CN115910734A - 一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其包括以下步骤：步骤S1：调整气体流量和灯丝电流，使得气体流量和灯丝电流满足高能离子注入机的离子注入需求；步骤S2：设定合适的萃取电压，匹配聚焦电压不超过45kv；步骤S3：根据最终能量及萃取电压，设定加速电压；步骤S4：设定分析磁体电流，控制所需电荷/质量比的离子转弯通过；步骤S5：展开束流至可以覆盖300毫米硅片的高度；步骤S6：调整束流的大小，角度，均匀度并完成最后进行离子注入。本发明可以实现更好的均匀性；可以较为合理的设定其工作电压，避免负载过大。

Description

一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法

技术领域

本发明属于半导体设备技术领域，具体涉及一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法。

背景技术

在半导体器件的制备工艺过程中，芯片是批量进行处理的，在同一晶圆上形成大量复杂器件。随着超大规模集成电路的迅速发展，在芯片的集成度越来越高的同时，芯片尺寸也愈来愈小。同时，对于芯片制造的工艺要求也越来越高。在半导体器件的制备工艺中，离子注入是一道很重要的工艺模组，会使用在阱注入、轻掺杂源漏、重掺杂源漏等工艺之中。随着芯片制造工艺的需求，离子注入的要求越来越高；尤其是HEIMPLANTER(高能离子注入机)的阱工艺的均匀性控制要求。

目前市面上的高能离子注入机的加速方式有两种：一种是采用Resonator进行的交流加速，另外一种是直流加速方法。直流加速的能量是由两段能量相加得到的，分别为EXTV(萃取电压)和ACCELV(加速电压)，虽然每段电压都有其范围，但是对于两段能量的配比，没有严格的界定。在建立离子注入菜单的时候，没有一个固定的标准去衡量哪种配比更好，往往都是根据经验或其他相近菜单复制之后修改而来。因此现有离子注入的均匀性得不到有效保障。

在离子注入的工艺验证阶段，主要是参考束流的均匀性来判断注入的均匀性；而对于高能离子注入机来说，因隧道效应非常敏感，所以注入角度的平行度的影响至关重要，进而导致离子注入均匀性也得不到有效保障。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提供一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，通过合理的能量组合方式，可以实现对束流更好的聚焦，改善由于束流发散带来的均匀性问题。

依据本发明的技术方案，本发明提供了一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其包括以下步骤：

步骤S1：调整气体流量和灯丝电流，使得气体流量和灯丝电流满足高能离子注入机的离子注入需求；

步骤S2：设定合适的萃取电压，匹配聚焦电压不超过45kv；

步骤S3：根据最终能量及萃取电压，设定加速电压；

步骤S4：设定分析磁体电流，控制所需电荷/质量比的离子转弯通过；

步骤S5：展开束流至可以覆盖300毫米硅片的高度；

步骤S6：调整束流的大小，角度，均匀度并完成最后进行离子注入。

其中，所述改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法适用于高能离子注入机。

进一步地，高能离子注入机中的离子源部分位于能量端子部分内，但与能量端子部分绝缘隔离开；离子源部分通过加速管与分析磁体相关联，在分析磁体后端连接扫描磁体，离子源部分所产生的离子经过扫描磁体进入工艺腔。

更进一步地，所述改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法施加在能量端子部分的萃取电压端。

优选地于，高能离子注入机在离子注入的路径上依次排列有引出电极、过滤磁场、聚焦电极、加速模块和分析磁体单元。

更优选地，在离子注入的加速通道上设置有离子源部分用于产生离子。引出电极用于将离子萃取出来。过滤磁场用于初步筛选需要的离子。聚焦电极对引出的离子束流进行聚焦。加速模块分压隔离能量端子与地之间的电压，用于加速聚焦后的离子束流。

与现有技术相比，本发明的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法的有益技术效果如下：

一是从工艺控制的角度来讲，可以实现更好的均匀性；

二是从对于聚焦电极而言，可以较为合理的设定其工作电压，避免负载过大。

附图说明

图1是本发明高能离子注入机的立体结构示意图。

图2是本发明改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法的工作原理示意图。

图3是能量较高时电极的速度和电场对束流聚焦的示意图。

图4是能量较低时电极的速度和电场对束流聚焦的示意图。

图5是热波在离子注入中的应用的示意图。

图6是束流发散时注入角度的示意图。

图7是束流聚焦时注入角度的示意图。

图8是束流发散时注入后的热波均匀性示意图。

图9是束流聚焦时注入后的热波均匀性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本发明提供一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其通过设定EXTV和AccelV的合理配比，例如同样最终能量是300Kev，可以采用70Kev+230Kev的组合方式，也可以采用60Kev+240Kev或其他的配比，最后得到的注入均匀性是不同的。

