CN101009191A - 具有可变筛孔的离子注入系统及使用其的离子注入方法 - Google Patents

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Abstract

一种离子注入系统包括：源部分、束线部分、具有压盘的目标腔室、和具有剂量杯和第一可变筛孔的法拉第部分，其中，压盘能够沿第二方向移动且支撑半导体衬底，并且第一可变筛孔包括具有沿第一方向的第一可调宽度的第一开口。

Description

具有可变筛孔的离子注入系统及使用其的离子注入方法
技术领域
本发明涉及一种在半导体器件制作中采用的离子注入系统。具体地，本发明涉及一种离子注入系统，能够将具有不同性质的杂质注入到同一半导体衬底的不同的预定区域中，以及使用所述离子注入系统的方法。
背景技术
大体上，离子注入系统指的是一种能够将N-型杂质或P-型杂质转换成离子，并且借助于离子束将其沉积在半导体衬底中，以形成例如半导体衬底中的阱、沟道、或源极和漏极区，从而改善其中的导电率和电阻的装置。
在传统的离子注入工艺中，可以更改杂质离子的性质，例如杂质离子的类型、杂质离子浓度、离子注入能量等，以提供最佳的半导体器件操作。可以通过在分析半导体器件的操作之前将具有一种特定性质的离子注入到各个半导体衬底中，对该器件进行测试。然而，因为一次仅可以测试一种性质，传统的离子注入工艺可能需要多个半导体衬底用于正确的测试，从而增加了制造时间和成本。另外，因为半导体衬底可能要求完成的组件以执行正确的测试，除了杂质离子的性质之外的各种因素可能影响测试结果，从而减小了其准确度。
在另一种传统方法中，可以将光致抗蚀剂图案和模板掩模(stencilmask)用于促进将与多种性质相对应的离子的注入到同一半导体衬底中。具体地，可以在半导体衬底上形成多个光致抗蚀剂图案或模板掩模，使得可以使用各个光致抗蚀剂图案或模板掩模作为离子注入掩模，将具有不同性质的离子注入到半导体衬底的各个区域中。然而，此种方法可能是非常昂贵的，并且导致较低的生产率。另外，具有预定图案的模板掩模的使用可能要求相对于半导体器件和预定的衬底区域的位置和图案的频繁改变。
因此，需要一种有效的离子注入系统，所述离子注入系统能够提供将具有不同性质的离子注入到同一个半导体衬底的不同预定区域中的选择性离子注入。
发明内容
因此，本发明涉及一种离子注入系统及采用所述离子注入系统的方法，充分地解决了由于相关技术的限制和缺点而引起的一个或多个问题。
因此，本发明的实施例的特征在于提供一种离子注入系统，具有能够将具有不同性质的离子选择性地注入到同一个半导体衬底的不同预定区域中的结构。
本发明的实施例的另一个特征在于提供一种方法，将具有不同性质的离子注入到同一个半导体衬底的不同预定区域中，同时提供精确的测试结果并且维持最经济的制造成本。
本发明的以上和其他特征和优点的至少一个可以通过提供一种离子注入系统来实现，所述离子注入系统包括：源部分、束线部分、具有压盘的目标腔室，压盘能够沿第二方向移动且支撑半导体衬底、以及法拉第部分，具有剂量杯(dose cup)和第一可变筛孔(screen aperture)，其中第一可变筛孔可以包括具有沿第一方向的第一可调宽度的第一开口。第一方向可以垂直于第二方向。此外，束线部分可以包括加速器、扫描器、和聚焦单元。
第一可调筛孔可以包括第一和第二筛分构件，其间具有第一开口，第一和第二筛分构件的每一个可以是沿第一方向可独立移动的。另外，第一可变筛孔可以包括石墨。
可以将法拉第部分设置在目标腔室的内部。此外，法拉第部分还可以包括第二可变筛孔，具有沿第二方向的第二可调宽度的第二开口。第二可变筛孔可以包括第三和第四筛分构件，其间具有第二开口，第三和第四筛分构件的每一个可以是沿第二方向可独立地移动的。
在本发明的另一个方面，提供了一种离子注入方法，包括：产生离子束；朝向扫描器加速离子束；沿第一方向扫描已加速的离子束；通过沿第一方向改变第一可变筛孔来沿第一方向调节已扫描的离子束；将已调节的离子束注入到附到压盘上的半导体衬底中；以及沿第二方向移动压盘。第一方向可以垂直于第二方向。
沿第二方向调节已扫描的离子束可以包括：相对于半导体衬底，设定离子束的宽度和位置。设定离子束的宽度和位置可以包括：沿第一方向独立地移动第一可变筛孔的第一和第二筛分构件。此外，设定离子束的宽度和位置还可以包括：对第一和第二筛分构件进行定位，以与半导体衬底的一半相对应。可选地，设定离子束的宽度和位置还可以包括：对第一和第二筛分构件进行定位，以与半导体衬底的管芯列相对应。设定离子束的宽度和位置也可以包括：以第一速度对第一和第二筛分构件进行定位，并且以第二速度移动压盘。
