专利名称：与离子注入有关的改进的制作方法
技术领域：
本发明关于使用离子束在衬底中注入离子的方法以及与这种方法一起使用的离子注入机，其中离子束中可能存在不稳定性。本发明还关于产生离子束的离子源，离子源可以被快速切断。
背景技术：
离子注入机是公知的，并一般符合下述的普通设计。离子源从一种前体气体或类似的物质产生混合的离子束。通常仅仅需要某个特定的离子种类注入衬底，例如，注入半导体晶片的某种特定的掺杂物。利用质量分析磁铁与质量分辨狭缝(mass-resolving slit)从混合离子束选出所需的离子。这样，几乎只有所需离子种类的离子束通过质量分辨狭缝，然后被传输到处理室，在处理室内，离子束入射到衬底上，该衬底被衬底支架固定在离子束轨迹中的位置上。
用于注入的离子束的横截面面积常常比要注入的衬底的面积小。为了确保离子注入遍及整个衬底，使离子束和衬底彼此相对运动以便离子束扫描整个衬底表面。这可以通过下述方式实现(a)偏转离子束来扫过衬底，该衬底被固定在一个固定的位置，(b)机械地移动衬底，而保持离子束轨迹固定，或者(c)偏转离子束和移动衬底来实现。
一般一个接一个连续地进行衬底注入或者一次进行批量衬底注入对于顺序处理(serial processing)，离子束和衬底之间的相对运动得以实现，以使离子束通过来回地扫描整个衬底来描绘出(trace)衬底表面上的光栅图样以形成一系列平行、等间隔的扫描线；对于批处理，衬底被固定在旋转轮(rotating wheel)的轮辐上，以使离子束以一系列扫描线的形式扫描通过每个衬底，所述扫描线形成相邻的弧。
为了实现均匀的注入，在邻近的扫描线之间必须有足够重叠。换言之，如果相邻扫描线之间的间隔(相对于离子束的宽度断面图)太大，由提高的和降低的掺杂级引起的周期性条带会导致衬底“被条带化”。
如果入射到衬底上的离子束本身不是随时间均匀的，那么上述的预防措施就不能起到作用。遗憾的是，离子束的不稳定是不可避免的而且是由例如离子源区域的放电引起的。这些不稳定的结果是在离子束中产生“干扰”，在此情况下，通量经常会在短时间内显著下降。离子束通量的下降导致半导体晶片区域接收较低级的掺杂，这可能导致生产出有缺陷的半导体器件。更罕见地，在离子束通量中观察到快速的上升。同样，这产生可能导致缺陷器件的不正确的掺杂。
上述问题对于顺序处理的离子注入机尤为严重，这种注入机用机械扫描的衬底支座，如现在将解释的。为了生成光栅图样，衬底支座以往复运动的形式运动，并且有一个最大速度限制以生成光栅图样。迄今，此速度仍然远低于由可旋转的批处理衬底支座(batch substrateholder)能达到的扫描速度。快扫描速度要求离子束多次扫描衬底以实现所希望的掺杂在单次扫描过程中的离子束的任何不稳定导致小的残留掺杂错误(residual dosing error)，残留掺杂错误是由于后续的多次扫描造成的稀释(dilution)引起的。在顺序处理(serial processing)中不良效果更严重，在顺序处理中慢扫描速度导致需要更少的扫描次数来实现相同的掺杂。
离子束不稳定的问题先前已经解决了，参见White等人的文章“IonBeam Optics of a Single Wafer High Current Ion Implanter，Proceedings of the Eleventh International Conference on IonImplantation Technology，North Holland(1997)，pages 396-399”。但是，此公开是在使用带状束(即束宽度比衬底更宽的束，以便扫描只在垂直于束的宽度的方向上而不是在机械扫描中的二维方向上有效)的大电流(high-current)注入情况下做出的。扫描过程中，一旦检测到束不稳定，离子束对剩余的扫描关闭(gate off)。然后在相反的方向重复扫描，并且离子束在到达对应于已经检测到不稳定的位置时被再次关闭。
因此，需要一种方法解决离子束不稳定的问题，以便能够实现衬底的均匀掺杂，特别是对于使用的离子束尺寸比衬底小的系统，以及对于机械扫描注入的系统。
发明内容
根据第一个方面，本发明涉及一种使用离子束在衬底中注入离子的方法，所述离子束的横截面尺寸比所述衬底小，所述方法包括以下步骤(a)在所述衬底上没有所述离子束的情况下，产生一稳定的离子束；(b)通过引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动以使所述离子束沿着至少一条轨迹横扫过所述衬底来注入所述衬底；(c)在步骤(b)的过程中，监测所述离子束的不稳定性；(d)在检测到离子束不稳定时，随着所述相对运动继续离开所述轨迹的未注入部分，切断所述离子束；(e)当所述离子束在步骤(d)中被切断时，记录断开位置，该断开位置对应于所述离子束相对于所述衬底的位置；(f)再次产生稳定的离子束；和(g)通过引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，沿着所述轨迹的未注入部分继续注入所述衬底。
在检测到不稳定时，去除离子束是有利的，因为它停止注入并因此避免在衬底中产生不均匀注入区。
记录断开位置是有益的，因为它允许控制进一步的注入以确保衬底的均匀掺杂。当采取行动切断离子束时(例如，中断离子源的电源)可以记录断开位置。如果做到了这一点，快速切断离子束明显是有利的。在切断离子束时存在公知的等待时间，所述的断开位置可以被记录为采取行动切断离子束的位置加上对应于这个等待时间的距离。
可替代地，可以监测离子束通量，并且当离子束通量为0或者下降到阈值以下时，记录断开位置。显然，短语“当离子束被切断时，记录断开位置，该断开位置对应于所述离子束相对于所述衬底的位置”可以被解释为涵盖这些可能性。
此外，可以获得离子束的断面图(profile)以识别在束中心的运动的离子形状的任何变化。识别的任何变化可以通过调整束或者当束沿着所述轨迹时稍微地改变束的位置来修正。
相对运动可能形成平行延伸的一系列扫描线，并且可选地，这些扫描线可能形成光栅图样。
