TWI512795B - 離子佈植方法及離子佈植機 - Google Patents

Description

離子佈植方法及離子佈植機

本發明關於一離子佈植法，特別是將一離子束截面特徵分析儀(ion beam profiler)應用在離子佈植方法中。

如圖1所示，一離子佈植機使用燈絲(filament)100，在離子源腔(source chamber)200內將原子(atoms)離子化(ionize)以及/或者使原子團(atom clusters)形成離子(ions)以及/或者離子簇(ion clusters)。電場加速離子/離子簇加速形成一離子束610(ion beam)，接著將離子束610引進通道300(channel)。通過質譜儀400(mass spectrometer)後，被過濾(filtered)的離子束610的離子/離子簇就具有一特定的荷質比(charge-mass ratio)。最後，將離子束610射入佈植腔500(implantation chamber 500)並且撞擊在晶圓520的表面。一基座靶(target base)510配置在佈植腔(implantation chamber)500內用以承載晶圓520，並且將一法拉第杯(Faraday cup)600耦合至佈植腔500，用來偵測射束電流(beam current)。射束電流量可藉由一離子束電流偵測器700讀取，例如一安培計。

參照圖2A，離子束持續撞擊在晶圓上形成一佈植線。該離子束由聚焦透鏡(磁場)所控制，或者藉由基座靶移動晶圓，使離子束在晶圓上向前掃描、位移一間距、向後掃描、位移一間距、向前掃描...，然後在晶圓面上形成複數條平行的佈植線。當晶圓表面的掃描動作結束後，將晶圓旋轉一個角度，繼續重覆晶圓表面上的掃描操作。該旋轉角度可以是90°、60°或者45°...，這些角度分別被稱為四分位、六分位、八分位...的掃描模式。位移的間距被稱為一節距(pitch)，圖式標示為S，節距S等同於兩相鄰佈植線的間距，一次的掃描操作程序被稱為一次佈植，其可形成一平行佈植線組，該掃描方向以及位移方向分別被標示為X-方向及Y-方向。參照圖2B，當掃描路徑沒有通過晶圓面的中心 時，所形成的佈植線亦不會通過晶圓中心。晶圓中心與掃描線之間的距離被稱為一位移距離，被標示為δ 。該位移距離δ 與晶圓中心到最靠近晶圓中心的佈植線之間的距離相等。

無論哪種佈植模式，最重要的是0°的佈植線群與180°的佈植線群相互平行，並且該兩群組佈植線明顯地影響著晶圓的離子佈植劑均勻度。此發明提出了一節距變位(pitch shift)△(DELTA)，也就是當晶圓旋轉且下一次佈植開始時的晶圓的變位距離。運用該節距變位△可避免離子佈植劑不均勻(non-uniform)的情形產生。在特定掃描條件下，可藉由控制節距變位以及位移距離δ 改善離子佈植劑的均勻度。

為求進一步了解，下列討論內容為四分位佈植模式。圖3A繪述了δ =S/2及節距沒有變位(△=0)的佈植線，而圖4A則繪述了δ =S/2以及△=S/2的佈植線。圖4B及圖3B分別顯示出，在δ =S/2的條件下，△=S/2的離子佈植劑的均勻性較△=0為佳。因為當△=S/2時，旋轉角度為0°與180°的佈植線會重疊一起。

上述分析是基於離子束截面特徵(ion beam profile)呈一理想高斯分佈(ideal Gaussian distribution)的假設上，如圖7A所示，一佈植線的線心(centroid)位在離子束心上，在Y方向上具有一定線寬(spreading)，該線寬相對於線心呈對稱，且該佈植線為一直線。圖示中，線心與離子束心的距離被標示為CT(centroid)，SP則是線寬(spreading)。可惜的是，實際上的離子束截面特徵並非呈一理想高斯分佈，如圖7B所示。該線心沒有與離子束心重疊一致、線寬與線心不對稱、佈植線並非一直線，並且上述條件都低於佈植品質及離子佈植劑的均勻度。

本發明的發明人提供一新方法來改善離子佈植劑的均勻度，該方法描述及解說如下。

依據本發明的一觀點提供了一種離子佈植方法。該方法包含了離子 束截面特徵、依據偵測所得之離子束截面特徵計算出離子佈植劑的截面特徵(dose profile)、測定離子束位移距離以及佈植離子。

