TW445490B - Ion beam implantation using conical magnetic scanning - Google Patents

Description

4 454 9 0 \ _ '_B7 _ 五、發明説明（/) 本發明之領域 本發明係有關於利用帶正電離子處理工件之一個工件 處理系統，此一系統包含有一個離子源以及將離子自離子 源移動至植入站間之結構，且目標工件係置於該站做離子 '束處理。 ’ 技術之背景 一種市售之離子植入系統係利用與植入室間隔開之一 離子源，一個或多個之工件係在植入室中藉由來自離子源 的離子而被處理之。在離子產生室的一個出口開口使離子 離開離子源，如此它們可以被成形、分析、且加速形成一 個離子束。離子束順著一道真空的離子束路徑被引導至離 子植入室，且在其中離子束撞擊一個或多個之工件，它是 一般典型的圓形晶圓。離子束之能量足夠使得撞擊此晶片 的離子貫穿在植入室中之晶圓。此系統之一典型應用係該 晶圓是矽晶片，而離子被用爲去摻雜晶圓以產生一種半導 體材料。利用遮罩與保護層之選擇性的植入以製造出一積 體電路。 於一種所謂的中型電流植入器中，一次係處理一個晶 圓，其係藉由被放置於一植入站且以離子束沿著一控制路 徑橫越掃描一個晶圓表面。掃描動作是藉由一個建立一靜 電場用於偏轉在沿著控制路徑的離子束之離子的掃描電極 來加以實施。 由美國專利及商標局在1994年12月13日准予 Benveniste之美國專利號碼5,373，164係有關於此種中型電 3 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公麓1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) :裝·

•TT 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 45 4 9 〇 A7 ______B7 _ 五、發明説明（>) 流植入器。揭示於該，164專利中的離子植入系統係包含有 產生一離子束通過的雙極電場之結構。雙極電場之強度和 方向是被控制來調整工件、典型爲矽晶圓和離子束間之撞 擊角度》邊至邊之掃描動作是被用來提供整個矽晶圓之受 控制的摻雜。 · 揭示在該Ί64專利中的技術將無法適用於使用高静流 植入器而被用來處理多個晶圓之離子束的受控之偏轉。此 種植入器係揭示於美國專利號碼5,554,857之中，.該專利被 讓與給伊藤公司並且其被納入於此供作參考。例如在‘164 專利中所揭示之掃瞄的電氣掃瞄是不適用的，因爲被用來 產生邊至邊之掃描的電場容易使容許高電流束傳送之背景 中性化不穩定。 本發明之揭示 依據本發明所建構之一離子植入器係包含有放射離子 之一離子源，該些離子係橫過一離子束行程路徑到一與離 子源間隔開地裝設之植入室。一沿著離子源和植入室之間 的離子束路徑而設置之磁鐵，係在離子束進入磁鐵時，使 離子經由一受控制的掃瞄角度偏離一入口軌道。在偏轉量 大致是固定之下，偏轉的方向是被控制促使離子束掃過一· 條弧形路徑。此受控制的掃描能被用爲，例如，在被支承 於離子植入室內之一工件的植入表面上做離子束掃瞄。 一個用作範例的磁鐵係包含有一個由鐵磁性材料所構 成之線圈支架，其沿著離子束路徑之一部份延伸。由該線 圈支架所支撐的一或多個線圈係產生一偏轉磁場，該磁場 4 本紙張尺度適用中國國家標準(ϋ ) A4規格（210X 297公釐^ ---------— 广''、 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 454 9 0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 . B7 五、發明説明（3) 係在該線圈支架所界定之偏轉區域中截取離子束。爲達成 離子束之受控制的偏轉，一個電氣耦合到一或多個載電流 線圈之控制器係激勵該些載電流線圏，以產生一磁場來沿 著受控制之掃瞄角度掃瞄離子束。此受控制的偏轉之結果 是使得在離子束裡之離子_一晶圓支架上之工件於時變的 位置處做撞擊。本發明之這些以及其它目的、優點和特徵 將結合附圖更爲詳細地敘述。 圖式之簡要說明 圖1是依據本發明所建構之離子植入器結構的槪要描 繪； 圖2及3係說明將從一離子源射出之離子束磁性掃描 到植入室裡之一目標位置的替代結構； 圖4係用於再偏轉最初由圖2及3中所述之結構所偏 轉之離子的磁性再偏轉器(redeflector)之槪要圖；以及 圖5係一離子束掃描橫過一大致爲圓形的工件之植入 表面之槪要說明。 主要代表元件符號之簡要說明 10 離子植入器 12 離子源 13 工件 14 離子束 15 離子束偏轉器 16 準直磁鐵 17 解析縫隙 5 本紙張尺度適用中固國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

