CN102194636B - 离子注入系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子注入系统，其包括：一离子源和一引出装置；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；一校正磁铁，用于校准和聚焦该预设能量范围内的离子束；一工件扫描装置，用于使工件扫描穿过该预设能量范围内的离子束，以进行离子注入；一设于该校正磁铁上游的扫描磁铁，用于扫描通过的离子束；一设于注入工位处的束流测量装置，用于在离子束的扫描方向上测量束流的强度分布和角度分布。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。本发明能够同时实现离子注入的角度均匀性和强度均匀性，且离子束传输效率较高、生产效率也较高。
Description
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
大剂量的离子注入需要高流强的离子束，以保证离子注入的高生产效率。在先进的集成电路制造工艺中，高流强、低能量的离子束注入具有重要的意义。随着技术节点向45nm和32nm延伸，精确地实现注入角度和注入剂量的均匀性变得越来越关键。然而，当前的离子注入工艺却无法很好地满足这些要求。
“导流系数”表示束流的流强和能量对离子束传输所产生的综合效应。流强越高、离子能量越低，导流系数的数值就越大，而导流系数较大的离子束在其传输过程中往往容易发生束流崩溃。任何静电势在离子束传输中的存在，都会影响到离子束的引出和传输，并会对到达注入靶标上的束流强度产生限制。因此，在高导流系数的离子束传输中，一般不使用任何静电扫描装置，而是仅采用磁扫描装置，或者不对离子束进行扫描。
以下将对三种典型的现有离子注入系统进行介绍。
现有离子注入系统一
一种硅晶片离子注入系统，以位于美国马萨诸塞州格洛斯特的瓦里安半导体设备联合公司(Varian Semiconductor Equipment Associates)生产的SHC80、VIISta-80以及VIISta HC三种机型为代表。该些机型是由如图1所示的美国专利No.5,350,926中的离子注入系统改进而来的。该系统包括：用于生成离子束1的离子源2、质量分析电磁铁3、质量分辨缝4以及第二电磁铁5。控制单元36通过线路36a接收由束流测量装置测得的离子束强度信息，并将控制信号沿着线路36b发送以对质量分析磁铁3中的多级磁铁进行控制，或是将控制信号沿着线路36c发送以对束流调整器进行控制。质量分析磁铁3对离子束进行质量分析。第二电磁铁5利用封闭环路控制磁场，使离子束沿其离散平面扩展开来，以获得离子束的均匀性。最终是带状离子束6入射至靶标7。这种采用带状离子束的注入方法的主要问题是：无法同时获得注入角度和注入剂量的均匀性。离子束的流强均匀性可以通过如下方法获得：将离子束的一部分束流从高流强区域移至低强流区域，但这样的方法在获得离子束流强均匀性的同时牺牲了离子束的角度均匀性。
现有离子注入系统二
图2所示为一种如美国专利US5,132,544所述的离子注入系统。该系统将离子束在基片表面进行二维的快速扫描，以完成注入。该系统包括：一扫描系统，可以让离子束相对于参考轴进行二维偏转；一个位于扫描系统之后的离子束传输磁铁系统，用于在二维的偏转范围内从扫描系统接收离子束，并沿着离子束的传输路径形成磁场条件，使被二维偏转的离子束重新定向至预设的理想瞬时方向，进而实现离子束在基片上的二维扫描。一种上述的扫描系统可以包括连续设置的第一和第二时变场扫描磁铁，第一扫描磁铁的磁隙小于第二扫描磁铁的磁隙，因此能够以比第二扫描磁铁更快的速度对离子束进行扫描。而在另一种上述的扫描系统中，多个扫描磁铁是叠置的。目前较佳的离子束传输磁铁系统是由连续设置的三个或三个以上的四极磁场实现的，该些四极磁场由四极磁铁产生。该离子注入系统可以对导流系数0.02以上的离子束实现具有理想的角度均匀性和位置均匀性的注入，并且在该离子注入系统中离子束的束斑尺寸恒定可调，且离子束的扩散也较小。然而该离子注入系统的主要问题是：在离子束传输路径上需要设置大量的磁透镜，以使离子束的形状被修正至适合对其进行磁扫描处理，因此，该离子注入系统的离子束传输路径有些过长，这将导致离子束的流强降低。
