CN101490791A - 离子注入机内的射束角度调节 - Google Patents

Abstract

导引元件包括在离子注入系统内，以将离子射束引导或“导引”到导引元件下游的扫描元件的扫描顶点。这样，扫描元件的扫描顶点与扫描元件下游的平行化元件的聚焦点重合。这允许射束以期望的角度从平行化元件射出，以使得可以将离子以期望的方式注入到位于平行化元件的下游的工件内。

Description

离子注入机内的射束角度调节

技术领域

本发明总体上涉及一种离子注入系统，本发明更具体地涉及调节离子注入机内的离子射束角度。

背景技术

离子注入系统是用于在集成电路制造中利用杂质掺杂半导体基板的装置。在这种系统中，掺杂剂材料被离子化，并由此生成离子射束。离子射束在半导体晶片或工件的表面处被引导，以将离子注入到晶片内。射束的离子例如在晶体管的制造中穿透晶片的表面，并在其内形成期望的导电性区域。通常的离子注入机包括：用于生成离子射束的离子源；包括用于引导和/或过滤(例如，质量解析)射束内的离子的质量分析装置的质量射束线(beamline)组件；和包含将被处理的一个或多个晶片或工件的目标室。

离子注入机的优点是因为它们对于工件内的掺杂剂的质量和放置都考虑了精度。具体地，离子注入机对于给定应用允许被注入的离子的剂量和能量变化。离子剂量控制被注入离子的浓度，其中，高电流离子注入机通常用于高剂量注入，而中等电流则用于低计量应用。离子能量用于控制在半导体器件内的接合深度，例如，在所述半导体器件内，能量确定离子注入到工件内的深度。

可以理解的是假设在电子工业中往往减小电子元件的尺寸以产生更小、但却更有功效的器件(例如，移动电话、数码相机等)，则在这些器件内使用的半导体和集成电路(例如，晶体管等)在尺寸上也持续减小。将更多这些元件“打包(pack)”到一个半导体基板或一个半导体基板的一部分上的能力也提高了生产效率和产量。可以理解的是控制离子注入在成功地增加打包密度方面起了很重要的作用。例如，对于离子射束相对于工件的机械表面和/或晶格结构的定向(例如，角度)的误差限度可能更小。因此，期望有助于更好地控制离子注入的装置和技术。

发明内容

以下是本发明的简单概括，以提供对本发明的一些方面的基本理解。此概括并非是本发明的广泛概述。其目的既不是契约本发明的关键或重要元件，也不是描述本发明的保护范围。而是其主要目仅仅是以简化的形式作为对在后面出现的更详细的说明的序言说明本发明的一个或多个方面。

导引元件(steering element)包括在离子注入系统内以将离子射束导引到离子注入系统的扫描元件的扫描顶点。如此，扫描元件的扫描顶点与扫描元件下游的平行化元件的聚焦点重合。这允许射束以期望的角度从平行化元件射出，以使得可以以期望的方式将离子注入到位于平行化元件的下游的工件内。

为了实现前述和相关目的，以下说明和附图详细说明本发明的特定示例性方面和实施方式。这些说明与附图指出了本发明的一个或多个方面可以采用的不同方式中的一些方式。以下结合附图从下面的详细说明中将理解本发明的其它方面、优点和新颖性特征。

附图说明

图1是晶格结构的一部分的示例的透视图，其中离子射束大致上平行于晶格结构的平面而在晶格结构处被引导；

图2是如图1中所示的晶格结构的一部分的示例的透视图，其中离子射束大致上不平行于晶格结构的平面而在晶格结构处被引导；

图3是半导体基板的一部分的剖视图，所述半导体基板具有形成于其上的特征，在离子注入期间，所述特征通过改变距离而被间隔，因此所述特征遭受不同程度的遮蔽(shadowing)的影响；

