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CN117795636A - 用于连续链式能量离子注入的方法和装置 - Google Patents

用于连续链式能量离子注入的方法和装置 Download PDF

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CN117795636A
CN117795636A CN202280054270.3A CN202280054270A CN117795636A CN 117795636 A CN117795636 A CN 117795636A CN 202280054270 A CN202280054270 A CN 202280054270A CN 117795636 A CN117795636 A CN 117795636A
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ion beam
ion
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ion implantation
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科森·詹
詹姆斯·德卢卡
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Axcelis Technologies Inc
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Abstract

一种离子注入系统和方法，可选择性地改变至工件的离子束能量，使其在射束前方依次通过。注入系统具有用于产生离子束的离子源和用于改变离子束能量的加速/减速级，所述加速/减速级基于提供给其的电偏置来改变离子束能量。加速/减速级的正下方设置工件支撑件，以通过选择性变化能量离子束支撑工件，并且可以在射束能量变化期间进行热控制以控制工件温度。当工件位于射束前方时，能量可变化，且控制器可控制电偏置以控制离子束的能量变化，在工件支撑件上将工件单次定位时，可获得多个工艺配方。

Description

用于连续链式能量离子注入的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年8月5日提交的美国临时申请第63/229,663号，标题为“链式多能量注入工艺步骤”和2021年8月5日提交的美国临时申请第63/229,751号，标题为“混合能量离子注入”的权益，其所有内容均通过引用全文合并入本文。
技术领域
本装置总体上涉及离子注入系统和方法，更具体地涉及用于在离子注入期间将选择性控制的可变能量离子束传送至工件的系统和方法。
背景技术
在半导体器件的制造中，离子注入用于在半导体中掺杂杂质。离子注入系统和方法用于用来自离子束的离子掺杂工件(例如半导体晶圆)，以产生n型或p型材料掺杂，或在集成电路制造过程中形成钝化层等工艺。这种射束处理通常以预定的能级和受控的浓度或剂量将含有指定掺杂剂材料的杂质选择性地注入晶圆，以在集成电路制造过程中生产半导体材料。当用于掺杂半导体晶圆时，离子注入系统将选定的离子种类注入工件以产生所需的非本征材料。例如，注入由锑、砷或磷等源材料产生的离子导致“n型”非本征材料晶圆，而“p型”非本征材料晶圆则通常由硼、镓或铟等源材料产生的离子生成。
典型的离子注入机包括离子源、离子提取装置、质量分析装置、射束传输装置和晶圆加工装置。离子源产生所需原子或分子掺杂剂种类的离子。这些离子通过提取系统(通常是一组电极)从离子源中提取，该提取系统激发并且引导来自该源的离子流，从而形成离子束。在质量分析装置中，目标离子从离子束中分离出来，通常是磁偶极子对提取的离子束进行质量色散或分离。射束传输装置通常是一个真空系统，其包含一系列聚焦装置和其他操控离子束的子系统，将离子束传输到晶圆加工装置，同时保持或改善离子束的所需特性。最后，半导体晶圆通过晶圆处理系统(可包括一个或多个机械臂)移入和移出晶圆加工装置，用于将待处理的晶圆放置在离子束前，并从离子注入机中取出处理过的晶圆。
目前的离子注入技术建立了将特定条件注入工件的配方，也称为基材或晶圆。这种配方产生基材内的特定浓度轮廓，通常是由被注入的掺杂剂的类型或所需种类、工件的密度和成分、诸如注入种类的能量、离子束相对于工件表面的注入角度(例如倾斜或扭曲)的注入条件、以及注入的总剂量来确定。
为了建立单个能量注入步骤无法提供的所需掺杂剂轮廓，通常在同一基材上进行同一种类的多个注入步骤，一般采用能量、剂量、倾斜或扭曲的不同组合。虽然剂量、倾斜或扭曲可在单个注入周期内通过将注入过程拆解为多个步骤或所谓的注入步骤“链”调节，但由于潜在污染，改变注入的能量通常需要在工件不存在的情况下对离子注入系统的各种设置进行重大调整，由此会增加进行该调整所涉及的设置时间，从而影响离子注入系统和工艺的生产率。同时，工件处理和硬件会造成颗粒污染、工件错位和/或将工件从工艺环境中移除以适应上述调整相关的灾难性的晶圆掉落。
因此，本申请设想了一种离子注入系统和工艺，其中可以进行能量链式注入，使得离子束能量可选择地变化并传递至工件以在其中注入离子，且在离子束能量选择性变化的同时，工件保持在工件支撑件。
此外，对上游组件(例如离子源和离子提取装置)的调整通常会需要对下游组件(例如质量分析装置和射束传输装置)进行进一步调整，并且可能需要在各个注入步骤之间从工艺环境移除基材或工件以及将基材或工件更换至工艺环境，这进一步影响注入工艺的生产率。同时，工件处理和硬件会造成颗粒污染、工件错位和/或灾难性的晶圆掉落。
本公开认识到，这个问题在低温和/或高温注入尤其值得关注，其中热预算约束限制了工件暴露于升高或降低温度的所需时间长度。
发明内容
本公开设想了一种离子注入系统和工艺，其中可以进行能量链式注入，使得离子束能量可选择地变化并传递至工件以在其中注入离子，且在离子束能量选择性变化的同时，工件保持在工件支撑件上。因此，本公开提供了一种系统、装置和方法，用于向具有选择性可变离子束能量的工件提供离子束。由此，下文是对本公开的简化概述，以提供对本发明某些方面的基本理解。本发明内容不是对本发明的广泛概述。它既不旨在识别本发明的关键或重要要素，也不旨在描绘本发明的范围。其目的是以简化的形式提出本发明的一些概念，作为下文更详细描述的序言。
根据一示例方面，提供一种用于产生离子的链式能量注入的离子注入系统，其中，所述离子注入系统包括离子源，其配置成电离掺杂剂材料并生成离子束。加速/减速级，例如，配置成接收所述离子束，其中所述加速/减速级配置成基于一个或多个输入选择性地改变所述离子束的能量，从而定义选择性可变能量离子束。进一步地，单工件终端站定位于所述加速/减速级的下游侧，其中所述单工件终端站包括工件支撑件，所述工件支撑件配置成在用于连续离子注入的选择性可变能量离子束之前选择性地定位和保持一个单个工件。在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述单个工件例如保持在终端站内的所述工件支撑件上。
根据另一示例方面，一种离子注入系统配置成将选择性可变能量离子束提供至工件。所述离子注入系统包括配置成电离掺杂剂材料并生成离子束的离子源和配置成接收所述离子束的加速/减速级。所述加速/减速级配置成基于所述加速/减速级的一个或多个输入选择性地改变所述离子束的能量，从而定义所述选择性可变能量离子束。终端站，例如其定位于所述加速/减速级的下游侧，其中所述终端站包括工件支撑件，所述工件支撑件配置成在用于离子注入的选择性可变能量离子束之前选择性地定位所述工件。在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述工件例如保持在所述终端站内的所述工件支撑件上。进一步地，例如热装置配置成将所述工件的温度控制在所述工件支撑件上的预定处理温度。所述预定处理温度例如与所述离子注入系统的高温配置和所述离子注入系统的低温配置中的一者相关联，其中在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述工件保持在所述终端站内的所述工件支撑件上。
根据又一示例方面，一种离子注入系统配置成将选择性可变能量离子束提供至工件，并包括离子源，所述离子源配置成电离掺杂剂材料并生成离子束。加速/减速级配置成接收所述离子束，其中所述加速/减速级配置成基于所述加速/减速级的一个或多个输入选择性地改变所述离子束的能量，从而定义所述选择性可变能量离子束。进一步地，终端站定位于所述加速/减速级的下游侧，其中所述终端站包括工件支撑件，所述工件支撑件配置成在用于离子注入的选择性可变能量离子束之前选择性地定位所述工件，其中，在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述工件保持在所述终端站内并持续暴露于所述离子束。
