CN101501812A - 扫描束离子注入器的产量提高 - Google Patents

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Abstract

一种用于最佳化生产率的离子注入系统，其包含：离子产生器，被配置成用于通过沿着第一方向上的轴线来扫描离子而将该离子注入至工件之中；可移动平台，被配置成用于在大体正交于该第一方向的第二方向上来移动该工件；离子检测组件，被配置成用于在大约该工件的外缘处来测量离子剂量；第一方向驱动器，从该控制器中接收命令，用于以在晶片上快速扫描速率或晶片外快速扫描速率来移动；以及第二方向驱动器，从该控制器中接收命令，用于以慢速扫描速率来移动该工件可移动平台。

Description

扫描束离子注入器的产量提高
技术领域
本发明大体上涉及半导体处理系统，且更明确地说，涉及一种用于最佳化和半导体衬底的离子注入相关联的离子束的效率的系统与方法。
背景技术
在半导体工业中，通常会在衬底(举例来说，半导体晶片或工件)之上实施各种工艺，以便达成各种结果。举例来说，可能会实施离子注入之类的工艺，以便在该衬底之上或之内达成特殊的特性，例如改变晶片的一部份的导电性。所需的杂质材料被离子化且被加速以形成一具有规定能量的离子束，且该离子束被导向该晶片的表面处。该射束之中的高能离子穿透至该半导体材料之中并且会被嵌入在该半导体材料的结晶晶格之中，以便形成一具有所需导电性的区域。
离子注入系统通常包含离子源或离子产生器，用于将一气体或固体材料转换成等离子体。离子从该等离子体之中被提取并且被加速至所需的能量或被加速至传输能量。该离子束经过质量分析，以便排除非所需的离子物种，且接着必要的话，还会被加速至所需的能量位准并且被导向至目标工件上。大部份的离子注入器所使用的离子束的直径均会远小于该晶片，并且会通过扫描该射束、以机械方式来移动该晶片、结合射束扫描及晶片移动以及类似的方式从该离子束中将该剂量均匀地分布在整个晶片上。
在众多系统中，会在其中一维度快速地扫描该射束(快速扫描)以便形成均匀的“带状”射束，并且接着会在垂直该快速扫描的方向上让该晶片缓慢地扫描通过该带束。卓越的表面均匀性的必要条件所指的是该射束必须在两个维度中完整地扫描该工件。因此，被注入的总面积会大于该工件且该射束并不会被完全采用到。该射束的效率被定义为该晶片的尺寸与被注入的总面积的比率，并且必定会小于1。
其它的发明则提出最佳化的扫描波形(举例来说，圆形)，以便在改良生产率的总目标下，缩减静电、磁性、及机械扫描仪的扫描面积。一般来说，在该些发明中，扫描速率保持不变，而扫描宽度则会随着慢速扫描而改变。因此，被注入区域的形状更为接近该工件，从而会提高效率。不过，人们可能会希望具有方形的被注入区域(不变的扫描波幅)，因为其可让该射束必定会通过目前测量的装置(剂量杯)(其通常位于紧靠该晶片的外缘处)的上方，并且接着会在反馈系统中使用该经测得的电流来改良均匀性。
所以，需要一种最佳化离子束的扫描并且同时保持所需的不变扫描波幅的方法。
发明内容
本发明克服现有技术的限制。因此，下文将会简略地概述本发明，以便对本发明的特定观点有基本的了解。此概略说明并非本发明的广泛概述。其本意既非确定本发明的关键或重要组件，也非限定本发明的范畴。其目的在于以简化的形式来提出本发明的某些概念，作为稍后要被提出更详细说明的序言。
根据本发明的一方面大体上涉及一种用于在采用近似方形或矩形扫描区域将离子注入至衬底之中的期间来最佳化离子束的效率的方法。该改良来自在该射束未被导向该工件之上时提高快速扫描的速率。因此，当该射束中的任何部份被导向该工件之上时，快速扫描的平均速度会是VFastScanOnWafer；而当该射束离开该晶片之后，快速扫描速率则会提高至少为VFastScanOffWafer。VFastScanOffWafer/VFastScanOWafer的比率通常会落在2至25的范围之中。提高该晶片外扫描速率降低浪费在该晶片外面的剂量并且会有效地缩减被注入面积，从而会提高效率。