依據本發明的一觀點，經測定取得的位移距離可被應用在所有的離子佈植過程，例如所有的旋轉角度。

依據本發明的一觀點，經測定的位移距離僅可被應用於一次佈植，例如位移距離被使用於一旋轉角度，接著位移距離將被再次測定並應用在下個旋轉。

依據本發明的一觀點，離子束截面特徵包含離子束位置、離子離子束密度以及離子離子束形狀。

依據本發明一觀點，使用一離子離子束截面特徵分析儀偵測離子束截面特徵、計算離子佈植劑分佈以及測定位移距離。該離子束截面特徵分析儀可以是一維、二維或者斜角離子束截面特徵分析儀(angle beam profiler)。

在二分位、四分位、六分位、八分位模式離子佈植法中(佈植模式)，運用一離子束的位移距離δ以及節距變位△改善了離子佈植劑的均勻度。一般來說，△=0並且δ=S/2或者S/4，S為一節距，也就是兩相鄰佈植線之間的距離。當然，該節距變位△可以是別的數值，該數值非用以限制本發明。無論哪種佈植模式，離子佈植法建構在一理想化的假設上，也就是離子束截面特徵為一完美的高斯分佈，而且佈植線心位在離子束的正中心。

可惜的是，離子束並非完美的高斯分佈，佈植線心亦非位在離子束的中心點上。該離子束(beam)資訊包含離子束位置、離子束密度以及離子束形狀，這些資訊被認為是一離子束截面特徵。再者，實際的離子束形狀無法被完整的控制，離子束的中心可能是偏斜的，而且離子束密度與離子束中心並不對稱。這些無法控制的因素偏離了理想化的假 設，降低了離子佈植劑的均勻度。本發明之發明人，依據離子束截面特徵並藉由動態地調整位移距離δ(.delta.)的方式，提供了一新技術，優化了離子佈植劑的均勻度。

離子佈植劑為預定的，以每平方單位的離子(原子)數的方式計算(ions/cm2)，掃描條件亦是預定的。可以藉由控制掃描速度，也就是離子束在掃描路徑上的移動速度，達到預定離子佈植劑。一向前或向後掃描為一次掃描，一向前掃描及一向後掃描形成兩平行佈植線。一次佈植包括了一在晶圓面上的多次掃描所形成的一平行線組。完成一晶圓的佈植則被定義為一次完整佈植。在一次佈植完成後，將離子束或者晶圓位移，然後接續著下一次佈植，這些重疊的佈植線形成了一離子佈植劑的截面特徵(dose profile)。離子束或者晶圓的位移可藉由位移距離δ定義。因此，離子束截面特徵與一離子佈植劑的截面特徵一致，也就是說離子佈植劑的截面特徵可依據離子束截面特徵而計算得到，同時離子佈植劑的均勻度可經由離子佈植劑的截面特徵而測定出。發明人提出，依據離子束截面特徵可以測定出位移距離δ，藉此強化離子佈植劑截面特徵的品質以及離子佈植劑的均勻度。

根據本發明之一觀點，圖8繪示出一離子佈植方法，該方法包含：

步驟S1：偵測離子束截面特徵

步驟S2：根據偵測得到的離子束截面特徵計算出離子佈植劑的截面特徵以及離子佈植劑的均勻度。

步驟S3：藉由計算的方式測定出離子束的位移距離δ，然後

步驟S4：在晶圓面上佈植離子。

在步驟S1中，進行佈植前，一離子截面特徵被偵測得到。該離子束可先掃描一離子束截面特徵分析儀，接著離子束截面特徵分析儀偵測且測量離子束。該離子束截面特徵分析儀可以是一維(y-方向)或者2維(x及y方向)之離子束截面特徵分析儀，藉以偵測出離子在y方向或者在x-y面上的分佈情形。當離子撞擊在離子束截面特徵分析儀上 的偵測器時，就偵測到了離子。離子在偵測器上的分佈與離子在晶圓面上的分佈情形相似或者相同。

