在离子注入器中调节离子束平行的方法和设备

摘要

提供了在离子注入器中调节离子束平行的方法和设备。一种在工件中注入离子的方法包括：产生离子束；将离子束调节到平面中的所需的平行度；测定所述平面中的所调节的离子束的离子束方向；绕垂直于所述平面的轴线将工件倾斜到相对于所测定的离子束方向的注入角度；以及对倾斜到注入角度的工件实施注入。

说明书

本申请是申请日为2002年2月28日、申请号为02106603.5、发明 名称为“在离子注入器中调节离子束平行的方法和设备”的发明专利申 请的分案申请。

技术领域

本发明涉及半导体晶片或其他工件的离子注入的方法和系统，更具 体地，本发明涉及在离子注入器中调节离子束平行的方法和设备。

背景技术

离子注入是将改变传导性的掺合物引入到半导体晶片中规范技术。 将所需的掺合物在离子源离子化，加速离子形成指定能量的离子束，将 离子束指向晶片表面。离子束中带有能量的离子穿透进入半导体物质的 疏松部分，并嵌入半导体物质的晶格中形成所需传导性的区域。

离子注入系统通常包括用来将气体或固体物质转换成界限分明的 离子束的离子源。对离子束进行质谱分析以除去不需要的离子种类，然 后将离子束加速到所需能量并指在目标平面上。通过离子束扫描，目标 移动或通过离子束扫描和目标移动的结合，使离子束在目标区域分布。 使用离子束扫描和目标移动相结合的离子注入器在1990年5月1日授予 Berrian等人的美国专利No.4,922,106中公开。

在许多应用中将平行的离子束向半导体晶片的输送都是非常重要 的必要条件。平行离子束是在半导体晶片表面上具有平行离子轨迹的离 子束。在离子束扫描的情况中，要求扫描的离子束在晶片表面上保持平 行。平行离子束可预防入射离子在半导体晶片的晶体结构中沟流，或者 在需要沟流的情况中使得沟流均匀。通常，当需要离子束高度平行时使 用连续离子注入器。

在一个方法中，离子束在一维扫描，这样离子束呈现从点分散，称 为扫描源。然后将扫描离子束穿过实施聚焦的离子光学元件。离子光学 元件将离子轨迹转换成平行离子轨迹以输送到半导体晶片上。聚焦可用 角度校正器磁铁或用静电透镜来实施。角度校正磁铁可以产生弯曲和聚 焦的扫描离子束。使用静电透镜可以获得平行离子束，但能量污染可能 是一个缺点。

从角度校正器磁铁或其他聚焦元件输出的离子束可以是平行的，或 可以是集中在一点的或分散的，这取决于离子束的参数和聚焦元件的参 数。当使用角度校正器磁铁时，离子束的平行可通过改变角度校正器磁 铁的磁场来调节。角度校正器磁铁一般具有单一的磁场调节作用，其改 变平行或弯曲角度，或离子束方向。可以理解认为，离子注入器常常需 要用来操作多种不同的离子种类和离子能量。当离子束参数改变时，需 要重新调节角度校正器磁铁以恢复离子束的平行。

在先有技术的离子注入器中，通常调节角度校正器磁铁以使离子束 在离子注入器末端位置的晶片平面上可具有垂直入射。然而，可在晶片 平面上获得垂直入射的角度校正器的调节作用可能会产生不是最优化的 平行。具体地讲，调节离子束以在晶片平面上垂直入射的离子束会有些 程度的分散或集中。如在图8中所示，调节角度校正器磁铁，以使离子 束200的中心射线垂直与晶片平面202。然而，当离子束200调节垂直 与晶片平面202时，离子束200的平行会降级，这样离子束会集中在一 点或分散。在一些很重要的应用中平行的缺陷是不可接受的。

在另一种方法，在通常情况下，角度校正器磁铁一般设计成最佳的 平行状态，离子注入器末端位置定位成离子束垂直入射在晶片上。但是， 离子束的平行和垂直入射在离子束参数的很宽范围不能保持，并且改变 末端位置的定位非常困难。

因此，存在对调节离子注入器的离子束平行的改进的方法和设备的 需要。

发明内容

依据本发明的第一个方面，提供了一种在工件中注入离子的方法。 方法包括产生离子束的步骤，将离子束调节到平面中的所需的平行度的 步骤，测定所述平面中的所调节的离子束的方向的步骤，绕垂直于所述 平面的轴线将工件倾斜到相对于所测定的离子束方向的注入角度的步 骤，以及对倾斜到注入角度的工件实施注入的步骤。

