专利名称：离子束注入机的离子剂量测定装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种离子束注入机，更具体点说，涉及测定和控制注入工件内的离子剂量的装置和方法，其时工件被暴露在离子注入机的离子束下。
离子注入机被广泛地用在半导体晶片的搀杂过程上。离子束注入机产生具有所需品种正离子的离子束。离子束冲击在半导体晶片工件的外露表面上，从而用所需的离子“搀杂”或注入工件表面。某些离子束注入机采用逐批注入法，其中单个半导体晶片被定位在注入室内的一个支座上。该支座的取向使工件在离子束的束线内，于是离子束反复在工件上扫描以资注入所需用剂量的离子。当注入完毕时，从支座内取出工件并将另一工件定位在支座上。
另一种型式的离子束注入机采用可旋转并移动的盘状支座而将多个半导体工件装在其上。支座被支承在离子束注入机一端注入站的一个注入室内。由于支座的旋转和移动，使每一个工件在一次生产流程中都能被离子束照射到。
能够捕获离子束中的离子同时拦阻电子从筒内逃出并排斥伴随离子束的电子的法拉第筒被普遍用来测定离子束电流使离子注入用剂量容易被控制。但在离子束中的中性原子是法拉第筒不能检测出来的。如果离子束有相当多的部分被中和，那么法拉第筒的离子束电流读数将对工件所接受的真正的离子注入给出错误的测量。
在注入过程中注入半导体晶片工件内的离子数量的精确程度极为重要。在制造半导体器件时对均匀性和总注入量的容许公差目前在很多用途上为1％或更低的水平。对远低的公差水平必需考虑到离子束沿途中离子被中和的数目。离子的中和是由于带电荷的离子与在离子束注入机的内部区域内沿着离子束途径或束线存在的剩余原子和电子碰撞而造成的。这种中和的离子具有与带电荷的离子基本相同的能量，并且就注入量而言，基本上也与带电荷的离子相当。
在离子束注入机内部区域内的剩余原子，特别是剩余的气体原子是由至少三个不同的来源造成的。第一个来源是，结合离子束中和器或电子淋浴器，气体被喷射到内部区域内。在注入之前须由设在束线上的离子束中和器中和离子束中带正电荷的离子。如果在注入晶片之前离子上的正电荷没有被中和，那么搀杂的晶片将具有一个净的正电荷。在晶片工件上的这种净正电荷具有不希望有的特性。将中和气体喷射到离子束电子淋浴器内，由于离子束离子和喷射中和气体的碰撞，便会在束线上造成中和的离子。在某些离子束注入器内，与离子束中和器有关的中和气体在离子束注入机内部区域内的剩余气体中占着最大的体积。典型的中和气体包括氙(xe)和氩(Ar)。
在某些离子束注入机的内部区域内占第二位(在另一些注入机内有时可占第一位)最大体积的剩余气体为从覆盖在半导体晶片工件上的光阻材料的放气。当离子束冲击在工件表面上时，光阻材料便挥发或放气。光阻材料的放气主要含有氢气(H2)、多种碳氢化合物、和被光阻材料捕获的少量在大气中的氮气(N2)。
在离子束注入机内部区域内的剩余气体的一个小得多的来源是从离子源的等离子室逸出的源气体。源气体被喷射到等离子室内进行离子化。离子通过等离子室盖上的一个孔或弧形缝从等离子室逸出，然后沿着离子束的束线被加速。少量的源气体也通过弧形缝逸出，成为离子束注入机内部区域内的剩余气体中的一小部分。类型的源气体包括砷化三氢(AsH3)、汽化的锑(Sb)、磷化三氢(H3P)、乙硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)、汽化的镓(Ga)、汽化的铟(In)、氨(NH3)、氢(H2)和氮(N2)。
当注入机内部区域内沿着束线的压力足够低时，注入机品种基本上为由离子束注入机的分析磁铁所选择的单独带电荷的正离子。分析磁铁定位在束线上并使离子束弯向注入室。分析磁铁的磁场的强度和方向被这样设定，使只有具有适当原子量的离子品种才能以适当的曲率半径被弯曲，才能遵循所需的束线途径来到注入室。但若在离子注入机内部区域内沿着束线的压力并不足够低时，那么在离子束的带电荷的离子中有相当大的比例会通过其与剩余气体原子的碰撞而改变其带电荷的状态，同时能量并没有显著的改变。在这种情况下，冲击法拉第筒的离子束将含有一部分中性原子。这些中性原子属于所需品种并具有注入所需能量，因此，这种中和原子应被计入到离子束的总能量内。但法拉第筒对这种中和的原子不能计数。
1985.09.03发出授予Farley的美国专利4,539,217号曾公开过一种方法和装置可对注入过程中离子束的中和进行补偿。Farley的专利转让给本专利申请的受让人，前者的内容在这里被充分引用供参考。Farley的专利利用这样一个事实，即离子束中和的数量为在离子束注入机内部区域内沿离子束束线的气体压力的函数。另外，按照Farley的专利，有效的离子束电流IT由两个分量组成，即离子束单独离子化的、带正电荷的电流I+，和离子束的中性电流I0。有效的离子束电流IT是在将离子注入工件时对有效电流的量度，不管注入粒子的电荷如何。这样在确定一个具体的工件所接受的离子量时，离子化的离子束电流I+和离子束中性电流I0都应考虑进去。Farley的专利假定。由法拉第筒量出的电流If只含有单独离子化的带正电荷的电流I+。