为了实现上述目的和相关目的，本发明公开内容包括以下充分描述并在权利要求书中特别指出的特征。以下说明书和所附附图详细阐述了本发明的某些说明性的实施例。然而，这些实施例指示了可以采用本发明原理的各种方式中的几种。当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优点和新颖特征将从对本发明的以下详细描述中变得明显。
附图说明
图1A是根据本发明所公开的一些方面的离子注入系统的部分的框图。
图1B是根据本发明所公开的一些方面的离子注入工艺的以不同能量注入离子(例如能量链式注入)的多个步骤的示意图。
图1C示出了离子注入轮廓优化的多个曲线图。
图2示出了在单工件离子注入系统工件经注入以接收完整的多个注入步骤的工艺流程示例。
图3是根据本发明所公开的一些方面的离子注入系统示例的系统框图。
图4示出了根据本发明所公开的一些方面的离子注入系统的示例性加速/减速柱中的部分离子束。
图5示出了根据本发明所公开的不同方面的用于优化离子注入至工件的方法。
具体实施方式
本发明公开提供了一种用于在多个连续注入步骤中注入选择性可变的能量分布(例如，以相同或不同剂量)的系统和方法，如前所述，无需调整和修改各种束线组件和/或从工艺环境中移除和替换工件。例如，本发明公开了不同的工艺，从简单如在连续注入步骤中注入两个离散的能量，同时将工件保持在工艺腔室中的压板或卡盘上，到复杂如通过一系列连续注入步骤将能量连续分布或范围注入至工件中，亦无需从工艺腔室的压板或卡盘上移除工件，随后在加工腔室的压板或卡盘上重新引入并重新定位工件。例如，当需要生成掺杂剂浓度与深度的箱型轮廓用于半导体器件制造，可以使用本发明所公开的内容。
本公开在低温和/或高温注入方面特别有利，如在授予England等人的美国专利第8,450,193号和授予Lee等人的美国专利第9,048,276号，其内容全文合并入本文，以及其中热预算约束限制工件暴露于升高或降低温度的所需时间长度的其他各种系统。
例如，在单晶圆离子注入工艺中，控制系统用于将离子束从离子源“调谐”到最后阶段的终端，例如水平角度校正磁铁。调谐过程调整耦合至一系列组件的电源，这些组件在离子束穿过束线时通过一系列预定义的步骤修改影响离子束的操作参数。例如，调谐过程可包括调整提供给束线中各组件的各种电偏置，例如，聚焦元件如四极透镜；减速或加速电极和/或转向、偏转或弯曲电极，同时记录所需补偿相对于工件的射束角度的适当角度偏移。
在本发明的最简单实施例中，在一系列注入步骤中分步进行能量变化，以实现在单个工件上以不同能量进行一系列连续注入步骤，同时工件保持在加工站内的压板上的原始位置(例如，将工件保持在工艺腔室或工艺环境中的静电卡盘上)。
在注入示例中，将第一工件装载至压板，可包括将工件静电夹持至与扫描机构耦合的静电卡盘。以第一能量的剂量注入第一工件(例如，第一顺序注入步骤)。然后，加载电压、偏移、波形和参考值的下一组合，并注入第二能量(例如，第二顺序注入步骤)。在将第一工件从压板和扫描机构移除前，可以通过所有的所需能量和注入步骤重复这一过程。随后，将第二工件装载至压板，控制系统可返回到第一能量并重复上述用于第一工件的步骤，以此类推。
迄今为止，一系列连续注入步骤中，在将工件保持在压板上的同时，从未考虑过这种能量改变，因为实现这种能量修改通常需要对各系统组件进行的改动相当耗时，导致严重影响产量。尤其是，在加热注入的情况下，由于热预算约束(例如，定义在特定的升温操作期间传递至工件的热能总量的术语，其通常与处理的温度和持续时间成正比)，将工件保持在高温压板上至今被认为是不切实际的。
根据本发明公开内容，发明人创新地认识到，离子注入步骤的最终能量可以通过调整、修改或其他方式控制提供给一个或多个下游能量调整元件的一个或多个电偏置来改变，例如沿束线的最终加速/减速级(例如，角能量过滤器或“AEF”，弯曲元件等)。例如，用于扫描离子束的扫描器波形可以进一步至少部分地基于施加到与加速/减速级相关的一个或多个电源的电压。例如，施加到与一个或多个射束弯曲元件关联的一个或多个电源上的电压可以是“伺服关闭”施加到与加速/减速级相关的一个或多个电源的电压，射束弯曲元件配置成一旦离子束达到其最终能量就使该离子束弯曲。例如，控制器配置成修改、变化、维持或以其他方式向相应的加速/减速级和最终后能量元件提供电压。
本发明公开内容提供的能量控制和调整能力有利地最大限度地减少了对正在加工的工件的处理。例如，与在负载锁定腔室和工艺腔室之间多次转移工件以实现多能量链式注入的传统系统相反，本发明公开内容能够将所有所需的能量注入至工件中，同时将工件保持在工艺腔室内，而无需将其移除，从而实现提高系统生产率和/或降低因处理错误或排队时间影响而造成的产量损失。
例如，本发明公开内容在具有下游加速器/减速能力的离子注入系统(通常称为“注入器”)中是有利的(例如，批量注入器配置成通过点离子束注入工件，以及单工件注入器配置成通过扫描或带状离子束注入工件)。例如，为了保持这种注入器的能量纯度，可以在离子束撞击工件之前提供角能量过滤器作为最终组件，以选择性地将具有所需最终能量的离子束注入工件，由此滤出失能粒子。
与此相反，例如，一些具有后加速磁铁和其它用于射束平行度的组件的注入器，其通常受到限制，其中这些后加速磁铁和组件通常也经过一系列调整，以创建具有所需特性的离子束。由于进行此类调整需要时间，则这类调整并不可取。然而，本发明公开内容并不排除这种可以使用束线元件后加速实现类似能力的系统。此外，关于等离子体掺杂系统或所谓的等离子体浸没离子注入(PIII)，本发明公开内容在比传统等离子体掺杂实际可能更宽的能量范围内，还为非质量选择种类提供了动态可调的注入能量。
在共同拥有的美国专利第9,218,941号中，其内容特此作为参考并入，于此文件中，单晶圆注入系统具有示例性束线布置，其配置成提供与离子束扫描同步的能量调整，以在晶圆上构建图案化的能量注入。通过这种束线布置，上述现有技术还可以在单个晶圆注入系统中实现能量链式注入能力，同时根据本发明公开内容将晶圆保持在工艺腔室中的晶圆支撑件上。
另一方面，在传统的单晶圆离子注入系统中，对晶圆进行链式能量注入以接收具有不同能量和剂量的多个注入步骤，并将晶圆保持在压板上，这是不切实际的。鉴于束线架构设计，大多数传统的单晶圆注入系统在改变能量时需要较长的时间来重新调谐离子束。因此，为了在压板上保持晶圆(例如，夹具或静电卡盘(ESC))以接收具有不同能量的多个注入步骤，传统系统通常需要在能量变化之间对束线进行多次耗时的重新调谐操作，从而降低系统生产率。
然而，本发明设想加速/减速组件位于束线下游，从而不需要调节加速/减速组件下游的组件。因此，本发明涉及一种下游加速/减速组件，该组件配置成选择性地改变离子束的能量，与包括单个工件支撑件的单工件终端站组合，该工件支撑件配置成在选择性可变能量离子束之前和选择性能量改变同时持续保持仅单个工件。
例如，传统单晶圆离子注入系统存在的问题会在高温注入过程中加剧，其中晶圆或者在置于ESC上之前进行预热，或者在ESC上加热，以用于随后离子注入晶圆。在这种情况下，在能量变化期间将晶圆保持在ESC上通常是不可行的，因为进行这种能量变化所涉及的时间或造成晶圆温度降低到所需注入温度以下，或导致晶圆长时间暴露于高温。高温离子注入工艺和系统的示例可参见授予England等人的美国专利第7,655,933号和授予Huseinovic等人的美国专利第9,378,992，其内容特此通过引用全部并入本文。
同样地，当改变注入能量并且将晶圆保持在不同能量注入之间的压板时，与长调谐时间相关的复杂性在低温注入工艺中会出现问题，其中，晶圆或在置于ESC上之前进行预冷，在ESC上冷却，和/或在注入后加热以减少注入后晶圆冷凝的可能性。在这种情况下，可能很难将晶圆保持在所需的低温下，并同时在耗时能量变化和通常与之关联的各种束线组件的相关重新调谐期间将晶圆保持在ESC上，由此需要额外的晶圆处理步骤以将晶圆移动至预冷站。再者，这些晶圆处理步骤可能非常耗时，有损于生产率，和/或可能在晶圆上引入污染物，有损于产量。低温离子注入工艺和系统的示例可参见授予Kamata等人的美国专利第5,244,820号和授予Lee等人的美国专利第9,236,216号，其内容特此通过引用全部并入本文。