4454 9 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（+ ) 18 50 110 、 112 120 150 160 ' 170 182 184a ' 184b 186 ' 188 190 192 實施本發明之最佳模式 圖1描述一種相當低能量、高電流的離子植入器10， 其中之離子係從一離子源12中引出去撞擊在工作站之工 件13。一離子束線組件係從離子源12引導一個離子束14 經過一離子束偏轉器或轉體15到一個準直磁鐵 16(collimator magnet)。該磁鐵16彎曲此離子束14經180 度偏轉、從一個最初的離子束方向到一個解析縫隙 17(resolving slit)然後進入一個植入室18。離子源12和離 子束偏轉器15以及其各自的電源供應器係被支撐在一植入 器殼體之內。離子植入器10是一種低能量的植入器，其係 運作於植入能量在.2- 90 kev的範圍，同時供應約10毫安 培的離子束電流。從離子源12至植入室18之行程路徑是 被保持相當地短，以減少離子束傳送的問題，這是因爲在 6 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 植入室 控制系統 載電流線圏 鋼軛 圓柱形鋼軛 線圈 掃瞄路徑 鋼輕區段 線圈 晶圓支撐裝置 馬達 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁〕 裝. -訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Λ 4 5 4 9 〇 Α7 ___Β7___ 五、發明説明（匕） 1 . 從離子源12至植入室18之離子束傳播期間，低能量的離 子束有擴散的傾向(換言之，散開）。 離子源12包含有一個產生離子之電漿室—種可離子 化的摻雜物氣體被注入電漿室中。典型之離子源成分是硼 (Β)、磷(Ρ)、與砷(As)之氣態的氟化物。能量被傳送到該可 離子化的摻雜物氣體以在電漿室裡產生離子。雖然本發明 可適用於其中由離子源產生負離子之系統，但通常一般是 產生正離子。此正離子係經由電漿室內之孔口被一個離子 抽取器組件所抽取出，此組件包含有以負電位電壓所充電 之複數個電極，其隨著離電漿室之縫隙距離之增長而在電 壓大小上增大。由這些電極建立的電場係抽出離子以形成 該離子束14。該些電極同時也加速所抽取出之離子進入磁 性偏轉器15。 一包含有一個或多個之可程式控制器之控制系統50在 使用者顯示器或控制台52上顯現離子植入之資訊。控制系 統50也藉控制離子源以及在植入室18內工件之移動來負 責控制離子束之劑量。藉由調整由磁性偏轉器15產生之磁 場強度之下，也藉由該控制系統來進行離子束掃描。 一較佳之離子束偏轉器15(圖2)偏轉離子束，以獲得. 離子束之方位角掃描。此種掃描是類似於在藉由授予 Benveniste之’164專利中一靜電場之產生所獲得的掃描。 離子束偏轉器15再導引離子束偏離其本身最初之軌道至一 個偏轉後的方向上，其偏轉量以及方向可以根據流經兩個 線圈1丨0，112之激勵電流來加以調整。依據本發明之範例 本紙張级適用中國国家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公度） (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁)

Λ454 9 Ο Α7 _Β7_i.__ 五、發明説明（L ) 的實施例，此兩個線圈110,112係由一個鋼軛（steel yoke)120所支撐。線圈丨10，112係縱向繞線沿著鋼軛120 之內部、大致是平坦的表面S延伸。鋼軛120沿著離子束 路徑延伸一距離D(圖1)，因而多股線的線圈110之每股線 ，例如，也沿著離子束路徑延伸此距離D 〇 線圈、110,112之繞線係使得線圈所載的電流行進於一 方向大致平行於一入口軌道，該軌道爲當離子離開離子源 12進入偏轉器15時離子所依循著。線圈係沿著.平面的軛 表面S做前後繞線，因此電流在離子束之相對邊上係以反 方向流動。在圖2之說明中，該線圈110之上方部份110a 具有載電流之股線流入圖式之平面，並且線圈110之下方 部份110b具有載電流之股線流出圖式之平面。 當藉由一構成控制系統50之一部份的電壓源來加以激 勵時，在兩個線圈110,112中之電流係在由離子束所佔有 的區域內產生相互正交的雙極磁場Bx，By(圖2)。所產生的 磁場Br是此二磁場Bx，By之向量和。