TWI404104B

TWI404104B - 離子植入器之離子束角度調整

Info

Publication number: TWI404104B
Application number: TW096120059A
Authority: TW
Inventors: Bo Vanderberg; xiang-yang Wu
Original assignee: Axcelis Tech Inc
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2013-08-01
Also published as: JP5560036B2; KR101407692B1; US20080067442A1; EP2030219A2; CN101490791B; KR20090019006A; JP2009540528A; US7696494B2; WO2007145849A2; CN101490791A; WO2007145849A3; TW200818231A

Description

離子植入器之離子束角度調整

本發明係大致有關於離子植入系統，具體言之，本發明係關於調整離子植入器中之離子束角度。

離子植入系統係用於在積體電路製造過程中，將雜質摻入半導體基板內的機制。在此種系統中，摻雜材料被離子化，並由此產生離子束。離子束被導引到半導體晶圓或工件的表面而將離子植入晶圓中。離子束的離子穿過晶圓表面並在該處產生期望導電性的區域，例如在電晶體製造過程中便是如此。典型的離子植入器包括一用於產生離子束的離子源、一包含一用於導引與/或過濾(例如，質量解析)之質量分析裝置的束線組件，以及一包含一或多個晶圓或工件的目標室。

離子植入器具有優勢，因為在工件中，不論是雜質的量或位置都可以精確地達到要求。特別是，離子植入器可以改變被植入離子的劑量與能量以便適應不同應用的要求。離子劑量控制了被植入離子的濃度：在高劑量植入中，一般使用高電流植入器；而在較低劑量應用中，則使用中等電流植入器。離子能量被用於控制，例如，半導體裝置的接面深度，其能量決定了，例如，離子被植入工件中的深度。

可瞭解的是，假設在電子工業中可以使電子元件尺寸降低以產生較小、但功能卻較強的裝置(例如，行動電話、數位相機、等)，則這些裝置所採用的半導體與積體電路(例如，電晶體)在尺寸上也將持續降低。將更多這類元件“包入”單一半導體基板或基板的部份(即一般所認知的晶粒)中的能力也改善了製造效能與良率。吾人可瞭解到，控制離子植入在成功增加封裝密度方面扮演了重要的角色。例如，離子束相對於工件的機械表面與/或晶格結構之間所可容忍的方向(例如，角度)誤差便可能較小。因此，便期望有可以對離子植入產生更佳控制的機制與技術。

以下將對本發明提出簡單概要以便對本發明的許多方面提供基本的瞭解。本概要並非本發明廣泛的概觀。其也非打算用來指出本發明的關鍵或重要元件，也非定出本發明的範圍。其主要目的僅僅在於以一種簡化方式呈現本發明一或多項觀念，以便作為稍後所將呈現的更詳細說明的前言。

在離子植入系統中包含一導引元件的目的是為了將離子束導引到植入系統之掃描元件的掃描頂點。運用此種方式可以使掃描元件的掃描頂點與一位於掃描元件下游之平行化元件的焦點重合。這可使離子束自平行化元件中以期望角度射出以便可以用期望方式將離子植入位於平行化元件下游的工件中。

為了達成前述及相關目的，以下說明及附圖將詳細解釋特定的舉例觀點與實施方式。這些說明與附圖指出本發明所可採用的一或多個方面的不同方式中之一些方式。本發明的其它方面、優點與新奇特性將可由以下參照附圖對本發明所作的詳細說明中看出。

本發明之一或多個方面將參照附圖加以說明，全文中大致以相同參考數字代表相同元件，且其中不同結構並不一定依等比例繪製。在以下說明中，為了解釋起見，有許多具體細節被闡述以便得以對本發明之一或多個方面有透徹的了解。但是，對於熟知本技藝者而言，明顯的是，本發明的一或多個方面可以無須與這些細節完全相同來加以實施。在其他實例中，有一些眾所周知的結構或元件以方塊表示以便得以更容易說明本發明之一或多個方面。

上文已略有提及，在半導體製程中，半導體晶圓或工件被植入帶電粒子或離子。離子因其正或負的淨電荷之故而顯示出期望的電氣特性。當利用於半導體製程中，此種離子化材料被稱為摻雜物，因為它們“摻入”或改變它們被植入的基體或其他層的電氣特性，而使這些層具有期望的與預期的電氣行為。