为达成前述及相关的目的，本发明包括在下文作完整说明及在申请专利范围中特别提出的特点。下文说明及随附图详细提出本发明的特定举例性实施例。不过，该些实施例仅代表可采用本发明的原理的各种方式中的数种方式。当配合图来讨论时，便可从本发明的下文详细说明中明白本发明的其它目的、优点、以及新颖特点。
附图说明
图1所示的是根据本发明一方面的示范性离子注入系统的平面图。
图2所示的是根据本发明另一个方面的示范性扫描系统离子束路径的平面图。
图3所示的是根据本发明另一个示范性方面，用于最佳化离子注入系统的离子束效率的示范性方法的框图。
图4所示的是根据本发明又一个方面的示范性扫描系统的概略框图。
图5所示的是根据本发明一方面的示范性关系图，图中所图解的是生产率提高与快速对慢速速率比率的对照图。
具体实施方式
本发明大体上涉及一种用于在离子注入系统中扫描离子束时最佳化离子束利用效率的系统与方法。更明确地说，该方法是以在快速扫描轴线中采用二或多个快速扫描速率为主来进行最佳化。据此，现在将参考图来说明本发明，其中，会在所有图中使用相同的组件符号来代表相同的组件。应该了解的是，该些观点的说明仅具有解释性意义，而不应被视为具有任何限制性意义。为达解释的目的，在下文的说明中将会提出众多特定细节，以便能够彻底了解本发明。不过，本领域的熟练技术人员便会明白，即使没有该些明确细节仍可实行本发明。
离子注入系统中的生产率通常由数项因素来定义。举例来说，生产率可被以下方式来量化：该系统产生特定的离子束电流量的能力；该系统所产生的离子数量与实际被注入至衬底(举例来说，硅晶片)之中的离子数量之间的比率；该衬底被离子注入的时间量以及定位该衬底以进行离子注入所花费的时间量之间的比率；以及类似的方式。举例来说，所产生的离子与实际被注入该衬底之中的离子比率通常会被称为“离子束效率”，下文将作讨论。
对低剂量离子注入来说(举例来说，剂量小于约1 x 1014cm2的离子注入)，该离子束的电流范围通常会低于该离子注入系统的能力限制，因而可提高该离子束电流以考虑到可能的低离子束效率。不过，对高剂量离子注入来说(举例来说，剂量大于约1 x 1015cm2的离子注入)，离子束电流通常会等于或接近该离子注入系统的最大能力，且对最佳的离子注入来说，离子束效率对该系统的生产率具有更大的重要性。这种离子注入也被称为“有限的射束电流”注入，其中，在决定各种类型离子注入系统的最有利的用法时，离子束的效率会是一个重要的因素。举例来说，多衬底离子注入系统或批次式注入机的离子束效率传统上远高于单衬底系统，从而便会选择多衬底系统作为高剂量注入的常规工具。不过，单衬底离子注入系统或序列式系统仍具有各种其它优点，例如：污染控制；工艺批量尺寸灵活性；以及还可以在特定配置中进行入射射束角度控制。所以，倘若可以提高生产率的话，可能会比较希望采用单衬底系统。
所以，本发明涉及单衬底离子注入系统中离子束利用效率的最佳化，其中，会依据由该离子注入系统所实施的各项个别工艺的特征来控制各项离子注入操作参数，例如该衬底的线性扫描速率及加速。不过，应该了解的是，本发明也可被施行在各种其它离子注入系统之中(例如上面所述的批次式注入机)，且所有这种注入均被视为落在本发明的范畴内。
在本发明的优选实施例中提供优于使用典型单衬底或单晶片系统离子注入系统的常规方法的数项优点。举例来说，常规的单衬底离子注入系统或序列式注入机通常会在一或多条轴线(举例来说，慢速扫描轴线)之中具有固定的线性扫描速率与加速，而且通常不会针对离子束利用效率来进行最佳化。不过，控制各项离子注入操作参数却能够提高各种生产率效率，下文将会作说明。举例来说，针对给定的工艺配方在二或多条轴线中来控制该衬底或该离子束扫描的线性扫描速率与加速便可最佳化该离子束的效率，这在常规的离子注入系统中通常无法达成。
