CN100592460C - 半导体器件加工装置以及控制半导体器件加工工艺的方法 - Google Patents

Abstract

半导体器件加工装置的工艺室内的粒子监控器提供了对该室内的污染粒子流量进行的测量。所述流量被测量，同时在工艺室内产生工艺条件，并对所述测量的流量做出响应而调节工艺参数，以减少在所述工艺期间的这个流量。在离子注入机中，粒子传感器(24)在正被处理的晶片前面的位置上对混在离子束(32)中的所述粒子流量进行测量。

Description

半导体器件加工装置以及控制半导体器件加工工艺的方法

技术领域

【0001】本发明涉及半导体器件加工的工艺控制，在该工艺中在真空室内提供期望的工艺条件。本发明还涉及半导体器件加工装置的改进。

背景技术

【0002】半导体加工工艺被用于制造和改进半导体材料衬底中的结构，以便在衬底上制造有用的器件。很多这些加工工艺是在半导体材料的衬底或晶片上执行的，而这些衬底或晶片被固定在真空室内并暴露于期望的工艺条件中。容易理解的是由于在被处理衬底或晶片的表面上存在污染微粒而使工艺可能受到有害的影响，这些污染微粒可能来源于工艺室内。工艺室内不需要的微粒可能源于许多来源，包括机械运动部件、诸如与真空室内表面形成电弧的电相互作用以及例如排放过程中的室内预先存在的污染微粒的干扰。

在此，本发明的实施例和例子将以离子注入作为特殊重点进行描述。然而，本发明的大多数通用原则也涉及到其他的半导体器件加工工艺，存在污染微粒对于这些工艺也是一个问题。

【0003】已经提议用传感器对工艺环境内(典型是在真空室内)的污染微粒的流量进行检测和计数或测量。通常，在现有技术中这种传感器使用光学技术，在这些光学技术中光源被导向样品区域，并对可能被样品区域内的污染微粒所散射的光进行检测。

【0004】例如，美国专利US 4,896,048描述了一种粒子检测器，该检测器可被用于例如离子注入领域中。检测器可能定位在真空室内，而来自光源的光沿着光纤被传送到样品区域。还有一束光纤被用以检测被散射的光，并将散射光信号传递到该室外的传感器。

【0005】美国专利US 5,751,422公开了一种光学检测器，在该检测器中形成有激光介质的光学谐振腔。感测区域被限定在光学谐振腔内，而光学谐振腔的被感测区域内的污染微粒所散射的光被传递给该检测器。

【0006】考虑到清除与防止邻近感测区域的窗口的污染，美国专利US 5,463,460和5,565,985公开了另一种离子监控传感器，经该窗口将光从光源中导出并且通过该窗口的散射的光可以被检测。

【0007】上面现有技术专利说明书中没有一个说明书详细描述了对源自所公开粒子检测器的信号进行具体使用。

【0008】美国专利US 5,047,648公开了一种粒子检测器，其“原地”被定位在离子注入机的工艺室内，以便当衬底经过离子束时检测从注入机的扫描轮上的衬底飞出的粒子。通过将检测器定位在扫描轮的切线上扫描轮与离子束相交的一点上，就确保检测了污染微粒的最大流量。

【0009】据说所公开的检测器允许在晶片还正被处理时监控室内的粒子水平，以致可以采取校正动作。校正动作的实质细节没有给出。

【0010】事实上，至今在注入技术领域中，例如上面的美国专利所述的原地粒子监控器已经被用以提供在处理期间过量粒子数的指示，以便给注入机的操作员产生报警使得注入工艺可以在对正被处理的晶片造成无法补救的损害之前被“适度地”终止。然后，可以采取校正动作，该动作典型的是在注入机上执行清洗工艺，包括真空室的排放和粗加工的重复循环。这个清洗工艺趋向去除真空室内的微粒，并且允许这些微粒被抽空以便减少室内微粒的总数量。

【0011】重要的是，本领域中已知的校正动作包括停止真空室内的工艺，即终止期望的工艺条件。而且，校正动作可包括在上述清洗工序之前从工艺室中取出晶片。虽然在一些情况下接着可能是对先前部分处理的晶片重新开始执行工艺，以便完成那些晶片的处理，但在很多情况下这可能不是切实可行的。现有技术的粒子检测的重要性是确保了在将又一批晶片安装到机器中用于后续处理之前采取校正动作。