优选控制离子束和衬底之间的相对运动，以确保与轨迹的先前注入部分的掺杂相同。例如，如果离子束有与它被去除前相同的通量，应该使用相同的相对速度。如果确定了离子束通量中的差别，则可以调整相对速度以确保掺杂相同(也就是可以测量相对速度以响应离子束通量的增加)。
根据一个实施例，步骤(f)包括，在步骤(g)之前，在所述衬底上没有所述离子束的情况下，产生稳定的离子束；步骤(g)包括引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，以便所述离子束在相反的方向沿着所述轨迹运动，即与步骤(b)中的方向相反，并且当所述离子束通过所述断开位置时，切断所述离子束。
重新启动离开衬底的离子束，避免了注入中的不均匀，因为所述离子束调整为稳定的通量。此外，可以快速去除所述离子束，这样掺杂浓度突然下降。而且，当所述离子束到达所述断开位置时，切断所述离子束的确切时间可以被调整，以优化任何短拖尾(tailing-off)区域的重叠，所述离子束在短拖尾区域被去除。由于在相反的方向扫描所述离子束，所以所述拖尾区域的重叠相互补充以给出所希望的均匀性。
根据第二个实施例，步骤(g)进一步包括，在断开位置，在所述离子束在正向(forward direction)上横扫过所述轨迹的未注入部分之前，接通离子束，此正向与步骤(b)的方向相同。优选地，步骤(g)包括引起所述离子束和所述衬底在正向上，从一点沿着所述轨迹的相对运动，以便所述离子束在穿过所述断开位置时被接通。在启动所述离子束之后，有一段断时间，在此时间内，所述离子束通量增加到它的稳定值。可以确定这个行为，并且可以调整离子注入机的操作以确保拖尾区补充上升区(ramping-up)以给出均匀的掺杂，其中所述离子束在该拖尾区被去除，在该上升区被重新启动。离子束和衬底的相对速度的精确同步(exacttiming)可以被调整以提供均匀的掺杂。
通过在相反方向上扫描进行恢复(recovery)时，所述方法进一步包括在步骤(g)过程中重复步骤(c)、(d)和(e)，以使如果检测到第二个束不稳定，则所述轨迹的中央部分不被注入；并通过引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，以使所述离子束沿着所述轨迹的中央部分运动通过所述衬底来再次继续注入所述衬底。优选地，所述方法包括以下步骤沿着所述轨迹，在所述中央部分之外，开始所述相对运动；当第一次穿过断开位置时接通所述束，并且当穿过另一个断开位置时切断所述束。如可期望的，此掺杂可以在任一方向上进行。
从第二个方面，本发明涉及一种在衬底中注入离子的方法，所述衬底固定在可以沿着第一平移轴双向运动的衬底支座上，所述方法包括以下步骤(a)在离子束离开所述衬底的情况下，沿着所述第一轴，在邻近所述衬底的起始位置，产生横截面小于所述衬底的稳定的离子束；(b)通过沿着所述第一轴移动所述衬底支座，以便所述离子束沿着第一扫描线横扫过所述衬底并继续直到离开所述衬底，进行所述衬底注入；(c)引起所述离子束和所述衬底支座之间沿着第二条轴的相对运动；(d)重复步骤(b)和(c)以注入穿过所述衬底的一系列扫描线；(e)在步骤(b)的注入过程中监测所述离子束，并根据步骤(d)重复；(f)一旦检测到离子束不稳定时，切断所述离子束，随着所述相对运动继续以离开所述扫描线的未注入部分；(g)记录断开位置，该断开位置对应于当所述离子束在步骤(f)被切断时所述衬底支座的位置；(h)再次产生稳定的离子束；(i)通过沿着所述第一轴移动所述衬底支座以使所述离子束扫描越过所述扫描线的未注入部分，以完成所述扫描线的注入；和(j)通过重复步骤(b)和(c)以完成穿过所述衬底的所述一系列扫描线来完成所述衬底的注入。
沿着所述第一轴的移动可能形成一系列平行延伸的扫描线，并且可选地，所述扫描线可能形成光栅图样。所述移动可能沿着所述第一轴的一个方向或者两个方向。
步骤(c)优选包括，沿着第二平移轴，相对于固定的离子束，平移所述衬底支座，第一轴和第二轴是垂直的。可替代地，所述离子束可以沿着这样的第二轴被偏转。
从第三个方面，本发明涉及一种离子注入机控制器，该控制器可用于产生注入到衬底中的离子束的离子注入机，所述控制器包括离子束切换装置，其可用于引起离子束的接通和断开；扫描装置，其可用于引起离子束和衬底之间的相对运动，以使所述离子束沿着至少一条轨迹横扫过所述衬底；离子束监测装置，可用于在所述相对运动过程中，从其中接收表示离子束通量的信号和检测离子束中的不稳定；和指示(indexing)装置，可用于确定在所述相对运动过程中所述离子束相对于所述衬底的位置；其中设置所述控制器以便离子束切换装置可用于在所述相对运动的过程中，当离子束监测装置检测到离子束中的不稳定时，使离子束切断以离开所述轨迹的未注入部分；指示装置记录当离子束被切断时离子束相对于衬底的断开位置；离子束切换装置可用于再次接通离子束；和扫描装置，可用于引起离子束和衬底之间的相对运动以使所述离子束沿着所述轨迹的未注入部分横扫过所述衬底。
所述离子注入机控制器可能以硬件或者软件形式具体化，也就是所述控制器的部件可以电子地实现或者使用计算机或类似设备上提供的软件实现。实际上，在某些部件基于电子组件而其他部件基于软件的地方，可以遵循部分硬件和部分软件的实现。
沿着所述第一轴的移动可能形成一系列平行延伸的扫描线，可选地，所述扫描线形成光栅图样。所述移动可能沿着所述第一轴的一个方向或者两个方向。
从第四个方面，本发明涉及一种使用离子束进行衬底注入的离子注入机，其中包括上面描述的控制器。
从第五个方面，本发明涉及一种用于离子注入机的离子源，其包括阴极、阳极、用于相对于阴极偏置阳极的偏置装置、第一开关、通过串联的偏置装置和开关连接阳极和阴极的第一电气路径，其中第一开关可用于连通或者断开第一电气路径。这个简单的装置快速地隔离偏置装置，否则该偏置装置相对于阴极偏置阳极。因此，当检测到不稳定时，离子束才可能被快速地去除。
