静电过滤器以及使用静电过滤器控制离子束性质的方法与流程

本发明涉及用于对基板进行植入的设备及技术，且更具体而言涉及改进的离子束能量过滤器。

背景技术：

离子植入是通过轰击(bombardment)将掺杂剂或杂质引入基板中的制程。在半导体制造中，引入掺杂剂来改变电学性质、光学性质或机械性质。

离子植入系统可包括离子源及一系列束线组件。离子源可包括产生离子的腔室。离子源可亦包括电源(powersource)及设置于腔室附近的提取电极总成。所述束线组件可包括例如质量分析器、第一加速或减速级(accelerationordecelerationstage)、准直器及第二加速或减速级。与用于操纵光束的一系列光学透镜非常类似，束线组件可对具有特定物质种类、形状、能量和/或其他特征的离子或离子束进行过滤、聚焦及操纵。离子束穿过束线组件，且可被朝安装于台板(platen)或夹具上的基板引导。基板可通过有时被称为多轴旋转手臂(roplat)的设备在一或多个维度上移动(例如，平移、旋转以及倾斜)。

在诸多离子植入机中，下游静电模块可用作静电透镜来控制离子束能量、离子束形状及离子束尺寸。静电模块可将离子束加速或减速至最终能量，同时改变离子束的方向。通过改变离子束的方向，高能中性粒子可被筛选出来，从而得到能量受到良好界定的最终束。

已知的静电模块可采用例如多对电极，例如成对布置的七个上部电极及下部电极，其中电极约束并引导从中行进的离子束。电极可布置为与离子束等距间隔的棒(rod)。棒/电极电位被设定为在静电模块中形成电场，从而使离子束减速、偏转并聚焦所述离子束。

在静电模块的已知配置的实例中，在离子束撞击基板前以最终束能量离开之前，可使用五对或七对电极来使离子束偏转、减速及聚焦。使用较大数目的电极(例如七对电极)有助于处理相对较高的能量(例如高于30千电子伏特(kev))，以便在离子束减速期间将静电应力维持在可接受的水平。基于减速透镜的按比例缩小规则(scalingrule)，经由静电透镜的最大所输送束电流近似与减速长度的平方成反比。因此，具有大量电极对及长减速长度的电极配置可能会限制所输送束电流的量。

针对该些及其他考量，提供本发明。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种设备可包括：主腔室；入口隧道，具有沿第一方向延伸至所述主腔室中的入口轴线；以及出口隧道，连接至所述主腔室且界定出口轴线。所述入口隧道及所述出口隧道可界定束弯曲，所述束弯曲在所述入口隧道与所述出口隧道之间为至少30度。所述设备可包括电极总成，所述电极总成设置于所述主腔室内，且在所述入口隧道与所述出口隧道之间界定束路径。所述电极总成可包括设置于所述束路径的第一侧上的下部电极及设置于所述束路径的第二侧上的多个电极，所述多个电极包括至少五个电极。

在又一实施例中，一种用于控制离子束的方法可包括引导所述离子束自入口隧道穿过静电过滤器的主腔室，并进入耦合至所述主腔室的出口隧道中。所述方法可包括在第一操作中，将第一多个电极电压分别分派至多个电极，其中所述多个电极设置于所述主腔室中，且其中所述多个电极中的第一数目的电极被设定成地电位。所述方法亦可包括在第二操作中，将第二多个电极电压分别分派至所述多个电极，其中所述多个电极中的第二数目的电极被设定成地电位，且其中所述第二数目大于所述第一数目。

在附加实施例中，一种高束弯曲静电过滤器总成可包括：主腔室；入口隧道，所述入口隧道具有沿第一方向延伸至所述主腔室中的传播轴线；以及等离子体泛射式电子枪(plasmafloodgun)。所述等离子体泛射式电子枪可包括连接至所述主腔室且界定出口方向的出口隧道，其中所述入口隧道及所述出口隧道界定束弯曲，所述束弯曲在所述入口隧道与所述出口隧道之间为至少30度。所述高束弯曲静电过滤器总成亦可包括：电极总成，设置于所述主腔室中，且在所述入口隧道与所述出口隧道之间界定束路径。所述电极总成可包括设置于所述束路径的第一侧上的下部电极及设置于所述束路径的第二侧上的多个上部电极，其中所述多个上部电极包括至少五个电极，且其中所述电极总成设置于所述入口隧道的顶侧上。