现有离子注入系统三
图3所示为一种如美国专利US7,235,797所述的离子注入系统，其中的离子束横截面如图4所示。在该离子注入系统中，使基片相对于离子束进行二维机械扫描，从而使离子束在基片上扫描出平行的扫描线。当束流扫描到基片之外时，对束流的流强进行测量，并且根据测得的流强数据对基片的二维机械扫描中的一维快速扫描的速度进行控制，以补偿束流的流强变化对另一维缓慢扫描方向上的剂量均匀性的影响。上述的扫描会在基片上产生平行的、间隔均匀的扫描线，应当对扫描线之间的间距进行适当的选择，以确保相应的注入剂量的均匀性。这种离子注入系统的主要问题是：靶标基片必须在两个方向上进行机械扫描，大量的束流在基片进行二维扫描时被传输到了靶标以外；此外，靶标的往复机械运动会占用大量的注入时间，因此，这种方法中的离子束利用效率很低，导致生产率也很低。
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的离子注入系统无法同时实现角度均匀性和强度均匀性、离子束传输效率较低以及生产效率低下的缺陷，提供一种能够同时实现角度均匀性和强度均匀性、离子束传输效率较高且生产效率较高的离子注入系统及方法。
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，其特点在于，其包括：一离子源和一引出装置，该引出装置用于从该离子源引出离子束；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；一校正磁铁，用于校准和聚焦该预设能量范围内的离子束；一工件扫描装置，用于使工件扫描穿过该预设能量范围内的离子束，以进行离子注入；该系统还包括：一设于该校正磁铁上游的扫描磁铁，用于扫描通过的离子束，以使注入工位处的该预设能量范围内的离子束在离子束扫描方向上的分布覆盖该工件，其中，离子束的扫描速度远大于工件的扫描速度，且离子束的扫描方向与工件的扫描方向相垂直；一设于注入工位处的束流测量装置，用于在离子束的扫描方向上测量束流的强度分布和角度分布。
较佳地，该扫描磁铁设于该引出装置与该质量分析磁铁之间的离子束传输路径上。
较佳地，该扫描磁铁设于该质量分析磁铁与该校正磁铁之间的离子束传输路径上。
较佳地，该引出装置从该离子源引出束斑状离子束。
较佳地，该扫描磁铁在该质量分析磁铁的非离散平面内扫描通过的离子束。
较佳地，该离子注入系统还包括一设于注入工位上游的加速减速电极，用于使该预设能量范围内的离子束加速或减速。
较佳地，该加速减速电极还用于对该预设能量范围内的离子束进行能量过滤。
其中，该质量分析磁铁为一高极间距的二极磁铁。
较佳地，该校正磁铁为一矩形四极磁铁。
较佳地，该校正磁铁为一二极磁铁。
较佳地，该扫描磁铁还用于根据该离子注入系统的运行状态将离子束偏转至工件之外。
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，其包括以下步骤：S1、利用该引出装置从该离子源引出离子束，并使该离子束传输通过该扫描磁铁、该质量分析磁铁、该校正磁铁以及该束流测量装置；S2、将该校正磁铁的线圈电流设定为：使得注入工位处的离子束为平行传输；S3、对该扫描磁铁进行设置，使其扫描通过的离子束，并使注入工位处的离子束在离子束扫描方向上的分布大于工件尺寸；S4、利用该束流测量装置测量注入工位处的实际束流角度分布数据；S5、根据该实际束流角度分布数据以及预设的束流角度分布标准，计算并设定该校正磁铁的线圈电流值分布；S6、反复执行步骤S3至S5，直至注入工位处的该预设能量范围内的离子束的角度分布符合预设的束流角度分布标准；S7、利用该束流测量装置测量注入工位处的实际束流强度分布数据，并根据该实际束流强度分布数据以及预设的束流强度分布标准，计算并设定该扫描磁铁对离子束的扫描速度分布；S8、利用该工件扫描装置使工件沿垂直于离子束扫描方向的方向扫描穿过该预设能量范围内的离子束，以完成离子注入。
本发明的积极进步效果在于：
