技术领域
[0001] 本
发明大体上涉及离子注入剂量测量系统和方法，更具体涉及用于就地(in-situ)监测
工件上负电荷和正电荷积聚的系统。
背景技术
[0002] 在
半导体处理工业，经常将离子注入到工件(诸如
半导体晶片)中，以便在工件中提供特定的特性。一种常见的过程涉及将离子注入工件中，其中晶体管装置已被预先形成并且跨工件隔离，并且多晶
硅触点被
定位于装置的栅极上。栅极进一步
覆盖所谓的“阱(well)”，其中对阱的
接触大体上定义了装置的源极和漏极触点，而定义了装置的
端子。薄
氧化物进一步居于栅极与通道之间，其中栅极任一侧上的触点定义了源极和漏极。在操作中，当正
电压施加到栅极时(诸如在n通道晶体管装置中)，正电压加强或吸引负电荷并且推出正电荷，而有效地截断通过晶体管的传导。当正电压松弛时，容许电荷进入通道，而允许晶体管装置进行传导。
[0003] 当超过氧化物规格的正电压施加到栅极时(例如，以5至10MV/cm数量级在氧化物中产生相对较高的
电场的电压)，
电流通常会开始流经氧化物。起初，电流经由量子
力学隧穿电流(quantum-mechanical tunneling current)(通常称为Fowler-Nordheim隧穿电流或FN隧穿电流)或者直接隧穿(direct tunneling)流经氧化物，并且初始电流通常不会对薄氧化物产生显著损坏，因为在电流最初流动期间，起初几乎没有产生热量。然而，经过一段时间后，经由电流流动生成电荷陷阱，由此最终导致氧化物失效。在氧化物分解或失效之前，通常需要相对较大量的电荷(例如，1至3库仑/cm2)流经氧化物。
[0004] 完全可预测在已知的良好氧化物中最初传导电流的电压。例如，对于给定的氧化物厚度而言，隧穿电流通常已知并且会适于约6至10V。在半导体处理期间(诸如在离子注入过程中)，期望确定离子注入是否会使装置达到隧穿电压，并且如果达到，则确定是否存在电流流动。
[0005] 常规上，已利用电荷监测器来测量借由离子束或离子注入过程而施加到工件上的峰值电压。通常使用浮置探针(例如，朗缪尔探针)来测量这一峰值电压。浮置探针通常是平面探针(例如，直径约1mm的小圆盘)，其中当探针经过离子束时，该探针经历正或负充电电压，这取决于射束中是否存在过量的离子或
电子。典型的充电电压处于+/-10V的范围内。然而，在现代半导体处理实现的小型装置中，这种充电电压通常足以感应出电流在栅极氧化物结构内流动。
[0006] 然而，这种感应电流流动的充电电压本身并不一定表明装置内会发生损害和/或故障。另外，这种峰值电压的测量无法提供足够的信息来确定装置是否发生损坏，因为一般情况下隧穿电流不会损害工件。
[0007] 另一种监测电荷的常规方法使用消耗性监测晶片(monitor wafer)。监测晶片(也称作测试元件组晶片)由其上形成各种电容器结构的半导体晶片组成，其中电容器结构具有与之耦合的较大触点。大面积的触点收集到相对较大量的电荷并且将电荷集中于较小的电容器栅极上。用于栅极触点(例如，薄氧化物)的各种尺寸的接触区域和栅极区域借用居于厚氧化物层上的装置的剩余部分来提供。当跨监测晶片施加电压时，电流在装置中的流动集中于栅极本身。提供接触面积与栅极面积的各种比例(称作“天线比(antenna ratio)”)，并且为栅极本身给予较大的电流
密度以便
加速监测装置的失效。然而，监测晶片非常昂贵并且作为消耗性或抛弃型测试晶片用于注入。
[0008] 据此，需要有一种新型、更稳健且廉价的双极性测量系统以及在离子注入期间就地测量电荷积聚的方法。
发明内容
[0009] 本发明通过提供用于就地测量经受离子注入的工件上的电荷积聚的系统及方法而克服
现有技术中的局限性。本发明有利地识别是否存在电流流动和电荷积聚，而协助确定经受处理的特定装置的使用寿命。如果存在电流流动，则本发明进一步提供识别经过一段时间后电流流动的程度。据此，下文介绍发明内容的简要概述，以便对本发明的某些方面具有基本了解。本发明内容部分并非本发明的详尽综述。其既非旨在确定本发明的关键元件或主要元件，亦非限定本发明的范围。其目的在于，以简化形式呈现本发明的某些构思，作为下文具体实施方式的引言。
[0010] 常规监测晶片的使用提供了离子注入系统性能的定性测量。然而，这种方法的局限性在于，该方法不能为在半导体工件上制造的实际装置提供预期结果的有意义的指示。本发明利用实际测量视为最可能导致实际装置失效的故障参数对常规系统提供显著改善。
