TW511113B

Ion implantation with high brightness, low emittance ion source, acceleration-deceleration transport system and improved ion source construction

Abstract

A method of ion implantation by producing a high brightness ionbeam that extends along an axis by ionizing molecules of a gas orvapor, the rmolecules containing an implantable species, includesproviding an ionization chamber having a restricted outlet aperture,providing in said ionization chamber said gas or vapor at a pressuresubstantially higher than the pressure within an extraction regioninto which the ions are to be extracted external to the ionizationchamber, ionizing the gas or vapor by direct electronimpactionization by primary electrons in a region adjacent the outletaperture of the ionization chamber in a manner to produce ions fromthe molecules of the gas or vapor to a density of at least about 10 10 cm -3 at the aperture while maintaining conditions that limit thetransverse kinetic energy of the ions to less than about 0.7 ev.Thewidth of the ionization volume adjacent the aperture, in which saiddensity of ions is formed, is limited to a width less than about threetimes the corresponding width of the outlet aperture and conditionswithin the ionization chamber are maintained to prevent formationof an arc discharge by an extraction system,extracting ions formedWithin the ionization chamber via the outlet apertureinto theextraction region downstream of the aperture. Thereafter,With ionbeam optics,the beam is transported to a target surface and the ionsof the transported ionb eam are implanted into the target. Also shownare combination of an electron impact ion source withanionimplantation beam line employingion decelaration following ionaccelration;ion sources that produce ribbon beams of extended length;ion sources that employ longitudinal electron beams directed a longthe length of a slit-form ion extraction aperture andsheet-formelectron beams directed toward the aperture;improved techniques forforming semiconductor devices by ion implantation techniques,as withdecaborane ions and for doping flat panel displays;and improvedelectron gun lens assemblies achieving effective lens cooling andtemperature equilabration.

Term

No projected expiry on record.

