的一个尺寸，所述尺寸可比称为高度(y尺寸)的第二尺寸大得多。
22.设置在离子源100的提取孔口外部及所述提取孔口附近的是提取光学器件110。在某些实施例中，提取光学器件110包括一个或多个电极。每一电极可为其中设置有孔口的单个导电组件。作为另外一种选择，每一电极可包括间隔开的两个导电组件，以便在所述两个组件之间形成孔口。电极可为例如钨、钼或钛等金属。电极中的一者或多者可电连接到地(ground)。在某些实施例中，电极中的一者或多者可使用电极电源进行偏压。电极电源可用于使电极中的一者或多者相对于离子源偏压，以便经由提取孔口吸引离子。提取孔口与提取光学器件110中的孔口对准，使得离子1通过两个孔口。
23.位于提取光学器件110下游的是质量分析器120。质量分析器120使用磁场来导引提取离子束1的路径。磁场根据离子的质量及电荷影响离子的飞行路径。在质量分析器120的输出或远端处设置有具有分辨孔口131的质量分辨装置130。通过恰当选择磁场，只有具有所选择质量及电荷的离子1将被引导穿过分辨孔口131。其他离子将撞击质量分辨装置130或者质量分析器120的壁，且将不会在系统中行进得更远。
24.在某些实施例中，通过质量分辨装置130的离子可形成点波束。
25.点波束可然后进入设置在质量分辨装置130下游的扫描器140。扫描器140使点波束以扇形散开成多个发散的子束(beamlet)。扫描器140可为静电的或磁性的。
26.在其他实施例中，通过质量分辨装置130的离子可形成带状离子束，其中在整个离子植入系统中输送宽束。举例来说，可从离子源100提取带状束。在此实施例中，不需要扫描
器140。
27.在某些实施例中，准直器150然后将这些发散的子束转换成被朝向工件10引导的多个平行的子束。准直器150可为磁体。在此实施例中，电流被施加到准直器磁体以操纵通过其中的子束。
28.在其他实施例中，由静电透镜构成的系统可充当准直器150，并将发散的束转变成多个平行的子束。
29.工件10设置在位于准直器150下游的可移动工件保持器160上。
30.在某些实施例中，沿离子的路径可设置有一个或多个四极透镜190。举例来说，在质量分析器120之前、在质量分析器120之后、在质量分辨装置130之后或在其他位置中可设置有四极透镜190。
31.在某些实施例中，离子束的方向称为z方向，垂直于此方向且水平的方向可称为x方向，而垂直于z方向且垂直的方向可称为y方向。在此实例中，假定扫描器140在x方向上扫描点波束，同时可移动工件保持器160在y方向上平移。
32.在工件10的区附近可设置有探测器170。探测器170可用于测量与离子束1相关联的某些参数。在某些实施例中，探测器170可包括以线性方式布置的一个或多个法拉第装置。在另一实施例中，探测器170可包括多个x射线探测器。下文更详细地阐述探测器170的操作。
33.还使用控制器180来控制所述系统。控制器180具有处理单元181及相关联的存储器装置182。此存储器装置182包含指令183，当由处理单元执行时，指令183能够使得系统实行本文中所述的功能。此存储器装置182可为包括非易失性存储器(例如闪速只读存储器(read-only memory，rom)(flash rom)、电可擦除rom或其他适合的装置)在内的任何非暂时性存储介质。在其他实施例中，存储器装置182可为例如随机存取存储器(random access memory，ram)或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，dram)等易失性存储器。在某些实施例中，控制器180可为通用计算机、嵌入式处理器或专门设计的微控制器。控制器180的实际实施不受此公开所限制。
34.如下文更详细地阐述，控制器180可与探测器170、扫描器140及可移动工件保持器160进行通信。控制器180、探测器170及可移动工件保持器160可为入射角度测量系统的一部分。
