CN102194635A

CN102194635A - 离子注入系统及方法

Info

Publication number: CN102194635A
Application number: CN2010101570112A
Authority: CN
Inventors: 陈炯
Original assignee: SHANGHAI KAISHITONG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI KAISHITONG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明公开了一种离子注入系统，该系统包括一离子源，一质量分析磁铁，一束流扫描装置，一准直装置，一变速装置以及一制程腔；该系统还包括：一设于该质量分析磁铁与该束流扫描装置之间的直线加速器，用于利用射频电场使该预设能量范围内的离子束加速；一设于该直线加速器与该束流扫描装置之间的能量过滤装置，用于提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性。本发明还公开了一种利用上述离子注入系统实现的离子注入方法。本发明能够在高能量离子注入的应用场合下提高高能量离子的传输效率，并且还可以便捷地改装适用于中束流离子注入的应用场合。

Description

离子注入系统及方法

技术领域

本发明涉及一种离子注入系统，特别是涉及一种离子注入系统及方法。

背景技术

离子束注入机被广泛应用于半导体晶片的离子掺杂制程中。离子束注入机生成由所需类型离子组成的离子束，并将该离子束入射在半导体晶片工件的表面上，从而向工件表面“掺入”或注入所需的离子。

一用于执行高能量离子注入的离子注入机的结构如图1所示，参见美国专利US6,137112所述，该高能量离子注入机可产生束流能量为10～5000千电子伏的离子束14’。其中，该注入机包括离子源12’，用于提供构成离子束14’的离子，该离子束经由离子束传输路径注入工件或传输至晶圆制程腔16’。该注入机采用射频(RF)离子加速器18’将该离子束14’内的离子加速到足以达到所需离子束能量的高速度。适用于上述高能量离子注入机的射频离子加速器18’已由美国专利No.4667111(Glavish等)所公开。

上述的高能量离子注入机采用可旋转和平移的盘状支架来放置多个半导体工件。该支架支承在该离子注入机的注入制程腔内，在一次生产制程中，该支架的旋转和平移可以使每个工件都穿过离子束，从而可靠地并且精确地实现对注入剂量的控制，同时，由离子束产生的热量也能够较好地扩散，因为该些热能会平均地分散在上述多个晶片工件上。

图2所示即为现有的高能量离子注入机的结构模块图。如图所示，离子束由一离子源1生成，而后在该离子束的传输路径上依次设有一质量分析磁铁2、一直线加速器10、一终端能量过滤装置6以及一制程腔7。根据不同的制程需求，对系统中各个装置的参数进行调节，以在制程腔处实现预设的离子束强度和角度分布，并且在该制程腔7中设有一工件扫描装置，其中，由于在该系统中不具有束流扫描装置，因此，对应于不同的制程，该工件扫描装置均必须按照二维扫描的方式使工件穿过离子束，以实现均匀的离子注入。其中，为了实现对工件的传送，在该制程腔7处还设有一真空传送装置8以及一大气传送装置9。

然而，当晶片尺寸从200毫米增加至300毫米后，半导体制造业内便开始采用单晶片加工工艺。这种单晶片注入工艺已被广泛地应用于中束流离子注入机中，图3所示的即为一种在美国专利US6,777696中公开的中束流离子注入机。在这种注入机中，晶片支架的取向被设置为能够使得晶片工件处在离子束的传输路径中，并通过使离子束在晶片工件上进行往复的扫描来注入所需剂量的离子。当对当前晶片工件的注入完成之后，便将该工件从支架上取下，然后将下一个晶片工件放置到支架上开始进行离子注入。

具体地，图3所示的该中束流离子注入机262包括一个离子源282，该离子源用于使气体离子化而产生适合于注入晶片或工件的离子。离子束引出系统276用于从离子源282引出离子束，并使其加速进入包含有质量分析磁铁280的离子束传输路径278中。该质量分析磁铁280用于挑选出并清除质荷比不合适的离子。为了获得在工件上的均匀注入，该注入机还必须设有离子束扫描组件270和离子束准直组件284。该离子束准直组件284用于对经过扫描的离子束的角度进行控制。加速/减速管286则用于控制和调整离子束的能量。组件288用于过滤掉存在能量污染的离子。晶片或工件290被加载到晶圆制程腔292中以选择性地注入离子。机械扫描驱动装置294用于对晶圆制程腔292内的晶片进行操控，使晶片按照选定的方式穿过离子束。晶片或工件290通过晶片传送装置296被传送进晶圆制程腔292，该晶片传送装置296可以包括例如一个或多个机械手臂或机器人手臂297。