帶電的粒子(如同通 過磁場的離子束中之一離子)將會感受到一個與磁場成直角 的力，該帶電粒子係行經該磁場。此力量強度係與磁場強 度成正比。於圖2中之向量Vd係說明一離子束偏轉方向 是依據產生磁場Br的線圈激勵而定。 藉由線圈激勵之調整，控制系統50之電壓源係調整離 子束的偏轉方向。該所產生的磁場是兩個彼此垂直朝向之 大致爲雙極磁場之向量和。由這兩個大致垂直的雙極磁場 之向量和所產生之磁場向量Br之指向係藉由適當協調控制 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 454 9 0 A7 _：_B7_ 五、發明説明（7 ) 之線圈激勵，來沿著一連續變化之弧形做前後掃瞄。磁場 向量之掃描於是產生隨時間改變的偏轉方向。此產生相對 於離子束14之最初軌道散開一固定角度之發散離子束 (diverging beam)。藉由改變磁場方向之受控制的線圈激勵 '係使得離子束依循多種不同路徑中之一路徑，該等路徑 均與一部份的圓錐體一致。離子在該圓錐體的頂端開始其 偏轉，且依照磁場而朝向準直磁鐵移動。 離子束偏轉器15之一變化實施例被描繪在圖3中。在 此實施例中，一個大致爲圓柱形的鋼軛150支撐著二線圈 160,170。此二線圈160，170沿著離子束路徑延伸，以在由 圓柱形鋼軛150所界定的區域內建立雙極磁場。如圖2的 實施例之例子，該線圏沿著離子束路徑延伸，且載著電流 進入圖3所描繪之平面(線圈160a)以及出自描繪之平面(線 圈 160b)。 圖3所描繪之線圈結構係提供線圈160,170中之電流 密度，其係在離子束Η所佔有的中心區域產生一個受控制 的磁場。考慮到使電流進入圖3描述之平面的線圈170之 一小區段》此區段偏離該線圈170之一頂端或末端一個角 度量4。通過此區段的電流係產生磁場成分Bx = (dl)sir^以 及By = (dl)cos^，該DI是在d彡區域內通過線圈170之一小 區段的增量電流。在離子束14的區域內之鋼軛中心內的 磁場可依這兩個線圏160,170所載的電流之改變來加以調 整。 當離子束14離開磁性偏轉器15時，此離子束是依循 9 . '._ 一 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） {請先閲讀背面之注$項再填寫本頁)

4454 9 Ο Α7 __Β7 _ 五、發明説明（t) 眾多可能的發散離子束路徑中之一路徑。離子束14在任何 瞬間離開偏轉器15.時所依循的路徑都藉由控制電子電路 50所指定，並且當離子束通過磁性偏轉器15時，該路徑 爲依據線圈激勵所建立之磁場而定。由於當離子束14離開 磁性偏轉器時，該離子束14依循一組發散的離子束路徑， 假如沒有藉由準直磁鐵16之額外偏轉而允許離子束撞擊一 半導體晶圓，它必定以很多不同角度去撞擊在其路徑上之 一晶圓(假設晶圓具有大致平坦的表面）。 圖5係槪要描述一工件，諸如一矽晶圓13以及離子束 14所依循之穿越該晶圓13的平坦表面之一條所要的掃瞄 路徑182。藉由如箭頭183所示地上下移動晶片13，晶圓 的不同部位係移動穿過該掃瞄路徑182,以使得面對離子 束14的晶圓之整個表面被處理。在如下之談論，離子束與 晶圓間之撞擊角度係藉由離子束之再導向或是藉由磁鐵16 所提供之聚焦而被固定。一但控制系統50已經完成一項植 入，機械手臂（未顯示）係從植入室移開一已處理之晶圓， 同時插入隨後之下一晶圓做離子束處理。安置於磁性偏轉 器15與植入室18之間的準直磁鐵16係從原本抽取出的軌 道接收藉由磁性偏轉器15所偏轉的離子束。準直磁鐵16 更進一步偏轉此離子束直到總偏轉角度爲180度爲止，因 此與原本抽取出的軌道相平行。離子束撞擊於目標平面之 角度因而是固定的、與旋轉掃瞄位置無關。在離子束傳輸 之有用的區域裡，線圈〗86,188以及磁鐵之鋼軛結構(未顯 示)是對稱於原本抽取出之軸。線圈電流流入包含原本之抽 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) Α4規格（210X297公嫠） (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) :裝- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 £i4 5^ 9 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7__；_ 五、發明説明（γ ) 取出軸或對稱軸之平面，其產生穿過所有旋轉掃瞄位置之 垂直於離子束軌道的中間平面之磁場。在每一旋轉掃瞄位 置中，離子束係沿著一不同之中間平面傳播，原本之抽取 出軸或是對稱軸對所有這些平面而言是同一的。