CN101140847B - 一种离子束导管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于离子注入机中的离子束，其位于注入机中与半导体晶片相邻近的位置。这种导管用来约束在注入过程中晶片中和所使用的带电粒子。根据本发明，一种导管包括一个轴，沿着所述轴接收离子束的开口端，与所述轴基本平行的导管壁，和穿过所述导管壁的至少一个开口，所述导管壁从所述导管内到外形成气体流通通道，所述通道具有与所述导管轴成锐角排列的长度，及横向于所述长度的最小尺寸，以便垂直于所述导管轴的通过通道的视线被充分阻挡。

Description

一种离子束导管

技术领域

本发明涉及离子注入机，并且具体涉及用于离子注入机中的离子束的导管，其位于注入机中与被注入的半导体晶片相邻近的位置。在注入过程中，这种导管用来约束用于晶片中和所使用的带电粒子。

背景技术

在半导体器件的制造中使用离子注入时，由于在被注入的半导体晶片表面上的绝缘位置的电荷积累，问题就会产生。半导体晶片表面上过多的电荷会破坏晶片中形成的柔性结构，并且还会对注入过程本身有所影响，尤其是当注入离子的能量较低时。

因此，在离子注入过程中，实际上常提供各种配置来中和晶片表面上积累的电荷。注入过程中的晶片中和的配置在美国专利5,399,871中有所描述。在晶片的前端放置一个导管，在注入过程中离子束通过导管到达晶片。与导管相关的等离子体发生器提供低能量电子源至导管的内部。在通常为正离子束的情况下，在晶片表面积累的静电荷是正的。导管内的低能量电子被吸引到晶片表面积累的正的静电荷的任一位置，然后被中和掉。

在美国专利6,101,536和6,501,081中公开了上述类型的电荷中和系统相关的进一步进展。在这些现有技术文档中公布的中和系统在本领域是指等离子体注满系统(PFS)。

为了注入低能量的离子，已知的方法是提供带有静电荷减速透镜的离子注入机，其位于沿着离子束方向质量选择配置的下流，并处在晶片中和系统的前方。如果离子在被减速到注入所需目标能量之前，通过减速透镜的离子束中的一些离子被中和时，这种减速透镜配置可能会产生问题。这些中和后的离子然后就会在离子束中一同运动，并以超过所需目标能量的能量注入到晶片中。这称作能量污染。因此，在离子注入机的减速透镜区域内及在透镜和与质量选择狭缝之间的位置，在现有技术设备中需要采取措施来最小化离子注入机的真空室内的剩余气体压力。以这种方式，来自质量选择狭缝的离子束中的离子同剩余气体原子和分子相互作用导致离子束的电荷交换和电荷中和的可能性就会被最小化。一种注入机中配有减速配置的例子在美国专利5,969,366中进行了描述。

美国专利5,969,366，美国专利6,101,536以及美国专利6,501,081中公开的所有内容在此并入作为参考。

发明内容

本发明提供一种用于离子注入机中的离子束的导管，其位于注入机中与被注入的晶片相邻近的位置，以便在注入过程中约束晶片中和所使用的带电粒子。所述导管具有一个轴、沿着所述轴接收离子束的开口端、与所述轴基本平行的导管壁、以及穿过所述导管壁的至少一个开口，所述导管壁从所述导管内到外形成气体流通通道。所述通道具有一长度(该长度与所述导管轴成锐角排列)及横向于所述长度的最小尺寸，以便垂直于所述导管轴的通过通道的视线被充分阻挡。

可以发现，提供一个或多个这种通过晶片中和配置的导管壁的通道能显著减少在导管的上游位置使用减速透镜的减速离子束中的能量污染。可以注意到，来自被注入晶片的除气光致抗蚀剂，以及在等离子注满系统中使用的惰性气体，加剧了在减速透镜的区域中的剩余气体压力。提供一个或多个通过等离子体注满系统的导管的侧壁的通道，可以允许来自晶片的除气材料和惰性PFS气体(典型地为氩气)从导管中逃逸，从而减小了减速透镜区域中的剩余气体压力的增加。与导管轴成锐角制造一个或多个通过导管壁的通道，以及确保通道的最小横向尺寸足够小，可以在约束所期望的低能量电子时，使导管的静电效应几乎没有被削弱。此外，由于垂直于所述导管轴的通过一个或者多个通道的视线被充分阻挡，导管附近设备上的热负荷，如低温泵，可以被很好地控制。

通过导管壁的通道的最小横向尺寸可以在包含有所述导管轴的平面内。

在一个例子中，所述通道是通过所述导管壁的槽形成的，其在横向于所述通道长度上有一个主要尺寸，并横向于所述导管轴。

在注入过程中，在导管的下游端与晶片邻近，而上游端接收离子束的这种情况下，通道优选地定向为远离所述下游端。有了这种定向材料，在注入过程中来自晶片的除气能更容易经过通道逃离导管内部。

