[发明专利]用发射光谱学/残余气体分析仪结合离子电流的剂量测定

说明书

技术领域

本发明的实施例主要涉及处理基板的方法和装置。尤其涉及半导体基板的等离子体工艺过程中一个或多个元素的剂量监控的方法和装置。

背景技术

在等离子体工艺中控制离子剂量是很重要的，例如等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)工艺、高密度等离子体化学汽相沉积(HDPCVD)工艺、等离子体浸没离子注入工艺(P3I)和等离子体蚀刻工艺。集成电路制作中的离子注入工艺尤其需要以在半导体基板上获得理想的离子剂量的仪器和控制。

离子注入中的剂量主要指通过处理中的基板的虚曲面的每单元面积的离子总量。注入的离子分布在基板的整体体积中。注入的离子密度(每单位体积的离子量)沿着离子流的方向发生主要变化，离子流方向通常为相对于基板表面正交(垂直的)的方向。沿垂直方向的离子密度(每单位体积的离子数)的分布称为离子注入深度剖面。调节离子注入剂量(每单位面积的离子量)的仪器和控制系统有时称为剂量测定。

离子注入可在离子束注入装置和等离子体浸没离子注入装置中完成。产生必须在基板表面经过光栅扫描的窄离子束的离子束注入装置通常每次只注入单一的原子元素。精确测量这种装置中的离子电流并对时间进行积分以计算实际剂量。因为整个离子束都进入基板且离子束中的原子元素已知，因此离子注入量能精确的测量。在离子束注入装置中这一点至关重要，因为其采用了在输出电流中会有显著偏移的直流离子源，且在束注入器中采用的各种栅格和电极也偏移(由于直流源易于受组件表面上沉积的材料的聚集物的影响)。因此，离子束注入装置中精确的剂量测定是至关重要的。将精确监控的离子束电流对时间进行积分以计算瞬时电流注入剂量，且一旦剂量达到预定的目标值则停止工艺。

相比之下，等离子体浸没离子注入反应器在剂量测定上存在一个难题。通常基板上的入射离子的原子量不能精确测量，因为这样的反应器采用包含所需离子注入元素和其它元素的气体前体。例如，由于纯硼在室温下是固体，对硼的等离子体浸没离子注入必须采用多元素气体如B₂H₆作等离子体前体，这样硼和氢离子都留在基板上。结果，从测量电流中得到硼的剂量很困难。在等离子体浸没离子注入反应器中实现剂量测定的另一个难点是等离子体离子不断的撞击整个基板，因此在到达基板的整个离子流的基板上方很难实现直接测量法。反之，只能从很小面积上得到的测量间接推断剂量。这尤其适用于采用RF(射频)等离子体电源或RF等离子体偏压电源的反应器。

采用直流(或脉冲直流)等离子体电源的等离子体浸没离子注入反应器对等离子体离子流中来自等离子体的内在反应器组件上材料的沉积导致的偏移很敏感。这样的反应器因此需要精确的实时剂量测定。这个问题已经通过在晶片支撑基座或基板外围外的阴极上提供一个小孔得到解决，使等离子体离子穿进阴极的体积内。有时被称为法拉第杯的电极对着该孔，并设置偏压以聚集通过小孔的离子。阴极内部可以抽空到比等离子体室稍低的气压以确保有效的聚集通过小孔的离子。阴极内的电流传感器测量离子聚集电极和偏压电源之间的电流。此电流能用作剂量测定法的基础。这种配置的一个问题是不同原子元素之间的电流测量无法区分，因此不能提供对所关心元素(如硼)的精确测量。另一个问题是从阴极内的电流传感器到外部控制器或处理器的测量电流的传输可能由于等离子体反应器的嘈杂电磁环境而失真。

另一个问题是阴极内的孔对理想的等离子体环境构成了干扰，因为该孔能使基板外围附近的电场失真。此外，穿过小孔的等离子体通过喷溅小孔表面或在小孔内表面沉积也能引发问题，需要对小孔内部进行定期清洗。

在采用RF等离子体电源的等离子体浸没离子注入反应器中，精确的或实时的剂量测量通常不是特别重要。这要部分归因于RF等离子体相对不受内室组件上的材料沉积影响，因此晶片表面的离子流与采用直流等离子体源的反应器相比没有显著偏移。而且，在这样的反应器中实时的剂量测量是困难的。例如，这种反应器的恶劣的射频环境将使阴极(如上所述)内获得的离子流测量在传到外部控制器或处理器的过程中失真。为避免这种问题，基于达到目标注入剂量而预知的或评估的时间，注入剂量能得到可靠的控制。然而，由于半导体设备中的部件尺寸越来越小，因此越来越需要实时的剂量控制。

因此，在等离子体处理室中需要精确的实时剂量测定，比如射频等离子体浸没离子注入反应器。

发明内容

本发明主要提供等离子体工艺中实时控制离子剂量的方法和装置。