CN1429397A - 离子注入机中的高效率扫描 - Google Patents

Abstract

离子注入装置包括用来产生离子束的离子束发生器、用来在第一方向上横越工件扫描离子束的扫描器、用来在第二方向上这样平移工件以使离子束分布在工件上的机械平移器、以及用来控制平移速度和射束扫描宽度以限制离子束离开工件的时间的控制器。在半导体晶片的情况下，在射束扫描宽度中平移速度是受控的，以便产生大体上圆形的扫描图案。

Description

离子注入机中的高效率扫描

相关的专利申请

这份申请要求在此通过引证并入的于2000年5月15日申请的临时专利申请第60/204,285号的权益。

本发明的技术领域

本发明涉及用于半导体晶片和其它工件的离子束扫描的系统和方法，更具体地说涉及用于高效率离子束扫描的系统和方法，其中过扫描受到限制而且剂量均匀一致得以实现。

本发明的现有技术

离子注入是用来把改变导电率的杂质引入半导体晶片的标准技术。所需要的杂质材料在离子源中被离子化，离子被加速成具有规定能量的离子束，而且离子束对准晶片的表面。射束中的高能离子深入半导体材料的主体并且嵌入半导体材料的晶格形成导电率符合需要的区域。

离子注入系统通常包括用来把气体或固体材料转化成定义明确的离子束的离子源。离子束经受质谱分析，以便除去不想要的离子种类，然后被加速到需要的能量并且被引导到靶平面上。大多数离子注入机都使用两个尺寸都比晶片小得多的离子束，并且通过用电子方法扫描离子束、或者用机械方法移动晶片或者通过射束扫描和晶片移动的组合使来自离子束的剂量分布在晶片上。利用电子束扫描和晶片机械移动的组合的离子注入机是在1990年5月1日授权给Berrian等人的美国专利第4,922,106号和1990年12月25日授权给Berrian等人的美国专利第4,980,562号中揭示的。这些专利描述在这样的系统中用于扫描和剂量测定控制的技术。在所揭示的系统中射束效率是受下述事实限制的，即离子束是按正方形图案扫描的而晶片是圆的。在扫描方面无效率是由离子束仅仅在一部分扫描时间里对准晶片这一事实引起的。效率还受到需要过扫描晶片以便到达法拉第射束传感器和使剂量在晶片边缘均匀一致的限制。

现有技术的扫描技术的另一个缺点是离子束在电子扫描之间可能被留在晶片一侧的某个固定位置持续可变的时间量，以便允许剂量通过改变射束花费在晶片上的时间量而被改变。这可能是一个问题，因为除了主射束之外还可能存在污染物射束。污染物射束遵循不同的路径通过离子光学镜片。如果当射束在其固定位置的时候污染物射束之一的路径落在晶片上，剂量的集中则由污染物射束在晶片上的那个点产生。这个问题在使用双极偏转扫描离子束的离子注入机中可能发生。

1986年12月30日授权给Tokoguchi等人的美国专利第4,633,138号揭示了一种离子注入机，其中射束扫描的宽度是为了接近晶片的形状而作为对宽度传感器的反应受到控制的。晶片速度是为了补偿起因于不同的扫描宽度的剂量变化而受到控制的。1981年4月7日授权给Bakker等人的美国专利第4,260,897号揭示了一种用于离子注入的技术，其中射束扫描是为了与目标的形状相匹配而受到控制的。在目标的每边上弯曲的传感器检测离子束并且开始扫描的掉转。1983年12月20日授权给Robertson等人的美国专利第4,421,988号揭示了一种用于离子束扫描的技术，其中扫描宽度是借助预定的扫描时间顺序与目标晶片的宽度相匹配的。

目前已知的扫描技术全都有一个或多个缺点，包括有限的效率和有限的适用性。例如，对于使用二维静电离子束扫描的离子注入机，这些技术可能受到限制。因此，需要有在离子注入机中用于高效率扫描的改进方法和装置。

本发明的概述

本发明涉及离子注入机，其中离子束在一个方向(通常是水平方向)上被电子扫描，而且晶片在第二方向(通常是垂直方向)上被机械平移，从而使离子束分布在晶片表面上。机械平移速度是这样变化的，以致晶片当射束横越在电子扫描方向上比较宽的晶片中心被扫描时行进得比较慢而在电子扫描方向上晶片比较窄的顶端和底部比较快。为了在避免由于扫描射束离开晶片造成的浪费离子束的同时维持晶片上的剂量一致，射束扫描宽度是与晶片平移协调地变化的。优选的是，电子扫描是这样的，以致离子束总是这样移动的，以致污染物被扫描并且不被集中在晶片中的一个点上。

