CN102102189A - 离子注入系统及改善束流流强和角度分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子注入系统中改善束流流强和角度分布的方法，基于该束流测量设备测得的流强分布和角度分布数据执行以下步骤：S1、调节该两个二极磁铁的驱动电流，使该引出系统与该质量分析磁铁之间的束流路径顶部和底部的束流均向中部偏转；S2、调节该束流均匀度控制器和/或该校准器，使该预设能量范围内的离子束在经过该校准器后其束流路径的顶部、中部和底部的束流均为平行传播。本发明还公开了一种离子注入系统。本发明能够使通过质量分析磁铁的束流大幅提升，获得了较高的束流传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种离子注入系统及改善束流流强和角度分布的方法。
背景技术
离子注入是一种在半导体衬底中掺入杂质，以改变衬底的电性能和材料属性的工艺。由于半导体产品的生产逐渐趋向较大的半导体晶圆(从8英寸到12英寸，现在已向18英寸发展)，单晶圆工艺(一次处理一片晶圆)最近已被广泛地采用。现在已有了几种不同的掺杂单晶圆的工艺方法。
图1所示即为一种在美国专利7,326,941中被公开的离子注入装置，该装置依次包含一个离子源101、一个用于从该离子源101引出离子束的引出系统102、一个用于从该离子束中选择预设能量范围内的离子束的质量分析磁铁103、一个用于调整束流的纵向密度分布的束流均匀度控制器104以及一校准器105。该引出系统102中的引出电极具有一个几何凸面，从而使束流在离开引出电极时发散，离子束的发散状态由引出电极的形状决定。该束流均匀度控制器104具有一相对高而窄的横截面，其中，该横截面的纵向为该质量分析磁铁103的无色散的平面所在。由于离子束在被引出时是发散的，随着束流的持续传播，束流的纵向分布范围在传输过程中会持续变大，当离子束到达目标晶圆的时候，其纵向分布范围已经足以覆盖晶圆的直径尺寸。而该校准器105则用于终止束流的发散趋势，使束流变为平行传播，并控制束流在目标晶圆的注入面上的注入角度的变化。
该离子注入装置还包含一个设置在目标晶圆处的束流测量设备106，用于在离子束的横截面处进行纵向扫描，从而对束流的与注入相关的各项参数进行测量，例如束流的流强和角度分布数据，并且该束流测量设备106还可以将上述测量数据反馈给该束流均匀度控制器104。
上述的离子注入装置中存在有以下缺陷：由于离子源中的等离子体与引出系统的离子引出电场之间的复杂交互作用，使得束流的流强分布在离子束横截面的纵向上呈现出中部束流的流强较高、而顶部和底部束流的流强则由于被质量分析磁铁的入口阻挡而急剧下降的状态，图3中的虚线所示即为该装置中沿离子束横截面纵向的流强分布曲线，从图中可以明显看出，该流强曲线在从相对较平坦的峰值区域下降时形成的肩非常长，而中部的束流流强曲线也不够平坦。由于被质量分析磁铁的入口所阻挡(图3中的A区域即对应于质量分析磁铁入口处的束流损失)，束流路径顶部和底部的大量束流都被损失掉了；而为了获得均匀的束流流强分布，必须将引出电极的几何凸面设计得更凸，由此更多的中部束流移向边缘，导致更多的束流将被质量分析磁铁的入口阻挡从而被损失掉，这就导致最终能够传输到晶圆处的束流大为减少，这对于离子注入制程来说，会导致同样注入剂量的制程所需的时间更长，严重影响了注入制程的效率。
美国专利7,326,941中还公开了具有两个角度控制器的离子注入系统。其中，所述的角度控制器均由几个分别绕在一对低碳钢棒上的电磁线圈组成，但该美国专利并没有提出具有两个角度控制器的该系统在离子束角度分布修正方面的具体应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中质量分析磁铁的入口会造成大量束流损失的缺陷，提供一种能够使得通过质量分析磁铁的束流大幅提升从而获得较高的束流传输效率的离子注入系统及相应的改善束流流强和角度分布的方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种离子注入系统，其包括：一离子源和一引出系统，该引出系统用于从该离子源引出离子束；一质量分析磁铁，用于从来自该引出系统的离子束中选择一预设能量范围内的离子束；一束流均匀度控制器，用于调整来自该质量分析磁铁的该预设能量范围内的离子束的纵向密度分布；一校准器，用于使来自该束流均匀度控制器的该预设能量范围内的离子束变为平行传播后注入晶圆；其特点在于，该系统还包括两个分别设于该引出系统与该质量分析磁铁之间的束流路径的顶部与底部的二极磁铁。
