具有定制提取孔的离子源

本申请要求2018年12月12日提交的标题为“具有定制提取孔径的离子源”的美国申请16/217，664号的权益，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种具有离子源的离子注入机，其用于产生和发射离子以形成用于处理工件或晶片的离子束，并且更具体地，涉及一种具有用于提供改进的离子束均匀性特性(特别是在源自离子源的高纵横比离子束的情况下)的定制提取孔(另外称为“弧形隙缝”)的离子源。

背景技术

离子注入机是众所周知的，并且已经在半导体制造领域中使用了许多年来修改诸如硅晶片的工件。在最简单的术语中，这些复杂的系统产生离子束，该离子束被引导至晶片以选择性地掺杂具有受控浓度和能量的杂质的晶片，从而产生形成用于制造集成电路或所谓的微芯片的基础的半导体材料。

典型的离子注入机包括：离子源；离子提取电极子系统；质量分析装置；束传输组件；以及晶片处理站。离子源通常包括用于接收掺杂剂材料并由此产生所需原子或分子掺杂剂物质的离子的腔室。这些离子经由提取构件从腔室提取，提取构件通常定义了与提取电极子系统配合使用的提取孔，提取电极子系统包括一组电极，该组电极通过提取孔对离子流供能并将离子流导出离子源腔室。然后在质量分析装置(通常为磁偶极子)中将所需的掺杂剂离子与离子源的其他离子和副产物分离，从而执行提取的离子束的质量分散。束传输组件包括真空系统，该真空系统包括多个各种静电和/或磁性聚焦、过滤和加速/减速部件，以用于将离子束传输到晶片处理站，同时产生和/或维持离子束所要求的性质。最后，传输的离子束撞击在传送进/出的晶片处理站的晶片上，以将离子从离子束注入晶片中。

产生离子的离子源用于产生离子束，是众所周知的。例如，Trueira的共同授予的美国专利第5，420，415号和Sferlazzo等人的美国专利第5，497，006号描述了用于在半导体制造设备中产生离子的典型“Bernas型”离子源的各个方面和细节。虽然出于所有目的将‘415和‘006专利的内容以引用方式并入本文中，但应理解，本发明可应用于其它类型的离子源，包含(但不限于)所谓的“弗里曼型(Freeman-type)”离子源以及用于提取离子束的基于RF的离子源。

如前所述，离子源通常包括腔室，有时称为：气体限制腔室；弧形腔室；或等离子体腔室，其由限制电离区域的导电腔室壁构成。如本领域公知的，气体供应装置被定位成与气体限制腔室连通，用于将可电离气体输送到气体限制腔室(或用于在气体限制腔室中容纳可溅射电离材料)。电子源相对于气体限制腔室定位，用于将电离电子发射到气体电离区域中。在典型的基于“内部加热的阴极”的离子源中，加热的阴极以灯丝的形式提供，该灯丝被支撑在导电体内部，用于加热阴极并使电离电子发射到气体限制腔室中。

气体限制腔室包括限定提取孔的提取构件，或用于允许离子离开腔室的所谓的弧形隙缝。气体限制腔室和提取孔相对于提取子系统定位，以便从气体限制腔室提取的和离开气体限制腔室的离子产生明确限定的离子束。因此，在腔室内部内产生的离子朝向提取构件提取并且通过提取孔被传输，以形成离子束。提取孔可以是形成在提取构件中的细长开口或通孔的形式。以引用方式并入本文中的共同授予的美国专利第7，453，074号，公开了可能需要改变提取孔的大小及/或形状以界定不同离子束特征及/或改变离子源操作及其各种特性。

发明内容

本发明公开了一种离子注入系统，其包括用于产生离子流的离子源。离子源具有离子源弧形腔室壳体，其限制所述腔室壳体内的离子的高密度浓度。提取构件限定适当配置的提取孔，以允许离子离开离子源腔室。在优选实施例中，提供了一种定制的提取孔，用于修改离子束特征并在整个离子束范围内产生基本均匀的离子束电流。