可选地，所述离子源进一步包括连接阳极和阴极的第二导体路径，其至少部分平行延伸穿过所述偏置装置，该部分包括第二开关，其可用于连通或者断开第二电气路径。优选地，第一开关可用于响应第一二元切换信号，而第二开关可用于响应第二二元切换信号，第二二元切换信号是第一二元切换信号的补充。这使方便地切换阳极电势以相对于阴极偏置或者处于与阴极电势相同成为可能。当存在电势差时，就产生离子束；当不存在电势差时，就没有离子束。
优选地，第一开关和/或任何第二开关是功率半导体开关，因为这允许特别快速切换，并且因此特别快速地停止或者产生离子束。
本发明还扩展到包括以上描述的离子源的离子注入机和切换这种离子源的方法，该方法包括操作第一开关以中断第一电气路径来响应在由所述离子源产生的离子束中检测到不稳定。
这个方法还伴随保持或者增加供应给阴极的功率的步骤。例如，所述离子源可能包括间接加热的阴极和三个电源灯丝电源(用于阴极的灯丝)、偏置电源(bias supply，用于在间接加热的阴极内加偏压)和电弧电源(用于相对于阴极偏置阳极)。由灯丝电源和偏置电源供应的功率可能被保持或者增加以在操作第一开关之前，与电弧电源的功率。这是为了当电弧放电停止时，最小化离子源中的任何冷却，并且特别是在阴极里。间接加热的阴极包括在端盖(end cap)之前的灯丝。增加由灯丝电源供应的功率生成了更多的加速到端盖中的电子，而增加由偏置电源供应的功率增加了电子撞击端盖的能量在任一种情况下，阴极利用来自电子的更多热量补偿否则将由电弧提供的热量。
本发明的其他优选特征在所附的权利要求中阐明。
现在将参考附图描述本发明的示例，其中图1是一种离子注入机的示意图，其具有用于顺序处理晶片的晶片支座；图2是在离子注入机中使用的离子源的简化表示，其显示用于偏置离子源不同部分的电源单元；图3显示穿过在顺序处理中采用的晶片的离子束光栅扫描；图4a到4d显示根据本发明的第一个实施例的离子束扫描方案，其用于在离子注入过程中检测到离子束中的干扰时；图5a到5d对应于图4a到4d，但用于本发明的第二个实施例；图6a到6d对应于图4a到4d，但显示在同一扫描线中离子束中有两个干扰的情况；
图7是包括回流电流监测器(return current monitor)的第一个实施例的离子注入机示意图；图8是包括回流电流监测器的第二个实施例的离子注入机示意图；和图9对应于图2，但显示电弧电源单元装置的一种改进。
具体实施例图1显示包括离子束源22比如弗里曼离子源(Freeman ion source)或者伯纳斯离子源(Bernas ion source)的典型离子注入机20，该离子源被供应前体气体(pre-cursor gas)用于产生注入到晶片中的离子束23。在离子源22中产生的离子被抽取电极装置(extraction electrodeassembly)抽取。飞行管(flight tube)24是和离子源22电绝缘的，并且由高压电源26供应它们之间的电势差。
这个电势差导致带正电的离子从离子源22被抽取到飞行管24中。飞行管24包括质量分析装置，该质量分析装置包括质量分析磁铁28和质量分辨狭缝32。在进入到飞行管24内的质量分析装置时，带电离子被质量分析磁铁28的磁场偏转。通过恒磁场，每个离子的飞行路径的半径和曲率由单个离子的荷质比确定。
质量分辨狭缝32确保只有具有选择的荷质比的离子从质量分析装置射出。事实上，与图1的装置相比，离子源22和质量分析磁铁28旋转了90°，所以离子束23最初会垂直于纸平面运动。离子束23然后被质量分析磁铁28转向以沿着纸面运动。通过质量分辨狭缝32的离子进入管34，管34电连接到飞行管24并且与飞行管24是一体的。经过质量选择(mass-selected)的离子以离子束23的形式从管34射出并撞击安装在晶片支座38上的半导体晶片36。截流器(beamstop)40位于晶片支座38后面，以在离子束23没有入射到晶片36或者晶片支座38时拦截离子束23。晶片支座38是顺序处理晶片支座38，因此只支撑单个晶片36。晶片支座38可沿着X轴和Y轴移动，离子束23的方向定义笛卡尔坐标系统的Z轴。如图1中看到的，X轴平行于纸平面延伸，而Y轴在进出纸平面的方向延伸。
为了保持离子束流(ion beam current)在可接受的水平，由稳定的高压电源26设定离子抽取能量由于这个电源26，飞行管24相对于离子源22的电势为负电势。离子被保持在这个能量通过飞行管24直到它们从管34射出。通常希望离子撞击晶片36的能量要比抽取能量低得多。在这种情况下，必须在晶片36和飞行管24之间施加反向偏压(biasvoltage)。晶片支座38和截流器40包含在处理室42内，处理室42通过绝缘支座44相对于飞行管24安装。晶片支座38和截流器40都通过减速电源46被连接到飞行管24。晶片支座38和截流器40被保持在共同的接地电位，以便为了使带正电的离子减速，减速电源46在飞行管24产生相对于接地的晶片支座38和截流器40的负电势。
在某些情况下，希望在注入到晶片36之前加速离子。这通过反转电源46的极性可容易地实现。在其他情况下，离子从飞行管24漂移(drift)到晶片36，也就是，不加速和减速。这可以通过提供转换的电流通路以把电源46短路来实现。
现在参照图2，图中显示了典型的离子源22和与其相关联的电源单元。离子源22包括由室壁50包围的离子源室48。通过从位于离子源室48内的阴极52发射电子和偏置(bias)室壁50形成阳极，在等离子区中产生离子。在这个离子源22，使用间接加热的阴极52。
间接加热的阴极52包括由灯丝电源单元56供应的灯丝54。灯丝电源56提供足够大的电流以使从灯丝54发射热电子。间接加热的阴极52还包括围住灯丝54的管58，其连接通过偏电源单元60，以便管58的电势相对于灯丝54为正。这确保由灯丝54发射的电子被吸引和加速到管58的端盖中。电子的撞击加热了管58的端盖，以使它发射电子到离子源室48中。
室壁50通过连接到电弧电源单元62而被保持在相对于管58的正电势。据此，从管58发射的电子被吸引到室壁50。事实上，通过使用一对相关联的电磁线圈(没有显示)产生穿过离子源22的磁场，约束从阴极52发射的电子的运动。产生的磁场可以使阴极52发射的电子循着螺旋路径向离子源室48远端运动。