调节离子束的步骤可以包括将离子束调节到离子轨迹基本上是平 行的。一般，离子束方向与离子注入器的离子束轴线方向不同。注入角 度可以是零度，其中将工件的方向定为与所测定的离子束方向垂直。

工件可以包括半导体晶片，确定工件方向的步骤可以包括将半导体 晶片倾斜到相对于所测定的离子束的方向的注入角度。

方法可进一步包括测定离子束的不平行角度的步骤。调节离子束的 步骤可以离子束的测定不平行角度为基础。离子束的方向和离子束的不 平行角度可使用移动离子束成型器和一个或多个离子束检测器来测定。

依据本发明的另一个方面，提供了一种在工件中注入离子的方法， 包括步骤：产生离子束；测定平面中的离子束的平行；根据测定的平行 度调节所述平面中的离子束到所需的平行度；测定所述平面中的所调节 的离子束的离子束方向；绕垂直于所述平面的轴线将工件倾斜到相对于 所测定的离子束方向的注入角度；对倾斜到相对于所测定的离子束方向 的注入角度的工件实施注入。

依据本发明的另一个方面，提供了在工件中注入离子的设备。设备 包括产生离子束的装置，测定平面中的离子束的平行度的装置，根据所 测定的平行度将所述平面中的离子束调节到所需的平行度的装置，测定 所述平面中的所调节的离子束方向的装置，绕垂直于所述平面的轴线将 工件倾斜到相对于所测定的离子束的方向的注入角度的装置，以及对倾 斜到相对于所测定的离子束方向的注入角度的工件实施注入的装置。

依据本发明的另一个方面，提供了在工件中注入离子的设备。设备 包括离子束发生器，用来将离子束调节到平面中的所需的平行度的离子 光学元件，用来测定所述平面中的所调节的离子束方向的测定系统，以 及用来绕垂直于所述平面的轴线将工件倾斜到相对于所测定的离子束方 向的注入角度的倾斜机构。对倾斜到相对于所测定的离子束方向的注入 角度的工件实施注入。

离子光学元件可以包括用来将离子束的离子轨迹调节成基本上平 行的角度校正器磁铁。测定系统可以包括移动离子束成型器和一个或多 个离子束检测器。其中注入角度是零度，将工件倾斜为与所测定的离子 束方向垂直。

依据本发明的另一个方面，提供了一种在工件中注入离子的方法， 包括：产生离子束；测定平面中的所述离子束的离子束方向；绕垂直于 所述平面的轴线将工件倾斜到相对于测定的离子束方向的注入角度；对 倾斜到注入角度的工件实施注入。

依据本发明的另一个方面，提供了一种用来在工件中注入离子的设 备，包括：产生离子束的装置；测定平面中的离子束的方向的装置；用 于绕垂直于所述平面的轴线将工件倾斜到相对于测定的离子束方向的注 入角度的装置，所述注入是对倾斜到注入角度的工件实施。

依据本发明的另一个方面，提供了一种用来在工件中注入离子的设 备，包括：离子束发生器；用于测定平面中的离子束的离子束方向的测 定系统；倾斜机构，用于绕垂直于所述平面的轴线将工件倾斜到相对于 测定的离子束方向的注入角度，所述注入对倾斜到注入角度的工件实施。

附图说明

为了更好地理解本发明，参考所附示图，这些示图参考收入 本篇，其中：

图1是适于实施本发明的离子注入器的示意图。

图2是演示在相对大的弯曲角度和集中离子轨迹情况中角度校正器 磁铁的操作示意图。

图3是演示在相对小的弯曲角度和集中离子轨迹情况中角度校正器 磁铁的操作示意图。

图4是依据本发明的实施方案调节离子注入器的过程的流程图。

图5是依据本发明的实施方案入射在倾斜的晶片上的平行离子束的 示意图。

图6A-6C是演示测定离子束平行和离子束方向的操作的示意图。

图7A-7C是分别在图6A-6C的离子束情况中离子束成型器的位 置和离子束检测器输出的关系图。

图8是演示调节离子束平行的先有技术的示意图。

具体实施方式

适于具体表现本发明的离子注入器的实例的简单方框图在图1中显 示。离子束发生器10产生所需种类的离子束，将离子束中的离子加速到 所需能量，对离子束实施质量／能量分析以除去能量和质量污染物，提 供具有低含量的能量和质量污染物的带有能量的离子束12。扫描系统 16，其包括扫描器20和角度校正器24，将离子束12偏转产生具有平行 或接近平行离子轨迹的扫描离子束30。末端位置32包括在扫描离子束 30的射程中支撑半导体晶片34或其他工件以使所需种类的离子注入半 导体晶片34中的台板36。离子注入器可以包括此领域中技术人员众所 周知的其他组件。例如，末端位置32一般还包括将晶片引入离子注入器 以及在注入后将晶片移出的自动晶片处理装置，剂量测定系统，电子喷 射枪等等。可以理解认为，离子束穿过的全部射程在离子注入期间是抽 真空的。

