低射束发散度的低能量射束的引出和减速 相关的专利申请
这份申请是在此通过引证被并入本文的未决的于2000年11月20日申请的专利申请第09/716,931号的部份继续申请。
本发明的技术领域
本发明涉及诸如离子注入机之类离子束系统，更具体地说涉及用于低能量离子束的引出和减速的方法和装置。
本发明的现有技术
用于工件的离子束处理的许多系统是已知地。在这些系统当中，离子注入技术已成为用来把改变导电率的杂质引入半导体晶片的标准技术。所需要的杂质材料在离子源中被离子化，离子被加速成具有规定能量的离子束，然后离子束被引向晶片的表面。射束中的高能离子渗入半导体材料主体并且镶嵌到半导体材料的晶格之中形成有预期导电率的区域。
离子注入系统包括用来把气体或固体材料转换成定义明确的离子束的离子源。离子束经过质谱分析除去不想要的离子种类，然后被加速和/或减速到预期的能量并且被引向目标平面。射束可以通过射束扫描、目标运动或射束扫描和目标运动的组合分布在目标区域上。
在半导体工业中众所周知的趋势是朝向比较小的、速度比较高的装置。具体地说，在半导体装置中特征的横向尺寸和深度两者都逐渐减小。现代化的半导体器件要求结深小于1,000埃而且最终可能要求结深大约在200埃以下。
搀杂材料的注入深度至少部份地是由注入半导体晶片的离子的能量决定的。在注入能量低的情况下将获得浅的结。然而，离子注入机通常是为在比较高的注入能量(例如在20keV到400keV的范围内)下有效的操作设计的，而且在注入浅结必不可少的能量下不可能有效地发挥作用。在低注入能量下，例如2keV以下的低能量，离子束在通过注入机传送时扩展，而且交付给晶片的射束电流比预期的低得多。因此，为了达到特定的剂量，极长的注入时间是必不可少的，而且生产量也将受到不利的影响。在生产量方面这样的减少将增加制造费用，也是半导体器件制造商无法接受的。
在离子注入机中，离子束是从离子源引出的，被加速和/或减速到预期的能量，然后被交付给晶片。从离子源引出最终能量低的离子束时，人们知道如果采用大的加速和减速电压则能引出较多的离子流。这倾向于增加射束的虚拟图像尺寸和减少射射束的发散度。对最终能量的减速可能发生在沿着射束线的几个位置之一。该位置是为限制离子束扩展和能量污染而选定的。
在用于离子源的电极系统中，最后的电极优选比加速电极大，如同在Hiroyuki Ito和Neil Bryan的论文“Low EnergyExtraction in Terms of Magnetic Field，Electric Field and Ion Optics(依据磁场、电场和离子光学器件引出低能量束)”【IEEE(1997)，第383-386页】的图5-9中展示的那样。然而，实验数据表明当减速即最后的电极的孔大于加速电极的孔的时候，加速电极的电流变大，而且操作变成“失灵的”，即，引出和减速间隙有火花放电的倾向。人们认为到加速电极的大电流是由来自在电极系统后面形成的等离子束的热离子造成的。热离子被最后一个减速电极附近的轴线上的大电磁场从等离子束中拉出来。
1993年3月23日授权给Keller等人的美国专利第5,196,706号揭示一种用于离子束镀膜装置的引出器和减速透镜。1999年8月3日授权给England等人的美国专利第5,932,882号和1999年10月19日授权给England等人的美国专利第5,969,366号揭示带后群选减速(post mass selection deceleration)的离子注入机。1998年5月5日授权给Harrison等人的美国专利第5,747,936号揭示带改进的后群选减速的离子注入装置。
所有现有技术的用来产生低能量离子束的系统都有一个或多个缺点，包括高电极电流、操作失灵和高射束发散度。因此，需要用来产生低能量离子束的改进的方法和装置。
本发明的概述
在一个方面，本发明提供用来产生具有低发散度和高射束电流的低能量离子束的装置和方法。本发明可以是作为离子源引出系统或作为减速透镜系统实现的。
