TWI490909B - 離子植入系統中所使用的電極用終端 - Google Patents

Description

離子植入系統中所使用的電極用終端

本發明之實施例是關於離子植入。特別是，本發明是關於用以控制不需要的離子束偏差的離子植入工具中所使用的電極用終端。

離子植入是將離子摻入工件(work piece)的製程。離子植入之一種型態是，在半導體基板的製程中用以植入雜質離子，以得到所需的電子元件特性。一般而言，摻入砷或磷能在基板中形成n型區，而摻入硼、鎵或銦則能在基板中建立p型區。

圖1中繪示示範性植入機100，其包括離子源室(ion source chamber)102及將離子束引導到晶圓或基板上的一系列的離子束線(beam line)構件。這些構件處於真空環境並用以提供淺離子植入用的低能量的離子劑量濃度。尤其是，植入機100包括一離子源室102，離子源室102用以產生所需的離子種類。離子源室102具有由電源101所供能的相關加熱絲，以將被引入離子源室102的進料氣體(feed gas)離子化，以形成帶電離子及電子(電漿)。加熱部件例如是間接加熱式陰極。不同的進料氣體被提供給離子源室以產生具有特別摻雜特性的離子。透過標準的三個萃取電極的組態而自離子源室102萃取出離子，此組態用以建立所需的電場以讓自離子源室102萃取出的離子束95 能夠對焦。離子束95通過質量分析室(mass analyzer chamber)106，質量分析室106具有一磁鐵並能夠只讓具有所需的荷質比的離子通過解析孔徑(resolving aperture)。尤其是，分析室的磁鐵包括一彎曲路徑，在此彎曲路徑中離子束95暴露於施加的(applied)磁場，此磁場使具有非所需的荷質比的離子能夠轉向且離開離子束路徑。減速區(deceleration stage)108(亦被稱為減速透鏡)包括具有經定義的孔徑的多個電極(例如三個)，減速區108並輸出離子束95。準直儀磁性室110(collimator magnet chamber)配置於減速區108的下游，並用以使離子束95轉向而成為具有平行軌跡的帶狀離子束。磁場可用來調整通過磁鐵線圈的離子的轉向。帶狀離子束朝向附於支撐件或平台的工件。額外的減速區112亦可被使用並配置於準直儀磁性室110(collimator magnet chamber)及支撐件之間。減速區112(亦被稱為減速透鏡)亦可包括多個電極(例如三個)，以藉由所需的能量水平(energy level)將離子植入基板內。因為離子與基板中的電子和原子核碰撞時離子會損失能量，離子會基於加速能量而停在基板中的所需的深度。

帶狀離子束通常與由平台支撐的工件垂直，以將離子植入工件的晶格。離子植入的深度是取決於離子植入能量及離子質量。尺寸較小的電子裝置需要高離子束電流密度以低能量水平(例如2keV)來作植入的操作。一般而言，因為空間電荷(space charge)效應所導致的離子束”放大”(blow-up)，低能量離子束通過離子植入機時會偏離。此 效應是由離子束中的正電離子的互斥而使離子束的橫截面偏離及擴大所導致。因此，變得常見的是，自電漿萃取離子束並分析所需的相當高能量的離子，接著僅在離子束線的末端附近將離子束減速至最終能量。此由減速透鏡實現。藉由施加不同的電位組合給多個電極，減速透鏡(108、112)控制與離子束95相關的離子能量，並讓離子束以所需的能量水平來撞擊此工件以控制植入。尤其是，當離子束中的離子通過各個透鏡時，可利用減速透鏡(108、112)使離子束中的離子減速卻不會改變離子束的方向。然而，施加於電極以使離子束減速的電位亦產生在電極邊緣的等電位線偏移，此偏移使離子束的形狀失真或擴散。此問題通常出現在上述的帶狀離子束高電流工具，但亦出現在針對高電流、中電流或高能量應用的掃瞄式離子束工具。在這些情況中，藉由狹窄的筆形離子束(pencil beam)來作高頻地前後掃瞄，能夠產生寬尺寸的有效離子束。