离子注入方法也可以包括：通过沿第二方向改变第二可变筛孔来沿第二方向调节已扫描的离子束。沿第二方向调节已扫描的离子束可以包括：相对于半导体衬底，设定离子束的高度和位置。设定离子束的高度和位置可以包括：沿第二方向独立地移动第二可变筛孔的第三和第四筛分构件。
附图说明
通过参考附图的其中的典型实施例的详细描述，对于本领域的普通技术人员，本发明的以上和其他特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1说明根据本发明的典型实施例的离子注入系统的原理图；
图2说明在图1中说明的离子注入系统的目标腔室的顶视图；
图3说明在图2中说明的目标腔室的剖面图；
图4说明在图2中说明的目标腔室的正视图；
图5说明根据本发明的另一个实施例的离子注入系统的顶视图；
图6说明在图5中说明的目标腔室的剖面图；
图7说明在图5中说明的目标腔室的正视图；
图8说明在根据本发明的实施例的离子注入工艺期间，在图1中说明的离子注入系统的目标腔室的顶视图；
图9-10说明根据图8中说明的方法处理的半导体衬底的顶视图；
图11说明在根据本发明的另一个实施例的离子注入工艺期间，在图1中说明的离子注入系统的目标腔室的顶视图；
图12说明根据在图11中说明的方法处理的半导体衬底的顶视图；以及
图13和14说明通过在图5中说明的离子注入系统处理的半导体衬底的顶视图。
具体实施方式
将2006年1月26日向韩国知识产权局递交的、且题目为“IonImplantation  System Having  Variable  Screen  Aperture  and  IonImplantation  Method  Using  the  Same”的韩国专利申请No.10-2006-0008289全部合并在此作为参考。
在下文中将参考其中说明了本发明的实施例的附图对本发明进行更全面地描述。然而，可以以很多不同的形式实现本发明，并且不应该将本发明解释为受限于这里阐述的实施例。相反地，提供这些实施例使得该公开是全面且完整的，并且将更加全面地向本领域的普通技术人员传达本发明的范围。
还应该理解的是，当将一个元件称作在另一个元件或衬底“上”时，其可以直接在其他元件或衬底上，或者可以出现中间元件。此外，应该理解的是，当将一个元件称作直接在另一个元件“下”，其可以直接在其他元件下面，或者可以出现一个或多个中间元件。另外，还应该理解的是，当将一个元件称作在两个元件“之间”时，其可以是两个元件之间唯一的元件，或也可以出现一个或多个中间元件。相反，当将一个元件称作在“在直接上面”时，可能没有中间元件或层出现。贯穿全文，相同的数字代表相同的元件。
现在将参考图1至图4更加全面地描述根据本发明的离子注入系统的典型实施例。如图1-4中所示，离子注入系统100可以包括源部分115、束线(beam line)部分140和目标腔室(target chamber)150。因此，离子束102可以通过源部分115产生，进入束线部分140，并且注入到目标腔室150中的半导体衬底160中。
离子注入系统100的源部分115可以具有现有技术中的典型结构。例如，源部分115可以包括离子源105和质谱仪110。离子源105可以将杂质转换成离子，并且使杂质离子进入质谱仪110。质谱仪110可以包括磁体(未示出)，能够根据杂质离子质量来选择杂质离子，并且产生离子束102。离子束102可以进入束线部分140。因此，源部分115可以与束线部分140连通，以有利于离子束102在其中通过。
离子注入系统100的束线部分140可以将离子束102加速到预定能量级，并且提供特定的角度和方向。具体地，束线部分140可以包括加速器125、扫描器130和聚焦单元135。加速器125可以从源部分115接收离子束102，并且给予预定量的能量，使得可以将离子束102加速到扫描器130。
扫描器130可以沿一个预定的方向扫描已加速的离子束102。例如，将离子束102作为一维线性束加速到扫描器130，扫描器130可以将线形束转换成与一维线形束具有相同方向、并具有预定宽度的二维平面束。已扫描的离子束102可以进入聚焦单元135，从而相对于目标腔室150，沿预定方向改变已扫描的离子束102的方向，并聚焦。一旦设定了已扫描的离子束102的方向，则已扫描的离子束102可以进入目标腔室150。因此，束线部分140可以与目标腔室150连通，以有利于离子束102在其中通过。扫描器130和聚焦单元135的结构可以是本领域所公知的，并且因此，在这里将不提供它们的详细描述。
