TWI479545B

TWI479545B - 利用氣體饋送控制迴路使射束電流穩定

Info

Publication number: TWI479545B
Application number: TW095141657A
Authority: TW
Inventors: Robert Rathmell; Bo Vanderberg
Original assignee: Axcelis Tech Inc
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2015-04-01
Also published as: JP5187582B2; US7361915B2; WO2007064507A1; TW200731359A; JP2009517847A; US20070120075A1

Description

利用氣體饋送控制迴路使射束電流穩定

本發明一般係關於離子植入系統，更明確地說，係關於透過氣體饋送控制迴路來穩定射束電流。

離子植入系統係用於在積體電路製造中利用摻雜物或雜質來摻雜半導體基板的機制。於此等系統中，一摻雜物材料會被離子化並且會從中產生一離子束。該射束會被導向一半導體晶圓或工件的表面處，以便利用一或多個摻雜物元素來植入該晶圓。該射束中的離子會穿入該晶圓的表面，用以於該晶圓中製作電晶體裝置時形成一具有所欲導電率的區域。一典型的離子植入器包含：一離子源，用以產生該離子束；一束線組件，其包含一質量分析設備，用以利用磁場來導引及/或過濾(舉例來說，進行質量解析)該射束內的離子；以及一目標反應室，其含有要被該離子束植入的一或多個半導體晶圓或工件。

離子植入器的優點在於它們可於該矽內達成精確的摻雜物數量與擺放效果。為達到一假定應用所希的植入效果，可能必須改變該等被植入離子的劑量以及能量。該離子劑量係控制一假定半導體材料之被植入離子的濃度。一般來說，高電流植入器係供高劑量植入使用，而中電流植入器則係供用於較低的劑量應用中。另一方面，離子能量則係用於控制離子被植入該工件之中的程度或深度，舉例來說，其可用以於半導體裝置中建立不同的接面深度。

其中一種市售離子植入系統係使用一離子源，其包含一與一植入反應室隔開的來源反應室，於該植入反應室中會利用源自該離子源的離子來處置一或多個工件。於該來源反應室中的一出口開口可讓離子離開該離子源，而使得它們可被塑形、分析、以及加速，用以形成一離子束。該離子束會沿著一已排空的射束路徑被導引至該離子植入反應室，該離子束會於該處撞擊一或多個工件，一般來說通常係圓形的晶圓。該離子束的能量足以讓撞擊到該等晶圓的離子於該植入反應室穿入該些晶圓。因此，此選擇性植入便可製作出一積體電路。

應該明白的係，該離子束的密度或是該射束中每單位面積的離子數量的控制非常重要。舉例來說，吾人可能會希望利用離子來均勻地植入一工件，以便讓形成於該工件之上/之外的多個裝置可以一致且可預期的方式來運作。於其它實例中，吾人可能還會希望於特定的工件或是工件的特定區域中所植入的摻雜離子數量大於其它的工件或是工件的其它區域。無論是在何種情況中，應該要明白的係，在施行製作過程時，通常都會希望降低成本，節省資源，並且提高總處理量及/或生產量。

下文將對本發明的內容進行簡單的摘要說明，以便能夠對本發明的特定觀點產生基本的瞭解。本發明內容之摘要說明並非本發明的大量概述，其目的並不在於確認本發明的關鍵或重要元素，亦並非描述本發明的範疇。更確切地說，其主要目的僅在於以簡單的形式來提出本發明的一或多項概念，用以作為稍後提出之更詳細說明的前文。

本發明的一或多項觀點係關於藉由選擇性調整饋送氣流的單獨參數來穩定一離子植入系統內之一離子束的電流或密度。調整該氣流並不需要調整其它操作參數，從而可簡化該穩定方法。此作法可非常快速地穩定該射束電流，俾使可立刻開始進行離子植入，而且可持續進行而不會遭到中斷。此作法可改良總處理量，同時又可降低相關的植入成本。

