CN104335320B - 离子植入器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种离子植入器包括：压板，具有夹持表面，夹持表面经配置以支撑用于离子处理的晶圆，压板还具有在夹持表面下的至少一对电极；夹持电源，经配置以提供交流信号及代表交流信号的感测信号的，交流信号被提供至至少一对电极；以及控制器。当无晶圆被夹至夹持表面时，控制器经配置以接收来自夹持电源的感测信号。控制器进一步经配置以监控感测信号，并判断感测信号是否代表夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界。

Description

离子植入器及其操作方法
相关申请案互相参照
本申请案主张在2012年3月23日提交的美国临时专利申请案第61/614,564号的优先权，其所公开的内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种压板，且特别是涉及一种压板夹持表面监控。
背景技术
离子植入是将导电率变动杂质(conductivity-altering impurity)引入到半导体晶圆中的标准技术。离子植入可通过束线离子植入器或电浆掺杂植入器来进行。在束线离子植入器中，掺质气体可在离子源中被离子化，且可从离子源提取离子并将离子加速以形成所需能量的离子束。然后离子束可被导向至由压板所支撑的晶圆的前表面。晶圆可为半导体晶圆，且离子束中的高能离子嵌入于半导体晶圆的晶格中，以在后续的退火步骤后形成所需导电率的区域。电浆掺杂植入器将由压板所支撑的晶圆设置于电浆腔室内。于电浆腔室中可产生电浆，且例如是通过对晶圆及/或电浆腔室施予偏压，以将来自电浆的离子朝着晶圆加速。
大部分的压板为静电夹盘(electrostatic chuck)，其利用静电力将晶圆夹至压板的夹持表面。由于离子束副产物的沉积物(例如是在一例子中，由于离子束撞到剂量法拉第杯(dose Faraday cup)一段很长的时间后而累积在夹持表面上的砷沉积)，压板的夹持表面可能会随时间变脏。
压板的夹持表面上的沉积物对热离子植入与热植入来说是有相当问题性的。集成电路制造业者为了他们的下一代元件(例如鳍状场效电晶体(FinFETs))发展正在实验热植入。一般在高于150℃的温度下进行热植入。有些热植入在高于300℃下进行，其他热植入在300℃与750℃之间进行。除了一般来自离子束的副产物的沉积物以外，有些沉积物更容易被吸引至热的夹持表面。此外，在热植入程序期间，在压板的热夹持表面上可发生热活化反应，而产生另外的沉积物。微量的材料(诸如碳、氟、钨、以及氢)可能出现在离子植入器中。此些材料可导致热活化反应而在压板的夹持表面上产生额外不希望的沉积物。其一实例为，从气体前驱物中分解耐火金属。另一实例为，从甲烷反应中分解碳。
在压板的夹持表面上的沉积物的累积对压板所提供的夹持力是具有不利影响的。沉积物可关闭固持住晶圆的静电场。若压板不干净，沉积物的累积可达过量而不慎造成晶圆掉落及晶圆破损。可使用将低能离子导向至压板的夹持表面的溅射清洗程序来有效地清洗夹持表面。然而，因为在夹持表面上沉积物累积的量与位置取决于许多变因，所以预计何时需要溅射清洗程序是困难的。此可能导致对用于溅射清洗的离子处理的过度干扰。此会劣化在既定时间区间内可处理的产能表现或晶圆数量，因此对物主的成本造成不利的影响。或者，若不够经常清洗压板，会存在晶圆掉落与破损的危险。此外，在离子植入器处理晶圆时，临场监控沉积物的量是困难的。
因此，为了标示过量的沉积物累积，需要监控压板表面的技术。
发明内容
根据本揭示的一方面，提供一种离子植入器。所述离子植入器包括：压板，具有夹持表面，夹持表面经配置以支撑用于离子处理的晶圆，压板还具有在夹持表面下的至少一对电极；夹持电源，提供交流信号及代表交流信号的感测信号，交流信号被提供至至少一对电极；以及控制器。当无晶圆被夹至夹持表面时，控制器经配置以接收来自夹持电源的感测信号。控制器进一步经配置以监控感测信号，并判断感测信号是否代表夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界。