基層或基板一般都由晶體狀的矽所組成。當材料的原子在三度空間中以規則方式(通常被稱為晶格)安排時，則被稱為具有晶體結構。舉例言之，圖1所示係一部份的一般性格狀結構100，其具有大致立方體結構。特別是，在所示範例中，格狀結構100有27個(例如，3乘3乘3)形狀為立方體的晶胞102。結晶的格狀結構存在於平面110內，而這些平面110在所示範例中彼此平行(例如，在x、y與z方向上)。然而，應瞭解的是，格狀結構可以是數種不同配置的其中任一種，且可以是具有數種不同形狀(例如，鑽石形、金字塔形或六角形)的任意數量晶胞。

在半導體製作過程中利用的矽基層也被稱為晶圓或基板，至少一部份是如此，因為它們是由整塊矽晶所切割下來的。特別是，特定種類的單矽晶體(被稱為梨晶(boules))被生成長條狀且被切割為薄片(例如，晶圓)。此種晶圓一般都以密勒指標資料標示，例如(100)，此係用以表示格狀結構相對於晶圓切割表面的相對方位。晶圓的晶體結構在電子元件中是有利的，因為它可以幫助控制元件的電氣特性，且整塊材料都存在有一致的電氣效能。另外，因為降低元件效能的雜質傾向於集中在材料原子結構不規則處附近，所以晶格結構的規律性便可提供比較可預測的元件特性與良率。

可瞭解的是，在半導體摻雜過程中有一項重要的參數便是離子束與半導體材料內部晶體結構間的入射角。入射角的重要性在於它(以及其它方面)在一種稱為通道效應的現象中扮演了一項重要角色。特別是，如圖1所示，如果摻雜離子束104的方向實質上平行於格狀結構的(垂直)平面110時，則離子束在穿過該處時，每單位長度所造成的能量損失便較小，因為在平面間的空間中移動的離子與晶體原子間的碰撞次數較少。因此，離子在基板中便可被植入到較深的深度。

與圖1不同的是，圖2中離子束104的角度並不實質平行於格狀結構100的(垂直)平面110。因此，在離子束104中的一些離子將可能衝擊到格狀結構的一些部份106，並改變(例如，損壞)格狀結構。當如此作時，離子可能會損失能量並減速且/或自其原始軌道散佈開來，如箭頭108所示，並停留在工件的較淺處。因此，便期望將離子束導引到相對於格狀結構的特別方位以便達到期望程度的通道效應且/或例如是摻雜的局部化。可瞭解的是，由於離子束與晶圓間的相對方位在植入過程中會有所變化，因此也期望可維持離子束與晶格結構間的相對方位。

除了離子束與晶圓格狀結構之間的方位之外，可瞭解的是，離子束相對於晶圓機械表面間的方位在控制例如是陰影效應(以及其它事情)上也很重要，其中陰影效應意謂著晶圓的特定部份可能接收到較少或甚至未接收到摻雜物的情況，因為離子束被晶圓上一或多個相鄰的特徵所阻隔。陰影效應的重要性之所以逐漸增加一般都是因為電子工業界傾向於持續降低特徵的尺寸以產生可以使用較少電能執行更多種逐漸複雜功能的更小、功能更強大的電子裝置(例如，手機、數位相機、等)所造成的。

尺寸的縮小一般都要求可以在半導體製作過程時，在晶圓之上或晶圓之內所形成的特徵彼此可以更接近，且此種特徵之間的間隙可以更窄。但是，某些這種特徵的個別高度卻無法被降低(例如，導因於光微影的限制)。由於特徵的高度一般皆為固定，且特徵之間的間隙縮小，所以陰影效應變大，使得晶圓的某些部份所摻入的雜質量將小於期望值。此種陰影效應在離子植入角度增加時(例如，為了要消除通道現象)將變得更為嚴重。

