二次电子装置及使用其的离子注入机

摘要

本发明提供了一种二次电子装置，所述二次电子装置被用于中和离子注入过程中离子束所携带的正电荷。所述二次电子装置包括二次电子发射器、悬空挡板以及电压源，其中所述电子发射器和所述悬空挡板被布置使得所述离子束从所述电子发射器与所述悬空挡板之间通过到达接受离子注入的晶片，所述悬空挡板与离子束系统保持绝缘，并且其中所述电压源的负极连接至所述二次电子发射器，而所述电压源的正极连接至所述悬空挡板。使用本发明所提供的二次电子装置使二次电子更充分地穿越离子束，从而在离子注入过程中取得更好的中和效果，使得离子被更好地注入晶片。

权利要求

1.一种二次电子装置，所述二次电子装置被用于中和离子注入过程中离子束所携带的正电荷，其特征在于，所述二次电子装置包括二次电子发射器、悬空挡板以及电压源，其中所述电子发射器和所述悬空挡板被布置使得所述离子束从所述电子发射器与所述悬空挡板之间通过到达接受离子注入的晶片，所述悬空挡板与离子束系统保持绝缘；并且其中所述电压源的负极连接至所述二次电子发射器，而所述电压源的正极连接至所述悬空挡板。

2.如权利要求1所述的二次电子装置，其特征在于，所述二次电子装置还包括电流检测系统，其中所述电流检测系统与所述悬空挡板相同地连接在所述电压源的正极。

3.如权利要求1所述的二次电子装置，其特征在于，其中所述悬空挡板由石墨制成。

4.如权利要求3所述的二次电子装置，其特征在于，其中所述悬空挡板的尺寸为长15厘米，宽5厘米，高2厘米。

5.如权利要求1所述的二次电子装置，其特征在于，所述电压源是可调的。

6.如权利要求5所述的二次电子装置，其特征在于，其中所述电压源的调节范围为

0-15伏。

7.如权利要求5所述的二次电子装置，其特征在于，其中所述电压源由15V的恒压源和滑动变阻器构成。

8.如权利要求5所述的二次电子装置，其特征在于，其中根据注入离子的能量调节所述电压源。

9.如权利要求5所述的二次电子装置，其特征在于，其中根据注入离子的种类调节所述电压源。

10.如权利要求1所述的二次电子装置，其特征在于，其中所述二次电子发射器通过采用灯丝激发的热电子轰击惰性气体来发射二次电子。

11.一种离子注入机，其特征在于，所述离子注入机包括如权利要求1至10中任意一项所述的二次电子装置。

说明书

二次电子装置及使用其的离子注入机

【技术领域】

[0001] 本发明一般地涉及二次电子装置，并且更具体地涉及用于中和离子注入过程中离子束所携带的正电荷的二次电子装置。【背景技术】

[0002] 在电子工业中，离子注入现在已经成为了微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，在当代制造大规模集成电路中可以说是一种必不可少的手段。离子注入的方法就是在真空中、低温下，使杂质离子加速，获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中。离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，由于是低温工艺而可防止原来杂质的再扩散，同时可实现自对准以减小电容效应。

[0003] 随着集成电路制程的发展，低能大剂量离子注入的应用越来越广泛。高电流离子注入机是这种注入方法需要使用的主流机台。然而，离子束通常带有很大的正电荷，这些正电荷会累积在晶圆表面并产生电势，对于高电流离子束尤其是这样。这种电势会阻挡离子束的植入，严重时会造成晶圆表面损伤，因此对于这种主流机台，表面电荷的控制非常关键。

[0004] 目前常见的措施是应用从惰性气体产生的二次电子来中和离子植入过程中所附带的正电荷。在图1中示出了一种常规的二次电子发射器12以及利用该发射器中和正电荷的一种布置。如图1所示，在水平方向上将离子束射向待接受离子注入的晶片11，而二次电子发射器12被布置在离子束路径的上方，其在与离子束路径垂直的方向上发射二次电子。图1所示的二次电子发射器12的工作原理是利用灯丝激发的热电子轰击惰性气体来产生二次电子。二次电子发射器12中的灯丝13可以是例如钨灯丝，灯丝电压V1为5伏。当把灯丝通电加热到 热电子发射温度(如果是钨灯丝，则约为2700℃)时，大量电子由金属中逸出。在外置偏压V2的作用下使热电子射出，否则逸出的热电子将在金属表面附近堆积成为空间电荷，这将阻止热电子继续逸出。典型地，V2可以是30伏，大量热电子将在其作用下对充入发射管14中的惰性气体进行轰击，由此产生二次电子。