一弧形縫 隙17係插置於準直器出口處與工件之間，以截取可能從離 子源抽取出之不需要的物質。（穿越磁場的軌道係依粒子的 動量而定）。 插置於磁性偏轉器15與植入室18之間的磁鐵16係接 收該偏轉後、發散的離子束，並且進一步將該離子束偏轉 ，以使得磁性偏轉器所產生之發散的離子束依循1平行’的 路徑，使離子在受控制之均勻角度下、在沿著掃瞄路徑 182之所有掃瞄點上撞擊在離子植入室18內之矽晶圓13 。磁鐵16係包含由鋼所建構之第一與第二弧形延伸的鋼軛 區段184a，184b。區段184a,184b係支撐一對線圈186，188， 該等線圈被激勵以再導引該均勻掃瞄的離子束14穿過磁鐵 16沿著一行進路徑，使得藉由偏轉器：15偏轉經過發散路 徑之離子束離開磁鐵16且沿著大致平行的路徑移動。當再 導引時，離子束中之離子在一控制的角度下撞擊工件，該 角度在如圖5所示之橫過離子束弧形182之區域上是均勻· 地。 從離子源至植入站之離子束路線是藉由真空幫浦來加 以真空化。雖然在圖式中未標示，但可有一個離子束中和 器(neutralizer)被插置在磁鐵與晶圓13之間，用以引導電子 進入該離子束以避免當離子在植入室18裡做植入時，潛在 II 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ297公釐） ' (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂 d ϋ Ζ154 9 Ο Α7 Β7 五、發明説明（/4 之損害電荷會累積在晶圓上/ 藉由一傳動裝置194使一結合至晶圓支撐裝置190的 馬達192係提供晶圓支撐裝置190做上下掃描之動作。末 端站16是可沿著一軸樞轉，該軸係大致垂直於離子束路徑 ’如此晶圓之目標平面是对調整的。以此種方式，離子植 入角度是可從90度的植入上做輕微修改◊ 雖然本發明已經以相當特定的方式加以敘述，但本發 明之意圖係包含所有落入所請的申請專利範圍之精神或範 疇中的修改以及變化。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 合 作 社 印 製 12 本紙張尺度適用中国國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 4454 9 0 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1. —種界定從離子源至植入室的一條離子束路徑之裝 置，其中一離子植入器(10)係具有一用於射出離子之離子 源(12)以及一與該離子源隔開裝設之植入室（18)，該裝置係 包含有： a) 離子束掃描（15)之結_，其係位於沿著在離子源與植 入室之間的離子束路徑，用以偏轉離子一個偏轉量、在相 對於一進入軌道之受控制的掃瞄角度下，該軌道爲離子束 (H)進入該離子束掃描結構時所依循的軌道，該離子束掃 描結構包含有：’ 一支撐體（120)，其係由鐵磁性材料所構成，且相關該 離子束路徑之一部份而加以裝設，且沿著該離子束路徑之 —部份延伸；以及 一或多個之載電流線圈（110，112)，其係由該支撐體 (120)所支撐，用於產生一橫過電流流經該些載電流線圈之 方向的偏轉磁場，其係在由該支撐體所界定之一偏轉區域 裡截取該離子束；以及 b) —控制器(50)，其係電氣性地耦合到該一或多個載電 流線圈，其係可控制地來激勵該等載電流線圈，以產生一 磁場將離子束沿著該受控制之掃描角度做掃描，以截取不' 同部位之工件處理區。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該支撐體係界 定出一個面對內側之內部表面，並且其中該一或多個載電 流線圈係沿著該支撐體之面對內側的內部表面延伸。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其另外包含有一離 (請先s讀背面之注意事項再填寫本瓦) •-D-

   本蛑浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4 Λ 5 ^ 9 Ο as Β8 _S____ 六、申請專利範圍 子束再偏轉器（16)，其位於離子束（14)掃描結構之離子束路 徑的下游處，用於控制在離子束與工件之間的撞擊角度。 4. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該離子束再偏 轉器係建立一靜態磁場用於偏轉發散的離子，該些離子係 藉由該控制器(50)所控制之一時變線圏激勵的方式來加以 掃描。 