较佳地，该系统还包括一设于晶圆所在平面内并且邻接晶圆的束流测量设备，用于测量晶圆处束流的流强分布和角度分布。
较佳地，该束流测量设备包括法拉第杯式束流电流测量器以及法拉第杯式束流角度测量器。
较佳地，该束流测量设备将测得的流强分布和角度分布数据反馈至该束流均匀度控制器。
较佳地，该束流均匀度控制器和该校准器均包括一对低碳钢棒，每根该低碳钢棒上均绕有多个电磁线圈。
本发明的另一技术方案为：一种上述离子注入系统中改善束流流强和角度分布的方法，其特点在于，基于该束流测量设备测得的流强分布和角度分布数据执行以下步骤：S1、调节该两个二极磁铁的驱动电流，使该引出系统与该质量分析磁铁之间的束流路径顶部和底部的束流均向中部偏转；S2、调节该束流均匀度控制器和/或该校准器，使该预设能量范围内的离子束在经过该校准器后其束流路径的顶部、中部和底部的束流均为平行传播。
较佳地，当步骤S2中结合利用该束流均匀度控制器和该校准器时，步骤S2包括以下步骤：S21、开启并调节该校准器，使该校准器后的束流路径中部的束流为平行传播；S22、开启并调节该束流均匀度控制器，使该校准器后的束流路径顶部和底部的束流均为平行传播。
其中，当该束流均匀度控制器和该校准器均包括一对低碳钢棒，每根该低碳钢棒上均绕有多个电磁线圈时，在步骤S21中通过调节该校准器的线圈的电流值，使该校准器后的束流路径中部的束流为平行传播；在步骤S22中通过调节该束流均匀度控制器的顶部和底部线圈的电流值，使该校准器后的束流路径顶部和底部的束流均为平行传播。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过在引出系统与质量分析磁铁之间的束流路径的顶部与底部各设置一个二极磁铁，使得顶部和底部原先将被质量分析磁铁的入口所阻挡的束流向中部偏转，从而减少了质量分析磁铁造成的束流损失，由此能够通过质量分析磁铁的束流大幅提升，获得了较高的束流传输效率，并且在调整束流的均匀度分布时，也能够更方便地优化束流的密度分布。然而，在质量分析磁铁之前增设的该两个二极磁铁势必会引起一些非线性角度变化，因此为了解决这个问题，本发明还提出了将束流均匀度控制器和校准器分别作为第一和第二角度控制器，根据束流测量设备测得的束流参数数据，修正上述非线性角度变化的方法，从而在获得较高束流传输效率的同时，进一步地改善了束流的流强和角度分布。
附图说明
图1为现有的离子注入装置的结构示意图。
图2为本发明的离子注入系统的结构示意图。
图3为现有装置中和本发明系统中的束流流强分布图。
图4a-4c为本发明系统中的束流角度分布图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图2所示，本发明的离子注入系统包括：一离子源101和一引出系统102，该引出系统102用于从该离子源101引出发散的离子束；一质量分析磁铁103，用于从来自该引出系统102的离子束中选择一预设能量范围内的离子束；一束流均匀度控制器104，用于调整来自该质量分析磁铁103的该预设能量范围内的离子束的纵向密度分布；一校准器105，设于该质量分析磁铁103的横向焦点处，用于使来自该束流均匀度控制器104的该预设能量范围内的离子束终止发散趋势、变为平行传播，并且控制束流在晶圆上的注入角度。上述各设备均可采用现有结构实现，例如，该束流均匀度控制器104和该校准器105均可以由一对分别绕有多个电磁线圈的低碳钢棒组成。