本发明有利于解决这些缺点，并提供了一种高生产率的注入系统，该系统配置成用于完成能量链式注入，并在射束能量选择性改变的同时将晶圆保持在离子束前方的晶圆支撑件上，从而通过最大限度地减少在能量变化之间注入系统高真空环境中的工件负载/卸载频率和相关的断裂来改善工件缺陷率和器件性能。
因此，本发明提供了用于提供能量链式注入的各种系统、装置和方法，其中工件可以暴露于离子注入过程的多个能量，同时连续呈现在离子束之前且无需将工件从工艺环境中移除，或甚至无需将工件从压板移除，例如在注入期间工件驻留在其上的静电卡盘。本公开在温控离子注入中进一步有利，其中工件在能量变化期间驻留在单个加热或冷却的夹盘上，从而改善生产率和热离子和/或冷离子注入应用中的各种其他益处。
根据本发明的一个示例方面，本发明提供一种能量链式注入，其上按顺序执行多个注入操作，例如涉及使用相同离子种类的多个能量和/或剂量的注入操作。本公开中提供的连续能量链式注入能力不仅可以提供更高的生产率，而且在期望特定注入离子轮廓具有多个原位能量时，而在不破坏高真空环境以将工件暴露于大气的情况下，还可以提供设备优势。此外，本公开提供了对注入轮廓的快速修改和优化，以提高设备性能，从而可以在不对生产效率和设备产量产生有害影响的情况下实施此类修改和优化。
例如，本发明的系统和方法在系统配置成温度可控注入时特别有利，例如在热或冷注入应用中。例如，在热注入应用中，工件可以装载至预热站以将工件从室温加热至预定温度。例如，预定温度可低于用于注入的最终期望温度。一旦工件被预热，就可以将其置于在加热的ESC上并在注入开始前进一步加热至最终所需的温度。在工件连续和顺序暴露于具有不同能量的离子束以将离子注入工件不同深度处后，将工件从加热的ESC中移除，并在移至大气中之前置于注入后冷却站中。
在相对低剂量的注入情况下(例如，离子束在工件上植入时间很短)，预热时间、后冷却时间以及在ESC上将工件加热到最终期望温度所需的时间都可能处于离子注入过程的所谓关键路径中，并可能影响系统生产率。在相对高剂量的注入情况下(例如，与注入时间相比，预热时间和后冷却时间较短)，这些时间可能不在关键路径中，但在ESC处将工件从预热温度加热到最终期望温度所花费的时间可能仍处于关键路径中。
因此，高温注入或所谓的“热”注入会极大地降低系统生产率，这是由于在上述不同阶段控制工件温度所花费的额外时间。本公开提供一种可以实现用于热注入应用的能量链式注入，借此工件可以保持在加热的ESC上直至完成具有多个能量的所有独立热注入的序列。因此，根据本发明公开内容，提供一种将工件加热一次高温(例如，从预热温度到ESC上的最终期望温度)的工艺，而不是如传统上那样多次加热工件。由此，本发明的能量链式注入可以显著改进系统生产率并增加潜在的设备产量或性能优势。
根据另一个示例，本公开的能量链式注入可以进一步减少在现有器件中看到的先进技术节点的集成电路制造缺陷。例如，与在大气和工艺腔室之间多次输送工件相关的机械运动可能会给工件增加颗粒和缺陷，从而导致低产量。在当今的亚纳米半导体技术制造中，减少缺陷尤为重要。相比于需要将工件和工件支撑件从射束路径移除同时在束线中实现能量变化的链式注入，或者可能需要将工件从终端站移除的链式注入，本发明公开的能量链式注入系统、装置和方法可以极大减少工件的总移动(例如，负载/卸载)，因而有望减少缺陷并改善设备产率。
为了提供本发明的各种概念的一般概述，图1A示出了用于注入具有连续链式能量离子注入的离子的系统100的示例。根据一示例，系统100包括离子源102，该离子源102配置成电离掺杂剂材料以生成离子束104。束线组件106位于离子源102的下游，其中束线组件配置成将离子束104输送至位于终端站112内的工件支撑件110(例如，卡盘)上的工件108。
例如，进一步设置加速/减速级114，其配置成在离子束104的传输过程中接收离子束104，并产生用于植入至工件108内的可变能量离子束116，该工件选择性地定位在终端站112内。在一示例中，一个或多个可变电源118、120(例如，一个或多个电源)可操作地耦合至加速/减速级114，并分别向其提供一个或多个电偏置信号122、124(例如，电压或电流)。
例如，当离子束104通过加速/减速级114时，将一个或多个电偏置信号122、124施加到位于离子束104上方和下方的一个或多个电极126上。例如，加速/减速级114可包括一个或多个加速/减速电极128，以及一个或多个弯曲电极130，由此施加到加速/减速电极的电偏置信号122产生可变能量离子束116，并且施加到弯曲电极的电偏置信号124产生离子束104的角度控制。例如，一个或多个电偏置信号122、124进一步选择性地改变控制器140(例如，包含一个或多个控制装置的控制系统)。例如，对一个或多个电偏置信号122、124的选择性控制是通过对一个或多个电源118、120的控制来提供的。控制器140进一步可操作以控制系统100的其它方面，例如工件支撑件110，以及束线组件106的其它组件，例如射束扫描机构、聚焦和转向元件或其它射束控制组件，下文将进一步讨论。
在一示例中，控制器140和一个或多个电源118之间的控制和反馈信号142选择性地控制和改变离子束104的能量以定义可变能量离子束116。例如，控制提供给加速/减速电极126的电偏置信号122(例如，减速电压)可选择性地改变(增加和减少)离子束104的能量。类似地，控制提供给一个或多个弯曲电极130的电偏置信号124可选择性地向上或向下弯曲离子束104。例如，一个或多个弯曲电极130配置成基于所需的离子束能量以预定方式偏转离子束104，以过滤离子束外来能量的离子。
例如，当控制离子束104的加速/减速和弯曲时，可以切换一个或多个电偏置信号122、124的极性。例如，当步进通过提供给加速/减速电极128的各种不同电偏置信号122时，可以在可变能量离子束116中获得不同的能量。类似地，因为可变能量离子束的能量是变化的，施加到一个或多个弯曲电极130的电偏置信号124(例如，弯曲电压)可以被改变，以保持可变能量离子束116和工件108之间作为恒定的角度关系。进一步地，由于可变能量离子束的能量通过控制电偏置信号124而变化，可变能量离子束116和工件108之间的角度关系可变。
例如，图1B是示出了与多个注入能量154相关联的多个能量步骤152的图表150。图表150进一步示出了分别提供给加速/减速电极128和图1A的一个或多个弯曲电极130的电偏置信号122、124，借此进一步获得伴随的角偏移156。由此，图1A的系统100配置成提供或诱导具有图1B所示的各种能量154和角度偏移156的可变能量离子束116，同时注入到位于终端站112的工件支撑件110上的工件108中，从而使工件连续暴露于离子束且不从卡盘移除。
例如，图1B的图表150可包含任意数量的n个能量E步，例如E1、E2、E3......En，从而可以在工件上实现对要注入的离子能量的各种影响。例如，可以在可变能量离子束116前方的工件108的多次通过中高效地且有效地提供大量不同能量的离子能量注入或工艺配方，以产生混合的、基本均匀的、或所谓的“箱型”掺杂剂能量分布160，如图1C中示例所示。由此，可以获得与多个工艺配方相关联的独特轮廓或形状，如图1C所示，其描绘了离子浓度(例如，剂量)和离子深度(例如，能量的函数)，称为注入轮廓，其可以随着链中的每个注入步骤而选择性地变化。
为了实现这一点，可以控制和同步通过一个或多个加速/减速电极128进行的图1A的离子束104的加速或减速以及通过一个或多个弯曲电极130进行的任何角偏转，以改变离子束能量和/或束角，同时将工件108保持在终端站118中，其中当工件保持在工件支撑件110上时，工件呈现在可变能量离子束116的前方并且连续地暴露于可变能量离子束116。
因此，本发明的系统和方法提供了基于工艺配方在工件108上的多种能量条件的链式离子注入通道。在图2所示的一个实施例中，在启动包含多个注入通道的注入周期之前，可以提供多个工艺配方(例如，多个能量、剂量等)，从而在多个工艺配方之间切换时，例如不用将工件从工件支撑件(例如ESC)移除。例如，可提供任何数量i的注入周期40A,40B......40i，由此任意数量j的工件26A,26B......26j分别注入任意数量k的工艺配方32A、32B......32k。由此，例如，在将工件26交换42至待注入的具有图1C的能量分布30的下一个工件之前，对于工艺配方32的每次改变(例如，能量、剂量等的变化)，工件26保持在卡盘26上。
此外，本发明提供了在注入之前对离子注入系统进行多个配方的预调谐。例如，在开始注入之前，离子注入系统的各个组件针对特定工件的所有多个配方可进行有利的预调谐，从而可以有选择地且顺序地实施多个配方中的每一个，以生成具有不同特性的离子束，例如能量、角度和/或剂量，用于在由具有不同特性的离子束实施的注入步骤链组成的单个且连续的注入周期中注入到工件中。因此，本发明还提供了一种使用单一调谐配方以不同能量对具有多个连续注入步骤的单个工件进行离子注入的工艺，该单一调谐配方包括或包含多个配方中的任何一个或全部。