图4所示即为现有的中束流离子注入机的结构模块图。如图所示，离子束由一离子源1生成，而后在该离子束的传输路径上依次设有一质量分析磁铁2、一束流扫描装置3、一准直装置4、一变速装置(加速/减速装置)5、一终端能量过滤装置(可选)6以及一制程腔7。根据不同的制程需求，对系统中各个装置的参数进行调节，以在制程腔处实现预设的离子束强度和角度分布，并且在该制程腔7中设有一工件扫描装置，对应于不同的制程，该工件扫描装置可以选择按照一维或二维扫描的方式使工件穿过离子束，以实现均匀的离子注入。其中，为了实现对工件的传送，在该制程腔7处还设有一真空传送装置8以及一大气传送装置9。

传统的中、高能量离子注入机是两个完全不同类型的注入系统，参见图1-4所示。因此，离子注入机制造商便分别针对中束流和高能量离子注入这两种应用场合，相应地推出了两款不同类型的离子注入系统。但是，这势必会增加生产成本和执行离子注入制程时的操作复杂性。

另外，在现有的高能量离子注入机中，需要利用射频电场将离子加速到几十至5000千电子伏特(keV)的能量状态。然而，在一个特别设计的射频直线加速器中往往需要设置有若干个最佳的离子速度值。在各种离子注入的应用场合中，离子的能量范围广泛(10～4000keV)，离子的类型也是多种多样的(硼、硅、磷和砷均较为常用)，因此，直线加速器中需要设置的离子速度值甚至可能超过一百个。这样一来，具有射频直线加速器的高能量离子注入机便通常需要设计多个谐振腔，以补偿这些不匹配的速度值。但是考虑到设备成本以及空间上的限制，往往难以设置足够多的谐振腔来实现最佳的速度值补偿。这将导致直线加速器内产生不良的速度匹配，从而引起直线加速器传输效率过低的问题，以及由未被传输的离子的轰击导致对直线加速器部件的损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有系统对高能量离子的传输效率过低并且现有技术中的各种离子注入应用无法采用同一系统执行的缺陷，提供一种能够在高能量离子注入的应用场合下提高高能量离子的传输效率、并且还可以便捷地改装适用于中束流离子注入的应用场合的离子注入系统及相应的离子注入方法。

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，该系统包括一离子源，该离子源用于生成一离子束，在该离子束的传输路径上依次设有：一质量分析磁铁，用于从该离子束中选择一预设能量范围内的离子束；一束流扫描装置，用于扫描该预设能量范围内的离子束；一准直装置，用于准直该预设能量范围内的离子束；一变速装置，用于使该预设能量范围内的离子束加速或减速；一制程腔，该制程腔内设有一工件扫描装置，该工件扫描装置用于扫描工件并使工件穿过该预设能量范围内的离子束，以进行离子注入；其特点在于，该系统还包括：一设于该质量分析磁铁与该束流扫描装置之间的直线加速器，用于利用射频电场使该预设能量范围内的离子束加速；一设于该直线加速器与该束流扫描装置之间的能量过滤装置，用于提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性。

较佳地，该直线加速器用于仅对多个预设能量值的离子束进行传输，该变速装置用于使离子束加速或减速至预设注入能量。

较佳地，该工件扫描装置用于在与离子束束流相垂直的平面内使工件进行一维或二维扫描。

较佳地，该系统还包括设于该制程腔处的一真空传送装置以及一大气传送装置，该真空传送装置用于在高真空环境中传送工件，该大气传送装置用于在大气环境中传送工件。

较佳地，该束流扫描装置为电扫描装置或磁扫描装置。

较佳地，该变速装置为直流静电的加速或减速装置。

较佳地，该能量过滤装置为能量过滤磁铁或能量过滤静电装置。

本发明的另一技术方案为：一种利用上述离子注入系统实现的离子注入方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：S₁、利用该离子源生成一离子束；S₂、利用该质量分析磁铁从该离子束中选择一预设能量范围内的离子束；S₃、在执行高能量离子注入时，利用该直线加速器使该预设能量范围内的离子束加速，并利用该能量过滤装置提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性；S₄、利用该束流扫描装置扫描该预设能量范围内的离子束；S₅、利用该准直装置准直该预设能量范围内的离子束；S₆、利用该变速装置使该预设能量范围内的离子束加速或减速；S₇、在该制程腔内利用该工件扫描装置扫描工件并使工件穿过该预设能量范围内的离子束，以进行离子注入。