為達成前面以及相關目的，下文說明以及附圖詳細提出本發明的特定解釋性觀點以及施行方式。不過，它們僅代表可運用本發明之一或多項觀點的各種方式中的其中數種。配合附圖來閱讀本發明下文中的詳細說明時，將會更明白本發明的其它觀點、優點、以及新穎特點。

現在將參考圖式來說明本發明的一或多項觀點，其中，於所有的圖式中，相同的元件符號通常係用來代表相同的元件，且其中，各種結構並未必依比例繪製。為達解釋目的，於下面的說明中將會提出數種特定細節，以便對本發明的一或多項觀點會有更透澈的瞭解。不過，熟習本技術的人士便可明白，即使僅利用該些特定細節的其中一部份仍可施行本發明的一或多項觀點。於其它實例中，熟知的結構以及裝置將會以方塊圖的形式來顯示，以便幫助說明本發明的一或多項觀點。

如上所述，於半導體製作處理中，會利用帶電的粒子或離子來植入半導體晶圓或工件。由於該等離子之淨正電量或淨負電量的關係，所以，它們便會呈現出所希的電氣特性。當配合半導體處理來運用時，此等被離子化的材料便會被稱為摻雜物，因為它們會「摻雜」或變更基材或是它們被植入之其它層的電氣特性，從而導致該等層會具有所希且可預期的電氣行為。

圖1所示的係可施行本發明的一或多項觀點的一離子植入系統100的一概略方塊圖。該植入系統100包含：一離子源112、一束線組件114、以及一目標或末端站116。該離子源112包括一離子產生反應室120以及一離子抽出(及/或抑制)組件122。一要被離子化的摻雜物材料(圖中未顯示)的(電漿)氣體係被設置在該產生反應室120之中。舉例來說，該摻雜物氣體可能係從一氣體源(圖中未顯示)被饋送至該反應室120之中。能量可透過一電源(圖中未顯示)被供應給該摻雜物氣體，用以幫助在該反應室120內產生離子。應該明白的係，離子源112還可於離子產生反應室120內運用任何數量之合宜機制(圖中並未顯示出任何一者)來激發自由離子，舉例來說，RF或微波激發源、電子束注入源、電磁源、及/或一會於該反應室內創造一弧光放電的陰極。該等已經被激發的電子會撞擊反應室120中的摻雜物氣體分子，並且會因而產生離子。一般來說，會產生正電離子，不過，本發明亦可應用於由離子源112產生負電離子的系統之中。該等離子會透過該反應室120之中的一狹縫118由該離子抽出組件122以可控制的方式被抽出，其中，該離子抽出組件122包括複數個抽出及/或抑制電極124。舉例來說，應該明白的係，該抽出組件122可能包含一抽出電源供應器(圖中未顯示)，用以偏壓該等抽出及/或抑制電極124，以便沿著一軌道來加速該等源自離子源112的離子，其中，該軌道係通往該束線組件114內的一離子質量分析磁鐵128。

據此，該離子抽出組件122便會用來從該電漿反應室120中抽出一離子束126，並且用以加速該等已被抽出的離子使其進入該束線組件114之中，更明確地說，係使其進入該束線組件114內的一質量分析磁鐵128之中。該質量分析磁鐵128係形成在約九十度的角度處，並且會於其中產生一磁場。當該射束126進入磁鐵128之中時，便會因而被該磁場折彎，而使得具有不正確電量質量比的離子會被斥開。更明確地說，電量質量比過大或過小的離子會被偏離130至磁鐵128的側壁132。依此方式，磁鐵128便僅會讓射束126中具有所希電量質量比的離子完全穿越其中。除此以外，其還可能包括控制電子裝置或控制器134，用以調整該磁場的強度或配向。舉例來說，可藉由調節繞行於磁鐵128之場線圈之中的電流的數額來控制該磁場。應該明白的係，控制器134可能包含一可程式化的微控制器、處理器、及/或其它類型的計算機制，用以對系統100進行整體控制(舉例來說，藉由一作業員，先前及/或目前所獲得之資料及/或程式)。