附图说明

图1示出展示根据本发明实施例的离子植入系统的示例性实施例。

图2a-2b示出根据本发明示例性实施例模拟在两种不同操作模式下静电过滤器中的电位分布。

图3a及图3b分别示出模拟磷离子束在对应于图2a及图2b的所述两种不同操作模式下的束分布曲线。

图4a及图4b示出根据本发明又一些实施例模拟在两种不同操作模式下另一静电过滤器中的电位分布。

图5a及图5b分别示出模拟磷离子束在对应于图4a及图4b的所述两种不同操作模式下的束分布曲线。

图6a及图6b分别示出模拟磷离子束在对应于图4a及图4b的所述两种不同操作模式下的重新溅镀粒子分布。

图7a及图7b分别示出模拟磷离子束在对应于图4a及图4b的所述两种不同操作模式下的负粒子轨迹分布。

图8示出根据本发明一些实施例的示例性制程流程。

所述附图未必按比例绘制。所述附图仅为表示形式，而并非旨在描绘本发明的具体参数。所述附图旨在示出本发明的示例性实施例，且因此不被视为对范围进行限制。在所述附图中，相同的编号代表相同的元件。

具体实施方式

现将参照附图在下文更充分地阐述根据本发明的系统及方法，在所述附图中示出所述系统及方法的实施例。所述系统及方法可实施为诸多不同的形式而不应被视为仅限于本文所述的实施例。而是，提供该些实施例是为了使此揭示内容将透彻及完整，且将向本领域技术人员充分传达所述系统及方法的范围。

为方便及清晰起见，本文中将使用例如“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“上部(upper)”、“下部(lower)”、“垂直(vertical)”、“水平(horizontal)”、“侧向(lateral)”及“纵向(longitudinal)”等用语来阐述该些组件及其构成部件相对于图中所示半导体制造装置的组件的几何形状及定向的相对放置及定向。术语将包括具体提及的词、其派生词及具有相似意义的词。

本文所使用的以单数形式陈述且前面带有词“一(a或an)”的元件或操作被理解为亦潜在地包括多个元件或多个操作。此外，在提及本发明的“一个实施例”时并非旨在被解释为排除亦包括所陈述特征的附加实施例的存在。

本文中提供例如用于改进用作静电过滤器的静电模块的操作及可靠性的方式。在示例性实施例中，揭示一种具有新颖架构的静电过滤器，所述新颖架构包括在静电模块的主腔室中电极总成的新颖布置。

本文中提供例如用于改进用作静电过滤器的静电模块的操作及可靠性的方式。在示例性实施例中，揭示一种具有新颖架构的静电过滤器，所述新颖架构包括在静电模块的主腔室中电极总成的新颖布置。

现参照图1，示出展示系统10的示例性实施例，其中根据本发明，系统10可用于离子植入。除其他组件以外，系统10亦包括离子源14及一系列束线组件，离子源14用于产生例如带状束(ribbonbeam)或点状束(spotbeam)等离子束18。离子源14可包括用于接收气流24并产生离子的腔室。离子源14亦可包括电源及设置于腔室附近的提取电极总成。自离子源14延伸至静电过滤器40的束线可被认为是上游束线12。在一些非限制性实施例中，上游束线的束线组件16可包括例如设置于静电过滤器40上游的质量分析器34、第一加速或减速级36及准直器38，所述过滤器可为离子束18提供减速和/或加速。

在示例性实施例中，束线组件16可对具有物质种类、形状、能量和/或其他特征的离子或离子束18进行过滤、聚焦及操纵。穿过束线组件16的离子束18可被朝安装于处理腔室46内的台板或夹具上的基板15引导。基板可在一或多个维度上移动(例如，平移、旋转及倾斜)。