1)离子束在非离散平面上被磁扫描，因而可以省去大量的磁透镜组件，大幅减少了离子束传输路径上的组件数量，使得离子束的传输距离可以较短，因此能够实现高流强、低能量的离子束传输，传输效率较高。
2)可以通过微调校正磁铁的线圈电流，对离子束的注入角度分布进行精密调整，从而实现注入角度的均匀性。
3)可以通过对扫描磁铁的扫描速度分布的精密设定，实现注入剂量的均匀性。
4)在本发明中，离子束进行一维快速扫描，工件在与之相垂直的另一维度上进行相对缓慢的机械扫描。由于离子束的扫描可以做到非常快速，并且能够实现扫描的快速转向，因此不但大幅提高了离子束的利用效率，也同时减少了因工件的机械扫描而浪费的注入时间，提高了生产效率。
附图说明
图1为一种现有的离子注入系统的示意图。
图2为另一种现有的离子注入系统的示意图。
图3为又一种现有的离子注入系统的示意图。
图4为图3所示的离子注入系统中的离子束横截面的示意图。
图5为本发明的离子注入系统的第一实施例的示意图。
图6为本发明的离子注入系统的第二实施例的示意图。
图7为本发明的离子注入系统中采用的工件扫描装置的示意图。
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。
实施例1
本实施例中的离子注入系统如图5所示，其包括一离子源和一引出装置1，该引出装置用于从该离子源引出离子束，其中，该引出装置被较优地设置为从该离子源引出会聚的离子束，即该离子束为束斑状离子束。在现有的离子注入系统中，针对离子束往往难以同时保证注入角度的均匀性和注入剂量的均匀性的问题，本发明的该离子注入系统能够同时在工件表面精确地实现离子束的角度分布和强度分布的均匀性。在该离子源和引出装置之后的离子束传输路径上还依次设有：一质量分析磁铁2，用于从该离子束中选择一预设能量范围内的离子束；一校正磁铁3，用于校准和聚焦该预设能量范围内的离子束；一设于制程真空腔中的工件扫描装置，用于使工件5进行机械扫描，以往复穿过该预设能量范围内的离子束从而完成离子注入，该工件扫描装置可以采用一如图7所示的结构，如图所示地其除了可以在图7中的水平方向上使工件进行扫描外，还能够使工件进行倾斜和旋转运动，以精确地满足注入的参数要求。其中，该质量分析磁铁2可以采用一高极间距的二极磁铁，动量/电荷比不同的离子会在该磁铁的内部分散至不同的传输路径，从而实现对能量不同的离子的选择过程，在图5中该质量分析磁铁2的非离散平面即为纵向平面；该校正磁铁3则可以采用一二极磁铁实现，或者是采用一帕诺夫斯基(Panofsky)磁铁或其它类型的矩形四极磁铁来实现。
本发明的该离子注入系统还包括一设于该校正磁铁3上游的扫描磁铁6，该扫描磁铁6用于扫描通过其中的离子束，以在不同的时刻使当前通过的离子束发生不同程度的扫描移位，在图5所示的该时刻，离子束被向上移位，而在其余时刻被移位至其它角度的离子束则未在图5中绘出。在本实施例中，选择该扫描磁铁6在该质量分析磁铁2的非离散平面内对离子束进行扫描，即离子束的扫描方向沿图5中的纵向，这也就意味着本实施例中的该质量分析磁铁2中的磁场方向与离子束的扫描方向基本一致，这可以避免以下缺陷：如美国专利5,132544所述，若离子束在离散平面内被偏转，该偏转会进一步地加剧离子束尺寸的改变，因此将会需要设置更多的束流光学元件来聚焦离子束；而本发明则因此大幅减少了需要设置的光学元件的数量。上述的扫描移位会在离子束的传输过程中不断增大，通过对该扫描磁铁6的线圈电流的合理设置，便能够使得当离子束到达注入工位处时，其在离子束扫描方向上的分布范围已经足以覆盖待加工工件在该方向上的整个横截面尺寸。由此，选择对离子束在图5中的纵向平面内进行一维的快速扫描，同时，该工件扫描装置使工件5在图5中的横向平面内进行一维的相对缓慢的机械扫描，便可以完成对工件5的离子注入制程，这样的扫描方式极大地提高了束流的利用效率，也减少了因工件的机械扫描而耗费的注入时间。在本实施例中，该扫描磁铁6被设置于该引出装置与该质量分析磁铁2之间的离子束传输路径上，在这种情况下，在该扫描磁铁6之后离子束还需要传输较长的距离，因此在该扫描磁铁6处设定较小的扫描角度范围便能够在注入工位处实现较大的扫描移位范围。另外，在某些紧急情况下，例如束流状态发生意外改变，或任何系统硬件发生故障时，也可以通过改变该扫描磁铁6的设置，使离子束被偏转至工件之外，以避免产生次品。
