CN1208245A - 离子注入机的剂量控制 - Google Patents

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Abstract

已知电荷中和效应为影响用大电流注入机(11)进行的束处理的剂量或浓度的因素。将束能量提高到1Mev及更高要求理解电荷电离和电荷中和效应以及这些效应的数值上有效的模型补偿。电荷电离产生更高电荷状态的离子,会使来自法拉第杯的测量电流过高估计真实的粒子电流。本发明进行一种离子束(19)的有效电荷态的概念基础上的分析,从而更全面地解释了电荷电离效应以及离子中和。使用本发明公开的技术的剂量控制要求两个可调节参数:束路径中束与粒子之间作用的明显有效截面以及最终的稳定电荷态与最初的电荷态之间的比值。

Description

离子注入机的剂量控制
本发明一般涉及离子注入机，特别涉及控制注入到半导体晶片中的离子剂量或注入浓度的方法和装置。
离子束流向半导体晶片的离子注入现在已广泛用于各种工业应用中，特别是在离子注入半导体制造电有源器件的应用中。Farley的美国专利4,587,433和Ryding的美国专利4,234,797介绍了控制注入到工件中的离子剂量的重要性。在这里引用Farley的’433专利和Ryding的’797专利仅供参考。在许多应用中，半导体器件的制造中注入的平均性和总剂量的允许公差现在为1％。
要在这两个专利中公开的那种注入机上获得该准确级别，有必要考虑沿离子束路径注入机容器内残留的原子和电子的碰造成的离子中和。
法拉第罩(Faraday cages)捕获并测量离子束电流，同时截获伴随离子束的电子。这种法拉第罩不能测量离子束中的中性原子。由于中和的原子与离子的能量基本相等，并且就注入剂量而言，中和的原子与离子也分别相等，如果发生大量的束中和，那么法拉第罩读数将给出注入电流的错误的测量值。
在脱气、挥发或溅射光刻胶的处理涂敷光刻胶的半导体表面时，现有技术的离子注入机具有特殊的用途。当注入机的真空度很低时，注入的物质基本上都处于注入机的分析磁场选择的相同的电荷状态。然而，如果分析磁场和工件之间路径的压力不是很低，离子束可通过沿束路径与残余气体原子的原子碰撞改变它的电荷状态，而能量不发生很大变化。此时，撞击法拉第罩的束含有中性原子。这些中性粒子为所需的物质，并具有注入所需的能量。当决定所得离子注入的适当剂量时，中和的离子应计算在离子束流中。由于法拉第罩不能测量出该束电流，所以测量出的离子电流小于它的实际值。
在低束能量时，束粒子作用的初始影响为离子中和。Farley的’433专利使用在离子束中和的基础上调节束密度的技术。’433专利的公式适于较低能量的离子注入机，在束内从离子电离出电子比电荷中和需要更高的能量。例如具有一个附加电离电子的单个正电荷，在束电流控制剂量的系统中，仅提供根据其电荷该离子将提供的剂量的一半。因此，测量的离子电流大于实际的电流。Farley的’433专利考虑到会发生电荷电离，所以在该专利中得出的公式(见第2列第54行)局限于离子中和基础上的计算。
本发明提供一种相对于离子中和离子电离占主导地位的高束能量下改进的剂量控制。根据本发明的一个实施例，离子机包括靶室、离子源以及由离子形成离子束、离开源并使离子束撞击所述靶室内一个或多个工件的结构。
控制注入到所述工件内的离子剂量的优选剂量控制系统包括如法拉第罩的传感器，该传感器可决定靶室内测量的离子束的束密度。通过考虑离子束内电荷电离和离子的电荷中和后，离子注入机控制器由测量的束密度得到束电流，所述离子束内的电荷电离和离子的电荷中和是由沿束路径到靶组成束的离子和束遇到的残余的气体分子之间的反应引起的。