静电过滤器40是被配置成独立控制离子束18的偏转、减速及聚焦的束线组件。在一些实施例中，静电过滤器40是垂直静电能量过滤器(verticalelectrostaticenergyfilter，veef)或静电过滤器ef。如下文将更详细地阐述，静电过滤器40及相似的静电过滤器可被布置为界定至少一种电极配置的电极总成。电极配置可包括沿束线串联布置的多个电极，以经由静电过滤器40处理离子束18。在一些实施例中，静电过滤器可包括设置于离子束18上方的一组上部电极及设置于离子束18下方的一组下部电极。所述一组上部电极与所述一组下部电极之间的电位差亦可沿中心离子束轨迹变化，以在沿中心射线轨迹(centralraytrajectory，crt)的各种点处偏转离子束。系统10可更包括示为电极电压总成50的电极电压源以及耦合至静电过滤器40的入口隧道52，其中下文阐述入口隧道相对于静电过滤器40的配置。如随后的各种实施例中所揭示，入口隧道52可形成静电过滤器40的一部分，其中入口隧道以及静电过滤器40内的电极以新颖配置布置，以改进系统10的操作。

如图1中进一步所示，系统10可包括控制器51，其中控制器51可耦合至电极电压总成50，以产生信号来重新配置静电过滤器40的电极中的至少一者的电位设定。

现参照图2a，示出静电过滤器40的一种变型的结构。在图2a中，示出静电过滤器40的变型(示为静电过滤器140)以及入口隧道52、等离子体泛射式电子枪122、电压源50及控制器51的侧剖视图。因此，该些组件可构成高束弯曲静电过滤器总成。为清晰起见，可省略静电过滤器140的详细特征。如所示，静电过滤器140包括主腔室102，主腔室102在静电过滤器40上方延伸并部分地包围静电过滤器40，从而留下入口孔隙54及出口孔隙56以导引离子束从中穿过。静电过滤器140包括电极总成108，电极总成108包括多对电极。该些电极被指定为电极110a、电极110b、电极112a、电极112b、电极114a、电极114b、电极116a、电极116b、电极117a及电极117b、电极118a及电极118b以及电极119a及电极119b。

如图2a中所示，等离子体泛射式电子枪122界定自主腔室102引出的出口隧道124。静电过滤器140的配置包括7对电极，其中给定的一对包括上部电极与下部电极。在其他实施例中，可包括更少或更大数目的电极。

根据本发明的实施例，静电过滤器140可在接地电极的数目可变化的多种不同模式下操作。此种方法的优点是能够使束处理适于具有广泛不同的性质(例如广泛不同的最终离子能量)的离子束。在图2a所示配置中，各种电极被通电，其中电极被设定成负电位(由电位等势线示出)。图2a中的配置可被视为是例如适宜于将3千电子伏特p+离子束传送至基板126的参考模式。在此实例中，电极110a、电极110b、电极112a、电极112b、电极114a、电极114b、电极116a、电极116b、电极117a及电极117b被通电。电极112a及电极112b在此种配置中用作抑制电极，其中施加至该些电极的负电压最大。在连续的电极对(例如电极114a与电极114b、电极116a与电极116b等)中，负电压的绝对值减小，从而使离子束朝最终束能量减速。电压的变化可为相对渐进的(如由电位等势线所示)，且几乎延伸至出口孔隙56。因此，电极对(电极112a、电极112b)与电极对(电极119a、电极119b)之间的此种相对长的减速长度在电极总成108的电极上造成相对低的静电应力。

转至图2b，静电过滤器140被示为处于不同的操作模式，其中分派至电极总成108的电压不同于图2a所示配置。此种配置亦可适宜于将3千电子伏特p+离子束输送至基板126。在此实例中，电极110a、电极110b、电极112a、电极112b、电极114a、电极114b、电极116a、电极116b被通电，而电极117a、电极117b、电极118a、电极118b、电极119a及电极119b被设定成地电位。如在图2a中，电极112a及电极112b用作抑制电极，其中施加至该些电极的负电压最大。在连续的电极对(例如电极114a与电极114b、电极116a与电极116b等)中，负电压的绝对值减小。由于电极117a及电极117b接地，因此在此种配置中减速长度较小。尽管原则上，此种减小的减速长度可能在电极总成108中的电极上产生增大的静电应力，然而静电应力的水平可为可接受的。

