用于高生产量扫描束离子注入机的扫描和校正器磁体设计的制作方法

相关申请的引用

本申请要求2018年12月13日提交的题为“scanandcorrectormagnetdesignsforhighthroughputscannedbeamionimplanter(用于高生产量扫描束离子注入机的扫描和校正器磁体设计)”的美国申请第16/218,884号的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

本发明总体上涉及离子注入系统，更具体地，涉及用于提供扫描离子束的预定均匀性和角度分布的改进的系统和方法。

背景技术：

传统上，离子注入机用于将指定量的掺杂剂或杂质放置于半导体工件或晶片内。在典型的离子注入系统中，掺杂剂材料被离子化，以产生离子束。离子束被引导到半导体晶片的表面，以将离子注入到晶片中，其中离子穿透晶片的表面并在其中形成期望的导电性区域。离子注入，例如，特别用于半导体工件中的晶体管的制造。典型的离子注入机包括：用于产生离子束的离子源；束线组件，其具有用于引导和/或过滤(例如，质量解析)离子束内的离子的质量分析装置；以及目标腔室，其包含待处理的一个或更多个晶片或工件。

基于要在工件内实现的期望特性，各种类型的离子注入机分别允许注入不同剂量和能量的离子。例如，高电流离子注入机通常用于低至中等能量下的高剂量注入，而中等电流至低电流离子注入机通常用于较高能量下的较低剂量应用。

随着器件几何形状不断缩小，浅结接触区域对离子束的能量的要求变得越来越低。此外，对于精确的掺杂剂放置的要求已经导致了对于使束内和基底表面上的束角度变化最小化的更苛刻的要求。例如，在某些应用中，期望能量低至300电子伏特的注入，同时最小化能量污染，维持离子束内以及整个工件上的角度变化的严格控制，并且同时提供高的工件处理生产量。

混合扫描射束能够以高生产量提供非常好的剂量均匀性，由此相对于工件对离子束进行电或磁的扫描，从而使工件在经扫描的离子束中机械地平移。然而，对于低能量注入，通过系统的工件生产量受限于离子束的大小以及用于由离子束对工件进行完全过扫描的大扫描幅度。

技术实现要素：

本公开提供了一种系统和方法，通过该系统和方法，离子注入系统的效率提高到超过常规系统，其中有利地提供了扫描磁体和校正器磁体中的一个或更多个的改进设计。以下给出了本发明的简要发明内容，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述，并且既不旨在指出本发明的关键或重要元素，也不旨在限定本发明的范围。相反，发明内容的目的是以简化形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的具体实施方式的序言。

本公开提供了一种用于提供扫描离子束的非均匀通量分布的系统和方法。根据本公开的一个示例性方面，提供了一种离子注入系统，其中离子束构造成在工件的整个表面上以离子束扫描频率进行扫描，其中限定了扫描离子束(也称为“扫描带”)。例如，形成点离子束并将其提供给扫描仪，并且将具有时变电势的扫描波形施加到扫描仪。由扫描仪在扫描路径上对离子束进行扫描，从而通常限定由多个子束组成的扫描离子束。然后，扫描离子束通过校正器装置。校正器装置构造成在整个工件上以大体上恒定的入射角朝向工件引导扫描离子束。校正器装置还包括多个磁极，该多个磁极构造成在工件处提供扫描离子束的非均匀通量分布。

