在離子注入工藝中使用同位素富集等級的摻雜劑氣體組分的方法

2023-06-10 19:45:11 1

在離子注入工藝中使用同位素富集等級的摻雜劑氣體組分的方法
【專利摘要】在此提供了一種使用富集和高富集摻雜劑氣體的新型工藝，由於能夠實現與這種摻雜劑氣體的離子注入相關的工藝優勢，因此消除了終端使用者當前所遭遇的問題。對於在指定範圍內的給定流速，與其相應非富集或較少富集摻雜劑氣體相比，設計為在降低的離子源的總功率等級下運行以降低該富集摻雜劑氣體的電離效率。還降低了源線圈的溫度，從而當利用含氟富集摻雜劑氣體時減輕了氟刻蝕和離子源壽命縮短的不利效果。當有利地將射束電流維持在不用難以接受地背離原來限定的等級時，該降低的總功率等級與降低的電離效率和降低的離子源溫度組合，能夠相互協同作用以改善並延長離子源壽命。
【專利說明】在離子注入工藝中使用同位素富集等級的摻雜劑氣體組分 的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種在離子注入工藝中使用富集和高富集等級的摻雜劑氣體的新型 工藝。

【背景技術】
[0002] 離子注入法是半導體/微電子製造業中的重要工藝。離子注入工藝用在集成電路 製造中以將摻雜劑雜質引入到半導體晶片中。離子源用於將來自摻雜劑氣體的各種離子種 類形成為定義良好的離子束。摻雜劑氣體的電離產生了隨後能夠注入到給定工件的離子種 類。
[0003] 在半導體產業中同位素富集摻雜劑氣體已經呈現為廣泛使用的摻雜劑氣體前體。 如在此以及在整個說明書中使用的，術語"同位素富集"和"富集"摻雜劑氣體可交換地用 於表不摻雜劑氣體包含與自然存在的同位素分布不同的質量同位素分布，由此質量同位素 的其中之一具有比目前在自然存在的等級中更高的富集等級。作為實例，58% 72GeF4指的 是以58%富集度包含質量同位素72Ge的同位素富集或富集摻雜劑氣體，然而自然存在的 GeF4以27%的自然富集等級包含質量同位素72Ge。
[0004] 通過採用一給定流速的摻雜劑氣體進行注入，其中該氣體富集一希望的原子種 類，與以相同流速所使用的相應非富集摻雜劑氣體相比，所產生的離子束具有較高的射束 電流。作為實例，對於給定流速，在質量同位素72Ge中以58 %富集度富集的58 % 72GeF4能 夠產生的射束電流兩倍於以27 %的自然富集等級具有質量同位素72Ge的自然存在的GeF4 所產生的射束電流。換句話說，與自然存在的GeF4相比，當利用58% 72GeF4時在離子腔中 每單位體積的流速產生兩倍的72Ge離子。除了較高的射束電流，與相應的非富集摻雜劑氣 體相比，該富集的摻雜劑氣體能夠實現利用較少摻雜劑氣體獲得預期原子種類的必需注入 劑量的能力。
[0005] 當富集的摻雜劑氣體是含氟氣體時，這種工藝優勢會尤其地有利，這對於刻蝕鎢 離子腔室的壁和形成氟化鎢（WFx)物質是眾所周知的，該物質能夠遷移到能夠沉積鎢的熱 源線圈處。該鎢沉積物能夠導致在射束電流中以閃爍或電弧放電被人所知的瞬間落差。當 閃爍和/或閃爍頻率達到使得該離子裝置不能以一可接受的效率工作時的閾值上限時，最 終該離子源性能可能會隨時間惡化並退化。在這種情形下，使用者必須停止該注入操作並 進行維護以清除該沉積物或替換該離子源。這種停工導致了離子注入系統的生產力損失。 因此，通過採用能夠向該離子源腔室中引入較少氟的相應富集的含氟摻雜劑氣體，能夠實 現期望的原子種類的必需注入劑量，由此減少了鎢沉積物並潛在地延長了離子源壽命。