较佳地，利用该直线加速器仅对多个预设能量值的离子束进行传输，并利用该变速装置使离子束加速或减速至预设注入能量。

较佳地，利用该工件扫描装置在与离子束束流相垂直的平面内使工件进行一维或二维扫描。

较佳地，在该方法中，利用一设于该制程腔处的真空传送装置在高真空环境中传送工件，并利用一设于该制程腔处的大气传送装置在大气环境中传送工件。

较佳地，该束流扫描装置利用电效应或磁效应扫描该预设能量范围内的离子束。

较佳地，该变速装置利用直流静电场使该预设能量范围内的离子束加速或减速。

较佳地，该能量过滤装置利用磁效应或静电场提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性。

可选地，在步骤S₃中，在执行中束流离子注入时，移除该直线加速器和该能量过滤装置。

本发明的积极进步效果在于：针对高能量离子注入的应用场合，本发明将直线加速器设计在了变速装置之前，因此，无需再像现有系统那样在直线加速器中设置过多的离子速度值，而是可以在直线加速器中仅仅选择一系列预设的固定能量值下的离子束进行传输，而后再通过变速装置对束流进行加速或减速，以将其速度值较为精确地调整至制程所预设的最终注入速度，这不仅能够提高高能量离子的传输效率，还可以避免设置大量的谐振腔，由此一方面节省了设备所占用的空间，进一步地降低了设备成本，另一方面还使得在执行不同的离子注入制程时，能够较为便捷地实现对离子束能量或者种类的切换；另外，由于在本发明的该离子注入系统中设置有束流扫描装置，因此，即使在高能量离子注入的应用场合下，也可以利用下游的束流扫描装置对束流进行扫描，继而在制程腔中灵活地选择对工件进行一维扫描或二维扫描来完成注入，以在确保注入均匀性的前提下尽可能地提高注入效率。此外，本发明的该离子注入系统仅需经过简单的改装，便可以适用于中束流离子注入的应用场合，因此不但可以便捷地在不同的应用场合下灵活切换，还能够省去原先为购置两套分立的离子注入系统所耗费的设备成本。

附图说明

图1为现有的高能量离子注入机的结构示意图。

图2为现有的高能量离子注入机的结构模块图。

图3为现有的中束流离子注入机的结构示意图。

图4为现有的中束流离子注入机的结构模块图。

图5为本发明的该离子注入系统的结构模块图。

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5所示，本发明的该离子注入系统实质上是对现有的高能量离子注入机和中束流离子注入机进行结合设计后形成的一种中剂量离子注入系统，参考图2和图4，本发明的该离子注入系统中包括有如下与现有的中束流离子注入机相同的装置：

一离子源1，该离子源1用于生成一离子束；而后在该离子束的传输路径上依次还设有：

一质量分析磁铁2，其用于从该离子束中选择一预设能量范围内的离子束；一束流扫描装置3，用于在某一维度上扫描该预设能量范围内的离子束，其可以采用电扫描装置利用电效应实现，也可以采用磁扫描装置利用磁效应实现；一准直装置4，其用于准直经过扫描的该预设能量范围内的离子束，以使其在制程腔处满足预设的强度分布和角度分布要求；一变速装置5，其可以采用直流静电的加速或减速装置实现，以利用直流静电场使经过扫描和准直的该预设能量范围内的离子束加速或减速，以满足预设的最终注入速度；一制程腔7，该制程腔7内设有一工件扫描装置，由于在离子束传输路径的上游已经设置有束流扫描装置3，因此根据不同的制程需求，该工件扫描装置可以选择使工件在与离子束束流相垂直的平面内进行一维扫描或二维扫描，并使工件按照上述扫描方式穿过该预设能量范围内的离子束以实现均匀的离子注入。其中，该系统还包括设于该制程腔7处的一真空传送装置8以及一大气传送装置9，该真空传送装置8用于在高真空环境中传送工件，该大气传送装置9则用于在大气环境中传送工件。

但与现有的中束流离子注入系统不同的是，本发明的该离子注入系统还增设了以下装置：一设于该质量分析磁铁2与该束流扫描装置3之间的直线加速器10，该直线加速器10用于利用射频电场使该预设能量范围内的离子束加速至高能量，其中优选地，该直线加速器10仅仅选择对一系列预设能量值下的离子束进行传输，当束流传输至上述的变速装置5时，再由该变速装置5将束流较为精确地加速或减速至预设的最终注入能量；一设于该直线加速器10与该束流扫描装置3之间的能量过滤装置6’，该能量过滤装置6’可以采用磁铁或静电装置来实现，用于过滤掉存在能量污染的离子，以提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性。

基于上述的离子注入系统，本发明的离子注入方法为：

S₁、利用该离子源生成一离子束；

S₂、利用该质量分析磁铁从该离子束中选择一预设能量范围内的离子束；

S₃、在执行高能量离子注入时，利用该直线加速器使该预设能量范围内的离子束加速，并利用该能量过滤装置提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性；

S₄、利用该束流扫描装置扫描该预设能量范围内的离子束；

S₅、利用该准直装置准直该预设能量范围内的离子束；

S₆、利用该变速装置使该预设能量范围内的离子束加速或减速；

S₇、在该制程腔内利用该工件扫描装置扫描工件并使工件穿过该预设能量范围内的离子束，以进行离子注入。

当然，当该工件扫描装置采用效率较高的一维扫描方式来扫描工件进行注入时，上游的该束流扫描装置3必须使束流以足够大的幅度进行扫描，以使得在制程腔处束流的分布范围已经足以覆盖工件的整个表面。