因此，本发明提供了与传统离子注入系统相比的生产力优势，通过消除了工件交换时间和射束设置时间，并能够注入多种能量，且无需重新调谐射束，阻挡射束被射束注入，或将晶圆移入移出终端站。
本发明进一步提供了射束在被扫描的整个工件上的所有能量，从而将整个工件均匀地掺杂了任意数量不同能量的离子。例如，相应的电压控制射束的单个下游加速/减速装置(例如，也称为加速/减速装置)和弯曲装置(例如，也称为弯曲装置)。
例如，本发明一般针对一种系统、装置和方法，用于改变在离子注入系统中传递至工件的离子束的能量，同时将工件保持在工件支撑件上，并随着离子束能量的变化将工件连续暴露于离子束。在一个具体实施方式中，用于改变离子束能量的系统、装置和方法与由马萨诸塞州贝弗利的Axcelis Technologies,Inc.开发、制造和销售的扫描笔形束系统架构一起公开。然而，还设想本发明可以在通常已知的带状束或笔形束离子注入系统架构中实现，如离子注入领域中众所周知的，并将进一步描述。
因此，本发明适用于各种离子注入器，并设想在各种离子注入器中实施。例如，本发明适用于三种类型的离子注入器：其中定义通过束线传输的带状离子束，带状离子束具有的纵向尺寸大于被离子束照射的工件的宽度；采用具有相对静态横截面尺寸的离子束，并且工件在二维上相对于离子束移动；以及采用混合系统，其中离子束沿相对于工件的第一方向振荡或扫描，工件沿横向于第一方向的第二方向移动。类似地，本发明同样适用于能够实现高电流注入能力、低剂量注入能力和高能量注入能力的离子注入机，包括基于串联和/或射频线性加速器的系统。
本发明还引用共同拥有的美国专利第9,218,941号和美国专利第7,550,751号的全部内容并全部纳入本文。
迄今为止，尚未公开或考虑公开或考虑过在离子注入过程中对能量分配的选择性可变控制，同时将工件保持在工艺腔室的支撑件或压板上和/或将工件连续暴露于离子束。因此，本发明提供了一种系统、装置和方法，用于在工件保持在工艺腔室的压板上时改变离子束在工件上注入的离子的能量分布。
可以理解，前述应用只是由本发明的可变能量/深度离子注入系统和方法实现的各种过程和应用之一。所公开内容和权利要求范围不限于该问题的解决方案，也不限于提供具有凸形、凹形或任何其他形状或其它轮廓的工件的可变深度注入的方法。本发明的这种可变的、跨工件的非均匀离子能量注入工艺可以根据需要以任何方式实现，以提供基本连续可变的注入深度轮廓，此外还有非连续可变的注入深度轮廓。例如，可以设想本发明可以用于任何期望的应用，其中选择性可变的离子注入深度(例如，穿过工件)是通过离子注入能量的选择性变化而获得的。在工件表面以不同深度/能量进行注入的原因有很多，包括但不限于：跨工件的阈值电压变化；注入能量轮廓在工件扫描宽度上的系统轮廓变化；以及在单个晶圆上注入多个不同电气特性的芯片的能力。
因此，为了实现前述和相关目的，本发明包括以下在权利要求中充分描述和特别指出的特征。以下描述和所附附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例只是指示性地说明了本发明原理可以采用的各种方式中的几种。当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优点和新颖特征将从以下对本发明的详细描述中变得明显。
因此，现在将参照附图对本发明进行描述，其中相似的附图标记可用于指代类似的元素。应当理解，对这些方面的描述只是说明性的，不应从狭义上加以解释。在下面的描述中，为了便于解释，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在有或没有这些具体细节的情况下实施。
图3示出了示例性离子注入系统200，其中离子束能量可以如本文所述选择性地改变和/或控制。系统200具有终端202、束线组件204和终端站206。终端202包括由高压电源210供电的离子源208，该高压电源产生离子束212并将其引导至束线组件204。就此而言，离子源208产生带电离子，这些离子通过提取组件214从源中提取并形成离子束212，离子束212随后沿着束线组件204中的射束路径指向终端站206。
为了产生离子，在离子源208的生成腔室216内设置了待电离的掺杂剂材料(未示出)。例如，掺杂剂材料可以从气源(未示出)送入腔室216。在一示例中，除了电源210之外，可以理解任意数量的合适机制(未示出)可用于激发离子生成腔室216内的自由电子，例如射频或微波激发源、电子束注入源、电磁源和/或在腔室内产生电弧放电的阴极。被激发的电子与掺杂剂气体分子碰撞，从而产生离子。一般而言，产生的是正离子，尽管本文中的公开也适用于产生负离子的系统。
离子通过离子提取组件214通过腔室216中的狭缝218进行可控地提取，其中，离子提取组件包括多个提取和/或抑制电极220。例如，离子提取组件214可以包括单独的提取电源(未示出)以偏置提取和/或抑制电极220，以加速从生成腔室216提取的离子。可以理解，由于离子束212包含带相似电荷的粒子，因此离子束可能具有径向向外膨胀或射束“放大”的趋势，因为带类似电荷的粒子在离子束内相互排斥。还可以理解的是，这种射束放大现象在低能量、高电流(例如，高透射率)射束中会加剧，其中许多带电的粒子沿同一方向相对缓慢地移动，并且其中粒子之间存在大量排斥力，但几乎没有粒子动量来保持粒子沿射束路径方向移动。
因此，提取组件214通常配置成使得离子束212以高能量被提取，使得离子束不会放大(例如，使颗粒具有足够的动量来克服可导致射束放大的排斥力)。此外，在整个系统中以相对较高的能量传递射束212通常是有利的，其中该能量可以在将离子注入工件222之前根据需要降低以促进射束抑制。产生和传输分子或团簇离子也是有利的，分子或团簇离子可以以相对较高的能量传输，但是用更低的等效能量注入，因为分子或团簇的能量在分子的掺杂原子之间分配。
在图3所示的示例性离子注入系统中，束线组件204包括射束导管224、质量分析仪226、扫描系统228、平行化器230、以及一个或多个加速或减速和/或过滤子系统232。质量分析仪226配置成具有大约90度角，并且包括一个或多个磁铁(未示出)，其用于在其中建立(偶极子)磁场。当离子束212进入质量分析仪226时，它被磁场相应地弯曲，使得所需的离子沿着射束路径传输，而电荷质量比不合适的离子被剔除。更具体地说，电荷质量比过大或过小的离子或被不充分或极度地偏转，以被引导到质量分析仪226的侧壁234中，使得质量分析仪允许射束212中具有所需电荷质量比的那些离子通过并通过分辨孔236离开。
进一步示出了一种扫描系统228，其中，该扫描系统例如包括扫描元件238和聚焦和/或转向元件240。扫描系统228可以包括各种已知的扫描系统，例如在授予Berrian等人的美国专利第4,980,562号；授予Dykstra等人的美国专利第5,091,655号；授予Glavish的美国专利第5,393,984号；授予Benveniste等人的美国专利号第7,550,751；以及授予Vanderberg等人的美国专利号第7,615,763中展示，其全部内容特此并入本文作为参考。
在示例性扫描系统228中，相应的电源242、244在操作上耦接至扫描元件238和聚焦和转向元件240，更具体地耦接至位于其中的相应电极238a、238b和240a、240b。聚焦和转向元件240接收具有相对窄轮廓的经质量分析的离子束212(例如，图示系统200中的“铅笔”或“点”光束)，其中，由电源244施加到板240a和240b的电压用于聚焦并将离子束引导至最佳点，优选扫描元件238的扫描顶点246。由电源242(例如，电源244也可以用作电源242)施加到扫描仪板238a和238b的电压波形然后来回扫描射束212，以将射束212扩散成细长的扫描或带状光束(例如，经扫描的射束212)，其在x轴上的宽度或纵向尺寸至少可以等于或更宽感兴趣的工件。应当理解，扫描顶点246可以定义为光路中的点，在被扫描元件238扫描后，带状光束的每一小射束或经扫描的部分呈现为自该点出发。
可以理解，本文所述类型的离子注入系统可以采用不同类型的扫描系统。例如，静电系统或磁性系统可以采用在本发明中。静电扫描系统的典型实施例包括耦接至扫描仪板或电极238a和238b的电源，其中扫描仪238提供扫描光束。扫描仪238接收具有相对窄轮廓的经质量分析的离子束(例如，图示系统中的“铅笔”光束)，并且由电源242施加到扫描仪板238a和238b上的电压波形操作以在X方向(扫描方向)上来回扫描射束，以将射束扩散成细长的带状光束(例如，经扫描的光束)，其有效X方向宽度可能至少与感兴趣工件一样宽或更宽。类似地，在磁扫描系统中，大电流电源连接到电磁铁的线圈。调整磁场以扫描射束。就本发明公开的目的而言，考虑了所有不同类型的扫描系统，并且本文描述的静电系统仅用于说明目的。