[0006] 此外，以與非富集摻雜劑氣體相同的流速採用各種富集摻雜劑氣體提供了生產量 和收益得到增長的益處。與非富集摻雜劑類似物相比較，獲得了用於注入的每單位流量的 富集摻雜劑氣體的更多的摻雜劑原子種類。結果，當利用富集摻雜劑氣體時，生產量和收益 的潛力得到增長。
[0007] 此外，為了產生該必需離子注入劑量，希望的原子種類的同位素富集至一足夠等 級能夠消除由其他種類交叉汙染的問題。現今，許多離子源工具是非專用的，這意味著採用 相同工具注入各種不同的原子種類。作為實例，與其他GeF4的穩定同位素（即70Ge、72Ge、 73Ge和76Ge)相比，由於在天然存在的GeF4(即GeF4)中在37%下是最豐裕的，天然存在 或者非富集氟化鍺（GeF4)已經用於74Ge離子種類的注入。許多這些源工具還處理並注入 75As，其產生了與74Ge的交叉汙染問題，因為離子磁選機不能識別出這兩種原子種類之間 的不同，這是由於在75As與74Ge種類之間僅存在1原子質量單位（a. m. u.)的差別。換句 話說，離子源腔室不能解析或濾除在所得離子束中來自於之前的生產運轉所殘留的75As， 因為常規束的質量分辨不能識別74Ge與75As原子種類之間的差別。結果，74Ge和75Ge種 類這二者均能夠不經意地注入到工件中，從而致使微電子器件被汙染並潛在地不適於其預 期目的。已經顯示出汙染能夠達到預期鍺劑量的6%或更高。
[0008] 為了減輕這種交叉汙染，已經認識到能夠利用距75AS為2或更高a. m. u.的同位 素富集Ge原子種類。同樣地，藉由質量72的鍺同位素從其27%的天然豐度等級富集到大 約52%或更高，在72Ge中天然存在的GeF4的同位素富集能夠提高72GeF4的濃度，由此能 夠在不產生75As交叉汙染的情況下實現必需的Ge劑量。72GeF4的富集等級以引入較少總 氣體量的方式達到了必需劑量。此外，富集72GeF4的較少消耗量還意味著用於刻蝕腔室部 件和在源線圈上沉積鎢的較少氟離子。
[0009] 這些工藝優勢已經促使例如半導體工廠和晶片加工服務廠（foundary)的使用者 在他們的離子注入工藝中利用相應的富集或高富集摻雜劑氣體類似物替換常規的非富集 摻雜劑氣體。通常說來，在微電子產業中，因為離子源工具之前被限制為在確定的工藝參數 下操作，該參數證實為能夠利用必需的注入劑量而精確且可靠的生產出合乎要求的晶片， 所以當利用相應的富集摻雜劑氣體時該離子注入工藝參數優選地為保持不變。
[0010] 然而，儘管有以上所述的工藝優勢，但是以不明顯偏離原先所限制的離子源工具 操作參數的方式採用該富集摻雜劑氣體類似物，半導體工廠和晶片加工服務廠還是遭遇到 了困難。特別地，以與原先非富集或較少富集摻雜劑氣體所採用的相同的富集摻雜劑氣體 流速操作該離子源工具，將該射束電流增大到代表偏離受限離子束電流的級別。結果，該整 個離子注入工藝必須是重新設置的，其為一耗費時間有效地總計為不可接受的生產停工期 的工藝。此外，該增大的離子射束電流對於富集含氟摻雜劑氣體尤其存在問題，在其中富集 摻雜劑氣體的電離產生大量能夠形成各種氟化鎢（WFx)離子種類的自由可用氟離子。如所 提及的，WFx種類在離子源腔室中趨向於遷移到較熱表面，包括陰極或源線圈，在那裡它們 能夠沉積鎢並且潛在地導致離子源失靈和壽命縮短。由於鎢沉積物，氟原子或分子得到釋 放並用於繼續所謂的刻蝕附加鎢壁的"滷素循環"。結果，終端用戶注意到採用含氟富集氣 體在某些情況下可以通過促進齒素循環而縮短源壽命。