35.图2示出简化图例，其示出入射角度测量系统200的操作。如上所述，控制器180与可移动工件保持器160及探测器170进行通信。朝向安装在可移动工件保持器160上的工件10引导离子束1。探测器170设置在工件10附近，以便在工件10通过离子束1进行植入时接收来自工件10的发射。举例来说，所述发射可为背散射离子或x射线。控制器180绕y轴或x轴旋转可移动工件保持器160。在每一旋转角度处，探测器170探测所述发射并将此信息传输到控制器180。控制器180可记录此信息作为旋转角度的函数。在此过程已完成之后，结果可为示出最小值的一组数据，例如曲线图210中所示。应注意，控制器180不必产生曲线图210，而是示出曲线图210是为了示出当可移动工件保持器160旋转时来自探测器170的预期输出。
36.如果控制器180通过绕x轴与y轴二者旋转来重复此过程，则可以高精确度确定与可移动工件保持器160的使所述束沟道化到工件10中的取向对应的x角度(x’)及y角度(y’)。绕x轴旋转会导致改变y角度，而绕y轴旋转会导致改变x角度。
37.此外，所述系统还可包括基于入射角度测量系统200的结果来变更束角度的能力。举例来说，基于获得的结果，控制器180可操纵去往准直器150或者离子植入系统中的另一组件的电流。因此，在某些实施例中，公开一种入射角度测量及控制系统。
38.举例来说，如果发现工件处的离子束在x方向上发散，则此可通过增大去往准直磁体的电流来补偿。此种电流的增大将会有两个作用：其将增大平均弯曲角度及增大收敛量。一旦实现了实现完美平行(既不发散也不收敛)的正确电流并测量了平均角度，工件10便可旋转到离子束的所期望取向，且由于离子束现在是平行的，因此所期望的束入射角度将在平的工件的宽度上完全相同。
39.在另一实例中，如果发现工件处的束在一侧处具有向上的方向且在另一侧处具有较不向上的方向，则可通过调节提取光学器件110中的电极的定位来在垂直方向上移动离子束，从而将离子束1引导成更靠近准直磁体的中平面以及在扫略范围(sweep)(x)上实现更均匀的垂直(y’)角度。一旦实现均匀的角度，工件便可相对于此均匀的角度倾斜到所期望取向。
40.此系统还可探测角度变化，所述角度变化可能无法通过操纵束来校正，而是可能需要手动维护干预(例如对准或更换部件)。
41.本公开阐述使得能够对离子束的入射角度进行改善的测量及可选的控制的多个实施例。
42.在第一实施例中，使用卢瑟福背散射来确定离子束在多个位置中的入射角度。图3a示出可移动工件保持器160的侧视图，而图3b示出可移动工件保持器160的俯视图。在可移动工件保持器160上设置有工件10。在某些实施例中，工件10可为硅衬底。在此实施例中，探测器170包括在x方向上间隔开的一个或多个法拉第传感器171。在一些实施例中，一个或多个法拉第传感器171也可在y方向上间隔开。在点波束的情形中，当在x方向上(即，在图3b中在垂直方向上)扫描离子束1时，法拉第传感器171中的每一者依序接收来自工件10的发射。在带状离子束的情形中，所有法拉第传感器171同时接收发射。控制器180与这些法拉第传感器171中的每一者进行通信，且能够针对法拉第传感器171中的每一者创建与曲线图210相似的曲线图。在已从法拉第传感器171收集所有数据之后，控制器180可绕x轴和/或y轴旋转可移动工件保持器160。通过此种方式，控制器180可针对沿离子束1的长度的多个定位确定入射角度(即，x角度(x’)和/或y角度(y’))。
43.如上所述，所述植入系统形成作为带状束或扫描点波束的宽束。对于许多束调整问题，有益的是验证角度(即，x’及y’)在束的宽度上是均匀的。如果存在整体发散或收敛(当或示出整体向上或向下的斜率时)，则此可通过调节去往准直器150的电流来校正。
