阅读说明：本技术 无能源污染减速离子束的装置和技术 (Apparatus and technique for decelerating ion beam without energy pollution ) 是由 法兰克·辛克莱 丹尼尔·泰格尔 可劳斯·贝克 于 2018-03-12 设计创作，主要内容包括：一种离子植入系统可包括：离子源,产生离子束,衬底平台,设置在离子源的下游；以及减速级,包括使离子束偏转的组件,其中所述减速级设置在离子源与衬底平台之间。所述离子植入系统还可包括向减速级提供氢气的氢来源,其中从离子束产生的高能中性物质不散射到衬底平台。(An ion implantation system may comprise: an ion source to generate an ion beam, a substrate stage disposed downstream of the ion source; and a deceleration stage comprising an assembly to deflect the ion beam, wherein the deceleration stage is disposed between the ion source and the substrate table. The ion implantation system may further include a hydrogen source that provides hydrogen gas to the deceleration stage, wherein energetic neutral species generated from the ion beam are not scattered to the substrate platform.)

无能源污染减速离子束的装置和技术

技术领域

本发明实施例涉及束线离子植入机，且更具体来说涉及用于使离子束加速的离子植入机中的电极。

背景技术

目前，束线离子植入机利用多个组件将离子束从离子源引导到衬底。为了对衬底进行恰当处理，离子束可被加速或减速到目标离子能量，且可具有离子束的轨迹及形状，通过各种束线组件对所述离子束的轨迹及形状进行操纵，以在衬底处产生离子束的一组目标特性。在诸多类型的离子植入机(包括中等能量离子植入机及低能量离子植入机在内)中，离子源可产生离子束，所述离子束以相对高的能量顺着束线向下导引，同时在将要撞击衬底之前被减速到最终能量。之所以利用此程序，是因为以低能量(低于≈10千电子伏(keV)产生高电流束(具有大于≈1mA的电流)的最好方式是在冲撞衬底前的最后可能阶段(latest possible stage)中减速到最终能量之前，通过离子提取、质量分析及其他束线元件来输送处于相对较高能量的离子束。由于空间电荷力(space charge force)使离子互相排斥，因而此类低能量高电流束将无法在束线中输送长的距离。在已知的离子植入机中，在晶片附近进行减速的架构会引入由冲撞衬底的高能物质造成能量污染的风险。具体来说，在将要减速之前或在减速期间体积中呈中性的离子由于能量没有变化而将会继续传播，且因此可在比预期高的能量下冲撞晶片(衬底)。

在一些离子植入机中，通过以下方式来解决这个问题：在组件(例如减速级(deceleration stage))内提供弯曲部，使得行进穿过减速级的中性物质(neutral)可借助减速级中的弯曲部而与衬底屏蔽开。尽管在笔直方向上行进的中性物质可能无法到达衬底，然而即使在减速级中具有弯曲部的离子植入机中仍会发现能量污染。

有鉴于这些及其他考虑因素，提供了本公开。

发明内容

在一个实施例中，一种离子植入系统可包括：产生离子束的离子源；设置在所述离子源的下游的衬底平台；以及包括使所述离子束偏转的组件的减速级，其中所述减速级设置在所述离子源与所述衬底平台之间。所述离子植入系统还可包括向所述减速级提供氢气的氢来源，其中从所述离子束产生的高能中性物质(energetic neutral)不散射到所述衬底平台。

在另一实施例中，一种离子植入方法可包括：产生离子束；使所述离子束在减速级中减速；在所述减速期间改变所述离子束的轨迹；以及在所述减速期间将氢气引导到所述减速级中。

在再一实施例中，一种处理离子束的减速级可包括：容纳所述离子束的壳体；以及使所述离子束减速的减速总成，其中所述减速总成设置在衬底平台的上游，且减速总成包括设置在所述壳体内的第一多个电极。所述减速级还可包括使所述离子束偏转的偏转总成，其中所述偏转总成包括设置在所述壳体内的第二多个电极，其中所述离子束的轨迹被改变。所述减速级还可包括在所述壳体内提供氢气的氢来源，其中所述壳体内的氢分压(partial pressure of hydrogen)大于10^-6托。