[0011] 當利用更高等級的富集摻雜劑氣體時上述的問題潛在地解決。因此，離子注入用 戶可能不會實現初始預期的同位素富集摻雜劑氣體的工藝益處。對於離子注入工藝存在未 滿足的需求，其能夠實現利用消除前述問題的富集摻雜劑氣體的工藝益處。


【發明內容】

[0012] 在第一方面，提供了一種採用富集摻雜劑氣體的方法，包括：在足夠維持離子源穩 定性的流速下引入該富集摻雜劑氣體，其中該富集摻雜劑氣體具有為90%或大於天然豐度 等級的其中的同位素富集等級；相較於在該流速下用於相應較小富集或非富集摻雜劑氣體 的功率等級，在減小的離子源總功率等級下操作；以及電離該摻雜劑氣體以產生並維持如 在該流速下使用相應較小富集或非富集摻雜劑氣體所產生的射束電流。
[0013] 在第二方面，提供了一種採用富集摻雜劑氣體的方法，包括：在l-5sccm範圍內的 流速下引入該富集摻雜劑氣體，其中該富集的摻雜劑氣體基本上由具有大於55%的72Ge 同位素富集等級的72GeF4組成；相較於用於相應較小富集或非富集摻雜劑氣體W所使用的 總功率等級，在減小的離子源總功率等級下操作；相較於在該流速下相應較小富集或非富 集摻雜劑氣體，在減小的離子源溫度下操作；以及電離該富集摻雜劑氣體以獲得並維持如 在該流速下使用相應較小富集或非富集摻雜劑氣體所產生射束電流。
[0014] 在第三方面，提供了一種在離子注入工藝中採用同位素富集摻雜劑氣體的方法， 包括步驟：選取具有注入到晶片中的原子種類的摻雜劑氣體；選取所述摻雜劑氣體的質量 同位素以在高於其中天然豐度等級至少90%處實現富集；在一低於大氣壓的存儲和傳輸 容器中提供所述摻雜劑氣體的該質量同位素；在足夠維持離子源穩定性的流速下引入該摻 雜劑氣體的質量同位素；相較於在用於相應較小富集或非富集摻雜劑氣體的功率等級，在 減小的離子源功率等級下操作；以及電離該摻雜劑氣體以維持在該流速下使用相應較小富 集或非富集摻雜劑氣體所產生射束電流。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 由於結合下面的附圖提出的隨後的本發明的更詳細的描述，本發明的以上和其他 的方面、特徵和優點將會是更加明顯，其中：
[0016] 圖1示出了具體表現本發明原理的一離子源裝置；以及
[0017] 圖2示出了合併到束線離子注入系統中的圖1的離子源裝置。

【具體實施方式】
[0018] 如在此使用的，除非另外指出，否則所有濃度均以體積百分比（"vol%"）表示。
[0019] 儘管已經認識到使用同位素富集摻雜劑氣體的其中一個優點是與非富集摻雜劑 氣體相比，降低了氣體總流量以實現了相似的射束電流，限制存在於富集摻雜劑氣體的使 用。嘗試降低富集摻雜劑氣體的流速以維持合乎條件的離子束電流等級也許是不可能的， 因為在摻雜劑氣體流速上的必需減小使得離子源不穩定從而使得等離子體不能維持。因 此，當在降低的流速下利用該富集摻雜劑氣體類似物時，離子束電流等級不能保持在一可 接受的合乎條件的範圍內。
[0020] 本發明還認識到同位素富集摻雜劑氣體的流速降低到超出預定的閾值導致離子 工具不穩定，為此腔室內的壓力降低到超出一臨界閾值。該降低的壓力意味著在電子與摻 雜劑氣體之間發生不足的碰撞，以維持等離子體並在一電弧放電模式中運行該離子源。換 句話說，意味著在電子、離子和中性粒子之間用於碰撞的平均自由行程增加。例如，已經發 現與其相應的51%的低富集版相比，由於離子源工具中所降低的壓力，將58% 72GeF4的流 速降低30%或更多會導致離子源工具不穩定。即使維持等離子體，由於降低的等離子體效 率，用戶也可能會觀察到射束電流相當可觀的下降。一般而言，已經觀察到當採用任何類型 的富集摻雜劑氣體時，流速的下限是不應降到低於大約0. 5SCCm。