经扫描的射束212随后通过平行化器230。各种平行化器系统230参见授予Dykstra等人的美国专利第5,091,655号；授予Dykstra等人的美国专利第5,177,366号；授予Inoue的美国专利第6,744,377号；授予Rathmell等人的美国专利第7,112,809号；以及授予Vanderberg等人的美国第7,507,978号，其全部内容特此并入本文作为参考。顾名思义，平行化器230使入射的具有发散射线或小射束的经扫描的笔形光束偏转为平行射线或小射束212a，从而使得注入参数(例如，注入角度)跨工件222上是均匀的。在目前示出的实施例中，平行化器230包括两个偶极子磁体230a、230b，其中偶极子基本上是梯形的，并且定向为相互镜像，以使射束212弯曲成基本上呈“S形”。在优选实施例中，偶极子具有相等的角度和相反的弯曲方向。
偶极子的主要目的是将源自扫描顶点246的多个发散射线或小射束转换为具有相对较薄的、细长的带状射束形式的多个基本平行的射线或小射束。如本文所示，使用两个对称偶极子产生就小射束路径长度而言跨带状射束的对称特性以及一阶和更高阶聚焦属性。进一步地，与质量分析仪226的操作类似，S形弯曲用于过滤和净化离子束212。特别是，进入质量分析仪226下游离子束212的中性粒子和/或其他污染物(例如，环境粒子)的轨迹通常不受偶极子的影响(或受偶极子的影响极小)，使得这些粒子继续沿着原始射束路径传播，由此相对大量的这些中性粒子不会弯曲或弯曲极少，因而不会影响工件222(例如，工件被定位为接收弯曲的离子束212)。可以理解的是，从离子束212中去除这些污染物是很重要的，因为它们可能具有不正确的电荷和/或能量等。通常，这种污染物不会受到减速和/或系统200中其它级的影响(或受到的程度要小得多)。由此，它们可以在剂量、能量和角度均匀性方面对工件222产生重大影响(尽管是无意的但通常是不希望的)。这反过来又会产生意想不到的和不期望的器件性能。
在平行化组件230的下游，设置有一个或多个减速级232。减速和/或加速系统的示例，参见授予Dykstra等人的美国专利第5,091,655号、授予Huang的美国专利第6,441,382号和授予Farley等人的美国专利第8,124,946号专利，其全部内容特此并入本文作为参考。如前所述，在系统200中直至此点，射束212通常以相对较高的能量水平传输，以减轻射束放大的倾向，射束放大倾向可在光束密度升高处(例如在分辨孔236处)特别高。与离子提取组件214、扫描元件238以及聚焦和转向元件240类似，减速级232包括一个或多个电极232a、232b，其可操作以使射束212减速。
可以理解的是，虽然两个电极220a和220b、238a和238b、240a和240b以及232a和232b分别示在示例性的离子提取组件214、扫描元件238、聚焦和转向元件240和减速级232中，但这些元件214、238、240和232可以包括布置和偏置的任意适当数量的电极，用于加速和/或减速离子，以及聚焦、弯曲、偏转、收敛、发散、扫描、平行化和/或净化离子束212，如在授予Rathmell等人的美国专利第6,777,696号中涉及，其全部内容特此并入本文作为参考。此外，聚焦和转向元件240可以包括静电偏转板(例如，一对或多对静电偏转板)，以及Einzel透镜、四极杆和/或其它聚焦元件，以用于聚焦离子束。尽管不是必需的，但将电压施加到转向和聚焦元件240内的偏转板上，使它们平均为零是有利的，其效果是避免必须引入额外的Einzel透镜来减少元件240在聚焦方面的失真。可以理解的是，“转向”离子束212是板240a、240b的尺寸和施加至其的转向电压的函数，因为射束方向与转向电压和板的长度成正比，且与射束能量成反比。
还可以理解的是，虽然离子提取组件214的电极、扫描元件238、焦点和转向元件240和/或可沿射束路径并入的其它光学元件(未示出)可用于根据本发明加速或减速离子束并提供选择性可变离子束能量，使用这些上游组件和/或元件来改变离子束能量通常会引起其他下游组件的调整和重新调谐，带来本文就此所讨论的问题，这些问题先前已抑制了在生产环境中高效且有效的链式能量离子注入的实践与实施。然而，仅使用下游减速(或加速级)232，如图3所示的示例性束线所示，有利地允许避免其他下游组件的这种有问题的调整和重新调谐，从而在生产环境中能够实践和实现高效的且有效的链式能量离子注入。
链式能量离子注入可最有利地实现，其中：(1)离子注入系统架构包括单个晶圆终端站架构，使得单个晶圆可以在整个离子束能量的选择性变化过程中保持在晶圆支撑件上；(2)该系统包含用于实现高温或低温注入的硬件，使得晶圆温度可以在整个可变能量离子注入过程中保持在基本恒定的升高或降低的温度；和/或(3)晶圆连续暴露于选择性可变能量离子束，无需将晶圆移出射束路径或阻止射束撞击晶圆，同时对下游组件进行调整和重新调谐以依次向晶圆传递可变能量离子束。
图4是根据本发明的一个或多个方面更详细地示出的示例性加速/减速级232以作为电极柱250，其包括第一和第二电极254和254以及一对中间电极板256和258。第一和第二电极252和254基本上彼此平行，并分别定义第一和第二孔260和262。在孔260、262和电极252、254之间定义了间隙264，且第一和第二电极252、254的设置使得基本垂直于第一和第二电极252、254的轴266穿过间隙264并穿过第一和第二孔260、262。中间电极板包括上部中间隙电极256和下部中间隙电极258。第一上部子间隙区域268被定义为在第一电极252和上部中间隙电极256之间。第一下部子间隙区域270被界定在第一电极252和下部中间隙电极258之间。类似地，在第二电极254和上部中间隙电极256之间定义了第二上部子间隙区域272，在第二电极254和下部中间隙电极258之间定义了第二下部子间隙区域274。离子束276穿过间隙264并偏离轴266，例如偏转约12度，并聚焦在间隙264下游的点278。本发明还通过引用共同拥有的授予Jen等人的美国专利第9,218,941号的内容并全文合并入本文。
所示示例描述了特定的偏差，以促进对构成示例性加速/减速232的电极柱250的操作的讨论。然而，可以理解的是，就本发明目的而言，可以在电极之间施加任何合适的电偏置以达到预期结果(例如，一定程度的加速、减速和/或偏转)。事实上，在本发明公开内容的背景下，其中可变离子束能量是期望的结果，可以理解为施加到这些电极的电偏置信号的变化将存在，无论这是否涉及施加到电极的电压或通过其的电流的变化。而图4中的偏置值可有效证明离子束276的减速。
离子束276，更具体地说是其中所含的正离子，通过具有初始能级(例如，示例中的6KeV)的第一孔260进入间隙264。为了加速或减速射束中的离子，第一和第二电极252和254的偏置不同，使得它们之间存在电位差，并且离子在通过第一和第二电极252、254之间的间隙264时经历相应的能量增加或减少。例如，在图4所示的示例中，离子束的正离子在从具有负4KV偏置的第一电极252通过至电位为零的第二电极254(例如接地)时，会经历4KeV的能量下降。因此，当离子通过间隙264并经历4KeV能量下降时，正6KeV的原始离子束能量降低到2KeV。因此，离子束276一旦离开间隙264并进入间隙264下游的中性区280，它将具有特定的所得能级(例如，图示中的2KeV)。
可以理解的是，无论离子通过间隙264的路径如何，这都是正确的。例如，在示例中，进入第一电极252和下部中间隙电极258之间的下部子间隙270的离子的加速的速率将大于进入第一电极252和上部中间隙电极256之间的上部子间隙268的离子的加速的速率。这是因为第一电极252和下部中间隙电极258之间的电位差大于第一电极252和上部中间隙电极256之间的电位差(例如，下部子间隙270为负2.5KV(负4KV减去负6.5KV)，上部子间隙268为负0.5KV(负4KV减负4.5KV))。