[0011] 在本发明的上下文中，一个特定故障参数着重于经由测量系统测量导通薄氧化物的总电荷。在正离子在冲击接地表面(例如，工件)后产生次级电子时，本发明的测量系统可操作成测量正电荷和负电荷以及它们的积聚幅度。这些次级电子是大体上在邻近离子束周边的区域中的接地表面消失，进而导致离子束电位的上升。因此，充电在靠近离子束中心处将为正值而在靠近离子束边缘处将为负值。据此，本发明有利地分开监测并测量离子注入系统中的正电荷和负电荷的贡献。
[0012] 根据本发明，提供一种用于将离子注入工件的离子注入系统。设置处理腔室，其具有离子源，该离子源配置成在处理腔室内产生离子电浆或离子束。配置成将工件定位于处理腔室的内部区域内的具有
支撑表面的工件支撑件被配置成将工件的注入表面曝露于离子电浆或离子束。所述电荷监测器进一步与工件支撑件相关联，其中
控制器被配置成接收来自电荷监测器的
信号并且至少部分基于来自电荷监测器的信号而确定由工件所经历的电荷积聚的数量。
[0013] 根据一个示例性方面，所述电荷监测器包括朗缪
耳探针，其中正电荷
整流器和负电荷整流器可操作地耦合至所述朗缪耳探针并且各自被配置成仅传输正电荷和负电荷。正电流积分器可操作地耦合至所述正电荷整流器，其中所述正电流积分器经由正临界电压而
偏压，并且其中所述正电流积分器被配置成至少部分基于所述正临界电压输出正剂量。负电流积分器可操作地耦合至所述负电荷整流器，其中所述负电流积分器经由负临界电压而偏压，并且其中所述负电流积分器被配置成至少部分基于所述负临界电压输出负剂量。
[0014] 正电荷计数器和负电荷计数器被配置成各自接收来自所述正电流积分器和负电流积分器的输出，以便提供与各自正电荷和负电荷相关联的各自累积正电荷值和累积负电荷值。
[0015] 上文的发明内容部分仅旨在简要概述本发明某些实施方案的某些特征，其他实施方案可包括上述特征以外的其他特征和/或不同特征。特别地，该发明内容部分不得理解为限定本
申请的保护范围。因此，为实现前述及有关目的，本发明包括下文所述且特别在
权利要求书中所指出的特征。下文内容及
附图详细阐明本发明的某些说明性实施方案。然而，这些实施方案仅表明采用本发明原理的多种不同方式中的少数几种。在结合附图考虑的情况下，由下文对本发明的详细描述会更清楚理解本发明的其他目的、优点及新颖性特征。
附图说明
[0016] 图1是根据本发明的几个方面的离子注入系统的
框图；
[0017] 图2图示出根据本发明的一个示例性方面的其上部署电荷监测器的扫描臂；
[0018] 图3图示出根据本发明的一个示例的离子注入电荷监测器系统的示意图；
[0019] 图4图示出根据本发明又一方面的在离子注入期间监测工件上电荷积聚的方法。
具体实施方式
[0020] 本发明大体上针对用于就地测量和/或监测经受离子注入的工件中的电荷积聚的系统、设备及方法。据此，现将参照附图对本发明予以阐述，其中相同的附图标记通篇可指相同的元件。应当理解，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限定目的。出于解释目的，在下文中阐明若干具体细节，以便全面理解本发明。然而，本领域技术人员会显而易知，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实施。另外，本发明的范围不应受到下文参照附图所述的实施方案或
实施例的限制，而仅受所附权利要求书及其等同变化的限制。
[0021] 还需指出，附图用于说明本发明实施方案的某些方面，由此应视为仅供示意性说明。特别是，根据本发明的实施方案，附图中所示的元件并不一定相互成比例绘制，将附图中各元件的布置选为可清楚理解相应的实施方案，不应理解为必然表示实施中各组件的实际相对
位置。此外，若非特别注明，则本文所述的各实施方案及实施例的特征可相结合。
[0022] 还应理解，在以下描述中，在图中所示或文中所述的功能模
块、装置、组件、
电路元件或其他实际部件或功能部件之间的任何直接连接或耦接亦可通过间接连接或耦接来实施。此外，还应理解，在图中所示的功能模块或部件在一个实施方案中可作为独立特征或电路形式实施，在另一实施方案中亦可或可选择以共同特征或电路来全部或部分实施。举例而言，几个功能模块可作为在共同处理器(如
