用于离子注入的组合静电透镜系统的制作方法

相关申请的引用

本申请请求于2014年12月26日提交、标题为“用于离子注入的组合静电透镜系统(combinedelectrostaticlenssystemforionimplantation)”的美国临时申请序列号62/096,975的优先权及权益，其全部内容通过引用的方式完整并入本文。

本发明大体上涉及离子注入系统及方法，更具体地涉及使离子束同时静电偏转、减速、平行化和过滤。

背景技术：

常规上，利用离子注入器将特定数量的掺杂物或杂质置于工件或半导体晶片内。在典型的离子注入系统中，掺杂物材料会被离子化，在其中生成离子束。该离子束被引导至半导体晶片的表面，以将离子注入晶片内，其中，这些离子穿透晶片的表面并且在其中形成具有期望传导率的区域。例如，离子注入特别用于在半导体工件中制造晶体管。典型的离子注入器包括：离子源，用于生成离子束；束线组件，其具有质量分析设备，用于引导和/或过滤(例如质量解析)射束内的离子；以及目标腔室，其包含一个或多个待处理的晶片或工件。

各种类型的离子注入器能够基于待于工件内获得的期望特征来相应注入不同的离子剂量和能量。例如，高电流的离子注入器通常用于高剂量注入，而中等电流至低电流的离子注入器则用于较低剂量的应用。这些离子的能量能够进一步改变，其中，该能量通常决定将这些离子注入工件内的深度，诸如用以控制半导体装置中的结深。一般而言，在低电流至中等电流的注入器中，离子束在其撞击工件之前具有很长的行进长度(亦称作注入器的束线)。然而，高电流的注入器通常具有极短的束线，其至少部分归因于与离子束相关联的低能量，其中，这些高电流离子束存在与较长束线失去一致性的倾向。

随着装置的几何结构持续缩小，浅接面接触趋于会转化成要求离子束的能量越来越低。此外，精确掺杂物布置的需求也导致日益需要射束角度变化最小化，射束内的射束角度变化以及跨基板表面的射束角度变化皆需最小化。例如，在某些应用中可能需要以低至300电子伏特的能量进行注入，同时使能量污染最小化，保持严格控制离子束内的角度变化以及跨工件的角度变化，而且同时提供很高的总工件处理量。

目前，虽然存在数种架构能够实现低能量，然而这些架构通常在质量解析之后利用磁体使离子束平行化。这些磁体的存在和必要配置趋于提供比期望长度更长的束线，因而需要较高的射束电流或能量才能易于使离子束传输通过该设备。据此，应当领会，本技术领域需要一种改进的束线架构，用以提供具有最小束线长度的低剂量注入。

技术实现要素：

本发明通过提供一种系统、设备及方法来克服现有技术的限制，其利用相对较短的束线便能控制低能量注入中的纯度、角度及剂量。因此，下文介绍本发明的简要概述，以便对本发明的某些方面具有基本了解。该发明内容部分并非本发明的详尽综述。其既非旨在确定本发明的关键元件或主要元件，亦非限定本发明的范围。其目的在于，以简化形式呈现本发明的某些构思，作为下文具体实施方式的引言。

根据本发明，提供一种离子注入系统，其中，该离子注入系统包括离子源，其被配置成生成离子束。例如，所述离子源可以被配置成生成点状离子束或带状离子束。所述离子注入系统进一步包括质量分析器或质量解析磁体，其被配置成质量解析所述离子束。质量解析孔径进一步被定位于所述质量分析器的下游，其中，所述质量解析孔径被配置成过滤所述离子束中的不良粒种。

根据本发明的一个示例性方面，提供一种组合静电透镜系统，其中，所述组合静电透镜系统被定位于所述质量解析磁体的下游。所述组合静电透镜系统被配置成控制所述质量解析磁体下游的离子束的路径并且大体上过滤该离子束中的污染物，同时使所述离子束减速并平行化。根据一个示例，所述离子注入系统进一步包括射束扫描系统，其被定位于所述质量解析磁体的下游，其中，所述射束扫描系统被配置成沿单一射束扫描平面来扫描所述点状离子束，在其中限定经扫描的离子束。据此，所述组合静电透镜系统进一步被配置成使所述经扫描的离子束平行化成以经减速的速度行进的多个平行的小射束，并且大体上从这些小射束中移除污染物。进一步而言，所述组合静电透镜系统可以包括静电减速滤波器，其被配置成选择性使所述离子束减速。