為了校正或降低這些偏差，以前的作法是，改變電極之間的幾何關係(geometry)。例如，彎曲或斜置減速透鏡中的電極邊緣，以使離子束對焦並抵銷擴散效應。此嘗試的效果有限。或者，調整電極讓離子束變得更寬，而使這些偏差出現在離子束路徑之外。然而，當電極的寬度受限於植入機內的真空室的機械結構，這可能有用。因此，有需要的是，讓透鏡具有多個電極以終止橫跨離子束路徑的電極的相關靜電電場，而離子束穿過透鏡時卻不會引發使離子束光學失真的偏差。

本發明之示範性實施例提出用於離子植入機的靜電透鏡。在一示範性實施例中，靜電透鏡組件包括一終端電極、一接地電極、一抑制電極、一端板。終端電極接收頂部及底部之間的一離子束。接地電極使離子束離開頂部及底部之間的靜電透鏡組件。抑制電極配置於終端電極及接地電極之間，並由一頂部及一底部所界定，其中離子束被傳送於頂部及底部之間。抑制電極具有一相關靜電等電位線。端板配置於抑制電極的頂部及底部的離子束邊緣之間，端板具有對應於與抑制電極相關的靜電等電位線的一形狀，抑制電極接近透鏡的中間。使以此方式的對電極端板塑形能確保電場及其導致的離子對焦在離子束的寬度方面是均勻的。

現在以下列的特舉實施例並配合所附圖式對本發明作詳細說明。然而，本發明可用多種方式實現，並不限於在此揭露的實施例。這些實施例用來使本揭露深入並完整，並讓所屬技術領域中具有通常知識者能夠充分瞭解本發明之範圍。在圖式中，類似的標號代表類似的元件。

圖2繪示為具有終端電極(terminal electrode)210、抑制電極(suppression electrode)220及接地電極(ground electrode)230的如圖1中所示的示範性靜電透鏡108或112的透視圖。每個電極210、220及230是由各個頂部210a、 220a、230a及底部210b、220b、230b所界定，其中頂部與底部在y方向相隔一距離。此距離界定出介於每一電極的各個頂部及底部之間的一孔徑(aperture)，離子束95在x方向具有寬度並在y方向具有高度，離子束95從z方向通過透鏡。抑制電極220被繪示為單一拱形(arcuate)電極，但亦可為被偏壓在多個電位的分段(segmented)電極。或者，抑制電極可為非分段電極。每個終端電極210、抑制電極220及接地電極230的頂部與底部之間的電壓差皆可用來讓離子束95在通過透鏡時轉向。或者，每個電極的頂部與底部之間的電壓差可耦接以共用相同的電位。

靜電透鏡108(在此透鏡將被稱為108，但此標號等用於透鏡112)可為減速透鏡(deceleration lens)，減速透鏡用以讓離子束95減速而使離子束以所需的植入能量撞擊一目標工件。一電位被施加於終端電極210、抑制電極220及接地電極230以控制離子束通過靜電透鏡時的離子能量。尤其是，離子束95的初始能量可為10-20keV，離子束95通過具有特定電位的終端電極210而進入靜電透鏡。離子束95中的離子可在終端電極210及抑制電極220之間被加速，並可具有例如是30keV的能量。抑制電極被偏壓在負電位，接地電極230被偏壓在比終端電極更高的電壓，因此離子從抑制電極220移動到接地電極230時會減速。離子束95的能量可為3-5keV，當離子束95通過接地電極230而離開靜電透鏡時，離子束的能量可能會更低。然而，當離子能量在抑制電極及接地電極之間被降低 時，離子束95至少在x方向的電極的邊緣趨向擴展或偏離。

