TW546712B - Ion source filament and method - Google Patents

Description

A7 546712 _________B7___ 五、發明說明（/ ) [相關申請案之交互參考] 本發明係聲明美國臨時專利申請案第60/281，070號之 優先權，其於2001年四月三日申請，標題爲“於離子源絲 線中增強氦離子產生之方法”，以及美國臨時專利申請案 第60/281，069號，於2001年四月三日申請，其標題爲“ 多電荷絲線”，該些文件之內容係於此倂入作爲參考。 [發明之領域] 一般言之，本發明係關於離子佈植，特別言之，則本 發明係關於離子源絲線及其方法與裝置。 [發明背景] 離子佈植乃將摻雜物質引入半導體材料中之傳統方法 。電弧放電可在離子源的電弧室中產生，以使吾人所期望 的摻雜氣體離子化。離子可自離子源中抽出以形成選定能 量的離子束，離子束可被導向至半導體晶圓表面。離子束 中的離子滲透入半導體晶圓中而形成一佈植區。 離子源的某些形式包括置於電弧室之內的電氣電阻絲 :線。爲了產生電弧放電現象，在將電壓施加於絲線及正電 極之間時使電流通過絲線。適當的絲線可由鎢或鉅所製成 。一種被稱爲伯納斯型的絲線在其尖端部位包括一線圏。 也已知其他的絲線種類與設計。 吾人期望在特定的離子佈植過程中增加諸如多電荷離 子族之類的離子族產生效率。增加離子化效率，例如，可 使離子束產生之時也增加束電流。增加離子化效率的技術 包括增加通過絲線的電流或增加所施加的電壓以提供更多 ___3___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂----------線丨 A7 546712 —------—--- —_— — 五、發明說明（I ) 電弧功率。無論如何，此種技術一般將減短絲線的工作壽 命並因而犧牲離子佈植機的效能且增加成本。 1 [發明槪要] 本發明係關於離子源絲線及其方法與裝置。 一方面，本發明提供一離子源。該離子源包括一電弧 室，以及一絲線，絲線中至少一部份位於電弧室內。絲線 包括一對與非線圏狀尖端部份相結合的臂構件（ member)，其尖端部份爲V-型或u-型。 另一方面，本發明提供在離子源中使用絲線的方法。 本方法包括使用第一絲線，其包括一主動部份，具有第〜 主動表面積，在第一源工作條件下以第一效率產生源氣體 離子。該方法包括以第二源絲線取代第一源絲線。第二源 絲線包括一主動部份，其具有小於第一主動表面積的第二 主動表面積。該方法尙包括在第一源工作條件下使用該第 二源絲線，以在高於第一效率的第二效率下產生源氣體離 子。 :其他方面、特性以及優點可因下列詳細說明、附圖及 其相關之申請專利範圍而更爲明瞭。 [圖式簡單說明] 圖1以圖例示意地說明可用於結合本發明之實施例的 離子佈_統。 圖1¾圖例示意地說明含有傳統絲線之離子源。 “5 Μ 圖圖例示意地說明含有如本發明之一實施例所用 絲線之H舍源。 --------—_4_ ____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

A7 546712 _____ B7 _ 五、發明說明（彡） 圖3係爲根據本發明之一實施例所用絲線之側視圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖4係圖3所述絲線之俯視圖。 圖5係比較傳統絲線以及範例1所述之發明所用絲線 二者在許多電弧電壓下的〆+束電流。 圖6係比較傳統絲線以及範例1所述之發明所用絲線 二者在許多電弧電壓下的〆++束電流。 圖7係比較傳統絲線以及範例2所述之發明所用絲線 二者在許多電弧電流下的P++束電流。 [元件符號說明] •線' 10〜傳統離子佈植系統；12〜離子源；14〜源氣體供 應器；16〜電弧室；18〜離子束；20〜半導體晶圓；22〜 質量分析磁鐵；26〜質量分解裂縫組；28〜加速器；29〜 終站；3〇〜電弧室；32a、3沘〜絲線；3乜、34b〜尖端部 份；36a、36b〜主動部份；42〜絲線；44、46〜臂構件； 48〜尖端部份 [本發明之詳細說明] 本發明提供離子源絲線及其方法與裝置。離子源絲線 在設計上與傳統源絲線相比具有較小表面積，電子可由該 表面射出(亦即，主動部份）。適當的設計包括具有型或 V-型主動部份的絲線’而非如某些傳統源絲線一般具有線 圏狀主動部份。如下文所將進一步討論者，本發明之源絲 線可增加離子產生效率以及，特別是，多電荷離子族的產 生。