真正的或有效的电子束电流IT的第二分量即中性电流I0是法拉第筒量不出的。但在注入半导体晶片工件时，构成中性电流I0是原子与和构成离子化的带正电荷的电流I+是离子同样有效。另外，在离子注入机内部区域内气体的压力越大，中性电流也越大，因为在离子和气体原子之间将有更多的碰撞，而离子化的带正电荷的电流I+则越小。Farley的专利假定，在注入过程中所遇到的一段压力范围内，由法拉第筒量得的离子束电流If为离子注入机内部区域内压力P的线性函数。
Farley专利中所揭露的方法可用来补偿在有效的离子束电流IT和离子化的带正电荷的电流I+之间的差异。量出的离子化的带正电荷的电流I+及在离子注入机内部区域内的压力P被使用在一个离子剂量控制系统中，这样当注入机内部区域的压力发生变化时便可产生一个校正信号来补偿法拉第筒所检测的离子的改变。一个具体生产流程用的校正信号取决于一个选定的校正因数或“K”值。
Farley专利的控制离子束剂量的方法包括下列步骤1)使用法拉第筒量出投射到晶片工件上的离子化的带正电荷的束电流I+；2)量出在注入室内的气体压力P；3)使用关系式将离子化的束电流I+和压力的测量值P转变成真正的或有效的束电流IT；及4)作为有效束电流I+的函数变动离子注入的剂量。
然后将真正的或有效的离子束电流IT输入到以微处理器为基础的注入机剂量控制系统中以便按照已知的实际经验用来监视和控制离子注入的剂量。
按照Farley的专利，有一线性关系式可用来将离子化的离子束电流I+转变为有效的离子束电流IT，IT＝I+[1+KP]在Farley的专利中列出注入机操作的两种模式。在第一种或固定模式中，就离子束参数和晶片工件参数的各种不同的组合，估计出一套K值。将该套K值存储在微处理器的存储器内，使用时将离子束和工件的具体特性输入到微处理器内便可从存储器内抽出合适的K值。在操作的第二种或动态模式中，先选择一个开始的K值，并在工件支座的每一次完全旋转后修改该K值。在工件支座旋转的每一周，测量离子化的束电流I+和压力P，并计算K值，该值称为kj(kj为支座第j次旋转的k值)。找出三个最新的kj′值(kj、kj-1和kj-2)的滚动平均值，该值可称为KjA，将该值用来计算第j次支座旋转时的新的有效的束电流，该电流可称为IjT。
在任一种操作模式中都必须对剂量控制系统提供一个初始K值。由于K值是凭经验对不同的源气体和工件材料的组合估计出来的，因此对每一种源气体和每一种半导体晶片材料须产生一个试验注入矩阵。现在还不能肯定地说对某一种源气体和晶片材料的组合，哪一个具体由经验确定的K值是最佳的或接近最佳的。另外，实际的半导体晶片被用于试验以便通过经验确定K值。试验造成众多晶片的不合适的注入。这种半导体晶片每一片都要花费相当大的费用，众多晶片的不合适的注入造成相当大的废料损失。另外，在进行试验流程试图为不同的离子束参数和晶片工件参数找出接近可以接受的K值时还丧失了不少宝贵的生产时间。
因此人们所需要的是离子注入机用的、有效的离子束剂量的控制装置，还需要的是能有效地确定最佳的或接近最佳的K值的装置和过程，使该K值能被用来控制投在工件上的离子束剂量，此外还需要的是不需使用实际的半导体晶片便可确定最佳K值的装置和过程。
按照本发明，本文公开一种离子注入机可用来将离子束投身到一个或多个半导体晶片工件上。该离子注入机包括一个形成注入室的注入站。一个或多个工件被支承在设在注入室内的支座上。离子注入机还包括一个产生离子束的离子源及离子束的成形和导向装置，从而形成一个内部区域，通过该区域离子从离子源投射到注入站。设有一个压力调节系统以便使内部区域增压或减压。
注入机还包括一个新颖的剂量控制装置用来控制注入到工件内的离子量。剂量控制装置包括一个压力测量装置用来测量在注入室内的压力，和一个离子束电流测量装置用来测量注入室内的离子束的离子化电流。剂量控制装置还包括一个具有小孔的限制板。限制板可在一个生产流程位置和一个校正流程位置之间移动。在生产流程位置上，限制板离开离子束的束线。在校正流程位置上，限制板被定位在束线内使一部分离子束通过限制板小孔并投射到注入室内的工件上。
在校正流程位置上，限制板遮没离子束成形和导向装置，将内部区域划分为包括注入室的第一区域和包括离子源的第二区域。在压力调节系统的作用下，第一区域被加压到第一压力而第二区域具有第二压力。
剂量控制装置还包括与压力调节系统压力测量装置和离子束电流测量装置连接的剂量控制电路。在进行校正流程时剂量控制电路的作用是就一种具体的检验气体计算出将离子化束电流与有效的离子束电流关联起来的校正值(“K”值)，而该检验气体模拟在生产流程中预期剩余的气体。
离子注入机的剂量控制电路在计算校正值时采用一种选定的气体(或气体混合物)，不断用多个压力值来改变第一压力，并且对每一压力值，确定其对应的离子化束电流值(即法拉第筒电流)。使用曲线选配数据软件，剂量控制电路可将一个函数选配到由量得的压力对法拉第筒离子束电流If的各个数据点上，并确定检验气体的K因数。所选的检验气体应能在生产流程中重现为在离子注入机内部区域预期存在的剩余气体中的一种或多种组分。