而与现有的离子注入装置不同的是，该系统还包括两个分别设于该引出系统102与该质量分析磁铁103之间的束流路径的顶部与底部的二极磁铁，即图2中所示的第一二极磁铁107和第二二极磁铁108，该两个二极磁铁107、108会产生磁场，使位于顶部和底部的部分束流向中部偏转，从而不再被质量分析磁铁103的入口阻挡。调节该二极磁铁107、108的驱动电流便可以调制束流强度，使束流强度增加，补偿了质量分析磁铁103引起的束流损失。
然而，在质量分析磁铁103之前增设的该两个二极磁铁107、108会导致一些非线性角度变化，因此需要在离子束通过质量分析磁铁103之后，采用角度控制器对这些角度变化进行修正。在本发明中，直接利用束流均匀度控制器104作为第一角度控制器，并将校准器105作为第二角度控制器。在本实施例中，当束流均匀度控制器104和校准器105均由几个绕在低碳钢棒上的电磁线圈组成时，通入电流后，在两个分别绕在一对低碳钢棒上的线圈之间的间隙中便会形成四极磁场，由于每个线圈均可被单独控制，因此便可以在局部产生不同的四极磁场，从而在束流路径的顶部、中部、底部等不同位置处灵活地改变束流的角度，由此便可以实现对非线性角度变化的修正。
而为了能够精确地实现对束流流强的调制以及对非线性角度变化的修正，需要实时地了解晶圆处束流的与注入相关的各项参数，例如流强分布和角度分布数据，因此，本发明的该离子注入系统也可以在晶圆所在平面内并且邻接晶圆处设置一与现有结构相同的束流测量设备106，该束流测量设备106可以包括法拉第杯式束流电流测量器以及法拉第杯式束流角度测量器等等，其会在离子束的横截面处进行纵向扫描，以对束流参数进行测量，其还可以将上述测量数据反馈给该束流均匀度控制器104。
基于该束流测量设备106测得的流强分布和角度分布数据，本发明的改善束流流强和角度分布的方法主要包括以下步骤：
S1、接通该两个二极磁铁107、108的驱动电流，使其产生磁场，引起该引出系统102与该质量分析磁铁103之间的束流路径顶部和底部的束流向中部偏转，并且参考束流测量设备106测得的流强分布数据，进一步地调节该驱动电流的大小，使得束流的流强分布达到图3中实线所示的较理想状态。
S2、调节第一和/或第二角度控制器，即该束流均匀度控制器104和/或该校准器105，使其在执行各自的原有功能的同时，对束流的角度分布进行调制，从而使得离子束在经过该校准器105后其束流路径的顶部、中部和底部的束流均实现平行传播。
在步骤S1中，如图3所示的实施例，虚线为未增设二极磁铁107、108时，沿离子束横截面纵向的束流流强分布曲线，而实线则为设置了两个二极磁铁107、108后相应的束流流强分布曲线。二极磁铁产生的磁场使束流路径顶部和底部的束流向中部偏转，从而使感兴趣的区域(±150mm，适用于覆盖直径300mm的晶圆)内的束流密度增加且更加均匀，反应在图形上即为峰值区域更高更加平坦，并且还锐化了曲线上平坦峰值区域的下降边缘，由此便提高了中部束流的强度，减少了质量分析磁铁103入口处的束流损失(图3中的区域A即对应于质量分析磁铁103入口处的束流损失)，从而使得能够通过质量分析磁铁103的束流大幅提升，在获得较高的束流传输效率的同时，亦能够在调整束流均匀度分布时更方便地优化束流的密度分布。
在步骤S2中，当结合利用该束流均匀度控制器104和该校准器105进行束流角度的校准时，具体包括以下步骤：
S21、在二极磁铁107、108已经运作、而第一和第二角度控制器均还未开启的状态下，使用束流测量设备106的例如法拉第杯式束流角度测量器，测量得到如图4a中实线所示的沿离子束横截面纵向的束流角度分布曲线，而图4a中的虚线则对比性地表示出了现有的未采用二极磁铁的离子注入装置在同样条件下的束流角度分布曲线，由该图中同样能够看出二极磁铁107、108使顶部和底部的束流发生的偏转调制。
S22、开启并调节第二角度控制器，即该校准器105，在本实施例中即调节其线圈的电流值，使离子束在经过该校准器105后其束流路径中部的束流为平行传播，如图4b所示，即中部束流对应的束流角度为零。