根据本揭示的另一方面，提供一种离子植入器的操作方法，包括：提供交流信号至具有夹持表面的压板的至少一对电极；当无晶圆被夹至夹持表面时，监控代表交流信号的感测信号；以及当无晶圆被夹至夹持表面时，判断感测信号是否代表夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界。
附图说明
为了更加了解本发明，参考以引用方式并入本文的附图。
图1为依据一实施例离子植入器的示意图。
图2A为无晶圆存在时，压板的干净夹持表面的部分剖面放大图。
图2B为有晶圆存在时，图2A中的压板的干净夹持表面的部分剖面放大图。
图2C为无晶圆存在时，图2A中压板的脏的夹持表面的部分剖面放大图。
图3为由图1的夹持电源所提供的交流信号的电流对时间的曲线图。
图4为图1的离子植入器的部分剖面图，其被定向于溅射清洗程序的入射角。
具体实施方式
参考图1，绘示离子植入器100的方块图。离子植入器100包括离子源102、终端站105、及控制器120。终端站105可包括压板112、夹持电源172、机械臂132、倾斜机构118、以及加热器106。离子源102经配置以产生离子束104。在离子源102与压板112之间，离子植入器100可包括所属技术领域的普通技术人员所熟知的其他束线组件，从而在离子束104被导向至由压板112所支撑的晶圆110的前表面时操控离子束104。为了方便说明，晶圆110绘示为虚像并稍微远离压板112的夹持表面114。所属技术领域的普通技术人员理解的是，在操作期间，晶圆110与夹持表面114紧密接触。晶圆110可为具有直径为300毫米(mm)或为其他尺寸的圆盘状的半导体晶圆。压板112的夹持表面114可具有相似的圆盘状以支撑晶圆110。
本领域中所熟知的是，离子束104可为带状束(ribbon beam)或为点状束(spotbeam)。通过离子束的移动、晶圆的移动、或两者的结合，离子束104可分散遍及晶圆110的整个前表面。在一实施例中，离子束104可为具有近似矩形的截面形状的带状束。带状束的长边可比短边长至少三倍。晶圆可在与带状束的长边正交的方向上被机械式驱动，以将带状束分散至遍及晶圆的110的整个前表面。
终端站105包括压板112。压板112为具有形成夹持表面114的顶部介电层168的静电夹盘。压板112还具有在夹持表面114下的至少一对电极160、162。在一些实施例中，压板总共包括三对电极或六个电极。夹持电源172经配置以提供交流(AC)信号至电极160、162，以产生静电力来确保晶圆100在压板112的夹持表面114上。交流信号为在循环区间内反转方向的电流。交流信号的实例包括方波信号、正弦波信号、或类方波信号。有益地说，夹持电源172还包括电路171，电路171经配置以提供代表交流信号的感测信号。
终端站105还可包括自动化晶圆处理装置，其用于将晶圆引导至压板112，并从压板112移除晶圆。自动化晶圆处理装置可包括机械臂132以促进晶圆对压板112的来回移动。自动化晶圆处理装置必要时还可包括额外的机械臂，以促进晶圆从大气环境下经由承载室(load lock)移动至压板112，并在离子处理后离开承载室回到大气环境。
倾斜机构118经配置以将压板112相对于离子束104倾斜。在一实施例中，倾斜机构118可将压板112相对于两正交轴倾斜。旋转压板或转动平台(roplat)可经装设以具备此能力。
终端站105还可包括加热器106，加热器106经配置以加热用于热植入的晶圆110。加热器106可在压板112外部，且在晶圆110最接近加热器时，加热器106可对位于压板上的晶圆110直接提供热。例如，加热器106可包括一个或多个的灯以对用于热植入的晶圆提供热。或者，加热器106(诸如加热元件或热跟踪(heat trace))可位于压板112内。无论加热器106位于压板112的内部或外部(或使用两者)，加热器106经配置以使得热植入的温度能够高于150℃。加热器106还经配置以使得热植入的晶圆温度能够高于300℃(包括300℃与750℃之间)。