以下说明和附图详细阐述了本发明的某些示例性方面和实施方式。这些方面和实施方式仅例示了本发明原理的可以采用的各种方式中的一些。

附图说明

图1a是根据本公开各个方面的离子注入系统的一个实施例，该离子注入系统具有扫描仪、校正器和剂量测定系统。

图1b是图1a的扫描仪和若干扫描离子束的一个实施例。

图1c是图1a和1b的扫描仪中的三角形扫描电流波形的一个实施例。

图1d示出了在若干离散时间点撞击图1a的系统中的工件的一个扫描离子束的透视图。

图2是常规校正器装置的射束引导器和磁极的立体图。

图3a是穿过理想扫描仪和校正器装置的理想离子束的示意图。

图3b示出了使用图3a的理想扫描仪和校正器装置的理想射束通量分布的曲线图。

图3c示出了使用不均匀的三角波电流波形产生的示例性通量分布的曲线图。

图4是根据本公开各个方面的校正器装置的射束引导器和磁极的立体图。

图5a是穿过根据本公开各个方面的扫描仪和校正器装置的离子束的示意图。

图5b示出了使用图5a的扫描仪和校正器装置的非均匀射束通量分布的曲线图。

图6a是穿过根据本公开各个方面的另一扫描仪和另一校正器装置的扫描离子束的示意图。

图6b示出了使用图6a的扫描仪和校正器装置的非均匀射束通量分布的曲线图。

图7示出了根据本公开各个方面的将扫描角度与施加到扫描仪的扫描电流相关联的第一和第二函数的图表。

图8示出了根据本公开各个方面的各种极设计的图表。

图9示出了根据本公开各个方面的用于向工件提供非均匀通量分布的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明，其中相同的附图标记始终用于指代相同的元件，并且其中所示结构不一定按比例绘制。

图1a示出了包括端子12、束线组件14和终端站16的示例性离子注入系统10，其中，离子注入系统构造成将离子注入到设置在终端站中的工件18中。端子12例如包括由高压电源22供电的离子源20，其中离子源产生离子束24并且将离子束24引导至束线组件14。例如，在离子源20中产生的离子被提取并形成离子束24中，由此离子束沿着束线组件14内的射束路径26被朝向终端站16引导。

束线组件14例如包括射束引导器28和质量分析器30、解析孔34、扫描系统36和校正器装置38。在质量分析器30内建立双极磁场，以使仅具有适当荷质比的离子通过解析孔34。扫描系统36例如可以包括静电或磁性扫描系统。图1a的示例性实施例中所示的扫描系统36示出了磁性扫描仪40，其具有耦合到扫描仪线圈44的电源42。扫描仪40沿着射束路径26设置，并且接收由质量分析器30进行质量分析之后的离子束24，其中图1a的扫描仪磁性地扫描离子束，以大体上限定扫描离子束46(例如，也称为“扫描带”)。例如，校正器装置38将扫描离子束46引导至终端站16，使得扫描离子束在整个工件18上以大体上恒定的入射角撞击工件。例如，对离子束24进行的用以形成扫描离子束46的扫描由控制系统48控制，使得控制系统通常控制供应到扫描仪线圈44的功率，从而在工件18上磁性地扫描离子束。

离子注入系统10还可以包括在离子源20与终端站16之间延伸的各种束形成及成形结构(未示出)，其中，形成及成形结构在离子束24被传送到终端站16中的工件18时保持并限制离子束24。维持离子束24的这种通道通常保持为真空，以降低离子经由与空气分子的碰撞而从射束路径26偏转的概率。

离子注入系统10可以采用不同类型的终端站16。例如，“批量”型终端站可以同时支持多个工件18，例如在旋转支撑结构上的多个工件，其中工件旋转通过离子束的路径直到所有工件完全被注入。另一方面，“串行”型终端站支持沿着射束路径进行注入的单个工件18，其中多个工件以串行方式一次一个地被注入，其中每个工件在下一个工件的注入开始之前完全被注入。

所示出的终端站16是“串行”型终端站，其支持沿着用于注入的射束路径的单个工件18(例如，半导体晶片、显示面板或者待被来自离子束24的离子注入的其它工件)，其中，剂量测定系统50位于工件位置附近以用于在注入操作之前进行校准测量。在校准期间，离子束24穿过剂量测定系统50。例如，剂量测定系统50包括一个或更多个分布仪52，其构造成横贯分布仪路径54，从而测量离子束24(例如扫描离子束46)的分布。校正器装置38将扫描离子束46引导至终端站16，使得扫描离子束以大体上恒定的入射角撞击剂量测定系统50的一个或更多个分布仪52。

