TWI433193B - 具有準直磁鐵和中性過濾磁鐵的離子植入機與離子植入法 - Google Patents

Description

具有準直磁鐵和中性過濾磁鐵的離子植入機與離子植入法

本發明是有關於一種離子植入機，且特別是有關於使用準直磁鐵(collimator magnet)及中性過濾磁鐵(neutral filter magnet)結合減速台(deceleration stages)來改良離子植入機的性能。

離子植入是一種在工件中，例如在半導體晶圓中，引入可改變導電性的雜質(conductivity-altering impurity)的標準技術。在習知的束流離子植入機(beamline ion implanter)中，例如強電流離子植入機(high current ion implanter)，離子源產生離子束，並且汲取電極(extraction electrodes)從離子源中汲取出離子束。解析磁鐵(analyzer magnet)接收汲取出來的離子束，並從中過濾選定的離子種類。此離子束通過解析磁鐵後進入第一減速台，第一減速台具有多個電極，此多個電極具有可供離子束從中通過的設定孔。藉由對多個電極施加不同的電壓組合，第一減速台可操控離子的能量。校正磁鐵(corrector magnet)將從第一減速台產生的離子束定形成恰當的形態以沈積到晶圓上。特別的是，校正磁鐵接收發散的離子束並對其進行準直。此外，校正磁鐵可從離子束中過濾出在穿越束線時已被中和的離子。具有減速透鏡(deceleration lens)的第二減速台接收來自校正磁鐵的離子束，並在離子束撞擊晶圓前，進一步操控離子束的能量。當離子束撞擊晶圓時，離子束中的離子穿透 晶圓的表面，並在晶圓表面下方停止，形成具有所期望的導電性的區域。其中，離子穿透的深度取決於離子的能量。

根據摩爾定律(Moore’s Law)，隨著元件的縮小，所需的接面深度(junction depth)不斷地變淺，所需的能量也在降低。這使得目前的離子植入機面臨特殊的挑戰，這是因為低能量離子束(low energy beams)，特別是強電流的低能量離子束在不顯著地損失束電流(beam current)的情況下很難實現傳送。半導體生產廠商通常設法控制三個參數來維持強電流離子植入機中的良好的產量以及精確的製程控制-束電流、能量污染(energy contamination)、離子束電流密度和植入角度的均勻性。對於既定的總劑量(total dose)，如果束電流低，將使得植入機的產量下降。產量下降將導致半導體生產廠商的成本增加，因為需花費更多的時間和財力來進行額外的植入以彌補產量的下降。當一小部份離子束的能量高於期望的能量時，將出現能量污染的問題。此小部份離子束在製備積體電路時會迅速地增加所形成的p-n接面的深度，由此將導致電路的性能劣化。如果離子束電流密度與植入角度不均勻，將使得晶圓表面上的元件的特性產生變化。元件特性的變化使良率下降，或使得半導體生產廠商需在其它製程步驟中考慮到植入步驟中的變化，因此良率的提高變得更加困難。

強電流離子植入機通常具有允許半導體生產廠商對束電流、能量污染及離子束電流密度和植入角度的均勻性進行單獨地控制的能力，最好可對三個參數中的任意兩個參 數進行處理。現有的強電流離子植入機不能一次控制三個參數。例如，半導體生產廠商可以進行強束電流、低能量污染的離子植入，然而，採用此植入方式，離子束電流密度與植入角度的均勻性通常顯著地降低。良率的影響使其成為一種不具吸引力的選擇。同理，能夠處理束電流與均勻性的離子植入很可能要面臨能量污染的問題。一些元件製造廠商會選用這種植入方式，因為某些元件可設計為容許能量污染。最後，具有良好的均勻性與低能量污染的離子植入製程一般產生的束電流較低，因而產量較低。許多元件製造廠商選用此植入方式。上述方法均不能在一次植入中控制束電流、能量污染以及離子束電流密度與植入角度的均勻性，並且不犧牲三個參數中的任何一個參數。