圖3繪示為圖2所示的電極的俯視圖且包括用以說明與終端電極210、抑制電極220及接地電極230相關的示範性電位的虛線240。離子束95以z方向通過透鏡且是由0°的中線95a及往x方向偏離的外部邊緣95b(例如與中線95a相差8°)及95c(例如與中線95a相差-8°)所界定。當離子束以z方向通過透鏡時，關於區域250的抑制電極220的等電位線240與中線95a處的離子束軌跡實質上互相垂直。然而，在離子束95的邊緣95b及95c，離子束軌跡與離子束線沒有互相垂直。例如，離子束線95b並不垂直於與抑制電極220相關的箭頭251、252、253及255所指定的等電位區，。此外，離子束線95b並不垂直於與終端電極210相關的箭頭254所指定的等電位區。這指出離子束在x方向的電極的邊緣並沒有保持均勻度，離子束95的離子經由抑制電極220及接地電極230而通過透鏡時將會改變方向。這是由於電極的邊緣的偏差，例如由箭頭251、252、253、254及255所示。當離子束95通過透鏡時，這些偏差會使離子束形狀失真。當離子束95通過終端電極210時，離子束95不會明顯地偏離中線95a，所以終端電極210的邊緣211及212的偏差不會落在離子束95的路徑之內也不會違背離子束光學。

圖4繪示為沿著圖3的中線95a的A-A方向的終端電極210、抑制電極220及接地電極230之分段剖面圖，並特別說明各個頂部210a、220a、230a及底部210b、220b、 230b之間的端板。尤其是，端板320配置於抑制電極220的頂部220a及底部220b之間。抑制電極220可被偏壓，例如，被偏壓在低於終端電極210的電位。這建立一個相對大的電場，當離子束95在透鏡內自終端電極210朝著抑制電極220移動時，此電場會加速離子束95的正離子。端板320可為鄰近於抑制電極的第一邊緣221(如圖3所示)的一第一端板，並具有配置於頂部220a及底部220b之間且鄰近於抑制電極220的第二邊緣222(如圖3所示)的對應的端板。可以看出，端板320大致上為具有一對相對的彎曲部321的沙漏形狀，此對相對的彎曲部321藉由橫截部322而連接。為了維持離子束通過靜電透鏡時離子束在x方向的均勻度，端板320的形狀對應於與抑制電極220相關的靜電等電位線。端板實質上必須是堅固的，且可用於頂電極的支撐。端板320是由導電材料構成，例如鋁和/或石墨。因為端板320皆為電性導體，當離子束95通過電極時，端板320施加邊界條件在抑制電極220的各個邊緣(221及222)的導體表面。以此方式，利用一形狀與中間電極附近的施加的等電位線類似的端板，可維持離子束通過透鏡時在x方向往抑制電極的邊緣的離子束95的均勻度。

端板330配置於接地電極230的頂部230a及底部230b之間。端板330的形狀對應於與接地電極230相關的靜電等電位線。如上所述，接地電極可被偏壓，例如，被偏壓在等於或近似於用以接收離子束95的目標工件的電位。在此實施例中，接地電極230被偏壓在接地電位，以使植入 用的離子束95中的離子減速。圖4中的端板330可為鄰近於接地電極的第一邊緣221(如圖3所示)的第一端板，並具有配置於頂部230a及底部230b之間且鄰近於接地電極230的第二邊緣232(如圖3所示)的對應的端板。可以看到，端板330大致上具有朝向抑制電極220的一內凹部331。為了維持離子束通過靜電透鏡時離子束在x方向的均勻度，端板330的形狀對應於與接地電極230相關的靜電等電位線。類似抑制端板320，接地電極端板330是由導電材料構成，例如鋁和/或石墨。接地電極端板330施加邊界條件在接地電極230的導體表面上。以此方式，利用一形狀與接地電極的等電位線類似的端板330，可維持離子束通過透鏡時沿著x方向的離子束95的均勻度。

端板310配置於終端電極210的頂部210a及底部210b之間。終端電極210可被偏壓，例如，被偏壓在與即來的離子束95相同或類似的電位。如上所述，當離子束95通過終端電極210時，離子束95不會明顯地偏離中線95a(如圖3所示)。在終端電極210的邊緣211及212的等電位線的偏差則自x方向的離子束95的路徑中被大幅地移除，且此偏差不會影響通過此電極的離子。因此，在此示範性實施例中，端板310則不需要特別的形狀來維持離子束的均勻度。