离子束发生器10的主要组件包括离子束源40，源滤过器42，加速 ／减速柱44和质谱仪50。源滤过器42优选地接近离子束源40定位。 加速／减速柱44定位于源滤过器42和质谱仪50之间。质谱仪50包括 偶极分析磁铁52和带有分辩孔56的掩板54。

扫描器20可以是静电扫描器，其将离子束12偏转产生离子轨迹从 扫描源60分散的扫描离子束。扫描器20可以包括与扫描发生器连接的 间隔的扫描板。依据扫描板之间的电场，扫描发生器使用扫描电压波形， 如锯齿波形来扫描离子束。

角度校正器24设计用来偏转扫描离子束中的离子，产生具有平行 离子轨迹的扫描离子束30，这样来聚焦扫描离子束。具体地，角度校正 器24可以包括隔开界定间隙的磁极片26和与电源28耦合的磁线圈（未 显示）。扫描离子束穿过磁极片26之间的间隙，并依据间隙中的磁场偏 转。可以通过磁线圈改变电流来调节磁场。在选取的平面中实施离子束 扫描和离子束聚焦，如在水平平面中。

在图1的实施方案中，末端位置32包括离子束平行及方向测定系 统80。系统80如下描述测定离子束的平行和方向。此外，末端位置32 还包括倾斜机械装置84，用来根据扫描离子束30来倾斜晶片支撑台板 36。在一个实施方案中，倾斜机械装置84可以根据两个直交轴来倾斜晶 片支撑台板36。

操作角度校正器24的实例在图2和图3中演示。如图所示，角度 校正器24的磁极片26楔形或类似地定形，这样不同的离子轨迹通过磁 极片之间的间隙时有不同的射程长度。在图2中，使用了相对高强度的 磁场。离子轨迹具有相对大的弯曲角度，在它们离开角度校正器24时可 以集中。在图3的实例中，使用了相对低强度的磁场。离子轨迹具有相 对小的弯曲角度，在它们离开角度校正器24时可以分散。这样，在图2 的实例中，扫描离子束30以相对于晶片平面70的垂线呈正角度72入射 在晶片平面70上，在图3的实例中，扫描离子束30以相对于晶片平面 70的垂线呈负角度74入射在晶片平面70上。可以理解认为，通过适当 调节角度校正器24中磁场来产生平行或接近平行的离子轨迹。然而，通 常提供最佳平行的磁场不一定产生在晶片70上扫描离子束30的垂直入 射。

依据本发明的一个实施方案调节离子注入器和实施离子注入的过 程的流程图在图4中显示。在步骤100中，产生离子束并通过离子注入 器的离子束线路传送。如在图1中所示，离子束12有离子束发生器12 产生，并通过扫描器20和角度校正器24传送到末端位置32。

在步骤102中，离子束的平行在离子束入射到半导体晶片上或其他 工件上的平面上或接近该平面测定。测定离子束平行的技术的实例结合 示图6A-6C及7A-7C在下面描述。测定平行一般提供不－平行离子束 的角度，具体地，提供离子束集中或分散的半角。测定的不－平行离子 束的角度表示离子束轨迹距离子束中心射线的最大偏移。

在步骤104中，将离子束调节到所需的平行程度，一般地接近零分 散或集中。如在图5中所示，离子束的平行可以通过调节电源28施加在 磁线圈上的电流来改变。调节的电流使角度校正器24的磁场发生改变， 其接着改变了离子束中离子的轨迹。在调节电源28时，通过监视测定的 扫描离子束30的平行程度来实施调节作用。当获得最佳平行时，步骤 104的调节过程终止。通常，离子束可以在0.1度分散或集中半角内调节。

提供最佳平行的磁场通常不同于将扫描离子束30定向垂直于离子 注入器末端位置的晶片平面70的磁场。相反，平行离子束30以相对于 晶片平面70的垂线的角度120入射在晶片平面70上，如图5中所示。 可以理解的是，为了演示的目的，角度120在图5中被夸大了。