图2b所示配置的优点是经由静电过滤器140输送相对较大的束电流。在施加至电极110a至116b的电压在图2a与图2b之间保持几乎恒定的一组条件下，相较于图2a所示配置，图2b中的所述六个电极117a至119b接地可在基板126处产生大近似60％的束电流。

图3a及图3b分别示出在图2a及图2b所示静电配置下处理的3千电子伏特磷离子束。如所述，在相同的离子能量下，图3b所示磷离子束向基板126输送的电流较图3a所示磷离子束多60％。

鉴于以上结果，静电过滤器140可有利地以如下方式操作。对于相对较高的最终离子束能量(例如高于30千电子伏特)，可设定将最小数目的电极接地(例如最末一对电极，或者电极均不接地)的静电配置。对于相对较低的最终离子束能量，可设定将至少两个电极接地(例如最后四个电极、最后六个电极，等等)的静电配置。

转至图4a及图4b，示出根据本发明又一些实施例模拟在两种不同操作模式下另一静电过滤器中的电位分布。在该些实施例中，静电过滤器240包括设置于主腔室202的顶侧上的入口隧道252，其中入口隧道252被布置成将离子束自顶部引导至主腔室202中。如图4a中进一步所示，入口隧道52的特征可在于沿第一方向延伸至主腔室202中的入口轴线60。图4a中亦示出出口隧道124，其中出口隧道124界定出口轴线62。在图4a所示实施例中，入口轴线60及出口轴线62界定在入口轴线60与出口轴线62之间为至少30度的束弯曲。束弯曲在图4a中被示为角度β。尽管在一些实施例中，束弯曲可小至30度，然而在其他实施例中，束弯曲可在40度至90度之间。因此，图4a所示设备可被称为高束弯曲静电过滤器，且如下文进一步所阐释，可适宜用于污染有待最小化且维护有待改进的地方。

如图4a中进一步所示，电极总成208中布置有以不对称配置为特征的多个电极。在此种情形中，不对称配置被实施为在束路径(对于代表性的束路径，分别参见图5a所示离子束260及图5b所示离子束262)的下侧上设置仅一个电极(电极210b)。在图4a所示配置中，束路径的上侧上设置有五个电极(示为电极210a、电极212a、电极214a、电极216a及电极218a)。在所示配置中，电极总成208的所有电极均设置于出口隧道124上方，即水平面p上方，水平面p代表出口隧道124的顶表面。

如同静电过滤器140一样，静电过滤器240可如下所述在不同操作模式下操作。在图4a所示配置中，电极210a及电极210b用作抑制电极，其中为电极210a及电极210b设定所有电极中最负的电位。在图4a所示配置中，电极216a及电极218a被设定成地电位，而腔室壁120亦被设定成地电位。在此种配置中，因此建立了适宜于处理低能量及高电流离子束的相对较短的减速长度。

转至图4b，其示出对于另一操作模式的静电配置，其中电极总成208的所有电极均被通电。在此实例中，电极216a及电极218a亦被以相对较高的电压通电，以使得能够有足够的路径长度来弯曲离子束(例如离子能量可为30千电子伏特或大于30千电子伏特的高能离子束)。同时，腔室壁120可保持接地。根据离子束能量定制静电配置使得静电过滤器240能够处理能量变化广泛(例如1千电子伏特至75千电子伏特)的离子束，同时即使在较低的能量范围内，仍获得传送至基板126的束电流的可接受位准。

图5a及图5b分别示出在图4a及图4b所示静电配置下处理的3千电子伏特磷离子束及60千电子伏特磷离子束。转至图5a，其以剖视图示出模拟在基板126处传送56毫安(ma)电流的高电流p+3千电子伏特束。如所示，离子束260在自入口隧道252出来后变高(沿与瞬时传播方向垂直的方向)，从而占用出口隧道124的几乎全部高度。由于经由减速透镜(例如静电过滤器240)输送的最大束电流与减速长度的平方近似成反比，因此相较于具有较长减速长度的配置，减小的减速长度能够产生高得多的束电流。