根据本发明的实施例的离子注入系统100的目标腔室150可以包括法拉第部分180、用于支撑半导体衬底160的压盘155、以及支撑构件152。已扫描的离子束102可以从束线部分140通过法拉第部分180进入目标腔室150，使得在将离子束102注入到半导体衬底160中之前，可以在法拉第部分180中调节其宽度和位置。在这方面，应该注意的是，由法拉第部分180调节的离子束102的宽度指的是沿第一方向(例如，沿z轴，如图2和图4中所示)测量的距离。类似地，由法拉第部分180调节的离子束102的位置指的是相对于半导体衬底160沿第一方向的位置。
如图2中所示，可以将法拉第部分180定位在束线部分140和衬底160之间、目标腔室150的内部。然而，其他实施例并没有排除在本发明的范围外，例如，将法拉第部分180定位在目标腔室150和束线部分140之间、目标腔室150的外部。法拉第部分180可以包括剂量杯(dose cup)170、固定筛孔165、和第一可变筛孔175。
可以将法拉第部分180的剂量杯170用于通过本领域公知的任意方法来测量通过离子束102注入的离子的数量，例如，通过测量离子束102的流量。法拉第部分180的固定筛孔165可以具有预定的宽度，以在从束线部分140向衬底160加速时有利于离子束102通过剂量杯170，以及防止离子束102入射到目标腔室150的壁上。法拉第部分180的第一可变筛孔175可以由石墨形成，并且与固定筛孔165相反，沿着第一方向是可移动的。
具体地，可变筛孔175可以包括具有第一可调宽度的第一开口178。具体地，可变筛孔175可以包括限定了第一开口178的第一筛分构件175a和第二筛分构件175b，使得第一和第二筛分构件175a和175b的每一个均可以沿第一方向独立地移动，以更改第一开口178沿第一方向的宽度和位置。例如，如图2中所示，可以将第一和第二筛分构件175a和175b沿z轴移动，以将第一开口178定位在半导体衬底160的中央、具有W1的第一可调宽度。因此，通过第一可变筛孔175的离子束102的宽度可以从W0(即，沿z轴测量的通过剂量杯170的离子束102的宽度)降低到W1(即，通过第一开口178的可调宽度设定的宽度)。因此，可以将离子注入到半导体衬底的具有宽度W1的中央区域。
应该注意的是，因为固定筛孔165和第一可变筛孔175的功能可以是类似的，可以省略固定筛孔165。
根据本发明的实施例的目标腔室150的压盘155可以包括夹具以支撑半导体衬底160。另外，压盘155能够沿平行于第二方向的支撑构件152移动，例如，沿y轴，以提供混合扫描。换句话说，可以通过电磁方法，在束线部分140中，沿第一方向扫描和聚焦离子束102，例如，沿z轴，而在目标腔室150中保持半导体衬底160的压盘155可以通过机械方法沿第二方向移动，例如，沿y轴。在这方面，应该注意的是，第一和第二方向可以是垂直的。因此，通过沿垂直的方向采用电磁和机械方法的混合扫描，可以将离子束102注入到半导体衬底160的预定区域中或半导体衬底160的整个区域上。
在本发明中采用的半导体衬底160可以是在半导体器件制造领域中采用的任意适合的衬底。具体地，可以将半导体衬底160划分成管芯单元(未示出)的列，以便制作多个半导体芯片。例如，可以将多个管芯单元以二维矩阵的方式排列在半导体衬底160上。半导体衬底160可以是硅衬底、锗衬底或硅-锗衬底。
不局限于理论的限制，应该相信根据本发明的实施例的离子注入装置100与传统的离子注入设备相比是更加有利的，因为通过调节第一可变筛孔175的第一开口178的位置和宽度，可以将具有不同性质的杂质选择性地注入到同一个半导体衬底160的不同预定区域中。第一可变筛孔175的使用可以消除光致抗蚀剂图案或模板掩模的使用，并且使所需半导体衬底数量最小化，从而提供具有改善的精确度和可靠性的工艺、整体有效的生产量和减少的成本。
在图5-7中所示的另一个实施例中，根据本发明离子注入系统可以与在图1-4中所示的离子注入系统100类似，不同之处在于：它可以包括法拉第部分180a，除了包括在图2中所示的法拉第部分180中的部件之外，法拉第部分180a还具有第二可变筛孔185。