附图说明

图1示出根据本公开的实施例的离子植入机100的方块图。

图2示出根据本公开的实施例的减速级116的实施例的详细视图。

图3示出若干种不同气体对20keV硼物质的散射概率随着散射角度的变化。

图4示出根据本公开的其他实施例的工艺流程。

附图未必按比例绘制。附图只是表示图，而非旨在描绘本公开的具体参数。附图旨在示出本公开的示例性实施例，且因此不应被视为对范围进行限制。在附图中，相同的编号表示相同的元件。

此外，为使说明清晰起见，一些图中的某些元件可被省略，或不按比例示出。为使说明清晰起见，剖视图可呈“切片(slice)”或“近视”剖视图的形式，以省略原本会在“真实的”剖视图中可见的某些背景线。此外，为清晰起见，在某些附图中可省略一些参考编号。

具体实施方式

现在将参照其中示出一些实施例的附图在下文更充分地阐述本发明实施例。本公开的主题可被实施为诸多不同形式，而不应被视为仅限于本文所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开内容将透彻及完整，且将向所属领域中的技术人员充分传达所述主题的范围。在附图中，相同编号自始至终指代相同元件。

本发明实施例涉及离子束处理装置(例如束线植入机)。各种实施例可适用于离子能量可处于最多近似500keV范围内且在特定实施例中离子能量可低于50keV的束线离子植入机。所述实施例在此上下文中不受限制。如下所详述，本发明实施例有利于在防止与传统离子植入机相关联的能量污染的同时，以相对较低的能量(例如低于50keV)操作离子植入机。

图1示出根据本公开的实施例的离子植入机100的方块图。离子植入机100包括用于产生离子束104的离子源102、分析器磁体106、真空腔室108、准直器110及被示出用于支撑衬底114的衬底平台112。离子植入机100还包括设置在准直器110的下游的减速级116。为简明起见，离子束104仅被示出为离子束的中心射线轨迹。在各种实施例中，离子源102可为间接加热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)离子源、射频(radio frequency，RF)离子源、微波离子源或其他离子源。如同在传统分析器磁体中一样，分析器磁体106可改变从离子源102提取的离子的轨迹。真空腔室108可包括质量分辨狭缝(mass resolvingslit)，所述狭缝可用作用于筛除具有不期望质量的离子的传统质量分辨狭缝。在各种实施例中，离子束104可被提供作为静态带状束(ribbon beam)、点束(spot beam)或扫描点束(scanned spot beam)，其中所述扫描点束是由静电扫描仪或磁性扫描仪产生；且可包括多个组件或级。准直器110可为磁性准直器或静电准直器，以至少用于产生将被传导到衬底114的经准直离子束。离子植入机100可包括包含开孔的其他束线组件、抖动组件(dithering component)、额外的加速/减速组件，这些其他组件的操作是众所周知的。为清晰起见，本文中省略了对此类组件的进一步论述。

如图1进一步所示，离子植入机100可包括氢来源118，其中氢来源118被安排成向减速级116提供氢气。如下所述，与减速级116相结合，氢来源118可有助于减少被植入到衬底114中的物质的能量污染。在特定实施例中，氢来源118可直接向减速级116中提供氢气，其中在减少或消除能量污染的同时，所述氢气有助于离子束104的束输送。

现在转向图2，示出减速级116的实施例的详细视图。减速级116可包括减速总成201，减速总成201包括减速电源供应器232及减速电极202，减速电源供应器232及减速电极202用于改变离子束104的能量，且尤其是将离子束104的能量从较高能量离子束104A(例如，10keV)减小为较低能量离子束104B(例如，2keV)。减速级116还可包括偏转总成(deflection assembly)203，偏转总成203包括偏转电源供应器234及偏转电极204且使离子束104的路径偏转，使得离子束104的传播方向在离子束104离开减速级116并撞击衬底114时发生变化。尽管被示出为单独的组件，然而在各种实施例中，偏转总成203与减速总成201可共享用于改变离子束104的方向及能量的共用电极。

如图2进一步示出，减速级116可用于屏蔽潜在的污染物以免撞击衬底114。如图所示出，减速级116具有弯曲形状，其中所述减速级不提供离子束104从减速级116的入口220到减速级116的出口222的视线路径(1ine of sight path)。由于离子束104是由带电粒子制成，因此离子束104可经由偏转总成203产生的电场而发生偏转。

