TWI450305B - 離子植入設備以及其所使用之聚集／成形離子束之方法 - Google Patents

Description

離子植入設備以及其所使用之聚集/成形離子束之方法

本申請案根據2007年4月10日提出申請之日本專利申請案No.2007－1 03142，並主張優先權，該專利揭示之全文併入本文參考。

本發明與離子植入設備有關，且特別與聚集及成形離子束的技術有關。

關於在半導體晶圓上形成n型或p型導電層的方法，使用所謂的離子植入技術，藉由電場將離子源所離子化之導電類型的雜質加速以植入到晶圓。按照離子植入技術，在電漿室中將供應至離子源的氣體離子化以產生電漿，並對提取電極施加預定的電壓以從電漿提取離子束。接下來，藉由使被提取的離子束入射到質量分析磁鐵設備，以提取包含具有所要質量的離子，使離子束通過質量分析狹縫，之後，藉由射束掃描器往復地掃描並照射到晶圓，從而進行離子植入(見專利參考1：JP－A－2006－156259)。

其間，照射到晶圓之離子射束的剖面形狀是順利實施離子植入的一因子。亦即，離子射束需要在關於剖面形狀進行預定之聚集及成形的狀態中照射到晶圓。為實現此操作，藉由在質量分析磁鐵設備與射束掃描器之間的射束線段處，配置一對類型與功能都相同的四極聚焦電磁鐵來聚 集及成形離子射束，以使得入射在射束掃描器上的是已成為最佳的離子射束。通常，用來在縱(垂直)方向進行聚焦或聚集的四極聚焦電磁鐵係配置在射束線的上游側，且用來在橫方向聚焦或聚集的四極聚焦電磁鐵係配置在射束線的下游側。

當離子射束的直徑相對較小時，藉由一對四極聚焦電磁鐵來聚集及成形離子射束的方法，在聚集及成形離子射束中不會帶來妨礙。不過，當該離子射束的有效直徑相當大時，特別是，在離子射束的剖面為橢圓形或特別是在橫方向具有大直徑之平直特殊形狀的情況中，在面對離子物種之不同植入條件、射束量、射束能量等的同時，即產生很難按需要來聚集及成形離子射束的問題。

鑒於此問題而實施本發明，且本發明的目的是提供一離子植入設備，其不論離子射束的剖面形狀，都有實現為射束掃描器聚集及成形適合之離子射束的能力。

按照本發明之態樣的離子植入設備，特別在入射到射束掃描器上之前之射束線的一段中，充分地聚集及成形在縱或橫方向中具有大直徑之特殊剖面形狀的離子射束，其中第一四極聚焦電磁鐵係設置在從該質量分析磁鐵設備之出口到入射該質量分析狹縫之前之射束線之一段處，有效磁場效果大於該第一四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果的第二四極聚焦電磁鐵係設置在從該質量分析狹縫之出口到入 射該射束掃描器之前之射束線之一段處，藉以聚集及成形該離子射束。

按照本發明的離子植入設備可實現為以下各態樣。

(態樣1) 該第二四極聚焦電磁鐵之該射束線中的有效磁場可長於該第一四極聚焦電磁鐵的有效磁場段。

(態樣2) 該有效磁場效果可由具有均勻磁場之有效磁場段的長度來定義。

(態樣3) 該有效磁場效果可藉由使得該第二四極聚焦電磁鐵之磁心的直徑大於該第一四極聚焦電磁鐵之磁心的直徑而被增加。

(態樣4) 該有效磁場效果可藉由使得在該射束線之方向該第二四極聚焦電磁鐵之磁心長於該第一四極聚焦電磁鐵之磁心而被增加。

(態樣5) 該有效磁場效果可藉由使得該第二四極聚焦電磁鐵之 繞組的圈數大於該第一四極聚焦電磁鐵之繞組的圈數而被增加。

(態樣6) 該有效磁場效果係藉由使得該第二四極聚焦電磁鐵之激磁電壓或電流大於該第一四極聚焦電磁鐵之激磁電壓或電流而被增加。

(態樣7) 該第二四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果的大小可為該第一四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果之大小的2倍或更大。

(態樣8) 該第二四極聚焦電磁鐵可藉由在該射束線之方向直線配置兩個與第一四極聚焦電磁鐵相同的構造所構成。

(態樣9) 該第二四極聚焦電磁鐵可由用來在縱方向聚集且在該縱方向聚集該射束線之範圍被加寬的電磁鐵所構成。

(態樣10) 該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁鐵可分別為用來在縱方向聚集的電磁鐵。

(態樣11) 該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁鐵可分別為用來在縱方向聚集的電磁鐵及在橫方向聚集的電磁鐵。

(態樣12) 該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁鐵可分別為用來在橫方向聚集的電磁鐵及在縱方向聚集的電磁鐵。

(態樣13) 該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁鐵可分別為用來在橫方向聚集的電磁鐵。

(態樣14) 該第二四極聚焦電磁鐵被配置在該離子射束聚集與發散之中間狀態的位置，位在該射束線從該質量分析狹縫之出口至該射束掃描器之入口的該段上。

(態樣15) 該第二四極聚焦電磁鐵可為用來在縱方向聚集的電磁鐵。在此情況中，該射束掃描器可包括配置成被該離子射束插入的掃描電極對、分別設置在該掃描電極對之上游側 附近與下游側附近的掃描器抑制電極、以及連接於該等掃描器抑制電極的電場修正電極對，且設置在由該掃描電極對彼此面對之電極面所插入的空間。該射束掃描器被製造成當該掃描電極對的射束掃描角度為零時，藉由零電場效應，可當成橫向聚集機構來操作，用以減輕該第二四極聚焦電磁鐵在縱方向的轉換。

