TWI547977B - 為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法及其離子束系統 - Google Patents

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Description

為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法及其離子束系統
本發明係關於離子植入技術，尤其關於一種為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法及一種離子束系統。
離子植入是將原子或分子導入標靶基板的過程，這些原子或分子一般稱為摻質，用於賦予物質有用的性質。在以離子束處理物質的領域，已經開發出各種技術，用以產生大而近乎平形且具有受控制的電流均勻度的帶狀離子束。
使用帶狀離子束於高電流植入已為業界所熟知，相關的技術已揭露於如下之專利：美國專利號7,326,941、美國專利號7,462,843、美國專利號5,350,926及美國專利號5,834,786。一般係藉由以下方式將自離子源取得的離子均勻地分佈於標靶：首先使到達標靶的離子束的離子強度高度均勻地分佈於離子束的長邊，然後沿平行於短邊的方向移動標靶。
在實際應用上，標靶通常是矽晶圓，對厚度300毫米(mm)大小的晶圓進行高電流植入時，自離子源取得的總離子電流係介於10毫安培(mA)到100mA之間，撞擊晶圓的帶狀離子束的總離子強度約在3mA到30mA之間，施加於晶圓的離子劑量是在1E14到5E15ions/cm2之間，又。當離子離開離子源時， 其能量約在8keV到20keV之間，之後藉由減速降低能量，使植入標靶的離子其能量約在0.2keV到20keV之間。
本發明擴展帶狀離子束植入系統的使用範圍，使其植入劑量或離子束電流可以千倍的等級降低(例如降低一千或數千倍)。本發明之方法及技術使得撞擊晶圓的帶狀離子束的總離子強度約在3μA到3mA之間，且施加於晶圓的離子劑量介於1E11到1E14ions/cm2之間。本發明之方法及技術可使用於專為中度電流植入的離子植入系統，亦可使用於中度及高度電流兩用的離子植入系統(例如離子劑量是在1E11到5E15ions/cm2之間，離子強度在3μA到30mA之間)。
本發明可應用於較大的離子能量的範圍，包括植入能量(0.2keV至大於100keV)，及自離子源提取的能量(8keV至大於40keV)。
本發明揭露一種中度電流離子植入方法，其使用一種具長邊及短邊的帶狀離子束，並先使到達標靶的離子束的離子強度高度均勻地分佈於長邊，然後沿平行於短邊的方向移動標靶，進而使得離子可均勻地分佈於標靶。
本發明為控制到達標靶的總離子強度約在3μA到3000μA之間，係提供離子源一種混合有工作氣體及運載氣體的進料氣體，並設定離子源的總輸出，使離子束能配稱於提取間隙，其中藉由調整工作氣體及運載氣體的比例以控制工作離子束的強度，並於之後利用質量分析儀將運載氣體自工作離子束分離。又工作離子束強度亦可藉由設置於離子源下游的一或多個機械式電流限制裝置而達成。
本發明為控制帶狀離子束在長邊的均勻度，係將一或多個均勻度控制裝置設置於質量分析儀及標靶之間的離子束路徑上，又用以加速或減速離子束的組件亦可選擇性地設置於質量分析儀及標靶之間。
10‧‧‧離子束系統
12‧‧‧離子束
14‧‧‧離子源
16‧‧‧工作氣體
18‧‧‧運載氣體
20‧‧‧離子源提取系統
22‧‧‧前板
24‧‧‧狹縫
26‧‧‧抑制電極
28‧‧‧接地電極
d‧‧‧提取間隙
30‧‧‧電漿邊界
30’‧‧‧電漿邊界
30”‧‧‧電漿邊界
32‧‧‧電流限制裝置
34‧‧‧質量分析儀
36‧‧‧均勻度控制裝置
36’‧‧‧均勻度控制裝置
38‧‧‧加速/減速台
39‧‧‧晶圓
S50、S52、S54、S56、S58、S60、S62、S64‧‧‧步驟
圖1所示係本發明一實施例離子束系統之特徵的示意圖。
圖2a,2b及2c所示係一離子源提取系統由帶狀離子束的短邊平面觀看之示意圖。
圖3所示為本發明一實施例之建立一均勻的中電流帶狀離子束的方法的流程圖。
本發明之技術內容及較佳實施例將詳述於下，然而要特別強調的是：該些描述及較佳實施僅是用於例示本發明，而非用來限制本發明之範圍。
圖1所示係本發明一實施例離子束系統之特徵的示意圖。圖1係由標靶(如晶圓39)位置之帶狀離子束的短邊平面觀看。帶狀離子束的長邊係垂直於短邊平面，晶圓39沿著圖中箭頭所示的方向移動，藉以使晶圓39的整個表面被施加均勻劑量的離子。