法拉第部分180a的第二可变筛孔185可以由石墨形成，并且沿第二方向是可移动的。具体地，第二可变筛孔185可以包括具有第二可调宽度的第二开口188。具体地，如图6中所示，第二可变筛孔185可以包括限定了第二开口188的第三筛分构件185a和第四筛分构件185b，使得第三和第四筛分构件185a和185b的每一个均可以沿第二方向独立地移动，以沿第二方向更改第二开口188的宽度和位置。例如，如图6中所示，可以将第三和第四筛分构件185a和185b沿y轴移动，以将第二开口188定位在半导体衬底160中央、具有h1的第二可调宽度。在这方面，应该注意的是，第二开口188的第二可调宽度指的是沿y轴测量的离子束102的高度。因此可以将离子束102的高度从h0调节到h1，如图6中所示。
此外，通过相对于半导体衬底160的预定区域完全地合拢第二开口188，第二可变筛孔185可以阻断离子束102。当仅以杂质离子处理半导体衬底160的特定管芯列时，如以下相对于图13-14所更加详细地讨论的，离子束102的阻断可能是有益的。
在本发明的另一个实施例中，以下将更加详细地描述通过相对于图1-7在前描述的离子注入系统，将离子注入到半导体衬底中的方法。然而，应该注意的是，即使将相对于在图1-7中所示的离子注入系统，来描述将离子注入到半导体衬底中的方法，其他的离子注入系统没有排除在本发明的范围之外。
如相对于图1-4所在前描述的，可以通过源部分115产生离子束102，并且通过加速器125将离子束102加速到扫描器130。接下来，可以在束线部分140中，沿一个方向扫描和聚焦离子束102，并且通过第一可变筛孔175调节到半导体衬底160的预定区域。虽然可以沿着z轴电磁地调节离子束102，可以将支撑半导体衬底160的压盘155沿着y轴机械地移动，以沿两个方向提供混合离子注入。
将相对于图8-10进一步地描述一种向半导体衬底160的预定区域扫描和调节离子束102的方法。
首先，可以对第一可变筛孔175的第一开口178进行调节以与半导体衬底160的特定区域相对应，如图8中所示。例如，可以对第一和第二筛分构件175a和175b进行定位，使得第一开口178可以具有横跨半导体衬底160的特定管芯列的宽度W2。
接下来，可以通过压盘155垂直地移动半导体衬底160，即，沿y轴，使得可以将来自离子束102的杂质离子沿半导体衬底160的特定管芯列A1注入，如图9中所示。可以重复相对于图8-9描述的离子注入程序，虽然可以沿z轴调节第一开口178的宽度和位置，以向平行于区域A1定位的另外的管芯列提供离子注入。在这方面，应该注意的是，每次在相同的半导体衬底160上重复相对于图8-9描述的离子注入程序时，可以针对每一列管芯，更改离子注入性质，例如，能量、杂质离子量等。
可选地，可以将半导体衬底160定位在压盘155上，使得可以将用离子束102处理的管芯列A2相对于z轴以预定的角度倾斜，如图10中所示。换句话说，当在将半导体衬底160加载到压盘155上时将其倾斜，使得管芯列也倾斜，可以对离子注入进行调节以与倾斜相对应。
例如，可以将第一可变筛孔175的第一开口178的位置维持在恒定的宽度，并且沿z轴移动，而可以将压盘155沿y轴移动。倾斜角度、第一开口178的位移速度、和压盘155的移动速度可以满足方程1，其中，θ是相对于z轴的倾斜角度，Vp是压盘155的移动速度，即第二速度，以及Vo是第一开口178的位移速度，即第一和第二筛分构件175a和175b以第一速度移动。
Vo＝Vp/tan(θ)(方程1)
因此，如从方程1中所了解的，第一开口178和压盘155的速度的调节有利于相对于z轴以预定的角度θ倾斜的区域中的离子注入。
用于将杂质离子注入到半导体衬底160中的另一种方法可以包括将离子注入到其较大区域的选择性离子注入。例如，如图12中所示，可以将杂质离子注入到半导体衬底160的一半区域A3中。具体地，如图11中所示，可以对第一可变筛孔175的第一开口178进行调节以具有可调宽度W3，即与半导体衬底160的一半区域A3相对应的宽度，并且将其定位于横跨将要进行注入的半导体衬底160的一半区域A3，即可以将第二筛分构件175b一端设置在半导体衬底160的中央的前面，并且将第一筛分构件175a一端设置在半导体衬底160的边缘的前面。应该注意的是，反转第一和第二筛分构件175a和175b的位置可以提供用于在与一半区域A3相反的另一半区域中的离子注入的第一开口178的适当设置。