位于这个远端的是也连接到偏置电源60的辅助阴极(counter-cathode)64，使得辅助阴极64处在与间接加热的阴极52的管58相同的电势。据此，接近辅助阴极64的电子被弹回以便于它们在相反的方向沿着螺旋路径运动回去。这增加了电子和充满离子源室48的前体气体相互作用的机会，因此产生更多的离子，这些离子可能通过室壁50里提供的孔66被抽取以形成离子束23。
如前面描述的，晶片支座38可以沿着X轴和Y轴移动。晶片支座38的移动被控制以便于固定的离子束23根据图3所示的光栅图样68扫描穿过晶片36。虽然相对于固定的离子束23扫描晶片36，但图3的光栅图样68相当于在固定的晶片36上被扫描的离子束23(并且这个方法实际上用在某些离子注入机中)。由于想象扫描离子束23更直观，所以以下的描述将遵循这个惯例，虽然实际上离子束23是不动的，而是晶片在被驱动扫描。
离子束23被扫描过晶片，以形成平行的间隔扫描线70的光栅图样。这是通过沿着X轴方向向前扫描离子束23以形成第一扫描线70直到该离子束再次离开(is clear of)晶片36，沿着Y轴方向向上移动离子束23，如72所示的，沿着X轴方向向后扫描离子束23直到再次扫过晶片36，沿着Y轴方向72向上移动离子束23，直到整个晶片36都被离子束23扫过。
在离子束23扫描穿过晶片36的过程中，测量离子束流以便可以检测到离子束通量中的任何干扰(glitch)。离子束流如何被测量以及对应于干扰的条件将在后面进行详细描述。由于扫描是以受控的方式，通过移动晶片支座38进行的，所以在任何时候都知道离子束23相对于晶片36的位置。因此，在检测到干扰时或者离子束23关闭时，可以确定离子束23在晶片36上的位置。
图4a显示了注入过程中，形成的光栅扫描68的初始阶段。在晶片36上已经形成了7个完整的光栅扫描线70。但是，在第8条扫描线74期间，检测到离子束23中的干扰。离子注入机20通过尽可能快地去除离子束23来响应检测到的干扰。去除离子束23导致离子束23在图4a所示的位置76被切断，并且这个位置被适时地记录为关于晶片支座38的已知位置的“断开”位置。
当离子束23被去除时和去除之后，晶片支座38的移动继续沿着扫描线，以便假定离子束23仍然处于接通状态时，其会在正向循着当前扫描线的余下部分运动并超过晶片36的远侧端位置79(这个移动在图4b中由虚线78显示)。在图4到图6，实线表示在离子束23接通时晶片支座38的移动，而虚线表示离子束23切断时晶片支座38的移动。
在这个位置79，离子束23被再次接通并被监测以检测何时已经达到稳定。一旦确认到一个稳定的离子束23时，晶片支座38再次移动以便它循着当前的扫描线，但是是在相反的方向，如实线80所示。图4c显示线78和80为了清晰显示而互相偏移开事实上，离子束23(不管断开还是接通)的轨迹通常与相同的扫描线74重合。据此，当前扫描线74的余下部分被注入。为确保跨越整个扫描线74的均匀注入，在“断开”位置76同样快速去除离子束23，其中在此断开位置处是因为检测到干扰后去除离子束23的。这显示在图4c中，在到达“断开”位置76时，晶片支座38在相反的方向沿着扫描线70继续移动，以便于假定离子束23仍然处于接通状态时，其会扫描穿过晶片36以在邻近晶片36的边缘的位置83结束(该移动由虚线82表示)。
离子束23在83再次重新启动，一旦确认到一个稳定的离子束23时，进行光栅扫描68的余下部分，如图4d所示。以这种方式，实现了穿过整个晶片36的均匀注入。
当离子束23将入射到晶片36上时，重新启动它是不可取的，因为这将在那个点再次注入。此外，当离子束23将入射到晶片支座38上时，重新启动它是不可取的，因为这可能产生污染。当晶片支座38沿着X轴临近晶片36延伸时可能就是这种情况，因而仅仅沿着X轴移动可能不足以确保离子束完全离开晶片支座38。据此，在已经循着扫描线70移动之后，其中在检测到干扰后切断了离子束23，在重新启动离子束23之前，晶片支座38沿着Y轴方向被移动，否则离子束23会撞击晶片支座38。一旦获得稳定的离子束23，就沿着Y轴方向向回移动晶片支座38，并且沿着扫描线70进行下一次移动。
图5a到5d显示了从离子束23的干扰中恢复的可替代的方法。假设与关于图4a描述的启动条件相同，并且这些反映在图5a中，其中离子束23在沿着扫描线74的向前运动过程中，在所显示的“断开”位置76被去除。
除了去除离子束23，晶片支座38的移动被停止，然后反向，以便于假定离子束23仍然是接通的条件下，其会循着当前的扫描线74，但是是在相反的方向运动，直到在79处完全离开晶片36。这个移动在图5b中由虚线84表示。
再次启动晶片支座38的移动，并且离子束23仍然是断开的，以便离子束23会在虚线86表示的正向循着当前扫描线74运动。当到达“断开”位置76时，快速接通离子束23，同时晶片支座38的移动继续以完成当前的扫描线70。这由图5c中在83处结束的实线88表示，并使所述的扫描线74被均匀注入。如图5d所示，可以继续扫描以完成光栅扫描68，并因此实现整个晶片36的均匀注入。
图4a到4d的方法优于图5a到5d的方法。这是因为去除离子束23比接通它快，并且在离子束23稳定(settle)时，接通离子束23不可避免地产生不均匀的注入。
当然，在沿着扫描线74进行第二次通过80、88扫描的过程中，存在可能发生另一个束不稳定的可能性，其中在扫描线74处先前的干扰正在被修复。假设这发生在参考图5a到5d描述的方法中，可以通过一次又一次地重复相同的方法来容易地克服。特别是，晶片支座38能够沿84被平移回当前扫描线70的起始位置79，晶片支座38沿着当前扫描线70移动84，并且当离子束23到达先前的“断开”位置76时，被快速地接通。以这种方式，整个扫描线70在相同方向被许多次连续的扫描注入。
明显地，这个状况不同于参考图4a到4d已经描述的方法。采用从两个干扰恢复的混合方法，现在将参考图6a到6d描述该方法。图6a对应于图4b，因此描述了已经检测到离子束23干扰的情况，离子束23在76被切断并且晶片支座38已经被移动，以便假定离子束23被接通的情况下，它会沿着线78移动以在晶片的边缘在79处结束。
