專利名稱：離子注入系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種離子注入系統(tǒng)，特別是涉及一種離子注入系統(tǒng)及方法。
背景技術：
離子束注入機被廣泛應用于半導體晶片的離子摻雜制程中。離子束注入機生成由所需類型離子組成的離子束，并將該離子束入射在半導體晶片工件的表面上，從而向工件表面“摻入”或注入所需的離子。一用于執(zhí)行高能量離子注入的離子注入機的結構如圖1所示，參見美國專利 US6, 137112所述，該高能量離子注入機可產(chǎn)生束流能量為10 5000千電子伏的離子束 14’。其中，該注入機包括離子源12’，用于提供構成離子束14’的離子，該離子束經(jīng)由離子束傳輸路徑注入工件或傳輸至晶圓制程腔16’。該注入機采用射頻(RF)離子加速器18’將該離子束14’內(nèi)的離子加速到足以達到所需離子束能量的高速度。適用于上述高能量離子注入機的射頻離子加速器18，已由美國專利No. 4667111 (Glavish等)所公開。上述的高能量離子注入機采用可旋轉(zhuǎn)和平移的盤狀支架來放置多個半導體工件。 該支架支承在該離子注入機的注入制程腔內(nèi)，在一次生產(chǎn)制程中，該支架的旋轉(zhuǎn)和平移可以使每個工件都穿過離子束，從而可靠地并且精確地實現(xiàn)對注入劑量的控制，同時，由離子束產(chǎn)生的熱量也能夠較好地擴散，因為該些熱能會平均地分散在上述多個晶片工件上。圖2所示即為現(xiàn)有的高能量離子注入機的結構模塊圖。如圖所示，離子束由一離子源1生成，而后在該離子束的傳輸路徑上依次設有一質(zhì)量分析磁鐵2、一直線加速器10、 一終端能量過濾裝置6以及一制程腔7。根據(jù)不同的制程需求，對系統(tǒng)中各個裝置的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以在制程腔處實現(xiàn)預設的離子束強度和角度分布，并且在該制程腔7中設有一工件掃描裝置，其中，由于在該系統(tǒng)中不具有束流掃描裝置，因此，對應于不同的制程，該工件掃描裝置均必須按照二維掃描的方式使工件穿過離子束，以實現(xiàn)均勻的離子注入。其中，為了實現(xiàn)對工件的傳送，在該制程腔7處還設有一真空傳送裝置8以及一大氣傳送裝置9。然而，當晶片尺寸從200毫米增加至300毫米后，半導體制造業(yè)內(nèi)便開始采用單晶片加工工藝。這種單晶片注入工藝已被廣泛地應用于中束流離子注入機中，圖3所示的即為一種在美國專利US6，777696中公開的中束流離子注入機。在這種注入機中，晶片支架的取向被設置為能夠使得晶片工件處在離子束的傳輸路徑中，并通過使離子束在晶片工件上進行往復的掃描來注入所需劑量的離子。當對當前晶片工件的注入完成之后，便將該工件從支架上取下，然后將下一個晶片工件放置到支架上開始進行離子注入。具體地，圖3所示的該中束流離子注入機262包括一個離子源282，該離子源用于使氣體離子化而產(chǎn)生適合于注入晶片或工件的離子。離子束引出系統(tǒng)276用于從離子源 282引出離子束，并使其加速進入包含有質(zhì)量分析磁鐵280的離子束傳輸路徑278中。該質(zhì)量分析磁鐵280用于挑選出并清除質(zhì)荷比不合適的離子。為了獲得在工件上的均勻注入， 該注入機還必須設有離子束掃描組件270和離子束準直組件284。該離子束準直組件284 用于對經(jīng)過掃描的離子束的角度進行控制。加速/減速管286則用于控制和調(diào)整離子束的能量。組件288用于過濾掉存在能量污染的離子。晶片或工件290被加載到晶圓制程腔 292中以選擇性地注入離子。機械掃描驅(qū)動裝置294用于對晶圓制程腔292內(nèi)的晶片進行操控，使晶片按照選定的方式穿過離子束。晶片或工件290通過晶片傳送裝置296被傳送進晶圓制程腔292，該晶片傳送裝置296可以包括例如一個或多個機械手臂或機器人手臂 297。圖4所示即為現(xiàn)有的中束流離子注入機的結構模塊圖。如圖所示，離子束由一離子源1生成，而后在該離子束的傳輸路徑上依次設有一質(zhì)量分析磁鐵2、一束流掃描裝置3、 一準直裝置4、一變速裝置(加速/減速裝置)5、一終端能量過濾裝置(可選)6以及一制程腔7。根據(jù)不同的制程需求，對系統(tǒng)中各個裝置的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以在制程腔處實現(xiàn)預設的離子束強度和角度分布，并且在該制程腔7中設有一工件掃描裝置，對應于不同的制程， 該工件掃描裝置可以選擇按照一維或二維掃描的方式使工件穿過離子束，以實現(xiàn)均勻的離子注入。其中，為了實現(xiàn)對工件的傳送，在該制程腔7處還設有一真空傳送裝置8以及一大氣傳送裝置9。傳統(tǒng)的中、高能量離子注入機是兩個完全不同類型的注入系統(tǒng)，參見圖1-4所示。 