步驟S2中，在預先決定的掃描條件下，藉由利用一位移距離δ，偵測得到的離子束截面特徵能被用來計算出離子佈植劑截面特徵以及離子佈植劑的均勻度，並且不同的位移距離δ會對應出不同的離子佈植劑分佈及離子佈植劑均勻度。計算得到的離子佈植劑截面特徵以及離子佈植劑的均勻度與在晶圓面上的離子佈植劑截面特徵及離子佈植劑的均勻度相似或者相同。

步驟S3中，最佳化的位移距離δM可經由最佳的離子佈植劑的均勻度相對應而測定出。不同的位移距離δ與不同的離子佈植劑截面特徵及離子佈植劑的均勻度相互對應，因此最佳化的位移距離δM則與最佳的離子佈植劑的均勻度相對應。

步驟S4中，藉由運用最佳化位移距離δM後，接著進行離子佈植。該最佳化位移距離δM與經計算所得的最佳離子佈植劑的均勻度相對應，並且經計算所得的最佳離子佈植劑的均勻度與晶圓面上的離子佈植劑的均勻度相似或者相同。因此，在晶圓上的離子佈植劑的均勻度為最佳的均勻度。

顯然，最佳化的位移距離δM可被應用於一次佈植或者一完整的離子佈植。在一實施例中，該最佳化位移距離δM被應用於一完整的離子佈植。在該範例中，應用了該最佳化位移距離δM直到掃描操作結束為止，其中包括以四分位、六分位、八分位佈植模式，在所有的旋轉角度上進行佈植。在另一實施例中，最佳化位移距離δM被應用於一次佈植，其中僅包含一次佈植，並且在下一次佈植中，將重新計算最佳化位移距離δM。

接著，發明人提供了一個一維、二維及偏斜角的離子束佈植機的實施例。顯然，該實施例是用來描述本發明而非限制本發明的範圍。參照圖9，為求方便解釋離子束截面特徵分析儀，截面特徵分析儀900將三種離子束截面特徵分析儀合併於一，但這些離子束截面特徵分析儀 仍可分別單獨使用，或者就像圖式，將這三種離子束截面特徵分析儀合併一起。該離子束截面特徵分析儀包含了一主體，具備至少一個以特定方式配置的通道以及至少一偵測配件(沒有顯示出來)位在通道後方。例如，該通道被設計為凹槽或者洞孔組。

例如，一維離子束截面特徵分析儀910包含了一通道，該通道被裝置如同一凹槽，並且該偵測單元置於該凹槽後方，如圖9上方顯示。該離子束掃描一維離子束截面特徵分析儀910，該離子束截面特徵分析儀被裝置成一延著x方向的長條凹槽，從上到下掃描(y-方向)，接著當離子簇通過凹槽時，藉由偵測單元偵測到離子束截面特徵，然後取得一y方向的離子束截面特徵。該y方向離子束截面特徵被偵測取得後，接著其相對應y方向的離子佈植劑分佈也能藉由計算得到，然後就能發現離子佈植劑均勻度。

例如，二維離子束截面特徵分析儀920包含了一通道，該通道被裝置如同一洞孔排列的陣列或一矩陣，並且偵測單元在這些洞孔的後方，如圖9中間所顯示。當離子束穿過這些洞孔時，經由偵測單元感應而形成一離子束的二維截面特徵地圖。該二維截面特徵地圖與x-y面離子束截面特徵相對應，接著藉由該離子束截面特徵就能計算出離子佈植劑分佈，最後，得以測定取得離子佈植劑均勻度。

例如，斜角離子束截面特徵分析儀包含了一通道，該通道被配置如同將三個洞孔930排成一列，並且一偵測單元裝置於洞孔後方，如圖9下方顯示。離子束通過這些洞孔到達偵測單元，接著就能偵測到離子束斜角截面特徵。藉由離子束斜角截面特徵就能取得離子束線心及線寬，因此經由離子束斜角截面特徵的線心以及線寬就能計算出離子佈植劑截面特徵，也能由此找出最佳位移距離。

將一維及二維合併後即形成離子束形狀，並且該離子束形狀可以顯示成一三維離子束截面特徵，x-y-離子佈植劑分佈顯示如圖10A。圖10B及圖10C分別顯示離子束線心的偏向值以及在x及y方向上的線寬寬度。一旦取得了離子束截面特徵，可利用離子束截面特徵輕易的將最 佳化位移距離δM測定出。

