用于离子注入系统的改进的电荷剥离

摘要

离子注入系统具有从射束物质产生离子以形成离子束的源，质量分析器对离子束进行质量分析。加速器接收具有处于第一电荷状态的离子的离子束并且使具有处于第二正电荷状态的离子的离子束射出。加速器具有电荷剥离器、气体源和多个加速器级。电荷剥离器将离子从第一电荷状态转换至第二电荷状态。气体源向电荷剥离器提供诸如六氟化物的高分子量气体，该多个加速器级分别加速离子。终端站支撑将在第二电荷状态下注入离子的工件。

说明书

相关申请的引用

本申请要求2019年5月29日提交的名称为“IMPROVED CHARGE STRIPPING FOR IONIMPLANTATION SYSTEMS”的美国临时申请62/853,945的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及离子注入系统，更具体地，涉及一种用于增大在电荷状态的最大能量下可用的射束电流而无需在离子源处使用较高电荷状态的系统和方法。

背景技术

在制造半导体器件的过程中，离子注入用于利用杂质对半导体进行掺杂。离子注入系统通常用于利用来自离子束的离子对诸如半导体晶圆的工件进行掺杂，以便在集成电路的制造期间形成钝化层或产生n型或p型材料掺杂。这种射束处理通常用于：在集成电路的制造期间，以预定能级和受控浓度，利用特定掺杂剂材料的杂质选择性地对晶圆进行注入，以产生半导体材料。当用于对半导体晶圆进行掺杂时，离子注入系统将选定的一种离子物质注入工件中以产生期望的非本征材料。例如，注入由锑、砷或磷等源材料产生的离子会产生“n型”非本征材料晶圆，而“p型”非本征材料晶圆通常由利用硼、镓或铟等源材料产生的离子产生。

典型的离子注入机包括离子源、离子提取设备、质量分析设备、射束传输设备和晶圆处理设备。离子源产生期望的原子或分子掺杂剂物质的离子。这些离子由提取系统从源中提取，提取系统通常是一组电极，这些电极激励并引导来自源的离子流，从而形成离子束。在质量分析设备中，期望的离子从离子束分离，质量分析设备通常是对所提取离子束进行质量分散或分离的磁偶极子。射束传输设备通常是包含一系列聚焦设备的真空系统，其将离子束传送至晶圆处理设备，同时保持离子束的期望性质。最后，通过晶圆处理系统将半导体晶圆传送至晶圆处理设备以及从晶圆处理设备传送出，晶圆处理系统可以包括一个或多个机械臂，用于将待处理的晶圆放置在离子束的前面以及从离子注入机移除经处理的晶圆。

发明内容

本公开提供了用于增大在电荷状态的最大能量下可用的射束电流而无需在离子源处使用较高电荷状态的各种装置、系统和方法。相应地，以下呈现了本公开的简要说明，以便提供对本公开的一些方面的基本理解。该简要说明不是本公开的广泛概述。它既不旨在指示本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。其目的是以简化形式呈现本发明的一些构思，作为稍后呈现的具体实施方式的序言。

根据本公开的一个示例，提供了一种离子注入系统，其中，离子源配置成从射束物质产生离子束，在其中限定所产生离子束。例如，质量分析器配置成对所产生离子束进行质量分析以限定经分析离子束，其中，经分析离子束包括处于第一电荷状态的射束物质的离子(例如，正离子或负离子)。

举例来说，还提供了加速器，加速器配置成接收经分析离子束。加速器还配置成限定出射离子束，其中，出射离子束包括处于第二电荷状态的射束物质的正离子。举例来说，加速器包括电荷剥离器，电荷剥离器配置成在加速器内的一位置处接收处于第一电荷状态的射束物质的正离子或负离子，其中，电荷剥离器配置成将第一电荷状态的离子转化为处于第二电荷状态的射束物质的正离子。还提供了气体源，其配置成向电荷剥离器提供高分子量气体。此外，提供了加速器级，其分别配置成使正离子加速。最后，终端站定位在加速器的下游并且配置成支撑工件，该工件将被注入包括第二电荷状态的出射离子束的离子。

根据本公开的一个方面，高分子量气体包括六氟化硫气体。根据另一方面，电荷剥离器包括：气体供应器，其用于从离子剥离电子；以及控制装置，其配置成基于离子束的能量、电流和射束物质中的至少一种来调节气体进入加速器的电荷剥离器的流速。例如，该气体可以包括高分子量气体。