然而，这种加速差异被上部256和下部258中间隙电极与第二电极254之间的相应电位差所抵消。例如，在示例中，第二电极254偏置为零(例如接地)。由此，来自第一下部子间隙270的离子的减速程度大于来自第一上部子间隙268的离子的减速程度。这抵消了离子进入间隙时加速度的差异，使得当离子离开间隙时，它们都具有基本相同的能量(例如，2KeV)。来自第一下部子间隙270的离子的减速程度更大，是因为它们在穿过第二下部子间隙274时必须穿过负6.5KV(例如，下部中间隙电极258的负6.5KV偏置减去第二电极254的零V偏置)。相比之下，来自第一上部子间隙268的离子的减速程度更小，是因为它们在穿过第二上部子间隙272时只需要穿过负4.5KV(例如，上部中间隙电极614的负4.5KV偏置减去第二电极254的零V偏置)。因此，无论离子采取不同的路径和离子通过的能级如何，基本上所有离子都以基本相同的能级(例如，2KeV)从间隙的效应中出现。
可以理解的是，上部和下部中间隙电极256、258具有将离子束拉入间隙264以加速或减速离子束的双重目的，以及为射束过滤目的提供射束偏转或弯曲。例如，中间间隙板256、258通常彼此之间具有差分偏置，从而在其之间产生静电场以向上或向下弯曲或偏转射束，或具有变化的幅值，这取决于电极偏置的大小和相对于离子束的能量。例如，在所介绍的示例中，上部和下部中间隙电极256、258分别偏置于负4.5KV和负6.5KV。假设射束包含带正电的离子，这种电位差异导致通过间隙264的带正电的离子被迫向下朝带负电荷较强的下部中间隙电极258方向移动，最终导致射束276向下弯曲或偏转(例如，约12度)。以这种方式弯曲或偏转离子具有过滤射束中中性粒子的作用，这些中性粒子不受离子束通过的电场的影响，并且还可以过滤可能不与要注入的离子能量基本相同的离子。
可以理解，为了在变化能量射束的情况下保持这种示例性的12度偏转，施加到中间隙电极256、258的偏置也必须以相应的方式变化。例如，离子束加速可以通过将电极282、284偏置到负4KV，同时将电极252、254偏置到正40KV来诱导，但可考虑任意偏置值。这种偏置布置会产生一个负电位势垒，该势垒延伸到中性区。可以理解的是，在施加这些偏置电压的情况下，该器件操作与所描述的操作基本相似，只是射束276是加速而非减速。这些示例性值用于射束能级从例如80KeV提高到120KeV，使射束加速1.5倍，其中当离子穿过第二上部子间隙区域272和第二下部子间隙区域274时，射束276中的正离子将加速。
可以理解的是，上部256和下部258中间隙电极的布置、配置和/或整形可以定制，以便于控制射束上的透镜、聚焦、偏转和/或加速/减速效应。例如，在图4中所示，下部中间隙电极258相对于上部中间隙电极256的宽度略有减小，并且还具有略微倾斜的拐角282。这些调整实质上抵消了增加的透镜效应，这些效应是靠近下部中间隙电极258的离子在它们由于施加的偏置差异而承受更强的加速和/或减速时经历的。然而，可以理解的是，就本发明目的而言，这些电极256、258可以具有任意合适的配置，包括相同的形状。进一步可以理解的是，射束在加速、减速和/或漂移(例如，零加速/减速)模式下可以或不可以弯曲或偏转，因为主要负责射束弯曲的上部和下部中间隙电极256、258基本上独立于第一和第二电极252、254工作，第一和第二电极252、254主要负责射束276的加速/减速。例如，上部和下部中间隙电极可以偏置到相同的电压，使得可以在不弯曲离子束276的情况下诱导加速或减速。
所有电位差异的总净效应是射束276中离子的聚焦、减速(或加速)和可选偏转。离子束的偏转提供了能量去污，这是由于离子束中的中性粒子不受电极影响而沿着平行于轴266的原始射束路径继续。例如，污染物可能会遇到某种类型的屏障或吸收结构(未显示)，这会阻止其前行并保护任何工件免受污染物侵害。相反，经偏转的离子束276的轨迹使射束适当地遇到并掺杂工件的选定区域(未示出)。
可以理解的是，电极的布置(例如，第一和第二电极252、254中间的上部中间隙电极256和下部中间隙电极258)亦用于减轻射束放大，因为这种配置使得射束276在遇到晶圆之前必须行进的距离最小化。通过使射束276加速、减速或偏转(例如，通过上部和下部中间隙电极256、258)，同时使射束聚焦(例如，通过第一和第二电极252、254)，而不是将这些弯曲和聚焦级串联排列，终端站可以位于更靠近离子注入系统的加速器/减速器级的位置。
在所示示例中，对电极施加了特定的电偏置，并通过描述以便更好地理解图3的减速级232的操作。然而，可以理解的是，就本发明目的，可以在电极之间施加任意合适的偏置以达到预期的结果，如果有的话，例如加速、减速和/或偏转的程度。此外，就本发明目的，磁铁和通过它们的电流可以被用于实现这些期望的结果。进一步地，以选择性可变和可控的方式施加特定偏置，以实现本发明的选择性和可变能量控制。而图4中所示的偏置值可以有效地证明离子束276的减速。
应该注意的是，偏置电压的选择性变化可以进一步基于由操作者之一提供的一个或多个预定特性和例如图3的工件222的表征，并且可以是迭代的。例如，可以执行“链式注入”，其中具有可变剂量或能量的离散数量的注入(例如，构成“链”的多个连续注入)以预定的顺序或随机方式提供给工件222。例如，链式注入的预定顺序可以从低能量开始，然后通过一组预定能量以从低能量到高能量的特定顺序进行排序。在另一示例中，链式注入的预定顺序可以从高能量开始，并按照从高能量到低能量的特定顺序通过一组预定能量进行排序。在另一个示例中，链式注入可以通过一组预定的能量以任何指定或随机的顺序从任何给定的能量和序列开始。例如，每个“链”可以在注入之前通过工件222的计量图进行预先确定。此外，在启动注入链之前，链的每一步都可以作为多个顺序步骤编程到离子注入机的控制系统中。
因此，总体效果是跨工件222的受控可变掺杂深度轮廓，该轮廓根据需要是均匀或非均匀，以此定义能量图案化注入。例如，可以迭代执行不同能量的链，其中在链的每个步骤中提供的跨工件的剂量和掺杂深度轮廓得到基本均匀的注入轮廓。或者，表面形貌反馈可用于在注入能量选择性变化的同时和/或在构成链的顺序注入之间选择性地改变偏置电压。
应当理解的是，植入系统200中可以采用不同类型的终端站206。例如，“批量”型终端站可以在旋转支撑结构上同时支撑多个工件222，其中工件222通过离子束的路径旋转，直到所有工件完全注入。另一方面，“串行”型终端站支持沿射束路径的单个工件222进行注入，其中多个工件222以串联方式一次一个进行注入，每个工件222在下一个工件222开始注入之前经完全注入。在混合系统中，工件222可以在第一方向(Y或慢速扫描)上机械平移，同时射束在第二方向(X或快速扫描)上进行电或磁扫描，以将射束212传递到整个工件222上，例如，在美国专利第9,443,698号中所公开的，其通过引用并全文并入。相比之下，在本领域已知的所谓二维机械扫描架构中，由马萨诸塞州贝弗利的Axcelis Technologies,Inc.制造和销售的Optima HDTM离子注入系统举例说明，工件222可以在固定位置离子束前方以第一(慢速)扫描方向机械平移，同时工件在基本上是正交的第二(快速)扫描方向将射束212传递至整个工件222上。此外，在所谓的带状射束系统中，离子束可以沿着光束线传输，使得离子束的纵向尺寸大于工件，由此只有工件在横向于射束纵向尺寸的方向上扫描，以用于跨工件的整个表面进行离子注入。
所示示例中的终端站206是“串行”型终端站，其沿射束路径支撑单个工件222以进行注入。剂量测定系统286包括在靠近工件位置的终端站206中，用于在注入操作之前进行校准测量。在校准过程中，射束212通过剂量测定系统286。剂量测定系统286包括一个或多个轮廓仪288，其可以连续穿过轮廓仪路径290，从而测量被扫描射束的轮廓。轮廓仪288可以包括电流密度传感器，例如法拉第杯，其测量扫描射束的电流密度，其中电流密度是注入角度的函数(例如，射束与工件机械表面之间的相对取向和/或射束与工件的晶格结构之间的相对取向)。电流密度传感器通常以相对于扫描射束的正交方式移动，因此通常穿过带状射束的宽度。例如，剂量测定系统可测量射束密度分布和角度分布。射束角度的测量可以使用移动轮廓仪来感应带有槽的掩模后面的电流，如文献中所述。短漂移后每个独立小射束从槽位置的位移可用于计算小射束角度。可以理解的是，该位移可以称为系统中射束诊断的校准参考。
剂量测定系统286可操作地耦接至控制系统292，以接收来自其的命令信号并向其提供测量值。例如，控制系统292，其可包括计算机、微处理器等，可操作以从剂量测定系统286获取测量值并计算经扫描的带状射束跨工件的平均角度分布。控制系统292同样地可操作地耦接至产生离子束的终端202，以及束线组件204的质量分析器226、扫描元件238(例如，通过电源242)、聚焦和转向元件240(例如，通过电源244)、平行化器230和加速/减速级232。由此，这些元件中的任何一个都可以通过控制系统292进行调整，以便于基于剂量测定系统286或任何其他离子束测量或监测装置提供的值的所需离子注入参数。控制信号也可以通过存储在内存模块中的查找表生成，通常基于通过实验收集的经验数据。