圖5繪示為一示範性實施例之電極的底部及相關端板的位置之俯視切面圖。尤其是，離子束95通過終端電極210而進入透鏡118並沿著z方向移動。終端電極210包 括位於第一邊緣211的端板310a及位於第二邊緣212的端板310b。抑制電極220配置於終端電極210及接地電極230之間。抑制電極220被繪示為具有三個部分或三個分段的分段電極220₁、220₂及220₃，但抑制電極220亦可為單一拱形電極。端板320a位於抑制電極220的第一邊緣221，端板320b位於抑制電極220的第二邊緣222。第一邊緣221與分段220₁相關，第二邊緣與分段220₃相關。然而，抑制電極220亦可為不分段的電極，而具有單一組態。在此示範性實施例中，端板320a及320b與z方向的離子束軌跡之間的夾角為角度。端板320a及320b的位置被繪示在抑制電極的邊緣，以提供廣對焦的離子束。或者，端板320a及320b可被置於更接近離子束95的中線95a的地方，以提供對焦更準的離子束軌跡。端板330a位於接地電極230的第一邊緣231，端板330b位於接地電極230的第二邊緣232。端板330a及330b與z方向的離子束軌跡之間的夾角為角度β。

雖然本發明已以實施例揭露如上，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，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。據此，本發明並不限於已揭露的實施例，但其具有後附之申請專利範圍所界定者或其等效者的全部範圍。

95‧‧‧離子束

95b、95c‧‧‧離子束邊緣

100‧‧‧離子植入工具

101‧‧‧電源

102‧‧‧離子源室

106‧‧‧質量分析室

108、112‧‧‧減速區

110‧‧‧磁性分析器

210‧‧‧終端電極

220‧‧‧抑制電極

230‧‧‧接地電極

210a、220a、230a‧‧‧頂部

210b、220b、230b‧‧‧底部

211、212、222、232、221、231‧‧‧電極邊緣

220₁、220₂、220₃‧‧‧電極

240‧‧‧等電位線

250‧‧‧區域

251、252、253、254、255‧‧‧箭頭

310、320、330‧‧‧端板

322‧‧‧橫截部

321‧‧‧彎曲部

331‧‧‧內凹部

圖1繪示為習知的離子植入工具的方塊圖。

圖2繪示為根據本發明之實施例之示範性靜電透鏡的透視圖。

圖3繪示為根據本發明之實施例之圖2所示的電極且說明相關的示範性電位的俯視圖。

圖4繪示為根據本發明之實施例之用以說明端板組態的沿著電極的A-A線的分段剖面圖。

圖5繪示為根據本發明之實施例之電極的底部及相關端板之俯視切面圖。

95‧‧‧離子束

95b、95c‧‧‧離子束邊緣

210‧‧‧終端電極

211、212、222、232、221、231‧‧‧電極邊緣

220‧‧‧抑制電極

220₁、220₂、220₃‧‧‧電極

230‧‧‧接地電極

240‧‧‧等電位線

250‧‧‧區域

251、252、253、254、255‧‧‧箭頭

Claims (17)