图6b显示了恢复操作的开始，其中离子束23在79处接通，并且一旦确认得到稳定的离子束23时，移动晶片支座38以便沿着当前扫描线74在80所示的相反方向进行注入。但是，在图6b显示的点90检测到另一个干扰，并且离子束23被切断并记录第二个“断开”位置90。
当晶片支座38的平移继续时去除离子束23，以便假定离子束23仍然被接通的情况下，它会沿着相反的方向循着当前扫描线70到达晶片36的远端83(移动由虚线92表示)。晶片支座38的移动然后被反向以在正向循着当前的扫描线70并沿着当前扫描线70的整个长度继续。在这个移动过程中，如94所示，离子束23初始是断开的，当到达第一个“断开”位置76，离子束23被接通以形成线96，然后当到达第二个“断开”位置90时离子束23被断开以继续运动，如虚线98所示。
据此，当前扫描线70的剩余中央部分被注入，并因此形成具有均匀注入的完全扫描线70。和前面一样，可以使用图6d所示的标准光栅图样68注入晶片36的剩余部分。因为从第二个离子干扰恢复依赖于重新启动离子束23的较差方法，同时离子束23扫描穿过晶片36，因此当在位置79，第一次重新启动离子束23时，检查离子束23的稳定性是重要的。显然，最好避免需要在单条扫描线74中从两个干扰恢复。
为了确定束干扰何时发生，通过使用回流电流监测器来连续监控离子束流。现在将参考图7描述这个装置。
如前面提到的，在通常的操作中，减速电源46产生相对于接地的晶片支座38和截流器40的负电势，以减速从管34射出的带正电离子。为了使减速电源46保持晶片支座38/截流器40和飞行管24之间的稳定电压，重要的是确保正向电流(forward current)流过减速电源46以补偿流过飞行管24和晶片支座38/截流器40之间的带正电离子。这是通过连接与电源46平行的减速电源负载电阻122实现的。
为了冷却束线(beam line)中的装置和离子注入机20的离子源区域，需要来自位于地电势的热交换器的闭合冷却水流。该水流和返回管道必须穿过后置质量(post mass)加速或减速电压差(voltage gap)。水是微导电的并且部分从晶片36产生的回流电流(return current)通过这些管道。这表示另一个和减速电源46平行的有效负载电阻。虽然通过用于冷却晶片支座38(通常被除去离子)的水的电流一般是可以忽略的，但通过冷却管道的回流电流(return current)没有必要是可忽略的。例如，当使用高后置质量加速或减速电压时，可能出现几(毫安)mA的冷却水电流。顾及这一点，图7显示和减速电源负载电阻122与减速电源46平行放置的冷却系统电阻124。图7还显示了开关125，其允许当以‘漂移’模式操作时减速电源46被短路。
流过减速电源负载电阻122的电流然后将会是通过减速电源的正向电流IDECEL和被晶片36与截流器40吸收的净电流IBEAM之和减去小的冷却系统水电流。
截流器40的输出由产生代表截流器电流的电压信号的第一电流监测器126监控。这个电压信号被连接到比较器128的一个输入，如下面将要描述的。离子注入机20还包含安置在总电流(束电流和减速电流之和)路径中的第二电流监测器130，当它返回飞行管24。第二电流监测器130也产生表示返回飞行管24的总电流的电压信号VTOTAL。在一个实施例中，可以直接测量信号VTOTAL而不将它与截流器电流进行比较。
可替代地，信号VTOTAL被送入比较器128的第二个输入。因此比较器128产生代表截流器电流IBEAMSTOP和返回到飞行管24的总电流ITOTAL之差的输出电压VDIFF。
这个装置在我们的No.6608316号美国申请中有更详细的描述，这个申请整个在此作为参考并入。简单地说，电流监测器126的电压输出连接到实现比较器128的功能的差分放大器。来自晶片支座38与截流器40的总电流通过减速电源46、减速电源负载电阻122和任何冷却系统124。总电流ITOTAL被送入第二个电流监测器130，电流监测器130以类似于第一个电流监测器126的方式工作。
监测返回到飞行管24的总电流而不是返回截流器40或者以及返回截流器40的总电流的好处是当它影响晶片支座38/截流器40部件时，它广泛地表示为在那个点的离子束流。例如，离子源22中的任何电弧将表明它自己是离子束23中的干扰。这然后又可能通过监测ITOTAL被监测到。在注入周期的任何时间，可能获得离子束完整性的量化表示，因为这是本发明的这个方法要求的。特别是，电流监测器130的输出的电压信号允许离子束23的宽带稳定性监测(wide band stability monitoring)。
图7所示的装置特别适用于晶片36的批处理，因为截流器40测量的电流中的波动问题被很大程度上避免了。由于当离子束23正在撞击晶片36时产生的返流电子，ITOTAL是稍微不正常的。对于带正电离子，从晶片36释放的某些电子在离子减速过程中被加速离开，因此增加了返回到飞行管24的电流。截流器40有效地捕获二次电子，但是当晶片支座38不堵塞离子束23时，就没有返流电子来增大电流。当离子束23整个入射到截流器40上时，截流器电流实际等于返回飞行管24的电流束，也就是IBEAMSTOP＝ITOTAL。因此，比较器128的差分输出在这种情况下约为0，因此能够被用于区分由电流截流器测量确定的测量的束电流和入射到晶片36上的电流相反。
图8显示一个入射离子束23电流测量装置的替代实施例。许多部件对应于图7中所示的那些部件，因此用对应的附图标记标识。
如图8所示，不是使用减速离子电源46，而是将一个可变电阻132放置在电流路径中，该路径从晶片支座38和截流器40返回离子束流到飞行管24。虽然可变电阻132可能由无源器件组成，更优选的是使用一系列有源器件比如场效应晶体管(FET)。图8装置的工作方式在上面提到的美国专利No.6608316和英国专利申请No.9523982.8中有更详细的描述。