【0012】还应当参考以下公开发表的文章：

i)Integration of a Particle Monitor into the Control System for an IonImplanter，Myers等人，Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchB74(1993)，243-247页；

ii)In Situ Particle Monitoring in a Varian ElOOOHP Ion Implanter，Sedgewick等人，IIT-94，579-582页；

iii)In Situ Particle Monitoring in a Varian Medium Current Implanter，Sedgewick等人，IIT-94，583-587页；

iv)Advanced In Situ Particle Monitor for Applied Materials ImplanterApplications，Simmons等人，IIT-98，570-573页；

v)Successful Integration of In Situ Particle Monitoring into a Volume300mm High Current Implant Manufacturing System，Simmons等人，IIT-2002，323-326页。

所有上面的论文公开了注入机中使用的原位粒子监控器。Myers等人描述了利用这种监控器来预期需要清洗工艺室与停止当前工艺。当超过较低阈值时，当前注入完成后就通知警报以允许操作员执行维护。超过较高阈值可能造成当前注入被停止。超过较高阈值可能是由于所谓的灾难性事件造成的，例如晶片在室内破损。

【0013】Simmons等人在IIT-2002中的第二篇文章描述了原位粒子监控器，该监控器允许对分批式注入机里正被处理的每批晶片进行监控并且及早地检测到过量的粒子流。结果，粒子问题可以更早地被检测并且在采取校正动作之前影响较少批的晶片。

【0014】上面所列的所有公开发表的论文确认了建立的技术发展水平观点：原位粒子监控器对于防止在存在过量粒子数时工艺继续下去而言是很有用的，以便将被不适当地处理与被显著损害的晶片或衬底的数量减到最少。

在又一篇论文(Experimental Evidence for Beam Particulate Transportin Ion Implanters，Sferlazzo et al，IIT-92，565-569页)中对实验进行了描述，在该实验中将人造微粒引入到离子束中并观察到这些微粒沿着离子束被输送。摄影机被用以观察和记录所注入的粒子被离子束输送的现象。然而，在该论文中没有讨论对粒子进行计数或对粒子流量进行测量。

发明内容

【0015】一方面，本发明提供了一种控制半导体器件加工工艺以便在真空室内提供所期望工艺条件的方法。所述工艺包括用以控制工艺条件的多个可调工艺参数。

【0016】根据该方法，对工艺进行操作以得到真空室内的工艺条件，并在工艺操作期间测量由工艺条件所造成的真空室内的污染粒子的流量。然后，响应于所测的污染粒子流量，调节至少一个工艺参数以减少工艺期间所测的流量。

【0017】这样，污染粒子流量的测量就被用来调节工艺参数，目的是将工艺中产生的污染粒子减到最少。

【0018】优选地，在将处理晶片曝露于真空室内期望的工艺条件之前，在最初设置或校准工序期间应用上述方法。这样，工艺参数自己可以被调节，目的是将工艺中产生的污染粒子减到最少。

【0019】例如，在离子束注入工艺中，控制离子束本身的工艺参数可根据上述方法进行调节以将粒子产生减到最少。所调节的工艺参数可包括那些控制穿过束线路的束横向对准的参数、或者对束线路的静电聚焦元件上的电压进行控制的参数。本发明的方法是第一次允许这些参数为产生少量的粒子而被最优化，并且可以动态地执行最优化，在这种意义上参数变化对所测粒子流量的影响可被监控以确定粒子的减少。

【0020】如上面所述，最优化或控制工艺可以作为最初的设定工序进行，也可在现场工艺运行期间进行，以调节不是对工艺关键的参数，以便最小化粒子产生。

【0021】重要的是，当工艺条件在真空室内被保持时执行上述方法，以致控制方法的效果是提供一个闭环使得可监控参数调节对减少污染粒子流量所起的作用。

【0022】优选地，假如离子注入工艺使用离子束进行注入，则上述的流量测量步骤就能对混在所述束中的污染粒子流量进行测量。已经发现，尤其是在沿着离子束尽可能接近所要注入的衬底晶片的位置，对混在离子束中的污染粒子进行测量提供了被注入晶片表面的微粒污染的预期等级的良好指示。还重要的是，混在离子束中的污染粒子流量与微粒污染等级密切相关，而所述微粒污染等级取决于真空室内的工艺条件，并因此至少在某种程度上通过改变所选可调工艺参数是可控的。