[0021] 此外，富集摻雜劑氣體在減小的壓力下的減小流速會導致電弧腔室的壁變得較 熱。在工藝的任何給定時間較少氣體佔據了該電弧腔室，由此降低了氣體的冷卻效果。結 果，滷素循環的反應速度明顯增加，在較高溫度下，活性的氟能夠更快速的刻蝕並腐蝕鎢腔 室的壁。
[0022] 本發明認識並考慮到以上的工藝限制，以提供了離子注入工藝中所採用的富集摻 雜劑氣體的獨特解決方法。如在各個實施方式中將要被詳細描述的，當離子注入富集和高 富集摻雜劑氣體時，本發明利用各種方法通過控制總量以降低輸入到離子源的總功率等 級。
[0023] 在本發明的第一實施方式中，通過降低至該離子源的總輸入功率而操作該離子注 入工藝。與採用相應較小富集或非富集摻雜劑氣體的總功率等級相比，該降低的總輸入功 率等級較小。當在此以及在整個說明書中使用時，詞組"降低的總功率等級"意味著輸入到 離子源中的總功率等級，其與在一給定流速離子注入一富集摻雜劑氣體以產生一射束電流 相關，基本上與採用相應較小富集或非富集摻雜劑氣體在相同流速下所產生的總功率等級 相同。富集摻雜劑氣體的流速意欲保持與較少富集或非富集摻雜劑氣體基本相同以保證至 少一最小壓力得到實現和保持，其在整個離子注入過程中足夠維持等離子體。用這種方式， 維持該氣體流速避免離子源不穩定。一般而言，該總功率等級降低到相對於採用相應較少 富集或非富集摻雜劑氣體的功率等級的百分比可以為從5到30%的範圍。選取該降低的總 功率等級以使得富集摻雜劑氣體所採用的淨餘總功率輸入降低到一等級以維持與當利用 較少富集或非富集摻雜劑氣體時基本上相同的生成摻雜劑離子數量。一特定降低的總功率 等級的確定是多個變量的函數，包括特定摻雜劑氣體的電離效率、其富集等級以及流速。
[0024] 通過在一降低的總功率等級下運行，該富集摻雜劑氣體的電離效率降低一受控數 量以維持與之前在非富集摻雜劑氣體中所限的基本上相同的離子束電流。換句話說，直接 或間接輸入到該離子源的該降低的總功率等級設計為意欲降低該富集摻雜劑氣體的電離 效率。電離效率依賴於電子的數量和從陰極發射並與富集摻雜劑氣體碰撞和相互作用的電 子的能量。因為在每一單位流動體積中該富集氣體包含更多摻雜劑原子種類，所以生成的 富集摻雜劑離子數量在降低的電離效率下保持與當採用較少富集或非富集氣體時相同或 基本類似。用這種方式，維持如之前所限的利用非富集或較少富集摻雜劑氣體的射束電流。
[0025] 在某些應用中，與相應較小富集或非富集摻雜劑氣體相比該電離效率平均可以降 低到係數3X同樣多。該精確電離效率將至少部分依賴於摻雜劑氣體類型和摻雜劑氣體的 富集等級。當該富集摻雜劑氣體是含氟氣體時本發明是尤其有益的，由於較少的自由氟引 入到腔室中，因此降低了滷素循環的不利作用。例如，利用例如72GeF4的含氟摻雜劑氣體 的離子注入工藝可以具有降低係數2. 5X的一電離效率而仍然保持非富集GeF4所限的射 束電流，其中在72GeF4中，質量72的鍺同位素富集於從27%的天然豐度等級至70%的富 集等級。