简要地说，晶片支座38/截流器40(通常保持在接地电位)和飞行管24之间的电势差通过变化晶片支座38/截流器40(在接地电位)和飞行管24之间串联的FET链的电阻来控制。这是通过测量穿过FET链的电压来完成的，并且分压器使用差分放大器缓冲该电压和将该电压与参考电压(VREF)进行比较。由分压器测量的错误信号(也就是所希望的加速电势和有效减速电势之间的放大差)被用于调整FET链的有效电阻。
穿过FET链的电势下降VTOTAL是返回飞行管24的总电流的表示。在一个实施例中，这被输入到可以是差分放大器的比较器128。比较器128的另一个输入是代表截流器电流的电压。这是从截流器电流监测器126得来的。比较器128的输出类似于已经参考图7描述的输出。有了图7中显示的装置，可能直接测量电压信号VTOTAL而不是与截流器电流信号比较。
离子束23电流的连续测量被用于确定是否已经发生束干扰。监视连续束电流的快速变化而不是缓慢变化以指出束干扰。这是因为离子束电流中的缓慢变化频繁发生并且可能是由于象离子束23的残留气体中性状态这样的机制造成的。可以设置变化率的阈值并且这可能由任何特定的离子注入方法规定。
不满足缓慢变化标准的任何事件被假设是指出变化的不稳定性在某个大小之上。
量化离子束电流中的变化是使用和平均离子束电流值的比较来进行的。这个平均值是通过一旦已经获得稳定的离子束，就取许多离子束电流读数获得的，例如通过使用总电流的滚动平均值，该值是通过在50(毫秒)ms到200ms的时间常量测量总电流ITOTAL获得的。显然，这个方法开始不能使用，所以预置平均值被用作初始启动条件。确定了平均值，可使用上下阈值测试离子束流中的任何变化。相对于平均离子束流测量阈值，并且它们可能偏离那个平均值不同的量。例如，这个偏移量可能对应于下降50％。阈值通常是针对特定的注入方法的。或者把每个单个离子束流测量和阈值比较，或者在和阈值比较前少量的连续测量自己平均(例如在1(毫秒)ms的短时间常量测量ITOTAL)。可能增加的另一个条件是在切断离子束之前连续的读数(例如十个)应该超过阈值。
如前面描述的，检测到离子束干扰导致离子束23被切断。这可以通过许多方法实现，虽然实现离子束23的快速去除是显然有利的。至此，离子束23已经通过中断到电弧电源单元62的功率输入被去除。现在描述快得多的去除离子束23的一个替代方法。
图9显示与图2显示的类似的离子源22，因此相同的标号用于相同的部件。此外，在描述中会避免重复的描述。对比图2查看图9，显示围绕电弧电源单元62的电路已经被修改以包括一对功率半导体开关134a、134b。功率半导体开关134a、b允许快速切换，通常切换时间小于20(毫秒)ms。
功率半导体开关134a、134b被提供从图9的136表示的公用线得到的命令信号。可以看到这条线136分为两路，一部分136a提供给第一开关134a，信号的另一部分136b通过非门138提供给第二开关134b。这确保开关对134a、134b是以互相排斥方式工作的，也就是当第二开关134b关时，第一开关134a是开的，反之亦然。在图9所示的装置中，第一开关134a是关的而第二开关134b是开的，以便离子源22被电弧电源62偏置(is biased)以确保阳极50和阴极52之间的电势差。这确保了离子生成，并因此提供用于注入晶片36的离子束23。
反转线136上的信号倒置了两个开关134a、b，以便第一开关134a是开的而第二开关134b是关的。这隔离了电弧电源62以直接连接室壁50到间接加热的阴极52的管58。这导致阳极50和阴极52之间的电势差为零，引起等离子体的立即崩塌和离子束23的立即消失。
在这个方法中，等离子体的崩塌将导致离子源室38冷却。从冷却状态重新启动离子源22将延长离子束23的调整到先前稳定的通量值的稳定时间。这可以通过使用偏置电源60提高传递到灯丝54的功率或者提高通过灯丝54和管58的功率来避免。
再次反转线136上的信号导致快速生成离子束23，因为两个开关134a、b被倒置，以使阳极50相对于阴极52偏置并且离子源22产生离子。这通过保持室48是热的得以实现，如以上描述的。
正如技术人员将意识到的，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可以对以上描述的实施例进行修改。
扫描方案的示例显示在图4到图6中，但这些仅仅是示例并且本发明可以使用其他的方案。显然本发明可能适合于沿着一条或多条预定的轨迹相对于衬底扫描离子束23的任何方案。轨迹可以是线性的、弓形的或者遵循其他的形状。例如，在离子束遵循围绕晶片的螺旋轨迹的情况下，可以使用螺旋扫描。如果使用光栅扫描，那么扫描线不需要是平行的，例如离子束可以遵循“Z”字形图样。在沿着轨迹的移动可能被往复的情况，可以使用图4和5说明的方法。在移动可能不往复的情况，可以使用图5说明的方法。
本发明也可和不同的整体扫描方案一起使用。例如，本发明可和交错的一系列光栅扫描68一起使用，也就是只有某些扫描线70允许一次扫描，其他漏掉的扫描线在下一次扫描被注入。例如，第一遍可能注入图4A的第一、第五、第九……扫描线70，第二遍可能注入第二、第六、第十……扫描线70，第三遍可能注入第三、第七、第十一……扫描线70和第四、第八、第十二……扫描线70。晶片36在每遍扫描之间可能旋转180°。可替代地，一系列光栅扫描68可能遵循相同的图样进行晶片在多遍扫描之间可能旋转(假如90°或者其他角度)以使每个光栅图样68与另一个图样68成一定角度。
本发明的上述实施例都用于使用光栅扫描68的晶片36的顺序处理的背景下。如前面提到的，可以通过以下方式实现(a)相对于固定的离子束23平移晶片36，(b)偏转离子束23穿过固定的晶片36，或者(c)用平移晶片36和偏转离子束23的混合方法。另外，本发明可用于晶片36的批处理，其中离子束23沿着多条扫描线70扫描通过每个晶片。例如，本发明可以用于包含辐条轮晶片支座(也就是多个晶片被固定在多个从中央轮轴伸出的轮辐上)的批处理注入机(batch implanter)。
上面给出的确定离子束23电流的方法仅仅是一个例子。离子束23电流也可以通过监测离子线电源(例如，预加速电源、透镜电压电源(lensvoltage power supply)、减速电源)，监测从卡盘流到地的电流，或者通过使用电流夹方法来确定。电流夹方法包括把螺线管放在一部分离子束轨迹23的周围。离子束流中的任何变化将使流过螺线管的电流发生变化。因此离子束干扰可以通过测量流过螺线管的电流来检测。