【0023】本发明还提供了包含真空室的半导体器件加工装置。该装置可被操作以在真空室内提供由多个可调工艺参数控制的期望工艺条件。位于真空室内的粒子传感器测量由工艺条件造成的污染粒子的流量，而控制器对所测的流量做出响应来调节至少一个工艺参数，以减少所测的流量。在半导体器件加工装置是具有离子束发生器(以在真空室里产生沿着束路径或束通道行进的期望用于注入的离子束)的离子注入机的情况下，粒子传感器优选地被定位与安装以测量沿束通道流动的污染粒子的流量。离子束发生器可包括将不需要的荷质比离子从离子束去除的质量过滤器，并且该装置可还包括被注入的半导体晶片所用的固定器。然后，粒子传感器优选地被定位以在过滤器与固定器之间的位置上对沿着所述离子束的所述流量进行测量。

【0024】粒子传感器可包含框架结构，该框架结构在与离子束通道横截的平面中限定了束孔。然后，将框架结构安装到真空室内，而束孔与离子束通道对准。框架结构里的光源指引所述横截平面内的光与离子束通道交叉，而框架结构里的光传感器对指示粒子流量的光信号进行检测，这些粒子是由来自光源的光照亮的。

【0025】优选地，框架结构是导电的并被安装在真空室内，使其处于预先确定的电位。这样，可以控制粒子传感器的框架结构具有如辅助控制离子束时需要的期望电位。

【0026】本发明还提供了将离子注入到半导体晶片内的半导体器件加工装置，其中该装置具有真空室、离子束发生器以及粒子传感器。所述离子束发生器在所述真空室里产生沿束通道行进期望用于注入的离子束；所述粒子传感器被定位和安装在真空室内以测量沿束通道流动的污染粒子的流量。

【0027】将参考附图对本发明的例子进行描述。

附图说明

【0028】图1是实施本发明的一种离子注入机的示意图示，以及

【0029】图2是进一步的示意图，其示例说明了位于图1离子束注入机的真空室内的粒子传感器。

具体实施方式

【0030】参考图1，典型离子注入机的主要部件如图示位于框10所示意说明的真空室内。离子在离子源11例如贝纳斯(Bernas)型离子源中产生并由提取电极12提取以形成束。被提取离子的束经过屏蔽或挡板13上的孔进入分析器磁铁14的飞行管。在分析器磁铁14内，束中具有不同荷质比的离子采用不同的飞行路径曲率，并因此在分析器的出口处在空间上分离。质量分辨狭缝15被定位在分析器的出口处，以便选择期望荷质比的离子用于向前的传输与注入。

【0031】在这个实施例中，被选择质量的离子束16经过聚焦透镜17，该透镜可能例如被用以将束加速或减速到所期望的注入能量。被聚焦的束在碰撞到安装在晶片固定器20上的晶片19之前经过等离子体溢流系统(plasma flood system)18。晶片固定器20优选是由大体示于21处的机械扫描装置在二维上被扫描经过束16。当在晶片19的扫描期间将晶片从离子束16中移开时，该离子束就绕过晶片固定器20上的晶片19，以在束收集器22(典型的是法拉第收集器)中被吸收。

【0032】因而，所述的离子注入机早就是现有技术的一部分。在美国专利US 5,969,366中描述了这种离子注入机的进一步细节，该离子注入机具体含有与位于质量分辨狭缝15的下游的电极17相对应的加速和聚焦光学器件。这里将该美国专利的全部公开内容以引用方式并入本文。适合于固定器21的扫描晶片固定器的进一步细节在US 5,641,969中描述，该专利的全部公开内容以引用方式也被并入本文。代替如在上述参考文献中所说明的具有扫描轮的分批式注入机，晶片固定器21也可以如公开发表的国际申请WO 03/088303所陈述的那样进行实施，该国际申请提供了用于单个晶片的二维扫描装置。实际上，本发明不受限于将晶片扫描经过离子束的任何具体模式。