在一个优选实施例中，提取孔具有不同于传统的卵形或椭圆形提取孔的定制形状。也就是说，典型的离子源提取孔以卵形或椭圆形形状的细长隙缝的形式提供，通常具有沿着提取构件和/或提取孔的长度方向延伸的反射对称的单轴。在本发明中，提取构件限定呈细长隙缝形式的孔，所述细长隙缝具有两端宽中间窄的变化宽度，(通常称为“狗骨”形状)，其中提取孔的中间部分具有相对于对端部分窄的宽度。

本发明涉及一种离子源，包括离子源壳体和限定具有定制形状的提取孔的相关提取构件。离子源限定离子产生腔室，其用于限制其中的离子的高密度浓度，而提取构件限定用于允许离子离开离子产生腔室的提取孔。提取孔的定制形状包括具有第一宽度尺寸的中心部分，以及从中心部分的相对侧延伸的第一远端部分和第二远端部分，相对的远端部分具有大于中心部分的第一宽度尺寸的第二宽度尺寸。

在本发明的另一实施例中，揭示一种离子注入机，其中所述离子注入机包含离子源，所述离子源包含限定弧形腔室的壳体，其限制在其中的离子的高密度浓度，及与所述离子源壳体相关联的界定用于允许离子离开所述弧形腔室的提取孔的提取部件。提取孔具有定制形状，包括：具有第一宽度尺寸的中心部分；以及从中心部分的相对侧延伸的第一远端部分和第二远端部分，相对的远端部分具有大于中心部分的第一宽度尺寸的第二宽度尺寸。

为了便于描述，离子束提取孔延伸的长方向可以被称为孔径的纵向方向，其对应于离子源腔室的纵向方向。提取孔的纵向垂直于从离子源提取离子束的方向。在下文中，垂直于孔的纵向方向和离子束提取方向两者的方向可以被称为孔的宽度方向。因此，图3A、3C、4A、4C和6A-D中所示的图示是具有相关联的提取孔的典型离子束提取构件的视图，其沿着平行于所述孔的纵向方向且垂直于所述离子束的提取方向的平面暴露。因此，在图3A、3C、4A、4C和6A-D中，提取孔的纵向方向在垂直方向上，孔宽度方向在水平方向上，并且离子束提取方向在垂直于纸表面的方向上。

通过参考附图阅读以下说明，本发明的其它特征对于本发明所涉及的领域的技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

图1是用于诸如硅晶片的工件的离子束处理的离子注入机的示意图；

图2是离子源的立体图；

图3A-3C是由现有技术限定的提取构件和提取孔的示意图，其中图3A是前视图或前视平面图；图3B是从图3A的切割线3B-3B观察的截面图；以及图3C是后视图或后视平面图；

图4A-4C是本发明的提取构件和提取孔的优选实施例的示意图，其中图4A是前视图；图4B是从图3A的切割线4B-4B观察的截面图；以及图4C是后视图或后视平面图；

图5是测量的束电流波形的示意图，其示出了与大致椭圆形的提取孔相关联的典型束电流特征相较于与本发明的“狗骨”形提取孔相关联的束电流特征。

图6A-6D是根据在前视图或前视平面图中示出的根据本发明并由本发明包围的限定的各种提取孔形状的提取构件的示意图。

具体实施方式

转向附图，图1示出了离子束注入机10的示意图，离子束注入机10具有离子源12，离子源12用于产生离子，以形成离子束14，离子束14经成形及选择性地偏转以穿越离子束路径到达处理腔室或终端站52。终端站52包括限定内部区域的真空或注入腔室22，在该内部区域中，诸如半导体晶片的工件24被定位用于由构成离子束14的离子注入。提供示意性地表示为控制器41的控制电子器件，用于监测和控制离子束电流或剂量，以及由工件24接收的离子束的方面和特性。对控制电子器件的操作者输入经由位于终端站52附近的用户控制台26来执行。通过一个或多个真空泵27将注入机保持在低压下。

下文将更详细地描述离子源12。通常，离子源包括离子产生腔室，另外称为等离子体弧形腔室，其定义注入源材料的内部区域。源材料可以包括可电离气体、CO气体或汽化或可溅射源材料。在离子产生腔室内产生的离子通过离子束提取组件28从腔室内提取，离子束提取组件28包括用于产生离子加速电场的多个电极(未示出)。