图4是如图1中所示的晶格结构的一部分的示例的透视图，其中结构的机械表面基本上不与晶格结构共面；

图5是示出了示例性注入系统的方框图，其中离子射束被导引通过如本文所述的系统的扫描元件的扫描顶点，在所述系统中，扫描顶点与系统的平行化元件的聚重合；

图6是示出了当没有使离子射束穿过如本文所述的扫描元件的扫描顶点时注入角度如何被损坏的示意图；以及

图7是用于使离子射束导引通过如本文所述的注入系统的扫描元件的扫描顶点的示例性方法论。

具体实施方式

参照附图说明本发明的一个或多个方面，其中，相同的附图标记在全文中基本上表示相同的元件，并且其中没有必要按照比例画出各种结构。在下面的说明中，出于解释的目的，说明了许多特定细节，以提供对本发明的一个或多个方面的透彻理解。然而，对本领域的技术人员显而易见的是本发明的一个或多个方面可以无需像这些特定细节一样实施。在其它情况下，已知结构和设备以方框图的形式示出，以有助于说明本发明的一个或多个方面。

如上文间接提到，在半导体制造过程中，将带电粒子或离子注入半导体晶片或工件。离子由于其净正电荷或负电荷而显示期望的电特性。当与半导体过程相关联使用这种离子化的材料时，这种离子化材料被称为掺杂剂，因为它们“掺杂”或改变它们所注入的基底层或其它层的电特性，从而使层具有期望的并可预知的电行为。

基底层或基板通常包括晶体形式的硅。这些材料据说当它们的原子以规则的方式在三维空间内布置时具有晶体结构，通常被称为晶格。举例说明，图1示出了具有大致上为立方体结构的普通格状结构100。具体地，在所示的示例中，格状结构100具有形状大致为立方体的27(例如，3×3×3)个晶胞102。结晶的格状结构存在于平面110内，并且这些平面110在图示的示例中基本上相互垂直(例如，在x、y和z方向上)。然而，要理解的是格状结构可以是各种不同结构中的任意一种，并具有任意数量的晶胞，所述晶胞具有任意数量的各种不同形状，如钻石状、金字塔状、六角形状等。

在半导体制造中使用的硅基底层也被称为晶片或基板，至少部分地被称为晶片或基板，因为它们从整块硅切割下来。具体地，已知为晶锭(boule)的非常特定的单个硅的结晶生长成长条状，并从其切下薄片(例如，晶片)。这种晶片通常以密勒指数数据表示，如表示格状结构相对于晶片的切割表面的相对定向(100)。晶片的晶体结构在电子器件中是有利的，因为其有助于控制器件的电特性，并且整块材料显示相同的电性能。此外，因为降低器件性能的杂质往往聚集在材料的原子结构内的不规则周围，所以晶体结构的规律性提供更可预知的器件性能和成品率(yield)。

可以理解的是半导体掺杂过程的重要参数是离子射束与半导体材料的内部格状结构之间的入射角。入射角之所以重要是因为其在已知的沟道效应(channeling)的现象中尤其重要。具体地，如图1中所示，如果掺杂剂离子的射束104的方向基本上平行于(垂直)格状结构的平面110，射束则可以在每单位长度损失较少能量的情况下穿过这些平面，因为在平面之间的空间内移动的离子与晶体原子碰撞较少。因此，离子可以深深地注入基板内。

与图1相反，图2中的射束104的方向大致上不与格状结构100的平面100平行(垂直)。因此，离子射束104内的一些离子将很可能撞击格状结构的部分106，并改变(例如，损坏)格状结构。这样做，离子将很可能损失能量并减速和/或如箭头108所示从其原来的轨道扩散，从而停留在工件的较浅部分内。因此，期望的是相对于格状结构以特定定向引导离子射束，以实现例如沟道效应和/或局部掺杂的期望的水平。可以理解的是还期望在注入过程期间当射束与晶片之间的相对定向变化的同时保持射束与晶格结构之间的这种相对定向。

除了射束与晶片的格状结构之间的定向之外，可以理解的是射束相对于晶片的机械表面的定向对于例如控制遮蔽也尤其重要，其中遮蔽涉及因为射束被晶片上的一个或多个相邻的特征所堵塞而使晶片的某些部分可以接收较少的掺杂剂或接收不到掺杂剂的情形。遮蔽的重要性之所以逐渐增加通常是因为电子工业倾向于持续降低特征的尺寸，以产生更小、更有功效的器件(例如，细胞电话、数码相机等)，所述器件在较小功率下能够执行更多数量的逐渐增加的复杂功能。