【0033】在所述实施例中，等离子体溢流系统18可能是如美国专利第6,501,081号所述的那样，其中氩气等离子体中的低能电子被引入到位于被注入晶片正前面的限制管道中。如已知的，低能电子可被吸引到在晶片上所累积的任何正电荷上，从而防止由注入期间过度充电引起的对晶片的损害。

【0034】在图1实施例中电极12所代表的提取光学器件可能采用美国专利6,559,454所述的形式，然而，本发明同样不涉及提取光学器件的具体形式，该提取光学器件被用以最初形成从离子源提取的离子束。

【0035】再参考图1，根据所期望的注入配方设置由注入机对晶片进行适当注入所用的期望工艺条件。这个配方罗列所要注入离子的种类(例如单电荷的硼离子)、要被传送到晶片上用于注入的那些离子的能量、注入期间离子束与晶片之间的一个或多个角度、以及在注入工艺期间所要传送的晶片每单位面积的总剂量。其他配方要求可能是在晶片表面上允许的最大的剂量不均匀度、以及允许的被注入离子能量的最大变化量。此外可能有所规定的允许的注入角度最大变化量。

【0036】为了获得期望的工艺配方条件，注入控制器与电源单元23调节和控制注入机的各种工艺参数。这些工艺参数将包括到离子源的进料供给，以便产生期望的注入种类；施加到离子源上的电压，以便优化离子源内的用于注入的期望离子化种类的产生；施加到提取电极12上的电压连同提取电极的机械对准，以便优化在所期望的提取能量从离子源的束提取；施加到电磁绕组上的电流(电磁绕组结合质量分辨狭缝15的位置与调节形成磁分析器14)，以便选择期望荷质比的离子向前传输用于注入；施加到电极17上的电压，以便必要时加速或减速被选的束并提供适当的聚焦以将其传送到衬底上用于注入；实现注入期间晶片上累积电荷的期望中和的等离子体溢流系统18中的氩气传送和电压控制；以及使用扫描机构21对固定器20上的晶片19进行机械扫描的速度和持续时间。而且，为了获得适当的总剂量传送与剂量均匀性，必要的是在注入工艺期间使用法拉第收集器(faraday)22来监控束中的总离子流。在设立工序期间，法拉第收集器22所测量的被传送期望种类流可以通过调整上述的各种控制参数进行最大化。在注入工艺期间，最初所测量的束电流优选连同在工艺期间的继续束电流测量值，使得该工艺可被控制，以便根据需要将期望总剂量传送给晶片。

【0037】如上面讨论的现有技术参考文献中所陈述的，还已知的是在注入机的真空室内包括粒子监控传感器，具体地位于真空室的部件中，而在该真空室内处理晶片被操纵并被扫描经过注入束。然而，在现有技术中，如果微粒数超过某些阈值，则所测量的微粒流量被用以提供警报，该警报可以通知操作员启动清洗工序。

【0038】如图1所阐释的本发明实施例中，提供粒子传感器24以感测污染微粒的流量并将线路25上的相应信号提供给控制器和电源单元23。重要的是，不管有没有操作员的干涉，从传感器24所测量的粒子流量然后就被控制器和电源单元23使用，以调节注入机的各种可控工艺参数(如上面讨论的)，以便试图并减少或最小化所测的粒子流量。例如，通过在不同离子束孔上的离子束的冲击及其边缘的冲击，在注入机中可能产生粒子，而束穿过所述孔在离子源和晶片19之间通过。例如，对提取光学器件的电极12的调节可以使在这点上产生的粒子最少。通过对质量选择器的输入挡板13、质量选择器电流、质量分辨狭缝的位置与宽度以及施加到聚焦电极17的电压的有效调节，可做类似调节以减少粒子数。此外，通过调节施加到离子源11上的电压可以减少粒子数。