在进行生产流程时，剂量控制电路的作用是使用一个或多个校正值、量得的注入室压力和量得的离子化束电流计算有效的离子束电流，从而控制每一个工件所接受的离子量。如果有多于一个K值被用来计算有效的离子束电流，那么必须近似地作出每一种具有各自K值的气体组分在注入机内部区域的总压力中所占比例。
本发明的上述这些和其他一些目的、特点和优点在阅读下面结合附图所作的关于较优实施例的详细说明后当可更好地理解。
图1为本发明的离子注入机的概略的顶视平面图；图2为图1中的离子注入机的被选出的构件的概略的透视图；图3A为一离子束剂量测定和校正组件在从图1中标有3A-3A线的平面看去的剖视图；图3B为离子束剂量测定和校正组件的另一个剖视图；图4为一曲线图示出在图1的离子注入机的注入室内的压力为时间的函数；图5为一曲线图示出离子化离子束电流对有效束电流的比率I+/IT为注入室压力P的函数；及图6为一曲线图示出就检验气体氙而言，离子化离子束电流I+为注入站压力P的函数。
在图1中，注入机10包括一个装在“L”形支座13上的离子源12以便使所提供的离子成为离子束14沿着离子束途径奔向注入站或端站16。设有电子控制机构(概略地用20示出)以便用来监视和控制在注入站16的注入区或室22内的多个半导体晶片工件21(图2)所接受的离子量。对电子控制机构20的操作者输入是通过使用者操纵台完成的。
离子源盒12产生的离子束14冲击设在注入室22内的可旋转和移动的盘状支座90上的晶片工件21上。虽然这里示出的是这种支座，但应知道，本发明也可用于“逐批的”离子注入机上，即在其中离子束在投射时所扫描的是固定工件的表面。当离子束在离子源12和注入站16之间移动一段距离时在离子束14内的离子就倾向发散。离子源12包括一个形成内部区域的等离子室28，源材料被喷射到其内。源材料包括可离子化的气体或汽化的源材料。固体形式的源材料被放置到汽化器内，然后再喷射到等离子室28内。如果需要几型的含杂质的晶片材料，那么可用硼(B)、镓(Ga)或铟(In)。镓和铟为固态的材料，而硼是以气体喷入到等离子室28内的，典型的含硼气体为三氟化硼(BF3)或乙硼烷(B2H6)，因为硼的蒸汽压极低，只加热固态硼便可造成可用的压力。
如果需要生产P型的含杂质的晶片材料，那么合用的源材料可包括源气体砷化三氢(AsH3)和磷化三氢(H3P)及汽化的固体锑(Sb)，要将能量施加到源材料上以便在等离子室28内产生带正电荷的离子。如从图2可见，带正电荷的离子通过覆盖等离子室28开口侧的盖板30上的椭圆弧形缝29从等离子室28逸出。
在生产流程中，即当半导体晶片工件21被离子束冲击、从而被注入离子时，离子束14是通过一条被抽真空的途径从离子源12投向也是被抽真空的注入室的。离子束途径的抽真空是由一个具有一对真空泵31的压力调节系统55完成的。按照本发明构造的离子源12的一个用途是可用于“低”能注入机。这种型式注入机的离子束在其途径上倾向扩散，因此注入机10被设计为具有较“短”的从离子源12到注入室22的途径。
在等离子室28内的离子通过等离子室盖板30上的弧形缝29被离子束成形和导向结构50吸出并形成离子束通过在离子源12和注入室16之间的距离。离子束成形和导向结构50包括一个质量分析或分解磁铁32和一组磁铁34。等离子室的离子被这组在等离子室附近的电极34加速而奔向固定在支座24上的质量分析磁铁32。电极组34从等离子室内部吸引离子并将它们加速使进入到质量分析磁铁32所限定的区域内。通过磁铁区域的离子束途径在另一侧被一铝导轨36限定着。在进行生产流程时，由离子束成形和导向结构50形成的内部区域52(图1)被泵31抽成真空。
组成离子束14的离子从离子源12移动到质量分析磁铁32所建立的磁场内。分析磁铁32所产生的磁场的强度和取向可由连接在磁铁连接器40(图1)上的电子控制机构20来控制，办法是调节通过磁铁磁场绕组的电流。
质量分析磁铁32只使那些具有合适质量电荷比的离子到达离子注入室16。源材料在等离子室28内的离子化能产生一种具有所需原子量的带正电荷的离子。但除了所需的离子品种外，离子化过程也能产生一部分具有不合适原子量的离子。这些离子不管其原子量是在合适原子量之上还是之下都是不适合用来注入的。
质量分析磁铁32所产生的磁场使离子束14内的离子在一曲线轨道内移动。但由电子控制机构20控制的磁场只让那些原子量等于所需离子品种原子量的离子穿越这个曲线的离子束途径来到注入站的注入室22。
位在分析磁铁32的下游为一分解板60(图1)。分解板60由玻璃态石墨构成，并形成一个细长孔眼让离子束14内的离子通过。在分解板60上，离子束的分散度即离子束包络线的宽度在生产流程中为最小。
分解板60与质量分析磁铁32一起作用便可从离子束14消除不需要的离子品种，这些离子的原子量可接近但不完全等于所需品种离子的原子量。如上所述，由电子控制机构20控制的质量分析磁铁的磁场的强度和取向只让那些原子量等于所需品种的原子量的离子穿越预定的、所需离子束的途径来到注入站16。与所需要离子的原子量相比，原子量过大或过小的不需要的离子品种会急剧地偏离并撞击在离子束导轨36上或由分解板60形成的缝隙边界上。
离子束形成和导向结构50还包括一个离子束中和器74，在行业中通常称为电子淋浴。从等离子室28吸引出来的离子带有正电荷。如果离子上的正电荷在注入晶片之前不被中和的话，那么搀杂的晶将呈现一个净的正电荷。这种在晶片工件上的净的正电荷具有不希望有的特性。