舉例來說，束線組件114可能還包含一加速器136，其包括複數個電極138，該等電極會被排列且偏壓成用以對離子進行加速及/或減速，並且用以聚焦、折彎、及/或淨化該離子束126。進一步言之，應該明白的係，該離子束會撞擊其它粒子，破壞離子束完整性，因而使得從離子源112至末端站116的整個束線組件114(包含質量分析磁鐵128在內)可能會被一或多個唧筒(圖中未顯示)排空。加速器136的下游處係末端站116，其會接收來自束線組件114之已經過質量分析的離子束126。末端站116包含一掃描系統140，其可能包括一支撐體或是末端效應器142，於該支撐體或是末端效應器142上安置著一要被處置的工件144，從而進行選擇性移動。該末端效應器142與工件144係座落在一目標平面之中，該平面通常垂直於離子束126的方向。

工件144會沿著一第一或「快速」掃描路徑174(舉例來說，沿著x軸)在方向154、164中來回地移動(舉例來說，透過末端效應器142)。當工件144沿著第一掃描路徑174進行振盪時時，工件144還會沿著一第二或「慢速」掃描路徑178(舉例來說，沿著y軸)在慢速掃描方向158或是168中移動。舉例來說，於圖1所示的系統100之中，工件144剛完成方向154中的快速掃描，並且準備移動返回通過快速掃描方向164(舉例來說，工件144已被標示於慢速掃描路徑158(或是168)之中)。

於末端站116之中還可併入一量測組件180(舉例來說，法拉第杯)。該量測組件180係被設置在工件144的後面(以便不會影響離子植入的過程)並且會在工件144通過離子束126的時候及/或該射束穿過該工件144內的一孔隙的位置處來量測該射束電流。接著，該量測組件180便會輸出一信號給控制器134，用以表示所測得之射束電流。

於末端站116之中還可能包含一電漿源(圖中未顯示)，用以讓該離子束126沉浸在中和電漿之中，用以減少可能會累積在一目標工件144上的正電荷的數量。舉例來說，電漿淋浴會對因為被該帶電(帶正電)離子束126植入的關係而累積在一目標工件144上的電荷產生中和作用。

根據本發明的一或多項觀點，藉由調整被饋送至該離子產生反應室120之中的氣體便會穩定該射束電流。舉例來說，控制器134可利用取自量測組件180的讀數來選擇性地改變被饋送至反應室120之中的氣體的數額。調整該來源氣流便可穩定該射束電流，而不必調整其它的操作參數。

接著參考圖2，圖中所示的係可施行本發明的一或多項觀點的另一離子植入系統200的概略方塊圖。系統200和圖1的系統100雷同，不過，其更詳細地闡述一離子源。系統200包含一離子源202，用以產生來源離子。於圖中所示的範例中，離子源202包含一陰極204、一陽極206、一鏡電極208、一氣體供應器210、以及來源磁鐵組件212a、212b。於圖中所示的範例中，一電源供應器214以及一弧光電源供應器216會運作用以被耦接至陰極204，而另一供應器218也會運作用以被耦接至來源磁鐵組件212a、212b。

於運作中，氣體供應器210會提供一或更多種前驅氣體(舉例來說，透過一導管220)至離子源202的一區域222之中，於該離子源202之中會產生該等離子。於一範例中，陰極204的形式係一燈絲(舉例來說，由鎢或是鎢合金所製成的一棒體)，其會被電源供應器214加熱(舉例來說，加熱至約凱氏2000度處)，用以於其中激發電子。接著，弧光電源供應器216便會提供額外的能量給陰極204(舉例來說，用以將該陰極加熱至約凱氏2800度處)，以便讓電子從陰極204處跳入該氣體所在的區域222之中。陽極206有助於將該等電子拉引至區域222之中，並且可能包含離子源202的側壁(圖中未顯示)。進一步言之，供應器216可能還會被耦接至陽極206，以便能夠於陰極204與陽極206之間建立一偏壓，用以幫助將該等電子拉引至區域222之中。