在另一方面，本发明提供有低电流给加速电极而且有稳定的引出和减速的低能量离子束。这是通过使用加偏压的电极阻止低能量射束的等离子束中的离子到达加速电极和使用离子光学元件阻止等离子束中的电子脱离等离子束实现的。
在一个实施方案中，使减速电极变得至少比低能量离子束的等离子束电位略微更呈正电，而且使用电子相斥电极来阻止等离子束的电子到达减速电极。射束相斥电极呈现足以使束轴线上的电位比等离子束更呈负电性的负电，因此阻止电子到达减速电极。
在另一个实施方案中，电子相斥电极被一种用来从到达减速电极阻止电子生产磁场的有磁性的元件替换。除此之外，电场在减速电极附近的轴线上能被减速电极的形成弄得小的。
在其他的实施方案中，加速电极、减速电极或两者可以在横穿离子束的方向上被分段，而且被选定的电压可以被这样加到相应的电极段上，以致可以横跨射束宽度获得更一致的射束密度和焦点。
依照本发明的一个方面，离子光学装置是为产生低能量离子束准备的。离子束具有在最后的离子束能量下的等离子束。该装置包括用来使离子束加速的加速电极、在加速电极下游用来使离子束减速的减速电极和在减速电极下游用来阻止等离子束中的电子到达减速电极的离子光学元件。减速电极有为了给等离子束中的热离子提供位垒以阻止热离子到达加速电极而选定的电压。减速电极的电压优选是这样选定的，以致在减速电极附近束轴线上的电位相对于等离子束的电位至少略微呈正电。
在一个实施方案中，离子光学元件包括电子相斥电极，该电极有这样选定的电压，以致在电子相斥电极附近束轴线上的电位相对于等离子束的电位至少略微呈负电。
在另一个实施方案中，离子光学元件包括用来产生阻止等离子束中的电子到达减速电极的磁场的磁性元件。
优选，减速电极的孔大于加速电极的孔，以允许低射束发散度。
依照另一个特征，加速电极、减速电极或两者在横穿离子束的方向上被分段，以便定义可单独控制的电极段。被分段的电极允许射束的各个部份的射束密度和焦点通过控制电极段上的电压得到调节。
依照本发明的另一方面，方法是为产生低能量离子束准备的。该离子束有在最后的离子束能量下的等离子束。该方法包括用加速电极使离子束加速、用在加速电极下游的减速电极使离子束减速、给减速电极加上为了给等离子束中的热离子提供位垒阻止热离子到达加速电极而选定的偏压和用在减速电极下游的离子光学元件阻止等离子束中的电子到达减速电极的步骤。
依照本发明的深层方面，离子光学装置是为产生低能量的离子束准备的。该装置包括用来使离子束加速的加速电极和在加速电极下游用来使离子束减速的减速电极。加速电极、减速电极或两者在横穿离子束的方向上被分段，以便定义可单独控制的电极段。
附图简要说明
为了更好地理解本发明，参照在此通过引证被并入的附图，其中：
图1A是现有技术的离子源引出系统的示意图；
图1B是现有技术的另一种离子源引出系统的示意图；
图2是依照本发明的离子源引出系统的第一实施方案的示意图；
图3是依照本发明的离子源引出系统的第二实施方案的示意图；
图4A是展示依照本发明用于某个引出系统的实施方案的射束轨道和等位线的模拟曲线；
图4B是在图4A中展示的离子束的相位曲线；
图4C是用于图4A展示的引出系统的电压曲线；
图4D是图4A展示的离子束的能量曲线；
图5A和5B展示用于依照现有技术重新配置的图4A的引出系统的等价的模拟曲线；
图6A是展示依照本发明用于减速透镜的实施方案的射束轨道和等位线的模拟曲线；
图6B是在图6A中展示的离子束的相位曲线；和
图7展示在横越离子束的方向上被分段的电极。
本发明的详细描述
图1A和1B是现有技术引出系统的示意图。图1A的引出系统类似于低能量的工业用高电流离子注入系统，而图1B的引出系统是在上述的Hiroyuki Ito等人的论文中展示的。图1A和1B中相似的元件有相同的参考数字。离子束18是从离子源10的引出的。每个引出系统包括第一电极11、加速电极12和减速电极13。等离子体20也被展示出来。等离子体由电子和阳离子组成。包括最后的离子束加上电子和热阳离子的最后的等离子束21也被展示出来。