离子束中和器74的下游端与注入室22邻接，在注入室内半导体晶片工件21被注入离子。在注入室内支承着一个盘状的半导体晶片工件支座90。要被处理的晶片工件21被定位在靠近晶片支座90的外边。支座90被一电机92以恒定的角度转动，电机92的输出轴被一皮带96连接到支座的驱动轴94上。这样当晶片工件在一圆形途径上转动时，离子束便冲击在工件上。有一步进电机98驱动导螺杆99使支座垂直地移动(见图2中标有“A”的箭头)。这样可使多排半导体晶片在一个生产流程中被注入。工件21所接受的离子量取决于支座90在电子控制机构控制下的移动速度。注入站16可通过一个柔性的皱纹管100对离子束中和器壳体可绕枢旋转地连接(图1)。
离子注入机10包括一个新颖的离子束剂量控制组件65(图2)。剂量控制组件65在两种模式即校正模式和生产流程模式下进行工作。在校正模式下，校正电路56被用来获得特定检验气体的被称为K值的校正常数。不同的校正K值可由校正电路56为各种不同的检验气体计算出来，检验气体是根据所期望的生产剩余气体的成分选出的。在进行生产流程时，剂量控制电路66利用一个或多个K值便可精确地控制工件21所接受的离子量。实质上，剂量控制电路66只是利用校正常数即K值来补偿生产流程中在离子注入机内部区域52内的剩余气体对注入过程的影响。
在校正模式下选用的检验气体在生产流程中应能重现为所期望存在的一种或多种剩余气体。虽然在生产流程中泵31将离子束形成和导向结构的内部区域52抽成真空，但仍有剩余气体。在进行生产流程时每一种剩余气体会以不同的方式冲击工件的离子注入。根据剩余气体在内部区域52内的体积和特性，它对注入的影响也许并不显著。但若所期望的剩余气体的体积和特性使我们需要在生产流程中考虑其影响时，那么在前面的校正流程内一个对应于那种气体的K值将被计算出来并存储在存储器57内，而且该值将被剂量控制电路66在生产流程中使用来控制注入量。
剂量控制组件65包括一个可动限制板70。限制板70被连结在法拉第板的一端并可被一杠杆组件76驱使在离子束束线的内外移动。在图3A和3B中限制板70和法拉第板72都在离子束束线之外，限制板最好由玻璃态石墨制成，而法拉第板为金属，表面涂覆着石墨。在图2中限制板07在束线上。本行业的行家当可知道限制板70也可用其他结构而不是连结在法拉第板72上。重要的是限制板70应可自由选择地移动到束线14之内或之外。当注入机10在校正模式下操作限制板70移动到束线之内时，离子束14通过限制板70上的孔71被导向或分解。另外，当限制板70在束线上时，限制板与在注入机内部区域内形成两个亚区域的离子束形成和导向结构50的一部分对接。
剂量控制组件65并包括一个最好为法拉第筒110的离子束电流测量装置，和一个最好为设在注入室22内离子计114(图2)的压力测量装置。剂量控制组件65还包括一对气流泵120、122(图1)，它们也是压力调节系统55的一部分。此外还包括校正电路56、存储器58、能补偿压力的剂量控制电路66和电机控制系统68，所有这些都是控制电路20的一部分。
法拉第筒110装在工件支座90的后面，它被用来测量穿过支座90上槽孔112的离子束电流。槽孔112也是剂量控制组件65的一部分。法拉第筒110只能测出半导体晶片工件21所接受的有效离子束电流IT的一部分。离子束14主要由正离子组成并具有一个投射的离子电流可名之为IT。由法拉第筒110测得的离子束电流将被称为If。主要为正电的离子束14与留在内部区域52内抽真空的束线上的剩余气体原子碰撞使电子或是加到正离子上或是从某些正离子取走，其概率取决于离子品种、离子速度、及离子所穿过的气体。在工件21注入表面上合成的有效离子束电流IT具有带不同电荷的分量IT＝I0+I-+I++I+++其中I0＝具有中性粒子的离子束电流分量I-＝具有单一负电荷离子的离子束电流分量I+＝具有单一正电荷离子的离子束电流分量I++＝具有两倍正电荷离子的离子束电流分量这些离子束分量中的每一分量都能有效地注入工件21，但并不是所有分量都能同等被法拉第筒110测得。法拉第筒离子束电流If包括所有正电荷的离子束电流分量I+、I++、I+++等以及带负电荷的离子束电流分量I-。法拉第筒离子束电流If不包括I0或I-。
在生产流程中在注入机内部区域52内的剩余气体的主要来源是泵入到离子束中和器壳体75内的离子束中和气体。典型使用的是氙气或氢气，根据注入情况还可包括其他适用的气体。离子束中和气体被用来作离子束的电荷控制。由于本例的注入机10使用较低的离子束能量以便使较高密度的集成电路芯片容易制造，注入时在注入机内部区域52内出现的剩余气体主要为离子束中和气体。
在一生产流程中在这种低能离子注入机10的内部区域内，体积上占第二位的剩余气体为覆盖在半导体晶片工件上的光阻材料挥发时所产生的气体。当离子束冲击工件表面时，光阻材料便被汽化或放气。