(態樣16) 用以在該橫方向調整該離子射束之射束位置的控制線圈可配置在毗鄰該第二四極聚焦電磁鐵入口之上游側的位置。

(態樣17) 提供一在離子植入設備中聚集及成形離子射束的方法。該方法被應用於離子植入設備，該離子植入設備藉由利用射束掃描器往復地掃描離子束，照射提取自離子源並通過質量分析磁鐵設備及質量分析狹縫之離子射束，而將離子植入到該晶圓。該離子射束被第一四極聚焦電磁鐵在縱方向聚集，該第一四極聚焦電磁鐵配置在射束線從該質量分析磁鐵設備之出口到入射該質量分析狹縫前之段。藉由利用第二四極聚焦電磁鐵在縱方向進一步聚集該離子射束，使得該離子射束能夠被成形為適用於該射束掃描器之剖面形狀，該第二四極聚焦電磁鐵被配置在該射束線從該質量分析狹縫之出口到入射該射束掃描器前之段，且其有效 磁場效果大於該第一四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果。

按照本發明的離子植入設備，藉由使得第二四極聚焦電磁鐵的有效磁場效果大於第一四極聚焦電磁鐵的有效磁場效果，使得該第二四極聚焦電磁鐵的聚集力變得大於該第一四極聚焦電磁鐵的聚集力。因此，該第二四極聚焦電磁鐵對該離子射束的聚集，超過該第一四極聚焦電磁鐵。因此，即使當入射在該第二四極聚焦電磁鐵上之該離子射束的剖面形狀因射束能量或該離子射束之離子物種之差異而有所不同，甚至質量分析狹縫之狹縫尺寸不同，該離子射束都可被該第二四極聚焦電磁鐵加以聚集，且因此，可以供應最佳化的離子射束給該射束掃描器。

現將參考以下各圖式來解釋按照本發明之離子植入設備的實施例。圖1A及1B為當本發明應用於單晶圓式離子植入設備時的概視圖，特別是，圖1A為平面視圖，而圖1B為側視圖。現將從由離子源10為起點所構成之射束線的最上游側來解釋離子植入設備1之構造。離子源10的出口側設置有用以從離子室內部所產生之電漿提取離子射束的提取電極12。提取電極12的下游側附近設置有抑制電極14，用以抑制包括在從提取電極12所提取之離子射束中的電子流回提取電極12。離子源10與離子源高電壓源16連接，且提取電源20連接於提取電極12與終端18之間。

提取電極12的下游側配置有質量分析磁鐵設備22，藉由從入射的離子射束中分離出所要的離子以提取出包含所要離子的離子射束。質量分析磁鐵設備22的下游側配置有用以在縱(垂直)方向上聚焦或收歛離子射束的第一四極垂直聚焦電磁鐵24，用以將離子射束偏離射束軌跡線的停駐電極26，供該離子射束中包含有所要質量之離子之離子射束通過的質量分析狹縫28，以及用以在縱方向上聚焦或收歛離子射束的第二四極垂直聚焦電磁鐵30。停駐電極26與質量分析狹縫28容納在由一材料所構造成的停駐外殼27內，在其中，很難出現鋁或類似物的交叉污染。此外，至於質量分析狹縫28，除了固定型式的單一狹縫之外，也可使用複數級的切換式質量分析狹縫。按照複數級的切換式質量分析狹縫，例如，用於高射束流的橢圓/或蛋形狹縫、用於低射束流之長且窄的圓形狹縫、以及用於確認射束軌跡軸之直徑極小之狹縫的3級狹縫尺寸被機械地切換。

第二四極垂直聚焦電磁鐵30的下游側配置有用來視需要截斷離子射束及測量射束流的注入器旗標法拉第杯32、用來在與離子射束前進方向垂直之水平方向上周期性地往復掃描該離子射束的射束掃描器36。射束掃描器36的上游側與下游側分別設置有掃描器抑制電極34及38，具有能夠限制離子射束之剖面尺寸大小，抑制該離子射束之發散及遮蔽四周以保護掃描電場的開口。此外，注入器旗標法拉第杯32被製造成能夠藉由驅動機構在上與下的方 向上插入該射束線中或從該射束線中取出，此情況在稍後解釋。此外，注入器旗標法拉第杯32、射束掃描器36、及掃描器抑制電極34及38都容納在由鋁所製成的掃描器外殼37中。

位在從提取電極12至掃描器外殼37之射束線上的各個構件都容納在終端18中。終端18與終端電源19連接。因此，停駐外殼27與掃描器外殼37的電位與終端18的電位相同，以構成終端電源19的電位。在射束掃描器36的下游側配置平行透鏡40，用於將在水平方向上被偏轉到相對於中央軌跡(在離子射束被射束掃描器36掃描前的中央軌跡)具有一角度的離子射束，再偏轉到與該中央軌跡平行，以及用以加速或減速該離子射束加速/減速柱42。平行透鏡40係由複數個圓弧形且其中央鑽有供該離子射束通過之孔的電極所組成。從平行透鏡40之上游側開始的第一電極被保持在該終端電位。第二電極被稱為抑制電極，藉由與抑制電源44連接以抑制電子流入。第三電極與平行透鏡電源46連接，因此，在第二電極與第三電極之間產生電場，且在水平方向偏轉的離子射束，變為與在被偏轉前的中央軌跡平行。平行透鏡40係藉由利用該電場之結構建構而成，且該離子射束被第二電極與第三電極之間的電位差減速。亦即，被射束掃描器36偏轉的離子射束在被第二電極與第三電極間之電場偏轉及被減速之前，其軌跡先在與中央軌跡平行的方向上被修正。

