[发明专利]离子束电子中和器

说明书

本发明涉及一种产生用于处理半导体圆片的离子束的离子注入器，更确切地是涉及一种在离子束撞击半导体片以前中和离子束的离子束中和器。

离子注入器的一种用途是在掺杂硅片时形成适于在制造集成电路的过程中进一步处理的半导体片。如果用于掺杂晶片的杂质可被离子化并形成离子束形态，该离子束可通过控制浓度使该离子束撞击晶片用来掺杂硅片。

在离子注入掺杂晶片中碰到的一个问题是晶片电荷的问题。因为离子束撞击晶片，晶片表面变成正电荷。该电荷常常是不均匀的并可在晶片表面造成大电场。这些电场可损害晶片，使其不适合用作半导体材料。

在某些现有技术离子注入系统中，一种电子簇射装置被用来中和离子束的空间电荷。现有的电子簇射装置利用了高能电子撞击金属表面时造成的二次电子发射。来自金属表面的低能电子，或被困在离子束中或直接撞击晶片表面从而直接中和该晶片。

由来自金属表面二次发射得到的电子电流密度为离子束和金属电子发射表面之间的电位差所限制。当发生中和时，离子束电位下降。而后由发射表面引出的二次发射电子电流将减小。在射向电绝缘晶片的带电离子束的场合，电子电流必须等于中和器的离子束流，以防止晶片荷电。当离子束电位最初较低时，晶片电荷，直到离子束电位大到足以由电子发射表面得到所需量的电子电流为止。

低电位离子束可造成晶片荷电。离子束中心可保持正电荷而其外部由于离子束周围的负电荷浓度，可保持负电荷。在实践中，已经发现，金属电子发射表面上的空间电荷部分地被沿离子束路径由残余气体离子化的慢离子所中和。结果，可得到电理论料到的更高电子流并且事实上现有技术采取了残余气体压力的有利条件以提供低能电子。

授予Farley的美国专利4804837公开了一种具有高能电子源的离子束中和系统。这些电子并通过含有一种可离子化气体的中和区被来回偏折。当高能电子通过该区时，它们使气体离子化，提供对离子束中和的低能电子。授予Farley的该专利的公开内容引入本文供参考。授予Farley的该专利所宣称的目的是在于提高在离子束冲击气体分子区域中的时间周期电子，从而提高二次电子的产生。

如果离子束不能被“充分”中和，该离子束由于束内正电荷离子的相互排斥趋于爆胀或膨胀。为了使这一爆胀区减至在最小，可在电子簇射的上游设置电子挡板。典型的离子注入室具有通过离子束沿环形路径使硅片转动的支承，以使离子束冲击晶片，于是晶片支承保持在大地电位，而后冲击下一后续晶片，等等。当晶片通过离子束时，造成离子束电位快速波动。通过在离子束中和区的上游设置恒电位孔隙板，这一离子束电位的变化可降低。

离子束电位的波动，通过设置沿离子束产生最小电位的负偏压孔隙而降低。来自离子束中和器的电子不能穿透这一孔隙。

使用抑制孔隙具有两个不合要求的后果。孔隙引入造成离子束电位急剧偏离的边界条件。这可加剧抑制孔隙下游离子束爆胀此外，孔隙区的电场可将电子由离子束中和器下游折到离子注入室区。这造成在离子束中央芯部的正电荷区和在离子束外部周边负电荷区的不合要求的结果。换而言之，离子束在广义上是中性的，而在晶片表面，在晶片中心出现正电荷聚集，环绕外周边出现负电荷。这导致大的、不合要求的电场。

授予Benveniste的美国专利5164599公开了一种供选择的离子束中和器。一个圆柱形电子源围绕离子束。与离子束隔开的一组灯丝所发射的电子通过离子束并同面向内的中和器壁相撞。产生中和离子束的二次电子发射。授予Benveniste的该专利公开内容也引入本文供参考。本发明提出了一种代替Farley和Benveniste的专利中所公开的系统。

按照本发明所构成的离子注入器以来自离子源的离子处理工件。使由离子源发射的正电荷离子被整形成离子束，以在注入装置处理工件。注入装置上游的离子束中和器具有一个限定反射器的导电场，反射器具有面向内的弯曲表面，将电子导入离子室。电子源将中和的电子发射入反射器附近的区域，首先使其朝向反射器加速，而后离开反射器朝向离子束折射。电源使反射器相对于电子源偏置，以使离子由电子源发射后所遵循的路线折射至使它们一般沿着平行路径朝向离子束运动的路径。

离子束中和器使大量的低能电子可以由离子束俘获。该批电子没有高能成分并且处于低能的基本上是无活动能力的。

按照本发明的较佳实施方案，电子源由一系列衔接的电子发射灯丝所构成。来自这些灯丝的电子在所有方向上发射并通过栅极加速离开灯丝。电子向外运动以扩大电子中和区。然后电子被截面是抛物形的并在中和器长度方向延伸的细长反射器所折射。