在本發明之離子束系統10中，離子束12係取自離子源14，且至少有兩種氣體注入離子源14，一為工作氣體16，一為運載氣體18。圖2a,2b及2c所示係一離子源提取系統(ion source extraction system)由帶狀離子束的短邊平面觀看之示意圖。在一離子源提取系統20中，一離子源14處於一正高電位(+0.2kV到+100kV)，並具有一前板22，前板22上形成一狹縫24或一孔洞，用於提取一離子束12。前板22與一抑制電極26(suppression electrode)相隔一距離，亦稱為提取間隙(extraction gap)d；提取間隙d通常可在1mm到50mm之間調整。抑制電極26具有一相對於一接地電極28的負電位(-1kV到-10kV)。圖2a,2b及2c所示的離子源提取系統僅係離子提取的一例，其他熟知的離子提取技術，例如四極管提取，亦可被本發明採用。
本發明主要目的之一是使晶圓得到非常低的離子束電流，亦即希望從離子源提取非常低的離子束電流。然而，為高電流運作而設計離子源及其提取系統，有一個電流門檻，低於此一門檻，提取的離子束品質將會受到影響。其原因為：離子源電漿密度及提取的離子電流需要與提取電壓及提取間隙d相配稱，才能維持可接受的離子束品質。
圖2a所示為電漿密度太低的例子，其中電漿邊界30內凹，而在提取間隙d的離子被過度聚焦。圖2c所示為電漿密度太高的例子，其中電漿邊界30’外凸，而在提取間隙d的離子則聚焦不足。圖2b所示則是一個適配的例子，其中電漿邊界30”是一平面，被提取的離子束12具有最小的發散，而撞擊到抑制電極26離子則被減至最少。
其中，當自狹縫提取的離子束與提取電壓及提取間隙d不配稱時，被提取的離子束沿狹縫長度方向的均勻性不佳，且在狹縫的頂部及底部出現明顯的強度高峰，此一現象讓帶狀離子束於晶圓上均勻性難以達成。
因此，維持離子源電漿密度及提取間隙d的相配稱有其必要。不配稱會導致離子束操作問題，包括：離子束明顯發散、自狹縫提取的離子束均勻性不佳、及過多的抑制電流等，這些現象會導致電壓不穩定，及產生X光。
對一已知的提取電壓而言，可藉由最小的提取場域或最大的提取間隙d以獲得最低的配稱提取電流，所以對於低的離子束電流的狀況，最佳的操作條件是具有一個相配稱且足夠大的提取間隙d，大到近於間隙調整機構的最大機械極限。然而，即使是最大的提取間隙d，當提取電壓約大於20kV時，配稱的提取電流會是許多個mA或甚數千個mA。為使到達晶圓的離子束電流能低到3μA的水準，須要將射向晶圓的提取電流降低1000到5000倍。本發明係藉由兩種方法降低射向晶圓的提取電流。
根據本發明之一實施例，第一種降低提取電流的方法包括：提供一離子源，其被注入一工作氣體及一運載氣體，工作氣體是一種氣體或蒸氣，含有要被植入晶圓的物質，運載氣體是任一種其他氣體或氣體混合物，其可以運載離子源中的電漿。當植入晶圓的物質為磷(P)、砷(As)或硼(B)時，較佳的工作氣體為磷化氫(phosphine)、砷化氫(arsine)或三氟化硼(boron trifluoride)；若要植入其他物質時，適合的氣體或蒸氣亦可使用。
其中，較佳的運載氣體是惰性氣體，如氬或氙，但其他可以運載離子源中電漿的氣體或蒸氣亦可使用；較佳的運載氣體應具有相對較高的原子量，此乃由於在配稱的條件下，離子源的輸出量取決於電漿離子的質量，質量越高，達到配稱所需的提取電流就越小，而這有利於獲得非常低的離子束電流。例如在相同的提取電壓及提取間隙下，使用氙(質量數131)當運載氣體的例子，其離子源提取電流低於使用氬(質量數40)當運載氣體的例子。
當運載氣體及工作氣體這兩種氣體被注入離子源時，提取的離子束中包含了由這兩種氣體所產生的離子，且離子的比例與兩種氣體進入離子源的流速的比例相關。其中，要被植入晶圓的離子係取自於工作氣體，而這些離子係用質量分析儀與運載氣體的離子分離，所以，為降低工作離子電流，需要降低工作氣體流速對運載氣體流速的比例。假設工作氣體流速為0.5sccm，運載氣體流速為4sccm，則在離子源電漿中，工作氣體原子的密度只有運載氣體原子的密度的八分之一。假設兩種氣體離子化的機率接近，則工作離子提取電流會是運載離子提取電流的八分之一。在本發明中，運載氣體離子的使用係為使離子源電漿滿足提取間隙d的配稱條件，運載氣體離子在之後會利用質量分析儀將其分離，而留下較少量的工作離子被輸送到晶圓。
其中，工作氣體對運載氣體的可用比例只會受到流量控制器的控制範圍及準確度的限制。藉由使用流速為4sccm的運載氣體及流速為0.04-0.1sccm的工作氣體，將可使離子束電流降低40至100分之一。