加速/減速柱42係由一或多個直線形的電極所構成。 從加速/減速柱42之上游側開始的第一電極與平行透鏡電源46連接，與平行透鏡40的第三電極類似。第二及第三電極分別與第一加速/減速柱電源48及第二加速/減速柱電源50連接。藉由調整這些電源的電壓，離子射束被加速或減速。此外，第四電極被接地到接地電位。加速/減速柱42的下游側配置有混合式的角能量過濾器(在後文中稱為AEF)52。AEF 52係一用來選擇到達目標加速能量之離子射束的能量過濾器。AEF 52包括用於磁場偏轉的磁性偏轉電磁鐵，以及用於靜態偏轉的靜態偏轉電極。磁性偏轉電磁鐵配置在AEF室54的四周，且是由包圍AEF室54之上、下、左、及右側的軛鐵構件及纏繞於軛鐵構件周圍的線圈組所構成。此外，磁性偏轉電磁鐵連接於直流電壓電源(未圖示說明)。

另一方面，靜態偏轉電極是由上與下AEF電極56對所組成，且配置成使離子射束從上與下的方向插入。在AEF電極56對中，分別對上側的AEF電極56施以正電壓及對下側的AEF電極56施以負電壓。在被磁場偏轉中，離子射束被來自磁性偏轉電磁鐵的磁場向下側偏轉大約20度，且僅具有目標能量的離子射束被選擇。另一方面，在被磁場與電場或僅電場偏轉中，離子射束被來自磁性偏轉電磁鐵之磁場與AEF電極56對間所產生之電場的結合操作或電場的偏轉操作而向下側偏轉大約20度，且僅具有目標能量的離子射束被選擇。

按此方式，AEF 52係視需要使用磁場、電場、及磁 場與電場兩者的混合型式，且因此，在輸送低能量的射束中，可主要使用電子限制效果佳的磁場，以及在輸送高能量的射束中，除了使用磁場偏轉與靜態偏轉兩者之外，也可使用僅只電場的偏轉操作。此外，由離子源10之氣體的能量或種類來區分何時一直使用磁場，或何時使用磁場及電場兩者，或僅使用電場的偏轉操作。

AEF 52設置有AEF電漿噴灑器60，藉由供應電子來限制離子射束的發散，以提升將離子射束輸送至晶圓58的效率。此外，AEF 52在AEF電漿噴灑器60的上游側與下游側分別配置AEF抑制電極62及64。AEF抑制電極62及64主要用來限制電子障及離子射束之剖面形狀的尺寸。

AEF室54的壁配置有複數個永久磁鐵66，用以形成一尖形磁場。藉由形成尖形磁場，電子被限制在AEF室54的內部。各個永久磁鐵66被配置成使得其磁極指向AEF室54的內部，且鄰接的磁極具有相反的磁極。此外，在AEF室54的出口側設置有撞擊板68，用以接收未被AEF 52偏轉而直進之離子因中和所構成的中性粒子或類似物。

處理室(真空處理室)70與AEF室54連接。在處理室70的內部配置可選擇的能量狹縫(在後文中稱為SES)72。可選擇的能量狹縫72被配置成離子射束從上及下的方向插入。上與下可選擇的狹縫每一個包括4個狹縫面，在選擇了狹縫面之後，藉由進一步在上與下的方向中調 整上與下可選擇狹縫的軸，並轉動該等軸，即可提供所要的狹縫寬度。藉由按照離子的物種連續選擇4個狹縫面，即可降低交叉污染。

電漿噴灑器74供應低能量電子，與離子射束一起到達晶圓58的正面，以中和及限制由於離子植入所產生之正電荷的充電。在電漿噴灑器74的左與右端分別配置用來測量劑量的劑量杯76。特別是，劑量杯與電流測量電路連接，並藉由測量該離子射束入射到其上的射束流來測量劑量。

射束剖面儀78包括用於測量離子植入位置處之射束流的射束剖面儀杯(未圖示說明)，以及用於測量射束形狀及射束X－Y位置的垂直剖面杯(未圖示說明)。在植入離子或類似動作之前，當在水平方向移動之同時，射束剖面儀78測量離子植入位置處的離子射束密度。當測量該射束剖面之結果為離子射束之預測的非均勻性(PNU)不滿足處理的要求時，施加於射束掃描器36的電壓或類似物被自動地調整，以滿足處理條件。垂直剖面儀杯藉由測量離子植入位置處的射束形狀以確認射束寬度與射束中央位置。

在射束線的最下游側配置具有與法拉第杯類似之射束流測量功能的3面式射束堆積器(triple surface beam dump；TSBD)80，用以測量最終裝置射束(final setup beam)。3面式射束堆積器80藉由按照離子源10的氣體種類切換三角柱的3個面以減少交叉污染。此外，射束線 自然是保持在高真空中。

按照相關技術的離子植入，入射在射束掃描器上之離子射束的剖面形狀，係藉由該離子射束之射束能量的高或低、不同的離子物種(例如P、B、As或類似物)、射束尺寸之大或小及射束流密度之大或小、及質量分析狹縫之狹縫尺寸之差異來改變，且不容易以均勻的狀態將該離子射束照射到晶圓。

反之，按照實施例的離子植入設備1，藉由以第一四極垂直聚焦電磁鐵24在縱方向上聚集該離子射束，並以有效磁場效果大之第二四極垂直聚焦電磁鐵30在縱方向上再聚集該離子射束，可使得入射在射束掃描器36上的為最佳的離子射束，即剖面形狀改變小的均勻離子射束。特別是，藉由使得第二四極垂直聚焦電磁鐵30的有效磁場效果大於第一四極垂直聚焦電磁鐵24之有效磁場效果的兩倍或更多來加寬聚集範圍，以使得能夠應付各種不同的離子射束。以下將解釋用來實現此的特定構造。

圖2A係顯示第一四極垂直聚焦電磁鐵24的正視圖，及圖2B的視圖顯示第一四極垂直聚焦電磁鐵24之兩個電磁鐵的橫剖面(圖式左側)，及顯示第一四極垂直聚焦電磁鐵24之磁通量密度與在離子射束前進方向中之長度間的關係(圖式右側)。