【0039】因此，根据本发明的这个例子，来自传感器24的粒子数直接被用以调节注入机的工艺参数，目的是减少粒子数。

【0040】在处理晶片被注入之前，可以在设定工序中执行这种优化工艺。然而，该优化工序也可以发生在注入工艺期间，其要么通过暂时停止注入，例如在恢复注入之前将晶片从束中移开同时保持束本身，然后对工艺参数做出调节以使粒子数最少；或者实际中通过对工艺参数的审慎调节同时继续晶片的注入。

【0041】重要的是，从粒子传感器24所测的粒子数直接被用以设计对输入参数的调节，同时保持工艺条件(这里指离子束)，以便尝试减少粒子数。

【0042】响应于所测粒子数对注入机进行操作的这种新方法来源于这样的理解：工艺条件自己可能造成粒子数的增加，以致工艺参数的调节可以减少粒子数，而不需要如现有技术那样直接转到真空室清洗工艺。

【0043】在图1所阐释的例子中，粒子传感器24被定位和安装以测量粒子的流量，事实上这些粒子混在被传送到晶片19的离子束16中。这样，传感器24对粒子流量进行直接测量，粒子流量可能会影响到晶片并引起不需要的污染。从而，对混在束中的粒子流量进行测量是对处理晶片的可能粒子污染的更直接的测量。

【0044】相比而言，位于离子注入机的工艺室内的现有技术粒子传感器能够只测量该室内的背景粒子流量、或者测量在束与晶片之间的界面处产生的粒子的流量以及在扫描轮式晶片固定器的自旋期间从晶片射出的粒子的流量。

【0045】如图1所示，将粒子传感器24定位以在聚焦电极17和等离子体溢流系统18之间的位置上测量混在离子束中的粒子的流量。由于等离子体溢流系统18必须(必然地)是紧接在晶片19的前面以便获得晶片上电荷的期望中和，因此粒子传感器24应沿着离子束16尽可能向下游地进行有效地定位。这样，离子传感器24就能检测在束线路的更大部分上产生的夹带粒子，以便最佳表示在处理期间可能撞击到晶片的微粒的流量。如果为了晶片的电中和可以省略等离子体溢流系统，例如采用另一电荷控制工艺，那么粒子传感器就可以被定位在紧接晶片的前面。

【0046】图2更详细示出了图1的粒子传感器24。粒子传感器24包含框架30，该框架限定了与如图2箭头32所表示的离子束通道相对准的孔31。在图中，框架30在一个截面内加以图示说明，该截面是沿着横穿离子束方向32的框架30的中平面截取的。在这个例子中，粒子传感器包含对来自激光源的光进行传送的输入光纤33，该光作为光束34被指引穿过孔31，从而穿过束通道32。光束34然后进入框架30对面的光束收集器，该光束收集器在所阐释的例子中作为空腔35形成，在该空腔内来自光束34的光可以被吸收并将反射降到最少。

【0047】当光束34中的光经过离子束32时，任何经过光束34的混在离子束32中的粒子将趋向于反射来自光束34的光。被反射的光由安装在框架30上的透镜36收集，并聚集到输出光纤37里。输入光纤33和输出光纤37经由穿过真空室壁40的真空连接38和39被连接到位于真空室外部的光源与检测器电子盒41上。光源与监测电子盒41有效地构成图1的控制器与电源单元23的功能部件并与之电耦合。。

【0048】可以使用其他形式的粒子检测器代替图2所具体说明的那种检测器，包括参考上述现有技术文件所述的粒子检测器。在另外的装置中，粒子传感器可以是发射类型，在这种类型传感器中粒子对发射光的影响被感测。粒子传感器应当是足够灵敏的，以便提供混在穿过孔31的束中的可靠微粒数。通过加大在孔31内的束照射区域，可以提高灵敏度。