因为机台FocusV(聚焦电压)是有一定的工作范围的，如果EXT V设置过大的时候，聚焦电极(Focus电极)不能对其进行更好的聚焦，导致束流最终趋向发散，而使得注入均匀性不够理想。抑或可以通过增大FocusV(聚焦电压)来平衡EXTV过大的问题，但是这样很容易导致聚焦电极负载过大，而致使束流不稳定。

本发明的主要方法就是针对固定的能量，选择合适的能量配比，结合聚焦电极的作用，使得束流达到更加理想的状态；本发明使得离子注入的平行度更加接近，以使得晶圆注入的效果更加一致。

下面结合附图对本发明进行详细说明，图1是本发明高能离子注入机的立体结构示意图。本发明高能离子注入机包括离子源部分、能量端子部分、加速管、分析磁铁、扫描磁铁、平行度控制磁铁和工艺腔等主要部分。

其中，离子源部分产生离子，主要是通过对工艺气体进行电离，而产生想要的离子。能量端子部分主要是一个相对点，其与离子源部分有一个电压差(萃取电压)，且与地之间也有一个电压差(加速电压)，萃取电压和加速电压之间的二者叠加即为最终能量。

加速管主要是一个分压的管道，两段对应的就是加速电压的一个加速过渡。分析磁铁主要是对萃取出来的离子进行筛选，通过带电物体在磁场中运动受力的原理，筛选出所需要的离子。扫描磁场，主要是将点状的束流扫描成为带状的束流，让其可以覆盖到300mm范围内的硅片。工艺腔就是完成最后的注入的地方，当我们的束流调整到合理范围内以后，就会用机械手臂抓取硅片进行离子注入。

本发明提供一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其利用气体离子化->萃取出来->加速->筛选->展开束流->调整完最后进行离子注入，以此来实现本发明的一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法。也就是，本发明的一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法包括以下步骤：

步骤S1：调整气体流量和灯丝电流，使得气体流量和灯丝电流满足高能离子注入机的离子注入需求；

步骤S2：设定合适的萃取电压，匹配聚焦电压不超过45kv；

步骤S3：根据最终能量-萃取电压，设定加速电压；

步骤S4：设定分析磁体电流，控制所需电荷/质量比的离子转弯通过；

步骤S5：展开束流至可以覆盖300毫米硅片的高度；

步骤S6：调整束流的大小，角度，均匀度并完成最后进行离子注入。

进一步地，如图1所示，高能离子注入机中的离子源部分位于能量端子部分11内，但与能量端子部分11绝缘隔离开；离子源部分通过加速管13与分析磁体14相关联，在分析磁体14后端连接扫描磁体15，离子源部分所产生的离子经过扫描磁体15进入工艺腔16。

图1中能量端子部分11的电压端子即为本发明实施的主要改善区域，主要改善区域亦可参考图2中模块5(即能量端子部分)所框区域；能量端子部分11与离子源部分有一个电压差，即萃取电压。

图2是本发明改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法的工作原理细部示意图。该部分主要的部件处于能量端子模块中，主要是通过调节萃取电压的设定来达到束流形状最优的目的，从而使得注入更加均匀。

即，通过框图形式，把图1中未能细分出来的部分直线化体现出来，各个部件的功能或用途描述如下：图中的箭头代表离子注入的加速方向。在离子注入的路径上依次排列有引出电极2、过滤磁场3、聚焦电极4、加速模块6和分析磁体单元7。在离子注入的加速通道上设置有离子源部分1，其用于产生离子；引出电极2，其用于将离子萃取出来；过滤磁场3，其用于初步筛选需要的离子；聚焦电极4，对引出的离子束流进行聚焦；加速模块6，分压隔离能量端子与地之间的电压，用于加速聚焦后的离子束流；分析磁体单元7，其用于筛选离子注入所需要的离子。

其中引出电极2、过滤磁场3和聚焦电极4构成模块5(相当于能量端子部分11)，模块5用于和离子源及大地之间各建立一个电压，叠加为最终能量。

离子源部分1与模块5之间施加电压EXTV，范围0-100KV；例如60KV或70KV。模块5与分析磁体单元7施加加速电压ACCELV，范围0-400KV，例如240KV或230KV，虽然最终能量都为300KV，但是测试结果是60KV+240KV的结果更优.