[0005] 在图1所示的二次电子中和系统中，仅仅利用离子束与二次电子之间的电势差将二次电子引出，这种方式受离子束能量、离子束大小以及离子束种类影响很大，在整个制程期间非常不稳定，并会造成产品的电性参数异常。例如，二次电子可能更多地集中在离子束路径的上方，而造成离子束内下方的正电荷将无法被中和，从而无法在晶片表面均质地进行掺杂。【发明内容】

[0006] 本发明的目的是在离子注入过程期间提供一个稳定且高效的二次电子中和系统。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种二次电子装置，所述二次电子装置被用于中和离子注入过程中离子束所携带的正电荷。所述二次电子装置包括二次电子发射器、悬空挡板以及电压源。所述电子发射器和所述悬空挡板被布置使得所述离子束从所述电子发射器与所述悬空挡板之间通过到达接受离子注入的晶片。所述悬空挡板与整个离子束系统保持绝缘。所述电压源的负极连接至所述二次电子发射器，而所述电压源的正极连接至所述悬空挡板。

[0008] 在本发明的一些实施例中，所述二次电子装置还包括电流检测系统，其中所述电流检测系统与所述悬空挡板相同地连接在所述电压源的正极。通过该电流检测系统，可以判断所述二次电子装置是否工作正常。

[0009] 优选地，所述悬空挡板由石墨制成。在一些实施例中，该石墨挡板的尺寸可以是长15厘米，宽5厘米，高2厘米。

[0010] 优选地，所述电压源是可调的，并且优选地，所述电压源的调节范围为0-15伏。在一些实施例中，所述电压源可以由15V的恒压源和滑动变阻器构成。

[0011] 在一些实施例中，可以根据注入离子的能量来调节所述电压源。在另一些实施例中，可以根据注入离子的种类调节所述电压源。当然，也可以同时根据这两方面来调节所述电压源。

[0012] 在一些实施例中，所述二次电子发射器可以是通过采用灯丝激发的热电子轰击惰性气体来发射二次电子的装置。

[0013] 使用本发明所提供的二次电子装置，可以使得由二次电子发射器所产生的二次电子充分且稳定地到达离子束的路径，而不会随离子束的能量和种类变化。由于该装置中的电压源可灵活地调节，该装置可以满足不同制程的要求。另外，本发明的二次电子装置可以使二次电子均匀分布在离子束所经过的空间中，包括在离子束的两侧都适量地分布，从而提高离子注入的均匀性。

[0014] 本发明还提供了一种离子注入机，在所述离子注入机的结构中包括前述的任意一种二次电子装置。

[0015] 下面将结合具体的实施例来描述本发明的方法。【附图说明】

[0016] 本发明的前述和其他目标、特征和优点根据下面对本发明的实施例的更具体的说明将是显而易见的，这些实施例在附图中被示意。

[0017] 图1示出常规的二次电子发射器12以及利用该发射器中和正电荷的一种布置。

[0018] 图2示出根据本发明的二次电子装置的一个实施例以及利用其来中和正电荷的一种布置。

[0019] 图3示出了石墨挡板吸收电子的过程。

[0020] 图4示出根据本发明的二次电子装置的另一实施例以及利用其来中和正电荷的一种布置。【具体实施方式】

[0021] 以下结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。需要说明的是，附图中的各结构只是示意性说明，用以使本领域普通技术人员最佳地理解本发明的原理，其不一定按比例绘制。

[0022] 图2示出根据本发明的二次电子装置20的一个实施例以及利用其来中和正电荷的一种布置。如图2所示，根据本发明的二次电子装置20包括二次电子发射器22、电压源V3以及悬空挡板24。图2中的二次电子发射器22的结构与图1所示的大致相同。在二次电子的发射过程中，首先在发射管中充入惰性气体，例如氦气、氩气、氡气等，它们均匀地分布在管中。然后，将灯丝通电，在电压V1的作用下灯丝温度迅速升高产生逸出电子，这些电子在电压V2的作用下加速，与发热管内的惰性气体发生碰撞，从而发射出大量二次电子。应注意的是，在本说明书中所论述的二次电子发射器只是作为示例，在实践中可以采用起相同作用的任何其他形式的二次电子发射装置。

