CN104835709B - 为离子植入建立中电流带状离子束的方法及其离子束系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其系提供一包含有工作气体及运载气体的离子源，并藉由调整工作气体及运载气体的比例，以控制离子源中一工作离子束的强度，之后并利用质量分析仪将运载气体自工作离子束分离。亦可藉由于离子源下游设置一或多个机械式电流限制装置来控制工作离子束的强度。此方法可控制到达晶圆的带状离子束总强度约在3μA到3mA之间。

Description

为离子植入建立中电流带状离子束的方法及其离子束系统

技术领域

本发明系关于离子植入技术，尤其关于一种为离子植入建立中电流带状离子束的方法及一种离子束系统。

背景技术

离子植入是将原子或分子导入标靶基板的过程，这些原子或分子一般称为掺质，用于赋予物质有用的性质。在以离子束处理物质的领域，已经开发出各种技术，用以产生大而近乎平形且具有受控制的电流均匀度的带状离子束。

使用带状离子束于高电流植入已为业界所熟知，相关的技术已揭露于如下的专利：美国专利号7,326,941、美国专利号7,462,843、美国专利号5,350,926及美国专利号5,834,786。一般系藉由以下方式将自离子源取得的离子均匀地分布于标靶：首先使到达标靶的离子束的离子强度高度均匀地分布于离子束的长边，然后沿平行于短边的方向移动标靶。

在实际应用上，标靶通常是硅晶圆，对厚度300毫米(mm)大小的晶圆进行高电流植入时，自离子源取得的总离子电流系介于10毫安(mA)到100mA之间，撞击晶圆的带状离子束的总离子强度约在3mA到30mA之间，施加于晶圆的离子剂量是在1E14到5E15ions/cm²之间，又。当离子离开离子源时，其能量约在8keV到20keV之间，之后藉由减速降低能量，使植入标靶的离子其能量约在0.2keV到20keV之间。

发明内容

本发明扩展带状离子束植入系统的使用范围，使其植入剂量或离子束电流可以千倍的等级降低(例如降低一千或数千倍)。本发明的方法及技术使得撞击晶圆的带状离子束的总离子强度约在3μA到3mA之间，且施加于晶圆的离子剂量介于1E11到1E14ions/cm²之间。本发明的方法及技术可使用于专为中度电流植入的离子植入系统，亦可使用于中度及高度电流两用的离子植入系统(例如离子剂量是在1E11到5E15ions/cm²之间，离子强度在3μA到30mA之间)。

本发明可应用于较大的离子能量的范围，包括植入能量(0.2keV至大于100keV)，及自离子源提取的能量(8keV至大于40keV)。

本发明揭露一种中度电流离子植入方法，其使用一种具长边及短边的带状离子束，并先使到达标靶的离子束的离子强度高度均匀地分布于长边，然后沿平行于短边的方向移动标靶，进而使得离子可均匀地分布于标靶。

本发明为控制到达标靶的总离子强度约在3μA到3000μA之间，系提供离子源一种混合有工作气体及运载气体的进料气体，并设定离子源的总输出，使离子束能配称于提取间隙，其中藉由调整工作气体及运载气体的比例以控制工作离子束的强度，并于之后利用质量分析仪将运载气体自工作离子束分离。又工作离子束强度亦可藉由设置于离子源下游的一或多个机械式电流限制装置而达成。

本发明为控制带状离子束在长边的均匀度，系将一或多个均匀度控制装置设置于质量分析仪及标靶之间的离子束路径上，又用以加速或减速离子束的组件亦可选择性地设置于质量分析仪及标靶之间。

附图说明

图1所示系本发明一实施例离子束系统的特征的示意图。

图2a,2b及2c所示系一离子源提取系统由带状离子束的短边平面观看的示意图。

图3所示为本发明一实施例的建立一均匀的中电流带状离子束的方法的流程图。

符号说明

10 离子束系统

12 离子束

14 离子源

16 工作气体

18 运载气体

20 离子源提取系统

22 前板

24 狭缝

26 抑制电极

28 接地电极

d 提取间隙

30 等离子体边界

30＇ 等离子体边界

30” 等离子体边界

32 电流限制装置

34 质量分析仪

36 均匀度控制装置

36＇ 均匀度控制装置

38 加速/减速台

39 晶圆

S50、S52、S54、

S56、S58、S60、S62、 步骤

S64

具体实施方式

本发明的技术内容及较佳实施例将详述于下，然而要特别强调的是：该些描述及较佳实施仅是用于例示本发明，而非用来限制本发明的范围。

图1所示系本发明一实施例离子束系统的特征的示意图。图1系由标靶(如晶圆39)位置的带状离子束的短边平面观看。带状离子束的长边系垂直于短边平面，晶圆39沿着图中箭头所示的方向移动，藉以使晶圆39的整个表面被施加均匀剂量的离子。