轉到圖3，舉例言之，在一部份半導體基板或晶圓300的橫截面圖中有數個特徵302、304、306、308形成於其上，而其間的間隙則分別為310、312與314。特徵302、304、306與308可以由抗蝕材料或多晶矽材料所形成，因此其高度基本上都相同。但是，某些特徵302、304、306與308之間較為接近，因此其間的對應間隙310、312、314則為不同寬度。

由間隙310、312、314曝露出來的基板300的區域320、322、324係藉由離子植入而被摻入雜質。因此，有一或多道離子束300被導向基板300以執行摻雜的動作。但是，離子束330相對於基板300之一表面340形成一角度以用於減緩例如是通道效應。因此，某些離子束330的部份便會被特徵302、304、306與308的一部份(例如，角落)所阻隔。因此，在基板區域320、322、324內的區域350、352、354所接受到的摻雜離子量較預期為少。由圖中可看出，當特徵302、304、306與308彼此間更為接近，且個別的間隙310、312、314因而更窄時，摻雜不足區域350、352、354則將佔據基板區域320、322、324的更大部份。

圖4與圖1及圖2相似，但顯示的是晶圓的機械表面112與晶圓的晶格結構因為例如是結晶切割誤差而不在同一平面的一般情況。因此，可瞭解的是，離子束與/或晶圓在植入過程中可能需要被移動以便維持晶圓的機械表面112與離子束104之間的相對方位及/或晶圓的晶格結構與離子束104之間的相對方位以便在例如是通道效應與陰影效應之間維持一種期望的平衡。

圖5顯示一種範例的離子植入系統510，其中離子束角度可依如下所述加以調整。系統510有一端點512、一束線組件514以及一末端站516。端點512包含一由高電壓電源522供給能量的離子源520，電源522產生離子束524並將之引導至束線組件514。離子源520產生一些帶電離子，其被抽離出來並形成離子束24，沿著束線組件514內的束路徑而流往末端站516。為了產生離子，一將被離子化的摻雜材料的氣體(未顯示在圖中)被置入離子源520的室521內。例如，摻雜氣體可以自氣體源(未顯示在圖中)被饋入室521內。除了電源522之外，可以瞭解的是，可以使用任何數量的適當機制(圖中皆未顯示)來激勵離子產生室521內的自由電子，例如，RF或微波激勵源、電子束注入源、電磁源等與/或在例如是在產生室內產生一電弧放電的陰極。被激勵的電子與摻雜氣體分子相撞，從而產生離子。一般而言，正離子會被產生，儘管本發明可應用到產生負離子的系統。

束線組件514有一離子束導件532、一質量分析器526、一掃描系統535以及一平行化器539。質量分析器526兩端大約轉了九十度並包含一或多個用於在其中建立一(雙極)磁場的磁鐵(未顯示在圖中)。當離子束524進入質量分析器526時，它將因而被磁場所彎曲以便使不適當電荷－質量比的離子被拒斥。更特別的是，電荷－質量比太大或太小的離子被轉向進入質量分析器526的側壁527。以此方式，質量分析器526僅允許離子束524內具有期望的電荷－質量比的離子得以自該處通過並自一解析孔534離開。可瞭解的是，離子束在系統510中與其他粒子的撞擊可能降低離子束完整性。因此，可能需要包含一或多個幫浦(未顯示在圖中)來使至少離子束導件532以及質量分析器526排空。

掃描系統535包含一掃描元件536以及一聚焦與/或導引元件538。個別的電源549、550有效地耦合到掃描元件536以及聚焦與導引元件538，尤其是耦合到位於該處的個別電極536a、536b與538a、538b。聚焦與導引元件538接收經過質量分析、具有較窄輪廓(例如，在所示系統510中的一道“鉛筆”束)的離子束524，而一由電源550供應給板538a與538b的電壓則用於使離子束聚焦並將之導引到掃描元件536的掃描頂點551上。一由電源549(理論上可以與550是相同的供應源)所供應到掃描板536a與536b的電壓波形接著在X方向(掃描方向)上來回掃描離子束524以便將離子束524往外擴展成一道細長的“帶狀”離子束(例如，掃描束524)，其有效的X方向寬度至少為相關工件的寬度或較其為寬。可瞭解的是，掃描頂點551可被定義為光學路徑上的點，而帶狀離子束的各射束或掃描部份則在被掃描元件536掃描之後如同是由該頂點產生的。掃描離子束524接著通過平行化器539，這是一聚焦點對應到掃描頂點551或聚焦點與之對齊的透鏡，其功用在將通過掃描頂點的束聚焦到無限遠處，並因而將離子束導往一般皆平行於Z方向(例如，一般皆與工件的表面相垂直)的末端站516。