在没有使用本发明改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法的情况下，经常出现电场对束流聚焦的效果会偏弱、电场对束流聚焦的效果会偏强等情况，例如图3是能量较高时电极的速度和电场对束流聚焦的示意图。能量较高时，通过聚焦电极的速度更快，电场对束流聚焦的效果会偏弱；图4是能量较低时电极的速度和电场对束流聚焦的示意图。能量较低时，通过聚焦电极的速度更慢，电场对束流聚焦的效果会偏强。

图5是热波在离子注入中的应用的示意图。该测量方法主要表征的是晶体的损伤情况，通常情况下损伤度越大，热波(Thermal Wave)值就越高。而离子注入的过程必然会产生损伤，其与注入的剂量，能量，角度是强相关的。本发明方法通过角度的控制实现热波的均衡。

热波的测量原理是这样的，首先硅片放置后，泵浦激光(Pump激光)会对样品(即硅片)进行照射，使其温度升高，由于离子注入产生的晶格缺陷会阻止热扩散，所以该区域发生热膨胀，从而表面曲率发生变化。当探测激光器发射激光至样品时，反射回来的激光幅度会发生变化，变化量/原值即得到热波值(ThermalWave值)。

在没有使用本发明方法时，如图6所示的束流发散时注入角度的示意图，束流中心垂直注入的部分，由于受到隧道效应的影响，原子核碰撞较少，所以注入的较深，损伤度较小。反之，边缘发散部分，与硅原子核碰撞的概率会增加，所以注入较浅，损伤度较大。

使用本发明方法时，如图7所示束流聚焦时注入角度的示意图，此时由于束流平行度较好，所以硅片的不同区域注入一致性相对更好。

在没有使用本发明方法时，如图8所示束流发散时注入后的热波均匀性示意图。由此可见，束流不够聚焦时，由角度引起的损伤度是存在较明显的区域性差异的，因此热波的数值上就会差别比较大，即均匀性不够好，均匀度仅达到1.1％。

使用本发明方法时，如图9所示的束流发散时注入后的热波均匀性示意图。采用合理的萃取电压后，束流比较聚焦，各部分的注入角度相对比较一致，因此最后热波测量值的反馈上就会更均匀，其均匀度达到了0.6％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤S1：调整气体流量和灯丝电流，使得气体流量和灯丝电流满足高能离子注入机的离子注入需求；

步骤S2：设定合适的萃取电压，匹配聚焦电压不超过45kv；

步骤S3：根据最终能量及萃取电压，设定加速电压；

步骤S4：设定分析磁体电流，控制所需电荷/质量比的离子转弯通过；

步骤S5：展开束流至可以覆盖300毫米硅片的高度；

步骤S6：调整束流的大小，角度，均匀度并完成最后进行离子注入。

2.如权利要求1所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，所述改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法适用于高能离子注入机。

3.如权利要求2所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，高能离子注入机中的离子源部分位于能量端子部分内，但与能量端子部分绝缘隔离开；离子源部分通过加速管与分析磁体相关联，在分析磁体后端连接扫描磁体，离子源部分所产生的离子经过扫描磁体进入工艺腔。

4.如权利要求3所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，所述改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法施加在能量端子部分的萃取电压端。

5.如权利要求3所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，高能离子注入机在离子注入的路径上依次排列有引出电极、过滤磁场、聚焦电极、加速模块和分析磁体单元。

6.如权利要求5所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，在离子注入的加速通道上设置有离子源部分用于产生离子。

7.如权利要求6所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，引出电极用于将离子萃取出来。

8.如权利要求6所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，过滤磁场用于初步筛选需要的离子。

9.如权利要求6所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，聚焦电极对引出的离子束流进行聚焦。

10.如权利要求6所述的改善高能离子注入机的离子注入均匀性的方法，其特征在于，加速模块分压隔离能量端子与地之间的电压，用于加速聚焦后的离子束流。

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