如圖2A所示，第一四極垂直聚焦電磁鐵24被形成為一實質的八邊形，且其中央形成有供離子射束通過的空間100。此外，第一四極垂直聚焦電磁鐵24包括兩個彼此面 對的N極磁鐵心102與104及兩個彼此面對的S極磁鐵心106與108，並產生從兩個N極磁鐵心102與104之正面端指向兩個S極磁鐵心106與108的磁場，如圖中的斷線箭頭標記所示。N極磁鐵心102與104和S極磁鐵心106與108分別纏繞有繞組112，且各個磁鐵心的後端被一軛鐵110耦接在一起。在此，將射束流的方向定義為正電荷移動的方向，且因此，離子射束從圖式表面前進到圖式之後面側的情況，與使射束流從圖式表面流到圖式之後面側的情況相同。在圖2A中，離子射束從該表面側前進到該後面側的方向，係以在O的內部畫一×的符號來指示。

按照圖2A所示磁極的配置，當該離子射束從表面側前進到後面側時，藉由佛萊明左手定則，產生在縱方向聚集離子射束的力。亦即，離子射束受到從N極磁鐵心102之磁極端指向S極磁鐵心106之磁場向下的力，且該離子射束也受到從N極磁鐵心104之磁極端至S極磁鐵心108之磁場向上的力。另一方面，該離子射束受到從N極磁鐵心102之磁極端至S極磁鐵心108之磁場向左的力，以及，該離子射束受到從N極磁鐵心104之磁極端至S極磁鐵心106之磁場向右的力。結果，如圖2A中的白色箭頭所示，該離子射束在縱方向受到聚集的力，並在左與右方向(橫方向)中受到發散的力。此外，如圖2B之左側的雙點鏈線所指示，關於該離子射束前進的方向，第一四極垂直聚焦電磁鐵24的N極磁鐵心102與104及S極磁鐵心106與108具有長度L1。在以下的解釋中，將各個磁鐵心 的長度L1視為第一四極垂直聚焦電磁鐵24在該離子射束之前進方向中延伸的長度。

圖3的視圖解釋離子射束在縱方向被第一四極垂直聚焦電磁鐵24聚集的行為。如圖3所示，當具有如斷線所指示之垂直拉長之橢圓形剖面的離子射束通過第一四極垂直聚焦電磁鐵24的空間100時，藉由第一四極垂直聚焦電磁鐵24之操作的聚集力，使該離子射束變成具有如影線所指示之垂直拉長之橢圓形剖面的離子射束。

圖4A顯示第二四極垂直聚焦電磁鐵30的正視圖，及圖4B的視圖顯示第二四極垂直聚焦電磁鐵30之兩個電磁鐵的橫剖面(該圖左側)，並顯示第二四極垂直聚焦電磁鐵30之磁通量密度與在離子射束前進方向中之長度間的關係(該圖右側)。如圖4A所示，第二四極垂直聚焦電磁鐵30被形成為一實質的八邊形，且其中央形成有供離子射束通過的空間200。此外，第二四極垂直聚焦電磁鐵30包括兩個彼此面對的N極磁鐵心202與204及兩個彼此面對的S極磁鐵心206與208，並產生從兩個N極磁鐵心202與204之磁極端指向兩個S極磁鐵心206與208的磁場。N極磁鐵心202與204和S極磁鐵心206與208分別纏繞有繞組212，且各個磁鐵心的後端被一軛鐵210耦接在一起。此外，在圖4B中，在雙點鏈線所指示之離子射束前進的方向，第二四極垂直聚焦電磁鐵30的N極磁鐵心202與204及S極磁鐵心206與208具有長度L2。此外，在第二四極垂直聚焦電磁鐵30中，各個磁鐵心的 長度L2可視為第二四極垂直聚焦電磁鐵30在該離子射束之前進方向中延伸的長度。

在此，將解釋第二四極垂直聚焦電磁鐵30之構造與第一四極垂直聚焦電磁鐵24之構造的比較。圖4B中所示之第二四極垂直聚焦電磁鐵30的延伸長度L2是圖2B中所示之第一四極垂直聚焦電磁鐵24之延伸長度L1的兩倍。第二四極垂直聚焦電磁鐵30繞組212的圈數，與第一四極垂直聚焦電磁鐵24之繞組112的圈數相同。自然，繞組112與212的直徑也相同。第二四極垂直聚焦電磁鐵30之繞組212中流動的激勵電流，與第一四極垂直聚焦電磁鐵24之繞組112中流動的激勵電流相同。結果是，通過第二四極垂直聚焦電磁鐵30之軛鐵210的磁通量密度，與通過第一四極垂直聚焦電磁鐵24之軛鐵110的磁通量密度相同。不過，如前所述，第二四極垂直聚焦電磁鐵30的延伸長度L2是第一四極垂直聚焦電磁鐵24之延伸長度L1的兩倍。因此，當離子射束以相同的速度通過第一四極垂直聚焦電磁鐵24的空間100與第二四極垂直聚焦電磁鐵30的空間200時，通過第二四極垂直聚焦電磁鐵30之空間200的時間周期，是通過第一四極垂直聚焦電磁鐵24之空間100之時間周期的兩倍。如圖2B與圖4B之右側所示，此意指即使當第二四極垂直聚焦電磁鐵30的磁通量密度G1與第一四極垂直聚焦電磁鐵24的相同時，但能有效操作該離子射束之有效磁場段L2'的長度，換言之，具有實現有效磁場效果(有效潛在長度)之均 勻磁場的有效磁場段，變為第一四極垂直聚焦電磁鐵24之有效磁場段L1'的兩倍。與激勵電流成正比之磁通量密度G與有效磁場段L的乘積稱為GL乘積，其構成指示電磁鐵之有效磁場效果的指數。