  1. Priority
  2. Filed
  3. Granted
  4. Today

84 claims: 68 independent, 16 dependent

  1. 1
    一種離子佈植方法,藉由電離分子之氣體或蒸汽沿一主軸產生高亮度離子束,該分子至少包括一種可佈植種類,該方法包括下列步驟:提供一具有大小限制出口孔徑之電離室;於該電離室中提供一壓力使該氣體或蒸汽之壓力更大於汲取區壓力,該汲取區係由電離室中之離子被抽出後所進入之空間;利用主電子藉由電子撞擊游離法,於電離室出口孔徑鄰近處電離該氣體或蒸汽,於孔徑處產生離子密度至少係1010cm-3,同時控制離子橫向動能小於0.7eV;離子密度產生之孔徑鄰近處之電離容積寬度,該寬度小於三倍之相對出口孔徑寬度;控制電離室內條件避免輝光放電(arc放電)之發生;藉由一汲取系統,將於電離室生成之離子經由出口孔徑由電離室汲取至末端之汲取區;之後,利用離子束光學系統將該光束移動至一標的表面;以及將送達之離子束佈植於標的上。
  2. 2
    如申請專利範圍第1項所述之離子佈植方法,其中更控制電離室內條件以避免電漿產生。
  3. 3
    如申請專利範圍第1項所述之離子佈植方法,其中汲取時之離子束亮度約大於1mA-cm-2-deg-2x(E/E0),E係光束能、E0=10keV。
  4. 4
    如申請專利範圍第1、2或3項所述之離子佈植方法,其中於汲取時光束之x-發射率(x-發射)小於70mm-mradx(E0/E)1/2(E係光束能、E0=10keV)。
  5. 5
    如申請專利範圍第1、2或3項所述之離子佈植方法,其中自出口孔徑汲取出之離子流光束雜訊控制在1%以下。
  6. 6
    如申請專利範圍第1、2或3項所述之離子佈植方法,其中電離室中之任何磁場強度小於70gauss。
  7. 7
    如申請專利範圍第6項所述之離子佈植方法,其中電離室中之任何磁場強度小於20gauss。
  8. 8
    如申請專利範圍第7項所述之離子佈植方法,其中電離室中實質上不存在任何磁場。
  9. 9
    如申請專利範圍第1、2或3項所述之離子佈植方法,其中汲取區中之任何磁場強度小於20gauss。
  10. 10
    如申請專利範圍第1、2或3項所述之離子佈植方法,其中該氣體或蒸汽消耗控制在10sccm以下。
  11. 11
    如申請專利範圍第1、2或3項所述之離子佈植方法,其中該主電子係係一光束於該電離室外部產生藉由電子光學系統導入電離室中。
  12. 12
    如申請專利範圍第1、2或3項所述之離子佈植方法,其中每一被電離分子分別包括至少二種可佈植種類原子,或由至少二種可佈植種類原子所組成。
  13. 13
    一種離子佈植方法,包括下列步驟:沿一主軸產生高亮度離子束;提供一具有出口孔徑之電離室;供給電離室氣體或蒸汽分子,其中每一被電離分子分別包括至少二種可佈植種類原子,或由至少二種可佈植種類原子所組成;電離該分子並利用由分子所形成之離子在控制條件下產生一光束,該光束汲取時之離子束亮度約大於1mA-cm-2-deg-2x(E/E0),其中E係光束能、E0=10keV;利用離子束光學系統將該光束移動至一標的表面;以及將送達之離子束佈植於標的上。
  14. 14
    如申請專利範圍第13項所述之離子佈植方法,其中該分子係二聚體(dimer)。
  15. 15
    如申請專利範圍第13項所述之離子佈植方法,其中該分子包括十硼烷(decaborane)。
  16. 16
    如申請專利範圍第13項所述之離子佈植方法,其製造係以可產生具有低發散角位(低angular divergence)之高亮度離子束使標的與該主軸間所夾角度約小於1度之方式進行。
  17. 17
    如申請專利範圍第16項所述之離子佈植方法,其中送達之離子束佈植於標的上之步驟係用於產生一高亮度、低發散光束以形成一標的上之電晶體結構之汲極擴充區,其中該電晶體結構包括一源極(source)、一閘極(gate)以及一汲極(drain)。
  18. 18
    如申請專利範圍第17項所述之離子佈植方法,其中該標的更包括一井(well)雜質以及電晶體結構之閘極長度等於或小於0.20um,汲極擴充與閘極相交於一側向(lateral)接面側邊,汲極擴充之砷佈植分佈側向陡度(lateral陡度)小於或等於3nm/decade,其中分佈側向陡度之定義係於側向接面側邊於一被佈植種類單位濃度中所需完成一十進(decade)之側向程度(lateral extent),接面側邊定義係被佈植離子與井雜質單位濃度相同之區域。
  19. 19
    如申請專利範圍第18項所述之離子佈植方法,其中該汲極擴充其側向陡度小於或等於2nm/decade。
  20. 20
    如申請專利範圍第17、18或19項所述之離子佈植方法,其中高亮度、低發散角位光束離子被佈植於閘極兩端之間以清楚定義出閘極底下之通道。
  21. 21
    如申請專利範圍第20項所述之離子佈植方法,其中清楚定義出閘極底下之通道更包括清楚定義出該通道之長度。
  22. 22
    一種離子佈植系統,其利用低佈植能佈植標的基板,其包括:一離子源,用以產生分子離子(利用具有適當原子簇種類之分子以進行佈植);一加速級,用於加速離子使該離子移動能(transport能量)實質大於適當佈植能;及一減速級,用於在佈植標的基板前降低離子能量至適當佈植能。
  23. 23
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源包括一電子槍產生具一定控制能量之電子束藉由直接電子撞擊游離法電離分子。
  24. 24