作为一示例，离子束最初可以根据预定的射束调谐参数建立(例如，存储/加载到控制系统292中)。然后，基于来自剂量测定系统286的反馈，可以调整扫描仪238以改变扫描光束的扫描速度以改变工件上的离子剂量。类似地，例如，加速/减速级232和/或离子提取组件可以通过调整施加在离子提取组件214和/或减速级232中电极的偏置来调整射束能级，以调整接合深度。相应地，可以调整扫描仪中产生的磁场或电场的强度和方向，例如通过调节提供给扫描电极的电偏置信号。可以通过调节施加在转向元件240或加速/减速级232上的电压来进一步控制注入角度。
根据公开的一个方面，设置控制系统292并将其配置成在工件222上建立预定的扫描模式，其中工件通过扫描系统228的控制暴露于点离子或铅笔射束。例如，控制系统292配置成控制离子束的各种特性，例如离子束的束密度和电流，以及与离子束相关的其它特性，尤其是其能量。进一步地，控制器292配置成控制位于工件支撑件294上工件的扫描速度。虽未示出，但工件支撑件294例如可操作地耦接至平移机构(例如，机器人装置或其它装置)，该平移机构配置成通过离子束212平移驻留在工件支撑件上的工件222。
进一步地，在本发明公开内容中，离子注入系统200中提供连续控制的可变能量离子束，控制系统292配置成修改和调整施加到各个子系统的电偏置信号295。例如，控制系统292配置成控制从一个或多个可变电源296提供给减速/加速级232的电偏置信号295，从而将离子注入系统中离子束212的能量施加到本文所示的各个电极上。
关于本文所述的示例性离子注入系统200，控制系统292可以配置成修改和改变施加到扫描仪228的扫描电压，并且可以进一步配置为与扫描电压同步地修改和改变施加到加速/减速级232的偏置电压，用于相应地调整离子束的能量和/或偏转。例如，扫描电压和偏置电压的这种修改可以以离散步骤或连续(例如，非离散)方式实现，而无需将工件从压板、卡盘、夹具或ESC或工艺环境中移除，从而提供优于已知系统和方法的各种优势。
如前所述，本发明的实现可以有利地应用于高温低温离子注入工艺和系统。例如，在高温离子注入系统中，终端站416可以包括用于在高温大气和真空环境之间转移工件的装置。可以设置负载锁定组件(未示出)，其中负载锁定组件可以包括一个腔室和具有与其相关的预热装置的第二腔室，其中，预热装置配置成将设置在腔室内的工件加热至第一温度。这个第一温度可以是工件所需的最终加工温度。
可选地，或者另外，终端站206可以包括热装置297，例如在注入过程中工件222驻留在其上的加热压板或卡盘。例如，热装置297可以配置成将工件222加热或冷却到第二温度，该温度可以是在其注入离子期间所需的加工温度。例如，工件支撑件294可以包括热卡盘298，其中，热卡盘298进一步配置成选择性地将工件保留在其终端站或工艺腔室/工艺腔室环境中。例如，热卡盘可以被配置成将工件222加热到预定高温，其中热卡盘将工件保留在其上，同时离子束212撞击工件。例如，热卡盘可以包括加热的静电卡盘。或者，热卡盘298可配置为在离子注入的同时冷却工件222。
根据本发明的一个示例性方面，热卡盘298配置成将设置在其上的工件222加热到约300℃～700℃的温度，该温度可以等于、低于或高于所需的处理温度。在一示例中，所需的处理温度一般在约400℃至600℃之间。
根据另一方面，终端站206可以包括注入后冷却装置，该装置配置成在将工件设置到其上时将工件冷却到又一个温度。根据一示例，注入后冷却装置可以包括一个冷板，该冷板配置为在第二个腔室中支撑工件，用于在将晶圆引入大气之前将工件冷却到较低的温度。
由此，在高温离子注入系统中，可以设置控制器292并将其配置为通过预热装置将工件222加热到大气环境中的第一个温度，然后通过热卡盘将工件加热到更高的第二温度，以便在高真空环境中加热离子注入。控制器292可以配置成通过离子注入装置将离子注入工件222，并通过注入后冷却装置将工件冷却到第三温度。例如，控制器292可以进一步配置成在大气环境和真空加工环境之间选择性地转移工件222。
可选地，提供用于将离子注入冷工件的离子注入系统。例如，离子注入系统包括离子注入装置，该装置配置为向位于工艺腔室中的工件提供离子束。在一示例中，低于环境温度的卡盘(例如低温冷却静电卡盘)配置为在工件暴露于离子束期间在工艺腔室内支撑工件。低温卡盘进一步配置为将工件冷却到加工温度。根据一个方面，可设置负载锁定腔室，其中负载锁定腔室可操作地耦接至加工腔室，并且配置成将工艺环境与外部环境隔离。负载锁定腔室还包括工件支撑件，该支撑件配置为在工艺腔室和中间腔室之间转移工件时支撑该工件。预冷站可以进一步定位在工艺腔室或负载锁内，其中预冷站包括冷却工件支撑件，该支撑件配置成将工件冷却到第一温度。在一示例中，第一温度明显低于加工温度。例如，预冷站可以包括冷却板，该冷却板配置成用于支撑工件并将工件冷却到第一温度。
在这种低温离子注入系统中，还可以设置注入后加热站，其位于工艺腔室或负载锁定腔室内，其中注入后加热站包括被加热的工件支撑件，用于将工件加热至第二温度。例如，后加热站包括加热站支撑件，该支撑件包括加热板，该加热板配置为用于支撑工件并在将晶圆重新引入大气之前将工件加热至第二温度。
控制器可以进一步配置为至少部分地基于所需加工吞吐量确定第一温度和第二温度。例如，温度监测系统可以配置为在注入前冷却站和注入后加热站测量工件温度，以及压板上工件的温度。因此，控制器进一步配置成至少部分地基于测得的工件温度控制工件冷却和后续的工件加热。
可以理解的是，各种高温和低温离子注入系统已经在专利文献中进行了描述，以及加热或冷却的离子注入过程。本发明用于在离子注入系统中提供能量链式注入，同时将工件保持在终端站中的工件支撑件上，同时对离子束能量的调整可在任何这样的离子注入系统中实现。
还可以理解的是，本发明可以与本领域已知的特征相结合，以提供离子注入过程中离子注入工艺的更大可变性。例如，如前所述，现有技术的公开内容有针对提供注入可变剂量控制功能。本发明中用于提供注入工艺的选择性可变能量控制的特性可以与提供离子注入工艺的选择性可变剂量控制的特性相结合，以实现跨晶圆表面的选择性可变能量和剂量离子注入。
根据本发明公开内容，本文所描述的系统能够实现在不同深度注入离子的方法，如图5的流程图形式所示。应该注意的是，虽然示例性方法在此被说明和描述为一系列行为或事件，但可以理解的是，本发明不受此类行为或事件的图示顺序的限制，因为根据本发明某些步骤可能以不同的顺序和/或与此处显示和描述的其他步骤同时发生。此外，并非所有示出的步骤都需要以实施本发明的方法。此外，可以理解的是，这些方法可以与本文所示和描述的系统以及与未说明的其他系统相关联来实现。
图5的方法300从步骤302开始，在支撑件上提供工件。在步骤304中，提供离子束，例如点离子束，并且在步骤306中，可以对离子束进行质量分析以定义具有预定电荷质量比的离子束。在步骤308中，一个或多个工件和离子束相对于彼此被扫描。例如，工件可以在步骤308中沿两个正交方向进行机械扫描。可选地，离子束在第一方向上被静电或磁扫描，在第二方向上被机械扫描。在步骤310中，离子束的能量选择性地从第一能量变化为第二能量，随后再次执行步骤308的扫描，直至所有能量被注入。因此，所得到的离子注入工件的深度沿工件表面均匀。
因此，本发明公开内容针对的是离子注入系统和方法，用于在工件注入时以连续步骤改变离子束的能量。本发明是通过改变提供给加速/减速电极的电偏置的偏置电压来实现的，从而可以有选择地改变传递到工件的离子的能量，以实现工件上预定的可变能量模式。可以理解的是，本发明可以并入用于以离散可变能级、阶跃函数能量变化或其他形式提供可变能量注入的系统中。跨工件表面的能量分布变化可以是对称的，也可以是象限或其他方式，例如指定位置Q1的X1能量、Q2中的X2能量等。进一步地，单个工件可以通过离子束多次注入多种能量。
本文中为说明目的而描述的示例性离子注入系统结构特别适用于跨工件表面实现离子束能量的选择性变化，这是因为图3的系统200包含扫描的点射束，其中射束跨工件表面以电子或磁性方式扫描。这种对点射束的扫描允许在扫描射束时调制离子束能量的选择性变化。由此，当射束被扫描以撞击晶圆上的选定位置时，它会穿过束线的所有光学元件，其中射束可以被修改以在撞击晶圆之前迅速将其能量更改为选定的能量。射束能量的变化可以与扫描仪和/或终端站的x和y扫描功能同步完成，这样经扫描射束的能量可以作为x和/或y的函数而变化。