应注意，进入减速级116的任何中性物质(例如高能中性物质206)可能在衬底114处潜在地造成高能污染来源。此种潜在的污染是因为不携带净电荷(net charge)的高能中性物质不会通过减速总成201减速，且因此可在比被赋予较低能量离子束104B的能量高的能量下，行进穿过减速级116。因此，离开减速级116的任何高能中性物质可具有比用于植入的目标能量高的能量，其中所述目标能量被赋予通过减速级116减速的离子且对应于较低能量离子束104B的能量。举例来说，较低能量离子束104B所携带的用于离子植入的目标能量可为2keV，而高能中性物质206可携带10keV的能量进入减速级116。通过提供弯曲形状，偏转总成203可捕获高能中性物质，这是因为高能中性物质206的轨迹不会因偏转总成203产生的场而改变，从而使高能中性物质206能够以直线轨迹朝偏转总成203的壁行进。

为了对离子束104提供恰当的束控制，可向离子植入机(包括向减速级116)提供背景气体(background gas)。背景气体可由氢来源118提供，且可流入减速级116的壳体117中，以在减速级116中形成氢气210的适当分压。在使氢气210流入减速级116中之后，氢气210可通过与离子束104中的离子的电子相互作用而被电离(ionized)。氢气210的电离(以产生正离子)可因此释放电子，所述电子被陷获在离子束104中，从而通过减少正离子之间的相互排斥来降低空间电荷电势并改善离子束性质(例如维持紧凑的离子束)。举例来说，此空间电荷电势的降低尤其有利于能量低于50keV的低能量离子。背景气体离子在被电离之后具有低能量(例如，几eV或几eV以下)，被束电势排斥，而可被吸引到束线的组件(例如壳体117)的壁。以此种方式，背景气体可在不妨碍植入工艺的同时改善用于低能量离子束的束光学器件。

有利地，以适当的分压向减速级116提供氢气210可通过减少空间电荷的同时还减少能量污染(与已知的离子植入机相比)来提供恰当的束控制。在使用氮气或惰性气体(例如氩气或氙气)的已知的离子植入机中，在被植入有掺杂剂离子(例如硼)的衬底中观察到了能量污染。具体来说，可在被植入衬底内观察到掺杂剂的深度分布的高能量尾(energytail)，此表明了未进行恰当减速且试图横穿减速级的高能中性物质的影响。即使对于具有弯曲的减速级从而以直线轨迹行进进入减速级的中性物质可被减速级的壁拦截的离子植入机而言，仍会发生这种污染。

不受特定理论的限制，在已知的离子植入机中观察到的能量污染可至少部分地由存在于离子植入机中的背景气体对高能中性物质的卢瑟福散射(Rutherford scattering)引起。具体来说，可利用卢瑟福散射模型来分析投射离子(projectile ion)(或高能中性物质)与残余气体原子之间的相互作用。因与背景气体原子相互作用而引起的离子束中的离子的散射的几何特征汇总在表I中。如表I所示，当在离子植入机中使用传统背景气体(例如氮气)时，掺杂剂离子可在相对大的散射角度内散射。在B⁺离子的情况下，即使减速级如图2所示以弯曲方式进行配置，硼离子仍可被氮气背景气体散射最大达180度，从而对高能中性物质可从减速级发出的原因提供解释。换句话说，进入减速级116的高能中性物质可被背景气体物质反射，从而将高能中性物质朝衬底114重新引导出减速级116。这种情形尤其适用于当使用氮气或更高质量的气体时，这时离子的偏转角度可能非常大，尤其是对于P⁺离子或B⁺离子来说。当如在已知的离子植入机中一样使用氮气(m＝14amu)作为背景气体时，硼离子(或高能中性物质)可被散射最大达180°的任何角度。此种散射事件将会导致来自硼离子(或高能中性物质)的一些动能(kinetic energy)转移到氮原子，但即使在30°的散射角度θ下，经散射的硼原子仍将具有80％的散射前的初始能量。假设经30度散射的高能中性物质的轨迹使所述高能中性物质能够从减速级发出，且假设经散射高能中性物质的80％的能量与植入离子的预期能量不匹配，则此种散射事件在经散射中性物质到达晶片时将会造成能量污染。

应注意，在其中使用氢来源118将氢引导到减速级116的本发明实施例中，B⁺物质遇到氢时的最大散射角度仅为5度，此意味着与B⁺具有实质上相同质量的高能硼中性物质将以相似的方式偏转。因此，高能硼中性物质在与氢气物质碰撞时，其轨迹实质上将不会发生变化，从而降低被反射的高能硼中性物质从其中曲率可为30度或大于30度的弯曲减速级发出的概率。