要决定补偿离子束电流，注入控制器接收第一输入，一个表给出在不同的压力下要注入的程序中指定参数基础上的一定增量或间隔的补偿量，这提供了在离子撞击工件之前，由于离子束路径中气体分子的反应，具有初始和不同的最终电荷状态的离子相对浓度的显示。该显示的变化取决于电荷电离或离子中和是否为主要的离子/分子反应。注入控制器的第二输入为沿离子束路径线远离工件处的气体分子压力显示。注入控制器使用这两种输入调节考虑电荷电离和电荷中和后修正的离子束基础上的注入剂量。
根据本发明的优选实施例，使用方程Im=(Io)[1+(γ-1)(1-e-KP]，其中γ为与朝向工件的电子束一起移动的粒子的电荷状态的比值，P为离子源和靶室之间的结构包围的区域内气体的压力，K为束粒子气体反应的有效截面。
伽玛值(γ)由收集到的数据决定。最接近的值是在注入期间每150毫秒记录的数据基础上得到的伽玛值。
就离子物质而言，伽玛值、初始电荷状态以及能量都在存储于离子注入机控制器的查询表中，用户控制台过载时作为缺省值(default value)。然而，通常在机器安装期间用户仅需决定第二参数K，如果未过载，用户选择了错误的伽玛值，并在控制台输入该错误值。
本发明提供一附加参数，更精确说明离子束电流作为处理室压力的函数。反过来，允许剂量控制在实时的基础上更新，从而改善Farley和Ryding专利介绍的Eaton剂量控制过程的现有技术。
从下面结合附图对本发明的详细介绍将更好地理解本发明的这些和其它目的、优点和特征。
图1为引入适用于本发明的测量和控制部分中的典型离子注入系统的示意图；
图2为每个电荷状态中离子的百分比与Mg蒸汽中30kevTe+1离子的迁移长度的函数关系图；
图3为不同数量的光刻胶晶片，在850kev下P+束电流与压力的关系图；
图4为在850kev、550μA下，在P+1压力补偿和不进行P+1压力补偿情况下的表面电阻的曲线图；
图5为不同压力补偿参数设置下450μA,1.2Mev单电荷磷的结果图形；
图6为在压力为10-4Torr时硼的电子电离和电荷中和趋势的曲线图；
图7为在压力为10-4Torr时磷的电子电离和电荷中和趋势的曲线图。
图1示出了具有产生离子束部件的离子注入机11，该离子注入机包括离子源12、分析磁体13、包括待注入的工件16安装其上的盘15的旋转组件14和测量流经盘15内形成的狭缝18的离子束电流的法拉第罩17。在离子注入领域已公知，由分解磁铁13选择某种离子注入物质，从而使选择的物质组成的束19直接流向工件16。
正如在这里引入做参考的Ryding的美国专利4,234,797所述，通过安装在盘组件14上的电机20，支架15以不变的角速度旋转。在支架上的工件进行束处理期间，借助步进电机22和螺杆23，盘组件沿箭头A的方向移动，速度由法拉第罩17测量的剂量决定，以确保工件16的均匀注入。
在本领域已公知，离子注入在高真空条件下进行，盘组件14和法拉第罩17限定了终点站(end station)或靶室由图1中的虚线25表示。本发明提供一种当控制注入剂量时可计算组成束的离子的电荷状态变化的装置。剂量的决定以离子注入机终点站的离子电流测量和气体压力为基础。
通过离子剂26可测量终点站压力。由入射电流I0表示的初始正离子束19与气体原子从分解磁体沿束流方向的碰撞，导致在束中向一些正电荷离子中增加电子(中和)或取走(电离)电子。在美国专利4,587,433中介绍的这种现象发生的程度取决于离子物质、离子速度和束流过的气体浓度或密度。
注入控制器27考虑由组成束的离子和决定补偿离子束电的流残余气体分子之间发生反应引起的离子束内电荷电离和电荷中和，根据测量到的束强度计算束电流。控制器27包括用于输入离子相对浓度的显示的第一输入30，所述离子具有由于在离子撞击工件之前离子束路径内与气体分子反应造成的初始和不同的最终电荷状态，并附加包括用于输入沿离子束路径离开工件的束流位置处的气体分子压力P的显示的第二输入32。连接到步进电机22的剂量控制器28在注入控制器27决定的离子束电流的基础上调节注入剂量。控制器28响应于从控制器27传输到控制器28的修正电流信号。