所述离子注入系统可以进一步包括聚焦元件，其被定位于所述质量解析孔径的下游以及所述组合静电透镜系统的上游，其中，所述聚焦元件大体上确定所述离子束的尺寸。在另一示例中，所述离子注入系统进一步包括空间电荷中和系统，其被定位于所述组合静电透镜系统的下游，其中，所述空间电荷中和系统被配置成使所述离子束空间电荷中和。一个或多个能量狭缝可以被进一步设置于所述组合静电透镜系统与所述空间电荷中和系统之间，其中，所述离子束的能量借由过滤所述离子束中具有不良能量的离子而变得均匀。

为实现前述及有关目的，本发明包括下文完整描述且特别在权利要求书中所指出的特征。下文内容及附图详细阐明本发明的某些说明性实施方案。然而，这些实施方案仅表明采用本发明原理的多种不同方式中的少数几种。在结合附图考虑的情况下，由下文对本发明的详细描述会更清楚理解本发明的其他目的、优点及新颖性特征。

附图说明

图1a至图1b是图示根据本发明一方面的具有组合静电透镜系统的示例性注入系统的示意图。

图2是组合静电透镜系统的示例性实施方式的三维示意图。

图3是图2的组合静电透镜系统的示意图的俯视图，其中删除顶部电极以便示出示例的经扫描离子束的轨迹。

图4是图2的组合静电透镜系统的示意图的侧视图，其中删除侧置电极以便示出示例的经扫描离子束的轨迹。

图5图示出根据本发明的另一示例性方面的用于将离子注入工件内的示例性方法。

具体实施方式

本发明大体上针对用于将离子注入工件内的离子注入系统及方法，其中，大体上使离子束同时静电平行化、偏转、减速和过滤。据此，现将参照附图对本发明予以阐述，其中相同的附图标记通篇可指相同的元件。应当理解，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限定目的。出于解释目的，在下文中阐明若干具体细节，以便全面理解本发明。然而，本领域技术人员会显而易知，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实施。

现参照附图，图1图示出根据本发明的一个方面的示例性离子注入系统100。本技术技术人员应当了解，这些附图已简化而并未显示全部子系统(例如，用于功能性注入器的真空系统等)。例如，离子注入系统100(亦称作离子注入器)包括离子源与引出组件101、质量分析磁体组件102、质量解析孔径103、聚焦和/或转向元件104、扫描仪设备105、组合静电透镜系统106(亦称作平行化偏转减速滤波器)、能量解析系统107、射束与工件中和系统108、工件109以及工件固持与平移系统110。

离子源与引出组件101可操作成以一定的能量生成离子束111，然后再使其传输通过一系列光学元件(例如，质量分析磁体组件102、质量解析孔径103、聚焦和/或转向元件104和扫描仪设备105)。在组合静电透镜系统106中，离子束111的能量会下降或者保持相同，由此将离子束进一步引导至工件109。应当指出，离子束111能够具有相对较窄的轮廓(例如，垂直于其传播方向具有大致圆形的截面)，在下文中还称作“笔状”或“点状”离子束；或者离子束111能够具有狭长的轮廓(例如，垂直于其传播方向具有大致卵形或矩形的截面)，在下文中还称作“带状”离子束。在离子束111为笔状离子束的情况下，扫描仪设备105被配置成使离子束沿垂直于额定射束传播方向的方向转弯，如此使得笔状射束扫掠过工件109。在离子束111为带状射束的情况下，扫描仪设备105可以被配置成仅将带状射束振动一小段距离，以减轻离子束中射束电流的不均匀性。

本发明涵盖用于低能量注入的离子注入系统100，其中，束线(例如，离子束111从离子源与引出组件101到工件109的长度)保持较短，以减轻空间电荷扩张(亦称作射束爆炸)的冲击。例如，离子注入系统100被配置用于100ev至60kev之间的能量。为进一步减轻空间电荷扩张的冲击，离子束111能够在离子源与引出系统101中以高于期望注入能量的能量而产生。相较于离子束以较低注入能量传输通过相同距离的情况，离子束111会尽可能以较高能量传输通过离子注入系统100，从而减轻空间电荷扩张。因此，在注入之前，离子束111的能量下降至期望注入能量。

在本示例中，质量分析磁体组件102大体上成约九十度的角度并且包括一个或多个磁体(图中未示)，其中一个或多个磁体在质量分析器内大体上建立偶极磁场。在离子束111进入质量分析磁体组件102时，其经由磁场而相应转弯，以便大体上排斥具有不当荷质比的离子。更特别地，仅具有正确荷质比的离子才能穿过质量解析孔径103并且沿束线继续下行。不具有正确荷质比的其他离子则会撞击质量分析磁体组件102和/或质量解析孔径103的壁部(图中未示)。例如，离子束111通常在穿过质量解析孔径103之后发散。