在步骤106中，测定调节的离子束的方向。具体地，测定所调节的 离子束相对于晶片平面70的垂线的角度120。测定离子束方向的技术的 实例在下面结合图6A-6C和图7A-7C进行描述。在离子束的扫描和聚 焦的平面中测定离子束的平行和离子束的方向。

在步骤108中，相对所调节的离子束的方向设定注入角度，具体地 讲，参照角度120。使用倾斜机械装置84相对于注入器的晶片平面70 倾斜晶片支撑台板36来设定注入角度。当需要在晶片34上垂直入射平 行扫描离子束30时，将晶片支撑台板36倾斜与角度120相等的角度122。 这样，台板36的晶片支撑表面与平行扫描离子束30垂直。在需要非－ 零度注入角度的情况中，将晶片支撑台板36相对于所测定的离子束方向 倾斜。这样所测定离子束的方向用来作为设定入射角度的参照。非－零 度注入角度可通过以平行于扫描或聚焦平面的方向倾斜晶片来设定，或 通过以直交于扫描或聚焦平面的方向倾斜晶片来设定。在每种情况中， 非－零度注入角度都是以所测定的离子束方向为参照。

在步骤110中，使用具有参照所测定的离子束方向确定的所需注入 角度的晶片支撑台板，以及使用调节到最佳平行的扫描离子束30来实施 注入。因此，在所需注入角度获得最佳平行。

参考图6A-6C和图7A-7C对测定离子束平行和方向的技术实例 进行描述。图6A-6C是演示使用离子束成型器和两个离子束检测器对 不同离子束进行测定的示意图。图7A-7C是演示离子束检测器的输出 与成型器的位置之间的关系的示图。

如在图6A-6C中所示，使用移动离子束成型器150和间隔离子束 检测器152和154测定离子束平行和方向，其对应离子束平行和方向测 定系统80（图1）。离子束成型器150可以是部分阻挡离子束的并相对 与离子束可横向移动的任何元件。例如，检测器152和154可以是Faraday 杯，其可产生相应于入射离子束的电输出信号。当成型器150在横过离 子束移动时，其阻挡了部分离子束并产生离子束阴影。离子束阴影横过 检测器152和154移动并产生负向输出电流脉冲形式的输出信号。

如在图6A中所示，平行扫描离子束160垂直入射在晶片平面70上。 如图7A中所示，当成型器150的位置与每个检测器对准时，检测器152 和154产生输出脉冲。检测器输出脉冲产生时成型器的位置可以用来确 定，离子束160具有平行离子轨迹并与晶片平面70垂直。

参看图6B，分散离子束162垂直入射在晶片平面70上。在这种情 况中，如图7B所示，当成型器150的位置在检测器152的右边时，检 测器152产生输出脉冲，当成型器150的位置在检测器154的左边时， 检测器154产生输出脉冲。在检测器输出脉冲产生时成型器的位置可用 来确定离子束162的分散角度。相应于集中离子束（未显示），当成型 器150的位置在检测器152的左边时，检测器152产生输出脉冲，当成 型器150的位置在检测器154的右边时，检测器154产生输出脉冲。在 检测器输出脉冲产生时成型器的位置可用来确定离子束的集中角度。

如在图6C中所示，平行离子束164以角度166入射到晶片平面70 上。在这种情况中，如图7C中所示，当成型器150的位置分别在检测 器152和154的左边时，检测器152和154产生输出脉冲。在检测器输 出脉冲产生时成型器的位置可用来确定离子束的方向和平行。

通常，离子束可以是分散的或是集中的，可以具有相对于晶片平面 为零度的离子束角度。当检测器输出脉冲产生时，可以分析成型器以确 定离子束的平行和方向。平行可以表示为分散或集中的半角，离子束方 向可以相对于晶片平面70的垂线来表示。

可以理解认为，在本发明的范围内测定离子束的平行和方向可以使 用不同技术。此外，本发明不受到使用扫描离子束的限制。例如本发明 可以使用带状离子束，如在1994年9月27日颁给White等人的美国专 利No.5,350,926中所公开的。

虽然本文已演示及描述了什么是目前考虑认为的本发明优选实施 方案，但对此领域中的技术人员显而易见的是，在不背离所附权利要求 书所限定的本发明的范围的情况下，可以对实施方案作出多种改变和修 正。