考虑这两种电荷状态，初始电荷状态和最后的电荷状态。假设离子束由带这两种带电状态的离子组成。最初，随着离子离开分辨磁铁，具有初始电荷q1的离子N1向注入室移动。在压力P1下移动固定的路径长度后，由于电荷交换或电子电离作用，许多离子N2变为稳定的电荷状态q2,N1离子仍保持初始电荷状态q1。到达法拉第杯(cup)的全部电荷将为(q1N1+q2 N2)。这可数学地表示为：
K
N1→N2。其中K为与压力有关的比例系数。
dN1=-KN1dP→N1(P)=N1 e-KP
N2(P)=N1-N1(P)=N1(1-e-KP)
Q全部=q1 N1+q2 N2
=q1(N1)[1+(q2/q1-1)(1-e-KP)]
=q1(N1)[1+(γ-1)(1-e-KP)]
其中γ=q2/q1
就测量的束电流Im而言，脱气压力为P并且不脱气的束电流为Io：
Im=Io[1+(γ-1)(1-e-KP)]    方程1
带有更复杂的模型可进行再循环，
K12
N1<->N2
K21
导致得出不同的方程：
dN1=(-K12N1+K21N2)dP
dN2=(-K21N2+K12N1)dP
积分得出：
Im=Io[1+(K12/(K12+K21))(γ-1)(1-e-KP)]
对于不再循环的三种不同电荷状态(i-1,i,i+1)，可得到以下方程：
-dNi(P)=(σi-1+σi+1)NidP
dNi+1(P)=σi+1NidP
dNi-1(P)=σi-1NidP
结果如下：
Im=Io[1+K2/i(1-e-KP)]
其中i为初始电荷状态的电荷数；并且其中
K1=σi-1+σi+1
K2=(σi-1-σi-1)÷(σi+1+σi-1)
其中Im为测量的束电流(净电荷基础上)并且Io为原子束电流。
在这些不同的函数中，使用关系式I=(Io)[1+(γ-1)(1-e-KP)]模拟离子束中能量级别为一Mev以及低能量级别的离子的电荷交换/电子电离现象以实现离子注入计划。
Farley和Ryding专利中的函数关系可解释为当伽玛(γ)为零时本技术的特例。当伽玛为零时，在确保仅发生中和并且穿过残留气体的掺杂剂不携带电荷时，关系式简化为Im=Io e-KP]。在这两个参数方程中，γ值可简单解释为最终的稳定电荷状态与初始注入的电荷状态的比值，就气体压力而言时，K为作用截面。
方程I=(Io)[1+(γ-1)(1-e-KP)]改善了使用两个参数伽玛和K描述测量的束电流和气体压力之间关系的模型，通过这两个参数，可应用的能量范围由几百Kev扩展到几Mev。适当选择伽玛和K，在注入机的压力范围内在任何给定的压力下，由实际的原子束流可正确地计算出统计的限制内的测量的束电流的偏差。
方程1的函数形式与取自Heinemeier＆NIM 148(1978)65用于Te+1的数据矛盾。该数据不常用，是由于平衡的电荷状态为负。如图2所示，γ=-0.625时提出的公式最贴切。
可修改Ryding专利中公开的Eaton公司现有技术剂量控制算法来测试本公开的模型。压力补偿算法使用以模型中的关系式为基础的瞬时压力读数补偿了实时测量的电流误差。这里提供的数据是由Eaton离子注入机型号NVGSD/VHE#29实验得到的。1．所有监测的晶片均为200mm。2．所有注入角均为(5°,1.5°)的α/β，等于(5.22°,16.72°)的θ/φ。3．用于测试的离子注入计为Granville-Phillips制造的“STABIL-ION计”。4．Eaton标准10”和8”的低温泵和背侧低温泵250F由CTI-CRYOGENICS制造。5．所有测试中使用的光刻胶晶片为4mm厚、未烘干并且未进行光刻胶掩膜构图。6．Therma波测量用Therma波Therma探针400xp。7．热退火用HTEC快速热处理器。8．表面电阻测量用Prometrix Rs-55/tc。
为了在宽动态压力范围下测试提出的模型，每次注入从总共13个晶片中取出0,4,8和12个涂敷光刻胶的晶片，每次测试程序重复4次。该模型基础上用于压力补偿使用的γ和K的参数设定是在测试期间产生的数据基础上估计出的。这些测试结果显示出该提出的模型有控制该光刻胶脱气效果的可能。K因子的确定