[0023] 二次电子发射器22与电压源V3的负极相连，该电压源V3为直流电压源。从图2中可看出，该电压源在离子束路径的范围上施加了一个偏压，大大增进了二次电子在垂直于离子束路径的方向上的运动，从而使得更多的二次电子可以在穿越离子束的过程中中和其中的正电荷。在一些实施例中，该电压源V3是可调的，这使得根据本发明的二次电子装置具有很大的灵活性。在实践中，可以用一个15伏的恒压源连接滑动变阻器，由此使得V3在0～15伏范围内可调。应注意，该电压调节范围只是示意性的，在实践中可以根据各种制程的要求以及二次电子发射器的结构和性能来设定此范围。

[0024] 在高电流的低能大剂量离子注入过程中，二次电子在垂直于离子束路径的方向上的运动在很大程度上受到注入离子的种类和能量的影响。通过离子注入进行掺杂的常见物质包括有硼(B)、磷(P)、砷(As)、等，其注入的能量可以在2keV到200keV范围中变化。通过调节装置20中的电压源V3，可以使二次电子获得额外的能量来抵抗离子束本身对其运动的影响。在下表中提供了根据不同的离子种类及能量对偏压选择的一些示例，但在实际使用时也可以根据具体 情况进行多次试验来调节得到最合适的偏压。

[0025]

[0026] 如图2所示，上述电压源V3的正极与一悬空挡板24相连，由此该悬空挡板和二次电子发射器22被分别布置在离子束路径的两侧。在实现中，悬空挡板24与整个离子束系统绝缘，因此对离子束的运动路径、能量均不会有任何影响。在该位置设置挡板可以提供若干好处，其中之一是能够防止二次电子外溢。在电压源V3的作用下，二次电子具有更多能量可以穿越离子束，或者甚至离开离子束运动的区域，造成二次电子的浪费以及效率的降低。由于挡板24的存在，二次电子将无法离开离子束区域，并且如果选择合适的材料来制作该挡板，更能够产生反向的作用力使得已远离中和区域的二次电子返回到离子束路径中。优选地，可以使用石墨作为制作悬空挡板24的材料。众所周知，石墨中的每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键，每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷，因此石墨具有一定的导电性并且在一定程度上吸收二次电子。

[0027] 图3示出石墨挡板吸收电子的过程。当二次电子穿越离子束之后将到达挡板24，其中的一部分会被石墨吸收。由于石墨与电压源V3的正极相连，并且由于石墨具有导电性，被石墨吸收的电子将向正极方向运动，如图3中的水平箭头所示。在石墨表面因此将形成负电势，随后到达的二次电子在该负电势的影响下将改变运动的方向，返回到离子束路径中去。当然，由石墨表面的负电势产生的反向作用力相对较弱，仅会对接近其表面的二次电子起作用，而不会影响电压源V3的功效。在这种平衡的结构中，二次电子不仅可以顺利达到离子束路径远离二次电子发射器的一侧，并且可以保持在该区域起到良好的中和 作用，从而使得离子束的中心区域以及两侧的正电荷都能被消除，大大提高了离子注入的均匀性。可以根据具体的应用环境来设计石墨挡板的尺寸，例如在一种高电流离子注入机的应用下，其尺寸可以是15厘米长，5厘米宽，2厘米高。应注意的是，在此以石墨为例的描述不是限制性的，任何具有与石墨相似特性的材料均可以被使用。

[0028] 上述实施例可以很好的满足目前8寸工艺中的高电流离子注入的要求，例如能量在2-80keV范围之间、工作电流在0.2-20mA/cm2之间的离子注入制程。

[0029] 图4示出根据本发明的二次电子装置40的另一实施例以及利用其来中和正电荷的一种布置。已根据图3描述了石墨吸收二次电子并且产生电流的过程，因此可以在图2的实施例的基础上增加电流检测系统45来判断二次电子装置40是否工作正常，并且便于监控二次电子装置调节的恰当性和其操作的有效性。如图4所示，电流检测系统45在与悬空挡板44相同的位置上连接到电压源V3的正极。图中的箭头指示的是在挡板中产生的电流的流动方向，在此实施例中仍以石墨作为挡板材料。在该二次电子装置40的工作过程中，若检测到电流过大，例如大于2mA，则说明挡板44可能发生短路，例如石墨挡板可能由于吸收过多的电子而被击穿。若检测到的电流太小，例如小于0.3mA，则说明挡板44吸收的电子太少，也就是说挡板44没有起作用，在上述两种情况下均提醒操作人员需要对该二次电子装置进行检查。在该实施例中，电流检测系统45可以是现有技术中已知的任何合适的电流检测设备。

[0030] 本发明的所有上述实施例及其变化可灵活地适用于目前已有的各种离子注入设备，满足不同制程的要求。

[0031] 应当说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或对部分技术特征进行等同替换而不脱离本发明的实质，其均涵盖在本发明请求保护的范围中。