图5b示出在60千伏特(kv)下产生的离子束262，其中图4b所示静电配置产生相对较短的离子束，同时将离子束弯曲过适宜的角度。

静电过滤器240的电极配置的一个显著特征是入口隧道52及出口隧道124的放置以及电极相对于出口隧道124的放置。具体而言，入口隧道52沿主腔室202的第一侧设置，且出口隧道124沿主腔室202的与主腔室202的第一侧相邻的第二侧设置。另外，由于电极总成208的电极设置于出口隧道124上方，因此可如下文所阐释保护电极免受自基板126发射并经由出口隧道124往回行进的物质所影响。

图6a示出根据本发明实施例模拟在静电过滤器240内通过3千伏特p+离子束自基板126重新溅镀的粒子270的轨迹。图6a所示模拟示出在图4a中所示静电配置下自基板126喷射的溅镀材料的分布。溅镀材料代表最初设置于基板126处的材料，其中用于将3千伏特的离子植入至基板126中的入射磷离子束重新溅镀位于基板126表面上或附近的一定量的材料。图6a所示模拟示出重新溅镀材料可普遍存在于位于等离子体泛射式电子枪122与基板124之间的下游区域128中。另外，由等离子体泛射式电子枪122界定的出口隧道124充满重新溅镀粒子，此指示粒子自基板126朝静电过滤器240的主腔室102往回行进。

如图6a中进一步所示，模拟重新溅镀粒子会在主腔室102内形成密集的烟流(plume)，稍微更密集的部分与出口隧道124成一直线。烟流的密度较低的部分朝上膨胀至主腔室102中。溅镀粒子的烟流可接着落于主腔室102的腔室壁120的不同位置处。在此种模拟中，很少(若存在)重新溅镀粒子会落于电极总成108的电极上。因此，图6a所示配置至少不太可能通过自基板126直接重新溅镀而在电极总成108的电极上积聚任何重新溅镀材料。

图6b示出根据本发明实施例模拟在静电过滤器240内通过60千伏特p+离子束自基板126重新溅镀的粒子280的轨迹。图6b所示模拟示出在图4b中所示静电配置下自基板126喷射的溅镀材料的分布。溅镀材料代表最初设置于基板126处的材料，其中用于将60千伏特离子植入至基板126中的入射磷离子束重新溅镀位于基板126表面上或附近的一定量的材料。图6b所示模拟示出重新溅镀材料可普遍存在于位于等离子体泛射式电子枪122与基板124之间的下游区域128中。另外，由等离子体泛射式电子枪122界定的出口隧道124充满重新溅镀粒子，此指示粒子自基板126朝静电过滤器240的主腔室102往回行进。

如图6b中进一步所示，模拟重新溅镀粒子会形成膨胀至主腔室102的下部部分中的烟流。溅镀粒子的烟流可接着落于主腔室102的腔室壁120的不同位置处。在此种模拟中，很少(若存在)重新溅镀粒子会落于电极总成108的电极上。因此，图6b所示配置至少不太可能通过自基板126直接重新溅镀而在电极总成108的电极上积聚任何重新溅镀材料。

现转至图7a，其示出进一步模拟在图4a所示静电条件下静电过滤器240的操作。具体而言，图7a示出当如图4a中所示向电极施加电压时，自电极总成108的电极离开的带负电粒子的轨迹。依据施加至不同电极的各别电压，带负电粒子的轨迹倾向于自给定电极引走，从而形成复杂图案。值得注意，由于出口隧道124的几何形状相对于电极总成108的电极位置提供屏蔽，因此带负电粒子轨迹均不引出至基板126。

现转至图7b，其示出进一步模拟在图4b所示静电条件下静电过滤器240的操作。具体而言，图7b示出当如图4b中所示施加电压时，自电极总成108的电极离开的负电荷粒子的轨迹。依据施加至不同电极的各别电压，带负电粒子的轨迹倾向于自给定电极引走，从而形成复杂图案。值得注意，由于出口隧道124的几何形状相对于电极总成108的电极位置提供屏蔽，因此带负电粒子轨迹均不引出至基板126。