附图说明

将参照下列附图对本发明的例子进行描述，其中：

图1是并入本发明的实施例的离子注入机的简图；

图2是包含体现本发明的导管的晶片中和系统的示意图；

图3是沿图2中的线3-3的导管的横截面视图；和

图4图解说明了一种体现本发明的导管的改进形式。

具体实施方式

在图1中，图解说明的离子注入机包括一个离子束发生器，其大致示于10。离子束发生器10包括一个离子源(包括注入所需要的各种离子可以从其中提抽出来)，一个质量选择器(典型地包括磁式扇形分析器和一个质量选择狭缝)。质量选择器确保只有注入所需种类的离子能够在质量选择狭缝中在朝向晶片的离子束中射出，以进行注入。组成离子束发生器10的离子注入机的所有元件在本领域是众所周知的，并且本领域已知的典型配置在先前提到的美国专利5,969,366中进行了展示。

离子束发生器10产生一预定能量、朝向固定到晶片保持器13上的半导体晶片12的方向上的离子束11。典型地，当冲击待注入的晶片12时，离子束的覆盖区或横截面远小于晶片的面积。因此，为了确保晶片的所有部分都具有所需离子的均匀剂量，晶片保持器13可以如箭头14所示被扫描，以便晶片12的所有部分被均匀地暴露于离子束11。相对于离子束11用来扫描晶片12的系统可以包括：通过固定离子束的晶片保持器的二维扫描，在固定晶片上的离子束的二维扫描，或其结合(其中离子束在一个方向上被扫描，而晶片在另一个方向上移动)。尽管本发明特别适用于离子束是固定的且只扫描晶片的情况，但本发明也考虑了晶片和离子束的相互扫描的所有形式。

在晶片12的正前面，离子注入机具有一个晶片中和系统，其表示为15。晶片中和系统旨在在晶片的正前面的区域中提供低能量电子。以便这些电子能被吸引到晶片上的任何带正电荷的区域，来阻止过多的电荷在晶片上积累，以及阻止由于此电荷可能带来的损坏。

晶片中和系统15包括导管16，其每一端都是开着的，以便离子束11可以大致平行于导管的轴17通过导管16。等离子室18被提供以固定到导管16的壁上。等离子体室18的内部与导管16的内部通过开口19连通。惰性气体，诸如氩气被提供给等离子室18，等离子体是通过相对于等离子体室18的壁，适当地偏置加热的阴极19形成的。在等离子体中产生丰富的电子，其然后通过孔19进入导管16的内部，以用来在注入过程中中和晶片12上积累的电荷。在注入过程中用于中和晶片的这种类型的等离子体注满系统(PFS)的进一步的细节在前述的美国专利5,399,871以及美国专利6,101,536和美国专利6,501,081中给出。

导管16有效地约束了导管内部等离子体室18产生的低能量电子，以便于它们可以用来中和晶片12上积累的正电荷。出于这个目的，可以使导管16保持在较小的负电压上。

尽管是对特定形式的PFS型中和系统进行了描述，但任何中和系统都能够使用在本发明的实施例中，其中，中和系统使用一个大致类似于导管16的导管，其目的在于约束离子束周围和被注入的晶片前面的中和电子。

一般地，注入机中质量选择的离子束的能量为10keV或者更大。低于这个能量可以由离子束发生器10来产生，但是这种低能量束很难传送穿过发生器10中的质量分析器，这导致低能量离子束带有很低的离子电流。但是，经常需要注入能量为1keV或者小于1keV的能量的离子。所以，大致显示在20的减速透镜，可以放置在质量选择狭缝和晶片中和系统15的导管16之间的位置。

减速透镜20包括一个或多个电极，其被偏置来在离子束11的区域中建立静电减速场。离子束流经减速透镜20进入到导管16由此可以被减速为一个较低的能量以用于注入。一种适当的减速透镜结构在前述的美国专利5,969,366中进行了详细描述。

如果光束11中存在任何中性原子，这些中性原子当然不会被减速透镜20产生的减速场减速。这样的中性原子可以沿着光束以大于光束17的减速能量的能量通过导管16，并以此更高的能量注入到晶片12中。晶片的这种能量污染是不希望的，需要采取措施来确保减速透镜20的区域中的中性原子的数目被最小化。

已经发现，通过提供穿过导管16的壁的有角度的槽22可以减少中性污染。

结合图3的横截面图，在图2中可以很容易地看到这些槽，图2示出了器导管16的展开视图。可以在图2和3中看出，槽22的主要尺寸在横向于导管16的轴的方向延伸。

在本例子中，导管16具有一个基本为矩形的横截面，图2中图示说明的槽22在导管的一个侧壁中。类似的槽可以被提供在对面的壁中，更多的槽可以被提供在下面和上面的壁中，其示于图1的横截面中。如图3中所示，其为沿图2的线3-3的横截面图，槽22包括通道23，其延伸通过导管壁24的厚度中。每个通道23具有一个长度(在导管的内部和外部之间延伸)其与导管轴(如图3中的虚线25所示)成锐角的方向排列。进一步，每个通道23具有一最小尺寸(其对应于槽22的宽度)，其足够小以便于在垂直于导管轴25的方向上导管的内部到外部不存在视线，如图3中箭头26所示。重要的是，通道23在向外和远离晶片12的方向上成一角度，并在图3中显示的导管的左侧端。以这种方式，在注入过程中从晶片12除气的原子和分子(典型地来自在注入过程之前用在晶片上的遮蔽材料或抗蚀膜)可以很容易地从导管16的内部通过通道23逃逸。使通道向外成一角度并远离晶片12的表面允许抗蚀气体更容易逃逸。