可瞭解的是，雖然在圖中所示，範例的掃描元件536與聚焦及導引元件538分別僅有兩個電極536a、536b與538a、538b，但這些元件536、538卻可包含任何適當數量的電極被配置與偏壓來使離子加速及/或減速，並用於聚焦、彎曲及/或淨化離子束526，如羅斯梅爾(Rathmell)等人所申請的美國專利第6,777,696號所揭示般，其全部併於此作為參考。另外，聚焦與導引元件538可包含靜電偏轉板(例如，其中的一或多對)，以及愛因吉爾(Einzel)透鏡、四極與/或其它用於使離子束聚焦的聚焦元件。雖然並非一定需要，但若能將電壓供應給元件538內的偏轉板以使它們在平均值為零時仍然有利，如此作法的結果是可避免使用額外的愛因吉爾透鏡並使元件538的聚焦部份扭曲降至最低。可瞭解的是，“導引”離子束是板538a、538b的尺寸及施於其上的導引電壓、等等的函數，而離子束方向則與導引電壓及板的長度成正比，並與離子束能量成反比。

可瞭解的是，植入器510可以採用不同種類的末端站516。例如，一“批次”類的末端站可以在一個旋轉式支撐結構中同時支撐多個工件530，其中，工件530被旋轉通過離子束路徑直到所有的工件530都被完全植入離子為止。另一方面，“序列”式的末端站在植入離子時在束路徑上則僅支撐單一個工件530，此種系統採用順序方式一次一個來為多個工件530植入離子，而在開始將離子植入下一個工件530之前必須完成現有工件530的植入動作。在混合系統中，工件530可以用機械方式在第一方向(Y或慢速掃描)平移，而離子束則在第二方向(X或快速掃描)掃描，如此而使離子束524將離子植入整個工件530內。

在圖示範例中的末端站516是一種“序列”式末端站，其沿著植入的束路徑支撐單一片工件530。末端站516在接近工件的位置包括有一劑量計系統552，用於在植入作業之前先行校正量測之用。在校正期間，離子束524通過劑量計系統552。劑量計系統552包含一或多個輪廓儀556，可以在一條輪廓儀路徑558上連續來回移動，從而量出被掃描離子束的輪廓。輪廓儀556可包含一電流密度感測器(例如，法拉利杯)，例如量測被掃描離子束之電流密度的法拉第杯，其中，電流密度是植入角度的函數(例如，在離子束與工件的機械表面之間的相對方位與/或離子束與工件的晶格結構之間的相對方位)。電流密度感測器以垂直於掃描束的方式移動，並因而一般都在帶狀束的寬度方向上來回移動。在一例中，劑量計系統量測離子束密度分佈以及角度分佈。離子束角度的分佈可以使用一位於具有狹縫的遮罩後方的移動式輪廓儀感應電流，如下所述者：R.D.羅斯梅爾、D.E.卡梅尼特沙(Kamenitsa)、M.K.金(King)與A.M.瑞(Ray)，IEEE離子佈植技術國際會議，日本京都，392－395(1998)、美國專利申請號碼11/288,908，羅斯梅爾等人所申請，標題：“離子佈植束角度校正”、與美國專利申請編號11/290,344，羅斯梅爾等人所申請，標題：“建立離子束與晶圓間之角度與修正角度誤差之方法”，其全部併於此作為參考。各個別的射束在一短漂移之後自狹縫位置的位移可被用於計算各射束的角度。可瞭解的是，這一位移可被稱為系統中之束診斷的校正參考。