减小尺寸通常要求作为半导体制造过程的一部分而形成于晶片内或晶片上的特征更靠近在一起地形成，并要求使在这些特征之间确立的间隔更窄。然而，这些特征中的一些的相应的高度却没有减小(例如，由于光刻限制)。与特征之间缩小的间隔连接的通常固定的特征高度导致遮蔽的增加，从而使晶片的某些部分比期望的掺杂剂的量小。这些遮蔽在增加离子注入角度例如以消除沟道效应时可以变得更加严重。

转到图3，例如，半导体基板或晶片300的一部分的剖视图具有形成于其上的多个特征302、304、306、308，和限定于多个特征302、304、306、308之间的相应的间隔310、312、314。特征302、304、306、308可以由蚀刻剂材料(resist material)或由多晶硅材料制成，因此所有特征具有大致相同的高度。然而，特征302、304、306、308中的一些比其它更靠近地在一起形成，因此它们之间相应的间隔310、312、314的宽度不同。

被间隔310、312、314暴露的基板300的区域320、322、324经由离子注入而被掺杂。因此，一个或多个离子射束330在基板300处被引导以执行掺杂。然而，射束330相对于基板300的表面340以一角度定向，以例如减缓沟道效应。因此，射束330中的一些使它们离子中的一些被特征302、304、306、308的一些部分(例如，角落)堵塞。因此，基板区域320、322、324内的区域350、352、354接收的掺杂剂离子的量比预期的少。可以看到的是当使特征302、304、306、308更加靠近在一起，并从而使相应的间隔310、312、314更窄时，没有充分掺杂的区域350、352、354占据基板区域320、322、324的更大部分。

图4类似于图1和图2，但是示出了晶片的机械表面112由于例如晶体切割误差而不与晶格结构共面的情形。因此可以理解的是可能需要在注入过程期间移动射束和/或晶片，以保持晶片的机械表面112与离子射束104之间的相对定向，和/或保持晶片的晶格结构与离子射束104之间的相对定向，从而例如在沟道效应和遮蔽之间保持期望的平衡。

图5示出了示例性离子注入系统510，其中，射束角度可以如本文所述而被调节。系统510具有端子512(terminal)、射束线组件514、和终端站(end station)516。端子512包括由高压电源552供以动力的离子源520，高压电源552产生离子射束524并将其引导到射束线组件514。离子源520生成被提取并形成到离子射束24内的带电离子，所述离子沿射束线组件514的射束路径被引导到终端站516。为了生成离子，被离子化的掺杂剂材料的气体(未示出)位于离子源529的生成室521内。掺杂剂气体例如从气体源(未示出)被供给到室521内。除了电源522之外，要理解的是诸如RF或微波激发源、电子射束注入源、电磁源和/或例如在室内产生电弧放电的阴极的任何数量的适当的装置(没有一个被示出)可以用于激发离子生成室521内的自由电子。激发的电子与掺杂剂气体分子相撞，离子由此而生成。尽管本发明可以应用到产生负离子的系统，但是通常生成正离子。

射束线组件514具有射束引导件532、质量分析仪526、扫描系统535、和平行化器539。质量分析仪526以大约90°角度形成，并包括用于在其内建立(偶极子)磁场的一个或多个磁铁。当射束524进入质量分析仪526时，其被磁场相应地弯曲，以使得排斥具有不适当的电荷-质量比的离子。更具体地，具有太大或太小电荷-质量比的离子被偏转到质量分析仪526的侧壁527内。如此，质量分析仪526仅仅允许射束524内的具有期望的电荷-质量比的那些离子穿过质量分析仪526，并通过解析孔534退出。要理解的是在系统510内离子射束与其它粒子的碰撞可能降低射束完整性。因此，可以包括一个或多个泵(未示出)，以抽空至少射束引导件532和质量分析仪526。