5. —種工件(13)之離子束處理之裝置，其係包含有： a) —個沿著一受控制的最初軌道放射離子之離子源(12) ，其係用於工件（13)之離子處理； b) 界定一與該離子源隔開而裝設的處置室之結構，並 且該結構係包含一工件支撐體（190)用以定位藉由從離子源 (12)離開之離子處理之工件； c) 離子束掃描結構(15)，其係設置於沿著在該離子源與 植入室之間的離子束路徑，用以在相對於一進入軌道下， 偏轉離子一個偏轉量，該軌道爲離子束（14)進入該離子束 掃描結構時所依循的軌道，該離子束掃描結構包含有： i) 一支撐體（120)，其係由鐵磁性材料所構成，且相關 該離子束路徑之一部份而加以裝設，且沿著該離子束路徑 之一部份延伸；以及 ii) 一或多個之載電流線圈（110，112)，其係由支撐體所 支撐，用於產生一在由該支撐體所界定之一偏轉區域裡截 取該離子束之偏轉磁場；以及 d) —控制器(50)，其係電氣性地親合到該一或多個載電 流線圈（110，112)，其係可控制地激勵該等載電流線圏，以 2 ϋ張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X2?7公釐） --------1^—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -9· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4454 9 〇 as C8 D8 六、申請專利範圍 產生一磁場將該離子束（Μ)在受控制之掃描角度下做掃描 ，但在不同方向上截取一工件處理區之不同部位。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其另外包含有一機 構(192)以沿著一受控制的往返路徑下，移動該工件支撐體 (190)，以使得該些離子處理一整個工件表面。 7. 如申請專利範圍第5項之裝置，其另外包含有一離 子束再偏轉器(16)，用於接收來自於該離子束掃描結構(15) 之依循發散路徑的離子，以將該些離子在撞擊工件之前做 偏轉來依循大致彼此平行的受控制之路徑。 8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該離子束再偏 轉器（16)係建立有一靜態磁場。 9. 一種工件（13)之離子束處理之方法，其係包含步驟有 a) 自一離子源(12)射出離子，並且加速該些離子從該離 子源離開以形成一離子束(H):以及. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 b) 建立一磁場用於截取從該離子源離開之離子束內的 離子，以選擇性地來偏轉構成該離子束的離子、在大致圓 形的掃描動作中偏離最初的軌道，其係藉由步驟丨)沿著該 支撐體（120)的內部表面(S)放置第一與第二載電流線圈（110 ，112)並且ii)以調諧的方式選擇性地激勵該第一與第二載 電流線圈，以一種時變的方式偏轉該離子束偏離該最初的 軌道一個受控制的量，以使得該離子束掃過一個弧形路徑 〇 10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該離子束（14) ___；_3_；_ 反張尺度逋用中國國家梯準（CNS > A4規格（210X297公釐） 4454 9 0 as C8 D8 六、申請專利範圍 (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在其被掃過一弧形路徑之後，係被再導引以使得離子在一 受控制的角度下撞擊該工件。 11. 一種用於可控制地處理一工件（13)之離子束植入系 統，其係包含有： a) 用於提供離子以處理該工件（13)之離子源機構（12) » b) 用以指引該工件在相對於該離子源機構之一目標平 面上之工件支撐機構(190); c) 用以使得藉由該離子源機構所放射出之離子形成一 在第一軌道上移動之離子束的離子束形成機構； d) —個用於偏轉該離子束內的離子，以一受控制的偏 轉角度偏離該第一軌道之電磁鐵（15)，該角度在工件處理 中並沒有改變： e) 耦合至電磁鐵之控制機構，用以施加控制電壓來激 勵該電磁鐵，以使得該離子束在一弧形路徑（182)上掃瞄， 同時維持著相對於該第一軌道之受控制的偏轉角度； 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 f) 一下游離子束偏轉器(16)，其係用於將藉由該電磁鐵 偏轉的離子束再偏轉至該目標平面；以及 g) 掃瞄機構（192)，其係用於移動該工件支撐機構（190) ，並且藉以使該離子束在工件表面之受控制的區域上撞擊 該工件（13)。 本紙張尺度適用中國國家揉率（CNS ) A4規格（210X297公釐）