信号处理器)上运行的
软件形式实施。还应理解，若非另有相反规定，则在以下
说明书中基于
导线所述的任何连接亦可作为无线通信形式实施。
[0023] 据此，下文所提供的本发明描述用于监测在经受离子注入的工件上的电荷积聚的监测装置、系统及方法。本发明超越仅测量充电电压，并且有利地在给定电压下测量可用的电流量，并且经过一段时间后对可用电流进行积分，从而提供测量装置所经历的总导电电荷。本发明的一个创造性方面在于，所得到的测量装置经历的总导电电荷在统计上类似于在工件上形成的标准良构氧化物经历的总导电电荷。因此，如果标准氧化物在损坏或分解之前在统计上承受预定的导电电荷(例如，2库仑/cm2)，则对于特定的离子注入而言，本发明提供测量装置来确定离子束的充
电能力(charging capability)。如果该充电能力小于预定的导电电荷，则能够氧化物层的预期寿命作出预测(例如，氧化物层在已知的氧化物磨损曲线或威布尔曲线(Weibull curve)上所处的位置)。
[0024] 参照附图，图1图示出采用电荷监测器102(例如，也称作双极性电荷监测器)的示例性离子注入系统100。离子注入系统100被配置成产生离子电浆104，其中离子被注入工件106中。在一个示例中，离子注入系统100被配置成产生离子束108，其中使用已知技术朝向工件106引导离子104。替选地，离子注入系统100包括能够产生多个离子104以便注入工件
106中的电浆浸没离子注入(PIII)系统(图中未示出)或者任何其他离子注入系统。因此，本发明不限于特定的离子注入系统100(例如，基于射束、基于电浆等等)，并且本发明在绝大多数配置成将离子注入工件106中的注入系统中都具有实用性。
[0025] 如图所示，离子注入系统100包括处理腔室110，其中工件支撑件112大体上被定位在处理腔室内。例如，工件支撑件112被配置成提供表面来支持工件106，诸如半导体晶片(例如，硅晶片)。例如，工件支撑件112包括静电夹盘或机械式夹持设备(图中未示出)，其被配置成以静电或机械方式将工件106夹持到工件支撑件的支撑表面114。应当指出，尽管在本示例中将工件支撑件112描述为支撑一个工件106，但亦可设想各种其他配置，诸如同时支撑多个工件的配置。
[0026] 根据一个示例，设置离子源116，其中该离子源被配置成产生离子电浆104并将其供应给处理腔室110，并因而供应到居于工件支撑件112上的工件106。在本示例中，离子电浆104包括离子束108，其中如同本领域技术人员所领会，离子源116代表配置用以
质量分析、塑形以及形成离子束的各种构件。应指出，已知用于产生离子电浆104的各种气体、
能量、技术和/或设备无论以离子束、电浆浴(plasma shower)还是其他电浆形式，均可根据本发明来使用，因为所有这些气体、技术和/或设备均视为落入本发明的范围内。
[0027] 在离子注入系统领域中，在离子撞击晶片或工件表面时会出现众所周知的问题：射出低能电子，以及晶片趋于变成带正电。一般而言，传送至晶片的正电荷净含量会与束电流成正比。当晶片表面良好接地并且不具有介电层时，这种电荷主要流向地面。然而，在半导体
制造过程中，通常在工件的表面上已形成一个或多个介电层之后注入离子。这些层充当离子束在其上产生静电荷的隔离岛。
[0028] 这种电荷积聚会产生各种问题。例如，静电荷与射束相互作用并且使其密度下降，这会造成不理想的非均匀注入过程。更重要地，静电荷能够积聚并放电，这会损坏和/或破坏晶片上已经形成的介电层。介电层受到这种放电破坏的易感性会随着集成电路尺寸减小而增大。因此，在离子注入过程中对表面电荷积聚的耐受性很低。
[0029] 这些问题的解决方案是在射束接触晶片之前将中和电荷(例如电子)经由电子源引导至射束和/或晶片的表面。现已提出晶片充电借以在射束接触晶片的位置附近施加中和电荷的各种解决方案，举例而言，参阅共同转让的美国
专利第78083号和第8760054号等，这些专利文件并入本文以供参考。如图所示，本发明是针对用于测量在晶片处接收到的正离子电荷以及负电子电荷的双极性电荷监测装置及系统。这种双极性电荷监测系统能够使用于定量测量电荷积聚，其进而能够使用于向电子源提供反馈以改变其电子输出。