现在将参考附图，根据本发明的其中一个示范性方面，图1所示的是一示范性混合扫描、单衬底离子注入系统100，其中，该系统可运作用于在一个快速扫描方向上扫描离子束110并且在一个正交的慢速扫描方向上扫描衬底105。如上面所述，本发明的各项观点可配合任何类型的离子注入设备来施行，其包含，但并不受限于图1的示范性系统100。该示范性离子注入系统100包括：一终端112；一射束线组件114；以及一末端站116，形成一工艺反应室，该离子束110在该工艺反应室之中被导向工件位置。在该终端112之中的离子源120由一电源122来供电，以便提供一经提取的离子束110至该射束线组件114，其中，该离子源120包括一或多个提取电极(图中并未显示)，用于从该离子源反应室中提取离子，并且从而将该经提取的离子束110导向该射束线组件114。
举例来说，该射束线组件114包括：一束导130，其具有一靠近该离子源120的入口以及一具有解析孔132的出口；以及一质量分析器134，接收该经提取的离子束110并且产生一双极磁场，用于仅让具有适当动量或其范围(举例来说，具有所需的质量范围的离子的经质量分析的离子束110)的离子通过该解析孔132。扫描系统在该快速扫描方向上扫描该射束。其可能是静电式、磁式、或是特定其它系统。接着，该射束便会通过一平行化系统，以便让位于所有扫描角度处的射束变为平行。接着，该射束便会被传送至和该末端站116相关联的工件扫描系统136上的衬底105。也可进一步提供和该射束线组件114相关联的各种射束成形与整形结构(图中并未显示)，以便在该离子束沿着一射束路径被传输至被支撑在该工件扫描系统136之上的衬底105时来维持与约束该离子束110。
举例来说，图1中所示的末端站116是一“序列式”类型的末端站，提供一真空的工艺反应室，该单衬底105(举例来说，半导体晶片、显示面板、其它工件、…等)则沿着该射束路径被支撑，以便利用离子来进行注入。不过，应该注意的是，也可采用批次式或其它类型的末端站，而且均落在本发明的范畴内。在本发明的一个替代方面中，该系统100包括工件扫描系统，其能够在快速与慢速两个扫描方向来进行扫描。在本发明的又一个方面中，该系统100包括可以电气式或磁式任一种扫描方式或两种扫描方式的组合来扫描两条离子束轴线的系统。据此，所有这种扫描或非扫描离子束110均应被视为落在本发明的范畴内。
根据本发明的一方面，图2所示的是位于该工件上方的离子束的路径的平面图。图中所示的虽然是相对运动，不过，最常见的施行方式则是离子束运动于快速扫描方向上而工件运动于慢速扫描方向上，两者均相对于该固定的工艺反应室。举例来说，该工件扫描系统200包括可移动平台140，于该可移动平台140之上则驻存着该衬底105，其中，该离子束110可运作用于沿着快速扫描速率轴线142来扫描该衬底105并且沿着一大体正交的慢速扫描轴线144相对于该离子束110来平移该晶片。举例来说，该射束沿着该快速扫描速率轴线142(也称为“快速扫描速率方向”)的给定速率可以远快过该衬底沿着慢速扫描轴线144(也称为“慢速扫描方向”)的速率。因此，该快速扫描线145看来会近似水平。当慢速扫描速率相对于该快速扫描速率提高时，该快速扫描线便会倾斜。为方便起见，该射束沿着该快速扫描速率轴线142的速率将会被称为“晶片上快速扫描速率”或是“晶片外快速扫描速率”，而该衬底沿着该慢速扫描轴线144的速率则会被称为“慢速扫描速率”。晶片上速率与晶片外速率之间的转变仅会发生在大体圆形的边界105处。该边界的位置会尽可能接近该晶片，使得基本上该射束中不会有任何部份撞击在该晶片上。该转变的确实位置取决于射束尺寸与必要的剂量均匀性。从图中可以清楚看见，该射束前进离开该晶片的距离与该慢速扫描位置具有函数关系。