在质量解析孔径103的下游可以进一步设置聚焦和/或转向元件104，其中，该聚焦和/或转向元件被配置成接收经质量分析的离子束111并且选择性使该离子束聚焦和/或转向。例如，聚焦和/或转向元件104可以包括一个或多个四极磁体(图1a至图1b中未示出)及诸如此类，并且能够被设计成在横向于离子束111的传播方向的两个维度中具有聚焦特性，其中，这种聚焦能够抵消射束尺寸的扩张，因而通过约束束线(例如真空围界、孔径等)而提供离子束良好的传输效果。

扫描仪系统105进一步被设置于聚焦和/或转向元件104的下游。例如，在离子束111为笔状射束的情况下，扫描仪设备105被配置成使离子束沿垂直于额定射束传播方向的方向转弯，以使笔状射束扫掠过工件109。借由改变扫掠的速度，可以将期望剂量轮廓注入工件109内。在多数情况下皆期望均匀地注入工件109，但在某些情况下则期望不均匀的特殊剂量轮廓。例如，在离子束111为带状射束的情况下，离子束的宽度可能足以注入工件109的整个宽度。例如，扫描仪系统105可以被配置成仅将带状射束振动一小段距离，以减轻离子束111中射束电流的不均匀性，以便获得期望剂量轮廓。

中性射束原子可以借由离子以及背景或残余粒子当中的电荷交换碰撞而在组合静电透镜系统106上游的区域内产生。倘若离子束111以高于期望注入能量的能量而产生，则这些中性射束原子的能量通常也会大于期望注入能量。更特别地，因为这些粒子为电中性，它们能够穿过组合静电透镜系统106，而不受影响(例如，不会被加速、减速、聚焦、转弯或以其他方式改变速度和/或方向)。倘若它们能够抵达工件109，则这些粒子便会以不理想的深度注入工件中，因为它们的(未受影响的)能量高于期望注入能量。这种中性粒子污染(亦称作能量污染)会严重损害最终半导体装置的期望性能。

本发明的一个或多个方面至少解决了中性粒子污染问题，这是通过利用组合静电透镜系统的电极中的一个或多个电极使离子束转弯，以使这些离子偏转远离射束内的中性污染物。例如，经去污的离子束可以从这些污染物的路径偏转约10至30度的角度，其同样发生在(受污染的)离子束的原始路径中，因为这些污染物由于它们为电中性而大体上不会受到电极的影响。离子的射束被导向到工件上，从而接触待掺杂工件的选择区域。应当领会，某种类型的屏障例如能够被置于中性粒子流的前方，以防污染物触及工件或晶片。

有利地，利用以相同角度撞击工件109的离子来注入工件的所有部分。例如，在离子束111为带状射束的情况下，带状射束可能会从解析孔径发散，因而使得构成带状体的小射束跨越带状射束展开一定角度范围。在离子束111为经扫描的笔状射束的情况下，当跨工件109扫描离子束时，经扫描的笔状射束也可以具有与该离子束相似的角度分布。在这两种类型的离子束111中，为使带状射束中的所有小射束平行，或者为使经扫描的笔状射束在每一时刻都平行于其他经扫描的笔状射束，可能期望使离子束平行化。

图2图示出图1a至图1b的组合静电透镜系统106的一个示例，其中，组合静电透镜系统包括一组代表性的电极150，其被配置成将离子束111平行化、减速、偏转和过滤。在本示例中，图1a至图1b的离子束111从左侧进入图2的组合静电透镜系统106并从右侧退出。例如，顶部终端电极151、底部终端电极152以及侧置终端电极153、154(图3中示出侧置终端电极154)大体上限定束线的壁部或衬里并且被偏压至负于接地的电位(例如，针对带正电的离子束111)。例如，顶部终端抑制电极155、底部终端抑制电极156以及侧置终端抑制电极157、158(图3中示出侧置终端抑制电极158)则承担多项功能。例如，这些顶部终端抑制电极155、底部终端抑制电极156以及侧置终端抑制电极157、158平均被偏压至负于这些终端电极的电位。终端电极151、152、153、154与终端抑制电极155、156、157、158之间的最终电场大体上会防止电子离开其边界，因而防止在图1a至图1b的组合静电透镜系统106上游的离子束111中发生射束爆炸。