分布仪路径54例如沿着与工件18的表面56相关联的注入平面设置。该一个或更多个分布仪52例如包括用于测量扫描离子束46的电流密度的电流密度传感器58(例如，法拉第杯)。电流密度传感器58以大体上正交的方式相对于扫描离子束46移动，因此横贯扫描路径的宽度。例如，剂量测定系统50还可操作地耦接到控制系统48以从其接收命令信号并向其提供测量值，以实现如本文进一步描述的本公开的校准方法的测量。

根据一个示例性方面，扫描仪36接收离子束24，由电源42施加到扫描仪线圈44的电流波形进行操作以在x方向(例如，扫描方向)上来回扫描离子束24，以将离子束展开成具有有效x方向宽度的细长“扫描带”束(例如，扫描离子束46)，该有效x方向宽度可以至少与所关注的工件18一样宽或者比其更宽。扫描离子束46接着穿过校正器装置38，校正器装置38以大体上平行于z方向(例如，大体上垂直于工件18的表面56)地将射束朝向终端站16引导。

在静电扫描系统(未示出)中，一个或更多个电源连接到多个电极，该多个电极围绕射束间隔开。进一步调整电极之间的电场以扫描离子束。本公开中，考虑所有不同类型的扫描系统36，而图1a的磁性系统为这样的扫描系统的一个说明性实例。

图1b中进一步示出了扫描系统36的示例性磁性版本，其中电源42向线圈44提供交流电，如图1c中的波形60所示。时变波形60(例如，三角波形)在射束路径26上在其间产生时变磁场，通过该时变磁场，离子束24沿着扫描方向(例如，图1a、1b和2b-2f中的x方向)弯曲或偏转(例如，被扫描)。

当扫描仪磁场处于离开页面的方向(例如在图1c中的时刻“e”和“g”)时，离子束24的带正电的离子受到负x方向上的横向力。当电流i为零时，例如在图1c中的时刻“d”处，离子束24不被修改地穿过扫描仪40。当磁场处于进入页面的方向(例如在图1c中的时刻“a”和“c”)时，离子束24的带正电的离子受到正x方向上的横向力。

图1b示出了当离子束24在进入图1a的校正器装置38之前的扫描期间的若干离散时间点穿过扫描仪40时，所得到的与扫描离子束46相关联的偏转。图1d示出了在图1c中所指示的对应时刻“a”到“g”处撞击工件18的扫描离子束46(例如，离子束24a至24g)。图1d中的经扫描且平行化的离子束24a对应于在图1c中的时刻“a”处施加的电极电压或电流，并且随后，对于在x方向上横贯工件18而进行的单个大体上水平的扫描，在图1d中示出了针对在图1c中的对应时刻“b”至“g”处的扫描电压或电流的离子束24b至24g。

如图1a所示，在扫描仪40在x方向(例如，快速扫描方向)上对离子束24进行来回扫描的同时，平移装置62(例如，机械致动装置)在y方向(例如，慢速扫描方向)上平移工件18，借此将离子束24施加在工件18的表面56上。

本公开认识到，在理想化的注入机中，施加到扫描仪40的电压或电流中的三角波产生在射束角度上的三角波，并且在校正器装置38之后，产生均匀的扫描带状射束46(例如，均匀的通量分布)。然而，由于各种原因，这种理想的注入机难以实现。此外，在某些情况下，为了获得各种结果，改变工件18上的剂量分布可能是有益的。

特别地，能够改变从电源42到扫描仪40的电流波形，以在工件18上产生期望的剂量分布。虽然在一些情况下，期望的剂量分布是均匀的，但是有时也期望其他非均匀分布。例如，产生期望通量分布的特定电流波形通常依赖于离子束24的形状和射束电流如何随着横贯工件18对离子束进行扫描而变化。具有最小尺寸的离子束24可以在整个扫描中具有很小的形状变化或者没有形状变化，从而产生具有最小振幅和相对于标称三角波的最小改变或偏差的波形。例如，这样的最小尺寸的离子束24因此对扫描仪40来说是最有效且要求最低的。