其所增加的離子產生效率可使具有適用於佈植的較低 束電流的離子束得以形成。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 546712 _ - __B7_ 五、發明說明（< ) 圖1所示爲典型的離子佈植系統10的方塊圖。該系統 的離子源12包括連接至電弧室16的源氣體供應器14。如 下文所將進一步討論者，在電弧室中所產生的電弧放電係 經由將一電流通過一絲線並將一電壓施加於絲線上所形成 。電弧放電包括使源氣體分子產生離子。離子可由離子源 抽出而形成離子束18,並沿著束路徑而被導向至目的地， 例如半導體晶圓20。 離子束18被質量分析磁鐵22所偏向並聚焦。在質量 分析磁鐵的22下流位置，離子束可被聚焦在質量分解裂縫 組26的平面上。離子束18由加速器28加速至期望能量並 照射在終站29內的晶圓20上。在離子源12與晶圓20之 間的全部區域在離子佈植期間被淸空。 離子束18可採用機械式掃描晶圓（相關於離子束）、 掃描離子束（相關於晶圓）、或者結合這些技術的方式將 之分散在晶圓20的表面上。晶圓在離子佈植期間可被，例 如，安裝在一旋轉盤上。終站29可包括一系統，用於自動 將半導體晶圓載入一或多個晶圓位置以備佈植之用，並在 離子佈植之後將晶圓移出晶圓位置。離子佈植系統可包括 其他未顯示在圖中但卻廣爲習知本技術者所知曉的元件， 例如樂劑測里系統（dose measuring system)，電子氾流系 統（electron flood system)，以及偏斜角監視系統（tilt angle monitoring)，...，等。 圖2A顯示一離子源的電弧室3〇 ,離子源包括一採用 傳統設計的絲線32a。在此說明實施例中，絲線32a包括 尺度剌中13 @家標準（CNS)A4規格（210 X 297<公爱)' ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 546712 ____B7___ 五、發明說明（f ) 一線圏狀尖端部份34。圖2B顯示一離子源的電弧室30 , 離子源採用本發明所述之絲線32b。絲線32b包括一非線 圏狀V-形尖端部份。相對於絲線32a、32b的主動部份36a 、36b延伸入電弧室中一距離A。此處所用的“主動部份 ”一詞係代表絲線位於電弧室內的部份。主動部份36a與 36b具有相似的直徑，然而主動部份36b的總長度小於主 動部份36a的長度。因此，主動部份36b的表面積便小於 主動部份36a的表面積。如下文所將進一步說明者，較小 的主動表面積可使本發明的絲線（例如，3 2b )以大於傳統 絲線（例如，32a)的速率產生離子。 由以上說明也可瞭解到，本發明所設計的絲線所包含 的表面積也可小於未採用線圈狀尖端部份的傳統絲線的設 計。 在使用時，由供應器14 (圖1)所得的氣體分子透過 埠38被送入電弧室中。通過絲線32a (32b，圖2b)的電 流將使主動部份36a ( 36b，圖2B)的溫度上升，並自其 表面射出電子。一電壓（亦即，電弧電壓），例如大約在 3〇伏特至150伏特之間，被施加在絲線以及例如電弧室壁 之正電極之間。由絲線所射出的電子與氣體分子相撞而產 生包括源氣體離子的電弧放電。也可在垂直於電場的方向 施加一磁場，以便增加裝置內的電子路徑並增加與電弧室 內氣體分子相撞的機率。如上所述，源氣體離子可被抽出 而形成離子束18 (圖.1)。 吾人相信主動部份36b較諸主動部份36a具有較小的 -----—__2__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) ' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 546712 一 —___^Β7___ 五、發明說明（& ) 表面積可使主動部份36b在相同的工作情況下（亦即，絲 線電流、電弧電壓，等）被加熱到較主動部份36a爲高的 溫度。較高的溫度可使較高能量的電子由主動部份36b射 出。較高的電子能量可增加使氣體分子離子化的碰撞頻率 。因此，與相同條件下的絲線32a相比之下，使用絲線 32b便可達成較大的離子化效率。 再者，吾人也相信，由於主動部份36b較主動部份 36a具有較小的表面積，因此由主動部份36b所射出的電 子便可侷限在小於由主動部份36a所射出的電子所在的較 小區域內。因此，與環繞在主動部份36a四周的區域相比 ，主動部份36b四周的區域所包含的電子密度便可因而增 加。其所增加的電子密度增加了該區域中源氣體分子可被 多離子化的機率，例如，透過其與一或多個電子彼此之間 的高能碰撞。吾人亦相信此可增加絲線32b的離子化效率 ，與相同作業條件下的絲線相比，特別是，對於多電荷離 子的產生而言。 使用本發明的絲線所可達成的較大離子化效率通常可 在不犧牲絲線壽命的情況下得到。這在增加離子化效率方 面相對於某些傳統技術而言是一項優點，此種傳統技術通 常包括以增加電弧電流與/或電弧電壓的方式增加電弧功率 ，二者皆將減短絲線壽命。