在一生产流程中在离子束内部区域内的一个小得多的来源是从离子源等离子室28逸出的源气体。源气体被喷入到等离子室28内并被离子化。成组电极34导引带正电荷的离子通过等离子室盖上的弧形缝29沿着离子束束线逸出。少量的源气体也通过弧形缝逸出，成为在离子注入机内部区域内的剩余气体的一小部分。这种源气体的典型实例包括砷化三氢、磷化三氢、汽化锑、乙硼烷三氟化硼、汽化镓和汽化铟。
如同下面将说明，在一生产流程中期望存在的剩余气体的成分可根据下列各项来确定a)知道在离子束中和过程中使用的中和气体；b)知道工件21是否覆盖有光阻材料；及c)知道所使用的是什么源气体。校正时使用试验工件而不是使用实际的半导体晶片工件借以避免工件由于不适当的注入而必须报废所牵涉的费用。
将为每一种检验气体确定一个不同的K值。首先估计在一生产流程中期望存在的剩余气体的成分，其次对每一种剩余气体的组分考虑其预期体积和特性是否使该组分重要到在生产流程中须加考虑或补偿。那就是说，对每一种剩余气体的组分必须确定该气体组分是否会显著地影响工件21的注入量，从而需要将该气体组分包括在剂量控制电路66所承担的补偿过程内。一旦一种预期的、有相当影响的剩余气体组分的K值被校正电路56计算出来，这个K值就被存储在存储器58内，并被剂量控制电路66用来确定有效的离子束电流IT。有效的离子束电流IT是由剂量控制电路66根据在注入室22内测出的压力和法拉第筒离子电流If计算出来的，并被用来准确地控制多个半导体晶片工件所接受的离子束剂量。应该知道并不是每一个生产流程都需要一个校正流程，只要预期的、有相当影响的剩余气体的合适K值已被校正电路56存储在存储器58内，就可不要校正流程。注入站22的压力P是由放置在注入室22内的离子计114测出的。第一气流控制器120(图1)在液流上与离子束中和器壳体80和注入室22所形成的内部区域连通。在校正电路56的控制下进行下面将要说明的操作的校正模式时，第一气流控制器120将检验气体引入到注入室22内并改变其压力。第二气流控制器122在液流上与从离子源12延伸通过剂量校正组件壳体80的离子束形成结构50所形成的内部区域连通。在校正电路56的控制下操作时，第二气流控制器122将一压力恒定的检验气体从可动限制板70的上游沿着束线引入以便用来校正。
法拉第板72和连结在其上的限制板70(图3A和3B)被固定在杠杆组件76上。杠杆组件76有一杠杆在分解壳体80的外部延伸，它可在相对于分解壳体80的三个位置之间绕枢旋转。在杠杆76的第一位置上，限制板70和法拉第板72位在离子束14的束线之外，这是在生产流程中杠杆78的位置如图3A和3B所示。
在杠杆78的第二或中间位置，可动的限制板70位在离子束的束线相交的位置如图2。这时离子束14中只有一小部分离子可通过限制板70上的小长方孔71。在目前较优的实施例中，该孔的尺寸为4.0cm×1.0mm。应该知道除了长方形外其他形状也是可用的。在一定条件下在限制板70上穿有众多小孔成为孔区可能是好办法。
重要的是，限制板70可遮没连通分解壳体80和离子束中和器75的圆筒件69。如从图3可见，限制板70可堵塞圆筒件69上的孔69a。由于限制板的孔71尺寸很小，因此在校正模式下限制板70遮没圆筒件69时，由离子束形成和导向结构50形成的内部区域便被划分成为两个区域即上游区域和下游区域，而在两个区域之间存在着压力差。即在校正时，注入室22(在限制板70的下游)可在多个压力中变化或逐步变化，而上游区域(在限制板70的上游)可保持在恒定的压力。杠杆78的第二位置是供注入机在生产流程之前的操作的校正模式选用的。
在杠杆78的第三位置上，可将法拉第板定位在与离子束14相交的位置上，这时便可在生产流程之前的校正模式下对某些离子束的特性进行测量，如果测量结果满意，就可将杠杆78转到第一位置使法拉第板72移动或摆动到束线之外，这样在进行生产流程时，可动的限制板70和法拉第板72就都不会在束线内。
如图4所示，在降压和对一批覆盖有正光阻材料(正性光致抗蚀剂)的半导体晶片工件21注入时，注入站压力的变化为时间的函数。注入站压力相应于夹持半导体晶片工件21的支座90的径向扫描而颤动。在离子束第一次移动越过工件21时看到有倍数约为10的巨大的压力变化。
本发明的剂量控制电路66考虑到电荷改变的相互作用与压力的相关性，该相关性使在注入表面上的有效的入射离子束电流可分解为多个带有不同电荷的分量。单一离子化的带正电荷的电流I+可用法拉第筒110测出，上述′217 Farley专利所公开的剂量控制方法只计及中性的离子束电流I0和单一带正电荷的离子束电流I+，而本发明的剂量控制方法则在补偿压力对有效离子束电流IT的影响时计及所有的分电流。
图5示出由法拉第筒112测得的单一带正电荷的电流I+与总注入电流IT的比率的变化为由离子化计114测得的压力的函数。该比率IT/I+当压力在10-6到10-4托的范围内增加时按指数律下降，以致在压力为10-4托时，法拉第筒的电流读数即单一离子化的带正电荷电流I+约为真正电流的80％。托为压力的单位，等于1/760的大气压。
如同行业中所公知，随着气体压力的增加，中性电流I0会增加，而离子化的带正电荷的电流I+会减少一直到达到平衡值。这个平衡值主要取决于离子品种和速度。