1. 一種靜電透鏡組件，用於離子植入機，所述靜電透鏡組件包括：終端電極，由頂部及底部所界定，所述終端電極的所述頂部及所述底部皆具有各別的邊緣，所述終端電極接收所述終端電極的所述頂部及所述底部之間的離子束；接地電極，由頂部及底部所界定，所述接地電極使所述離子束離開所述接地電極的所述頂部及所述底部之間的所述靜電透鏡組件；抑制電極，由頂部及底部所界定，其中所述離子束被傳送於所述抑制電極的所述頂部及所述底部之間，所述抑制電極配置於所述終端電極及所述接地電極之間，所述抑制電極具有相關靜電等電位線；以及端板，配置於所述抑制電極的所述頂部及所述底部的各別邊緣之間，其中所述端板的形狀與靠近於所述抑制電極中央的一靜電等電位線類似，其中所述端板具有沙漏形狀。
2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電透鏡組件，其中當所述離子束以z方向穿過所述靜電透鏡組件時，所述離子束是由x方向的寬度及y方向的高度所界定，所述離子束穿過所述靜電透鏡組件時，所述端板降低與所述離子束相關的x方向的偏差。
3. 如申請專利範圍第2項所述之靜電透鏡組件，其中所述端板為第一端板，所述第一端板位於所述抑制電極的 第一端，所述靜電透鏡組件更包括第二端板，所述第二端板位於所述抑制電極的第二端並配置於所述抑制電極的所述頂部及所述底部之間，所述第二端板具有對應於與所述抑制電極相關的所述靜電等電位線的形狀。
4. 如申請專利範圍第3項所述之靜電透鏡組件，其中所述抑制電極的所述頂部以y方向偏離所述抑制電極的所述底部，所述抑制電極的所述頂部及所述底部具有電壓差而使傳送於其間的所述離子束轉向。
5. 如申請專利範圍第3項所述之靜電透鏡組件，其中所述接地電極的所述頂部以y方向偏離所述接地電極的所述底部，所述接地電極的所述頂部及所述底部具有電壓差而使傳送於其間的所述離子束轉向。
6. 如申請專利範圍第1項所述之該靜電透鏡組件，其中所述終端電極、所述抑制電極及所述接地電極被偏壓，以當所述離子束穿過其間時將所述離子束減速。
7. 如申請專利範圍第1項所述之靜電透鏡組件，其中所述接地電極具有相關靜電等電位線。
8. 如申請專利範圍第7項所述之靜電透鏡組件，其中所述端板為第一端板，所述靜電透鏡組件更包括第二端板，所述第二端板配置於所述接地電極的所述頂部及所述底部之間，所述第二端板具有對應於與所述接地電極相關的所述靜電等電位線的形狀。
9. 如申請專利範圍第2項所述之靜電透鏡組件，其中所述端板是由導電材料構成，使得與所述抑制電極相關的 所述靜電等電位線和以z方向穿過所述靜電透鏡組件的所述離子束實質上成直角。
10. 如申請專利範圍第2項所述之靜電透鏡組件，其中所述離子束沿著z方向的中間平面穿過所述靜電透鏡組件，所述端板與所述中間平面成銳角。
11. 如申請專利範圍第3項所述之靜電透鏡組件，其中所述離子束沿著z方向的中間平面穿過所述靜電透鏡組件，位於所述第二端的所述第二端板與所述中間平面成銳角。
12. 一種靜電透鏡組件，用於離子植入機，所述靜電透鏡組件包括：終端電極，由頂部及底部所界定，終端電極接收所述終端電極的所述頂部及所述底部之間的離子束；接地電極，由頂部及底部所界定，所述接地電極使所述離子束離開所述接地電極的所述頂部及所述底部之間的所述靜電透鏡組件，所述接地電極具有相關靜電等電位線；抑制電極，由頂部及底部所界定，其中所述離子束被傳送於所述抑制電極的所述頂部及所述底部之間，所述抑制電極配置於所述終端電極及所述接地電極之間；以及端板，配置於所述接地電極的所述頂部及所述底部之間，其中所述端板的形狀與所述接地電極相關的所述靜電等電位線類似，其中所述端板具有大致上朝向所述抑制電極的一內凹部。
13. 如申請專利範圍第12項所述之靜電透鏡組件，其 中當所述離子束以z方向穿過所述靜電透鏡組件時，所述離子束是由x方向的寬度及y方向的高度所界定，所述端板降低所述離子束穿過其間時在x方向的分散度。
14. 如申請專利範圍第12項所述之靜電透鏡組件，其中所述端板為第一端板，所述第一端板位於所述接地電極的第一端，所述靜電透鏡組件更包括第二端板，所述第二端板位於所述接地電極的第二端並配置於所述接地電極的所述頂部及所述底部之間，所述第二端板具有對應於與所述接地電極相關的所述靜電等電位線的形狀。
15. 如申請專利範圍第13項所述之靜電透鏡組件，其中所述端板是由導電材料構成，使得與所述抑制電極相關的所述靜電等電位線和以z方向穿過所述靜電透鏡組件的所述離子束實質上成直角。
16. 如申請專利範圍第13項所述之靜電透鏡組件，其中所述離子束沿著z方向的中間平面穿過所述靜電透鏡組件，所述端板與所述中間平面成銳角。
17. 如申請專利範圍第14項所述之靜電透鏡組件，其中所述離子束沿著z方向的中間平面穿過所述靜電透鏡組件，位於所述第二端的所述第二端板與中間平面成銳角。