    如申請專利範圍第23項所述之離子佈植系統,其中該電子所具能量約係20eV與500eV之間或1000eV。
  25. 25
    如申請專利範圍第22、23或24項所述之離子佈植系統,其中位於電離室旁之該電子槍發出電子束通過電離室至止光器(beam dump)。
  26. 26
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中一加長電離室具有一相對加長狹孔汲取孔徑,於光束進入分析器(analyzer)前,相對於對應汲取孔徑,孔徑後電子光學系統係用於縮小組合光束(resultant beam)之橫切面長度。
  27. 27
    如申請專利範圍第26項所述之離子佈植系統,其中該電子光學系統包括一光學放大鏡(telescope)。
  28. 28
    如申請專利範圍第26項所述之離子佈植系統,其中該電離室汲取之孔徑約為6吋長。
  29. 29
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中系統係依批次操作而設,一組晶圓固定於一載具上往光束相對移動光束影響掃瞄之進行。
  30. 30
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其係用以建構成一連續離子佈植機。
  31. 31
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源具有一氣化器與溫度氣化器之溫度控制系統共同固定於一離子源電離室。
  32. 32
    如申請專利範圍第31項之離子佈植系統,其中該電離室電子槍與一電子束朝向之止光器分別與電離室熱絕緣。
  33. 33
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源係十硼烷,該電子槍係用於提供電子束能約介於50至1000eV之間。
  34. 34
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源係As2+離子源。
  35. 35
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源係P2+離子源。
  36. 36
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源係B2+離子源。
  37. 37
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源係In2+離子源。
  38. 38
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該離子源係Sb2+離子源。
  39. 39
    一種離子佈植方法,用以利用低佈植能佈植標的基板,其包括下列步驟:產生分子離子,其利用具有適當原子簇種類之分子以進行佈植;加速離子使該離子移動能(transport能量)更大於適當佈植能;以及在佈植標的基板前降低離子能量至適當佈植能。
  40. 40
    如申請專利範圍第39項所述之離子佈植方法,其中該離子係十硼烷離子。
  41. 41
    如申請專利範圍第39項所述之離子佈植方法,其中該離子係P2+離子源。
  42. 42
    如申請專利範圍第39項所述之離子佈植方法,其中該離子係B2+離子源。
  43. 43
    如申請專利範圍第39項所述之離子佈植方法,其中該離子係In2+離子源。
  44. 44
    如申請專利範圍第39項所述之離子佈植方法,其中該離子係Sb2+離子。
  45. 45
    一種離子佈植系統,其包括:一離子佈植機,具有離子汲取系統;一離子源,能以商用離子流水平供給離子汲取系統所需離子,離子源包括一電離室係壁面所包圍而形成內含一電離容積,其中一壁面決定汲取孔徑之位置與長度寬度大小,以使汲取系統將該離子流由電離容積汲取出來;一電子槍,其設置大小位置與電離室相配合,用於沿電離室主軸以發射一主電子方向光束;以及一止光器,與電子槍並置以接收方向光束,止光器維持一相對於電子槍發射極電壓之正電壓,該主電子光束路主徑軸延伸方向大約於孔徑鄰近,電子束方向與對應於汲取孔徑寬度方向同向,電子束大小約等於或大於孔徑寬度。
  46. 46
    如申請專利範圍第45項所述之離子佈植系統,其更包括:一氣化器,以引入氣體進入電離容積中;一氣體通道,將氣體進入電離容積中;以及一控制系統,用於控制主電子能量,藉由電子槍主電子之主撞擊以電離個別氣體或蒸汽分子。
  47. 47
    如申請專利範圍第46項所述之離子佈植系統,其中該氣體包括十硼烷。
  48. 48
    如申請專利範圍第45項所述之離子佈植系統,適用於形成離子轉為一帶離子束(ribbon beam)。
  49. 49
    如申請專利範圍第48項所述之離子佈植系統,其中該帶光束短於離子汲取孔徑長度。
  50. 50
    如申請專利範圍第48項所述之離子佈植系統,其中該帶光束長於離子汲取孔徑。
  51. 51
    如申請專利範圍第48項所述之離子佈植系統,其中該帶光束約等於離子汲取孔徑長度。
  52. 52
    如申請專利範圍第50項所述之離子佈植系統,其中該孔徑長度至少等於標的基板之長度或寬度。
  53. 53
    一種照射方法,用以照射具有預設大小之一延伸平面,其包括下列步驟:產生一帶離子束;以及導引該帶離子束朝向該延伸平面之一表面上。
  54. 54
    如申請專利範圍第53項之照射方法,其中該延伸平面係一平面面板,該照射方法更包括一步驟:實質地照射該平面面板之全面板表面。
  55. 55
    如申請專利範圍第54項所述之照射方法,其中該產生之帶離子束為靜態,面板之離子摻雜係藉由機械式光束掃瞄完成。