根据这里引入做参考的名为“压力补偿的最佳方法和实施”的技术文章中介绍的现有技术，使用测试数据计算K因子。使用需要最少四次注入过程(与测试前决定的伽玛因子相同)的图形法确定K因子。K因子随注入机型号、离子物质、残留的气体物质、能量和束电流而变化。影响最大的两个因素为注入物质和能量。
在测试确定K因子期间，注入机应当清洁并且应设置注入机以优化使用物质和能量。正如技术文章中指出的，可借助四次或更多次注入操作的图形分析以及表面电阻与K因子的关系图确定合适的K因子。第一次操作用裸晶片进行并且K因子为零。第二次操作用裸晶片进行并且K因子更高，为通常的K因子。第三和第四次操作用许多涂光刻胶的晶片，选择与前面操作相同的K因子。画出注入的晶片电阻率与K的关系图，两组(涂敷和未涂敷)数据的交点产生优化的K因子。最合适的方法得到的值。在后种情况中，用户可设置需要最少四次注入操作以确定优化的K因子，顺序为从涂光刻胶的晶片和K=0的第一次注入开始，以得到确定伽玛值所需的数据。一旦确定了初始的伽玛值，之后使用确定的伽玛值进行其余三次注入。由于在第一次注入中K=0，因此不必对注入进行补偿，相对于其余的注入操作，使用的伽玛值没有任何区别，根据确定K因子的操作使用“相同的”伽玛值。这样，不必进行完成附加的伽玛因子所需要额外的注入。
在图3中的850Kev、550μA下条件，P+1(单电荷磷)的测量的束电流和压力之间的关系为具有代表性的例子。在注入涂光刻胶的晶片期间，在实时每150msec记录测量的束电流和压力。进行三次注入，每批为4、8、12个涂光刻胶的晶片，得到的数据可由该图中Eq(1)的合适的函数覆盖。关键在于保持所述I与P的关系与图中所示的压力范围无关。带/不带压力补偿的以上测试的表面电阻响应曲线图示在图4中。没有所述补偿，意味着表面电阻偏移多达15％，均匀度为1.4％。经过适当的压力补偿后，可获得好于0.5％的剂量可重复性和均匀度。通过改变参数设置，在1.2Mev和450μA条件下，对P+1进行三次重复的类似测试的结果显示在图5中。对于以上两种情况，使用0,4,8和12个涂光刻胶晶片,在适当的设置下，注入可重复性分别为0.40％和0.45％。
电子电离和电荷中和与离子能量和初始离子电荷状态的关系显示在图6&图7中。Y轴上测量束电流值与理想束电流的比值是基于对于每次测试程序在不同的压力下对所有的数据点都最优化后，在压力为10-4Torr时推算的束电流。该比值大于当电子电离为主要影响时的比值。一般来说，与双或三电荷的离子相比，高能量的单电荷离子显示出的与压力有关的剂量漂移最大。一个明显的原因是剂量的误差正比于测量的电荷误差除以入射离子的初始电荷状态。其它的可能原因是与电荷中和的竞争过程同时增加初始电荷状态时，电子电离的截面更小。
通过将本发明应用到Eaton剂量压力补偿算法中已试验了本发明。使用该算法可消除光刻胶脱气引起的剂量漂移，即使在最极端的条件下，也可以产生良好的剂量均匀性和剂量准确性。这两种参数模型不仅能在光刻胶脱气时成功地表征电荷状态变化，而且对于日常使用也很实用。
离子注入剂量控制器27包含一个补偿查询表，在注入由第一输入开始之前制出该表，用于计算补偿的束电流。补偿表有一个在一定的增量或间隔的不同压力下补偿值的百分数的表，所述增量或间隔是在要注入的程序中指定的给定的一组(删除一给定组)伽玛值和K因子的基础上计算出的。借助表查询技术(即通过插入根据相关变量的给定值找到相对应的值)，使用实时压力读数、第二输入，剂量控制器计算补偿束电流远快于在整个方程基础上根据实时要求的计算。补偿的束电流作为输出信号驱动上下扫描(y扫描)以获得正确的剂量控制。
上面带有一定程度的特殊性介绍了本发明的优选实施例。然而，显然本发明包括根据公开的设计作出的落入附带的权利要求书的精神或范围内所有变形和修改。