在一个示例中，加速器包括熟知的“串列加速器”，其中，处于第一电荷状态的负离子朝向正端加速，在正端处，负离子被电荷剥离而成为处于第二电荷状态的正离子，以便在其出口处获得朝向地电位的另一加速循环。

举例来说，第二电荷状态包括比第一电荷状态更正的电荷状态。此外，射束物质例如可以包括硼和磷中的一种或多种。

在另一示例中，电荷剥离器设置于沿着离子束路径的位置处，在该位置处存在比离子源处可用的正离子更多的第二正电荷状态的正离子。电荷剥离器还配置成将离子束的射束电流增大到比原本用第一电荷状态的正离子获得的能量范围更高的能量范围。例如，电荷剥离器沿离子束方向设置在加速器的第一多个加速器级中的至少一个的下游，并且在加速器的第二多个加速器级中的至少一个的上游。

在一个示例中，第二电荷状态的净电荷比第一电荷状态的净电荷增加至少一个。在另一示例中，由气体源提供的高分子量气体包括六氟化硫，其中，第一电荷状态包括+3的净电荷并且第二电荷状态包括+6的净电荷。

根据另一示例，本公开提供了一种操作高能离子注入机的方法，其中，从离子源产生射束物质的离子束。对离子束进行质量分析，第一电荷状态(例如，第一正电荷状态或第一负电荷状态)的离子被选择性地传递到加速器中。第一电荷状态的离子通过位于加速器内的第一多个加速器级中的至少一个而加速以获得第一动能水平，从而限定经加速离子。经加速离子然后穿过加速器内的电荷剥离器，其中，电荷剥离器包含高分子量气体，例如六氟化硫。因此，第一电荷状态的离子被转化为第二(正)电荷状态的离子，其中，第一电荷状态不同于第二正电荷状态，并且剥离是以基于第一动能水平的剥离效率来执行的。因此，获得了比最初存于离子源处的离子更多的第二正电荷状态的离子，而离子束的射束电流和第二能量高于用第一电荷状态的正离子获得的第一动能水平。第二正电荷状态的离子然后通过位于加速器内的第二多个加速器级中的至少一个而加速。

以上发明内容仅旨在给出本发明的一些实施例的一些特征的简要概述，其他实施例可以包括与上述特征相比附加的和/或不同的特征。特别地，本发明内容不应被解释为限制本申请的范围。因此，为了实现前述和相关的目的，本发明包括以下描述的以及在权利要求中特别指出的特征。以下具体实施方式和附图详细阐述了本发明的某些示例性实施例。然而，这些实施例仅是可以采用本发明的原理的各种方式中的一些方式。在结合附图理解本发明的以下具体实施方式时，本发明的其他目的、优点和新颖特征将变得明显。

附图说明

图1示出了根据本公开一个方面的离子注入系统的简化俯视图；

图2是根据本公开的至少一个方面的离子注入系统的一部分；

图3示出了穿过氩气和六氟化硫的砷射束的电荷状态分布；

图4示出了在电荷剥离中使用的各种介质；

图5是根据本公开又一实施例的增大射束电流的方法的流程图；

图6是根据本公开又一实施例的增大射束电流的方法的流程图。

具体实施方式

与作为化学过程的扩散相反，离子注入是一个物理过程，其是半导体设备制造中采用的，用以选择性地将掺杂剂注入半导体工件和/或晶圆材料中。因此，注入动作不依赖于掺杂剂与半导体材料之间的化学相互作用。对于离子注入，掺杂剂原子/分子被离子化并被隔离，有时会被加速或减速，形成为射束，然后扫过工件或晶圆。掺杂剂离子物理轰击工件、进入表面并通常停留在工件表面之下的晶格结构中。

在基于RF的加速器和基于DC的加速器中，离子可以经由加速器的多个加速级而被反复地加速。例如，基于RF的加速器可以具有电压驱动的加速间隙。由于RF加速场的时变特性和多个加速间隙，存在大量影响最终射束能量的参数。因为离子束的电荷状态分布可改变，所以付出了大量努力来将离子束中的电荷值保持在最初预期的单一值。然而，对更高能级的注入方案(例如，离子束能量、质量、电荷值、射束电流和/或注入的总剂量水平)的更大需求要求提供更高的射束电流而不会不必要地损害离子源。相应地，需要用于增大射束电流的合适的系统或方法。