根據本發明之一實施例，第二種降低提取電流的方法包括：操作安裝於離子源下游的一或多部電流限制裝置，其目的是降低離子束電流。如圖1所示，一電流限制裝置32安裝於一較佳位置，也就是離子束12相對較寬的位置，例如一質量分析儀34的出口處。在一實施例中，質量分析儀34為一質量分析磁鐵。電流限制裝置32可使用一大小可變化的狹縫或孔洞，以機械方式限制離子束12的通過，例如，在電流限制裝置之前，離子束12的寬度為50mm，一個5mm寬的狹縫會將離子束12的電流降到大約只有十分之一。其中，大小可變化的狹縫可由兩塊可移動的板片構成，或是一個具有狹縫滾筒，或其他任何適合的機構。
其中，離子束電流在通過電流限制裝置之前後的變化比例係取決於電流限制裝置最小的寬度相對於離子束在電流限制裝置處的寬度，例如：藉由使用寬度0.5mm至1.0mm的電流限制裝置，及寬度50mm的離子束，將可使離子束電流降低50至100分之一。
因此，藉由結合上述兩種方法，離子束電流在到達晶圓時可被降低為2000至10000分之一，所以，高達6mA至30mA的提取離子源電流，在到達晶圓時可被降低到3μA。
請再參考圖1，在本發明之離子束系統10中，自離子源提取的離子束通過質量分析儀34、至少一電流限制裝置32、一或二個均勻度控制裝置36,36’、及一加速/減速台38。
其中，質量分析儀34係用於選擇某一質量的離子，將其他質量的離子屏除於離子束之外。質量分析儀34是一種眾所周知的習知技術，圖1所示的是 一種90度的質量分析磁鐵，但是本發明並不排除使用其他種類的質量分析儀。又電流限制裝置32係安裝於離子源的下游，且在質量分析儀34之後，用以降低工作離子束的電流。
其中，二個均勻度控制裝置36,36’係用於使到達晶圓的帶狀離子束在長邊方向具有高度均勻的強度分布。在高電流植入領域，用以建立強度高均勻分布之帶狀離子束的均勻度控制裝置36,36’已是眾所周知的習知技術。美國專利號7,078,713及美國專利號7326941兩件習知技術揭露一種磁性多極裝置，其包括多對磁性線圈，每一對磁性線圈產生一四極磁場，用於使離子束聚焦或失焦。藉由調整線圈內的電流，到達晶圓的帶狀離子束的離子強度分佈可達到想要的均勻度，又由於採用四極磁場，因此不會造成離子束的之質量中心的偏移，於是如圖1所示，穿過此一裝置的離子束並沒有任何偏移。另外，美國專利號5,350,926及美國專利號兩件習知技術揭露一種均勻度控制裝置，其使用二極磁場調整帶狀離子束，容易導致離子束質量中心的偏移。但無論是磁性多極裝置或二極磁場調技術，皆亦包含於本發明的範圍之內。
雖然圖1所示的實施例中係使用二個均勻度控制裝置36,36’，但是本發明並不排除使用少於或多於二個均勻度控制裝置，又在圖1中，二個均勻度控制裝置分別設於加速/減速台38之前及之後，惟不限與此，本發明並不特別限制均勻度控制裝置的設置順序。
在本發明，加速/減速台38的設置係為非必須的，提取自離子源14的離子束12的能量可被一選擇的加速電壓增加，或被一選擇的減速電壓減少。在一實施例中，加速或減速係可能與磁性或靜電能量過濾裝置有關；又在一些實施例，加速或減速可能不會導致離子束之質量重心的偏移(如圖1所示)，但也有可能會導致離子束之質量重心的偏移。
圖3所示為本發明一實施例之建立一均勻的中電流帶狀離子束的方法流程圖。
在步驟S50，設定一個適當的離子源提取電壓。
在步驟S52，設定離子源提取間隙d到接近其最大值。
在步驟S54，設定離子源之進料氣體中工作氣體對運載氣體的比例。
在步驟S56，調整離子源電漿密度，使其適配於離子源提取電壓及離子源提取間隙d，此時抑制電流被最小化。
在步驟S58，設定質量分析儀，使其篩選出要植入晶圓的工作氣體的離子。
在步驟S60，運作電流限制裝置，使離子束電流降至所需的水準。
在步驟S62，運作一或多個均勻度控制裝置，使到達晶圓的帶狀離子束的離子強度分佈可達到所需的均勻度。
在步驟S64，調整運載氣體對工作氣體的比例，或調整電流限制裝置，使到達晶圓的帶狀離子束具有所需的總電流。
綜上所述，本發明能擴展帶狀離子束植入系統的使用範圍，使其植入劑量或離子束電流可以千倍的等級降低，例如利用本發明之方法及技術，可使撞擊晶圓的帶狀離子束的總離子強度約在3μA到3mA之間，且施加於晶圓的離子劑量是在1E11到1E14ions/cm2之間。本發明之方法及技術可使用於專為中度電流操作的離子植入系統，亦可使用於中度及高度電流兩用的離子植入系統(離子劑量是在1E11到5E15ions/cm2之間，離子強度在3μA到30mA之間)。