在一實施例中，提供一種離子植入機，包括配置成對離子束進行定形的準直磁鐵。第一減速台配置成操控經準直磁鐵定形之離子束的能量。中性過濾磁鐵配置成從通過第一減速台中的離子束中過濾中性原子。

在第二實施例中，提供一種離子植入方法。在本實施例中，此方法包括生成離子束；將離子束定形為平行的帶狀束；操控定形之離子束的能量；以及，從離子束中過濾中性原子。

圖1A與圖1B分別顯示了根據本發明一實施例的離子植入機100的俯視圖及正視圖。為了便於說明，圖1A與 圖1B僅顯示有助於大致理解本發明所描述之方法的植入機100的元件。此方法能夠使離子植入機，例如低能量、強電流的離子植入機，可以實現更高的產量且不會引入能量污染和/或束電流密度與植入角度均勻性的問題。熟知本領域之此項技藝者可知離子植入機100包括未示於圖1A與圖1B中的其它元件，特別是圖1A與圖1B中顯示的元件的上游元件。例如，離子植入機應包含離子源，離子源產生帶電粒子流，即離子束。因後續描述涉及低能量、強電流離子植入機，所產生的離子束為擴展束(expanded beam)，也稱為帶狀束(ribbon beam)。儘管本發明適用於帶狀束，但亦同樣適用於掃描點狀束(scanning spot beam)，也稱為筆束(pencil beam)。

圖1A與圖1B中未顯示的上游元件是抽取電極，抽取電極接收來自離子源的離子束並對形成離子束的正電離子進行加速。解析磁鐵，例如90度偏轉磁鐵在從離子源中抽取出正電離子後接收此離子束，並且加速並從離子束中濾除不需要的離子種類。具體而言，隨著離子束進入解析磁鐵，磁場引導離子種類進入近似於圓形的路徑。較重的離子具有較大的曲率半徑，並撞擊解析磁鐵的外壁；較輕的離子具有較小的曲率半徑，並撞擊解析磁鐵的內壁。在解析磁鐵的出口，質量縫(mass slit)102(如圖1A與1B所示)精確地限制離子選擇的曲率半徑。只有特定的質荷比(mass-to-charge ratio)的離子才能通過此質量縫。

離子束以發散之扇形束形式從質量縫102輸出，準直 磁鐵104接收此發散束，並將其定形為平行的帶狀束。具體而言，準直磁鐵104採用定形的偶極場(shaped dipole field)使發散的離子束的上部朝下彎曲，並使發散的離子束的下部朝上彎曲。準直磁鐵104所進行的定形使得離子束以平行束形式輸出。在一實施例中，準直磁鐵104包括四極磁鐵(quadrupole magnet)。然而，在其它實施例中，其亦可為具有適當分度(indexing)或磁極旋轉(pole rotaion)以產生平行束輸出的偶極子(dipole)。

第一減速台106接收通過準直磁鐵104的離子束。第一減速台106配置成操控由準直磁鐵104定形的離子束的能量。在一實施例中，第一減速台106包括靜電盤(electrostatic plate)，靜電盤將離子束減速到允許對離子束進行更多控制的能量。具體而言，當一靜電盤相對另一靜電盤偏置一定電壓時，靜電盤對離子束進行減速。所產生的電場使得靜電盤可以操控離子束的能量。由於第一減速台106接收平行的離子束，因此無需採用習知束流離子植入機的減速台中普遍採用的弧形架構。第一減速台106的直線型(straight-line)架構使得更容易在減速台內不產生偏轉，這是因為直線型結構確保電場在穿越離子束時保持不變。因此離子束在減速過程中不會側偏，僅減速而不改變其方向。這種潛在的方向改變對離子植入機的性能而言極為不利，因為方向改變將被減速過程的折射效應(refractive effect)放大，因此到達晶圓時明顯地偏離預期的目標點。目標點的這種偏離會造成劑量與角度的不均勻，特別是如 果它們沿離子束的截面發生變化。