现在参考附图，根据本公开的一个示例性方面，图1示出了混合并行扫描单晶圆离子注入系统100。注入系统100也称为后加速注入机，因为主加速器113设置在对离子束106进行分析的质量分析器104之后并且在能量过滤器130之前。这种类型的离子注入机通常在加速器113之后包括能量过滤器130，以去除加速器113输出中不需要的能谱。在一个实施例中，例如，从离子源102产生的离子束101可以在质量分析器104之前由加速级(未示出)中的加速器加速，以产生经加速和/或分析的离子束108。在下游，经加速和/或分析的离子束108可以在加速器113中通过其中的多个加速器级再次加速。例如，加速器级可以分别包括谐振器(如具有RF加速器)以在其中产生RF加速场并输出已被进一步加速的出射离子束110。在通过能量过滤器130之后，过滤后的离子射束通过射束扫描器119，然后通过角度校正透镜120，以将扇形射出射束111转换成平行移位离子束115。

在混合扫描方案中，工件和/或基板134正交于离子束115移动(示出为移入和移出纸面)以均匀地照射工件134的整个表面。如上所述，本公开的各个方面可以与任何类型的离子注入系统相关联地实施，包括但不限于图1的示例性系统100。

例如，示例性混合并行扫描单晶圆离子注入系统100包括源腔室组件112，源腔室组件112包括离子源102以及用于提取离子并将其加速至中间能量的提取电极组件121。质量分析器104移除不需要的离子质量和电荷物质，加速器组件113将离子加速至最终能量。射束扫描器119以较快频率将从加速器组件113射出的射束来回扫描至角度校正透镜120中进而进入工件134中，角度校正透镜120将来自射束扫描器119的扇形射出扫描射束111转换成平行移位射束115，工件134可以容纳在处理腔室或终端站(未示出)中。

例如，加速器组件113可以是RF线性粒子加速器(LINAC)，在其中离子被RF场反复加速；或者是DC加速器(例如串列静电加速器)，其用固定的DC高压来加速离子。射束扫描器119以静电或电磁方式将离子束110从左到右扫描进入角度校正透镜120中，角度校正透镜120将扇形射出射束111转换成平行移位离子束115。角度校正透镜120可以是如图所示的电磁磁铁，但也存在例如静电版本。从角度校正透镜120出来的最终平行移位离子束115被引导到工件134上。

在一个实施例中，穿过加速器113的离子粒子的最终动能可以通过增大离子电荷值(q)而增大。在一个实施例中，可以通过在加速器113内第一加速器级与第二加速器级之间提供电荷剥离器118来增大离子电荷状态(q)。例如，在RF加速器中，多个加速器级(例如六个或更多个)可以包括用于产生加速场的谐振器(未示出)，并且该加速器级中的至少一个可以包括在电荷剥离器118之后的第二加速器级。

在一个实施例中，离子束的加速可以在位于加速器113内的电荷剥离器118之前、例如通过加速器113内的第一多个加速级而发生。加速也可以在电荷剥离器118之后、例如通过加速器113内的第二多个加速级而发生。替选地，第一多个加速级可以在加速器113的外部。例如，第一多个加速级可以位于质量分析器之前，因此，离子束108是进入电荷剥离器118的既经加速又经分析的离子束108。

在一个实施例中，离子束108包括具有第一电荷状态(例如As 3

因此，离开加速器113的离子束110具有：较低浓度的第一电荷状态的离子，一定浓度的第二电荷状态的离子，以及高于利用第一电荷状态可得的最大动能水平的增大的射束电流。例如，离子束可以包括任意数量的射束物质，例如砷、硼、磷或其他物质。

图2示出了根据本公开一个方面的离子注入系统的一部分的一个示例。加速器200可以包括例如第一多个加速器级230中的至少一个和第二多个加速器级232中的至少一个。例如，加速器200可以包括RF加速器(其在图2中作为实施例的一个示例示出)，并且可以包括任何数量的加速器级(例如202、204、205、206、208、210和212)。加速器级202、204、205、206、208、210和212可以分别包括由RF谐振器驱动的至少一个加速器电极214，例如用于在两侧产生RF加速场(未示出)。具有电荷状态(例如净电荷或价数)的带电粒子的离子束201可以顺序穿过加速器电极的孔。加速原理是本领域中熟知的。