在本发明的离子束系统10中，离子束12系取自离子源14，且至少有两种气体注入离子源14，一为工作气体16，一为运载气体18。图2a,2b及2c所示系一离子源提取系统(ionsource extraction system)由带状离子束的短边平面观看的示意图。在一离子源提取系统20中，一离子源14处于一正高电位(+0.2kV到+100kV)，并具有一前板22，前板22上形成一狭缝24或一孔洞，用于提取一离子束12。前板22与一抑制电极26(suppression electrode)相隔一距离，亦称为提取间隙(extraction gap)d；提取间隙d通常可在1mm到50mm之间调整。抑制电极26具有一相对于一接地电极28的负电位(-1kV到-10kV)。图2a,2b及2c所示的离子源提取系统仅系离子提取的一例，其它熟知的离子提取技术，例如四极管提取，亦可被本发明采用。

本发明主要目的之一是使晶圆得到非常低的离子束电流，亦即希望从离子源提取非常低的离子束电流。然而，为高电流运作而设计离子源及其提取系统，有一个电流门槛，低于此一门槛，提取的离子束质量将会受到影响。其原因为：离子源等离子体密度及提取的离子电流需要与提取电压及提取间隙d相配称，才能维持可接受的离子束质量。

图2a所示为等离子体密度太低的例子，其中等离子体边界30内凹，而在提取间隙d的离子被过度聚焦。图2c所示为等离子体密度太高的例子，其中等离子体边界30’外凸，而在提取间隙d的离子则聚焦不足。图2b所示则是一个适配的例子，其中等离子体边界30”是一平面，被提取的离子束12具有最小的发散，而撞击到抑制电极26离子则被减至最少。

其中，当自狭缝提取的离子束与提取电压及提取间隙d不配称时，被提取的离子束沿狭缝长度方向的均匀性不佳，且在狭缝的顶部及底部出现明显的强度高峰，此一现象让带状离子束于晶圆上均匀性难以达成。

因此，维持离子源等离子体密度及提取间隙d的相配称有其必要。不配称会导致离子束操作问题，包括:离子束明显发散、自狭缝提取的离子束均匀性不佳、及过多的抑制电流等，这些现象会导致电压不稳定，及产生X光。

对一已知的提取电压而言，可藉由最小的提取场域或最大的提取间隙d以获得最低的配称提取电流，所以对于低的离子束电流的状况，最佳的操作条件是具有一个相配称且足够大的提取间隙d，大到近于间隙调整机构的最大机械极限。然而，即使是最大的提取间隙d，当提取电压约大于20kV时，配称的提取电流会是许多个mA或甚数千个mA。为使到达晶圆的离子束电流能低到3μA的水平，须要将射向晶圆的提取电流降低1000到5000倍。本发明系藉由两种方法降低射向晶圆的提取电流。

根据本发明的一实施例，第一种降低提取电流的方法包括：提供一离子源，其被注入一工作气体及一运载气体，工作气体是一种气体或蒸气，含有要被植入晶圆的物质，运载气体是任一种其它气体或气体混合物，其可以运载离子源中的等离子体。当植入晶圆的物质为磷(P)、砷(As)或硼(B)时，较佳的工作气体为磷化氢(phosphine)、砷化氢(arsine)或三氟化硼(boron trifluoride)；若要植入其它物质时，适合的气体或蒸气亦可使用。

其中，较佳的运载气体是惰性气体，如氩或氙，但其它可以运载离子源中等离子体的气体或蒸气亦可使用；较佳的运载气体应具有相对较高的原子量，此乃由于在配称的条件下，离子源的输出量取决于等离子体离子的质量，质量越高，达到配称所需的提取电流就越小，而这有利于获得非常低的离子束电流。例如在相同的提取电压及提取间隙下，使用氙(质量数131)当运载气体的例子，其离子源提取电流低于使用氩(质量数40)当运载气体的例子。

当运载气体及工作气体这两种气体被注入离子源时，提取的离子束中包含了由这两种气体所产生的离子，且离子的比例与两种气体进入离子源的流速的比例相关。其中，要被植入晶圆的离子系取自于工作气体，而这些离子系用质量分析仪与运载气体的离子分离，所以，为降低工作离子电流，需要降低工作气体流速对运载气体流速的比例。假设工作气体流速为0.5sccm，运载气体流速为4sccm，则在离子源等离子体中，工作气体原子的密度只有运载气体原子的密度的八分之一。假设两种气体离子化的机率接近，则工作离子提取电流会是运载离子提取电流的八分之一。在本发明中，运载气体离子的使用系为使离子源等离子体满足提取间隙d的配称条件，运载气体离子在之后会利用质量分析仪将其分离，而留下较少量的工作离子被输送到晶圆。

