CN1035914A - 离子注入表面电荷控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一个离子束中和器(10)，高能电子(40)被引导通过离子束中性化区域或含有可电离气体的区域，当高能电子与气体分子碰撞时，电离气体分子产生低能电子，它被带正电的离子束(14)俘获，当高能电子穿过中性化区域后，它们被一圆柱导体(30)和一加速栅极(50)偏转回中性化区域，该圆柱导体(30)被偏置得能偏转高能电子，栅极能加速电子返回束中性化区域。

Description

本发明涉及工件的离子束注入，更具体地说，涉及一个在离子束中或围绕离子束提供过剩低能（热）电子以控制束中的空间电荷的装置，这样使工件表面带电量减到最小，这对工件是用离子杂质掺杂的硅晶片特别重要。

当具有绝缘表面的晶片通过离子束时，在截断束的表面将带正电，这种表面充电发生的速率依赖于四个主要因素。首先正离子束正比于离子束流Ib直接对表面充电。其次当离子被晶片表面阻止时，发射次级电子，加到净正电荷上。第三，在晶片附近低能电子被带正电的晶片表面吸引，从而减小了净充电。最后当晶片表面充正电时，晶片中的漏电流正比于表面电压增大，这就减小了净充电。

当晶片充电发生时，用绝缘体和金属或更多的硅交替分层的硅晶片会受到介电击穿。虽然薄的二氧化硅膜的介电强度能高达1千万伏/厘米，对氧化物厚度100埃，充电电压仅10伏就达到了这个强度。现在制造的实验的器件氧化物厚度大约130埃，这就对由束充电效应产生的任何电压设置了严格的可容许上限。

当一个晶片表面充正电时，电子被从离子束中清除，增加了束的正电位。带正电的束粒子互相排斥，使离子束产生径向散焦，导致注入剂量不那么均匀。

大多数强流离子注入系统依赖电子俘获来补偿离子束的空间电荷。背景气体被离子束电离产生的电子能够当这种电离发生时在束的正电位内被俘获。电离率NσlIb，是由离子和气体分子的碰撞频率决定的。N是残余气体密度，σ是反应截面，l是离子路径长度，Ib是离子束电流。在20℃时，N是3.3×10¹⁶分子/乇厘米³，典型的截面是10^-15厘米²，在一个典型注入器的高气压区l是例如20厘米，典型注入气压是10^-5到10^-4乇，这就导致每个束粒子的电离率为0.0066到0.066。若碰撞产生的电子不因外电压源吸引而从束中损失的话，为维持空间电荷中性，这个电离率是合适的。

在某些强流离子注入系统中，气体被精密（准备）地漏入束线以增加电离过程，从而保持离子束空间电荷的中性。但是离子束在可允许的气压时的电离效率太低了以至不能使用气体漏入来控制晶片充电。

一个等离子体桥可以用来使离子束保持中性，而且原则上也可以同时用来控制晶片表面充电，用这个方法，产生一个等离子体并与离子束接近以提供一个低能电子的强流源。这个系统的主要缺点是在系统中存在高气体负载。

电子簇射系统这个课题存在许多已知的不同种类，大多数这类系统是使用在注入时直接涌到晶片的低能次级电子。这个技术的主要缺点是两种电荷的空间分布并不相同。在带正电束的中心周围有一个负电晕圈。这个特征使在晶片表面的装置在晶片通过束时首先充负电，然后充正电最后又是充负电。通过后的净电荷可能是零，但通过时仍能产生损坏。

授予Robertson等人的美国专利4，463，255号认识到直接电子簇射使离子注入晶片电荷中性方法的缺点，该′255专利披露了一个束中性化方法，其中一个初级高能电子源被引向靠近离子束的一个靶。当初级电子碰撞靶时产生的次级电子有较低的能量并可以被带正电的离子束俘获，这有助于中性化束的净电荷，从而当离子束撞击晶片表面时减少了晶片上的电荷积累。