可由结合在加速器200内的透镜234(例如静电四极)提供射束聚焦。在一个实施例中，加速器200可以将单电荷离子加速至第一电荷状态的最大动能水平。在一个实施例中，可以使用具有较高第二电荷状态的离子来达到比较低第一电荷状态的最大动能水平更高的能量水平。因此，包括第一电荷状态的离子的离子束201可以进入加速器200，作为进入射束，并被转化为具有较高或较低净电荷价数的第二电荷状态的离子。通过去除其中的电子，例如通过结合在加速器200内的电荷剥离器220去除，进入射束201可以转换为包括第二较高电荷状态的离子(例如As 3+转化为As 6+)的出射射束203，从而将射束能量增大至超过第一电荷状态的最大动能水平。

一旦提取出并形成离子束201，射束201就可以被加速器200(例如，13.56MHz十二谐振器RF线性加速器)加速。本公开不限于一种特定的加速器。在一个实施例中，加速器200可以包括：第一多个加速器级230，其集成在加速器200中用于加速其中的离子束201；以及第二多个加速器级232，其集成在加速器200中用于进一步加速其中的离子束203中的离子。虽然在图2所示示例中第一多个加速器级集成在加速器200中并处于电荷剥离器220的上游，但是第一多个加速器级230可以位于质量分析器(例如图1的质量分析器104)之前。因此，电荷剥离器220可以位于加速器200的加速级中任何加速级处，只要第一多个加速器级为第一电荷状态的离子提供比离子源处可用的量大的足够的能量，该能量足够高以保证用于产生第二电荷状态的高剥离效率。

例如，可以在任何加速级处用电荷剥离器220替换RF加速器的谐振器。在一个实施例中，例如，电荷剥离器220可以沿离子束201方向设置在加速器的第一多个加速器级230中的至少一个的下游，并且在加速器200的第二多个加速器级232中的至少一个的上游。在其他实施例中，例如，加速器的第一多个加速器级可以包括比第二多个加速器级更多或更少的加速器级。替选地，加速器的第一多个加速器级可以包括与第二多个加速器级相同数量的加速器级。加速器级的数量不限于图2中示出的数量。

在进一步的实施例中，进入加速器200的离子束201包括第一电荷状态的正离子束或负离子束，出射离子束203包括第二电荷状态的正离子束，该第二电荷状态包括比第一电荷状态更正的电荷状态。进入离子束201可以进入电荷剥离器220，电荷剥离器例如包括填充有重分子量气体(例如SF

例如，由第一线性加速器(LINAC)加速的离子束被引导至气体层，该气体层配置成剥离电荷剥离器220中离子周围的电子，以增大离子的电荷状态，以通过第二LINAC实现更高的能量增益。例如，对于砷(As)的最高能量范围，通过第一LINAC加速的3+砷离子被电荷剥离器220剥离为6+砷离子。因此，大约8％的7MeV 3+砷离子转化为6+砷离子。然而，如果转换效率更高，则可以实现更多的6+射束电流。

串列高能加速器通常依靠电荷剥离来产生高能离子，由此这种串列高能加速器通常使用氩气进行这种电荷剥离。在所谓的“超高能”串列加速器上，极薄的碳箔也被用作电荷剥离器，但碳箔的寿命短，这限制了其在离子注入的任何工业应用中的适用性，目前已知仅用于学术研究加速器。例如，图3中提供了与使10MeV碘离子束穿过各种气体和箔片相关的电荷剥离能力。

迄今为止，离子的剥离一般限于如图4所示的那些气体，并且主要限于使用氩气。然而，本公开发现六氟化硫(SF

图3中所示的曲线图示出了在7200KeV下砷离子束通过包含SF

虽然传统上已经使用各种气体来剥离离子束中的电子，但根据本公开的可以将六氟化硫用于气体剥离器并非已知的。气体剥离器的工作原理是让离子通过一种材料，如果离子以足够快的速度通过该材料，与剥离器中的背景气体或固体薄膜原子的相互作用会导致离子束失去电子。因此，取决于离子进入剥离器的速度，离子束以更高的电荷从剥离器出射。虽然离子通过使用非常薄的碳膜的剥离器会趋向于具有更多的高电荷离子，但碳膜趋向于具有较短的寿命并最终以相当快的速度烧毁。