[0030] 根据本发明的一个示例性方面，扫描臂118被设置在处理腔室110内，其中扫描臂被配置成选择性平移工件支撑件112并因而平移工件106经过离子束108。控制器120被进一步设置成控制离子注入系统100的整体操作。例如，控制器120被配置成独自和/或共同控制离子源116、在处理腔室110内移动工件106、电荷监测器102以及与离子注入系统100相关联的其他设备和/或条件。
[0031] 在经由扫描臂118通过离子束108扫描工件106的情况下，电荷监测器102被定位在扫描臂上，以使电荷监测器处于过扫描区域中(over-scan region)120，如图2更加详示。例如，过扫描区域120包括扫描臂118的一部分，该部分在扫描臂旋转122和/或平移124期间经过离子源108，其中电荷监测器102接收来自离子束108的与工件106上相似区域的半导体装置(图中未示出)相同的剂量。根据本发明的一个示例性方面，图2的扫描臂118往复振荡(例如，经由旋转122)通过离子束108，同时使扫描臂118平移(例如，经由平移124)，因而使工件106和电荷监测器102皆多次经过离子束108。在一个示例中，离子束108远大于垂直扫描间距，因而促使注入物均匀覆盖工件106上的各点以及位于周边的电荷监测器102。
[0032] 根据本发明，电荷监测器102包括平面的朗缪耳探针(Langmuir probe)126。例如，朗缪耳探针126进一步经由合适的接线和/或馈穿布缆(feed-thru cabling)(图中未示出)而可操作地耦合至控制器120。在另一个示例中，电荷监测器102经由一个或多个
电池128供电并且被配置成经由与其相关联的非导
电信号发射器130而通信至控制器120。因此，控制电荷监测器102，同时大体上避免与信号通信相关联的杂散电容。这种布置特别可用在电浆离子浸没系统(图中未示出)，其中脉冲触发离子电浆104，并且到工件支撑件112的电性连接最好降至最低程度以避免有害的电容问题。在一个示例中，非导电信号发射器130包括光纤信号发射器132，其中信号经由光纤缆线134而通信至与控制器120。替选地，非导电信号发射器132包括无线发射器(图中未示出)，其中信号经由无线发射器而通信至控制器，以通信至与控制器120相关联的无线接收器(图中未示出)。例如，一个或多个电池128被配置成在工件106转移或交换至处理腔室110和
真空恢复期或者工件106从处理腔室110和真空恢复期转移或交换中的一个或多个期间重新充电。
[0033] 如图3中示意性示出，朗缪耳探针126被电性耦合至正电荷整流器136(例如
二极管)，其中正电荷整流器被配置成仅传输正电荷。朗缪耳探针126进一步被电性耦合至负电荷整流器138(例如二极管)，其中负电荷整流器被配置成仅传输负电荷。进一步设置正电流积分器140，其中正电流积分器被可操作地耦合至正电荷整流器136，并且正电流积分器经由正临界电压142(亦表示为Vth+)来偏压。据此，正电流积分器140被配置成至少部分基于正临界电压142而输出正剂量144。正电荷计数器146被配置成接收来自正电流积分器140的输出并且提供与朗缪耳探针126所经历的积聚正电荷相关联的累积正电荷数值148。
[0034] 同样地，负电流积分器150被可操作地耦合至负电荷整流器138，其中负电流积分器经由负临界电压152(亦表示为Vth-)来偏压，并且负电流积分器被配置成至少部分基于负临界电压而输出负剂量154。据此，负电荷计数器156被设置并配置成接收来自负电流积分器150的输出负剂量154并且提供与朗缪耳探针126所经历的负电荷相关联的累积负电荷数值158。
[0035] 例如，正电流积分器140和负电流积分器150使用可变的正临界电压142和负临界电压152来分别偏压，因而用于阻挡不符合预定
阈值的
低电压源。例如，至少部分基于工件106上所形成的装置的栅极氧化物的厚度和极性，确定和设定可变的正临界电压142和负临界电压152。一旦完成到工件106内的离子注入，正电荷计数器146和负电荷计数器156(例如，16位数字计数器)便会因此在它们的寄存器中储存与用于正负电流的传导电荷等效的数值(以库仑/cm2为单位)，其为恒定电压下真实的充电测度。一旦完成离子注入，累积正电荷数值148和累积负电荷数值158便能用于预测通过工件上106的装置(图中未示出)所传导的电荷。