本发明涉及一个产生低能电子的系统，这些低能电子能在束接触晶片前被带正电的离子束得到或俘获。本发明把高能初级电子局限在一个含有电离气体的区域中，而不是采用Robertson等人的′255专利中讨论的方法。当高能电子碰撞气体分子时，产生了低能次级电子，它们被带正电的离子束俘获。

根据本发明的一个实施例，一个离子束注入系统包括一个离子源，它产生带正电离子束并引导该离子束沿着一个路径使它撞到面对离子束有一绝缘表面的工件上。为避免上述的晶片充电效应，本发明的装置包括一个丝极，引导高能初级电子通过一个束中性化区域或离子束在到达晶片前穿过的区域。在束中性化区域中，当本底压强太低时（例如≤10^-5乇）引入一种可电离气体，它们与高能初级电子碰撞产生被俘获在离子束中的低能次级电子，控制了该束的净电荷。没有遇到气体分子的高能电子通过中性化区但被一个排斥极偏转，一个栅极将电子向回加速通过中性化区。

在一个较佳构造中，排斥极是一个导电的细长园柱，它有一个离子束通过的入口及出口。这个排斥极偏置到一个电位，使高速初级电子被偏转离开排斥极回到离子束的附近。从园柱排斥极内表面径向向内的是一个栅极，它被偏置以加速被偏转的电子回到离子束的区域。排斥极上的一个入口使气体能被注入到离子束的邻近。该气体被高能初级电子电离产生被离子束俘获的低能次级电子。

初级高能电子由一个丝极产生，用一能调整控制丝极电流的电源偏置这个丝极。一个电极用来加速丝极发射的电子进入束中性化区。这个丝极和加速电极位于排斥极的一边，与排斥级绝缘。高能初级电子一进入电离区，目标就是使排斥极把这些电子（尽可能多次地）偏转回电离区。为实现这个目标，再加速偏转电子栅极的表面积被做得最小以减少栅极和偏转电子的碰撞。

当离子束通过束中性化区时，次级电子被离子束俘获以在离子束离开束中性化区到达与工件的碰撞点时产生一个中性离子束。

从上面所述，可以理解本发明的一个目的是使用高能电子，并把它们偏转回去通过一个气体电离区以产生一个低能束中性化电子的一个离子束中性化方法及装置。本发明的这一目的及其它目的，优点和特征从结合附图详细描述的一个较佳实施例中可以很好地被理解。

图1是通过束中和器的离子束的一个略图;

图2是根据本发明构造的一个束中和器较佳实施例的部分剖面图;

图3是从图2中3-3线确定的平面看过去的端面立视图;

图4是图2的束中和器的束入口的端面立视图;

图5是从图4的平面5-5看过去的剖视图;

图6是为偏转穿过束中和器电子的四个排斥极段之一的平面图;

图7是图6排斥极段的端视图;

图8是加速被图6的排斥极偏转的电子的栅极的毂部分的放大的平面图;

图9是图8中毂部分的立视图;

图10是附着于部分限定离子束路径的安装板的中和器支承的透视图。

现在开始参照附图，图1是根据本发明的一个束中和器10的略图。离子源12产生离子，它们被加速形成高能离子束14越过一个直线部分到晶片注入站16。在晶片注入站16，许多硅晶片置于一个晶片支承18，它以可控制的方式移动通过离子束14，使以被控制的离子浓度撞击晶片。这就以受控制的方式对硅晶片掺以离子杂质以产生半导体特征。授予Ryding的美国专利4，228，358披露了一个有代表性的离子注入系统，其支承18是一个旋转盘，该专利所披露的内容在这里作为参考。

由于中和器10的束中性化效应，在束的出口20，离子束14包括从源12来的带正电的离子以及为控制电荷在束中俘获的低能电子两者，从而使束最佳地中性化，即产生一个没有净电荷的束。这就避免了因允许电荷在半导体晶片上累积而造成的严重损坏。