分析磁体30位于离子源12的下游，用于质量分析离子束14。分析磁体30弯曲并过滤离子束14，将其引导通过解析孔32。在本文所说明的示范性离子束注入机中，离子束14穿过四极透镜系统36，四极透镜系统36聚焦离子束14且接着穿过静电偏转电极或扫描磁体40，所述静电偏转电极或扫描磁体40也由控制器41控制。控制器41向扫描磁体提供交流信号，该交流信号又使得离子束14以几百赫兹的频率反复地偏转或从一侧至另一侧扫描。该振荡束偏转或离子束的侧向扫描产生薄的扇形离子束14a。应当理解，本发明同样适用于不包括扫描系统的离子束注入系统，例如在以两个正交维度扫描晶片以便将整个晶片暴露于离子束的笔形离子束系统中，或者在允许离子束沿着射束路径发散以形成宽区域或带状射束以完全覆盖诸如硅晶片的工件的直径的带状射束系统中。

本文所示的示例性离子束注入机10还包括平行化磁体42，其中构成离子束14a的偏转离子再次以不同的量偏转，使得它们离开平行化磁体42，沿着大致平行的离子束路径移动。离子然后进入能量滤波器44，能量滤波器44使离子由于其带电而偏转，以去除发生的上游离子束成形期间可能已经进入离子束的中性粒子。离开平行化磁体42的扫描离子束14a是高纵横比离子束，其横截面形状基本上呈非常窄的矩形的形式，其具有有限的垂直延伸和在正交方向上由于扫描系统40引起的扫描或偏转而较宽的延伸。所扫描的离子束完全覆盖晶片的直径，使得所扫描的离子束14a的延伸使得当工件也被扫描时，离子撞击工件24的整个表面。

工件支撑结构50在注入期间，相对于扫描离子束14既支撑工件又使工件移动。由于注入腔室内部区域被抽空，所以工件必须通过负载锁60进入和离开腔室。安装在注入腔室22内的机械臂62自动地将晶片工件移动到负载锁60和从负载锁60移动晶片工件。在图1中，工件24被示出为处于负载锁60内的水平位置。臂62通过使工件旋转通过弓形路径而使工件24从负载锁60移动到支撑件50。在注入之前，工件支撑结构50将工件24旋转到垂直或接近垂直位置以用于注入。

在典型的注入操作中，通过两个机器人80、82中的一个从多个盒子70-73中的一个获取未掺杂工件(半导体晶片)，这两个机器人80、82将工件24移动到晶片取向站84，其中工件24旋转到特定方向。机械臂取回定向工件24并将其移动到负载锁60中。负载锁被泵至所需真空压力，然后打开到注入腔室22中。机械臂62抓取工件24，将其带到注入腔室22内，并将其放置在与工件支撑结构50相关联的夹持平台或静电卡盘上，用于注入期间在离子束前面工件24被扫描时，将工件24保持就位。

在工件24的离子束处理之后，工件支撑结构50使工件24返回到静电卡盘断电以释放工件的位置。机械臂62在离子束处理之后抓取工件24并将其从支撑件50移动回到负载锁60中。根据替代设计，负载锁可以包括独立抽空和加压的多个区域，并且在该替代实施例中，注入站20处的第二机械臂(未示出)抓取注入的工件24并且将其从注入腔室22移动回至负载锁60。从负载锁60，机器人80、82中的一个机器人的机械臂将注入的工件24移动回至盒子70-73中的一个，通常移动至最初取出工件的盒子。

如图2所示，离子源12是通常包括耦接至具有手柄114的凸缘112的源块110的部件的组件，源组件12可以通过手柄114从注入机移除。如本领域公知的，源块110支撑并限定等离子体或弧形腔室(也称为离子产生腔室)以及相关的电子发射阴极(未示出)。如先前参考的美国专利第5，420，415号中所讨论的，在离子源的优选实施例中，阴极由源块支撑，但与弧形腔室电隔离。简单来说，足够能量的电子被发射到弧形腔室中以电离腔室内的气体。