Claims (8)

1．一种离子注入机，包括靶室(25)、离子源(12)以及由离开源的离子形成离子束(19)并使离子束撞击所述靶室内的一个或多个工件(16)的结构，控制注入到所述工件中的离子剂量的剂量控制系统包括：
a)测量装置(17)，用于确定到靶室的离子束的测量束密度；
b)补偿装置(27)，考虑由组成束的离子和决定补偿离子束电流残余气体分子之间发生反应引起的离子束内电荷电离和电荷中和，根据测量到的束强度计算束电流，所述补偿装置包括输入作为气体压力读数的函数的离子相对浓度的显示的第一输入，所述离子具有由于在离子撞击工件之前在离子束路径内与气体分子反应造成的初始和不同的最终电荷状态，并附加包括输入沿离子束路径离开工件的束流位置处的气体分子压力的显示的第二输入；以及
c)剂量控制装置(28)，在补偿装置确定的离子束电流基础上调节注入剂量。
2．根据权利要求1的设备，其中注入机还包括安装在靶室内的工件支架(14)，其中安装工件支架，将工件固定在室内的支架上，以便用离子束进行处理，其中当进行工件的离子处理时，剂量控制装置(28)控制工件支架的运动。
3．根据权利要求1的设备，其中补偿装置包括确定实时基础上的瞬时束电流的处理器。
4．根据权利要求3的设备，其中处理器包括在测量装置得到的测量束电流(Im)基础上，根据关系式Im=(Io)[1+(γ-1)(1-e-KP]计算修正的离子束电流(Io)的存储程序，其中γ为与朝向工件的电子束一起移动的粒子的电荷状态实验确定的比值，P为离子源和靶室之间的结构包围的区域内气体的压力，K为对于给定的离子物质和离子束能量的实验确定的常数。
5．用于离子注入机(11)的计算剂量的方法，该离子注入机包括离子源(12)和分析磁铁(13)，用于产生具有特定的荷与质比的离子束，该方法包括以下步骤：
a)使包括中和状态的多种可能的电荷状态的离子束流向靶室(25)，靶室包含一个或多个将由束处理的工件(16)；
b)在靶室(25)内进行一个或多个工件(16)的束处理期间，通过使离子束流向密度测量装置(17)，周期性的确定测量的离子束电流；以及
c)在离子束内比离开分解磁铁的离子具有更高或更低的电荷态的那部分离子的基础上，确定计算的离子束电流。
6．根据权利要求5的方法，其中确定步骤包括在测量的束电流Im的基础上根据关系式Im=(Io)[1+(γ-1)(1-e-KP]计算修正的离子束电流Io的步骤，其中γ为与朝向工件的电子束一起移动的粒子的电荷状态的比值，P为离子源和靶室之间的结构包围的区域内气体的压力，K为束粒子气体作用的有效截面。
7．在离子注入机(11)内包括靶室(25)、离子源(12)以及由离开源的离子形成离子束(19)并使离子束撞击所述靶室内的一个或多个工件(16)的结构，控制注入到所述工件中的离子剂量的方法包括步骤：
a)在靶室(25)测量离子束的束密度；
b)考虑由组成束的离子和决定补偿离子束电流残余气体分子之间发生反应引起的离子束内(19)电荷电离和电荷中和，根据测量到的束强度计算束电流，所述调节步骤包括首先确定离子相对浓度的显示的子步骤，所述离子具有由离子束路径内在低气压和高气压的条件下气体分子反应造成的初始和不同的最终电荷状态，并附加包括确定在离子注入期间沿离子束路径朝向工件的束流位置处的气体分子压力的第二输入的第二子步骤，根据所述第一子步骤中确定的比值，确定所述测量气体分子压力的束电流；以及
c)在确定步骤期间在确定的离子束电流基础上控制注入剂量。
8．根据权利要求7的方法，其中第二子步骤包括在测量的束电流Im的基础上根据关系式Im=(Io)[1+(γ-1)(1-e-KP)]计算修正的离子束电流Io的步骤，其中γ为与朝向工件的电子束一起移动的粒子的电荷状态的比值，P为离子源和靶室之间的结构包围的区域内气体的压力，K为束粒子气体作用的有效截面。
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