中和器10包括一个电子排斥极30，这是一个负偏置的园柱导体。在每一端部分地封闭，留出一般是园形的入口32及出口34，沿电子排斥极30的一边，开口36决定了高能电子40的源38的位置，这些高能电子被射入到排斥极30的内部束路径的邻近的区域。

高能电子40被电极42加速，使它们与电子排斥极30所限定的区域内的气体分子碰撞时，电离气体分子产生能被离子束14俘获的低能电子。未与气体分子碰撞的高能电子横越中和器10，接近排斥极30的内壁30a。电子排斥极30被一个300伏电源44偏置于对地负电位以排斥或反弹高能电子，使它们偏离从源38来的初始轨道。

被偏转的电子由维持在地电位的园柱网格形构造的栅极50产生的电场加速。栅极50把被偏转的电子加速回到离子束14区域，使那些开始未与气体分子碰撞的电子再穿过离子束14的区域。本发明的一个目的是使电子横越的次数最大，这样每一个电子与气体分子碰撞机会增加，产生能被束14俘获的低能次级电子的机会也增加。

当束14进入中和器10时，它可以是也可以不是中性的。排斥极30上的一个负偏置的孔32夹在一个有孔60a的接地导体60和栅极50的接地孔50a之间。这一布置提供了一个负电位其峰值在孔32的中心32a上，它防止了低能电子通过孔60a进入或离开束中和器10，从而在实质上隔离了离子源12与束中和器10之间的电子和中和器10及工件支承18之间的电子。当束通过    50进入中和器10，它只由从离子源来的正离子组成。

电子源38由丝极52构成较好，它由一个低电压可调电源54供能，从零到12伏的直流电压作用于丝极进行加热。电源54维持在大约-275伏的电位较好，通过一个25V的齐纳二极管56跨接在电源54的正输出和300伏电源44的负输出之间来实现。

在进入由电子排斥极30限定的区域之前，离子束14通过一个接地的环状导体60，它与排斥极孔32同轴，在出口20，离子束14（含有俘获的自由电子）在撞击晶片支承18前通过一个接地的出口导体62。接地导体62包括一个园柱部分62a，它与离子束同轴并通过开口34伸入排斥极30，以及一个环状板部分62b，它从束14径向向外延伸。排斥极30的接地导体60抑制高能和低能电子进入或跑出中和器10。接地园柱孔62和园柱栅极50上的孔50b终止了从排斥极30来的电场，由此在中和器10和工件支承18之间提供了一个无电场区，电子可以无阻碍地运动到工件18。

图2和图3画出了束中和器10的一个实施例的细节。离子束14通过一个部分与壳体板110限定的真空室，它支承相对于离子束路径的园柱排斥极30。当安装在一个离子束注入系统时，板110一般是水平的，这样如在图2中所画，离子束中和器10是固定在壳体板110的下方。

一个向下延伸的铝支架112（图2及图10）维持在地电位，支持两个接地导体60和62。导体60（图4）是一个金属盘（铝较好），它在其外边缘有一个安装凸缘113。凸缘113与支架112通过螺纹连接器114相连，它通过凸缘113延伸进支架112的开口115中（图10）。

导体60还包括4个绕导体60等距分布的突舌116。突舌116限定了有间距的开口装连接器117，它穿过导体60拧入4个等间距的金属（不锈钢）隔离棒120、121、122、123的一端。棒120-123的另一端用适当的连接器118连到出口导体62上（图2）。

园柱排斥极30由接地导体60、62支承。绝缘隔离片130置于导体60、62和两个环形排斥极端片140、142之间，后两者分别限定了入口32和出口34。端片140和142用连接器146固定在绝缘元件130上，绝缘隔离片130则用连接器147装在接地导体60和62上。绝缘隔离片130使两个排斥极端片140、142能被维持在一个相对于接地导体60、62的负电位（大约300伏）上。4个弧形排斥极壁148（每一个张90°角）用连接器149装在端片140、142上，连接器149穿过壁148进入排斥极端片140、142的园柱壁。