为了校正离子束剂量，即计算出一个或多个校正值或K值，我们将试验品而不是将实际的半导体晶片工件放在晶片支座90上。这样在校正过程中可节省销毁昂贵的半导体晶片的费用。杠杆70被移动到第二位置上，从而使限制板70覆盖在分解壳体80和离子束中和器壳体75之间延伸的圆筒形体69的孔69a。
第一气流控制器120将压力较高的氙检验气体喷入到注入室22内。为了确定校正值K，注入室22的检验气体的压力P被逐步提升使能作一系列的测量，其时法拉第筒的离子束电流If作为注入室压力P的函数也被测量。
第二气流控制器122将具有恒定压力的氙检验气体喷入到限制板70上游的内部区域内。限制板70上游的检验气体的作用是镇压来自注入室22、通过限制板孔71的高压气体的少量泄漏。应该知道在束线区域内如果有相当多的脱气或泄漏，也许可不需要将低压检验气体喷入到限制板70的上游。泄漏的发生是由于离子束撞击在离子束导轨上、源气体从等离子室逸出等原因。离子束通量被定义为每单位体积的粒子数与其平均速度的乘积。因为在校正过程中，限制板70上游的气体压力保持恒定，因此通过限制板孔71的离子束通量也恒定，不会随着注入室22内的检验气体压力P变化。
由于第一气流控制器120在校正电路56的控制下操作，使注入室22内检验气体的压力逐步提高，于是剂量控制电路66将在一系列的压力水平下量得的注入室内的压力P和法拉第筒的离子束电流一并存储起来。最好采用大约20个数据点，然后用数据分析元件57来分析。
图6示出氙气的校正常数或K值的确定，其时在生产流程中计划采用10千电子伏(KeV)的硼离子束线(将源气体三氟化硼(BF3)引入到等离子室28内，三氟化硼被分解成元素硼，然后进入到束线14内)。对于一个特定的检验气体，将由法拉第筒110测得的离子束电流If作为注入站压力P的函数画出。在生产流程中通常经历过的压力范围内，找出一条最能配合众多数据点的连续曲线，其指数方程式具有下列形式If＝Ae-(kp)其中K和A为数据分析软件57所确定的常数。
如从图6可见，在0.0托的理论压力下，外插的法拉第筒离子束电流If等于有效的离子束电流ITO这个关系必然是真实的，因为在P＝0.0托时，在内部区域内不再会有剩余气体与离子束14碰撞，因此法拉第筒电流必须等于有效的离子束电流IT＝If。
校正电路56的曲线配合数据分析软件57得出在法拉第筒离子束电流If和注入室压力P之间的相关的K值，并产生一个剂量的校正因数，即氙检验气体的K值。就氙检验气体而言，由数据分析软件确定的最适合的指数方程式为If＝0.0004816e-(1658)(P)其中If为离子化的电流(如由法拉第筒110所测得)；P为注入站压力；K为校正值，对氙气为1658。
虽然在一定的压力范围内，在离子化电流If和注入站压力P之间的关系的直线近似是一个可接受的近似，但经验上曾发现有一个指数方程式最为适合，那就是指实际的离子化电流值If与指数方程式预测的值的偏差平方起来求其和的最小值。
某些半导体晶片工件21可能具有一个光阻覆盖层。如果是这样，那么就要用一种不同的检验气体来进行另一个校正流程，以便从中找出一个与半导体晶片工件21上的光阻覆盖层放气时所产生的气体的成分对应的K值。这些K值都将被剂量控制电路66用于以后的生产流程中以资计算出有效的离子束电流IT。对本行业的行家来说，这种K值的计算和应用应能扩展到在生产流程中在注入机内部区域52内可能存在的所有剩余气体的组分上。当然应该知道首先必须作出判断确定所涉及的剩余气体组分是否“重要“到须将它包括在由剂量控制电路66进行的对有效离子束电流I+的计算内。有些剩余气体组分在期望的剩余气体中只占一小部分对注入量的影响也小，不值得将它们包括在本文所说的补偿过程内。而且，如同下面将要说明的，如果剂量控制电路66所进行的有效离子束电流IT的计算包括多于一个校正值或K值，那么在生产流程中注入机内部区域52的总压力P中，对每一个剩余气体组分所占的对其他已被考虑校正的其他剩余气体组分的比例必须作出近似的估计。
在生产流程中，限制板70被移动到束线14之外。这样，在注入室22内量得的压力P就在整个离子束注入机的内部区域52内存在。在生产流程中剂量控制电路66监视并控制着工件21所接受的离子注入量。具体地说，剂量控制电路66监控着离子化电流和注入站压力P，并利用一个或多个算出的校正值(K值)来确定有效离子束电流IT。在生产流程中，支座90每转过一周，IT的计算都被更新以便确保离子束剂量的准确控制。
在确定有效离子束电流IT时，剂量控制电路66将适当的控制信号发送给电机控制系统68。电机控制系统68适当地控制两项速度，一项是通过电机92控制工件支座90转动的角速度，另一项是通过步进电机98控制支座90的垂直速度，从而维持均匀地注入到工件21中。剂量控制电路66还监控着注入生产流程所费的时间，并在适当的时刻停止注入到工件21中，借以确保每一工件的所需的或目标的离子剂量能按照已知的监视和控制注入量的实际经验准确地完成。
计算有效离子束电流IT的一般公式如下其中IT为用来注入工件的有效离子束电流；If为离子化电流(如由法拉第筒110测得)；K1为在生产流程中在注入站内期望存在的第一种剩余气体所对应的检验气体的校正值；P1为第一种剩余气体在注入站内的压力；K2为在生产流程中在注入站内期望存在的第二种剩余气体所对应的检验气体的校正值；P2为第二种剩余气体在注入站内的压力；Kn为在生产流程中在注入站内期望存在的第n种剩余气体所对应的检验气体的校正值；Pn为第n种剩余气体在注入室内的压力。