图2是依照本发明的实施方案的低能量离子光学系统的示意图。在图1A、1B和2中相似的元件有相同的参考数字。该系统包括第一电极11、加速电极12、减速电极13、电子相斥电极14和最后的电极15。等离子体20位于离子源10中。在下面描述的将离子光学系统作为减速透镜系统实现的实施方案中，等离子体20被包括电子、热离子和离子束离子的等离子束代替。电子和离子的密度是这样的，以致离子束21几乎是空间电荷中性的。离子束射线22展示在离子光学系统中离子束18的一般形状。
在这个实施方案中，等离子束21中的电子被呈现足以致使在电子相斥电极14附近束轴线19上的电位至少比等离子束21的电位更呈负电性的负电的电子相斥电极14阻止到达减速电极13。除此之外，等离子束21中的热离子被呈现足以致使减速电极13附近束轴线19上的电位至少比等离子束21的电位更呈正电性的正电的减速电极13阻止到达加速电极12。同样，减速电极13可以被看作通过在等离子束21的边缘引起的弯曲阻止大部份热离子到达加速电极12。
因为等离子束21中的热离子被减速电极13上的电位阻止到达加速电极12，所以减速电极13的孔可以大于加速电极12的孔。因此，所形成的虚拟离子图像比现有技术离子引出系统的大，结果是最后的低能量射束的发散度被减小。同时，从等离子束21给加速电极12的电流被大大减少，以致离子光学系统中的电弧也被大大减少。
图3是依照本发明的另一个实施方案的离子光学系统示意图。在图1A、1B、2和3中相似的元件有相同的参考数字。除了电子相斥电极14被用来阻止等离子束21中的电子到达减速电极13的磁性元件24替代之外，图3类似于图2。磁性元件24可以包括位于离子束18的相对的侧面上磁极性相反的极靴24A和24b，以致离子束18穿过磁场。磁场阻止等离子束21中的电子到达减速电极13。
除此之外，减速电极13的形状可以是为了减少在减速电极13附近束轴线19上的电场而选定的。在一个实施方案中，减速电极13的孔朝加速电极12形成角度，而且它的轴向厚度是这样选定的，以致束轴线19上的电场被减少。具体地说，减速电极13可以是这样成形的，以致孔的尺寸如图3所示的那样朝下游方向逐渐减小。
图2和3的离子光学系统是在前面结合从离子源10引出离子束18描述的。然而，本发明不局限于离子源引出系统。具体地说，与在图2和3中展示的并且在前面描述过的系统类似的离子光学系统可以作为离子束减速透镜系统沿着射束线被用在任何适当的位置。在减速透镜系统的情况下，等离子体20是在减速透镜上游的等离子束。在减速透镜系统中，类似的电极配置或电极/磁性元件配置可以在透镜系统的上游末端被利用，以致从等离子束到加速电极12的热离子电流被减少。因此，本发明的离子光学系统可以是作为离子源引出系统或减速透镜系统实现的。
图4A展示图2所示的用来产生7keV高电流的硼离子束的实施方案的二维模拟。这样的离子束可以在离子注入系统中被用于注射到质谱分析磁体之中。这种模拟是针对注入质谱分析磁铁所期望的小发散度优化的。模拟包括由这样的高电流离子源特有的1eV离子造成的热发散度。
在图4A顶端的数字是相对离子源的等离子体20的电极电压的负值。在图4A的模拟中，第一电极11被设定在-59.5V，加速电极12被设定在-30.0kV，减速电极13被设定在-3.4kV，电子相斥电极14被设定在-8.4kV，而最后的电极15被设定在-7.0kV，这些电压全是相对离子源等离子体20的电位指定的。人们将理解这些电压可以相对地电位向上或向下移动。为了在最后的电极15在地电位(0kV)的情况下产生7.0keV离子束选定的电压是在图4C中展示的。对于这个例子，第一电极11加+7.0kV偏压，加速电极12加-23kV偏压，减速电极13加+3.6kV偏压，电子相斥电极14加-1.4kV偏压，而最后的电极15被接地。对应的射束能量是在图4D中展示的。在图4D中，虚线表示在射束的外面作为距离(和电极位置)的函数的射束能量，而实线表示在射束中心(在轴线上)的射束能量。如图所示，离子束在加速电极12附近被加速到大约25keV，在减速电极13附近被减速到大约6keV，在电子相斥电极14附近被加速到大约8keV，而在最后的电极15附近被减速到7.0keV。