扫描系统535包括扫描元件536和聚焦和/或导引元件538。相应的电源549、550操作性地连接到扫描元件536和聚焦与导引元件538，并且更具体地连接到位于扫描元件536和聚焦与导引元件538内的各个电极536a、536b和538a、538b。聚焦与导引元件538接收具有相对窄轮廓的经质量分析的离子射束524(例如，图示系统510中的“铅笔状”射束)，并且由电源550施加到板538a和538b的电压工作，以将射束聚焦并导引到扫描元件536的扫描顶点551。由电源549(所述电源549理论上可以与550为相同的电源)施加给扫描仪板536a和536b的电压波形然后在X方向(扫描方向)上来回扫描电子射束524，以将射束524向外扩展成细长的“带状”射束(例如，扫描射束524)，所述细长的“带状”射束有效的X方向宽度可以至少与相关工件的宽度一样宽或比相关工件的宽度宽。要理解的是扫描顶点551可以被限定为光学路径内的点，带状射束的每一个细射束(beamlet)或扫描部在被扫描元件536已经扫描之后如同是由所述光学路径内的点产生的。扫描射束524然后穿过平行化器539，所述平行化器539是具有对应于或与扫描顶点551对齐的聚焦点的透镜，所述透镜将穿过扫描顶点的任何射束聚焦到无限远处并因此大致上平行于Z方向(例如，大致上垂直于工件表面)而将射束引导向终端站516。

要理解的是虽然在示例性扫描元件536和聚焦与导引元件538中分别说明了两个电极536a、536b和538a、538b，但是这些元件536、538可以包括任何适当数量的电极，所述电极被布置并偏置以加速和/或减速离子，以及如Rathmell等人的美国专利#6,777,696中所述的聚焦、弯曲和/或净化离子射束526，所述美国专利#6,777,696通过引用在此全文并入。此外，聚焦与导引元件538可以包括静电偏转板(例如，一对或多对静电偏转板)，以及单透镜、四极透镜和/或聚焦离子射束的其它聚焦元件。虽然并非必需，但是将电压施加到元件538内的偏转板以使得偏转板平均为零时仍然有利，这样的结果是避免引入额外的单透镜，并最小化元件538的聚焦方面变形。要理解的是当射束方向与导引电压和板的长度成正比，并与射束能量成反比时，“导引”离子射束尤其是板538a、538b的尺寸和施加到板538a、538b上的导引电压的函数。

要理解的是在注入机510内可以使用不同类型的终端站516。例如，“批次”型终端站可以同时将多个工件530支撑在旋转的支撑结构上，其中工件530可以旋转通过离子射束的路径，直到所有的工件被完全注入。另一方面，“连续”型终端站沿用于注入的射束路径支撑单个工件530，其中多个工件530以连续的方式被一次注入一个，且在开始注入下一个工件530之前每一个工件530被完全注入。在混合系统中，当在第二(X或快速扫描)方向上扫描射束的同时工件530可以在第一(Y或慢扫描)方向上机械地平移，以将射束524施加到整个工件530上。

在图示示例中的终端站516是沿着用于注入的射束路径支撑单个工件530的“连续”型终端站。计量测定系统552在工件位置附件包括在终端站516内，用于在注入操作之前校准测量。在校准期间，射束524穿过计量测定系统552。计量测定系统552包括一个或多个轮廓仪556，所述轮廓仪556可以在轮廓仪路径558上连续来回移动，从而测量扫描射束的轮廓。轮廓仪556可以包括例如测量扫面射束的电流密度的电流密度传感器，如法拉利杯，其中电流密度是注入角(例如，射束与工件的机械表面之间的相对定向和/或射束与工件的晶格结构之间的相对定向)的函数。电流密度传感器以基本上正交的方式相对于扫描射束移动，因此通常在带状射束的宽度上来回移动。在一个示例中，计量测定系统测量射束密度分布和角度分布。射束角度的测量可以使用如R.D.Rathmell，D.E.Kamenitsa，M.I.King和A.M.Ray，IEEE Proc.of Intl.Conf.on Ion Implantation Tech.，Kyoto，Japan 392-395(1998)中的授予Rathmell等人的名称为“ION IMPLANTATIONBEAM ANGLE CALIBRATION”的美国专利申请No.11/288,908和授予Rathmell等人的名称为“MEANS TO ESTABLISH ORIENTATION OF ION BEAMTO WAFER AND CORRECT ANGLE ERRORS”的美国专利申请No.11/290,344中所述的在具有狭缝的遮蔽物的后方的移动式轮廓仪感测电流，其中这两个专利申请的内容通过引用在此全文并入。每一个独立细射束在短漂移之后与狭缝位置的位移可以用于计算细射束角度。要理解的是此位移可以被称为系统中的射束诊断(beam diagnostics)的校准参考。