当然应该知道在生产流程中的任一给定时刻t，在注入室22内的总压力P都应等于各剩余气体组分分压力之和，P＝P1+P2+…+Pn。因此每一种剩余气体组分的压力值P1、P2…Pn必须近似地确定，办法是估计其在总压力中所占的份额。一种简化的办法是做定每一种剩余气体组分在注入室总压力P中所占的份额在该生产流程中保持不变。这样如果P1被估计为占注入室总压力的40％，那么这个40％适用于生产流程中的任一时刻t。
当然，根据源气体或气体和工件特性的不同，在上述电流校正方程式中所选用的K值的数目也可能从一个生产流程变到另一生产流程。例如，在给定的生产流程中，只用氙气的校正值便可足够合适地补偿剩余气体的影响。在这种情况下，有效电子束电流IT的公式可简化为IT＝Ife-(k(氙)P)其中IT为注入工件时所用的有效离子束电流；If为离子化电流(如由法拉第筒110测得)；P为注入站总压力；及K为氙气的校正值即1658。
在另外一些生产流程中确定使用氙气和光阻材料排气两个校正K值比较合适。这时有效离子束电流的公式为IT＝Ife-(k(氙)P(氙))e-(k(光阻)P(光阻))其中IT为注入工件时所用有效离子束电流；If为离子化电流(如由法拉第筒110测得)；P(氙)为注入站压力中属于含有氙气的剩余气体的部分；K(氙)为氙气的校正值即1658。
P(光阻)为注入站压力中属于含有光阻材料排气的剩余气体的部分；及K(光阻)为光阻材料放气的校正值。
当然应该知道，在生产流程中任何一个假定时刻，注入机内部区域52内的瞬时总压P都是由在内部区域52内存在的所有剩余气体组分的分压力组成，并不是只由属于氙气和光阻材料放气这两种剩余气体的分压力组成。但为了简化分析，可以假定剩余气体只由这两种组分组成，并且近似地估计其在总剩余气体中所占份额比例(PS)，例如估计氙气占70％，光阻材料放气占30％，即PS(氙)＝70％，PS(光阻)＝30％。利用这个份额比例便可从总压力P中计算这两种剩余气体组分的分压力P(氙)和P(光阻)，供计算有效离子束电流IT之用，例如P(氙)＝0.7×P，P(光阻)＝0.30×P。
虽然本发明已就目前较优的实施例作了说明，但本行业的行家当会知道在不离开本发明的范围的情况下是能作出各种修改的，所有这些修改和变化自应包括在本发明所提权利要求的范围内。
权利要求
1.一种离子束注入机(10)，用来导引离子束(14)使它投向工件(21)，该注入机具有a)一个形成一个注入室(22)的注入站(16)，工件(21)就被支承在注入室(22)内；b)一个产生离子束(14)的离子源(12)；c)离子束成形和导向装置(50)，该装置形成一个离子束注入机的内部区域(52)，通过该区域离子束(14)从离子源(12)投射到注入站(16)；d)一个压力调节系统(55)，可用来使离子束注入机内部区域加压和减压；e)用来控制注入到工件(21)内的离子剂量的剂量控制组件〔装置〕(65)，该装置包括1)用来测量注入室(22)内压力的压力测量装置(114)；2)用来测量离子束(14)的离子化电流的离子束电流测量装置(110)；3)一个具有孔(71)的限制板(70)，该板可在一个生产流程位置和一个校正位置之间移动，在生产流程位置上，限制板(70)位于离子束束线之外，而在校正位置上，限制板(70)位于离子束束线内，使离子束(14)的一部分离子穿越限制板孔(71)并被导向注入室(22)，在校正位置的限制板(70)隔断离子束形成和导向装置(50)，将离子束注入机内部区域(52)划分成包括注入室(22)在内的第一区域和第二区域；及4)连接到压力调节系统(55)、压力测量装置(114)和离子束电流测量装置(110)的控制电路(20)，该控制电路(20)在校正流程中用来使第一区域内的检测气体的压力(P)在多个压力值之间变动，量出对应于多个压力值中每一个压力值的离子化电流值(If)，并计算出将离子化电流值与多个压力值关联起来的校正值(K)；及5)控制电路(20)在生产流程中用来控制工件(21)所接受的离子量，办法是利用校正值(K)计算出有效离子束电流(IT)。
2.按照权利要求1的离注入机(10)，其特征为，离子束电流测量装置(110)为法拉第筒。
3.按照权利要求1的离子束注入机(10)，其特征为，在第一区域内的检验气体为一种气体，其成分与生产流程中在离子束注入机内部区域(52)内存在的至少一种剩余气体相同。
4.按照权利要求1的离子注入机(10)，其特征为，控制电路(20)包括校正电路(56)，后者能产生一个将离子化电流量(If)与注入室(22)内的检验气体压力量(P)联系起来的方程式可用来计算出校正值(K)，该方程式是以一条连续的曲线配合到多个压力值和相应的离子化电流值上为根据的。
5.按照权利要求4的离子束注入机，其特征为，该连续曲线的形式为一指数曲线If＝Ae-(KP)，其中If为离子化电流量，P为在注入室内的检验气体压力量，K为校正常数，P为一常数。