劑量計系統552可被用於與控制系統554相耦合而接收來自控制系統的控制訊號並將測量值提供給控制系統。例如，控制系統554(可包含一部電腦、微處理器、等)可被用於自劑量計系統552取得量測值並計算被掃描帶狀束在整個工件上的平均角度分佈，接著調整供應給導引元件538的電壓以達到期望的植入角度。在所示範例中，控制系統554也被耦合到束線組件514上。更特別的是，控制系統554可被用於耦合至質量分析器526，以便可以調整其間所產生磁場的強度與方位，例如調節流過質量分析器526中的一或多個磁鐵的場繞組(未顯示在圖中)的電流量。

圖6所示係在離子束並未通過離子植入系統中之掃描元件的掃描頂點時將如何損及角度控制。特別是，如圖中所示，離子束624將在此時進入離子植入系統610的聚焦元件638。但是，聚焦元件638並不包括一用於將離子束624往聚焦元件638的下游處導入掃描元件636之掃描頂點651的導引元件。因此，雖然離子束624可能被聚焦元件638聚焦成一道細鉛筆束，但是離子束仍然可能到達除了掃描元件636的掃描頂點651之外的位置。由圖中可看出，掃描元件636將此誤差傳播到平行化器639而使平行化器639的離子束輸出以不期望且不可預測的角度661施加到工件630上。

可瞭解的是，在離子植入系統中，未通過掃描元件的掃描頂點的離子束的入射的情況將因不斷嘗試要使元件縮小的努力而漸增。更特別的是，在要將更多元件包進相同或更小區域的努力中，諸如接面深度與/或其它特徵深度等元件特性也將變得更淺。為了要建立一個植入深度並不如往常深的區域，便需要使用高電流、低能量(高導電係數)的植入物以將大量的摻雜原子置入基板的淺區域中。但是，這些離子束的高導電係數通常將使維持離子束軌道更形困難。無論如何，植入過程的其它方面，也將使離子束無法通過掃描元件的理想掃描頂點。除了空間電荷與其他效應之外，例如，當離子束沿著束路徑往工件傳輸時，離子束可能遇到一些可能改變離子束軌道的不同電場與/或磁場和裝置。舉例言之，低能量植入器一般被設計用於提供數千電子伏特(keV)到大約80－100keV的離子束，而高能量植入器可在質量分析器與末端站之間採用RF線性加速(直線性加速器)裝置(未顯示在圖中)以便將經過質量分析的離子束加速到較高能量，一般為數百keV，其中DC加速也是可能的。

圖7所示係一用於修正離子植入系統中離子束角度的方法範例700，更具體而言，則該方法係用於將離子束導引到植入系統中掃描元件的掃描頂點。此後雖然將方法700描述為一系列的動作或事件，但可瞭解的是，本發明並不限於此種動作或事件在圖中所示的順序。例如，根據本發明的一或多個方面，某些動作可能以不同的順序發生且/或與此處所示及/或所述之外的其它動作或事件同時發生。另外，並非需要執行圖示所有動作才可完成本發明的方法。

該方法700開始於710，其中一掃描過工件的離子束是在離子植入系統中產生。例如，該離子束被建立為具有期望摻雜種類、能量與/或電流的離子束。該方法接著進行到712，在此將決定植入角度分佈。例如，這可使用一在離子束掃過晶圓時判斷離子束電流密度的劑量計系統來達成，其中電流密度是植入角度的函數(例如，離子束與工件機械表面的相對方位與/或離子束與系統中離子束診斷之校正參考之間的相對方位)。植入角度分佈可藉由將取自如上所述的劑量計系統的資料取其平均值而決定。

在714將作出平均植入角度是否可被接受的決定。如果該角度可被接受，則系統將前進到一結束狀態。如果平均角度不可被接受，則該方法將移動到716，在此將調適一施加到離子植入系統的導引元件的電壓。調整施加到導引元件的電壓將使離子束往離子植入系統中之掃描元件的掃描頂點移動。對於導引電壓所需作的調整可以藉由計算透過植入器的光學列的平均角度的折射而決定，在此會使用到植入系統的加速與/或減速級。特別是，有角度誤差的離子束的加速/減速將以M＝(Ein/Eout)^1/2 的倍數放大/縮小該角度，其中Ein為加速/減速前的能量，而Eout則為加速/減速後的能量。與光線光學相似，這種放大的效果可被稱為折射。導引電壓接著根據折射係數與角度對導引電壓的靈敏度而作調整。例如，需要由導引元件所作的角度修正可以由計算在已因為導引元件與晶圓之間所產生的折射而作修正的晶圓處所量到的角度誤差而得。當導引電壓在716處經過調整之後，本方法再回到712，並再次決定植入角度。該過程一直重複直到達成可接受的植入角度時為止。