根据本发明的又一个示范性方面，图3所示的是一示范性方法300的概略框图，图中所示的是离子注入系统(例如图1的示范性离子注入系统100)的示范性最佳化方法。虽然本文将示范性方法图解且描述成一连串的动作或事件，不过，应该明白的是，本发明并不受限于图中所示动作或事件的顺序，因为根据本发明的某些步骤也可以不同的顺序来进行及/或和本文所示与所述以外的其它步骤同时进行。此外，也未必需要所有已图解的步骤才可施行根据本发明的方法。再者，还要明白的是，该方法可配合本文所示与所述系统来施行以及配合本文并未图解的其它系统来施行。
如图3中所示，方法300始于动作310，其中提供一用于进行离子注入的工艺配方。举例来说，该工艺配方包括下面一或多者：所需的离子束电流、离子束能量、被注入至该衬底之中的离子的所需剂量、最大剂量不均匀性、以及类似的工艺配方。
从该工艺配方中便会于动作312处确定射束轮廓。适当的电流被传送至该工艺反应室并且会调整各种其它射束参数，例如射束尺寸。决定射束尺寸，以便能够设定该两个快速扫描速率之间的边界。此测量通常是利用一能够经由沿着该快速扫描轴线的射束来扫描的剂量杯来进行。
于动作314处，举例来说，可能会提供一组性能判据。依据该工艺配方与该经测量的射束轮廓便可于动作316与318处设定各种扫描速率。从该配方之中的所需剂量与射束电流便能够决定最小慢速扫描速率。最大速率则可取决于该射束高度与该平均慢速扫描速率并且可依据均匀性必要条件来设定。举例来说，控制器通常可依据一组规则及刚才所述输入来选择一最佳数值。该快速扫描速率可取决于该快速扫描驱动器的限制。该快速晶片外扫描速率可被设为该驱动器能够传送的最大速率；而该快速晶片上扫描速率则可缩减特定倍数(通常为2至20倍)，其可取决于两个方向上的均匀性，并且通常会被设为越快越好。于动作320处则可利用在前面步骤中所设定的射束来注入该衬底。
现在参考图4，图中所示的是根据本发明用于最佳化离子注入的一示范性离子注入系统400的概略示意图。该离子注入系统400的运作方式可以与图1中的系统100雷同。图中所示的衬底105可被安置在一静止或可移动平台140之上。举例来说，该可移动平台140可于单一轴在线平移或者可于彼此大体正交的两条轴在线平移。不过，复杂的非线性运动与旋转运动也同样涵盖在本发明之中。举例来说，可跨越一静止晶片于单一轴在线来扫描离子束，其中，该晶片是在单一方向上平移通过该经扫描的离子束；或者，在替代的观点中，该晶片也可在大体正交的轴在线相对于一静止离子束或“光点射束”来平移。
举例来说，衬底105是从离子剂量产生器410中接收经扫描的射束402。该初始射束的建构方式可与图3的方法300中的步骤312雷同。举例来说，当射束402移动通过衬底105的外缘时，离子检测组件404便可测量射束402电流。根据本发明的一方面，系统400能够决定该射束电流，以便考虑到从“晶片上快速扫描速率”至“晶片外快速扫描速率”并返回“晶片上快速扫描速率”的加速问题。举例来说，该系统可通过采用离子检测组件404来判断该离子束402已经从“晶片上”位置移动至“晶片外”位置。如图4中所示，优选的是如系统400所示，当离子束402中的任何一部份位于该晶片105之上时，举例来说，控制器406便会导引水平(第一方向)驱动器408，用于导引离子剂量产生器410在“晶片上快速扫描速率(VFastScanOnWafer)”处以水平的方式来扫描跨越该晶片105表面。接着，当该离子束离开该晶片时，控制器406便会命令该水平驱动器408指示该离子剂量产生器410以“晶片外快速扫描速率(VFastScanOffWafer)”来进行扫描并且接着反转方向。在静电式扫描系统中，举例来说，VFastScanOffWafer/VFastScanOnWafer的比率可能是大的，例如大于20；而在磁式扫描系统中，于特定的条件中，该比率可能与静电式系统雷同，不过，大多数的情况则会比较低，举例来说3。控制器406也可能会采用一工艺配方来最佳化VFastScanOffWafer与VFastScanOnWafer，举例来说：所需的离子束能量、优选的离子束直径、该衬底在慢速扫描方向上通过该离子束的次数、被注入该衬底之中的离子的所需剂量、该衬底在慢速扫描方向上的速率、以及类似的工艺配方。应该了解的是，控制器一词所指的可能是标准的控制器、调节器、驱动器、调节装置、驱动电子组件，以及类似的装置。