[0036] 根据本发明的另一个示例性方面，图4图示出在将离子注入工件内期间监测电荷积聚的示例性方法200。应当指出，尽管在本文中以一系列动作或事件阐述示例性方法，但应理解，本发明不仅限于这类动作或事件的所示次序，根据本发明，某些步骤会以不同顺序执行且/或与除本文所述之外的其他步骤同时进行。此外，并非所述各步骤均必须用于实现根据本发明的方法。此外，应领会到，所述方法可结合本文所述的系统以及结合文中未示的其他系统来实施。
[0037] 图4的方法200始于动作202，其中将正临界电压Vth+和负临界电压Vth-以及正积分器和负积分器初始化。在动作204中，将诸如电浆泛射源(PFS)的电子源的电流设定成预定的预设值，并且通过使工件经过离子束，将工件注入离子。例如，将工件支持在工件支撑件上。
[0038] 在动作206中，例如，经由图1的电荷监测器102测量正电荷和负电荷，其中电荷监测器以不同的比例经历电子和离子撞击，所述比例取决于电荷监测器和离子束108之间的空间关系。如前所讨论，离子束108主要由围绕离子束周边的电子以及射束中心处的离子组成。据此，电荷监测器102在接近离子束108的边缘时经历负充电，在经过离子束时经历正充电，并且在转换到和离开离子束的相对边缘时再次经历负充电。
[0039] 阅读本发明后，本领域技术人员会理解，例如，抵达图2的朗缪耳探针126的电流是朗缪耳探针与图1的离子束108所关联的离子电浆104之间的电压差的函数。具有足够
动能的离子和电子会撞击电荷监测器102，对其产生净电流。当电荷监测器102达到足以排斥全部入射电子的负电位时，该电荷监测器102将仅测量来自离子束108的总离子电流。换言之，当电荷监测器102达到足以排斥全部入射离子的正电位时，电荷监测器102将仅测量来自离子束108的总电子电流。这些所谓的“饱和电平(saturation levels)”定义了设定电荷监测器102在其间操作的界限，借此使电荷监测器收集离子和电子的混合物。例如，饱和电平类似于与半导体制造过程中建立在工件106上的电容性结构相关联的
击穿电压。
[0040] 因此，图4的方法200允许测量和监测这些饱和电平作为由图1的电荷监测器102所测量的预设阈值，以便在适当参数之间进行注入过程，并且流经工件106上介电层的高能电荷的累积效应不会造成破坏性位移电流(damaging displacement of current)流经介电层。
[0041] 阅读本发明，应当理解，双极性电荷监测器102在每一晶片扫描期间提供对晶片充电的累积效应的测量，借此该测量能够用于调整电子源和由此诱导的晶片充电。基于与在工件106上制造的装置相关联的击穿电压的预测值，向图1的控制器120提供预设的输入参数。因此，在图4的动作208中，晶片充电的累积效应会因以下状况而得到处理：如果负电荷过低，则判定电子输出的增加并且将新的预设临界信号发送至电子源以增加其电子输出(例如，在动作210中)；如果负电荷过高，则判定电子输出的减少并且将新的预设临界信号发送至电子源以减少其电子输出(例如，在动作212中)；以及，如果判定负电荷在良好范围内，则判定电子源输出良好并且保持预设临界信号作为向电子源的输入
控制信号以保持其电子输出(例如，在动作214中)。此后，将这一处理步骤的结果传送至电子源(例如，经由图1的控制器120)并且使用电子源的新预设电子输出值在动作216中进行后续的注入扫描。这一处理步骤能够在多个注入扫描中重复多次，直到完成适当的注入剂量(例如，在动作218中)。
[0042] 据此，调整电子源(电浆泛射源PFS)以控制由双极性电荷监测器所测量到的目标电荷中和
水平。这对每一极性而言可以电荷平衡，或者在一侧或另一侧上
不平衡。例如，有利地，在每次注入处理结束时进行这种调整，直到完成所需数量的注入处理。
[0043] 虽然已就某些实施方案对本发明加以阐述，但需指出，上述实施方案仅作为实施本发明某些实施方案的实施例，本发明的应用并非局限于这些实施方案。特别关于由上述组件(总成、装置、电路等)执行的各种功能，若非特别注明，否则用于描述这些组件的术语(包括提及“构件”)旨在对应于执行所述组件的特定功能(即功能上等同)的任意部件，即便其在结构上不等同于执行本文所述的本发明典型实施方案所公开的结构亦然。另外，虽然仅就多个实施方案中的一种方案公开本发明的特定特征，如若适于或利于任何
指定或特定应用，则这一特征可结合其它实施方案的一个或多个其他特征。相应地，本发明不限于上述实施方案，但旨在仅受所附权利要求书及其等同变化的限制。