鏡電極208會幫助將該等電子維持在區域222之內。明確地說，一被施加至該鏡電極208的偏壓係用來將陰極204所射出的電子斥回區域222之中。同樣地，一由該來源磁鐵於離子源202內所引發的磁場則係用來讓電子維持在區域222內並且讓電子遠離離子源202的側壁(圖中未顯示)。於圖中所示的範例中顯示出該來源磁鐵的兩個組件212a與212b。舉例來說，該些可能代表一磁鐵的複數個線圈及/或一軛部的剖面圖。該等於區域222內環繞的電子會撞擊區域222內的氣態分子，用以創造該等離子。明確地說，以足夠的作用力來撞擊氣態分子的電子會讓一或多個電子從該等分子中被逐出，從而產生帶正電的氣態離子。應該明白的係，由該來源磁鐵所施加的磁場可能係平行於該陰極與鏡電極之間的一直線，用以增長電子路徑長度並且用以幫助懸浮區域222內的一離子與電子漿團。

還應該明白的係，本發明涵蓋且亦可應用於帶負電離子之中。進一步應該明白的係，本發明涵蓋且亦可應用於上述弧光放電源以外的離子源類型之中。舉例來說，一離子源可能包含一RF激發構件，用以產生離子。此離子源揭示於美國專利案第5,661,308號之中，本文以引用的方式將其完整併入。另一額外範例則係，一離子源可能包含一藉由電子束注入來產生離子的激發構件。有時候其亦稱為「軟離子化」類型的離子源。此類離子源的範例揭示於美國專利案第6,452,338號之中，本文同樣以引用的方式將其完整併入。可應用本發明的一離子源的一額外範例則係一含有一微波激發構件來產生複數個離子的離子源。

構成離子束226的離子會經由離子源202中的一狹縫(圖中未顯示)被複數個電極230抽出(舉例來說，於數千伏特處)，該等電極230通常會相對於離子源202被負偏壓。除了從離子源中抽出離子以外，電極230還具有抑制因離子源202之實質正偏壓的關係而被附著至該離子源202的電子的功能。接著，射束226便會進入束導236以及相關的分析磁鐵238之中。於束導236以及分析磁鐵238之中依照一所希的質量電量比被分開之後，射束226便會進入由複數塊平板242所界定的一解析孔隙之中，該解析孔隙會進一步分離非所希的離子種類。接著，射束226便會於沉浸在一電漿之前先碰到另一組電極244，用以中和空間電荷以及可能會累積在一目標工件上的堆積電荷。接著，射束226便會照射在位於一末端站246內的一或多個工件(圖中未顯示)之上。

其還包含一量測組件268(舉例來說，法拉第杯)，且該量測組件的設置位置會使得當離子未被植入該末端站246中的一工件之中時，射束226便會照射於其上。量測組件268會量測射束電流並且提供一用以表示該射束電流的信號給控制器264。根據本發明的一或多項觀點，氣體供應器210會響應於量測組件268所取得的讀數而被調整，以便穩定該射束電流。可以明白的係，氣流速率可由該植入系統的作業員響應於該量測組件268所取得的讀數來手動調整或是由控制器264來自動調整，且此等調整可於一迴授迴路類型的配置中以間歇性或是連續的方式來進行。

應該明白的係，當該植入系統剛開始被啟動用以產生該離子束時，該射束電流可能會出現明顯的波動，且可能會於整個植入過程中持續地波動。就此來說，如本文所述般地穩定該離子束便有助於建立可預測性更高的離子植入效果。和射束電流中的波動有關的其中一項解釋係來源氣體解離，其中，所產生的離子會多於所預測者。更明確地說，通常係使用磷化氫(Ph₃ )作為一來源氣體，用以從中產生正電離子。不過，該離子源的內壁表面則包括鉬。舉例來說，磷化氫分子能夠與鉬進行反應，用以解離成H與P(氫與磷)及/或H與PH₂ ，它們能夠在反應室內的弧光電漿中被該等電子輕易地離子化。磷化氫特別容易於該離子源內各部件的高溫處(例如攝氏400至1000度)進行解離。因為此解離所產生的額外離子便可能會增加該射束電流達成穩定所花費的時間數額(舉例來說，高達十分鐘甚至更長)。