弧形腔室包括板形式的提取构件128，其限定细长的、大致椭圆形的提取或出口孔126，为从弧形腔室发射的离子提供出口。当离子从弧形腔室迁移时，它们通过由相对于出口孔126定位的离子束提取组件28(图1)设置的电场加速。关于一个示例性现有技术离子源的附加细节在授予Benveniste等人的美国专利5，026，997中公开，该专利共同转让给本发明的受让人并以引用方式并入本文。

如在现有技术中通常已知的，典型的提取构件128和由此限定的提取孔126在图3A、3B和3C中示出。如可以看到的，提取构件在形状上是大致矩形的并且在一侧123上是平坦的，该侧抵靠并且面向离子产生弧形腔室的内部。提取构件的相对侧124是凹形的或略微向内弯曲的，如在图3B中可以最佳地看到的。提取构件128还可以包括通常位于构件的相对端处的多个周边定位槽125，用于辅助提取孔的对准，在腔室内产生的离子可以通过该提取孔离开腔室以通过提取电极28(图1)沿着离子束路径加速。提取电极128被供电并且相对于弧形腔室的电势可控制地偏置，以使通过提取孔126离开弧形腔室的离子加速。迄今为止，如在图3A-3C中可见，提取孔126具有可被限定为具有大致椭圆形形状的细长隙缝，该细长隙缝也可被不严谨地描述成拉伸为大致卵形的细长圆形。椭圆形状可以根据闭合形状来描述，该闭合形状具有分别限定其最长和最短尺寸的长轴和短轴，其中短轴在其中心点处限定椭圆的最大宽度，使得当沿着长轴的长度远离椭圆形状的中心点移动时，宽度减小。

转向本发明，如图4A-4C所示，发明人已经发现，提供与离子源相关联的提取构件128可能是有益且有利的，其中提取构件128限定具有定制形状的孔126。定制形状可被限定为具有中心部分180以及从中心部分的相对侧延伸的第一和第二远端部分182。中心部分180具有第一宽度尺寸W1，而相对的远端部分具有大于中心部分的第一宽度尺寸的第二宽度尺寸W2。在如图4A-4C所示的优选实施例中，本发明用“狗骨”形孔178代替现有技术的提取构件的提取孔的典型的椭圆形状，其中孔的中心部分180包括第一最小宽度尺寸W1，该第一最小宽度尺寸小于与孔126的相对的远端部分182相关联的最大宽度尺寸W2。

以另一种方式描述，本发明的提取孔126包括位于其中间部分的腰部，其中与腰部相关联的最大宽度尺寸小于与孔的中间部分上方和下方的部分相关联的最大宽度尺寸。

以另一种方式描述，如图4C所示，本发明的提取孔包括沿其宽度延伸的横向轴线190和沿其高度延伸的纵向轴线192，其中横向轴线和纵向轴线在孔的中心点处相交。横向轴线的尺寸随着距中心沿着纵向轴线的距离的函数而增加。因此，本发明的提取孔126具有沿着与纵向轴线192的中点相关联的横向轴线190的最小尺寸，和沿着与横向轴线平行的轴线在沿着纵向轴线192远离中点延伸的距离处的最大尺寸。

除了本发明的定制形状之外，发明人还发现，提供具有凸形侧面特征的定制形状提取构件可能是有益的和有利的，如在图4B中可以最佳地看到的。因此，提取构件128在一侧123上是大致平坦的，一侧123是暴露于离子产生腔室内部的一侧。提取构件128的相对侧124是凸起的或略微向外弯曲的，使得提取构件128的厚度或深度尺寸沿着定制的提取孔的中心部分、腰部或中部最大，并且沿着孔的纵向轴线在深度尺寸上逐渐减小，使得提取构件具有与由此限定的孔的终止点相邻的最小厚度。因此，本发明的提取构件可具有形状凸起的侧面特征，使得提取构件的深度尺寸在其中心部分附近最大，并且在孔的远端部分附近具有减小的深度尺寸。