加速被排斥极30偏转的电子的栅极50也用金属隔离棒120-123来支承。两个导电环（钛较好）150、152各有4个向外延伸的臂154-157（图3），它从固定在隔离棒120-123之上以确定环150、152在园柱排斥极30中的方位。两个金属毂160、162（也用钛做的）由钽丝网联接到环150、152，钽丝网以相对于离子束14同轴的方式支承毂160、162，从图3可以看到。臂154-157通过排斥极壁148上的开口。每一壁148确定了4个方形槽口或切口148a（图6），这样当4块排斥极壁组装时，相邻的壁就确定了臂154-157能伸出的开口。

为了构造栅极50，两个毂160、162装在心轴上（当栅极造好后被移去），钽丝网拉直通过所附的毂上的缝164，再绕过在环上的小缝166，然后到第二个环，再向内到对着那个环的毂，等等，完整的钽丝网168在环之间是平行延伸的，并径向地向内到毂160及162，这可以从图2、图3中看到，这些丝是接地的，因为它们连着环150、152，而后者是通过隔离棒120-123连着导体60、62的。

每一毂上的缝164隔断螺纹洞170（图9）穿透每一个毂160、162。一旦钽丝网穿好后，螺丝71（图9）被拧入洞170，直到螺丝171接触钽丝168，继续拧紧螺丝171使丝张紧。

栅极50的单根丝168从两个环的端面150a、152a径向延伸向内。为在图2中区别向外的端面150a、152a和栅极50的丝168，丝被轴向地移动了一点与径向向内的方向形成一个小角度。但是应该知道径向延伸的丝168和端面150a、152a本质上是共平面的。

可电离气体通过接头172（图3）被送到离子束14的邻近，导管174通过板110馈送气体，在板110上的一个螺纹开口用来安装接头172，一个“O”环176用来防止气体通过接头和板110间的界面漏失，在本发明的较佳实施例中，氩气被送入到电子横越过的区域，因为它很容易被电离。

在图6中画了对着板110的排斥极壁148上开口36的位置，这个开口36使丝52能径向地向内装入排斥极壁148。从图2和图10可以看到支承112限定了一个通道112a，用来把丝加热信号送到丝52上。一个绝缘块182（氮化硼较好）把丝固定在图2所示位置。绝缘块182连到支承上，并有5个穿透的通口，5根钨棒183用定位螺钉安装在那里。两根棒从块182向上延伸並被联到穿入绝缘导管180的导体。环184与棒183和导体连接並由定位螺丝固定在那里。从图3可以看到一个金属的（银较好）夹板185在导管180的两部分之间传送加热信号，这个夹板是弯的可以调节因丝52加热和冷却时产生的导体的膨胀和收缩。

丝52（钨较好）有四个回路，其两端及中间焊在5根钨棒183上。通过升降钨棒183可以调整丝的位置。这四个回路及丝的中间与棒183的三个焊点使丝更为耐用。

一个有孔的导体186（石墨较好）与丝52隔一段距离，并用螺纹连接器187装在支承112上，这个孔是一个狭长的开口，它使从丝52来的电子能有一适当的初始轨道穿过孔进入排斥极30限定的区域中。因为导体186是接地的，它可以做为加速电极，把从丝52来的电子加速到排斥极限定的区域中。

板110上面的两个端子190、192连到丝的加热电源54，因为这些端子大约低于地电位275伏，一个把导管180送过板110的块194把板110与端子190、192绝缘。端子190、192的一个盖子196接在接地板110上。盖子196防止离子注入器附近的人员不小心接触端子190、192，同时使加压电位能从电源54接到丝52。另一端子（未画出）把一300伏的信号通过板110到一被绝缘的导体，它的一个暴露头用连接器200接到排斥极的壁上，这使排斥极30维持在低于地电位300伏以排斥从丝通过排斥极内部区域的高能电子。然后接地栅极50吸引被偏转的电子并把它们加速回到离子束区以能再次撞击气体分子产生中和用的电子。通过调整跨接丝52的电源电压以及丝与电极42的距离，可以调整进入中和区的电流。