中性過濾磁鐵108接收來自第一減速台106的減速的離子束。中性過濾磁鐵108從離子束中過濾中性原子。一般來說，隨著離子在背景氣體中互相作用並被中和，中性原子會沿離子束出現。因此，離子束包括離子與中性原子的混合體。在一實施例中，中性過濾磁鐵108包括偶極磁鐵(dipole magnet)。在操作時，中性過濾磁鐵108接收減速的離子束，並將高能的中性原子陷獲於磁鐵內，允許具有特定能量的離子通過。

第二減速台110接收通過中性過濾磁鐵108的離子束。第二減速台110配置成操控經中性過濾磁鐵108過濾後的離子束的能量。在一實施例中，第二減速台110包括離子束進行減速的靜電盤。具體而言，當一靜電盤相對另一靜電盤偏置一定電壓時，靜電盤對離子進行減速。所產生的電場使得靜電盤可以對離子束的能量進行操控。此過濾器後的減速台(post-filter deceleration stage)僅在產量以及強束電流比能量污染更重要的製程中使用。

設有晶圓114的端站(endstation)112接收通過第二減速台110的離子束。隨著離子撞擊晶圓114，離子束中的離子穿透晶圓表面並停留在晶圓表面下方，形成具有期望導電性的區域。為了便於說明，圖1A與圖1B僅顯示端站112中的晶圓114。然而，熟悉本領域之此項技藝者可體認到端站可包含未在圖中明示之其它元件。

藉由如圖1A與圖1B所示之構造，離子植入機100能 夠以更高的產量進行植入，並且沒有能量污染和/或束電流密度與植入角度不均勻的問題。離子植入機100具有更高的產量且不引入能量污染和/或離子束電流密度與植入角度不均勻的問題，這是因為將習知的束流離子植入機中用於準直且過濾離子束的校正磁鐵分離成獨立的準直磁鐵與中性過濾磁鐵，並且在中性過濾磁鐵108的前後設置一減速台。由於減速台設置在校正磁鐵之前或之後，習知的束流離子植入機受到上述限制。更關心產量而非能量污染的半導體生產廠商在校正磁鐵之後的減速台對離子束中的離子進行減速。這樣可保持強電流及良好的均勻性，但會造成能量污染的影響，因為高能的中性原子沒有被濾除並到達晶圓。另一方面，半導體生產廠商若在校正磁鐵之前的減速台對離子束中的離子進行減速，此磁鐵可以過濾高能的中性原子，然而由於通過準直磁鐵的離子束電流變小，其植入結果將影響產量。

藉由採用獨立的準直磁鐵104和中性過濾磁鐵108，並將第一減速台106設置在中性過濾磁鐵之前，第二減速台110設置在中性過濾磁鐵之後，離子植入機100可以達到更高的產量且不會產生能量污染或束電流密度與植入角度不均勻的問題，因為中性過濾器無需進行準直，通過中性過濾器的路徑長度短，可允許更強的束電流通過，並且減速台中的減速透鏡的直線性結構允許更佳之控制角度及劑量的均勻度。

圖2顯示了說明圖1A與圖1B所示的根據本發明一實 施例的離子植入機100的操作過程的流程圖200。離子植入機100的操作從步驟202開始，此步驟中離子源產生離子束。汲取電極從離子源汲取離子束之後，在步驟204中解析磁鐵接收離子束，加速並從離子束中過濾選定的離子種類。在步驟206中，質量縫102從離子束中移除不需要的離子。在步驟208中，準直磁鐵104接收來自質量縫102的發散的離子束，並將其定形為平行束。具體而言，準直磁鐵104將發散的離子束的上部向下彎曲，並將發散的離子束的下部向上彎曲。

在步驟210中，在離子束通過準直磁鐵104後，第一減速台106接收離子束並操控離子束的能量。在步驟212中，中性過濾磁鐵108接收來自第一減速台106的減速的離子束，並從離子束中過濾中性原子。具體而言，中性過濾磁鐵108接收減速的離子束，將高能的中性原子陷獲在磁鐵中，並允許離子通過。在步驟214中，第二減速台110接收通過中性過濾磁鐵108後的離子束，並操控離子束的能量。步驟216中，設置於端站112內的晶圓114接收通過第二減速台後的離子束，並隨著離子束撞擊晶圓而利用雜質離子對晶圓進行植入。