本發明的絲線尺寸部份係根據其所應用的系統與程序 而定。一般皆期望絲線具有相似的橫截面積並使絲線延伸 進入電弧室內與傳統絲線相同的距離（例如，圖1中的A ___________ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 546712 __B7__ 五、發明說明（7) )。這可增加本發明的絲線與現有的離子佈植系統之間的 相容性並可促成傳統絲線由本發明的絲線所取代。如上所 述’本發明的絲線之主動部份長度較傳統絲線之主動部份 •爲短。在某些實施例中，本發明的絲線（例如，32b)的主 動部份長度介於傳統絲線（例如，32a)主動部份長度的大 約50%至80%之間。在另一些實施例中，本發明的絲線的 主動部份長度介於傳統絲線主動部份長度的大約60%至 70%之間。例如，本發明中主動部份長度大約爲1.3英吋 的絲線可被用於取代長度大約爲2.0英吋、且包含線圏狀 尖端部份的傳統絲線。 無論如何，應瞭解的是，在某些實施例中，本發明的 絲線長度可與傳統絲線相等。在這些實施例中，本發明的 絲線所含有的較小主動表面積可爲較小橫截面積之結果。 圖3與4進一步說明根據本發明之一實施例所述絲線 42的設計。如圖中所示，絲線42包括實質平行的臂構件 44、46，二者由V-形尖端部份48連接在一起。在其他實 施例中，尖端部份可爲U-形且/或可定義一;曲線的半徑。 在其他實施例中，尖端部份可有其他形狀。臂構件也可能 並不平行。 在圖3與4的實施例中，臂構件44、46定義第一平 面B，其與由尖端部份48所定義的平面C交叉而形成角度 D。此種設計可容易地將尖端部份48放置於電弧室的氣體 入口附近，在許多情況下’這是較佳的狀況。由於尖端部 份48 —般皆爲絲線中的最熱部份，因此將尖端部份放置在 ______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公屋） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

訂： -丨線· A7 546712 _ B7_____ 五、發明說明（？） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 氣體入口埠附近可增加此區域中射出的電子密度，並因而 增加離子化效率。 也應瞭解，在本發明的某些實施例中，臂構件44、46 以及尖端部份48可位於同一平面。 本發明所使用的絲線可由鎢、鉅或本項技術所習知的 其他適當材料所製成。 本發明的絲線可用於任何適當的離子佈植系統中。該 絲線可增強各種源氣體的離子化效率。然而，該絲線特別 適用於增加諸如氦之類具有高離子化潛能的源氣體所產生 的離子，或者用於增加多電荷離子族的產生。特別是， He++產生的效率可因使用本發明的絲線而增加。在某些實 施例中，可使用混合氣體並在電弧室中離子化。例如，在 某些實施例中，吾人可能期望在電弧室中提供氦氣體/第二 氣體混合以進一步增加氦的離子化潛能。適當的氨混合物 以及程序已於，例如，下列專利中有所說明：申請中之美 國專利申請案，尙未編號，標題爲“氦離子產生方法與裝 置”，於2002年4月3日申請，該項發明之揭示係於此倂 入作爲參考。 本發明將以下列範例作進一步說明，本質上，其僅係 用於說明，而非用於限制本發明之範圍。 [範例1] 本範例說明如何使用本發明的絲線以離子源產生包含 多電荷式氦離子的離子束，本範例所述絲線的主動表面積 小於傳統絲線的主動表面積。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 546712 五、發明說明（，） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 型號爲EHPi-500的中型電流離子佈植機，由微瑞安半 導體設備股份有限公司（VESA)(格洛斯特MA，美國） 所生產，其被調整爲包含250伏特電壓以及4安培電流的 電弧電源，並允許大約3倍於該項商業機器組態所允許的 大約10陶爾(Τοιτ)的最大氣壓。