图9所示的装置特别适合去除和启动离子束23，因为它的快速切换速度。但是，它只是接通和断开离子束23的方法之一。其他的可能包括改变预加速电压、改变抽取电压、改变质量分析装置中的磁场或者关闭质量分辨狭缝。
图9显示具有间接加热的阴极52的离子源22。离子源22不需要使用间接加热的阴极52，并且取而代之的可以是单个灯丝54的设计。在这个设计中，灯丝54被用作阴极52以直接发射电子进入离子源室48，并且经常直接位于电子反射器的前面，电子反射器(electron reflector)被偏置以确保电子从灯丝54加速离开。在这个装置中，只需要一个电源单元以供应电流到灯丝54，也就是图9的灯丝电源56和偏置电源60由单个电源62取代，该电源给灯丝54提供电流。再次使用电弧电源单元以产生阳极50和阴极52之间的电势差。可替代地，可以使用弗里曼型的阴极。
权利要求
1.一种使用离子束在衬底中注入离子的方法，所述离子束的横截面面积小于所述衬底，所述方法包括以下步骤(a)在所述衬底没有所述离子束的情况下，产生一稳定的离子束；(b)通过引起所述离子束与所述衬底之间的相对运动，以使所述离子束沿着至少一条轨迹横扫过所述衬底，以对所述衬底进行离子注入；(c)在步骤(b)的过程中，监测所述离子束的不稳定；(d)在检测到所述离子束不稳定时，切断所述离子束，而所述相对运动继续进行以离开所述轨迹的未注入部分；(e)当所述离子束在步骤(d)中被切断时，记录断开位置，该断开位置对应于所述离子束相对于所述衬底的位置；(f)再次产生稳定的离子束；和(g)通过引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，沿着所述轨迹的未注入部分继续对所述衬底进行注入。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(f)包括，在步骤(g)之前，在所述衬底上没有所述离子束的情况下，产生稳定的离子束；步骤(g)包括引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，以便所述离子束在相反的方向沿着所述轨迹运动，即与步骤(b)中的方向相反，并且当所述离子束通过所述断开位置时，切断所述离子束。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(g)包括在所述离子束在正向横扫过所述轨迹的未注入部分之前，在所述断开位置，接通所述离子束，所述正向和步骤(b)的方向相同。
4.如权利要求3所述的方法，其中步骤(g)包括引起所述离子束和所述衬底在正向从一点沿着所述轨迹的相对运动，以便所述离子束在所述相对运动过程中，在穿过所述断开位置时被接通。
5.如权利要求2所述的方法，进一步包括在步骤(g)进行的过程中，重复步骤(c)、(d)和(e)，以便如果检测到第二个束不稳定，则不对所述轨迹的中央部分进行注入；并通过引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，以使所述离子束沿着所述轨迹的中央部分，运动穿过所述衬底，以对所述衬底进行再次注入。
6.如权利要求5所述的方法，包括以下步骤在所述中央部分之外沿着所述轨迹，开始所述相对运动；当第一次穿过断开位置时，接通所述离子束；并且当穿过另一个断开位置时，切断所述离子束。
7.如前面任何权利要求之一所述的方法，其中步骤(c)包括监测返回电流。
8.一种在衬底中注入离子的方法，所述衬底固定在可以沿着第一平移轴双向移动的衬底支座上，所述方法包括以下步骤(a)在离子束离开所述衬底的情况下，沿着所述第一轴，在邻近所述衬底的起始位置，产生横截面小于所述衬底的稳定的离子束；(b)通过沿着所述第一轴移动所述衬底支座，以便所述离子束沿着第一扫描线横扫过所述衬底并继续直到离开所述衬底，进行所述衬底注入；(c)引起所述离子束和所述衬底支座之间沿着第二条轴的相对运动；(d)重复步骤(b)和(c)以注入穿过所述衬底的一系列扫描线；(e)在步骤(b)的注入过程中监测所述离子束，并根据步骤(d)重复；(f)一旦检测到离子束不稳定时，切断所述离子束，随着所述相对运动继续以离开所述扫描线的未注入部分；(g)记录断开位置，该断开位置对应于当所述离子束在步骤(f)被切断时所述衬底支座的位置；(h)再次产生稳定的离子束；(i)通过沿着所述第一轴移动所述衬底支座以使所述离子束扫描越过所述扫描线的未注入部分，以完成所述扫描线的注入；和(j)通过重复步骤(b)和(c)以完成穿过所述衬底的所述一系列扫描线来完成所述衬底的注入。
9.如权利要求8所述的方法，其中步骤(c)包括沿着第二平移轴相对于固定的离子束平移所述衬底支座，所述第一轴和第二轴是垂直的。
10.如权利要求8或者9所述的方法，其中步骤(f)包括在切断所述离子束之后，继续沿着所述第一轴移动所述衬底支座，以便假定所述离子束仍然是接通的，所述离子束完成所述扫描线并且在停止位置停止。
11.如权利要求10所述的方法，其中步骤(h)包括，在所述离子束离开所述衬底的情况下，在所述停止位置，产生稳定的离子束；步骤(i)包括沿着所述第一轴，移动所述衬底支座，以在相反方向，循着所述扫描线，并且在步骤(i)的移动过程中，当所述衬底支座通过所述断开位置时，切断所述离子束。
12.如依赖于权利要求9时的从属权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤在步骤(h)中重新启动所述离子束时，确定所述离子束是否撞击到所述衬底支座，如果是，那么使所述离子束和所述衬底支座之间沿着所述第二轴的有效相对运动运动到一个位置，在此位置，无需在往复所述相对运动回到所述停止位置之前，撞击所述衬底或者衬底支座，就可以产生所述离子束，以允许执行步骤(i)。