当需要进行中束流离子注入时，则只需将该直线加速器10以及该能量过滤装置6’移除即可，此时本发明的该离子注入系统便已经被灵活地改装为了一种中束流离子注入系统。

综上所述，本发明将直线加速器设计在了变速装置之前，并且在直线加速器中仅仅选择一系列预设的固定能量值下的离子束进行传输，而后再通过变速装置对束流进行加速或减速，以将其速度值较为精确地调整至制程所预设的最终注入速度，这不仅能够提高高能量离子的传输效率，还可以避免设置大量的谐振腔，由此一方面节省了设备所占用的空间，进一步地降低了设备成本，另一方面还使得在执行不同的离子注入制程时，能够较为便捷地实现对离子束能量或者种类的切换；另外，由于在本发明的该离子注入系统中设置有束流扫描装置，因此，即使在高能量离子注入的应用场合下，也可以利用下游的束流扫描装置对束流进行扫描，继而在制程腔中灵活地选择对工件进行一维扫描或二维扫描来完成注入，以在确保注入均匀性的前提下尽可能地提高注入效率。此外，本发明的该离子注入系统仅需经过简单的改装，便可以适用于中束流离子注入的应用场合，因此不但可以便捷地在不同的应用场合下灵活切换，还能够省去原先为购置两套分立的离子注入系统所耗费的设备成本。

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

1.一种离子注入系统，该系统包括一离子源，该离子源用于生成一离子束，在该离子束的传输路径上依次设有：

一质量分析磁铁，用于从该离子束中选择一预设能量范围内的离子束；

一束流扫描装置，用于扫描该预设能量范围内的离子束；

一准直装置，用于准直该预设能量范围内的离子束；

一变速装置，用于使该预设能量范围内的离子束加速或减速；

一制程腔，该制程腔内设有一工件扫描装置，该工件扫描装置用于扫描工件并使工件穿过该预设能量范围内的离子束，以进行离子注入；

其特征在于，该系统还包括：

一设于该质量分析磁铁与该束流扫描装置之间的直线加速器，用于利用射频电场使该预设能量范围内的离子束加速；

一设于该直线加速器与该束流扫描装置之间的能量过滤装置，用于提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性。

2.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该直线加速器用于仅对多个预设能量值的离子束进行传输，该变速装置用于使离子束加速或减速至预设注入能量。

3.如权利要求1或2所述的离子注入系统，其特征在于，该工件扫描装置用于在与离子束束流相垂直的平面内使工件进行一维或二维扫描。

4.如权利要求1或2所述的离子注入系统，其特征在于，该系统还包括设于该制程腔处的一真空传送装置以及一大气传送装置，该真空传送装置用于在高真空环境中传送工件，该大气传送装置用于在大气环境中传送工件。

5.如权利要求1或2所述的离子注入系统，其特征在于，该束流扫描装置为电扫描装置或磁扫描装置。

6.如权利要求1或2所述的离子注入系统，其特征在于，该变速装置为直流静电的加速或减速装置。

7.如权利要求1或2所述的离子注入系统，其特征在于，该能量过滤装置为能量过滤磁铁或能量过滤静电装置。

8.一种利用如权利要求1所述的离子注入系统实现的离子注入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S₁、利用该离子源生成一离子束；

S₄、利用该束流扫描装置扫描该预设能量范围内的离子束；

S₅、利用该准直装置准直该预设能量范围内的离子束；

9.如权利要求8所述的离子注入方法，其特征在于，利用该直线加速器仅对多个预设能量值的离子束进行传输，并利用该变速装置使离子束加速或减速至预设注入能量。

10.如权利要求8或9所述的离子注入方法，其特征在于，利用该工件扫描装置在与离子束束流相垂直的平面内使工件进行一维或二维扫描。

11.如权利要求8或9所述的离子注入方法，其特征在于，在该方法中，利用一设于该制程腔处的真空传送装置在高真空环境中传送工件，并利用一设于该制程腔处的大气传送装置在大气环境中传送工件。

12.如权利要求8或9所述的离子注入方法，其特征在于，该束流扫描装置利用电效应或磁效应扫描该预设能量范围内的离子束。

13.如权利要求8或9所述的离子注入方法，其特征在于，该变速装置利用直流静电场使该预设能量范围内的离子束加速或减速。

14.如权利要求8或9所述的离子注入方法，其特征在于，该能量过滤装置利用磁效应或静电场提高该预设能量范围内的离子束的能量单色性。

15.如权利要求8所述的离子注入方法，其特征在于，在步骤S₃中，在执行中束流离子注入时，移除该直线加速器和该能量过滤装置。