有利地，在本文描述的示例性离子注入系统中，最终射束能量可通过提供给单个下游组件的电偏置(减速/加速级232)来改变，由此在修改提供给可改变离子能量的上游组件的电偏置时通常所需要的费力且复杂的调谐要求得到消除，例如直接位于离子源208下游的提取电极的调谐。此外，施加在减速/加速和偏转能量过滤器上的偏置电压可随着扫描射束的x和y位置而选择性变化，从而可以约束射束在相同的路径上传播至晶圆，而与离子束的能量变化无关。
可以理解的是，组件和子系统的所有选择性偏置都可以通过控制系统454完成，并且可以通过加速/减速级的反馈回路输入以及能量过滤器基于扫描系统输出的射束位置来实现。然而，可以理解的是，反馈回路并不是启用本发明的选择性可变能量离子注入特征的必要条件，因为预编程的离子束能量轮廓也可以有利地实现以执行本发明的选择性可变能量离子注入。因而，离子束能量可以通过晶圆上射束的x，y坐标位置的反馈回路或通过一些预定的所需图案，选择性地改变每个芯片或其他一些特征或区域。
本发明中的选择性可变能量离子注入也可以通过工件图来实现，其中，分别提供给电极柱和/或能量过滤器中的一个或多个电极的一个或多个电压的选择性变化基于位于工件支撑件上的工件图。可选地，本发明的离子注入系统可以设置一个检测器或多个检测器，其配置成用于检测位于工件支撑件上的工件的一个或多个特性，其中，分别提供给减速/加速级的一个或多个电极柱和/或能量过滤器的一个或多个电压的选择性变化进一步基于来自检测器的反馈。根据该替代实施例，一个或多个检测器可以优选地配置成检测工件的一个或多个厚度、设置在工件上的层的厚度、工件上的晶粒图案、工件的边缘、工件的中心或工件上的预定义区域，其中，将检测到的信息作为输入提供，以选择性地改变离子束的能量。
尽管本发明已经针对一个或多个实现方式进行了说明和描述，但可以理解的是，可以在不偏离所附权利要求的精神和范围的情况下对说明的示例进行更改和/或修改。特别是关于上述组件或结构(块、单元、发动机、组件、装置、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，用于描述此类组件的术语(包括对“手段”的任何提及)旨在对应于执行所述组件的指定功能的任何组件或结构(例如，即在功能上等同)，即使结构上不等同于执行在此所展示的本发明的示范性实施例中的功能的所披露的结构。此外，虽然本发明的特定特征可能仅针对几个实现中的一个公开了，但该特征可以与其他实现的一个或多个其他实现的一个或多个其他特征组合在一起，因为对于任何给定或特定应用可能是需要的和有利的。进一步地，如果在详细说明和权利要求中使用了术语“包括”、“包括”、“拥有”、“具有”、“具有”或其变体，则此类术语旨在以类似于“包括”一词的方式进行包括。

Claims (20)

1.一种用于产生离子的链式能量注入的离子注入系统，所述离子注入系统包括：
离子源，其配置成电离掺杂剂材料并生成离子束；
加速/减速级，其配置成接收所述离子束，其中所述加速/减速级配置成基于一个或多个输入选择性地改变所述离子束的能量，从而定义选择性可变能量离子束；以及
单工件终端站，其定位于所述加速/减速级的下游侧，其中所述单工件终端站包括工件支撑件，所述工件支撑件配置成在用于连续离子注入的选择性可变能量离子束之前选择性地定位和保持仅一个单个工件，其中，在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述单个工件保持在所述单工件终端站内的所述工件支撑件上。
2.根据权利要求1所述的离子注入系统，进一步包括可操作地耦接至所述加速/减速级的一个或多个电源，且其中所述一个或多个输入包括一个或多个电偏置信号。
3.根据权利要求2所述的离子注入系统，其中，所述加速/减速级包括具有一个或多个电极对的电极柱，且其中所述一个或多个电偏置信号工提供给所述电极柱的所述一个或多个电极对。
4.根据权利要求3所述的离子注入系统，其中，所述电极柱包括离子束加速器、离子束减速器和弯曲电极中的一个或多个。
5.根据权利要求2所述的离子注入系统，其中，所述一个或多个电偏置信号包括电压和电流中的一个或多个。
6.根据权利要求2所述的离子注入系统，进一步包括控制器，所述控制器可操作地耦接至所述一个或多个电源，并配置成根据多个工艺配方选择性改变提供给所述加速/减速级的一个或多个电偏置信号。
7.根据权利要求1所述的离子注入系统，进一步包括热装置，所述热装置配置成将所述单个工件的温度控制在所述工件支撑件上的预定处理温度，且其中所述预定处理温度与所述离子注入系统的高温配置和所述离子注入系统的低温配置中的一者相关联。
8.根据权利要求1所述的离子注入系统，进一步包括扫描装置，所述扫描装置配置成沿第一扫描轴和第二扫描轴相对于彼此扫描所述离子束和工件支撑件中的一个或多个。
9.一种配置成将选择性可变能量离子束提供至工件的离子注入系统，所述离子注入系统包括：
离子源，其配置成电离掺杂剂材料并生成离子束；
加速/减速级，其配置成接收所述离子束，其中所述加速/减速级配置成基于所述加速/减速级的一个或多个输入选择性地改变所述离子束的能量，从而定义所述选择性可变能量离子束；
终端站，其定位于所述加速/减速级的下游侧，其中所述终端站包括工件支撑件，所述工件支撑件配置成在用于离子注入的选择性可变能量离子束之前选择性地定位所述工件，其中，在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述工件保持在所述终端站内的所述工件支撑件上；以及
热装置，所述热装置配置成将所述工件的温度控制在所述工件支撑件上的预定处理温度，其中所述预定处理温度与所述离子注入系统的高温配置和所述离子注入系统的低温配置中的一者相关联，其中在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述工件保持在所述终端站内的所述工件支撑件上。
10.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中，所述热装置包括热卡盘，其中所述热卡盘配置成在所述高温配置中将所述工件加热至大于约300C。
11.根据权利要求10所述的离子注入系统，进一步包括可操作地耦接至所述加速/减速级的一个或多个电源，且其中所述一个或多个输入包括一个或多个电偏置信号。
12.根据权利要求11所述的离子注入系统，其中，所述加速/减速级包括具有一个或多个电极对的电极柱，且其中所述一个或多个电偏置信号工提供给所述电极柱的所述一个或多个电极对，且其中所述电极柱包括离子束加速器、离子束减速器和弯曲电极中的一个或多个。
13.根据权利要11所述的离子注入系统，进一步包括控制器，所述控制器可操作地耦接至所述一个或多个电源，并配置成根据多个工艺配方选择性改变提供给所述加速/减速级的一个或多个电偏置信号。
14.根据权利要9所述的离子注入系统，其中，所述工件支撑件包括配置成仅支撑一个工件的单工件支撑件。
15.根据权利要9所述的离子注入系统，进一步包括扫描装置，所述扫描装置配置成沿第一扫描轴和第二扫描轴相对于彼此扫描所述离子束和工件支撑件中的一个或多个。
16.一种配置成将选择性可变能量离子束提供至工件的离子注入系统，所述离子注入系统包括：
离子源，其配置成电离掺杂剂材料并生成离子束；
加速/减速级，其配置成接收所述离子束，其中所述加速/减速级配置成基于所述加速/减速级的一个或多个输入选择性地改变所述离子束的能量，从而定义所述选择性可变能量离子束；以及
终端站，其定位于所述加速/减速级的下游侧，其中所述终端站包括工件支撑件，所述工件支撑件配置成在用于离子注入的选择性可变能量离子束之前选择性地定位所述工件，其中，在所述离子束的能量选择性改变的同时，所述工件保持在所述终端站内并持续暴露于所述离子束。
17.根据权利要求16所述的离子注入系统，进一步包括可操作地耦接至所述加速/减速级的一个或多个电源，且其中所述一个或多个输入包括一个或多个电偏置信号。
18.根据权利要求17所述的离子注入系统，其中，所述加速/减速级包括具有一个或多个电极对的电极柱，且其中所述一个或多个电偏置信号工提供给所述电极柱的所述一个或多个电极对，且其中所述电极柱包括离子束加速器、离子束减速器和弯曲电极中的一个或多个。
19.根据权利要求17所述的离子注入系统，进一步包括控制器，所述控制器可操作地耦接至所述一个或多个电源，并配置成根据多个工艺配方选择性改变提供给所述加速/减速级的一个或多个电偏置信号。
20.根据权利要求16所述的离子注入系统，进一步包括热装置，所述热装置配置成将所述工件的温度控制在所述工件支撑件上的预定处理温度，且其中所述预定处理温度与所述离子注入系统的高温配置和所述离子注入系统的低温配置中的一者相关联。
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