因此，離子注入機制造商便分別針對中束流和高能量離子注入這兩種應用場合，相應地推出了兩款不同類型的離子注入系統(tǒng)。但是，這勢必會增加生產(chǎn)成本和執(zhí)行離子注入制程時的操作復雜性。另外，在現(xiàn)有的高能量離子注入機中，需要利用射頻電場將離子加速到幾十至 5000千電子伏特(keV)的能量狀態(tài)。然而，在一個特別設計的射頻直線加速器中往往需要設置有若干個最佳的離子速度值。在各種離子注入的應用場合中，離子的能量范圍廣泛 (10 4000keV)，離子的類型也是多種多樣的(硼、硅、磷和砷均較為常用)，因此，直線加速器中需要設置的離子速度值甚至可能超過一百個。這樣一來，具有射頻直線加速器的高能量離子注入機便通常需要設計多個諧振腔，以補償這些不匹配的速度值。但是考慮到設備成本以及空間上的限制，往往難以設置足夠多的諧振腔來實現(xiàn)最佳的速度值補償。這將導致直線加速器內(nèi)產(chǎn)生不良的速度匹配，從而引起直線加速器傳輸效率過低的問題，以及由未被傳輸?shù)碾x子的轟擊導致對直線加速器部件的損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是為了克服現(xiàn)有系統(tǒng)對高能量離子的傳輸效率過低并且現(xiàn)有技術中的各種離子注入應用無法采用同一系統(tǒng)執(zhí)行的缺陷，提供一種能夠在高能量離子注入的應用場合下提高高能量離子的傳輸效率、并且還可以便捷地改裝適用于中束流離 子注入的應用場合的離子注入系統(tǒng)及相應的離子注入方法。本發(fā)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種離子注入系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一離子源，該離子源用于生成一離子束，在該離子束的傳輸路徑上依次設有一質(zhì)量分析磁鐵，用于從該離子束中選擇一預設能量范圍內(nèi)的離子束；一束流掃描裝置，用于掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束；一準直裝置，用于準直該預設能量范圍內(nèi)的離子束；一變速裝置，用于使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速；一制程腔，該制程腔內(nèi)設有一工件掃描裝置，該工件掃描裝置用于掃描工件并使工件穿過該預設能量范圍內(nèi)的離子束，以進行離子注入；其特點在于，該系統(tǒng)還包括一設于該質(zhì)量分析磁鐵與該束流掃描裝置之間的直線加速器，用于利用射頻電場使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速；一設于該直線加速器與該束流掃描裝置之間的能量過濾裝置，用于提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性。較佳地，該直線加速器用于僅對多個預設能量值的離子束進行傳輸，該變速裝置用于使離子束加速或減速至預設注入能量。較佳地，該工件掃描裝置用于在與離子束束流相垂直的平面內(nèi)使工件進行一維或二維掃描。較佳地，該系統(tǒng)還包括設于該制程腔處的一真空傳送裝置以及一大氣傳送裝置， 該真空傳送裝置用于在高真空環(huán)境中傳送工件，該大氣傳送裝置用于在大氣環(huán)境中傳送工件。 較佳地，該束流掃描裝置為電掃描裝置或磁掃描裝置。較佳地，該變速裝置為直流靜電的加速或減速裝置。較佳地，該能量過濾裝置為能量過濾磁鐵或能量過濾靜電裝置。本發(fā)明的另一技術方案為一種利用上述離子注入系統(tǒng)實現(xiàn)的離子注入方法，其特點在于，該方法包括以下步驟=S1、利用該離子源生成一離子束；s2、利用該質(zhì)量分析磁鐵從該離子束中選擇一預設能量范圍內(nèi)的離子束；S3、在執(zhí)行高能量離子注入時，利用該直線加速器使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速，并利用該能量過濾裝置提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性；S4、利用該束流掃描裝置掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束；s5、利用該準直裝置準直該預設能量范圍內(nèi)的離子束；s6、利用該變速裝置使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速；S7、在該制程腔內(nèi)利用該工件掃描裝置掃描工件并使工件穿過該預設能量范圍內(nèi)的離子束，以進行離子注入。較佳地，利用該直線加速器僅對多個預設能量值的離子束進行傳輸，并利用該變速裝置使離子束加速或減速至預設注入能量。