计量测定系统552可操作地连接到控制系统554，以接收来自于控制系统554的指令信号，并为控制系统554提供测量值。例如，可以包括计算机、微处理器等的控制系统554可以是可操作的，以从计量测定系统552取得测量值，并计算扫描带状射束越过工件的平均角度分布，然后调节施加到导引元件538的电压，以实现期望的注入角度。在所示示例中，控制系统554也可以连接到射束线组件514。更具体地，控制系统554操作性地连接到质量分析仪526，以使得例如通过调节穿过质量分析仪526的一个或多个磁铁的励磁绕组(未示出)的电流量而调节在质量分析仪526内生成的磁场的强度和定向。

图6示出了当离子射束没有穿过离子注入系统的扫描元件的扫描顶点时角度控制是如何被损坏的。具体地，离子射束624被示为穿到离子注入系统610的聚焦元件638内。然而，聚焦元件638不包括将射束624引导到聚焦元件638下游的扫描元件636的扫描顶点651的导引元件。因此，虽然通过聚焦元件638可以将射束624聚焦到良好的铅笔状射束，但是射束仍然到达除扫描元件636的扫描顶点651的之外的位置处。可以看到的是扫描元件636将此误差传播给平行化器639，以使得以不期望的以及不可预知的角度θ661将平行化器639输出的射束施加到工件630。

可以理解的是在离子注入系统内没有穿过扫描元件的扫描顶点的离子射束的入射角由于尝试有助于器件减小的努力而增加。更具体地，在将更多的器件打包到相同或更小的区域内的努力中，诸如接合深度的器件特征和/或其它特征深度变得更浅。为了建立其注入不如往常注入得深的区域，高电流、低能量(高导电系数)注入被用于将大量掺杂剂原子放在基板的浅区域内。然而，这些射束的高导电系数通常使保持射束轨道变得困难。然而，注入过程的其它方面也使射束没有穿过扫描元件理想的扫描顶点。除了空间电荷与其它效应之外，例如，当射束沿射束路径传送向工件时，射束可能遇到改变射束轨道的各种电场和/或磁场和设备。举例说明，低能量注入机通常被设计成提供高达大约80-100keV的数千电子伏(keV)的离子射束，而高能量注入机在质量分析仪与终端站之间可以采用RF直线加速(linac)装置(未示出)，以将经质量分析的射束加速到更高能量，通常数百keV，其中DC加速也是可以的。

转到图7，示例性方法论700被示出用于校正离子注入系统中的射束角度，而更具体的是用于将射束导引到注入系统的扫描元件的扫描顶点。虽然示出了方法论700并且在以下被说明为一系列动作或事件，但是要理解的是本发明不受图示这些动作或事件的顺序的限制。例如，根据本发明的一个或多个方面，一些动作可以以不同的顺序发生，和/或与除这里所图示和/或所述的那些动作或事件之外的其它动作或事件同时发生。此外，可以不要求实施所有图示的动作以实施根据本发明的方法论。

方法700开始于710处，在710中扫描越过工件的离子射束生成于离子注入系统内。射束例如被建立以具有期望的掺杂剂种类、能量和/或电流。方法然后进行到712，在712中确定注入角度分布。例如，这可以通过使用当射束扫描通过晶片时确定射束的电流密度的计量测定系统来完成，其中电流密度是注入角度(例如，射束与工件的机械表面之间的相对定向和/或射束与在系统中射束诊断的校准参考之间的相对定向)的函数。可以通过平均如上所述从计量测定系统获得的数据而确定注入角度分布。