雖然本發明已參考一或多項實施例加以說明，但熟知本技藝者在閱讀並瞭解本說明書及附圖之後仍可有許多等效的替代或調整方案。本發明包含所有的這類調整與替代方案並僅由下列申請專利範圍所限制。特別是有關於由上述元件(組件、元件、裝置、電路等)所執行的不同功能；除非有特別聲明，用於描述此種元件的名詞(包括對於某一“手段”的參考)係用於對應到執行所述元件之特定功能(亦即，功能上為均等)的任何元件，即使在結構上並不等同於本發明在實施例中所揭示的結構者亦然。另外，雖然本發明的特別特點僅用數種實施方式其中之一加以說明，此種特點仍可與其它實施方式之一或多項其它特點組合而適用於任何特定或特別的應用。再者，在使用到“包括”、“具有”、“有”、“含”或其變化之處，不論是在詳細說明或申請專利範圍中，這類動詞的含意係與“包含”相同。同樣地，“示例”一詞在此僅意謂一項案例，非指最佳。

100．．．一般性格狀結構

102．．．晶胞

104．．．摻雜離子束

106．．．格狀結構的一部份

108．．．箭頭

110．．．平面

112．．．晶圓機械表面

300．．．半導體基板或晶圓

302．．．特徵

304．．．特徵

306．．．特徵

308．．．特徵

310．．．間隙

312．．．間隙

314．．．間隙

320．．．曝露區域

322．．．曝露區域

324．．．曝露區域

330．．．離子束

340．．．表面

350．．．摻雜不足區域

352．．．摻雜不足區域

354．．．摻雜不足區域

510．．．離子植入系統

512．．．端點

514．．．束線組件

516．．．末端站

520．．．離子源

521．．．室

522．．．高電壓電源

524．．．離子束

526．．．質量分析器

527．．．質量分析器側壁

530．．．工件

532．．．離子束導件

534．．．解析孔

535．．．掃描系統

536．．．掃描元件

536a．．．電極

536b．．．電極

538．．．聚焦與/或導引元件

538a．．．電極

538b．．．電極

539．．．平行化器

549．．．電源

550．．．電源

551．．．掃描頂點

552．．．劑量計系統

554．．．控制系統

556．．．輪廓儀

558．．．輪廓儀路徑

610．．．離子植入系統

624．．．離子束

630．．．工件

636．．．掃描元件

638．．．聚焦元件

639．．．平行化器

651．．．掃描頂點

661．．．不期望且不可預測的角度

700．．．修正離子植入系統中離子束角度的方法範例

710．．．建立離子束

712．．．決定植入角度分佈

714．．．角度是否可被接受？

716．．．調適導引電壓

圖1係一部份晶格結構範例的立體圖，其中離子束以實質平行於晶格結構平面的方向進入晶格結構內。

圖2係一部份晶格結構範例的立體圖，其晶格結構例如是與圖1所示相同，但離子束進入晶格結構的方向則不與晶格結構平面平行。

圖3係一部份半導體基板的橫截面圖，其上形成有數個以不同距離分開的特徵，其係相隔距離的不同，因而將遭受不同程度的陰影效應。

圖4係一部份晶格結構範例的立體圖，其晶格結構例如是與圖1所示相同，其中該結構之一機械表面並不與晶格結構位於同一平面上。

圖5係一用以說明離子植入系統範例的方塊圖，其中離子束以在此所述方式被導引穿過系統內掃描系統的掃描頂點，而其中掃描頂點與系統之一平行化元件的焦點重合。

圖6係一用以說明當離子束並不如在此所述般穿過一掃描頂點時，可能損及植入角度的概要圖。

圖7係一如何可使離子束被導引穿過在此所述之離子植入系統的掃描元件之掃描頂點的方法示例。