控制器406从404处取得射束电流测量值，并且会使用它来发送命令给慢速扫描驱动器408，该慢速扫描驱动器408则会更新慢速扫描速率。其也可通过位置传感器(图中并未显示)来考虑该衬底的位置并且命令快速扫描驱动器412来调整晶片上快速扫描速率与晶片外快速扫描速率之间的边界。
现在参考图5，图中的500所示的是在本发明的一实施例的代表性理论上的生产率提高与晶片外对晶片上速率比率的函数关系图，图中会比较各种离子束半径数据。关系图500包含对应于不同射束半径的五个不同的示范性数据点群502、504、506、508以及510。每条关系曲线均是采用30毫米宽的剂量杯以及一直径300毫米的晶片所建构而成的，并且假设该射束是均匀密度的圆形射束。举例来说，曲线502、504、506、508以及510所代表的射束半径分别为5mm、41.25mm、77.5mm、113.75mm、以及150mm。
举例来说，在曲线504之中可以看见，生产率提高是在整个范围中变化约百分之四十九(49％)。现在参考关系图500与曲线504，举例来说，从图中可以看见，对给定比率FastToSlowSpeed为5的半径为41.25的笔尖状射束来说，生产率提高约为1.34，或者换言之，生产率改良为34％。关系曲线504还显示出，倘若比率FastToSlowSpeed倍增至10的话，那么生产率提高便约为1.41。所以，仅将晶片外快速扫描速率提高至让该速率提升仅会提供最小生产率提高的给定位准处可能会相当有利。同样地，关系曲线502、506、508以及510的数据也显示出雷同的结果图案。
虽然本文已经针对特定的优选实施例或实施例来显示与说明本发明，不过，本领域的熟练技术人员于阅读且了解本说明书及附图之后将可对本发明进行等效变更与修正。尤其是针对上述组件(组件、装置、电路、…等)所实施的各项功能来说，除非特别提及，否则用来说明这种组件的词语(包含“构件”相关词在内)均希望对应于实施所述组件的指定功能的任何组件(也就是，具有等效功能的组件)，即使结构上不等同于本文中所图解的本发明示范性实施例中用来实施该项功能的揭示结构也无妨。此外，虽然本文仅针对数种实施例中其中之一来揭示本发明的某项特殊特点，不过此项特点却可结合其它实施例中的一或多项其它特点，正如对于任何给定或特殊应用所期望达成的且有利的那样。

Claims (29)

1.一种用于最佳化生产率的离子注入系统，包括：离子产生器，被配置成用于通过沿着第一方向上的轴线来扫描离子而将该离子注入至工件之中；
可移动平台，被配置成用于在不同于该第一方向的第二方向上来移动该工件；以及
第一方向驱动器，被配置成用于从控制器中接收命令，并且以一速率来移动该射束，该速率包括：晶片上快速扫描速率及晶片外快速扫描速率；
其中，该晶片外快速扫描速率快于该晶片上快速扫描速率，并且依据该晶片在该第二方向上的位置来调整晶片外快速扫描速率与晶片上快速扫描速率之间的边界。
2.根据权利要求1的离子注入系统，其中，依据该离子束在该第二方向上的位置来调整该晶片上快速扫描速率。
3.根据权利要求1的离子注入系统，其进一步包括离子检测组件，该离子检测组件约位于该工件的外缘处。
4.根据权利要求1的离子注入系统，其中，该第一方向与该第二方向大体上彼此正交。
5.根据权利要求1的离子注入系统，其进一步包括第二方向驱动器，被配置成用于从该控制器接收命令，并且以一慢速扫描速率在该第二方向上移动该工件可移动平台。
6.根据权利要求1的离子注入系统，其中，该晶片外快速扫描速率比该晶片上快速扫描速率快约2至20倍。
7.根据权利要求1的离子注入系统，其中，该晶片上快速扫描速率约为700厘米/秒至240000厘米/秒。