表I

此外，举例来说，与氮气相比，在减速级116中使用氢气210会大大降低散射型碰撞发生的概率。应注意，为了对离子束提供最优束输送(尤其是以小于50keV的束能量提供束输送)，举例来说，可利用近似5×10^-6托、1×10^-5托或3×10^-5托的气体压力来提供足够的电离事件，以在束线中不引入过量总体压力的同时减少离子束中的空间电荷。在此压力范围内，对于离子束中的给定物质，可估计出气相碰撞的概率。图3示出处于1×10^-5托(Torr)的背景气体压力下的若干种不同气体对20keV硼物质的散射概率随着散射角度的变化。如图所示，在近似4度的散射角度下，在为氢气时的散射概率比为氮气时的散射概率低接近两个数量级(order of magnitude)，且绝对值是10^-5，此意味着即使在非常低的角度下，给定硼原子被氢气物质散射的机会仍仅为10^-5。这些概率已利用离子在物质中的输送(Transportof Ions in Matter，TRIM)、即众所周知的蒙特卡罗模拟程序(Monte Carlo simulationprogram)估计出。

再次参照图2，在一些实施例中，氢来源118可耦合到氢端口119，以将气体直接输送到减速级116中。以此种方式，可在以下情况下所需要的环境中直接提供氢：通过提供适当的背景气体压力来优化束输送，同时通过大大降低高能中性物质被反射穿过减速级的出口的概率而使能量污染最小化的情况。

在各种额外的实施例中，向减速级提供氢的氢来源可为本地氢来源。应注意，在已知的离子植入机中，氢不用于供应背景气体的目的。不在离子植入机中使用氢的原因之中包括安全考虑因素(例如易燃性)。一般来说，当在已知的离子植入机中使用危险气体提供植入物质的来源时，可利用专用气体盒来容纳危险气体，其中这些专用气体盒被放置在处于高电压下的罩壳中以与离子源的电压匹配。

在一个实施例中，为了使安全问题最小化，取代气体罐或气体槽，本地氢来源可为在本地根据需要产生氢气的来源。供应氢气的本地来源无需放置在离子源的高电势下，且无需在植入工艺期间活化。因此，当不在离子植入机中使用氢时，离子植入机的束线中不存在氢气。在特定实施例中，电解氢产生器可定位在减速级附近，以在离子植入期间在产生离子束并引导离子束穿过减速级时为减速级生产氢气。

图4示出根据本公开的其他实施例的工艺流程400。在方框402中，在离子源处产生离子束。在各种实施例中，离子源102可为间接加热式阴极(IHC)离子源、射频离子源、微波离子源或其他离子源。在方框404中，使离子束在减速级中减速。举例来说，在一个实例中，离子束的能量可从10keV减小为2keV。在方框406中，使离子束在减速级中偏转以改变离子束的轨迹。举例来说，当离子束离开并去往衬底时，离子束可从进入减速级时的初始轨迹偏转15度、30度、45度或高于45度的角度。在方框408中，在离子束的减速及偏转期间，将氢气引导到减速级中。在一些实施例中，氢气可形成至少5×10^-6托的压力。因此，氢气可在不使进入减速级中的高能中性物质散射的同时，对离子束中的空间电荷效应(space chargeeffect)提供最优抑制，从而避免使高能中性物质朝衬底偏转。

本发明实施例提供多个优点。第一个优点涉及能够减少中等能量离子植入机及低能量离子植入机中的能量污染而无需对加速器列(accelerator column)进行重新设计。本发明实施例还提供方便且安全地减少由高能中性物质引起的能量污染的额外优点。

本公开的范围不受本文所述的具体实施例限制。事实上，通过前述说明及附图，除本文所述的本公开的实施例以外的其他各种实施例及修改将对所属领域中的一般技术人员显而易见。因此，此类其他实施例及修改旨在落在本公开的范围内。此外，本文已出于特定目的在特定环境中的特定实作方式的上下文中阐述了本公开，而所属领域中的一般技术人员将认识到其适用性并非仅限于此，且本公开可出于任何数量的目的在任何数量的环境中有益地实作。因此，以上所述的权利要求应根据本文所述的本公开的全部广度及精神来解释。