本发明已经用此特例详细描述了，但是其意义是本发明包括了所有的在权项要求的精神或范围内的修正和/或变动。

Claims (10)

1、在一个包括一个产生带正电离子束(14)并引导所述离子束沿一个路径撞击一个工件的离子源(12)的离子束注入系统中，控制离子束对工件充电的装置包括：

(a)源装置(38)，引导高能电子通过所述离子束贯穿的一个束中性化区域；

(b)在该束中性化区提供可电离气体的装置，气体与所述高能电子碰撞以提供被所述离子束俘获的低能次级电子从而减低所述离子束的电荷；

(c)排斥极装置(30)，以偏转通过所述束中性化区域的高能电子回到所述束中性化区域；及

(d)栅极装置(50)，以加速被排斥极装置偏转的电子回到该束中性化区域。

2、权利要求1的装置，其中排斥极装置有一个导电长园柱体，它包围所述束中性化区域，所述园柱体在园柱体相对两端有一个入口（19）和一个出口（20）以允许所述离子束通过所述园柱体。

3、权利要求1的装置，其中源装置包括一个丝极导线（52），一个加热丝极导线的电源（54），一个加速从丝极发射的电子到束中性化区域的电极（42）和一个相对丝极导线偏置所述电极的电源（44）。

4、权利要求3的装置，其中栅极装置包括一个丝网（168），它在所述排斥极装置的导电长园柱体内形成一个园柱体并与加速电子离开丝极线的电极处于同一电位。

5、一个控制放在离子束路径上的一个工件被离子束充电的方法，包括下列步骤：

a）引导离子束（14）沿一个束路径移动使所述离子束撞击一个工件;

b）在离子束撞击工件之前注入高能电子（40）通过一个含有可电离气体的离子束贯穿的空间，以电离该空间中的气体分子产生次级低能电子，后者被离子束吸引并中和所述束的电荷以减少在工件上的电荷累积;及

c）改变通过含有所述可电离气体的空间的高能电子的轨道，然后加速改变了方向的电子回到含有可电离气体的空间以电离该空间中其它气体分子。

6、权利要求5的方法，其中高能电子是从一个丝极（52）发射出来并被一个加速电极（42）加速到高能量。

7、在一个离子束注入系统中包括：

（a）一个源（12），产生带正电的离子束（14）并引导所述离子束沿着一个路径撞击一个工件;

（b）晶片定位装置，以把工件定位在隔子束内;

（c）电子产生装置（38），位于沿一个离子束穿越的路径，以引导高能电子通过所述离子束贯穿的束中性化区域;

（d）向束中性化区域提供可电离气体分子的装置，气体分子与所述高能电子碰撞产生被离子束俘获的低能次级电子以减少所述离子束的净电荷;

（c）偏转通过所述束中性化区域而未和气体分子碰撞的高能电子的排斥极装置（30），使它们回到所述束中性化区域;

（f）加速从该排斥极装置偏转的电子的栅极装置（50），使它们回到所述束中性化区域;

（g）偏置排斥极装置到一个电位低于所述栅极装置的电源装置（54）。

8、权利要求7的系统，其中排斥极装置有一个金属园柱体，在入口及出口处由有园孔的园盘（140、142）封闭。

9、权利要求8的系统，其中所述栅极装置包括一个钽丝网（168）装在所述园柱体内，有一个网入口（160）和一个网出口（162），与所述排斥极的入口和出口同轴。

10、权利要求7的系统，其中电子产生装置包括一个丝极（52），一个加热所述丝极的低压可调电源（54），一个加速从所述丝极来的电子的金属电极（42）以及一个加速从所述丝极来的电子并把丝极偏置到低于所述电极电位的电源（44）。

Images