在714处，做出平均注入角度是否可接受的决定。如果平均注入角度是可接受的，则方法继续进行到结束状态。如果平均角度为不可接受的，则方法移动到716，在716中，调试施加到离子注入系统的导引元件的电压。调节施加到导引元件的电压以使射束移动向离子注入系统中的扫描元件的扫描顶点。可以通过计算透过注入机的光学组件的平均角度的折射确定对导引电压所做的调节，在所述注入机的光学组件中使用离子注入系统的加速和/或减速阶段。具体地，具有角度误差的射束的减速/加速通过M＝(Ein/Eout)^1/2的倍数放大/缩小角度，其中Ein是减速/加速之前的能量，而Eout是减速/加速之后的能量。与光线光学相似，这种放大可以称作为折射。然后根据折射指数与角度对导引电压的敏感度调节导引电压。例如，从为发生在导引元件与晶片之间的折射而被校正的晶片处测量的角度误差计算由导引元件所做的必需的角度校正。在导引电压在716处被调节之后，方法再回到712，在712中重新确定注入角度。重复此过程，直到达到可接受的注入角度。

虽然已经参考一个或多个实施例示出并说明了本发明，但是本领域的其它技术人员根据阅读并理解本说明书和附图将做等价改变和变型。本发明包括所有这些变型和改变，并仅仅由以下权利要求的保护范围限定。特别是关于由上述部件(组件、元件、器件、电路等)所执行的不同功能，除非有特别声明，用于说明这些部件的术语(包括对“方法”的参考)旨在对应于执行所述部件的特定功能(即，功能等价)的任何部件，即使结构不等价于执行本发明图示的示例性实施例的功能的、所公开的结构也亦然。此外，虽然已经仅仅相对于几个实施例中的一个说明了本发明的具体特征，但是当期望或者有利于任何给定或具体应用时，这些特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征相结合。更进一步，对于术语“包括”、“有”、“具有”，或者它们的变化的范围，无论是在在详细说明中使用，还是在权利要求中使用，这些术语旨在与术语“包含”相类似的方式包括。此外，当在本文中使用“示例”时，其仅仅表示一个示例，而不是最佳示例。

Claims (7)

1.一种校正离子注入系统内的注入角度的方法，所述方法包括以下步骤：

在离子注入系统内生成离子射束；

确定所述离子射束相对于由射束将离子注入到其内的工件的机械表面的注入角度分布，和所述离子射束相对于系统内的射束诊断的校准参考的注入角度分布中的至少一个注入角度分布；

确定角度是否可接受；以及

如果所述角度不可接受，则调节导引电压以校正所述射束。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

从所述注入角度分布确定平均角度，以及

确定所述平均角度是否可接受。

3.一种离子注入系统，包括：

用于生成离子射束的部件；

用于质量解析所述离子射束的部件；

用于将所述离子射束导引到平行化部件的聚焦点的导引部件，所述平行化部件位于扫描部件的下游，并被构造成使被所述扫描部件扫描的所述离子射束平行；以及

终端站，其位于所述平行化部件的下游，并被构造成支撑将被所述离子射束注入有离子的工件。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述导引部件包括至少一对电极。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述导引部件包括至少一对静电偏转板。

6.根据权利要求3所述的系统，进一步包括：

测量部件，其被构造成测量所述射束相对于所述工件的机械表面的注入角度分布，和所述射束相对于射束诊断系统的校准参考的注入角度分布中的至少一个注入角度分布；以及

控制器，其操作性地连接到所述测量部件和所述导引部件，并被构造成响应于由所述测量部件取得的多个测量值而调节所述导引部件的操作，以将所述离子射束导引向所述平行化部件的所述聚焦点。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述导引系统包括至少一对电极和至少一对静电偏转板中的至少一个，其中，所述控制器通过调节施加到所述至少一对电极和所述至少一对静电偏转板中的至少一个的电压而调节所述导引部件的操作。

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