8.根据权利要求1的离子注入系统，其中，该控制器被配置成用于依据下面因素来最佳化生产率：工艺配方、射束半径、所需的离子剂量、实际测得的离子剂量、工件直径、第二方向扫描速率、矩形离子分布图案、以及剂量杯宽度。
9.根据权利要求1的离子注入系统，其中，该离子注入系统包括下面其中之一：静电式、磁式、以及机械式。
10.根据权利要求1的离子注入系统，其中，该所需的最大不均匀性在整个工件上的标准差大小为0.5个百分比。
11.一种离子注入工件的方法，包括：
以一快速扫描速率于第一方向上扫描离子束，其中，该工件上快速扫描速率不同于该工件外快速扫描速率；以及
以一慢速扫描速率于第二方向上扫描该工件，其中，该第一方向与第二方向并不相同。
12.根据权利要求11的方法，其中，该工件在一慢速扫描方向上通过该离子束且该离子束在一快速扫描方向上扫描该工件。
13.根据权利要求11的方法，其进一步包括提供用于该离子注入工件的工艺配方，该工艺配方包括下面至少其中之一：该离子束的电流、离子的剂量、以及该工件在慢速扫描方向上通过该离子束的次数。
14.根据权利要求11的方法，其中，控制该工艺配方基于下面至少其中之一：所需的最大不均匀性、该工件的产出时间、所需的最小离子束电流、以及至少工件条件。
15.根据权利要求11的方法，其进一步包括依据该离子注入工件的剂量在该慢速扫描方向上的多个速率中选择其中之一。
16.根据权利要求11的方法，其进一步包括在控制该工艺配方之后依据和该受控工艺配方相关连的离子注入的生产率在该快速扫描方向上的所述多个晶片上快速扫描速率及晶片外快速扫描速率中选择另之一。
17.根据权利要求11的方法，其中，该晶片外快速扫描速率为该晶片上快速扫描速率的约2倍至约20倍。
18.根据权利要求11的方法，其中，该晶片上快速扫描速率介于约700厘米/秒与约240000厘米/秒之间。
19.根据权利要求11的方法，其中，该慢速扫描速率介于约10毫米/秒与约400毫米/秒之间。
20.根据权利要求11的方法，其中，离子注入工件的所需最大不均匀性在整个工件上的标准差大小为0.5％。
21.根据权利要求11的方法，其中，该离子束以介于约10Hz与约2000Hz之间的晶片上快速扫描速率在该快速扫描方向上进行振荡，且其中，该工件以介于约0.06Hz与约1Hz之间在该慢速扫描方向上进行振荡。
22.根据权利要求11的方法，其中，该离子产生器被配置成用于通过在该第一方向上移动该工件通过静止射束而将离子注入该工件之中。
23.一种用于最佳化工件的离子注入方法，包括下面步骤：
提供工艺配方；
决定射束轮廓；
提供一组性能判据；
依据性能判据与射束轮廓，选择第一方向上的晶片上快速扫描速率；
依据性能判据与射束轮廓，选择第一方向上的晶片外快速扫描速率；
选择第二方向上的慢速扫描速率；以及
依据该晶片外快速扫描速率与晶片上快速扫描速率来控制该工艺配方；
其中，该第二方向大体上正交于该第一方向。
24.根据权利要求23的方法，其中，进一步依据生产率在该快速扫描方向上的所述多个晶片上快速扫描速率及晶片外快速扫描速率中选择其中之一。
25.根据权利要求23的方法，其中，该晶片上快速扫描速率约为700厘米/秒至240000厘米/秒。
26.根据权利要求23的方法，其中，该晶片外快速扫描速率为该晶片上快速扫描速率的约2倍至约20倍。
27.根据权利要求23的方法，其中，该慢速扫描速率介于约10毫米/秒与400毫米/秒之间。
28.根据权利要求23的方法，其中，在该快速扫描方向上的所述多个晶片上快速扫描速率及晶片外快速扫描速率中选择其中之一进一步由一项以上的所需工件条件所组成。
29.根据权利要求23的方法，其中，控制器依据下面的因素来最佳化生产率：工艺配方、射束半径、所需的离子剂量、实际测得的离子剂量、晶片直径、慢速扫描速率、矩形离子分布图案、以及剂量杯宽度。
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