舉例來說，接著參考圖3，圖中所示的係一離子束302達成穩定所花費的時間數額的關係圖300，其中，該離子植入系統係由先前用來產生一所希射束電流(舉例來說，其具有一所希密度)的一組記錄參數來啟動，而並未調整參數以於建立該等初始條件之後來主動控制射束電流。從圖中可以看出，射束302於約200秒處開始達成穩定，並且於約800秒處會逐漸越來越穩定於10毫安培附近處。該射束電流中的變化可能和數項因素具有函數關係，其中數項因素的可量測性會大於其它因素，例如離子源304以及抽出電流306內的壓力，其中，該抽出電流會對應於在對該離子源進行偏壓的一高電壓電源供應器中從該離子源流出的總電流，或者更確切地說會對應於相對於終端電位/抽出電壓來對該離子源進行偏壓的電源供應器上的總電流負載。舉例來說，無法輕易量測的因素則可能包含，磷與磷化氫、PH₂ 、或是離子源內其它污染物...等的比值。

現在參考圖4，圖中所示的係射束電流402的變化和抽出電極相對於該離子源內之一狹縫的配向的函數關係圖400。更明確地說，介於該抽出電極與該離子源出口狹縫之間的距離會被改變，以調整射束電流402。圖4中係以一「間隙」關係圖404來表示此距離變化。從圖中所示的範例中可以看出，該抽出電極於前面約200秒中會移動，以便急速地將射束電流402提高至約8毫安培處。不過，一旦該電極保持靜止之後且該間隙關係圖404因而沒有斜率之後，那麼該射束電流便會開始平穩地下降(舉例來說，於約800秒之後下降至略低於4毫安培)。接著，該抽出電極便會再度移動，用以將該射束電流回升至約9毫安培，而後，該電流便會達成穩定並且維持相當地恆定。不過，依此方式來調整操作參數以調節射束電流可能會出現問題。舉例來說，劑量的植入均勻性必須要維持(舉例來說，當該工件於圖1的方向154、164之中移動時)。舉例來說，一旦調整該間隙之後，那麼便必須(重新)調整光學元件，然後便必須(重新)調整弧光電流，依此類推。因此，可以明白的係，依此方式藉由中斷植入以重新調整該射束電流(於多個間隔處)來達成所希的離子植入效果可能係一項沒有效率且非常耗時的技術。

圖5所示的係根據本發明一或多項觀點，僅藉由調整來源氣流所達成之射束電流502的穩定的函數關係圖500。更明確地說，除了僅等待該射束電流如圖3中所示般地自然穩定或是如圖4中所示般地多次(重新)調整多項參數，亦可調整一饋送氣體的流動來穩定該射束電流，而不必對其它操作參數進行一或多次調整。和圖3中所示的情況相同，圖5中的植入系統係由先前用來產生一所希射束電流的複數個記錄操作參數值來啟動。和前面相同，該射束電流502、該離子源內的壓力504、以及抽出電流506剛開始會略為不穩定。不過，於約200秒處，該射束電流會藉由調整(舉例來說，提高)該氣流而被強制成約10毫安培的所希位準處，接著，便會選擇性地重新調整(舉例來說，透過一迴授迴路來進行)該氣流速率，用以將該射束電流維持在所希的位準處(約10毫安培)。應該明白的係，此處所述之藉由調整該來源氣體流速以穩定射束電流係一較佳的穩定技術，因為該射束電流中的波動可能主要係肇因於和該來源氣體有關的問題，例如硫化氫解離。依此方式，此處所述的技術可解決或減輕該問題來源，而非僅試圖處理其負面效應，例如，該情況可能係選擇性地調整該來源氣體流速以外的操作參數(舉例來說，弧光功率及/或電極間隙)。