較佳地，利用該工件掃描裝置在與離子束束流相垂直的平面內(nèi)使工件進行一維或二維掃描。較佳地，在該方法中，利用一設于該制程腔處的真空傳送裝置在高真空環(huán)境中傳送工件，并利用一設于該制程腔處的大氣傳送裝置在大氣環(huán)境中傳送工件。較佳地，該束流掃描裝置利用電效應或磁效應掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束。較佳地，該變速裝置利用直流靜電場使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速。較佳地，該能量過濾裝置利用磁效應或靜電場提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性?？蛇x地，在步驟S3中，在執(zhí)行中束流離子注入時，移除該直線加速器和該能量過濾
直ο本發(fā)明的積極進步效果在于針對高能量離子注入的應用場合，本發(fā)明將直線加速器設計在了變速裝置之前，因此，無需再像現(xiàn)有系統(tǒng)那樣在直線加速器中設置過多的離子速度值，而是可以在直線加速器中僅僅選擇一系列預設的固定能量值下的離子束進行傳輸，而后再通過變速裝置對束流進行加速或減速，以將其速度值較為精確地調(diào)整至制程所預設的最終注入速度，這不僅能夠提高高能量離子的傳輸效率，還可以避免設置大量的諧振腔，由此一方面節(jié)省了設備所占用的空間，進一步地降低了設備成本，另一方面還使得在執(zhí)行不同的離子注入制程時，能夠較為便捷地實現(xiàn)對離子束能量或者種類的切換；另外，由于在本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)中設置有束流掃描裝置，因此，即使在高能量離子注入的應用場合下，也可以利用下游的束流掃描裝置對束流進行掃描，繼而在制程腔中靈活地選擇對工件進行一維掃描或二維掃描來完成注入，以在確保注入均勻性的前提下盡可能地提高注入效率。此外，本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)僅需經(jīng)過簡單的改裝，便可以適用于中束流離子注入的應用場合，因此不但可以便捷地在不同的應用場合下靈活切換，還能夠省去原先為購置兩套分立的離子注入系統(tǒng)所耗費的設備成本。


圖1為現(xiàn)有的高能量離子注入機的結構示意圖。圖2為現(xiàn)有的高能量離子注入機的結構模塊圖。圖3為現(xiàn)有的中束流離子注入機的結構示意圖。圖4為現(xiàn)有的中束流離子注入機的結構模塊圖。圖5為本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)的結構模塊圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。如圖5所示，本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)實質(zhì)上是對現(xiàn)有的高能量離子注入機和中束流離子注入機進行結合設計后形成的一種中劑量離子注入系統(tǒng)，參考圖2和圖4，本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)中包括有如下與現(xiàn)有的中束流離子注入機相同的裝置一離子源1，該離子源1用于生成一離子束；而后在該離子束的傳輸路徑上依次還設有一質(zhì)量分析磁鐵2，其用于從該離子束中選擇一預設能量范圍內(nèi)的離子束；一束流掃描裝置3，用于在某一維度上掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束，其可以采用電掃描裝置利用電效應實現(xiàn)，也可以采用磁掃描裝置利用磁效應實現(xiàn)；一準直裝置4，其用于準直經(jīng)過掃描的該預設能量范圍內(nèi)的離子束，以使其在制程腔處滿足預設的強度分布和角度分布要求；一變速裝置5，其可以采用直流靜電的加速或減速裝置實現(xiàn)，以利用直流靜電場使經(jīng)過掃描和準直的該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速，以滿足預設的最終注入速度；一制程腔7，該制程腔7內(nèi)設有一工件掃描裝置，由于在離子束傳輸路徑的上游已經(jīng)設置有束流掃描裝置3，因此根據(jù)不同的制程需求，該工件掃描裝置可以選擇使工件在與離子束束流相垂直的平面內(nèi)進行一維掃描或二維掃描，并使工件按照上述掃描方式穿過該預設能量范圍內(nèi)的離子束以實現(xiàn)均勻的離子注入。其中，該系統(tǒng)還包括設于該制程腔7處的一真空傳送裝置8以及一大氣傳送裝置9，該真空傳送裝置8用于在高真空環(huán)境中傳送工件，該大氣傳送裝置9則用于在大氣環(huán)境中傳送工件。