为了便于对该扫描磁铁6的扫描参数以及该校正磁铁3的校准参数进行精确的设定，需要在注入工位处对离子束的束流状态进行测量。为此在注入工位处设置一束流测量装置4，该束流测量装置4可以在注入工位处沿着离子束的扫描方向(即图5中的纵向)在离子束的横截面内移动，以对离子束扫描方向上的实际束流强度分布和实际束流角度分布进行测量。在获得了注入工位处各个不同位置的离子束实际注入角度后，便可以通过微调该校正磁铁3的线圈电流，来校正各个相应位置处的离子束注入角度，直至其满足预设的注入要求为止，由此便能够实现对注入角度的精确控制，以保证注入角度的均匀性。而在获得了注入工位处各个不同位置的离子束实际注入强度后，便可以根据该实际束流强度分布数据，针对该扫描磁铁6计算出离子束扫描方向上的一相应的扫描速度分布，将该计算得到的扫描速度分布设定给该扫描磁铁6后，便可以实现注入剂量的均匀性。
另外，根据不同的应用场合，还可以在注入工位的上游设置一加速减速电极，该加速减速电极用于使该预设能量范围内的离子束加速或减速，从而改变其能量，并且根据制程需要，该加速减速电极还可以用于对离子束进行能量过滤。
实施例2
如图6所示，本实施例中的该离子注入系统与实施例1中所述的系统的唯一区别仅在于：该扫描磁铁6被设置于该质量分析磁铁2与该校正磁铁3之间的离子束传输路径上。由于此时，该扫描磁铁6处于离子束的整个传输路径中比较下游的位置，因此在本实施例中，该扫描磁铁6的扫描角度范围必须大于实施例1中的情况，才能够确保当离子束到达注入工位时，其在离子束扫描方向上的分布范围同样能够覆盖工件5；并且此时该扫描磁铁6的扫描强度也必须比实施例1中的情况更大，以利于该校正磁铁3的校准。
下面对利用本发明的该离子注入系统，例如实施例1和实施例2中的离子注入系统，实现的离子注入方法进行说明。该方法包括以下步骤：
S1、利用该引出装置从该离子源引出离子束，并使该离子束传输通过该扫描磁铁6(位于该质量分析磁铁2之前或者之后均可)、该质量分析磁铁2、该校正磁铁3以及该束流测量装置4。
S2、将该校正磁铁3的线圈电流设定为一额定值，该额定值将使得注入工位处的离子束为平行传输。
S3、调整该扫描磁铁6的设置参数，使其扫描通过的离子束，并使注入工位处的离子束在离子束扫描方向上的分布范围大于工件5的尺寸。
S4、利用该束流测量装置4测量注入工位处当前的实际束流角度分布数据。
S5、根据该实际束流角度分布数据以及预设的束流角度分布标准，计算并设定该校正磁铁3的一线圈电流值分布，该线圈电流值分布应能将注入工位处的当前束流角度分布状态向着预设的束流角度分布标准校正。
S6、反复执行步骤S3至S5，直至：注入工位处的该预设能量范围内的离子束的角度分布符合预设的束流角度分布标准，同时，其在离子束扫描方向上的分布范围大于工件5的尺寸。
S7、利用该束流测量装置4测量注入工位处的实际束流强度分布数据，并根据该实际束流强度分布数据以及预设的束流强度分布标准，计算并设定该扫描磁铁6对离子束的扫描速度分布，该扫描速度分布应能使得注入工位处的该预设能量范围内的离子束的强度分布符合预设的束流强度分布标准。
至此，对该离子注入系统的束流参数调整过程便已完成。
S8、利用该工件扫描装置使工件5沿垂直于离子束扫描方向的方向扫描穿过该预设能量范围内的离子束，此时，该系统已经能够保证在该工件5上的离子注入充分满足预设的注入参数要求，即实现良好的注入角度均匀性以及注入剂量均匀性。
综上所述，本发明不但能够同时实现离子注入的角度均匀性和强度均匀性，而且离子束传输效率较高，同时整个注入制程的生产效率也较高。
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 (9)
1.一种离子注入系统，其特征在于，其包括：
一离子源和一引出装置，该引出装置用于从该离子源引出离子束；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；