S23、开启第一角度控制器，即该束流均匀度控制器104，然后基于该束流测量设备106测得的角度分布数据，反复调节该束流均匀度控制器104，在本实施例中即调节其顶部和底部线圈的电流值，直至离子束在经过该校准器105后其束流路径顶部和底部的束流均基本为平行传播。
S24、再次利用束流测量设备106测量角度分布数据，针对其中仍然存在的局部微小角度变化，对相应线圈的电流值进行微调，最终的束流角度分布曲线如图4c所示，此时束流路径的顶部、中部和底部的束流均已被基本调制为平行传播，非线性角度变化已经得到了完全修正。
综上所述，本发明减少了质量分析磁铁的入口所造成的束流损失，使得能够通过质量分析磁铁的束流大幅提升，获得了较高的束流传输效率，并且在调整束流的均匀度分布时，也能够更方便地优化束流的密度分布。本发明还能够修正由二极磁铁所引起的非线性角度变化，从而在获得较高束流传输效率的同时，进一步地改善了束流的流强分布和角度分布。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种离子注入系统，其包括：
一离子源和一引出系统，该引出系统用于从该离子源引出离子束；
一质量分析磁铁，用于从来自该引出系统的离子束中选择一预设能量范围内的离子束；
一束流均匀度控制器，用于调整来自该质量分析磁铁的该预设能量范围内的离子束的纵向密度分布；
一校准器，用于使来自该束流均匀度控制器的该预设能量范围内的离子束变为平行传播后注入晶圆；
其特征在于，该系统还包括两个分别设于该引出系统与该质量分析磁铁之间的束流路径的顶部与底部的二极磁铁。
2.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该系统还包括一设于晶圆所在平面内并且邻接晶圆的束流测量设备，用于测量晶圆处束流的流强分布和角度分布。
3.如权利要求2所述的离子注入系统，其特征在于，该束流测量设备包括法拉第杯式束流电流测量器以及法拉第杯式束流角度测量器。
4.如权利要求2所述的离子注入系统，其特征在于，该束流测量设备将测得的流强分布和角度分布数据反馈至该束流均匀度控制器。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的离子注入系统，其特征在于，该束流均匀度控制器和该校准器均包括一对低碳钢棒，每根该低碳钢棒上均绕有多个电磁线圈。
6.一种如权利要求2所述的离子注入系统中改善束流流强和角度分布的方法，其特征在于，基于该束流测量设备测得的流强分布和角度分布数据执行以下步骤：
S1、调节该两个二极磁铁的驱动电流，使该引出系统与该质量分析磁铁之间的束流路径顶部和底部的束流均向中部偏转；
S2、调节该束流均匀度控制器和/或该校准器，使该预设能量范围内的离子束在经过该校准器后其束流路径的顶部、中部和底部的束流均为平行传播。
7.如权利要求6所述的改善束流流强和角度分布的方法，其特征在于，当步骤S2中结合利用该束流均匀度控制器和该校准器时，步骤S2包括以下步骤：
S21、开启并调节该校准器，使该校准器后的束流路径中部的束流为平行传播；
S22、开启并调节该束流均匀度控制器，使该校准器后的束流路径顶部和底部的束流均为平行传播。
8.如权利要求7所述的改善束流流强和角度分布的方法，其特征在于，当该束流均匀度控制器和该校准器均包括一对低碳钢棒，每根该低碳钢棒上均绕有多个电磁线圈时，在步骤S21校准器的线圈的电流值，使该校准器后的束流路径中部的束流为平行传播；在步骤S22中通过调节该束流均匀度控制器的顶部和底部线圈的电流值，使该校准器后的束流路径顶部和底部的束流均为平行传播。
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| PB01 | Publication | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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