其中，工作气体对运载气体的可用比例只会受到流量控制器的控制范围及准确度的限制。藉由使用流速为4sccm的运载气体及流速为0.04-0.1sccm的工作气体，将可使离子束电流降低40至100分之一。

根据本发明的一实施例，第二种降低提取电流的方法包括：操作安装于离子源下游的一或多部电流限制装置，其目的是降低离子束电流。如图1所示，一电流限制装置32安装于一较佳位置，也就是离子束12相对较宽的位置，例如一质量分析仪34的出口处。在一实施例中，质量分析仪34为一质量分析磁铁。电流限制装置32可使用一大小可变化的狭缝或孔洞，以机械方式限制离子束12的通过，例如，在电流限制装置之前，离子束12的宽度为50mm，一个5mm宽的狭缝会将离子束12的电流降到大约只有十分之一。其中，大小可变化的狭缝可由两块可移动的板片构成，或是一个具有狭缝滚筒，或其它任何适合的机构。

其中，离子束电流在通过电流限制装置之前后的变化比例系取决于电流限制装置最小的宽度相对于离子束在电流限制装置处的宽度，例如：藉由使用宽度0.5mm至1.0mm的电流限制装置，及宽度50mm的离子束，将可使离子束电流降低50至100分之一。

因此，藉由结合上述两种方法，离子束电流在到达晶圆时可被降低为2000至10000分之一，所以，高达6mA至30mA的提取离子源电流，在到达晶圆时可被降低到3μA。

请再参考图1，在本发明的离子束系统10中，自离子源提取的离子束通过质量分析仪34、至少一电流限制装置32、一或二个均匀度控制装置36,36’、及一加速/减速台38。

其中，质量分析仪34系用于选择某一质量的离子，将其它质量的离子屏除于离子束之外。质量分析仪34是一种众所周知的习知技术，图1所示的是一种90度的质量分析磁铁，但是本发明并不排除使用其它种类的质量分析仪。又电流限制装置32系安装于离子源的下游，且在质量分析仪34之后，用以降低工作离子束的电流。

其中，二个均匀度控制装置36,36’系用于使到达晶圆的带状离子束在长边方向具有高度均匀的强度分布。在高电流植入领域，用以建立强度高均匀分布的带状离子束的均匀度控制装置36,36’已是众所周知的习知技术。美国专利号7,078,713及美国专利号7326941两件习知技术掲露一种磁性多极装置，其包括多对磁性线圈，每一对磁性线圈产生一四极磁场，用于使离子束聚焦或失焦。藉由调整线圈内的电流，到达晶圆的带状离子束的离子强度分布可达到想要的均匀度，又由于采用四极磁场，因此不会造成离子束的的质量中心的偏移，于是如图1所示，穿过此一装置的离子束并没有任何偏移。另外，美国专利号5,350,926及美国专利号两件习知技术掲露一种均匀度控制装置，其使用二极磁场调整带状离子束，容易导致离子束质量中心的偏移。但无论是磁性多极装置或二极磁场调技术，皆亦包含于本发明的范围之内。

虽然图1所示的实施例中系使用二个均匀度控制装置36,36’，但是本发明并不排除使用少于或多于二个均匀度控制装置，又在图1中，二个均匀度控制装置分别设于加速/减速台38之前及之后，惟不限与此，本发明并不特别限制均匀度控制装置的设置顺序。

在本发明，加速/减速台38的设置系为非必须的，提取自离子源14的离子束12的能量可被一选择的加速电压增加，或被一选择的减速电压减少。在一实施例中，加速或减速系可能与磁性或静电能量过滤装置有关；又在一些实施例，加速或减速可能不会导致离子束的质量重心的偏移(如图1所示)，但也有可能会导致离子束的质量重心的偏移。