無論如何，離子射束在通過第二四極垂直聚焦電磁鐵30之空間200之時間周期期間所受到的力，變成為該離子射束通過第一四極垂直聚焦電磁鐵24之空間100之時間周期期間所受之力的兩倍。其結果是，即使當通過第二四極垂直聚焦電磁鐵30之軛鐵210的磁通量密度與通過第一四極垂直聚焦電磁鐵24之軛鐵110的磁通量密度相同，但在第二四極垂直聚焦電磁鐵30處作用於離子射束的聚集力，變成在第一四極垂直聚焦電磁鐵24中作用於該離子射束之聚集力的兩倍。因此，第二四極垂直聚焦電磁鐵30比第一四極垂直聚焦電磁鐵24更能聚集離子射束，且在縱方向聚集離子射束的範圍，比第一四極垂直聚焦電磁鐵24更寬。

圖5的視圖顯示離子射束在縱方向被第二四極垂直聚焦電磁鐵30聚集的行為。如圖5所示，當具有如斷線所指示之被垂直拉長之橢圓形剖面的離子射束前進到第二四極垂直聚焦電磁鐵30之空間200時，該離子射束被第二四極垂直聚焦電磁鐵30之聚集力變成為如影線所指示之具有橫向拉長之橢圓形剖面的離子射束。在此時刻，即使當前進到第二四極垂直聚焦電磁鐵30之離子射束的橢圓形比前進到第一四極垂直聚焦電磁鐵24之空間100的離 子射束大時，但第二四極垂直聚焦電磁鐵30的聚集力為第一四極垂直聚焦電磁鐵24之聚集力的兩倍，且因此，可提供被聚集及被成形為符合設計的離子射束，且可做到入射在射束掃描器36上的是剖面形狀最佳的離子射束。

如前所述，按照該實施例的離子植入設備1，離子射束通過質量分析磁鐵設備22被第一四極垂直聚焦電磁鐵24在縱方向聚集。之後，該離子射束通過停駐電極26，且僅包含預定質量之離子所構成的離子射束通過質量分析狹縫28。通過質量分析狹縫28的離子射束被第二四極垂直聚焦電磁鐵30在縱方向聚集。如前所述，第二四極垂直聚焦電磁鐵30的延伸長度L2為第一四極垂直聚焦電磁鐵24之延伸長度L1的兩倍，且因此，當該離子射束通過第二四極垂直聚焦電磁鐵30時，在縱方向聚集該離子射束的聚集力，為第一四極垂直聚焦電磁鐵24之聚集力的兩倍。因此，當離子射束之剖面形狀因射束能量之高或低、射束尺寸之大或小、射束流密度之大或小、及離子物種之不同或類似原因而有所不同時，雖然第一四極垂直聚焦電磁鐵24之聚集及成形的作用小，但可被有效磁場效果大之第二四極垂直聚焦電磁鐵30聚集及成形為符合設計的離子射束，且可做到以最佳的離子射束入射到射束掃描器36上。即使當質量分析狹縫28之狹縫尺寸不同造成離子射束剖面形狀不同時，也具有類似效果。

以下將參考圖6A及圖6B來解釋聚集與成形從離子源10至加速/減速柱42的離子射束。圖6A係從上側觀看離 子植入設備之主要構成元件及離子射束從其通過的視圖，圖6B係從側方向觀看圖6A之配置關係的視圖。此外，為便於瞭解，所顯示之各構成元件之間，以夠大的間距將彼此隔開。

提取電極12自離子源10所提取的離子射束進入質量分析磁鐵設備22。藉由設置在提取電極12處之提取狹縫的作用，所放射出的離子射束係在縱(垂直)方向聚集及在橫方向發散的離子射束。在質量分析磁鐵設備22處，實施入射離子射束的質量分析，且僅選擇需要的離子物種。藉由提取電極12之垂直聚集透鏡的作用及在質量分析磁鐵設備22之橫方向中凸透鏡的作用，入射在質量分析磁鐵設備22之離子射束在縱方向的射束寬度(直徑)，在質量分析磁鐵設備22的中央位置被最小化，且在橫方向的射束寬度(直徑)被最大化。通過質量分析磁鐵設備22之中央位置的離子射束，在縱方向中的射束寬度被發散，且在橫方向中的射束寬度被聚集。

如上所述，第一四極垂直聚焦電磁鐵24用來在縱方向聚集並在橫方向發散通過質量分析磁鐵設備22之離子射束的射束寬度。亦即，如圖3中的斷線所示，具有在縱方向之射束寬度大(在縱方向中發散)而在橫方向之射束寬度小(在橫方向中聚集)之垂直拉長剖面形狀的離子射束進入第一四極垂直聚焦電磁鐵24。第一四極垂直聚焦電磁鐵24用來在縱方向聚集該離子射束的射束寬度，並在橫方向發散射束寬度，如影線所指示。結果是，在縱方向 發散射束寬度及在橫方向聚集射束寬度的離子射束，在質量分析狹縫28之位置處，在縱方向的射束寬度被最大化，及在橫方向的射束寬度被最小化。當第一四極垂直聚焦電磁鐵24配置在質量分析狹縫28的上游側時，絕大多數具有寬垂直寬度的離子射束能夠通過質量分析狹縫28。此外，在縱方向的分散也能被限制，且絕大部分的離子射束在縱方向從其通過。亦即，可避免不必要的切割及不必要的分散。