为了保持离子束24的小尺寸且最小化空间电荷的放大，例如，与在低电流束线中使用的静电扫描仪和校正器装置(例如在中等电流注入机中使用的那些)相反，在高电流束线中使用磁性扫描仪及校正器装置。为了在扫描过程中保持离子束24的形状大体上恒定，例如，能够在校正器装置38中使用s形弯曲磁体，由此与在校正器装置中使用单弯曲磁体或静电平行化透镜相比，离子束的路径长度在扫描过程中更相近。

例如，图2示出了与常规校正器装置75的相应入口72和出口74相关联的极70a、70b的常规构造。为了简单起见，图2未示出一个或多个磁体的轭和线圈，因为通常这些对于限定射束轨迹并不重要。图3a也示出了可以设置在扫描仪40下游的常规校正器装置75，由此当离子束24a至24g离开扫描仪时，离子束24a至24g的各个轨迹的路径26处于不同的扫描角度θa至θg，其中扫描角度θa至θg随时间而均匀地间隔。当使用三角波(如图1c所示)在整个工件上完全扫描“理想”离子束(例如，“点”离子束)时，在工件18上产生大体上均匀的通量分布76，如图3b所示。例如，图3b的大体上均匀的通量分布76具有由基本上均匀的扫描和常规校正器装置75产生的平均通量ψ0。然而，实际上，与上述“理想”离子束相反，“实际”离子束在射束被扫描时改变形状、大小和电流，并且利用三角波电流波形产生的实际通量分布77是不均匀的，如图3c所示。

然而，当离子束24的离子束电流增加时，更难以维持离子束的小尺寸及恒定性质。在较大射束尺寸下，例如，由于离子束的形状影响工件18的较大部分，在扫描过程中离子束24的形状差异变得更加相关。例如，当使用图1c的标称三角波形60时，能够发现，在工件18的边缘78处射束通量减小。因此，由于试图在工件18上提供均匀通量分布而实施高度修改的波形，经由扫描波形60的均匀性校正变得更加困难。这样的均匀性校正会进一步导致工件18通过图1a的系统10的较低的生产量，因为离子束24在工件的边缘78处花费更多时间，而离子束24在该边缘处注入工件的较小部分。

因此，根据本公开，能够至少部分地通过以下方式获得工件18通过系统10的增加的生产量：将扫描仪40和/或校正器装置38构造成在使用图1c的标称三角波形60和理想点射束时在工件18上产生不均匀的通量分布，同时仍然保持离子束24中的平行性。然后，例如通过调整施加到扫描仪40的波形，将不均匀通量分布校正为均匀的，或者校正为具有预定的不均匀分布。图5示出了根据本公开各个方面的校正器装置38的一个这种实例，其中校正器装置的极80a、80b构造成在离子束24穿过校正器装置的入口82和出口84时提供离子束24的非均匀通量分布。

例如，与图5a的扫描仪40相关联的校正器装置38的极80a、80b的各种形状能够有利地提供非均匀通量分布86，如图5b所示，由此在工件18的边缘78附近提供比在工件18的中心88附近更大量的射束通量。应当注意，本公开可以应用于任何校正器装置38，无论校正器装置包括s形弯曲构造的多个磁体还是单个磁体。此外，应当注意，扫描仪40以及与其相关联的任何磁体可以是双极的(如图所示)或单极的，使得离子束24总是弯曲的。

根据一个示例性方面，再次假设理想点射束，提供给工件18的射束通量与离子束24a至24g的轨迹的间距成反比。也就是说，由扫描仪40在离子束24a至24b之间、24b至24c之间、24c至24d之间等随时间所提供的均匀间隔产生从扫描仪40离开的均匀通量。在本示例中，各个扫描角度θa至θg是任何给定扫描时间t的整数倍。然而，由于图5a的校正器装置38的极80a、80b的构造，离子束24a至24b之间、24b至24c之间、24c至24d之间等的变化的密度产生针对射束的所述均匀扫描的变化的通量，其中在工件18的边缘78处的通量较多，射束彼此更靠近；而在中心88处的密度较小，射束距离较远。因此，实现了图5b的非均匀通量分布86，同时从扫描仪提供均匀通量分布，并且因此提供了与图4b的均匀扫描产生的平均通量ψ0类似的平均通量ψ0。