在图4A的模拟中，减速电极13的电压和尺寸不足以在轴线19上产生相对于等离子束21呈正电的电压。它足以使新月形25的弯曲颠倒过来，以致大部份从等离子束21引出的热离子将飞向电子相斥电极14。新月形25代表沿着射束线离子束实质上变成中性的点。因此，大部份热离子被阻止飞向加速电极12。电子相斥电极14有相对于等离子束21比加速电极12小得多的电压(在这个例子中，1.4kV对23kV)，并因此使失灵(火花放电)得以避免。
图4B展示图4A中的离子束的相位曲线。离子束有40毫弧度的最大发散度，而大部份射束有比40毫弧度小得多的发散度。在图4A的实施方案中，在减速电极13和电子相斥电极14上相对于地的电压大小可以被改变，以便在离子束中实现更大或更小的发散度。
图5A和5B展示同样的离子光学系统，其中减速电极13和电子相斥电极14在离子束的电位下，借此有效地重新配置图1A或1B的现有技术系统。具体地说，电极13、14和15有相等的偏压。这种模拟展示比用图4A和4B的模拟所获得的射束发散得多的射束，其最大发散度为100毫弧度，即如同图4A和4B的模拟的2.5倍大。人们应该注意：在这种电极13和14上的电压接地的配置中，即使减少源狭缝尺寸和减少源电流也不能恢复在图4A和4B的模拟中看到的低发散度。
图6A和6B展示依照本发明的实施方案的减速透镜系统的二维模拟。在这个实施方案中，图6A和6B的离子光学系统位于离子源的下游。如同在图4A的模拟中那样，在每个电极顶端的数字是相对等离子束相应的电极电压的负值。在图6A的实施方案中，第一电极11有-3.0kV的电压，加速电极12有-12.0kV的电压，减速电极13有+700V的电压，电子相斥电极14有-1.2kV的电压，而最后的电极15有-800V的电压，所有的电压都是相对射束源的电位指定的。
在右侧的模拟软件的中和例行程序中的错误产生在新月形25中的错误而且还使图6B中的“翼”变大。然而，人们仍然能看到产生低发散度。发散度接近由1eV离子在离子源中造成的热极限。减速电极13和电子相斥电极14上的电位可以相对于最后射束的地电位变化，以实现预期的射束焦点。电极13和14的使用还降低了对于给定的焦点在加速电极12上必不可少的电压。对于比较低的射束电流，或者对于有比较低的射束电流的射束部份，为了减少聚焦，可以使减速电极13上的电压变成负的(介于电极12和14的电压之间)。
在图6A所展示的和前面描述的减速透镜系统中，加速电极12、减速电极13或两者可以在横越离子束的方向中被分段。分段的加速电极12的实施方案是在图7中展示的。加速电极12可以包括在离子束18上方的电极段50、51、52、53和54和位于离子束18下面的电极段60、61、62、63和64。电极段的数目和大小可以针对特定的应用选定。此外，部分或全部可能相同或不同的独立的电压可以加到每个电极段上，以获得预期的结果。使用分段的电极，射束各个部份最后的射束密度和焦点可以被调整。例如，如果某个给定的电极12的片段具有比两个相邻的电极段更呈负电性的电压，那么通过该片段的射束电流密度被增加而且聚焦也被增加。类似地，如果给定的电极13的片段具有比两个相邻的电极段更呈正电性的电压，那么通过该片段的射束电流密度被减少而聚焦被增加。因此，通过调节各个片段上的电压，射束的密度和焦点两者都可以被调整。如果调节电极12和13的各个片段上的电压，那么焦点可以被调整。如果在电极13上各个电压相对于最后的地都是负的，那么电子相斥电极14可以被取消。横跨离子束22的各个电极段的位置可以排成一行也可以是交错的。
尽管已经展示和描述了目前考虑到的本发明的优选实施方案，但是对于熟悉这项技术的人显而易见的是不脱离权利要求书所定义的本发明的范围可以完成各种不同的变化和修正。