在本示例中，相应的顶部终端抑制电极155和底部终端抑制电极156的下游边缘168、169呈弯曲。例如，相应的顶部终端抑制电极155和底部终端抑制电极156的下游边缘168、169被进一步分别匹配至相应的顶部转弯电极159和底部转弯电极160的上游边缘170、171。

例如，顶部转弯电极159能够被偏压或接地，但是在任一情况下，均正于底部转弯电极160以及终端抑制电极155、156、157、158中的任一电极。例如，底部转弯电极160会被偏压成负电并且负于顶部转弯电极159，但正于终端抑制电极155、156、157、158中的任一电极。例如，在这些电极(例如，终端抑制电极155、156、157、158以及转弯电极159、160)的区域中产生的电场用来使图1a至图1b的离子束111平行化、减速并开始转弯，以便滤除离子束中的中性粒子。

如图2和图3所示，相应的顶部终端抑制电极155和底部终端抑制电极156的下游边缘168、169的曲率以及相应的顶部转弯电极159和底部转弯电极160的上游边缘170、171的曲率配合终端抑制电极155、156、157、158与顶部转弯电极、底部转弯电极和侧置转弯电极161、162之间的电位差，用来使离子束平行化。不管曲率如何，平均电位差会进一步导致图1a至图1b的离子束111减速。根据一个示例，顶部终端抑制电极155的下游边缘168的曲率不同于底部终端抑制电极156的下游边缘169的曲率。进一步而言，在另一示例中，顶部转弯电极159的上游边缘170的曲率不同于底部转弯电极160的上游边缘171的曲率。下游边缘168、169以及相应上游边缘170、171的各种配置和不同曲率能够有利地组合成在组合静电透镜系统106中提供期望平行化、减速、偏转和过滤质量。例如，图2和图3的顶部转弯电极159与底部转弯电极160之间的电场促使图1a至图1b的离子束111向下转弯。在图4的射束轨迹167中图示这种离子束111的转弯。

顶部转弯电极159与底部转弯电极160之间的电场基本上从顶部指向底部，故离子束111朝向底部的能量会大于朝向顶部的能量。因此，顶部与底部的平行化作用力有所不同，而且这些平行化部分(例如，相应的顶部终端抑制电极155和底部终端抑制电极156的下游边缘168、169的曲率以及相应的顶部转弯电极159和底部转弯电极160的上游边缘170、171的曲率)的形状也有所不同。例如，如图2和图3所示，这种形状差异能够径由曲率偏差来提供，或者其也可能是弯至图3的页面之中或之外的曲率。在另一示例中，终端电极151、152、153、154、终端抑制电极155、156、157、158以及转弯电极159、160、161、162也能够被设置成一系列区段(图中未示)的各种组合，各自受到独立偏压，以便提供期望电场配置。

另外，在另一示例中，还可以提供接地电极163、164、165、166，正如其名，这些接地电极会被电气接地或偏压成负电(平均而言)，以在转弯电极159、160、161、162中的任一电极被偏压成正电的情况下提供电子抑制作用。

根据另一示例，图1a至图1b的组合静电透镜系统106被配置成选择性进一步过滤离子束111中的中性离子以及具有不理想能量的其他离子，其中，具有期望能量的离子粒种将继续遵循离子束的期望路径并且能够经由组合静电透镜系统的减速级而被选择性减速或加速。此外，组合静电透镜系统106可以进一步包括静电偏转板(例如，一对或多对静电偏转板)，以选择性聚焦离子束111。组合静电透镜系统106可以进一步包括单透镜(einzellens)、四极和/或其他聚焦元件，以使离子束111聚焦或转向。

如图1a至图1b所示，射束与工件中和系统108(诸如等离子体电子泛流(plasmaelectronflood，pef)器件或等离子体浴(plasmashower))可以进一步被设置于组合静电透镜系统的下游，以便中和由于被带电(带正电)的离子束111注入而积聚在工件109上的(正电)空间电荷。一个或多个能量解析狭缝(图中未示)可以通过能量解析系统107进一步设置于组合静电透镜系统106与射束与工件中和系统(例如空间电荷中和系统)之间，其中，离子束111的能量会通过过滤离子束中具有不理想能量的离子而变得均匀。可以进一步提供真空泵(图中未示)，用以排空组合静电透镜系统106。