根据另一示例性方面，如图6a所示，修改的扫描仪90可以构造成使得扫描仪的磁体与常规校正器磁体68一起提供驱动电流与扫描角度之间的非线性关系。

因此，修改的扫描仪90可以构造成提供图6b的通量分布92，其在假定理想点射束和三角电流波形的情况下，大体上等同于图5b的通量分布86。然而，常规扫描仪针对电流的均匀变化产生扫描角度的均匀变化，而本公开的扫描仪的极可以成形为具有预定分布，使得电流的均匀变化提供扫描角度的不均匀变化。

因此，可以利用到扫描仪40的相同输入来实现图6b的通量分布92，同时在边缘78处获得更大的通量以补偿与以实际离子束进行扫描的边缘相关联的损失的射束电流。常规地，图5a的扫描仪40将离子束24保持在边缘78附近的时间比在工件18的其余部分的时间更长，以在边缘处获得期望的通量，由此扫描仪的ac波形可以被高度地修改并且潜在地是带宽受限的。本公开提供了对这种复杂且有害的ac扫描波形的解决方案，由此扫描仪和校正器系统有利地向工件的边缘78提供更大量的通量。

例如，工件18的边缘78处的通量可以比工件的中心88处的通量大10％至100％。在另一示例中，图5b和图6b的通量分布86、92可以是大体上抛物线形的，其中扫描仪40处施加未修改的扫描波形。在又一示例中，对于未修改的扫描波形，通量分布86、92在与图5a和图6a的工件18的中心88相关联的中心区域上是大体上均匀的，并且仅在或主要在工件的边缘78处增加，其中，中心区域表示工件的总长度或直径的20％至80％。

因此，对于经由修改的扫描仪90进行的射束的不均匀扫描，离子束24a至24b、24b至24c、24c至24d之间等的变化的密度产生变化的通量，从而在工件18的边缘78处产生更多的通量，边缘处射束彼此更靠近；而在中心88处密度更小，中心处射束距离更远。在本示例中，对于任何给定的扫描时间t，各个扫描角度θa至θg可以不同。因此，当利用图1c的三角电流波形60驱动修改的扫描仪90时，所得到的离子束24a至24g的轨迹提供图6b的通量分布92，其与图5b的通量分布86类似。

图7示出了在均匀性校正已经修改了扫描波形以提供均匀通量之后的，对于实际射束，将扫描角度θ与施加到扫描仪的扫描电流i相关联的第一函数与第二函数w1与w2。当与图3a的常规扫描仪和校正器系统一起使用时，第一函数w1在均匀性校正之后提供均匀通量分布(例如，类似于图3b中的均匀通量分布76)，其中，斜率在图7的扫描角度θ的极值94处较小并且在中间96处较大。第二函数w2是所公开的改进系统的均匀性校正之后的函数，其中，扫描角度θ是扫描电流i的更线性的函数。

根据另一示例性方面，本公开认识到，能够经由图5a的校正器装置38和图6a的修改的扫描仪90的组合来获得图5b和6b的非均匀通量分布86、92。例如，可以设想与图5的校正器装置38和/或图6a的修改的扫描仪90中的任一个相关联的物理磁体和磁极80a、80b的各种设计，由此能够利用修改的光学器件和技术来设计各种磁极形状。

例如，图8示出了构造成提供特定的期望通量分布的第一极边缘100和第二极边缘102。第一极边缘100和第二极边缘102例如可以与图6a的常规校正器68(例如，标准s弯曲磁体)相关联，而图8的修改的极边缘104、106、108、110可以与图5a的校正器装置38相关联，由此图5b和6b的非均匀通量分布86、92通常分别由射束24限定。图8的修改的极边缘104、106、108、110可以相应地构造成实现磁体的各种期望的光学特性。例如，极旋转、极边缘曲率、极面曲率等可以用于修改的极边缘104、106、108、110的构造中。