圖11顯示一佈植機的一實施例，該佈植機包含一離子束截面特徵分析儀900。該離子束截面特徵分析儀可偵測離子束截面特徵以及計算離子佈植劑截面特徵及離子佈植劑的均勻度。因此，該離子束截面特徵分析儀可以被裝置在放置晶圓的位置上，用以取得最即時的離子佈植劑截面特徵，當然，該離子束截面特徵分析儀亦可被配置在其他處。其他離子束佈植機的要素及其裝置皆與圖1所顯示的相似。

雖然，本發明已藉由相關的實施例解釋說明，但可理解的是，只要不違背本發明精神以及不脫離本發明的請求範圍，則得以進行修正及調整。

100‧‧‧燈絲

200‧‧‧離子源腔

300‧‧‧通道

400‧‧‧質譜儀

500‧‧‧佈植腔

510‧‧‧基座靶

520‧‧‧晶圓

600‧‧‧法拉第杯

610‧‧‧離子束

700‧‧‧電流偵測器

900‧‧‧截面特徵分析儀

910‧‧‧一維離子束截面特徵分析儀

920‧‧‧二維離子束截面特徵分析儀

930‧‧‧斜角離子束截面特徵分析儀

S‧‧‧節距

δ ‧‧‧位移距離

SPx、Spy‧‧‧線寬

CTx、CTy‧‧‧線心與離子束的距離

S1、S2、S3、S4‧‧‧步驟

圖1繪示出習知之一離子佈植機。

圖2A以及2B繪示出離子佈植線、節距以及位移距離。

圖3A、4A、5A及6A繪示出佈植線。

圖3B、4B、5B及6B分別繪示出離子佈植劑的均勻度、佈植線心以及圖3A、4A、5A及6A分別的佈植線寬(spreading)。

圖7A及7B分別繪示了在理想狀態的離子束及實際離子束的線心及線寬。

圖8繪示出依據此發明的佈植方法的流程概圖。

圖9繪示出本發明的一離子束截面特徵分析儀。

圖10A,10B及10C分別繪示出在三維系統上(x-y-離子佈植劑截面特徵)離子束截面特徵，以及在二維系統上(x-離子佈植劑，y-離子佈植劑)，x方向的離子束的偏離值(deviation)及y方向的離子束的線寬。

圖11繪示出具有一離子束截面特徵分析儀的一離子佈植機。

100‧‧‧燈絲

200‧‧‧離子源腔

300‧‧‧通道

400‧‧‧質譜儀

500‧‧‧佈植腔

510‧‧‧基座靶

520‧‧‧晶圓

600‧‧‧法拉第杯

610‧‧‧離子束

700‧‧‧電流偵測器

900‧‧‧截面特徵分析儀

Claims (28)