44.如上所述，沿离子束1的x角度(即，x’(x))可使用多个探测器170来确定，所述多个探测器170各自针对x在离子束1的宽度上的有限范围。如上所述，可改变x倾斜角度，且可识别所述多个法拉第传感器171中的每一者的最小值。通过此种方式，可获得x’(x)曲线上的多个点以及校正在x方向上的任何收敛或发散。相似地，可改变y倾斜角度，且可识别所述多个法拉第传感器171中的每一者的最小值。通过此种方式，可获得y’(x)曲线上的多个点以及探测束的垂直剪切畸变(vertical shear distortion)。
45.此外，如果在x角度或y角度中存在固定偏移，可移动工件保持器160可倾斜，以确保离子束1以垂直角度撞击工件10。换句话说，不再调整离子束1来移除任何恒定的角度偏移，而是可调节可移动工件保持器160来补偿此偏移。
46.此外，此实施例也可能够测量作为x的函数的x方向与y方向二者上的角度扩展：σ
x
′
(x)及σy′
(x)。为实现最大沟道化量，将这些角度扩展最小化可为有利的。角度扩展的量级通常由束光学器件的细节来设定，且可通过例如以下变量来操纵：提取电极的精确定位或者可出于此目的而包括在束线中的各种四极透镜190的聚焦效果。在工件10处，点波束通常被调整为最小大小，这是因为此会给出最高效的剂量。然而，调整为最小角度扩展可能会产生较大的波点大小(spot size)及较不高效的扫描，但会产生更有效的沟道化，且因此获得优越的处理结果。
47.因此，在一个实施例中，公开一种捕获沿离子束的宽度的多个定位的入射角度信息的入射角度测量及控制系统。此是使用在x方向上间隔开的多个探测器170而实现。在又一实施例中，可利用单个探测器170。在此种情形中，探测器170在x方向上移动到不同的定位，以在离子束的宽度上收集数据。
48.在另一实施例中，本技术容许使用包括具有卢瑟福背散射的较重种类的离子束。在一个实施例中，可采用由较重的结晶材料(例如钨)制成的靶工件。具体来说，如上所述，硅衬底的使用将离子束的可能种类限制为原子重量小于硅的种类。因此，可使用不同的单晶材料(例如钨)或一些其他较高原子数金属或化合物作为靶工件。此靶工件可呈硅晶片的形状，且可由静电夹具夹持到可移动工件保持器160。在此实施例中，将以与上述相同的方式进行测量。
49.在另一实施例中，可将靶材料添加到可移动工件保持器。在某些实施例中，靶材料可设置在可移动工件保持器160上超出工件10的边缘的定位处。图4中示出一种可能的几何结构。此图示出可移动工件保持器260，其中一条单晶靶材料270贴合在硅工件10下方，但以使得其由控制工件10的倾斜机构铰接的方式安装到可移动工件保持器260。此单晶靶材料270可以使得单晶靶材料270的沟道化方向与可移动工件保持器260的定位之间的关系被很好地界定的方式附装到可移动工件保持器260。此单晶靶材料270可与工件10至少一样宽，使得其能够在离子束1的整个宽度上提供数据。因此，单晶靶材料270的宽度可大于工件10的宽度。单晶靶的高度可相似于或大于离子束的高度，离子束的高度可在从约5mm到50mm之间变化。单晶靶的厚度可至少厚到足以阻挡离子束1。高能离子的典型范围是在1微米到20微米的范围内。
50.由于原子质量高于硅的离子将被背散射，因此高原子质量晶靶有利于卢瑟福背散射测量。使用金属作为靶的优点是晶体损伤在靶中的积累比在共价键合的结构中慢得多。此外，使用铝靶并探测x射线而不是背散射离子将比钨具有优势，这是因为其将避免有害地污染大部分半导体的风险。
51.因此，在此实施例中，所述系统利用靶材料，所述靶材料是具有比硅高的原子质量的单晶材料，例如钨、钼、钽、锗、砷化镓、氮化镓、磷化铟或可作为单晶获取或外延沉积在一些其他单晶衬底上的任何其他材料。可使用此单晶靶材料270在特定位置(例如离子束的中间)处测量入射角度。在另一实施例中，可与图3a到图3b所示探测器170一起利用此单晶靶材料270，使得在沿离子束的宽度的多个位置处测量入射角度。