6.按照权利要求1的离子束注入机，其特征为，控制电路(20)还包括剂量控制电路(66)，后者能利用一个将有效离子束电流量(IT)与离子化电流量(If)、检验气体压力量(P)和校正值(K)联系起来的方程式。
7.按照权利要求6的离子束注入机，其特征为，所说方程式的形式为IT＝Ife-(KP)，其中IT为有效离子束电流量，If为离子化流量，P为注入室内的检验气体压力量，而K为校正值。
8.一种用于离子束注入机(10)的离子束剂量控制组件(65)，该组件具有a)用来测量注入机(10)的工件离子注入室(22)内的压力的压力测量装置(114)；b)用来测量注入机(10)所产生的离子束(14)的离子化电流(If)的离子束电流测量装置(110)；c)具有孔(71)的限制板(70)，可在生产流程位置和校正位置两者之间移动，在生产流程位置，限制板(70)位在离子束(14)束线之外，而在校正位置，限制板(70)位在离子束束线内以致一部分离子束(14)穿越限制板孔(71)并被导向注入室(22)，在校正位置，限制板(70)遮断注入机(10)的离子束形成和导向装置(50)，将注入机(10)的内部区域(52)划分成包括注入室(22)的第一区域和第二区域；及d)可操作地与压力测量装置(114)、离子束电流测量装置(110)和注入机(10)的压力调节装置(55)连接的控制电路(20)，在校正流程中，控制电路(20)用来使第一区域内的检验气体的压力在多个压力值之间改变，同时对应于多个压力值中的每一个值测量离子化电流值(If)，然后计算出将离子化电流值与多个压力值关联起来的校正值(K)；e)在生产流程中，控制电路(20)使用校正值(K)计算出有效离子束电流(IT)，用来控制工件(21)所接受的离子剂量。
9.按照权利要求8的离子束剂量控制组件(65)，其特征为，离子束电流测量装置为法拉第筒。
10.按照权利要求8的离子束剂量控制组件(65)，其特征为，第一区域内的检验气体，其成分与生产流程中在离子注入机内存在的至少一种剩余气体相同。
11.按照权利要求8的离子束剂量控制组件(65)，其特征为，控制电路(20)包括校正电路(20)，后者能产生一个将离子化电流量(If)与注入室(22)内的检验气体压力量联系起来的方程式可来计算出校正值(K)，该方程式是以一条连续的曲线配合到多个压力值和相应的离子化电流值上为根据的。
12.按照权利要求11的离子束剂量控制组件(65)，其特征为，该连续曲线的形式为一指数曲线If＝Ae-(KP)，其中If为离子化电流量，P为注入室内的检验气体压力量，K为校正值，A为一常数。
13.按照权利要求8的离子束剂量控制组件(65)，其特征为，控制电路(20)还包括剂量控制电路(66)，后者能利用一个将有效离子束电流量(IT)与离子化电流量(If)、检验气体压力量(P)和校正值(K)联系起来的方程式。
14.按照权利要求13的离子束剂量控制组件(65)，其特征为，所说方程式的形式为IT＝Ife-(KP)，其中IT为有效离子束电流量，If为离子化电流量，P为注入室内的检验气体压力量，而K为校正值。
15.一种在离子束注入机(10)的生产流程中控制设在注入站(16)内的工件(21)所接受离子束量的方法，该方法包括下列步骤a)使注入站(16)内的检验气体的压力(P)在多个压力值之间变动，检验气体的成分与生产流程中在离子束注入机的内部区域(52)内存在的至少一种剩余气体相同；b)测量与多个压力值中每一个值对应的离子化电流值(If)；c)计算出将离子化电流值与多个压力值关联起来的校正值(K)；d)使用校正值(K)计算出有效离子束电流；及e)使用有效离子束电流(If)控制工件的离子束剂量。
16.按照权利要求15的控制离子束剂量的方法，其特征为，计算校正值(K)的步骤包括产生一个将离子化电流量(If)与注入站(16)内检验气体压力量联系起来的方程式，该方程式是以一条连续的曲线配合在多个压力值和相应的离子化电流值上为根据的。
17.根据权利要求16的控制离子束剂量的方法，其特征为，连续曲线的形式为一指数曲线，If＝Ae-(KP)，其中If为离子化电流量，P为注入室内的检验气体压力量，K为校正值，而A为一常数。
18.按照权利要求15的控制离子束剂量的方法，其特征为，使用校正值(K)计算有效离子束电流(IT)的步骤包括使用一个将有效离子束电流量(IT)与离子化电流量(If)、检验气体压力(P)和校正值(K)联系起来的方程式。
19.按照权利要求18的控制离子束剂量的方法，其特征为，所说方程式的形式为IT＝Ife-(KP)，其中IT为有效离子束电流量，P为在注入室内的检验气体的压力量，而K为校正值。
全文摘要
离子注入机包括剂量控制装置,用来测量并控制加在置于该机注入站内的工件上的离子束剂量,它允许校正函数的直接计算,后者包括至少一个K值的校正因数。剂量控制电路利用K值将由设在注入站内的法拉第筒测得的离子束电流I
文档编号H01L21/425GK1248061SQ9910845
公开日2000年3月22日 申请日期1999年6月11日 优先权日1998年6月11日
发明者A·M·哈林, W·A·克鲁尔 申请人:易通公司