1. 一離子佈植方法，包含：偵測一離子束截面特徵；依據該離子束截面特徵計算一離子佈植劑的截面特徵及離子佈植劑的均勻度；依據該計算測定該離子束的一最佳化位移距離；以及在一整個掃描操作過程，以該最佳化位移距離將離子簇佈植於一晶圓表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之離子佈植方法，其中在偵測步驟時應用了一離子束截面特徵分析儀。
3. 如申請專利範圍第2項所述之離子佈植方法，其中該離子束截面特徵分析儀為一一維離子束截面特徵分析儀，運用在偵測一個方向的離子束截面特徵。
4. 如申請專利範圍第3項所述之離子佈植方法，其中該一維離子束截面特徵分析儀包含了具有一凹槽的一主體，以及一偵測單元配置在該主體之該凹槽後方。
5. 如申請專利範圍第2項所述之離子佈植方法，其中該離子束截面特徵分析儀為一二維離子束截面特徵分析儀，應用在偵測二維離子束截面特徵。
6. 如申請專利範圍第5項所述之離子佈植方法，其中該二維離子束截面特徵分析儀包含了具有一洞孔陣列的一主體，以及一偵測單元配置在該主體之該洞孔陣列的後方。
7. 如申請專利範圍第5項所述之一離子佈植方法，其中該二維離子束截面特徵分析儀包含了一具有一洞孔矩陣之一主體，以及一偵測單元設置在該洞孔矩陣的後方。
8. 如申請專利範圍第2項所述之離子佈植方法，其中該離子束截面特 徵分析儀為一斜角離子束截面特徵分析儀，用以偵測斜角離子束截面特徵，其包含了離子束線心及線寬。
9. 如申請專利範圍第8項所述之離子入植方法，其中該斜角離子束截面特徵分析儀包含了具有一三個洞孔陣列的一主體，以及一偵測單元配置在該三個洞孔陣列之後方。
10. 如申請專利範圍第1項所述之離子入植方法應用於一二分位、四分位、六分位及八分位模式之離子佈植方法。
11. 一離子佈植的方法包括：偵測一離子束截面特徵；依據離子束截面特徵，計算出一離子佈植劑截面特徵以及離子佈植劑的均勻度；依據該計算，測定出該離子束之一最佳化位移距離；於一掃描路徑上，應用該最佳化位移距離，佈植離子在一晶圓面上；以及重複上述步驟直到一整個掃描程序完成為止。
12. 如申請專利範圍第11項所述之離子佈植方法，其中在偵測步驟中，應用一離子束截面特徵分析儀。
13. 如申請專利範圍第12項所述之離子佈植方法，其中該離子束截面特徵分析儀為一維離子束截面特徵分析儀，用以偵測一個方向性的離子束截面特徵。
14. 如申請專利範圍第13項所述之離子佈植方法，其中該一維離子束截面特徵分析儀包含了具有一凹槽的一主體，以及一偵測單元配置在主體凹槽的後方。
15. 如申請專利範圍第12項所述之離子植入方法，其中該離子束截面特徵分析儀為一二維離子束分析儀，用以偵測二方向的離子束截面特徵。
16. 如申請專利範圍第15項所述之離子佈植方法，其中該二維離子束截面特徵分析儀包含具有一洞孔陣列的一主體，以及一偵測單元設置在該主體之該洞孔陣列的後方。
17. 如申請專利範圍第15項所述之離子佈植方法，其中該二維離子束截面特徵分析儀包含一洞孔矩陣的一主體以及一偵測單元設置在該主體之該洞孔陣列的後方。
18. 如申請專利範圍第12項所述之離子佈植方法，其中該離子束截面特徵分析儀為一斜角離子束分析儀，用以偵測離子束斜角截面特徵，其包含離子束線心與線寬。
19. 如申請專利範圍第18項所述之離子佈植方法，其中該斜角離子束截面特徵分析儀包含了具有一三個洞孔陣列的一主體，以及一偵測單元在洞孔後方。
20. 如申請專利範圍第11項所述之離子佈植方法應用了一二分位模式、四分位模式、六分位模式及八分位佈植模式。
21. 一離子佈植機包含：一離子束截面特徵分析儀，其中該離子束截面特徵分析儀偵測一離子束截面特徵、計算一離子佈植劑截面特徵以及離子佈植劑的均勻度、測定一最佳化位移距離，且該離子束截面特徵分析儀包含：一主體，其具有至少一通道；以及一偵測單元設置在主體的凹槽或者洞孔的後方。
22. 如申請專利範圍第21項所述之離子佈植機，其中該通道被設計為一凹槽，用以偵測一維離子束截面特徵。
23. 如申請專利範圍第21項所述之離子佈植機，其中該通道被計為一陣列或一矩陣的洞孔，用以偵測二維離子束截面特徵。
24. 如申請專利範圍第21項所述之離子佈植機，其中該通道被設計為一三個洞孔成一列的態樣，用以偵測斜角離子束截面特徵。
25. 一種離子束截面特徵分析儀，被應用在一離子佈植機，其中該離子束截面特徵分析儀用以偵測一離子束截面特徵、計算一離子佈植劑截面特徵以及離子佈植劑的均勻度、測定一最佳化位移距離，該離子束截面特徵分析儀包含：一主體，其具有至少一通道；以及一偵測單元，配置在該主體之該通道的後方。
26. 如申請專利範圍第25項所述之離子截面特徵分析儀，其中該通道被設計為一凹槽，用以偵測一一維離子束截面特徵。
27. 如申請專利範圍第25項所述之離子截面特徵分析儀，其中該通道被記為一陣列或一矩陣的洞孔，用以偵測一二維離子束截面特徵。
28. 如申請專利範圍第25項所述之離子截面特徵分析儀，其中該通道被配置成一三個洞孔陣，用以偵測斜角離子束截面特徵，其包含離子束線心以及線寬。