本發明已藉由實施例詳加解釋。然而該被理解的是：這些實施例僅是用於例示本發明，而非用以限定本發明之專利範圍，即凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
S50、S52、S54、S56、S58、S60、S62、S64‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，包含：提供包含有一工作氣體及一運載氣體的一離子源；及調整該離子源中該工作氣體及該運載氣體的比例，以控制該離子源中一工作離子束的一源電漿密度，以與一提取電壓及一提取間隙相配稱。
  2. 如請求項1所述之為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，其中該離子源具有一前板，該前板上形成一狹縫或一孔洞，用以提取該工作離子束，該前板與一抑制電極之間相隔一距離，且將該距離定義為該提取間隙。
  3. 一種為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，包含：操作設置於一離子源下游的至少一電流限制裝置，以在固定該離子源中一工作離子束之一源電漿密度的前提下，降低離子植入之離子束電流。
  4. 如請求項3所述之為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，其中該電流限制裝置使用一大小可變化的狹縫或孔洞，以機械方式限制該工作離子束的通過量。
  5. 如請求項3所述之為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，更包含：設定一質量分析儀，使其篩選出該工作離子束之工作離子。
  6. 如請求項5所述之為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，更包含：設定至少一均勻度控制裝置，使一標靶得到一均勻帶狀離子束，其中該均勻度控制裝置安裝於一離子束路徑上，且位於該質量分析儀及該標靶之間。
  7. 一種為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，包含： 提供包含有一工作氣體及一運載氣體的一離子源；調整該離子源中該工作氣體及該運載氣體的比例，以控制該離子源中一工作離子束的一源電漿密度，以與一提取電壓及一提取間隙相配稱；及操作設置於該離子源下游的至少一電流限制裝置，以在固定該源電漿密度的前提下，降低離子植入之離子束電流。
  8. 如請求項7所述之為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，其中該離子源具有一前板，該前板上形成一狹縫或一孔洞，用以提取該工作離子束，該前板與一抑制電極之間相隔一距離，且將該距離定義為該提取間隙。
  9. 如請求項7所述之為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，更包含：設定一質量分析儀，使其篩選出該工作離子束之工作離子。
  10. 如請求項9所述之為離子植入建立中電流帶狀離子束的方法，更包含：設定至少一均勻度控制裝置，使一標靶得到一均勻帶狀離子束，其中該均勻度控制裝置安裝於一離子束路徑上，且位於該質量分析儀及該標靶之間。
  11. 一種離子束系統，包含：一離子源，被注入一工作氣體及一運載氣體，其中該工作氣體及該運載氣體的比例被調整，以控制該離子源中一工作離子束的一源電漿密度，以與一提取電壓及一提取間隙相配稱；一質量分析儀，用於篩選出該工作離子束之工作離子；至少一電流限制裝置，設置於該離子源下游，以降低該工作離子束的電流；及 至少一均勻度控制裝置，安裝於一離子束路徑上，且位於該質量分析儀及一標靶之間，使該標靶得到一均勻帶狀離子束。
  12. 如請求項11所述之離子束系統，更包含：一加速/減速台，設置於該質量分析儀及該標靶之間。
  13. 如請求項12所述之離子束系統，其中包含有兩部該均勻度控制裝置，其中一該均勻度控制裝置安裝於該加速/減速台之前，另一該均勻度控制裝置安裝於該加速/減速台之後。
  14. 如請求項11所述之離子束系統，其中該離子源具有一前板，該前板上形成一狹縫或一孔洞，用以提取該工作離子束，該前板與一抑制電極之間相隔一距離，且將該距離定義為該提取間隙。
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