上述流程圖顯示了與離子植入機100有關的一些處理功能。此流程圖中，每個方塊代表實現這些功能的相關製程動作。應注意的是，在其他實例中，上述區塊中的動作可不依圖中所示之順序發生，或者實際上同時或以相反的順序發生。同時，本領域中熟知此項技藝者可知，還可添 加用以闡述上述處理功能的其他區塊。例如，由於存在數種不同的操作模式，可能存在表示這些模式的處理過程中出現的其他操作的區塊。離子植入機的不同操作模式還可包括如下模式：第一減速台106和第二減速台110均關閉(漂移模式，drift mode)、第一減速台106開啟而第二減速台110關閉(擴展漂移模式，extended drift mode)、第一減速台106關閉而第二減速台110開啟(處理室減速，process chamber decel)、第一減速台106與第二減速台110均開啟(雙減速，double decel)。

本發明揭示了具有準直磁鐵及中性過濾磁鐵的離子植入法，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。

100‧‧‧離子植入機

102‧‧‧質量縫

104‧‧‧準直磁鐵

106‧‧‧第一減速台

108‧‧‧中性過濾磁鐵

110‧‧‧第二減速台

112‧‧‧端站

114‧‧‧晶圓

200‧‧‧流程圖

202、204、206、208、210、212、214、216‧‧‧步驟

圖1A與圖1B分別顯示根據本發明一實施例的離子植入機的俯視圖與主視圖。

圖2顯示圖1A與圖1B所示之根據本發明一實施例的離子植入機的操作流程圖。

100‧‧‧離子植入機

102‧‧‧質量縫

104‧‧‧準直磁鐵

106‧‧‧第一減速台

108‧‧‧中性過濾磁鐵

110‧‧‧第二減速台

112‧‧‧端站

114‧‧‧晶圓

Claims (14)

1. 一種離子植入機，包括：準直磁鐵，配置成將離子束定形；第一減速台，位於所述準直磁鐵的下游且配置成操控由所述準直磁鐵定形之離子束的能量；及中性過濾磁鐵，位於所述第一減速台的下游且配置成從所述第一減速台輸出的離子束中過濾中性原子。
2. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中所述準直磁鐵包括四極磁鐵。
3. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中所述準直磁鐵包括偶極磁鐵，所述偶極磁鐵配置成可產生平行束輸出的磁極旋轉。
4. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中所述準直磁鐵包括定形的偶極場。
5. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中所述中性過濾磁鐵包括偶極磁鐵。
6. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中所述離子束包括帶狀束或掃描點狀束。
7. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，更包括第二減速台，所述第二減速台配置成操控由所述中性過濾磁鐵所過濾的離子束的能量。
8. 一種離子植入法，包括以下步驟：生成離子束；在第一位置將所述離子束定形為平行的帶狀束； 在位於所述第一位置的下游的第二位置操控所述平行的帶狀束的能量；以及在位於所述第二位置的下游的第三位置從所述平行的帶狀束中過濾中性原子。
9. 如申請專利範圍第8項所述之離子植入法，其中將所述離子束定形為所述平行的帶狀束的步驟包括使用準直磁鐵。
10. 如申請專利範圍第8項所述之離子植入法，其中將所述離子束定形成所述平行的帶狀束的步驟包括接收發散之扇形束的離子束，將所述發散的離子束的上部向下彎曲，並將所述發散的離子束的下部向上彎曲。
11. 如申請專利範圍第8項所述之離子植入法，其中操控能量的步驟包括使用減速台。
12. 如申請專利範圍第8項所述之離子植入法，其中從所述離子束中過濾中性原子的步驟包括使用中性過濾磁鐵。
13. 如申請專利範圍第9項所述之離子植入法，更包括操控經過濾的所述離子束的能量。
14. 如申請專利範圍第13項所述之離子植入法，其中操控經過濾的所述離子束之能量的步驟包括使用減速台。