控制器120可为或包括一般用途的电脑或一般用途的电脑的网路，所述一般用途的电脑可进行程式以执行所希望的输入/输出功能。控制器120还可包括其他电子电路或组件，诸如专用集成电路(application specific integrated circuit)、其它硬体连接(hardwired)或可程式化电子装置、分立元件电路(discrete element circuit)等。控制器120还可包括通讯装置、资料储存装置及软体。控制器120可接收来自不同***与组件(诸如夹持电源172、机械臂132、倾斜机构118、加热器106、及离子源102)的输入信号并提供输出信号至各组件以对其控制。
在操作中，用于离子束104的处理，多个晶圆可被循环地来回于压板112。在接替将要经离子束104处理的晶圆期间，没有任何晶圆被夹持至压板112。随着时间的推移，沉积物150可能会累积在压板112的夹持表面114上。仅为了清楚说明，在图1以夸张尺寸与形状表示沉积物150。沉积物150可能会均匀地或较通常不均匀地累积在夹持表面114上。此些沉积物150可能是由离子束的副产物所造成的，例如砷的沉积。当进行热植入程序时，因为有些沉积物更容易被吸引至热的夹持表面，沉积物150的量及其累积的速率会加剧。此外，在热的夹持表面上可发生热活化反应而产生另外的沉积物。微量的材料(诸如碳、氟、钨、以及氢)可出现在离子植入器100中。此些材料可导致热活化反应而在压板112的夹持表面114上产生额外不希望的沉积物。
有利的是，经由电路171的夹持电源172经配置以提供感测信号至控制器120，控制器120代表提供至一对电极160、162的交流信号。控制器120经配置以接收来自夹持电源172的感测信号并监控该感测信号以判断感测信号是否代表夹持表面114上的沉积物超过一预定临界。
参考图2A，绘示无晶圆及无明显沉积物的干净夹持表面时的压板212(与图1的压板112相符)的夹持表面214的部分剖面放大图。此图还绘示三个突出部分202、204、206或高度为5-7微米的高台(mesa)。无此突出部分的其他夹持表面可具有粗糙的纹理(texture)。图2B绘示相同于图2A的干净的夹持表面的部分剖面放大图，但现在晶圆210在夹持位置，所以下方的被夹持的晶圆210停留在突出部分202、204、206的上表面。最后，图2C绘示的与图2A相同的部分的剖面放大图，其具有无晶圆及脏的夹持表面214。在此实例中，沉积物已在夹持表面214上形成沉积层216。
在图2A的无晶圆且干净的夹持表面的条件下，由夹持电源172提供至电极160、162的交流信号可能会具有极微小的峰间幅值(peak to peak amplitude)。在图2B的夹持晶圆的情形下，交流信号的峰间幅值可为图2A的极微小的峰间幅值的约6至7倍。最后，在图2C的无晶圆且脏的夹持表面的条件下，交流信号的峰间幅值可大于图2A的极微小值但小于具有晶圆的图2B的值。在一实例中，在已发现发生晶圆掉落与破损之前，图2A中电流幅值可接近2毫安培(mA)，图2B接近13mA，图2C最高接近8mA。
包括导体与半导体沉积物的沉积物或沉积层216有效作为一种被夹持的半导体晶圆的型态，相较于下方实际被夹持的晶圆210而言，上述被夹持的半导体晶圆的型态更接近电极160、162。沉积物216有效形成改变压板214电容的拟准层(quasi-layer)或板料(plate)。因此，无晶圆的峰间电流幅值倾向依沉积物216的累积比例增加。可将120°交流信号供应至三阶段***(三个电极对或六个总电极)的每一阶段，以使得各阶段彼此区隔。若沉积物均匀地累积在夹持表面214上，三个阶段中的晶圆截止电流等量增加。若沉积物不均匀地累积(此为较可能的情形)，各阶段中的晶圆截止电流会彼此不同以提供不均匀沉积物及/或过量沉积物的累积的指示。
参考图3，由夹持电源172所提供的交流信号的峰间电流(mA)对时间的曲线图，其被绘示为在晶圆夹持时间区间之间发生的多个晶圆截止时间区间。在时间(t0)与(t1)之间，如图2A所示，没有晶圆存在且压板212的夹持表面214是干净的。交流信号的幅值可为极微小值(I1)或约2mA。在时间(t1)与(t2)之间，第一晶圆被夹至夹持表面，且交流信号的幅值可上升至值(I3)或约13mA。在时间(t2)与(t3)之间，再次没有晶圆存在，且可观察到无晶圆的电流幅值很轻微地上升比(I1)稍微高。持续此程序直到最终时间(t6)，无晶圆下的交流信号的电流位准会超过预定的幅值临界(I2)。