【0049】如前面所述，粒子传感器24被安装在真空室里以便沿着束线路在尽可能远的下游位于要被注入晶片的前面。便利地，粒子传感器的框架30是由诸如金属的导电材料形成的。使用电导体42电连接到框架30上，该电导体经由真空直通件43通向处于真空室壁40外部的电终端44。这样，粒子传感器的框架30可被连接到外部电源上，以便需要时框架可以被电偏置。接着，框架30本身可以提供具有可控电位的束孔，可能需要该束孔以提供所需的束聚焦、电子抑止或者对离子束进行辅助控制所需的任何其他功能。具体地，粒子传感器24的框架30可能被电连接以具有与紧邻的束线路结构相同的电位，该束线路结构例如是紧接粒子传感器24上游的其中一个邻近电极17、或者紧接该传感器下游的等离子体溢流系统18的限制管。这样，粒子传感器24的存在对束的电影响可被降低到最小，或者作为选择，在需要时被控制和使用。

【0050】虽然上面具体参照离子注入机和离子注入过程对本发明实施例的例子进行了描述，但本发明的变体可用于其他半导体加工工艺或者利用其他半导体加工设备。例如，离子传感器可被用在CVD或PVD沉积系统的室中，并被用于控制室内的工艺条件以使粒子的产生最少。

Claims (11)

1.一种控制离子注入工艺以便在真空室内提供期望工艺条件的方法，其中所述离子注入工艺提供用于注入的离子束，所述工艺包括用以控制所述工艺条件的多个可调工艺参数，所述方法包含这些步骤：

a)操作所述工艺以在所述真空室内产生所述工艺条件，

b)在所述工艺操作期间，测量由所述工艺条件造成的并且混在所述离子束中的所述真空室内的污染粒子的流量，以及

c)响应于所述测量的流量，调节至少一个所述工艺参数以减少在所述工艺期间测量的所述流量。

2.离子注入装置，其包含

真空室，

所述装置可被操作以在所述真空室内提供由多个可调工艺参数控制的期望工艺条件，

离子束发生器，该发生器在所述真空室里产生沿着离子束通道行进的期望用于注入的离子束，

位于所述真空室内的粒子传感器，该传感器测量由所述工艺条件造成的污染粒子的流量，其中所述粒子传感器被定位与安装以测量沿所述束通道流动的污染粒子的流量，

以及控制器，该控制器对所述测量的流量做出响应以调节至少一个所述工艺参数来减少所述测量的流量。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述离子束发生器包括将不需要的荷质比离子从所述离子束去除的质量过滤器，所述装置还包括要被注入的半导体晶片所用的固定器，而所述粒子传感器被定位以测量在所述过滤器与所述固定器之间沿着所述束通道的所述流量。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述装置进一步包括加速/减速单元，以对来自所述质量过滤器的所述束中的离子能量进行调节，而所述粒子传感器被定位以在所述加速/减速单元与所述固定器之间测量沿着所述束通道的所述流量。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中所述装置进一步包括位于所述固定器前面的中和器，该中和器可工作以减少注入期间在所述固定器上的产品晶片的静电荷，所述中和器具有在晶片固定器前面围绕所述束的导管，而所述粒子传感器被定位以在紧接在所述导管前面测量沿着所述束通道的所述流量。

6.根据权利要求2所述的装置，其中所述粒子传感器包含在与所述离子束通道横截的平面中限定束孔的框架结构，所述框架结构被安装到所述真空室内，而所述束孔与所述离子束通道相对准，所述框架结构里的光源将所述平面内的光导向与所述离子束通道交叉，而所述框架结构里的光传感器对指示粒子流量的光信号进行检测，所述粒子是由来自所述光源的所述光照亮的。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述光源产生与所述离子束通道交叉的光束，而所述框架结构包括位于所述光源的相对位置以接收与吸收所述光束的光束收集器。

8.根据权利要求6和7中任一项权利要求所述的装置，其中所述框架结构是导电的并被安装在所述真空室内，使其处于预先确定的电位。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述框架结构是被电连接到所述装置的相邻束孔上。

10.根据权利要求8所述的装置，其包括将所述框架结构电绝缘的底座以及从所述真空室引出的电引线，该引线提供了能够将期望的偏置电位施加到所述框架结构上的连接。

11.用于将离子注入到半导体晶片内的半导体器件加工装置，所述装置具有真空室、离子束发生器以及粒子传感器，所述离子束发生器在所述真空室里产生沿束通道行进期望用于注入的离子束，所述粒子传感器被定位和安装在所述真空室内以测量沿所述束通道流动的污染粒子的流量。

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