因此，本发明的组合静电透镜系统106优于现有技术中基于磁体的系统，原因是本发明的组合静电透镜系统提供更大的可控度，至少部分因其配置而组合较短的总束线。

根据本发明的另一示例性方面，例如，图1a至图1b中所示的工件109和工件固持与平移系统110包括“连续”型终端站，其中，单一工件经由工件扫描系统而被平移通过离子束111的路径，以便离子注入其中。替选地，工件和工件固持与平移系统110可以包括“分批”型终端站，其中，多个工件可以被置于旋转盘(图中未示)上并且穿过离子束111。在较佳的实施方式中，工件固持与平移系统110被配置成支撑单一工件109并且在大体上正交于离子束路径的一个或多个维度或方向上通过离子束111机械性扫描该单一工件。例如，工件固持与平移系统110可以包括berrian等人的美国专利第7135691号中所述的二维扫描系统，其全部内容通过引用的方式完整并入本文。替选地，能够使一个或多个工件109在正交于或非正交于离子束111的路径的一个或多个方向上平移通过该离子束路径的任何工件扫描系统均视为落入本发明的范畴内。

根据本发明的又一示例性方面，控制器180在操作上耦合至离子注入系统100，用于控制该系统。例如，控制器180在操作上被耦合并配置成控制以下一项或多项：离子源与引出组件101、质量分析磁体组件102、质量解析孔径103、聚焦和/或转向元件104、扫描仪设备105、组合静电透镜系统106、能量解析系统107、射束与工件中和系统108以及工件固持与平移系统110。

据此，离子注入系统100能够经由控制器180来调整，以便基于期望离子注入剂量、电流和/或能量并且基于由剂量测定系统(图中未示)提供的一个或多个经测量的特征来促进期望离子注入。根据一个示例，离子束111最初能够根据预定的射束调整参数来建立(例如，预定的射束调整参数可以被储存/加载到控制器180中)。然后，例如基于来自剂量测定系统的反馈，组合静电透镜系统106能够被调整成控制离子束111的平行化、减速、偏转和过滤。同样地，例如，离子束111的能量级别也能够通过控制施加于离子源与引出组件101的引出电极和/或施加于组合静电透镜系统106的电极的偏压而调适成调整结深。在另一示例中，能够进一步控制在质量分析磁体组件102中生成的磁场的强度和取向，诸如通过调节流经与其相关联的励磁绕组的电流量，在其中修正离子束111的荷质比。本领域技术人员审阅本发明后便会理解，可以进一步经由控制器来控制注入的角度以及注入的各种其他特征。

根据本发明的另一方面，图5图示用于将离子注入工件的示例性方法200。应当指出，尽管在本文中以一系列动作或事件阐述示例性方法，但应理解，本发明不仅限于这类动作或事件的所示次序，根据本发明，某些步骤会以不同顺序执行且/或与除本文所述之外的其他步骤同时进行。此外，并非所述各步骤均必须用于实现根据本发明的方法。此外应理解，所述方法可结合本文所述的系统以及结合文中未示的其他系统来实施。

方法200始于动作202，其中形成离子束，诸如，经由图1a至图1b的注入系统100形成离子束111。例如，在动作202中形成的离子束可以是低能量/高电流的离子束。在图4的动作204中，质量分析离子束，其中，选择期望荷质比的离子。在动作206中，静电修改离子束，其中，离子束大体上经由组合静电透镜系统同时被静电平行化、偏转、减速和过滤。

例如，在动作206中静电修改离子束可以包括偏转离子束的路径以及过滤离子束中的污染物，同时使离子束减速并平行化成多个平行的小射束，以便所述多个平行的小射束以经减速的速度行进。在另一示例中，在动作202中形成离子束例如包括形成点状射束，其中，所述方法进一步包括在动作206中静电修改离子束之前先扫描离子束，在其中限定经扫描的离子束。据此，在动作206中静电修改离子束进一步包括使经扫描的离子束平行化以及偏转离子束的路径和过滤离子束中的污染物，同时使离子束减速。在动作208中，离子束撞击工件，其中，将离子注入工件内，其中，例如可以在一个或多个方向上通过离子束扫描工件。

尽管本发明的内容已就某一或某些优选实施方式得以阐明，但基于对本发明说明书及附图的阅读和理解，等同变化及修改对于本领域的技术人员而言显而易见。特别关于由上述组件(总成、装置、电路等)执行的各种功能，若非特别注明，否则用于描述这些组件的术语(包括提及“构件”)旨在对应于执行所述组件的特定功能(即功能上等同)的任意部件，即便其在结构上不等同于执行本文所述的本发明典型实施方案所公开的结构亦然。此外，虽然仅就多个实施方案中的一种方案公开本发明的特定特征，但若适于或利于任何指定或特定应用，则这一特征可结合其他实施方案的一个或多个其他特征。