此外，可以理解到将惰性(氩)气体供给到等离子体室18的内部会导致在导管16的内部的来自这个气体源的剩余气体的压力增大。通道23还提供了一个传导通道用于这种PFS气体的逃逸。

结果是，从导管的上游端27(见图1)排出的气体的量被减少。这又给减速透镜20的区域提供了减小的气体负载。结果是，在从离子束发生器10中的质量选择狭缝发出和被减速透镜20全面减速之间，通过与剩余气体分子的冲击事件，来自离子束发生器10的离子束11中的离子被中和的可能性减小。结果，通过导管16至待注入晶片12的离子束的能量污染减小。

尽管通过导管壁的槽通道的优势对于减速离子束是最为显著的，但当其使用在不带有减速透镜20的离子注入机中时或者当减速透镜20不偏置来减速离子束时，也可以获得这种优势。然后，通过减小质量选择器后面的沿着离子束路径方向的剩余气体的压力，在离子束中产生的中性原子的数量被减小，这使得在任何时间被注入的离子束中的总电流可以被更容易地测量出来。可以理解，通过确保对离子束传送给收集装置的总电荷随时间的变化进行监控，带电离子束可以很容易地被测量出来。但是，中性原子或分子不会被测出，即使当这些中性物被注入到半导体中时，它们与具有同类电离粒子的注入具有相同的效果。所以，减少被注入的离子束中的中性物的数量对于提高剂量测量和控制的精确度是有用的。

通过穿过导管壁的槽22提供的倾斜的通道23是有很多优势的。首先，通道是倾斜离开被注入的晶片12的，使得晶片的除气材料可以更容易的沿通道23传给导管的外部。其次，通过倾斜通道23和控制槽22的宽度，导管16中的热辐射会被降低和控制。这在预防晶片和中和系统15周围的处理室中的灵敏设备的过载是尤为重要的，如用于保持该区域为真空的低温泵。

再次，具有锐角的通道23防止导管内静电场产生实质上的畸变，其静电场用来约束低能量电子来进行晶片中和。

如果导管内部有进行涂层的趋势(例如带有除气抗蚀材料)，则可以体现出进一步的优势。这种涂层可以是电介质，并导致损害导管16产生的电子约束场。通道23，其在导管的内部至外部之间具有显著的长度，其随着通道23的锐角的减小而增加。导管内部(包括通道23的内壁)的表面的至少一部分没有绝缘涂层的可能性增加。

图4图解说明了一个不同的实施例，其中导管16的壁包括多个有角度的狭条30，其固定在形成导管的框架的拐角支撑之间。具有这样的结构，允许除气材料和PFS气体从导管内部逃逸的通道23的总打开面积最大化。垂直于导管轴的视线仍被狭条阻挡。

在具有有角度的狭条配置中，有角度的通道的进一步的优势最为明显。离子束冲击导管的内导管壁可以引起粒子从导管壁处的溅射，并且前抛来污染晶片的表面。利用通过导管壁的槽形状中具有锐角的通道，一般平行于离子束方向的导管壁的表面积被减小，从而使得溅射污染到晶片表面上的风险被降低。在图4中图解说明的狭条壁情况下，导管的平行于离子束方向的表面积被最小化。

Claims (5)

1.一种用于离子注入机中的离子束的导管，其位于注入机中与被注入的晶片相邻近接的位置，以便在注入过程中约束晶片中和所使用的带电粒子，

所述导管具有一个轴，沿着所述轴接收离子束的开口端，与所述轴基本平行的导管壁，和穿过所述导管壁的至少一个开口，所述导管壁从所述导管内到外形成气体流通通道，

所述通道具有与所述导管轴成锐角排列的长度，及横向于所述长度的最小尺寸，以便垂直于所述导管轴的通过通道的视线被充分阻挡。

2.根据权利要求1所述的导管，其特征在于所述通道的所述最小横向尺寸在包含所述导管轴的平面内。

3.根据权利要求2所述的导管，其特征在于形成为穿过导管壁的槽的所述通道有一个主要尺寸，所述主要尺寸横向于所述通道长度和所述导管轴。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的导管，其特征在于在注入过程中，导管的下游端与晶片相邻近，而导管的上游端接收所述离子束，并且所述通道被定向为离开所述下游端。

5.一种离子注入机，其具有如前面任何一项权利要求所述的导管。

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