依照本发明的第一方面，提供一种用于工件的离子注入的方法。该方法包括下述步骤：产生离子束、作为对定义射束扫描宽度的扫描波形的反应在第一方向上横越工件进行离子束扫描、相对于离子束在第二方向上以这样的平移速度平移工件以使离子束分布在工件上、以及控制平移速度和射束扫描宽度以限制离子束离开工件的时间。

依照本发明的另一方面，提供一种离子注入装置。该离子注入装置包括用来产生离子束的离子束发生器、用来作为对定义射束扫描宽度的扫描波形的反应在第一方向上横越工件扫描离子束的扫描器、用来相对于离子束在第二方向上以这样的平移速度平移工件以使离子束分布在工件上的机械平移器、以及用来控制平移速度和射束扫描宽度以限制离子束离开工件的时间的控制器。

附图简要说明

为了更好地理解本发明，涉及到一些被并入的参考附图，其中；

图1是适合实现本发明的离子注入机的俯视示意图；

图2是图1的离子注入机的侧视示意图；

图3A是依照本发明的实施方案作为垂直位置的函数的晶片平移速度的曲线图；

图3B是晶片上依照本发明的实施方案的扫描图案的示意图；

图4是就三角形的扫描波形而言在晶片上作为水平位置的函数的离子剂量的曲线图；

图5是就在扫描的末端附近减慢或停止的扫描波形而言在晶片上作为水平位置的函数的离子剂量的曲线图；

图6是依照本发明的实施方案扫描发生器的示意方框图。

本发明的详细描述

适合实现本发明的离子注入机的实施方案的简化方框图是在图1和图2中展示的。图1是俯视图，而图2是侧视图。图1和图2中同样的要素具有相同的参考数字。

离子束发生器10产生所需物种的离子束，把离子束中的离子加速到需要的能量，完成离子束的质谱/能谱分析以除去能量和质量污染物，以及供应具有低水平的能量和质量污染物的高能离子束12。包括扫描器20、角度修正器24和扫描发生器26的扫描系统16使离子束12偏斜，以产生经过扫描的具有平行的或几乎平行的离子轨道的离子束30。

终点站32包括在经过扫描的离子束30的路径中这样支撑半导体晶片34或其它工件以致所需物种的离子被注入半导体晶片34的工作台36。终点站32可以包括用来监测离子束剂量和剂量均匀性的法拉第杯38。

如图2所示，离子注入机包括用来在垂直方向上机械地移动工作台36和晶片34的机械平移系统40。机械平移系统40包括与工作台36机械耦合的平移驱动器42和用来感受工作台36的垂直位置的位置传感器44。系统控制器50接收来自法拉第杯38和位置传感器44的信号并且把控制信号提供给扫描发生器26和平移驱动器42。作为实例，系统控制器50可以是作为带适当的存储器和其它外围设备的通用的微处理器实现的。

离子束发生器10包括离子束源60、源过滤器62、加速/减速塔64和质谱仪70。源过滤器62优选被置于非常靠近离子束源60的位置。加速/减速塔64被置于源过滤器62和质谱仪70之间。质谱仪70包括偶极子分析磁铁72和有分辨孔76的掩模74。

可能作为静电扫描器的扫描器20使离子束12偏斜，以产生经过扫描的具有从扫描原点80开始发散的离子轨道的离子束。扫描器20可能包括接到扫描发生器26上的被隔开的扫描板。扫描发生器26施加用来依照在扫描板之间的电场扫描离子束的扫描电压波形，例如三角形的波形。离子束通常是在水平平面中扫描的。

角度修正器24是为了使经过扫描的离子束中的离子偏转以产生具有平行的离子轨道的经过扫描的离子束30而设计的，借此使经过扫描的离子束聚焦。具体地说，角度修正器可以包括为了定义间隙而被隔开的有磁性的磁极片和与电源耦合的磁铁线圈(未示出)。经过扫描的离子束通过磁极片之间的间隙并且按照间隙中的磁场发生偏转。磁场可以通过改变流经磁铁线圈的电流进行调整。

在操作中，扫描系统16在水平方向上横越晶片34扫描离子束12，而机械平移系统40相对于扫描离子束30垂直地平移工作台36和晶片34。离子束12的电子扫描和晶片34的机械平移的组合使离子束分布在晶片34的表面上。当工作台36处在被降低的位置的时候，用法拉第杯38测量离子束电流，而且把代表离子束电流的信号提供给系统控制器50。为了实现剂量一致，电子扫描速度可以随着射束的水平位置变化而变化。