由於離子射束在橫方向中已被聚集的射束寬度被改變為發散，因此，通過質量分析狹縫28之離子射束的射束寬度在垂直方向中被聚集。

第二四極垂直聚焦電磁鐵30用來在縱方向聚集通過質量分析狹縫28之離子射束的射束寬度，並在橫方向發散該射束寬度。亦即，如圖5中的斷線所示，具有在縱方向之射束寬度大(在縱方向發散)及在橫方向之射束寬度小(在橫方向聚集)之垂直拉長之剖面形狀的離子射束進入第二四極垂直聚焦電磁鐵30。第二四極垂直聚焦電磁鐵30用來在縱方向聚集該離子射束的射束寬度及在橫方向發散該射束寬度，如影線所示。因此，該離子射束在縱方向中被強烈地聚集，並在橫方向中被發散，亦即，剖面形狀為橢圓形或被橫向拉長之平坦形的離子射束被傳送到射束掃描器36。因此，在稍後所提及具有掃描電極對36a及36b之射束掃描器36的入口附近(圖1A之掃描器抑制電極34的附近)，該離子射束在縱方向的射束寬度被最小 化，且在橫方向的射束寬度被最大化。從此觀點，安裝第二四極垂直聚焦電磁鐵30的部分，以配置在射束線從質量分析狹縫28之出口至入射在射束掃描器36之前的射束線段上，且在該離子射束聚集與發散之中間狀態的位置處為較佳。這是因為離子射束的剖面尺寸(在縱方向的尺寸)以大為佳，以便在縱方向對該離子射束產生大的聚集力。

圖6A與圖6B顯示在提取質量分析磁鐵設備22、質量分析狹縫28、射束掃描器36、及平行透鏡40中央位置等處之離子射束的剖面形狀，並放大以有助於瞭解。關於附加於剖面形狀上的X,Y，符號X指示橫方向及符號Y指示縱(垂直)方向。

射束掃描器36周期性地橫向往復掃描如上述所提供之剖面形狀為橢圓形或被橫向拉長之平坦形的離子射束。該離子射束在進入射束掃描器36之前，先被平行透鏡40再次與射束軌跡線平行。亦即，使該離子射束與偏斜角度0度的軸平行。此外，在平行透鏡40處之離子射束的剖面形狀被構造成近似圓形。來自平行透鏡40的離子射束經由包含一或多個電極的加速/減速柱42被傳送到AEF 52(圖1A)。在AEF 52處，實施關於離子射束之能量的分析，且僅選擇所需能量的離子物種。

同時，雖然在圖1A與圖1B中省略了對其的說明，但其構造可按如下建構。如圖6A及圖6B所示，藉由在質量分析狹縫28與第二四極垂直聚焦電磁鐵30之間的橫方向 中配置用以調整射束位置的轉向線圈Cx，配置位置以毗鄰第二四極垂直聚焦電磁鐵30之入口上游側為較佳，即可在橫方向調整該離子射束。

接下來，雖然將要解釋結合第二四極垂直聚焦電磁鐵30與射束掃描器36的效果，但在此之前將先簡單解釋射束掃描器36的構造及操作。

圖7A的立體圖顯示射束掃描器36的構造。射束掃描器36包括一對彼此面對配置以使離子射束插入於其間的掃描電極36a及36b，並在掃描電極對36a及36b之上游側附近與下游側附近分別配置掃描器抑制電極34及38，以使掃描電極36a及36b插置於其間。射束掃描器36另包括用以限制零電場效應且在與射束軌跡線平行之方向延伸的電場修正電極36－1及36－2，並連接到掃描器抑制電極34及38，且設置於插在掃描電極對36a及36b彼此面對之電極面的空間處。使電場修正電極36－1及36－2位於與掃描器抑制電極34及38相同的負電位。

圖8A至圖8C係解釋射束掃描器36限制零電場效應之操作的視圖，以橫剖面視圖來顯示射束掃描器36，並省略對電場修正電極的說明。

在圖8A中，具有正電荷的離子傳送通過射束掃描器36，被左側具有負電壓的掃描電極36a吸引。另一方面，附於離子射束四周的電子，則被右側具有正電壓的掃描電極36b吸引。因此，通過射束掃描器36的離子射束失去電子，具有正電荷的離子因空間電荷效應而彼此排斥，且 因此，該離子射束傾向發散。由於電子的質量比離子輕，因此，電子的偏轉角度大於離子。

此外，在圖8C中，離子射束通過射束掃描器36，基於與圖8A相同的理由傾向被發散。

另一方面，圖8B顯示離子射束正處於掃描電極對36a及36b所連接之交流掃描電源所施加之電壓正為零的例子。雖然附著於離子射束四周的電子未被掃描電極36a及36b吸引，但藉由來自電場修正電極36－1及36－2之負電場的作用，電子在隨機的方向被射散而未留在離子射束中。因此，離子射束被剩餘電子聚集的傾向受到限制。就此作用來說，電場修正電極36－1及36－2也被稱為零電場電極。

無論如何，藉由電場修正電極36－1及36－2的上述作用，如圖7B中的斷線所示，在射束掃描器36的下游側，無論是在掃描兩端部或掃描中央部，離子射束的剖面形狀都不會改變而成為一致。

按照包括有零電場電極的射束掃描器36，只要掃描電極對36a及36b的射束掃描角度為零度，且左與右掃描電極之間沒有電位差，零電場效應即可做為橫方向聚集機構，藉由零電場效應來減輕以第二四極垂直聚焦電磁鐵30在縱方向中的聚集。

雖然以上已解釋了按照本發明之離子植入設備的較佳實施例，但按照本發明的離子植入設備可做如下的修改。

使第二四極垂直聚焦電磁鐵30在離子射束前進方向 的延伸長度L2為第一四極垂直聚焦電磁鐵24之延伸長度L1兩倍的構造，可藉由在離子射束前進方向直線配置兩個相同之第一四極垂直聚焦電磁鐵24，並以串聯或併聯連接對應之磁鐵心的繞組來實現。

第二四極垂直聚焦電磁鐵30在離子射束前進方向的延伸長度L2，可以為第一四極垂直聚焦電磁鐵24之延伸長度L1的兩倍或更長。

按照實施例，第二四極垂直聚焦電磁鐵30之繞組212的圈數與第一四極垂直聚焦電磁鐵24之繞組112的圈數相同。也可使得在離子射束前進方向之長度彼此相同，但使第二四極垂直聚焦電磁鐵30之繞組的圈數為第一四極垂直聚焦電磁鐵24之繞組圈數的兩倍或更多來取代，磁通量密度可增加，且有效磁場效果可為兩倍或以上。