虽然本公开的一些方面可以涉及本文中所描述的离子注入系统的一个实施例，但其它方面涉及用于通过离子注入系统增加工件的生产量的方法。虽然这些方法示出和描述为一系列动作或事件，但是应当理解，本发明不受这些动作或事件的所示顺序的限制。例如，除本文示出和/或描述的动作或事件的那些顺序之外，一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，可能不需要所示的所有步骤来实现根据本发明的实施例或一个或更多个方面的方法。此外，本文描绘的动作中的一个或更多个可以在一个或更多个单独的动作和/或阶段中执行。

图9示出了用于控制扫描带射束(例如，扫描点射束)的通量分布的示例性方法200。在图9的动作202中，例如，向扫描仪提供点离子束，在动作204中，向扫描仪施加具有时变电势的扫描波形。例如，扫描波形可以包括三角波。在动作206中，在扫描路径上扫描点离子束，从而大体上限定由多个子束组成的扫描离子束。在动作208中，扫描离子束穿过校正器装置，其中校正器装置构造成在整个工件上以大体上恒定的入射角朝向工件引导扫描离子束。在动作210中，扫描仪和校正器装置的多个磁极在工件处提供扫描离子束的非均匀通量分布，从而以理想点射束在工件上进行完全扫描。

因此，本公开在理想情况下在均匀性校正之前提供非均匀通量分布。例如，本公开设想，扫描仪和校正器装置中的一个或更多个构造成使得在点射束以基本上恒定的扫描速度完全扫描工件的理想情况下，从工件的中心到工件的边缘，通量基本上单调地增加。在用实际射束进行均匀性校正之后，通量分布基本上是均匀的或者具有预定的非均匀性。常规地，由于以上讨论的各种原因，工件的边缘经历减小的电流，因此在工件的边缘附近提供具有减小的通量的大体上抛物线形的通量分布。为应对边缘附近这种减小的通量的问题，常规上执行均匀性校正例程以将离子束在边缘处保持延长的时间，以便增加通量并提供更大的均匀性，如图7所示。然而，这种将离子束保持在边缘处的做法至少部分由于当在扫描的边缘处时离子束延伸超过工件的宽度的部分而浪费了离子束电流。

本公开有利地利用扫描仪和校正器装置来增加工件边缘处的射束通量，使得当在边缘处存在这样的较低电流时，净通量分布更平坦，并且扫描系统和均匀性校正能够构造成将离子束保持在边缘处较短的持续时间，从而消耗较少的射束电流。

本公开设想向校正器装置和/或扫描仪提供各种磁场，由此与相应磁体相关联的曲率、极面旋转和极成形提供本文所述的期望的非均匀通量分布。例如，可以改变磁极的面，以有效地改变带状射束中每个子束通过磁场的路径长度。改变通过磁场的路径长度因此改变了子束弯曲的程度，并且因此能够类似地改变而以并行方式离开校正器装置。然而，根据本公开，与在工件的中间处相比，与工件的边缘处相关联的子束更靠近在一起，因此在工件的边缘处提供比在中间处更多的通量。

尽管已经关于一个或更多个实施方式示出和描述了本发明，但是在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以对所示示例进行改变和/或修改。特别地，关于由上述部件或结构(框、单元、引擎、组件、器件、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在与执行所述部件的指定功能的任何部件或结构(例如，功能上等同的部件或结构)相对应，即使是在结构上不等同于执行本发明所述的示例性实施方式中的功能的所公开的结构亦是如此。此外，尽管可能已经仅针对若干实施方式中的一个实施方式公开了本发明的特定特征，但是可视需求和有利于任何给定的或特定的应用而可以将这样的特征与其他实施方式的一个或更多个其他特征组合。此外，就具体实施方式和权利要求书中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“具备”、“带有”或其变型而言，这些术语旨在以类似于术语“包含”的方式而包含任何可能性。