图5提供了由本发明的定制孔形状提供的益处和优点的图形表示。图5是沿着提取孔径的纵轴测量的由离子源生成的典型离子束的测量束电流波形的图示，其中x轴表示相对于“0”X位置处离子束的中心的束电流测量的位置，并且Y轴表示任意单位的测量的束电流。可以看出，标记为“A型”和“B型”的束电流波形具有通常与现有技术的大致椭圆形提取孔相关联的高斯(Gaussian)形状。相比之下，与本发明的定制提取孔相关联的标记为“C型”的束电流波形具有平台形状，其指示在整个离子束的纵向轴线的基本上均匀的束电流，离子束具有沿着平台的边缘在远离“0”X位置的位置处的增加的束电流。这种更均匀的射束电流在具有相当高纵横比的射束特征的笔形射束类型系统中是特别有利的。

应当理解，前面的描述或所谓的“狗骨”定制形状提取孔仅是本发明所涵盖的各种形状中的一种。因此，根据“狗骨”形孔，孔由多个相对的曲线侧壁部分130限定，使得提取孔126在平面图中是曲线的。在图4A-4C所示的具体实施例中，多个相对的曲线侧壁部分130、132包括与中心部分相关联的侧壁132，和与第一远端和第二远端中的每一个相关联的侧壁130。所述中心部分在形状上是相对凸起的(与附图标记180相关联)，所述第一远端和第二远端中的每一个在形状上是相对凹入的(与附图标记182相关联)。与第一远端和第二远端相关联的侧壁130在形状上基本上是椭圆形的。定制形状可沿着延伸穿过中心部分以及第一和第二远端部分的纵向轴线192对称。另选地，定制形状可沿延伸穿过中心部分以及第一和第二远端部分的纵向轴线192不对称。同样，第一和第二远端部分的形状可相对于中心部分或横向轴线190对称或不对称。

图6A-6D提供了根据本发明并由其涵盖的定义各种替代的定制的提取孔的提取构件的前视图或前视平面图的图示。例如，图6A示出了根据本发明的用于定制的提取孔146的替代实施例，其中中心部分147可以具有基本上矩形的形状，该形状具有平行的相对侧，并且第一和第二远端的形状在平面图中形成圆形形状。在另一替代实施例中，如图6B所示，提取孔156的形状通常为“领结”，包括多个相对的线性侧壁部分157，使得提取孔在平面上是线性的。在该实施例中，与第一和第二远端相关联的相对的线性侧壁部分157彼此远离倾斜，以沿着从中心部分延伸到第一和第二远端的纵向轴线的路径在它们之间提供逐渐增加的宽度尺寸。

在又一替代实施例中，提取孔具有大体上“蜡烛台”形状的平面特征，是与图6B相关联的线性侧壁方法的变体，其中如图6C中所示，相对的线性侧壁部分可包括第一及第二远端，所述第一及第二远端包括由于其间的变化的宽度尺寸而分开的多个相对横向片段167。类似地，但在又一实施例中，提取孔具有大致“杠铃”形状的平面特征，其具有相对的线性侧壁部分，如图6D所示，其可包括第一和第二远端，所述第一和第二远端包括多个相对的横向片段177，所述多个相对的横向片段177由于其间的变化的宽度尺寸而分开，其中相对的线性侧壁部分具有沿着远离中心部分延伸的路径或纵向轴线在其间逐渐减小的宽度尺寸。

根据本发明的优选实施例的以上描述及其许多替代变型，本领域技术人员将认识到改进、改变和修改。离子源提取孔的性质及其定制形状可以根据注入腔室内部的源离子化材料、所需的束形状和尺寸、和/或束电流均匀性要求以及各种其他操作特性而变化。本领域技术范围内的改进、改变和修改由所附申请专利范围涵盖。因此，虽然已经以一定程度的特殊性描述了本发明，但是应当理解，本领域普通技术人员可以在不脱离如所附申请专利范围中阐述的本发明的精神或范围的情况下对本发明的所描述的本发明实施例进行某些添加或修改或从本发明的所描述的本发明实施例中删除。