用于将杂质离子注入到半导体衬底160中的另一种方法可以包括通过第二可变筛孔185将离子注入到其区域中的选择性离子注入。例如，如图13-14中所示，可以将第二可变筛孔185完全地合拢，以促进向半导体衬底160的特定管芯列(例如，区域A4和A5)的离子注入的控制。具体地，可以通过采用相对于图9描述的离子注入方法来完成在图13中所示的离子注入，除了仅当压盘155经过区域A4时，第二可变筛孔185的第二开口188打开。可选地，可以通过采用相对于图11描述的离子注入方法来完成图14中所示的离子注入，除了仅当压盘155经过区域A5时，第二可变筛孔185的第二开口188打开。
这里已经公开了本发明的典型实施例，并且尽管采用特定的术语，仅将它们用于且解释为一般的描述性的意思，并且不是为了限制的目的。例如，不应该将根据本发明的典型实施例的离子注入系统局限于注入的离子的种类，例如，磷、硼、锗、硅、铟、锑、氮和氩的离子。因此，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明所阐明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例做出形式和细节上的多种改变。

Claims (18)

1.一种离子注入系统，包括：
源部分；
束线部分；
具有压盘的目标腔室，压盘能够沿第二方向移动且支撑半导体衬底；以及
法拉第部分，具有剂量杯和第一可变筛孔，其中第一可变筛孔包括具有沿第一方向的第一可调宽度的第一开口。
2.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，第一可变筛孔包括其间具有第一开口的第一和第二筛分构件，第一和第二筛分构件的每一个均是沿第一方向可独立地移动的。
3.如权利要求2所述的离子注入系统，其中，第一可变筛孔包括石墨。
4.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，将法拉第部分设置在目标腔室的内部。
5.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，束线部分包括加速器、扫描器、和聚焦单元。
6.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，法拉第部分还包括第二可变筛孔，具有沿第二方向的第二可调宽度的第二开口。
7.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，第一方向垂直于第二方向。
8.如权利要求7所述的离子注入系统，其中，第二可变筛孔包括其间具有第二开口的第三和第四筛分构件，第三和第四筛分构件的每一个均是沿第二方向可独立地移动的。
9.一种离子注入方法，包括：
产生离子束；
朝向扫描器加速离子束；
沿第一方向扫描已加速的离子束；
通过沿第一方向改变第一可变筛孔来沿第一方向调节已扫描的离子束；
将已调节的离子束注入到附到压盘上的半导体衬底中；以及
沿第二方向移动压盘。
10.如权利要求9所述的离子注入方法，其中，沿第一方向调节已扫描的离子束包括：相对于半导体衬底，设定离子束的宽度和位置。
11.如权利要求10所述的离子注入方法，其中，设定离子束的宽度和位置包括：沿第一方向独立地移动第一可变筛孔的第一和第二筛分构件。
12.如权利要求11所述的离子注入方法，其中，设定离子束的宽度和位置还包括：对第一和第二筛分构件进行定位，以与半导体衬底的一半相对应。
13.如权利要求11所述的离子注入方法，其中，设定离子束的宽度和位置还包括：对第一和第二筛分构件进行定位，以与半导体衬底的管芯列相对应。
14.如权利要求11所述的离子注入方法，其中，设定离子束的宽度和位置还包括：以第一速度对第一和第二筛分构件进行定位，并且以第二速度移动压盘。
15.如权利要求9所述的离子注入方法，其中，还包括：通过沿第二方向改变第二可变筛孔来沿第二方向调节已扫描的离子束。
16.如权利要求15所述的离子注入方法，其中，沿第二方向调节已扫描的离子束包括：相对于半导体衬底，设定离子束的高度和位置。
17.如权利要求16所述的离子注入方法，其中，设定离子束的高度和位置包括：沿第二方向独立地移动第二可变筛孔的第三和第四筛分构件。
18.如权利要求9所述的离子注入方法，其中，第一方向垂直于第二方向。
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