52.单晶靶材料270可设置在可移动工件保持器260上的其他位置中。举例来说，在一个实施例中，单晶靶材料270设置在工件10所通常定位于的位置中。在一个实施例中，单晶靶材料270可具有与典型工件相同的大小及形状。在另一实施例中，单晶靶材料270可具有不同的形状及大小，但尺寸可被确定为使得其具有与工件至少一样宽的宽度及与离子束1至少一样高的高度。
53.根据另一实施例，探测器170不采用卢瑟福背散射。相反，探测器170包括一个或多个x射线探测器。使用x射线探测器替代法拉第传感器避免了对离子及靶的相对质量的限制。
54.当高能离子撞击分子并激励内壳层电子(inner shell electron)时，会发生粒子诱发x射线发射(particle induced xray emission，pixe)过程。当电子回落到其基态(ground state)时，电子发射x射线，所述x射线的波长由x射线的结合能(binding energy)决定且因此是靶工件中的材料的特性。当高能离子在晶体中进行沟道化时，此种与紧密结合的电子的相互作用大大减少。由于正是这些内壳层电子产生了最高能量(k线)的x射线，因此x射线产率(x-ray yield)可能对沟道化条件非常敏感。换句话说，当离子束1进入工件中的沟道时，所产生的x射线量减少。
55.换句话说，类似于卢瑟福背散射，当离子植入到结晶结构的沟道中时，x射线的发射是最小的。因此，在某些实施例中，探测器170可包括一个或多个x射线探测器。x射线探测器近来的发展已导致不需要液氮且具有足以消除来自其他源的背景的能量分辨率的紧凑单元。
56.有趣的是，无论离子及工件的相对质量如何，x射线发射均会发生。换句话说，包括较重离子(例如磷或砷)的离子束可对硅工件进行植入且仍会产生x射线。因此，使用pixe使得能够虑及被植入的种类来使用硅工件。
57.应注意，在本文中所公开的实施例中的任一者中，x射线探测器可用作探测器170。换句话说，在图3所示实施例中，可使用x射线探测器。此外，如果需要，则可对较重的靶或较轻的靶使用x射线探测器。
58.以上在本技术中阐述的实施例可具有许多优点。高能植入受益于出于至少两个原因而使用故意沟道化的入射角度。首先，对于给定的能量，离子更深地穿透到工件中。其次，沟道化的入射角度形成较少的晶体损伤。
59.然而，对于平均束角度及离子束内的角度扩展二者，故意沟道化的植入利用极为准确的角度控制(《0.05
°
或近似1毫弧度)。基于高纵横比孔口及法拉第来测量离子电流的现有计量法不能够实现此种准确度。此外，由于卢瑟福背散射应用中关于离子及硅工件的相对质量的约束，当前的系统也受到限制。
60.通过如图3中所示在x方向上使用多个探测器，可确定及控制整个离子束上的束角度及角度扩展。具体来说，可调节去往准直器150的电流，以满足沟道化植入的限制。作为另外一种选择或另外，可调节提取光学器件的精确定位及四极透镜的聚焦效果以满足这些限制。因此，本系统使得可在整个工件上实行沟道化植入。
61.此外，使用x射线探测器使得能够无论所期望的离子种类如何均使用相同的测量及控制系统。因此，如果需要，则可使用较重离子及硅工件进行测量。
62.本公开的范围不受本文中所述的具体实施例限制。实际上，通过以上说明及附图，
对所属领域中的普通技术人员来说，除本文中所述实施例及修改之外，本公开的其他各种实施例及对本公开的各种修改也将显而易见。因此，这些其他实施例及修改均旨在落于本公开的范围内。此外，尽管在本文中已出于特定目的而在特定环境中在特定实施方案的上下文中阐述了本公开，然而所属领域中的普通技术人员将认识到，本公开的效用并不仅限于此且可出于任何数目的目的而在任何数目的环境中有益地实施本公开。因此，应考虑到本文中所述本公开的全部范畴及精神来理解以上所述的权利要求。