但與現(xiàn)有的中束流離子注入系統(tǒng)不同的是，本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)還增設了以下 裝置一設于該質(zhì)量分析磁鐵2與該束流掃描裝置3之間的直線加速器10，該直線加速器10用于利用射頻電場使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速至高能量，其中優(yōu)選地，該直線加速器10僅僅選擇對一系列預設能量值下的離子束進行傳輸，當束流傳輸至上述的變速裝置5時，再由該變速裝置5將束流較為精確地加速或減速至預設的最終注入能量；一設于該直線加速器10與該束流掃描裝置3之間的能量過濾裝置6’，該能量過濾裝置6’可以采用磁鐵或靜電裝置來實現(xiàn)，用于過濾掉存在能量污染的離子，以提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性。 基于上述的離子注入系統(tǒng)，本發(fā)明的離子注入方法為S1、利用該離子源生成一離子束；S2、利用該質(zhì)量分析磁鐵從該離子束中選擇一預設能量范圍內(nèi)的離子束；S3、在執(zhí)行高能量離子注入時，利用該直線加速器使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速，并利用該能量過濾裝置提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性；S4、利用該束流掃描裝置掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束；S5、利用該準直裝置準直該預設能量范圍內(nèi)的離子束；S6、利用該變速裝置使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速；S7、在該制程腔內(nèi)利用該工件掃描裝置掃描工件并使工件穿過該預設能量范圍內(nèi)的離子束，以進行離子注入。當然，當該工件掃描裝置采用效率較高的一維掃描方式來掃描工件進行注入時， 上游的該束流掃描裝置3必須使束流以足夠大的幅度進行掃描，以使得在制程腔處束流的分布范圍已經(jīng)足以覆蓋工件的整個表面。當需要進行中束流離子注入時，則只需將該直線加速器10以及該能量過濾裝置 6’移除即可，此時本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)便已經(jīng)被靈活地改裝為了一種中束流離子注入系統(tǒng)。綜上所述，本發(fā)明將直線加速器設計在了變速裝置之前，并且在直線加速器中僅僅選擇一系列預設的固定能量值下的離子束進行傳輸，而后再通過變速裝置對束流進行加速或減速，以將其速度值較為精確地調(diào)整至制程所預設的最終注入速度，這不僅能夠提高高能量離子的傳輸效率，還可以避免設置大量的諧振腔，由此一方面節(jié)省了設備所占用的空間，進一步地降低了設備成本，另一方面還使得在執(zhí)行不同的離子注入制程時，能夠較為便捷地實現(xiàn)對離子束能量或者種類的切換；另外，由于在本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)中設置有束流掃描裝置，因此，即使在高能量離子注入的應用場合下，也可以利用下游的束流掃描裝置對束流進行掃描，繼而在制程腔中靈活地選擇對工件進行一維掃描或二維掃描來完成注入，以在確保注入均勻性的前提下盡可能地提高注入效率。此外，本發(fā)明的該離子注入系統(tǒng)僅需經(jīng)過簡單的改裝，便可以適用于中束流離子注入的應用場合，因此不但可以便捷地在不同的應用場合下靈活切換，還能夠省去原先為購置兩套分立的離子注入系統(tǒng)所耗費的設備成本。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種離子注入系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一離子源，該離子源用于生成一離子束，在該離子束的傳輸路徑上依次設有一質(zhì)量分析磁鐵，用于從該離子束中選擇一預設能量范圍內(nèi)的離子束；一束流掃描裝置，用于掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束；一準直裝置，用于準直該預設能量范圍內(nèi)的離子束；一變速裝置，用于使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速；一制程腔，該制程腔內(nèi)設有一工件掃描裝置，該工件掃描裝置用于掃描工件并使工件穿過該預設能量范圍內(nèi)的離子束，以進行離子注入；其特征在于，該系統(tǒng)還包括一設于該質(zhì)量分析磁鐵與該束流掃描裝置之間的直線加速器，用于利用射頻電場使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速；一設于該直線加速器與該束流掃描裝置之間的能量過濾裝置，用于提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性。