  56. 56
    如申請專利範圍第53項所述之照射方法,其中該帶光束之長度長於面板基板垂直掃瞄方向長度。
  57. 57
    如申請專利範圍第1項所述之離子佈植方法,其中大於0.5mA之離子電流之十硼烷離子佈植於一基板內以摻雜p-n接面(junction),以便於該矽基板內產生晶格破壞,而減低通道(channeling),以進行淺佈植接面(shallow implanted junction)。
  58. 58
    如申請專利範圍第31項所述之離子佈植系統,其中使該電子束所指向之該電子束止光器與其餘的該離子源熱隔離。
  59. 59
    如申請專利範圍第58項所述之離子佈植系統,其中包括控制離子化室溫度之工具。
  60. 60
    如申請專利範圍第59項所述之離子佈植系統,其中該離子化室固定於具有冷卻的底座之熱傳送單元。
  61. 61
    如申請專利範圍第45項所述之離子佈植系統,其中安排兩種該離子源產生一帶離子束,從任一該離子源佈植至該基板,允許使用一種該離子源作n形摻雜,第二種該離子源作p形摻雜。
  62. 62
    如申請專利範圍第61項所述之離子佈植系統,其具有雙柵汲取光學系統,以產生該帶離子束。
  63. 63
    如申請專利範圍第62項所述之離子佈植系統,其中該兩種該離子源被並列固定,且該雙柵汲取光學系統被安排在該離子源之該汲取孔徑對面。
  64. 64
    一種離子源,能以商用離子佈植流水平供給離子汲取系統所需離子,該離子源包括:一延長的電離室,由壁面所包圍而形成內含之一電離容積,其中一壁面決定延長的汲取孔徑之位置與長度寬度大小,以使汲取系統將該離子流由電離容積汲取出來;一延長的電子槍,其與該汲取孔徑相對且平行,該延長的電子槍設置大小位置與該電離室相配合,用於沿該電離室主軸朝向該汲取孔徑,以發射一主電子方向之片形光束;該電子槍包括一延長的電子發射極,維持於一發射極電壓,及至少維持一平行延長電極維持在一實體地正電壓相對於該電子槍之該發射電壓,該主電子之該片形光束路徑通常延展至一相鄰近的該延長的離子汲取孔徑之區域。
  65. 65
    如申請專利範圍第64項所述之離子源,其中該電子發射極包括一延長的線形或帶形之燈絲。
  66. 66
    如申請專利範圍第64項所述之離子源,其中該電子發射極位於該電離容積外側且該電極被定義在一入口孔徑至該容積。
  67. 67
    如申請專利範圍第64項所述之離子源,其中該電子極為一二極體排列。
  68. 68
    如申請專利範圍第64項所述之離子源,其中該電子槍包括至少兩個相互間隔電極及該發射極。
  69. 69
    如申請專利範圍第68項所述之離子源,其中該等電極中之一被定義在一入口孔徑至該電離室。
  70. 70
    如申請專利範圍第68或69項所述之離子源,其中該等電極中之一為一電子帶狀電極。
  71. 71
    如申請專利範圍第68或69項所述之離子源,其中該等電極中之一包括一網格狀電極。
  72. 72
    如申請專利範圍第64、65、66、67、68或69項所述之離子源,其中該片狀電子束之形狀具有一厚度為該電離室之該離子汲取孔徑之該寬度左右以內。
  73. 73
    如申請專利範圍第64、65、66、67、68或69項所述之離子源,其中該電離室被固定於一冷卻區及該延長的電子發射極嵌入於該區中。
  74. 74
    如申請專利範圍第64、65、66、67、68或69項所述之離子源,其中該延長的電子發射位於電離容積及遠處且被安排曝露在壓力低於該電離容積內壓力之真空中。
  75. 75
    如申請專利範圍第64、65、66、67、68或69項所述之離子源,其中該電子槍加速/減速模式操作。
  76. 76
    如申請專利範圍第64項所述之離子源,其中一縱軸電子束沿著該孔徑之該長度指向及一片形電子束朝向該孔徑。
  77. 77
    如申請專利範圍第23項所述之離子佈植系統,其中該離子槍包括透鏡元件,該等透鏡元件中至少之一保持在具有一大熱輻射表面積之一冷卻支撐架之熱傳送相關物。
  78. 78
    如申請專利範圍第77項所述之離子佈植系統,其中該支撐架包括具有一長度之一延長的金屬棒,數倍大於該支撐架支撐該等透鏡之該直徑。
  79. 79
    如申請專利範圍第78項所述之離子佈植系統,其中該金屬棒具有一延長的徑向表面積通常指向於相關的該電子束之該軸之方向。
  80. 80
    如申請專利範圍第79項所述之離子佈植系統,其中該電子槍包括複數的透鏡,被分別之棒所支撐,在相鄰的棒之間,該等棒之該延展的徑向表面積朝向每一其他棒能幅射熱傳送,趨向於平衡該透鏡之該溫度。
  81. 81
    如申請專利範圍第77項所述之離子佈植系統,其中至少之一冷卻支撐架具有一延展的徑向表面積通常指向於相關的該電子束之該軸方向之橫切方向,以散失幅射熱於周圍。
  82. 82
    如申請專利範圍第81項所述之離子佈植系統,其中包括複數冷卻支撐架。
  83. 83
    如申請專利範圍第22項所述之離子佈植系統,其中該系統包含具有一系列之連續透鏡元件之一電子槍,相鄰之該等透鏡元件被分別的透鏡支撐架支撐,相鄰之該等透鏡支撐架具有延展的熱幅射表面積通常指向於該槍之該軸平行方向,該等透鏡支撐架互相朝向,以熱傳送趨向於平衡個別之該等透鏡之該溫度,且延展熱幅射表面積指向於該電子束軸方向之橫切方向,以散失幅射熱於周圍。
  84. 84
    如申請專利範圍第77、78、79或80項所述之離子佈植系統,其中至少一該支撐架或包括一夾鉗或複數的夾鉗以接合分別的透鏡或複數的透鏡於熱傳送相關物。
Independent claims84