由于碳膜剥离器的寿命有限，本公开提供一种气体作为用于剥离器的合适介质。一般而言，在剥离器内提供管，由此剥离气体被供给到管的中心，其中气体具有比周围真空更高的气体密度。在管的末端，(例如通过真空泵)提供真空，使得最少量的剥离气体传播到系统的其余部分。因此，在剥离器内提供高压区域，由此经加速离子(例如砷离子)通过高压区域并与剥离气体原子相互作用，从而从离子中剥离电荷并产生从剥离器射出的较高离子电荷。这种较更高电荷的离子也有利地用于串列加速器中。

本公开认识到氩的分子量约为40，而SF

迄今为止，SF

因此，本公开创造性地考虑在束线中使用SF

本公开进一步认识到SF

根据一个或多个实施例，一种系统和方法增大在电荷状态的最大动能下可用的射束电流，而无需在离子源处使用较高或不同的电荷状态。例如，离子注入系统的离子源可以包括特定电荷状态(例如3+As)的离子(例如砷离子)以从中产生离子束。离子注入系统内(例如位于沿射束路径的加速器内)的处理可以引起离子改变其初始电荷值(例如电荷交换反应)。例如，在一个实施例中，包含三个净正电荷的砷离子可以被选择至加速器中并通过包括气体源和涡轮泵的电荷剥离器而剥离电子。根据本公开，气体源包括高分子量气体，例如六氟化硫(SF

在一个实施例中，加速器可以包括多个加速器级和其中的电荷剥离器。当高速离子靠近电荷剥离器内的另一气体分子或原子时，该离子可以从该分子或原子中获得一个电子(即电子捕获反应)，或者可以将电子丢失至该分子或原子(即电荷剥离反应)。前一反应使离子电荷的值减一；例如，单电荷离子可以变成中性，即电中性的原子。后一反应使离子电荷的值加一(例如，单电荷离子变成双电荷离子)。

在一个实施例中，包含第一正电荷状态(例如+3净正电荷或价数)的正离子(例如砷离子)被引入包含电荷剥离器和多个加速级的加速器中。各个加速级可以包括RF谐振器，用于产生RF加速场以沿着射束路径加速离子。电荷剥离器可以包括：用于将高分子量气体(例如SF

现在参照图5和图6，应当注意，虽然示例性方法500和600在本文中被图示和描述为一系列动作或事件，但是应当理解，本公开不受这些动作或事件的图示顺序的限制，因为，根据本公开，一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与除本文中所示和所述的步骤之外的其他步骤同时发生。此外，实现根据本公开的方法时并非示出的所有步骤都是必须的。此外，应当理解，这些方法可以与本文所示出和描述的系统100和200相关联地实现，也可以与未示出的其他系统相关联地实现。

图5的方法500开始于502。在504，离子源产生离子束并将该离子束引导至质量分析器中。在506，对产生的离子束进行质量分析。可以根据荷质比选择质量分析器的磁场强度。在一个示例中，质量分析可以在离子源的下游。

在一个示例中，可以在508(例如通过质量分析器)选择第一正或负电荷状态的离子以进入加速器。在510，选取的第一电荷状态的离子被加速到一定能量，这产生比离子源处可用的更高的电荷状态的更高的剥离效率。第一电荷状态的经加速离子进入包含例如SF

图6的方法600开始于602。离子源产生包含第一电荷状态的正离子或负离子(例如As 3+或As-)的离子束。离子束可以是各种射束物质(例如砷)。在606，可以以任何顺序执行使产生的离子束加速以及对其进行质量分析。在608，可以选择包含第一电荷的离子进入加速器。在610，通过使离子束穿过高分子量气体，例如SF

尽管相对于某些应用和实施方式示出和描述了本公开，但是应当理解，在阅读和理解本说明书和附图后，本领域的其他技术人员会想到等效的改变和修改。特别地，对于由上述部件(组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行上述部件的指定功能的任何部件(即功能上等同的部件)，即使在结构上不等同于执行本文所示的本公开的示例性实施方式中的行所述功能的所公开的结构，亦是如此。

此外，虽然可能仅针对若干实施方式中的一个实施方式公开了本公开的特定特征，但是，对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的情况下，这样的特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合。此外，对于说明书或权利要求书中使用的术语“包括”、“具有”，这些术语旨在以类似于术语“包含”的方式为包括性的。