該佈植機也被調整以允許 50安培的源磁場電流並允許最大爲25毫安培（mA)的抽 取電流（extraction current) 〇 使用在佈植機的絲線主動部份延伸入電弧室內的直徑 以及距離與傳統包含線圏狀尖端部份的伯納斯型絲線（此 種離子佈植機一般皆使用此種絲線）相同。所用絲線的主 動部份之總長度大約爲1.3英吋（3.3公分），小於傳統絲 線的2.0英吋（5.1公分）。 本範例使用氦作爲源氣體。離子源的作業條件爲：大 約240伏特的電弧電壓，大約4.3安培的電弧電流，大約 25陶爾(Torr)的源壓力以及大約15毫安培的抽取電流。在 這些作業條件下，可測量到大約47微安培的He++設立束 電流（set-up beam current)。設立微電流在目標晶圓處將 轉換爲大約40微安培的He++電流。 表1顯示其他作業條件以及量到的與設立束 電流。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 546712 B7 五、發明說明（Θ ) 表1 電弧電壓 240伏特 電弧電流 —5.65 安培 抽取電壓 __7〇千伏特 設立（另 艮）電流 氦氣體壓力（陶爾） (微安培） He+ (毫安培） 7.5 49 6.8 8 63.1 7.7 * 8.5 70.6 8.2 9 75.6 8.3 [範例2] (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

訂-· 本項範例說明使用本發明所述、與傳統絲線相比具有 較低主動表面積的絲線所可增加的束電流，以及因此所增 加的離子化效率。 -•線_ 使用範例1所述的離子佈植機。使用磷氣體源。在一 組試驗中使用傳統絲線（2.0英吋的主動部份）。另一組試 驗則使用降低表面積絲線（L3英吋的主動部份）。傳統絲 線以及降低表面積絲線具有相同的直徑且延伸進電弧室內 的距離相同。 此二絲線的作業條件皆爲大約3.85陶爾的氣壓以及大 約4安培的電弧電流。在這二組試驗中，電弧電壓由大約 2〇伏特增加到150伏特。每增加10伏特便測量一次P++離 子束電流以及P+++離子束電流。圖5比較使用傳統絲線所 得的P++離子束電流以及使用降低表面積絲線所得的P++離 子束電流二者之間的差異。圖6比較使用傳統絲線所得的 P+++離子束電流以及使用降低表面積絲線所得的p+++離子 -— _19 ---------------- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） A7 546712 ____B7 五、發明說明（/丨） 束電流。如圖5與6所示，使用降低表面積絲線所得的P++ 離子束電流以及P+++離子束電流皆大於使用傳統絲線所得 的P++離子束電流以及P+++離子束電流。這可由使用降低表 面積絲線所增加的磷離子之離子化程度而看出。 額外的試驗組所使用的絲線其作業條件皆爲大約3.85 陶爾的氣壓以及大約120安培的電弧電流。在此二個試驗 組中，電弧電流由大約0安培增加到大約4.5安培。每增 加0.5安培便測量一次P+++離子束電流。圖7比較使用傳 統絲線所得的P+++離子束電流以及使用降低表面積絲線所 得的P+++離子束電流二者之間的差異。如圖7所示，使用 降低表面積絲線所得的P+++離子束電流大於使用傳統絲線 所得的P+++離子束電流。這可由使用降低表面積絲線所增 加的磷離子之離子化程度而看出。 · 以上說明以及範例係用於說明性的而非窮舉的。前述 說明可啓發熟習本項技術者許多變化及替代方式。所有這 些替代方式與變化皆包含在後附之申請專利範圍內。熟習 本項技術者可瞭解其他與本文件所述之實施例均等之等效 物也包括在申請專利範圍之內。再者，下列申請專利範圍 獨立項所示之特別特性彼此可在本發明之範圍內以其他形 式互相組合，因此本發明也可被指向任何具有下列申請專 利範圍附屬項之特性任何其他可能組合的實施例。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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Claims (1)