根据各种实施例，电极总成108的电极可沿所示笛卡尔坐标系的x轴伸长。因此，电极可有助于控制横截面亦沿x轴伸长的带状束，其中带状束沿x轴可为数十厘米宽，且可具有大约若干厘米的高度。所述实施例不受限于此上下文。

图4a-7b所示其中在束路径的一侧上布置一个电极且在束路径的相对侧上布置五个电极的电极具体配置可特别适宜于处理在广泛的最终离子束能量及束电流范围内的离子束。举例而言，如所述，该些配置可适合于自1千电子伏特至75千电子伏特的操作。对于较低电压(例如低于10千伏特)下的操作，其中可存在相对较高的渗透条件，一或多个电极可接地，从而减小减速长度，并促进向基板输送较高的束电流。对于相对较高的能量(例如高于30千伏特)下的操作，大部分或所有电极可被通电以恰当地对离子束进行导向。此外，尽管以上实施例示出在束路径的一侧上具有三个电极的配置，然而在其他配置中，在束路径的一侧上可布置四个电极、五个电极或更多电极。另外，尽管以上实施例在束路径的相对侧上示出仅一个电极，然而在其他实施例中，在束路径的相对侧上可布置多于一个电极。

另外，可存在电极被布置成界定更陡的束弯曲(例如60度、70度、80度或90度)或者更低的束弯曲(例如30度)的配置。在该些其他配置中，主腔室的形状、电极的位置及出口隧道的位置可被布置成使得防止或实质上减少来自基板的重新溅镀粒子撞击电极，且防止或减少带负电粒子离开电极并撞击基板。

现转至图8，且示出根据本发明实施例的示例性制程流程800。

在方块802处，引导离子束穿过静电过滤器的主腔室，自入口隧道进入耦合至主腔室的出口隧道。根据各种实施例，静电过滤器可被布置成使离子束偏转、聚焦、减速和/或加速。

在方块804处，在第一操作中，将第一多个电极电压分派至设置于主腔室中的相应的多个电极。根据各种实施例，在第一操作中，所述多个电极中的第一数目的电极被设定成地电位，其中第一数目可为零或大于零。因此，离子束在穿过主腔室时可通过相对较长的减速长度进行处理。

在方块806处，在第二操作中，将第二多个电极电压分派至设置于主腔室中的相应的多个电极。根据各种实施例，在第二操作中，所述多个电极中的第二数目的电极被设定成地电位，其中第二数目大于第一数目。因此，离子束在穿过主腔室时可通过相对较短的减速长度进行处理。当有待通过静电过滤器处理相对较低能量的离子束及相对较高电流的离子束(例如对于低于10千电子伏特的能量)时，可执行第二操作。

综上所述，通过本文所揭示的实施例，达成了至少以下优点。本发明实施例提供的第一个优点在于，使用单一类型的静电过滤器在广泛的离子束能量及离子束电流范围内操作离子植入机。通过调整静电过滤中的接地电极配置，可根据离子能量定制操作。本发明实施例提供的另一优点是通过消除由过滤电极产生的带负电粒子撞击基板的能力，静电过滤器对基板的直接污染减少。另外，本发明实施例提供的另一优点是消除由来自基板的重新溅镀材料积聚于静电过滤器的电极上而导致的间接基板污染，所述间接基板污染导致形成后续溅镀的附加污染源或者导致自电极出现剥落。

本发明的范围不受限于本文所述具体实施例。实际上，除本文所述实施例及修改以外，通过阅读前述说明及附图，对此项技术中的技术人员而言，本发明的其他各种实施例及对本发明的其他各种修改亦将显而易见。因此，此种其他实施例及修改旨在落于本发明的范围内。此外，本文已在用于特定目的特定环境下在特定实施方案的上下文中阐述了本发明，然而此项技术中技术人员仍将认识到有用性并非仅限于此，且本发明可有益地在用于任何数目的用途的任何数目的环境中实施。因此，下文所述申请专利范围要根据本文所述本发明的全部宽度及精神来解释。