可选定预定的幅值临界(I2)，以使得在诸如时间(t6)的晶圆截止时间区间，预定的幅值临界被超过时，控制器120会判断来自夹持电源172的感测信号代表夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界。在一实施例中，可选定预定的幅值临界(I2)为2.5mA。相对应地，控制器120可采取校正动作。校正动作可包括启始夹持表面的溅射清洗(sputterclean)程序(此处更详细如图4所示)。校正动作还可包括避免其他晶圆被夹至压板112的自动终止操作。直到夹持表面被充分清洗为止，控制器120可控制机械臂132以避免机械臂将其他晶圆置于压板上。在此方面，可大幅减小晶圆掉落及晶圆刮伤的可能性。或者，当开始清除程序时，控制器120可谨慎地发布警告并提供离子植入器的操作子。
控制器120还可将经过一时间区间后的交流信号的电流位准的幅值增加速率与预定的速率临界做比较。换言之，预定的幅值临界(I2)可能不会被晶圆的截止电流的位准超过，但若电流位准的增加的速率大到足以超过预定的速率临界，会促使控制器120采取校正动作。
图4绘示通过控制器120回应感测信号代表夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界所启始的溅射清洗程序。控制器120命令倾斜机构118去倾斜压板112以达到相对于特定低能离子束104的路径的所希望的入射角θ。
为了有助于描述入射角θ，可定义卡式座标(Cartesian coordinate)系，将离子束104的路径定义为Z轴。Z轴贯穿一正交的平面。X轴为此平面的横轴。Y轴垂直于X轴，且为平面的纵轴。如图4所示，通过倾斜机构118绕着X轴将压板112倾斜，在所属技术领域中有时称为「X轴倾角(X-tilt)」。如图4所示，入射角θ可被定义为平面404(由压板112的夹持表面114来定义)与Y轴之间的角度。
入射角θ可在小于而大于40°的范围内以增加溅射率。在一实施例中，入射角θ可为70°。在溅射清洗程序的期间，用于压板112的扫描撞击压板112的整个夹持表面114。在一实施例中，离子植入器100可提供低能(约5keV)的氩离子(Ar+)束，其具有约5至15mA的离子束电流。
控制器120还可通过分析感测信号(代表无晶圆的电流位准的幅值)来监控在溅射清洗程序期间的沉积物的移除速率。这样，可比较及对照不同离子束种类的效果。此外，若移除速率为已知，控制器120可执行计算以确定总预计的清洗时间。如此一来，可减小对离子植入器的产率的影响。
因此，已经提供具有控制器的离子植入器，所述控制器通过监控交流信号的幅值来监控压板的夹持表面的状况，所述交流信号在无晶圆被夹至压板时被供应至压板的电极。在无晶圆下交流信号的幅值的增加表示累积的沉积物。最后，若沉积物累积量过量时，会拖累压板的夹持能力。控制器能将无晶圆下的交流信号的幅值与预定的幅值临界(被选来减小夹持失误的机会)做比较。此使夹持表面的状况在不影响离子植入器产率的离子植入期间能被临场监控。此外，还提供预估能力来判断何时必须采取校正动作以减少清洗中断的次数，以及当必须减小晶圆掉落与破损情况时，也确保清洗仍能进行。校正动作可包括自动开始溅射清洗程序及中止其他晶圆的离子处理，直到清洗完全为止。此特别有助于比室温植入更易于累积沉积物的热植入。
本揭示不受限于本文所述的具体实施例的范围。当然，除了本文所述，本揭示的其他各种实施例及修正对所属领域中的普通技术人员而言，透过前文所述与所附附图为显而易见。因此，其他实施例及修正落入本揭示的范围内。进而，虽然在用于特定目的的特定情形下的特定实施方式的内文中已描述本揭示，所属领域中的普通技术人员将理解其用途不限于此，且在用于任何目的的任何情形下可有效地实施本揭示。

Claims (16)

1.一种离子植入器，包括：