1. 546712 as B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種離子源，包含： 一電弧室；以及 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 一絲線，其中至少一部份位於電弧室中，絲線包含一 對臂構件，由非線圈狀尖端部份將之連接在一起，其中尖 端部份爲V-形或U-形。 2. 如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中該臂構 件係大致互相平行。 3. 如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中該臂構 件定義了第一平面，而尖端部份則定義了第二平面，其係 與第一平面以一銳角相交。 4. 如申請專利範圍第1項所述之離子源,，其中該絲線 係由鎢或鉬所製成。 5. 如申請專利範圍第1項所述之離子源，進一步包含 \ 形成於電弧室之內的源氣體入口埠。 - 6.如申請專利範圍第5項所述之離子源，其中尖端部 份爲絲線最接近源氣體入口埠的部份。 7. 如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中絲線之 主動部份延伸至電弧室內。 8. 如申請專利範圍第1項所述之離子源，進一步包含 一源氣體供應器。 9. 如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中該源氣 體爲氦。 10. 如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中該源氣 體爲氨與一個第二種氣體的混合物。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格(210 X 297公釐) 546712 種 D8 六、申請專利範圍 11. 一種操作源離子絲線之方法，包含： 在第一源操作條件下，使用具有第一主動表面積之主 動部份的一個第一絲線，以便在第一效率下產生源氣體離 子； 以一個第二源絲線取代第一源絲線，第二源絲線包含 * 主動部份，該第二主動表面積小於第一主動表面積；以 及 在第一源操作條件下，使用該第二絲線在大於第一效 率的第二效率下產生源氣體離子。 12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中第二源 絲線主動部份的總長度小於第一源絲線主動部份的總長度 0 〜 13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中第二源 絲線的主動部份介於第一源絲線主軌部份總長度的大約 50%與大約80%之間。 14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中第二源 絲線的主動部份介於第一源絲線主動部份總長度的大約 60%與大約70%之間。_ 15. 如申if專利範圍第11項所述之方法，其中第二源 絲線主動部份的橫截面積等於第一源絲線主動部份的橫截 面積。 〜 / 16.如申請專利範圍第11項所述之方法，其中第二源 絲線主動部份的總芦度等於第一源絲線主動部份的總長度 ，且第二源絲線主動部份的橫截面積小於第一源絲線主動 ___J2____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 訂： 線 546712 驾 D8 六、申請專利範圍 部份的橫截面積。 17. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中第二源 絲線包括一對臂構件，由非線圏狀尖端部份連接在一起。 18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該非線 圈狀尖端部份爲V-形或U-形。 19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該臂構 件定義了第一平面，且尖端部份定義了第二平面，二者以 一銳角相交。 20. 如申請專利範圍第11項所$之方法％其中該第一 源絲線包括一線圏狀尖端部份。 21. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中所產生 的氣體離子爲多電荷離子。 22. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中所產生 的源氣體離子爲氦離子。 23. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該源氣 體包括氦。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)