一校正磁铁，用于校准和聚焦该预设能量范围内的离子束；
一工件扫描装置，用于使工件扫描穿过该预设能量范围内的离子束，以进行离子注入；
该系统还包括：
一设于该校正磁铁上游的扫描磁铁，用于扫描通过的离子束，以使注入工位处的该预设能量范围内的离子束在离子束扫描方向上的分布覆盖该工件，其中，离子束的扫描速度远大于工件的扫描速度，且离子束的扫描方向与工件的扫描方向相垂直；
一设于注入工位处的束流测量装置，用于在离子束的扫描方向上测量束流的强度分布和角度分布；
其中，该扫描磁铁设于该引出装置与该质量分析磁铁之间的离子束传输路径上，该扫描磁铁在该质量分析磁铁的非离散平面内扫描通过的离子束。
2.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该引出装置从该离子源引出束斑状离子束。
3.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该离子注入系统还包括一设于注入工位上游的加速减速电极，用于使该预设能量范围内的离子束加速或减速。
4.如权利要求3所述的离子注入系统，其特征在于，该加速减速电极还用于对该预设能量范围内的离子束进行能量过滤。
5.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该质量分析磁铁为一高极间距的二极磁铁。
6.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该校正磁铁为一矩形四极磁铁。
7.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该校正磁铁为一二极磁铁。
8.如权利要求1所述的离子注入系统，其特征在于，该扫描磁铁还用于根据该离子注入系统的运行状态将离子束偏转至工件之外。
9.一种利用权利要求1所述的离子注入系统实现的离子注入方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、利用该引出装置从该离子源引出离子束，并使该离子束传输通过该扫描磁铁、该质量分析磁铁、该校正磁铁以及该束流测量装置；
S2、将该校正磁铁的线圈电流设定为：使得注入工位处的离子束为平行传输；
S3、对该扫描磁铁进行设置，使其扫描通过的离子束，并使注入工位处的离子束在离子束扫描方向上的分布大于工件尺寸；
S4、利用该束流测量装置测量注入工位处的实际束流角度分布数据；
S5、根据该实际束流角度分布数据以及预设的束流角度分布标准，计算并设定该校正磁铁的线圈电流值分布；
S6、反复执行步骤S3至S5，直至注入工位处的该预设能量范围内的离子束的角度分布符合预设的束流角度分布标准；
S7、利用该束流测量装置测量注入工位处的实际束流强度分布数据，并根据该实际束流强度分布数据以及预设的束流强度分布标准，计算并设定该扫描磁铁对离子束的扫描速度分布；
S8、利用该工件扫描装置使工件沿垂直于离子束扫描方向的方向扫描穿过该预设能量范围内的离子束，以完成离子注入。
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| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 201203 Shanghai City Newton Road, Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area No. 200 Building No. 7, No. 1 Patentee after: KINGSTONE SEMICONDUCTOR COMPANY LTD. Address before: 201203 Shanghai City Newton Road, Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area No. 200 Building No. 7, No. 1 Patentee before: Shanghai Kaishitong Semiconductor Co., Ltd. |