13.如权利要求8、9和10中的任何一项权利要求所述的方法，进一步包括以下步骤在所述离子束仍然是断开的情况下，在相反的方向，沿着所述扫描线，移动所述衬底支座，以便假定所述离子束是接通的，所述离子束返回所述开始位置；在正向，沿着所述扫描线移回所述衬底支座，以完成所述的扫描线，其中所述离子束起初是断开的；并且在正向，沿着所述扫描线，所述离子束向回运动的过程中，当所述衬底支座通过所述断开位置时，重新启动所述离子束。
14.如权利要求11或者12所述的方法，进一步包括在步骤(i)的过程中重复步骤(e)、(f)和(g)，以便如果在所述相反方向扫描时，如果检测到第二个束不稳定，不对所述扫描线的中央部分进行注入；在所述离子束在第二个断开位置第二次被切断以后，停止所述衬底支座的移动；和在所述正向沿着所述扫描线移回所述衬底支座，并且在这个移动过程中，当所述衬底支座通过所述第二个断开位置时，接通所述离子束，并且当所述衬底支座通过所述第一个断开位置时，断开所述离子束。
15.如权利要求8到14中的任何一项权利要求所述的方法，其中步骤(e)包括检测返回电流。
16.一种用于离子注入机的离子注入机控制器，所述离子注入机可用于产生注入到衬底中的离子束，其中所述离子束的横截面面积小于所述衬底，所述控制器包括离子束切换装置，可用于接通和断开所述离子束；扫描装置，可用于引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动以使所述离子束沿着至少一条轨迹横扫过所述衬底；离子束监测装置，可用于在所述相对运动的过程中，接收表示离子束通量的信号和检测离子束中的不稳定；和指示装置，可用于确定在所述相对运动过程中，所述离子束相对于所述衬底的位置；其中所述控制器被设置以便所述离子束切换装置可用于在所述相对运动的过程中，当所述离子束监测装置检测到所述离子束中的不稳定时，使离子束断开以离开所述轨迹的未注入部分；所述指示装置记录当离子束被切断时离子束相对于所述衬底的断开位置；所述离子束切换装置可用于使所述离子束再次接通；所述扫描装置可用于引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，以便所述离子束沿着所述轨迹的未注入部分横扫过所述衬底。
17.如权利要求16所述的控制器，其中所述控制器被设置以便所述扫描装置可用于确保当所述离子束切换装置引起所述离子束再次接通时，所述衬底不在所述离子束的轨迹上；所述离子束监测装置可用于确定所述离子束是否稳定；一旦所述离子束监测装置表明所述离子束是稳定的，所述扫描装置可用于引起所述离子束和所述衬底之间的相对运动，以使所述离子束在相反方向沿着所述轨迹运动；和所述离子束切换装置可用于使当所述离子束通过所述断开位置时，切断所述离子束。
18.如权利要求16所述的控制器，其中所述控制器被设置以便所述扫描装置可用于引起所述离子束和所述衬底之间有效的相对运动，其中所述离子束起初是断开的，以便假定所述离子束是接通的，所述离子束会在相同的正向，横扫过所述轨迹的至少一部分，所述部分包括所述轨迹的未注入部分；和所述离子束切换装置可用于使当所述离子束通过所述断开位置时，接通所述离子束。
19.一种使用离子束对衬底进行注入的离子注入机，包括离子源，可用于产生离子束；离子束监测器，可用于检测所述离子束中的不稳定；衬底支座，其可沿着第一平移轴双向运动，并且其可用于固定要进行注入的衬底；和权利要求16到18的任一项权利要求中的所述控制器；其中所述离子束切换装置可用于接通和断开所述离子源并因此接通和断开所述离子束；所述扫描装置可用于引起所述衬底支座沿着所述第一轴移动，并因此使所述离子束沿着至少一条轨迹横扫过所述衬底；和所述离子束监测器可用于以在检测到不稳定时，提供信号给所述离子束监测装置。
20.如权利要求19所述的离子注入机，其中所述离子监测器是返回电流监测器。
21.一种用于离子注入机的离子源，其包括阴极、阳极、相对于所述阴极偏置所述阳极的偏置装置、第一开关、通过串联的所述偏置装置和所述第一开关连接阳极和阴极的第一电气路径，其中所述第一开关可用于连通或者断开所述第一电气路径。
22.如权利要求21所述的离子源，进一步包括连接阳极和阴极的第二导体路径，其至少部分平行延伸穿过所述的偏置装置，所述部分包括可用于接通或者断开所述第二电气路径的第二开关。
23.如权利要求22所述的离子源，其中所述第一开关可用于响应第一二元切换信号，并且所述第二开关可用于响应第二二元切换信号，所述第二二元切换信号是所述第一二元切换信号的补充。
24.如权利要求23所述的离子源，进一步包括一个非门，其可用于从所述第一切换信号的一部分产生补充的第二切换信号。
25.如权利要求21到24任何一项权利要求所述的离子源，其中所述第一开关是功率半导体开关。
26.如权利要求22到25任何一项权利要求所述的离子源，其中所述第二开关是功率半导体开关。
27.一种离子注入机，其包括权利要求21到26中的任一项权利要求所述的离子源。
28.一种断开权利要求21到26中所述离子源的方法，所述方法包括，响应检测到由所述离子源产生的所述离子束中的不稳定，操作所述第一开关以断开所述第一电气路径。
29.如权利要求28所述的方法，进一步包括增加供应给所述阴极的功率。
30.如权利要求1到16中的任何一项权利要求所述的方法，其中切断所述离子束的步骤包括，根据权利要求29的方法切断所述离子源。
全文摘要
本发明关于使用离子束在衬底中注入离子的方法以及和这种方法一起使用的离子注入机，其中离子束中可能出现不稳定。本发明还关于用于产生离子束的离子源，所述离子束可以被快速切断。实际上，本发明提供了一种注入离子的方法，其包括当检测到离子束中的不稳定时，切断离子束，同时继续进行衬底相对于离子束的运动，以离开穿过衬底的扫描线的未注入部分；再次产生稳定的离子束，并通过对所述轨迹的未注入部分进行注入，完成扫描线。
文档编号H01L21/425GK1638015SQ20051000058
公开日2005年7月13日 申请日期2005年1月10日 优先权日2004年1月9日
发明者M·福德, B·哈理森, M·法利, P·坎德斯利, G·莱丁, T·伊藤忠, S·韦尔斯 申请人:应用材料有限公司