2.如權利要求1所述的離子注入系統(tǒng)，其特征在于，該直線加速器用于僅對多個預設能量值的離子束進行傳輸，該變速裝置用于使離子束加速或減速至預設注入能量。
3.如權利要求1或2所述的離子注入系統(tǒng)，其特征在于，該工件掃描裝置用于在與離子束束流相垂直的平面內(nèi)使工件進行一維或二維掃描。
4.如權利要求1或2所述的離子注入系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括設于該制程腔處的一真空傳送裝置以及一大氣傳送裝置，該真空傳送裝置用于在高真空環(huán)境中傳送工件， 該大氣傳送裝置用于在大氣環(huán)境中傳送工件。
5.如權利要求1或2所述的離子注入系統(tǒng)，其特征在于，該束流掃描裝置為電掃描裝置或磁掃描裝置。
6.如權利要求1或2所述的離子注入系統(tǒng)，其特征在于，該變速裝置為直流靜電的加速或減速裝置。
7.如權利要求1或2所述的離子注入系統(tǒng)，其特征在于，該能量過濾裝置為能量過濾磁鐵或能量過濾靜電裝置。
8.一種利用如權利要求1所述的離子注入系統(tǒng)實現(xiàn)的離子注入方法，其特征在于，該方法包括以下步驟51、利用該離子源生成一離子束；52、利用該質(zhì)量分析磁鐵從該離子束中選擇一預設能量范圍內(nèi)的離子束；53、在執(zhí)行高能量離子注入時，利用該直線加速器使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速， 并利用該能量過濾裝置提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性；54、利用該束流掃描裝置掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束；55、利用該準直裝置準直該預設能量范圍內(nèi)的離子束；56、利用該變速裝置使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速；57、在該制程腔內(nèi)利用該工件掃描裝置掃描工件并使工件穿過該預設能量范圍內(nèi)的離子束，以進行離子注入。
9.如權利要求8所述的離子注入方法，其特征在于，利用該直線加速器僅對多個預設能量值的離子束進行傳輸，并利用該變速裝置使離子束加速或減速至預設注入能量。
10.如權利要求8或9所述的離子注入方法，其特征在于，利用該工件掃描裝置在與離子束束流相垂直的平面內(nèi)使工件進行一維或二維掃描。
11.如權利要求8或9所述的離子注入方法，其特征在于，在該方法中，利用一設于該制程腔處的真空傳送裝置在高真空環(huán)境中傳送工件，并利用一設于該制程腔處的大氣傳送裝置在大氣環(huán)境中傳送工件。
12.如權利要求8或9所述的離子注入方法，其特征在于，該束流掃描裝置利用電效應或磁效應掃描該預設能量范圍內(nèi)的離子束。
13.如權利要求8或9所述的離子注入方法，其特征在于，該變速裝置利用直流靜電場使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速或減速。
14.如權利要求8或9所述的離子注入方法，其特征在于，該能量過濾裝置利用磁效應或靜電場提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性。
15.如權利要求8所述的離子注入方法，其特征在于，在步驟S3中，在執(zhí)行中束流離子注入時，移除該直線加速器和該能量過濾裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離子注入系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一離子源，一質(zhì)量分析磁鐵，一束流掃描裝置，一準直裝置，一變速裝置以及一制程腔；該系統(tǒng)還包括一設于該質(zhì)量分析磁鐵與該束流掃描裝置之間的直線加速器，用于利用射頻電場使該預設能量范圍內(nèi)的離子束加速；一設于該直線加速器與該束流掃描裝置之間的能量過濾裝置，用于提高該預設能量范圍內(nèi)的離子束的能量單色性。本發(fā)明還公開了一種利用上述離子注入系統(tǒng)實現(xiàn)的離子注入方法。本發(fā)明能夠在高能量離子注入的應用場合下提高高能量離子的傳輸效率，并且還可以便捷地改裝適用于中束流離子注入的應用場合。
文檔編號H01J37/317GK102194635SQ20101015701
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2010年3月18日
發(fā)明者陳炯 申請人:上海凱世通半導體有限公司