應該注意的係，抽出電流506和圖5中的射束電流502成正比。據此，應該明白的係，抽出電流506還可僅藉由調整該氣流速率而被調節或達成穩定。本發明可能會希望調節該抽出電流，因為其它的因素可能會曲解該束線末端處之射束電流的量測值。舉例來說，該法拉第杯通常係被設置在工件的後面並且會在工件通過該射束之後或是當該射束穿過該工件中的一開口或是其它類型孔隙的時候來量測該射束電流。不過，該射束與該工件的的相互作用可能會將電流讀數略為「假性」提昇或下拉。舉例來說，當該射束照射在該工件上的光阻材料時，該光阻材料的一部份便可能會被蒸發並且可產生能夠中和部份該射束以及變更該末端站中之壓力的氣體，接著，其便可能會假性降低射束電流讀數。在該射束電流和該抽出電流大體上成正比的前提下，將該抽出電流維持在一所希位準處便可穩定該末端站處的射束電流，而不必理會外部因素以及它們相關的「假性」效應。

雖然上文已經針對一或多種施行方式來顯示與說明過本發明，不過，熟習本技術的人士於閱讀且瞭解本說明書及附圖之後將可對本發明進行變更與修正。本發明包含所有此等修正與變更且僅限制於下文申請專利範圍之範疇。尤其是針對上述組件(裝配件、裝置、電路、...等)所實施的各項功能來說，除非特別提及，否則用來說明此等組件的詞語(包含「構件」相關詞在內)均希望涵蓋能夠實施所述組件之指定功能的任何組件(也就是，具有等效功能的組件)，即使結構上不等同於本文中所圖解之本發明示範實行方式中用來實施該項功能的揭示結構亦無妨。此外，雖然於數種實施例的每一實施例中均僅揭示本發明的某項特殊特點，不過此項特點卻可結合其它實行方式中的一或多項其它特點，此為任何假定或特殊應用所期望達成且相當有利者。再者，詳細說明以及申請專利範圍中均用到「包含」、「具有」等詞語，甚至其變化詞語，此等詞語均與「包括」一詞雷同，具有包容之意。另外，本文中「示範」一詞的目的僅在於表示某一範例，而並非在於表示其最適性。

100．．．離子植入系統

112．．．離子源

114．．．束線組件

116．．．末端站

118．．．狹縫

120．．．離子產生反應室

122．．．離子抽出/抑制組件

124．．．抽出/抑制電極

126．．．離子束

128．．．離子質量分析磁鐵

130．．．被偏離的離子束

132．．．磁鐵128的側壁

134．．．控制器

136．．．加速器

138．．．電極

140．．．掃描系統

142．．．末端效應器

144．．．工件

154．．．掃描方向

158．．．掃描方向

164．．．掃描方向

168．．．掃描方向

174．．．掃描路徑

178．．．掃描路徑

180．．．量測組件

200．．．離子植入系統

202．．．離子源

204．．．陰極

206．．．陽極

208．．．鏡電極

210．．．氣體供應器

212a．．．來源磁鐵組件

212b．．．來源磁鐵組件

214．．．電源供應器

216．．．弧光電源供應器

218．．．供應器

220．．．導管

222．．．離子源202中的一區域

226．．．離子束

230．．．電極

236．．．束導

238．．．分析磁鐵

242．．．平板

244．．．電極

246．．．末端站

264．．．控制器

268．．．量測組件

圖1所示的係可施行本發明的一或多項觀點的一離子植入系統的一概略方塊圖。

圖2所示的係可施行本發明的一或多項觀點的一離子植入系統的另一概略方塊圖。

圖3所示的係射束電流之自然穩定的一關係圖。

圖4所示的係射束電流穩定與電極對離子源配向的函數關係圖。

圖5所示的係根據本發明一或多項觀點之射束電流穩定與來源氣流之調整的函數關係圖。