现有技术的系统通常利用不变的射束扫描宽度和预定的晶片平移来产生正方形的扫描图案。正方形的扫描图案的尺寸包括足以保证在晶片的边缘剂量均匀一致的过扫描。既然晶片是圆的，除了用于任何刻痕或平面之外，正方形扫描图案的四角与晶片无关，因此是浪费的。

依照本发明的一个方面，为了提供大体上与晶片或其它工件的尺寸和形状相匹配的射束扫描图案，射束扫描宽度和平移速度都受到控制。在半导体晶片的情况下，扫描图案本质上是圆形的。

如图3B所示，本质上圆形的扫描图案100能够这样得以实现，即在晶片34的顶端和底部附近提供比较狭窄的扫描线102而在晶片34的中心附近提供比较宽的扫描线104，而且扫描线的宽度从晶片34的底部到中心然后从中心到顶端逐渐变化。

通常，电子扫描速度大体上是恒定不变的。如果晶片平移速度恒定不变而射束扫描宽度被减少，那么剂量的一致性受到不利的影响，因为离子束比较早地掉转方向，而且扫描线靠在一起。为了在维持剂量一致的同时实现圆形的扫描图案，垂直的平移速度随着射束位置在晶片上变化而变化，如同在图3A中作为实例展示的那样。因此，平移速度在晶片34的顶端和底部附近比较高的而在晶片34的中心附近比较低的。这实现了扫描线在晶片34的表面上几乎被均匀地隔开的扫描图案。具体地说，平移速度在射束扫描宽度比较窄的地方比较高，而且平移速度在射束扫描宽度比较宽的地方比较低。平移速度和射束扫描宽度是协调的，以便在晶片34上产生大体上圆形的扫描图案和产生剂量的一致性。

平移速度和射束扫描宽度能够以多种方式协调。在一个实施方案中，机械平移系统40每逢晶片34垂直地移动某个固定距离就把一个位置脉冲提供给系统控制器50。对于每个位置脉冲，系统控制器50都指令扫描发生器26横越晶片扫描一次离子束。在这个实施方案中，每个位置脉冲都引起离子束掉转扫描方向。这具有使扫描随着晶片移动加快变窄和随着晶片移动减慢变宽的效果。因此，通过用位置脉冲触发每条电子扫描线和改变平移速度，大体上圆形的扫描图案被获得。如图3A所示，当离子束入射在晶片的中央部分上的时候平移速度110就比较高，当离子束入射在晶片34的顶端和底部上的时候平移速度就比较低。除此之外，扫描线均匀地分布在晶片34上，而且剂量均匀一致被实现。通过用位置脉冲触发扫描方向的逆转，离子束总是在移动，而污染物射束所产生的剂量误差得以避免。

上述的扫描技术(其中电子束扫描是用位置脉冲触发的)本质上不保证扫描图案100保持在晶片之上居中。因此，为了保证居中，扫描掉转方向的位置可以被检查而且可以相对于位置脉冲进行调整。

为了保证在晶片边缘剂量均匀一致，离子束扫描图案通常包括过扫描。因此，射束在每个边缘可能完全离开晶片被扫描，从而导致在晶片的每个边缘都过扫描半个射束直径。这种方法产生可接受的一致性，但是由于射束离开晶片的时间而降低了效率。通过不在扫描的末端扫描完全离开晶片的离子束，能够获得额外的射束效率。在没有补偿的情况下，这种方法将会在晶片边缘引起剂量减少。被减少的剂量可以通过在晶片边缘或其附近简单地减慢或停止扫描以增加剂量而得以改正。这种方法仅仅在射束的中心越过晶片边缘被扫描的情况下起作用而且需要了解射束横截面的形状。沿着扫描方向在射束扫描宽度方面减少大约半个射束直径可以这样的方式获得。这种方法对于比较宽的离子束是最有用的。

在三角形的扫描波形的情况下典型的剂量分布是在图4中展示的。为了在晶片上产生均匀的剂量分布134，离子束是用三角形波形130越过晶片边缘132扫描的。在扫描边缘的剂量分布是射束形状的积分。由减慢或停止的扫描波形产生的剂量分布是在图5中展示的。扫描波形150在晶片上产生剂量分布154。包括停止射束的扫描波形产生形状与射束相同的剂量。等于其自己的积分的唯一函数是指数函数，所以射束只有当射束横截面具有指数衰减时才能被完全拉平。对于其它的射束形状，剂量分布得到改善，但是不能完全变成均匀一致的。