按照實施例，流到第一四極垂直聚焦電磁鐵24及第二四極垂直聚焦電磁鐵30之繞組的激勵電壓或電流相同。藉由使在離子射束前進方向的延伸長度彼此相同，並使流到第二四極垂直聚焦電磁鐵30之繞組的激勵電壓或電流為流到第一四極垂直聚焦電磁鐵24的兩倍或更多，磁通量密度可增加，且有效磁場效果可為兩倍或以上。

藉由使第二四極垂直聚焦電磁鐵30之磁鐵心的直徑大於第一四極垂直聚焦電磁鐵24的磁鐵心，磁通量密度可增加，且有效磁場效果可為兩倍或以上。

藉由以第一四極垂直聚焦電磁鐵在縱方向聚集離子射束，並以第二四極橫向聚焦電磁鐵在橫方向(左及右)聚 集該離子射束，可建構出以第一四極垂直聚焦電磁鐵在縱方向來聚集離子射束並以第二四極橫向聚焦電磁鐵在橫方向(左及右)來聚集離子射束的構造，能夠供應不同射束條件之最佳離子射束給射束掃描器。射束的不同條件意指離子物種、射束量、射束能量等。

藉由以第一四極橫向聚焦電磁鐵在橫方向聚集離子射束及以第二四極垂直聚焦電磁鐵在縱方向聚集離子射束，能夠供應各種不同射束條件的最佳離子射束給射束掃描器，可建構出以第一四極橫向聚焦電磁鐵在橫方向來聚集離子射束及以第二四極垂直聚焦電磁鐵在縱方向來聚集離子射束的構造。

藉由以第一四極橫向聚焦電磁鐵及第二四極橫向聚焦電磁鐵在橫方向聚集離子射束，能夠供應各種不同射束條件的最佳離子射束給射束掃描器，可建構出以第一四極橫向聚焦電磁鐵及第二四極橫向聚焦電磁鐵在橫方向來聚集離子射束的構造。

雖然實施例被建構成在與離子射束前進之方向正交的水平方向中周期性且往復地掃描離子射束的構造，但也可建構成在除了水平方向以外之特定方向(例如在垂直方向)中周期性且往復地掃描離子射束的構造來取代。

雖然實施例的情況是將本發明應用到單晶圓類型的離子植入設備，但本發明也可應用於批量類型的離子植入設備。

Cx‧‧‧轉向線圈

1‧‧‧離子植入設備

10‧‧‧離子源

12‧‧‧提取電極

14‧‧‧抑制電極

16‧‧‧離子源高電壓源

18‧‧‧端點

19‧‧‧終端電源

20‧‧‧提取電源

22‧‧‧質量分析磁鐵設備

24‧‧‧第一四極垂直聚焦電磁鐵

26‧‧‧停駐電極

27‧‧‧停駐外殼

28‧‧‧質量分析狹縫

30‧‧‧第二四極垂直聚焦電磁鐵

32‧‧‧注入器旗標法拉第杯

34‧‧‧掃描器抑制電極

36‧‧‧射束掃描器

37‧‧‧掃描器外殼

38‧‧‧掃描器抑制電極

40‧‧‧平行透鏡

42‧‧‧加速/減速柱

44‧‧‧抑制電源

46‧‧‧平行透鏡電源

48‧‧‧第一加速/減速柱電源

50‧‧‧第二加速/減速柱電源

52‧‧‧角能量過濾器

54‧‧‧角能量過濾器室

56‧‧‧AEF電極

58‧‧‧晶圓

60‧‧‧電漿噴灑器

62‧‧‧AEF抑制電極

64‧‧‧AEF抑制電極

66‧‧‧永久磁鐵

68‧‧‧撞擊板

70‧‧‧處理室

72‧‧‧可選擇的能量狹縫

74‧‧‧電漿噴灑器

76‧‧‧劑量杯

78‧‧‧射束剖面儀

80‧‧‧3面式射束堆積器

102‧‧‧N極磁鐵心

104‧‧‧N極磁鐵心

106‧‧‧S極磁鐵心

108‧‧‧S極磁鐵心

112‧‧‧繞組

100‧‧‧空間

110‧‧‧軛鐵

200‧‧‧空間

202‧‧‧N極磁鐵心

204‧‧‧N極磁鐵心

206‧‧‧S極磁鐵心

208‧‧‧S極磁鐵心

210‧‧‧軛鐵

212‧‧‧繞組

36a‧‧‧掃描電極

36b‧‧‧掃描電極

36－1‧‧‧電場修正電極

36－2‧‧‧電場修正電極

圖1A的平面概視圖顯示當本發明應用到單晶圓類型之離子植入設備時的構造，及圖1B的視圖從其側面概示圖1A中所示的離子植入設備；圖2A顯示圖1中所示第一四極垂直聚焦電磁鐵的正視圖；及圖2B的視圖顯示第一四極垂直聚焦電磁鐵之兩個電磁鐵的橫剖面，及顯示第一四極垂直聚焦電磁鐵之磁通量密度與在離子射束前進方向中之長度間的關係；圖3的視圖解釋在第一四極垂直聚焦電磁鐵處在縱方向使離子射束聚集的行為；圖4A顯示圖1中所示第二四極垂直聚焦電磁鐵的正視圖；及圖4B的視圖顯示第二四極垂直聚焦電磁鐵之兩個電磁鐵的橫剖面，及顯示第二四極垂直聚焦電磁鐵之磁通量密度與在離子射束前進方向中之長度間的關係；圖5的視圖解釋在第二四極垂直聚焦電磁鐵處在縱方向使離子射束聚集的行為；圖6A係解釋聚集及成形圖1中所示從離子源至加速/減速柱之離子射束的平面視圖，以及圖6B的視圖係從其側面看入圖6A的配置關係；圖7A顯示射束掃描器之構造的立體圖，及圖7B的視圖解釋設置於射束掃描器的電場修正電極；以及圖8A至圖8C係解釋圖7A中所示射束掃描器之操作的視圖。