压板，具有夹持表面，所述夹持表面经配置以支撑用于离子处理的晶圆，所述压板还具有在所述夹持表面下的多对电极；
夹持电源，经配置以提供交流信号以及代表所述交流信号的感测信号，所述交流信号被提供至所述多对电极；以及
控制器，当无晶圆被夹至所述夹持表面时，所述控制器经配置以接收来自所述夹持电源的所述感测信号，所述控制器进一步经配置以监控所述感测信号并判断所述感测信号是否代表所述夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界，
其中所述控制器还包括在溅射清洗程序期间监控所述感测信号，且使所述感测信号与所述沉积物的移除速率相关。
2.根据权利要求1所述的离子植入器，其中当无晶圆被夹至所述夹持表面时，所述控制器进一步经配置以通过分析所述交流信号的电流位准的幅值是否超过预定的幅值临界，来判断所述感测信号是否代表所述夹持表面上的所述沉积物超过所述预定的沉积物临界。
3.根据权利要求2所述的离子植入器，其中峰与峰之间的所述预定的幅值临界为2.5mA。
4.根据权利要求2所述的离子植入器，其中所述控制器进一步经配置以在所述交流信号的幅值超过所述预定的幅值临界时，启始所述压板的所述夹持表面的溅射清洗程序。
5.根据权利要求2所述的离子植入器，其中所述控制器进一步经配置以防止其他晶圆被夹至所述夹持表面，直到所述交流信号的幅值低于所述预定的幅值临界为止。
6.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述交流信号包括方波信号。
7.一种离子植入器的操作方法，包括：
提供交流信号至具有夹持表面的压板的至少一对电极：
当无晶圆被夹至所述夹持表面时，监控代表所述交流信号的感测信号；以及
当无晶圆被夹至所述夹持表面时，判断所述感测信号是否代表所述夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界。
8.根据权利要求7所述的离子植入器的操作方法，进一步包括当无晶圆被夹至所述夹持表面时，比较交流信号的电流位准的幅值与所述预定的幅值临界，以判断所述感测信号是否代表所述夹持表面上的所述沉积物超过所述预定的沉积物临界。
9.根据权利要求8所述的离子植入器的操作方法，其中交流信号的幅值大于所述预定的幅值临界时，所述感测信号代表所述夹持表面上的所述沉积物超过所述预定的沉积物临界。
10.根据权利要求8所述的离子植入器的操作方法，其中所述交流信号的幅值小于所述预定的幅值临界时，所述感测信号代表所述夹持表面上的所述沉积物小于所述预定的沉积物临界。
11.根据权利要求8所述的离子植入器的操作方法，其中峰与峰之间的所述预定的幅值临界为2.5mA。
12.根据权利要求8所述的离子植入器的操作方法，还包括在所述交流信号的幅值大于所述预定的幅值临界时，启始所述压板的所述夹持表面的溅射清洗程序。
13.根据权利要求12所述的离子植入器的操作方法，还包括在所述溅射清洗程序期间监控所述感测信号，且使所述感测信号与所述沉积物的移除速率相关。
14.根据权利要求13所述的离子植入器的操作方法，还包括对应于所述移除速率来计算预计的清洗时间。
15.根据权利要求12所述的离子植入器的操作方法，还包括防止晶圆被夹至所述夹持表面，直到所述交流信号的幅值小于所述预定的幅值临界为止。
16.一种离子植入器，包括：
压板，具有夹持表面，所述夹持表面经配置以支撑用于离子处理的晶圆，所述压板还具有在所述夹持表面下的多对电极；
夹持电源，经配置以提供交流信号以及代表所述交流信号的感测信号，所述交流信号被提供至所述多对电极；以及
控制器，当无晶圆被夹至所述夹持表面时，所述控制器经配置以接收来自所述夹持电源的所述感测信号，所述控制器进一步经配置以监控所述感测信号并判断所述感测信号是否代表所述夹持表面上的沉积物超过预定的沉积物临界，
其中所述控制器还被配置，藉由分析是否交流信号的电流位准的幅值的增加速率在一时间区间中超过预定的速 率临界，以判断所述感测信号是否代表所述夹持表面上的所述沉积物超过所述预定的沉积物临界。
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