扫描发生器26(图2)的实现是在图6中展示的。系统控制器50控制离子束扫描。扫描波形可以是每段用斜率和终点定义的分段线性的曲线。定义波形的数据被储存在系统控制器50中的波形存储器中。系统控制器把斜率和终点的数值分别装载到数/模转换器(DAC)160和162之中。数/模转换器160的输出驱动积分器164。积分器164的输出和数/模转换器162的输出被供应给比较器170的输入端。当积分器164达到规定的终点的时候，比较器170把信号提供给系统控制器50。然后，系统控制器输出用于下一段波形的新的斜率和终点。积分器164的输出是作为扫描波形通过放大器166提供的。系统控制器50还接收来自机械平移系统40指出晶片34已移动等于需要的扫描线间隔的距离的脉冲。系统控制器50通过把新的斜率和终点分别提供给数-模转换器160和162掉转扫描方向。系统控制器50还为了使波形在晶片上居中而调整扫描逆转的时间安排。如上所述，系统控制器50能够为了减少必不可少的过扫描在晶片边缘或其附近进一步减慢或停止一段时间间隔的扫描。

尽管已经展示和描述了目前考虑到的本发明被较喜欢的优选实施方案，但是对于熟悉这项技术的人显然在不脱离权利要求书所定义的本发明的范围的情况下可以做出各种不同的变化和修正。

Claims (18)

1.一种用于工件的离子注入的方法，该方法包括下述步骤：

产生离子束；

作为对定义射束扫描宽度的扫描波形的反应在第一方向上横越工件扫描离子束；

相对于离子束在第二方向上以平移速度这样平移工件以致离子束分布在工件上；以及

控制平移速度和射束扫描宽度，以便限制离子束脱离工件的时间。

2.根据权利要求1的方法，其中工件包括半导体晶片，而平移速度和射束扫描宽度是为了产生本质上圆形的扫描图案而受控制的。

3.根据权利要求2的方法，其中平移速度是为了在离子束靠近晶片中心的时候产生比较慢的平移速度和在离子束靠近晶片的顶端和底部的时候产生比较快的平移速度而受控制的。

4.根据权利要求2的方法，其中射束扫描宽度是作为平移速度的反函数受到控制的。

5.根据权利要求2的方法，其中控制平移速度和射束扫描宽度的步骤包括在平移速度比较高的情况下减少射束扫描宽度和在平移速度比较低的情况下增加射束扫描宽度。

6.根据权利要求2的方法，其中控制平移速度和射束扫描宽度的步骤包括作为对机械平移系统所产生的位置脉冲的反应掉转离子束扫描。

7.根据权利要求6的方法，其中位置脉冲是机械平移系统每逢晶片在第二方向上被平移某个固定的距离时产生的。

8.根据权利要求6的方法，其中掉转离子束扫描的步骤进一步包括这样调整扫描反向的时间安排以致扫描图案在晶片上居中。

9.根据权利要求1的方法，其中为了保证剂量一致，离子束是脱离工件扫描的。

10.根据权利要求1的方法，其中扫描离子束的步骤进一步包括为了不扫描完全脱离晶片的离子束就实现剂量一致而在扫描的末端附近减慢或停止扫描。

11.根据权利要求2的方法，其中平移速度和射束扫描宽度是为了在半导体晶片表面上实现均匀一致的离子分布而受到控制的。

12.根据权利要求1的方法，其中平移速度和射束扫描宽度是这样控制的，以致扫描区域本质上不比工件大。

13.一种离子注入装置，该装置包括：

用来产生离子束的离子束发生器；

用来作为对定义射束扫描宽度的扫描波形的反应在第一方向上横越工件扫描离子束的扫描器；

用来相对于离子束在第二方向上以平移速度这样平移工件使离子束分布在工件上的机械平移器；以及

用来控制平移速度和射束扫描宽度以便限制离子束脱离工件的时间的控制器。

14.根据权利要求13的离子注入装置，其中工件包括半导体晶片，而平移速度和射束扫描宽度是为了产生本质上圆形的扫描图案而受到控制的。

15.根据权利要求13的离子注入装置，其中控制器包括用来当平移速度比较高的时候产生比较窄的射束扫描宽度而当平移速度比较低的时候产生比较宽的射束扫描宽度的装置。

16.根据权利要求14的离子注入装置，其中控制器包括用来作为对收到的来自机械平移器的位置脉冲的反应触发离子束扫描反向的装置。

17.离子注入装置根据权利要求16，其中控制器包括用来这样调整离子束扫描反向的时间安排使扫描图案本质上保持在晶片上居中的装置。

18.根据权利要求14的离子注入装置，其中控制器包括用来在扫描的末端附近减慢或停止离子束扫描以便在不扫描完全脱离晶片的离子束的情况下实现均匀一致的剂量分布的装置。

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