10‧‧‧離子源

12‧‧‧提取電極

22‧‧‧質量分析磁鐵設備

24‧‧‧第一四極垂直聚焦電磁鐵

28‧‧‧質量分析狹縫

30‧‧‧第二四極垂直聚焦電磁鐵

36‧‧‧射束掃描器

36a‧‧‧掃描電極

36b‧‧‧掃描電極

40‧‧‧平行透鏡

42‧‧‧加速/減速柱

Cx‧‧‧轉向線圈

Claims (19)

1. 一種離子植入設備，包括將離子植入到晶圓的射束線，其中係藉由射束掃描器往復地掃描，照射自離子源提取出並通過質量分析磁鐵設備及質量分析狹縫到達該晶圓之離子射束而將離子植入到該晶圓；其中該離子植入設備被建構以使得藉由設置第一四極聚焦電磁鐵與第二四極聚焦電磁鐵，使該離子射束聚集與成形，其中該第一四極聚焦電磁鐵係設置在從該質量分析磁鐵設備之出口到入射該質量分析狹縫之前之射束線之一段處，該第二四極聚焦電磁鐵係設置在從該質量分析狹縫之出口到入射該射束掃描器之前之射束線之一段處，該第二四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果大於該第一四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果。
2. 如申請專利範圍第1項的離子植入設備，其中該第二四極聚焦電磁鐵之該射束線中的有效磁場段長於該第一四極聚焦電磁鐵的有效磁場段。
3. 如申請專利範圍第1項的離子植入設備，其中該有效磁場效果係由磁通密度來定義。
4. 如申請專利範圍第1項的離子植入設備，其中該有效磁場效果係由具有均勻磁場之有效磁場段的長度來定義。
5. 如申請專利範圍第1項的離子植入設備，其中該有效磁場效果係藉由使得該第二四極聚焦電磁鐵之磁心的直徑大於該第一四極聚焦電磁鐵之磁心的直徑而被增加。
6. 如申請專利範圍第2項的離子植入設備，其中該有效磁場效果係藉由使得在該射束線之方向該第二四極聚焦電磁鐵之磁心長於該第一四極聚焦電磁鐵之磁心而被增加。
7. 如申請專利範圍第3項的離子植入設備，其中該有效磁場效果係藉由使得該第二四極聚焦電磁鐵之繞組的圈數大於該第一四極聚焦電磁鐵之繞組的圈數而被增加。
8. 如申請專利範圍第3項的離子植入設備，其中該有效磁場效果係藉由使得該第二四極聚焦電磁鐵之激磁電壓或電流大於該第一四極聚焦電磁鐵之激磁電壓或電流而被增加。
9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中使得該第二四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果的大小為該第一四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果之大小的2倍或更大。
10. 如申請專利範圍第9項的離子植入設備，其中該第二四極聚焦電磁鐵係藉由在該射束線之方向對準配置兩個與第一四極聚焦電磁鐵相同的構造所構成。
11. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中該第二四極聚焦電磁鐵係由用來在縱方向聚集且在該縱方向聚集該射束線之範圍被加寬的電磁鐵所構成。
12. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁 鐵係分別用來在縱方向聚集的電磁鐵。
13. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁鐵係分別用來在縱方向聚集的電磁鐵及在橫方向聚集的電磁鐵。
14. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁鐵係分別用來在橫方向聚集的電磁鐵及在縱方向聚集的電磁鐵。
15. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中該第一四極聚焦電磁鐵與該第二四極聚焦電磁鐵係分別用來在橫方向聚集的電磁鐵。
16. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中該第二四極聚焦電磁鐵被配置在該離子射束聚集與發散之中間狀態的位置，位在該射束線從該質量分析狹縫之出口至該射束掃描器之入口的該段上。
17. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中該第二四極聚焦電磁鐵係用來在縱方向聚集的電磁鐵；其中該射束掃描器包括配置成被該離子射束插入的掃描電極對、分別設置在該掃描電極對之上游側附近與下游側附近的掃描器抑制電極、以及連接於該等掃描器抑制電極的電場修正電極對，且設置在由該掃描電極對彼此面對之電極面所插入的空間；以及 其中該射束掃描器被製造成當該掃描電極對的射束掃描角度為零時，藉由零電場效應，可當成橫向聚集機構來操作，用以減輕該第二四極聚焦電磁鐵在縱方向的轉換。
18. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的離子植入設備，其中用以在該橫方向調整該離子射束之射束位置的轉向線圈被配置在毗鄰該第二四極聚焦電磁鐵入口之上游側的位置。
19. 一種在離子植入設備中聚集及成形離子射束之方法，該方法被應用於離子植入設備，該離子植入設備藉由利用射束掃描器往復地掃描離子束，照射提取自離子源並通過質量分析磁鐵設備及質量分析狹縫之離子射束，而將離子植入到晶圓，該方法包括下列步驟：藉由第一四極聚焦電磁鐵在縱方向聚集該離子射束，該第一四極聚焦電磁鐵配置在射束線從該質量分析磁鐵設備之出口到入射該質量分析狹縫前之段；以及藉由利用第二四極聚焦電磁鐵在縱方向進一步聚集該離子射束，使得該離子射束能夠被成形為適用於該射束掃描器之剖面形狀，該第二四極聚焦電磁鐵被配置在該射束線從該質量分析狹縫之出口到入射該射束掃描器前之段，且其有效磁場效果大於該第一四極聚焦電磁鐵之有效磁場效果。