图3所示为本发明一实施例的建立一均匀的中电流带状离子束的方法流程图。

在步骤S50，设定一个适当的离子源提取电压。

在步骤S52，设定离子源提取间隙d到接近其最大值。

在步骤S54，设定离子源的进料气体中工作气体对运载气体的比例。

在步骤S56，调整离子源等离子体密度，使其适配于离子源提取电压及离子源提取间隙d，此时抑制电流被最小化。

在步骤S58，设定质量分析仪，使其筛选出要植入晶圆的工作气体的离子。

在步骤S60，运作电流限制装置，使离子束电流降至所需的水平。

在步骤S62，运作一或多个均匀度控制装置，使到达晶圆的带状离子束的离子强度分布可达到所需的均匀度。

在步骤S64，调整运载气体对工作气体的比例，或调整电流限制装置，使到达晶圆的带状离子束具有所需的总电流。

综上所述，本发明能扩展带状离子束植入系统的使用范围，使其植入剂量或离子束电流可以千倍的等级降低，例如利用本发明的方法及技术，可使撞击晶圆的带状离子束的总离子强度约在3μA到3mA之间，且施加于晶圆的离子剂量是在1E11到1E14ions/cm²之间。本发明的方法及技术可使用于专为中度电流操作的离子植入系统，亦可使用于中度及高度电流两用的离子植入系统(离子剂量是在1E11到5E15ions/cm²之间，离子强度在3μA到30mA之间)。

本发明已藉由实施例详加解释。然而该被理解的是：这些实施例仅是用于例示本发明，而非用以限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (16)

1.一种为离子植入建立中电流带状离子束的方法，该中电流带状离子束的总离子强度在3μA到3mA之间，其特征在于，该方法包含：

提供包含有工作气体及运载气体的离子源；及

调整该离子源中该工作气体及该运载气体的比例，以控制该离子源中工作离子束的源等离子体密度，以与提取电压及提取间隙相配称。

2.如权利要求1所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，透过降低该工作气体相对于该运载气体的流速比例，以调整该离子源中该工作气体及该运载气体的比例。

3.如权利要求2所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，该运载气体的流速为4sccm，该工作气体的流速介于0.04sccm至0.1sccm之间。

4.如权利要求1所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，该离子源具有一前板，该前板上形成一狭缝或一孔洞，用以提取该工作离子束，该前板与一抑制电极之间相隔一距离，且将该距离定义为该提取间隙。

5.一种为离子植入建立中电流带状离子束的方法，该中电流带状离子束的总离子强度在3μA到3mA之间，其特征在于，该方法包含：操作设置于离子源下游的至少一电流限制装置，以在固定该离子源中工作离子束的源等离子体密度的前提下，降低离子植入的离子束电流。

6.如权利要求5所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，该电流限制装置使用大小可变化的狭缝或孔洞，以机械方式限制该工作离子束的通过量。

7.如权利要求5所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，更包含：设定质量分析仪，使其筛选出该工作离子束的工作离子。

8.如权利要求7所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，更包含：设定至少一均匀度控制装置，使标靶得到均匀带状离子束，其中该均匀度控制装置安装于离子束路径上，且位于该质量分析仪及该标靶之间。

9.一种为离子植入建立中电流带状离子束的方法，该中电流带状离子束的总离子强度在3μA到3mA之间，其特征在于，该方法包含：

提供包含有工作气体及运载气体的离子源；

调整该离子源中该工作气体及该运载气体的比例，以控制该离子源中工作离子束的源等离子体密度，以与提取电压及提取间隙相配称；及

操作设置于该离子源下游的至少一电流限制装置，以在固定源等离子体密度的前提下，降低离子植入之离子束电流。

10.如权利要求9所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，该离子源具有一前板，该前板上形成一狭缝或一孔洞，用以提取该工作离子束，该前板与一抑制电极之间相隔一距离，且将该距离定义为该提取间隙。

11.如权利要求9所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，更包含：设定质量分析仪，使其筛选出该工作离子束的工作离子。

12.如权利要求11所述的为离子植入建立中电流带状离子束的方法，其特征在于，更包含：设定至少一均匀度控制装置，使标靶得到均匀带状离子束，其中该均匀度控制装置安装于离子束路径上，且位于该质量分析仪及该标靶之间。

13.一种离子束系统，其特征在于，包含：

离子源，被注入工作气体及运载气体，其中该工作气体及该运载气体的比例被调整，以控制该离子源中工作离子束的源等离子体密度，以与提取电压及提取间隙相配称；

质量分析仪，用于筛选出该工作离子束的工作离子；

至少一电流限制装置，设置于该离子源下游，以降低该工作离子束的电流；及

至少一均匀度控制装置，安装于离子束路径上，且位于该质量分析仪及标靶之间，使该标靶得到均匀带状离子束。

14.如权利要求13所述的离子束系统，其特征在于，更包含：加速/减速台，设置于该质量分析仪及该标靶之间。

15.如权利要求14所述的离子束系统，其特征在于，包含有两部该均匀度控制装置，其中一该均匀度控制装置安装于该加速/减速台之前，另一该均匀度控制装置安装于该加速/减速台之后。

16.如权利要求13所述的离子束系统，其特征在于，该离子源具有一前板，该前板上形成一狭缝或一孔洞，用以提取该工作离子束，该前板与一抑制电极之间相隔一距离，且将该距离定义为该提取间隙。