[0026] 考慮很多用於降低至離子源的輸入總功率的方法。在一個實施方式中，降低了至 源線圈本身的功率輸入。根據本發明的原理，在較低的功率等級下，從陰極激發了較少的電 子，因此導致該富集摻雜劑氣體的較少電離。在處理過程中通過優選選取實施離子注入的 預定線圈功率，用戶可以控制所產生的特定離子的數量。該富集摻雜劑氣體的流速保持為 與非富集或較少富集摻雜劑氣體的流速基本上相同以確保最小的足夠壓力從而維持該等 離子體。降低該線圈功率以降低富集摻雜劑氣體的電離效率，因此保持從較高富集摻雜劑 氣體產生的摻雜劑離子數量與非富集或較低富集摻雜劑氣體的相類似。結果，使得射束電 流保持不變。典型線圈功率等級能夠在從100-1000W、優選在從200-500W且更優選地在從 150-350W的範圍內。理想線圈功率等級將會至少部分地隨著離子注入工藝中採用的特定 摻雜劑氣體以及摻雜劑氣體的富集度而變化。例如，在一個實施方式中，在減小的功率運行 下，當在與其較小富集或非富集類似物相比不變的流速下離子注入58-75%富集的一高同 位素富集摻雜劑氣體72GeF4時，線圈功率能夠維持在175-350W的範圍內。
[0027] 此外，根據本發明的原理，優選在一預定較低功率下操作該線圈從而降低陰極的 溫度以及由該陰極激發的電子的相應數量。較低的線圈操作功率以及陰極溫度直接降低了 離子腔室的鎢腔室壁的溫度。較低的鎢腔室壁的溫度有效降低了滷素循環的反應動力。特 別地，通過活性氟的作用形成揮發WFx種類所產生的鎢壁的刻蝕速率在該較低溫度下得到 降低。隨著腔室壁腐蝕的明顯減少，在等離子體相中產生的該揮發WFx種類的淨量降低。在 這種降低線圈和陰極溫度下，WFx的還原速度降低，其還原將W再沉積到陰極表面。因此， 該滷素循環的較低反應動力使得在線圈上的鎢沉積最小化，從而延長了離子源的壽命，同 時仍然保持了與之前限定的非富集或較小富集摻雜劑氣體相同的射束電流。腔室壁的氟侵 蝕和在陰極上的W再沉積能夠縮短離子源壽命。因此，在足以降低線圈操作溫度並產生減 少電離效率的較低功率下操作，能夠提高並延長離子源壽命，同時仍然有益地提供了採用 非富集或較少富集摻雜劑氣體所限的相同射束電流。
[0028] 本發明利用了源線圈的溫度與來自陰極的激發電子的數量之間的關係以控制所 產生的摻雜離子的總量。特別地，源線圈是產生電子的原因，該電子朝向陰極或陰極杯加速 以將溫度增大到其熱電子發射溫度。從陰極產生的電子與引入到電弧腔室的同位素富集 摻雜劑氣體相互作用並碰撞以產生不同的離子和中性粒子。例如，在以它的一個特別穩定 的同位素富集的GeF4的情況中，所產生的離子和中性粒子可以包括Ge+、F+、GeF2+、GeF+、 F2+、Ge、F、GeF2以及類似物。來自一熱陰極的放射電流密度（即，能夠從陰極產生和激發 的電子的數量）與它的溫度通過裡查遜-杜什曼等式相關，如下所示：
[0029]

【權利要求】
1. 一種利用富集摻雜劑氣體的方法，包括： 以足以維持離子源穩定性的流速引入所述富集摻雜劑氣體，其中所述富集摻雜劑氣體 具有為90%或大於天然豐度等級的其中的同位素富集等級； 與在相應較少富集或非富集摻雜劑氣體中所採用的總功率等級相比，在降低的離子源 總功率等級下操作；以及 電離所述富集摻雜劑氣體以產生並維持如在所述流速下採用相應較少富集或非富集 摻雜劑氣體所產生的射束電流。
2. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括： 在所述流速下與相應較少富集或非富集摻雜劑氣體相比在降低的溫度下操作所述離 子源；以及 通過降低電弧偏壓、偏弧、線圈功率或其組合而在降低的總功率等級下操作。
3. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括通過在等於或大於lsccm的流速下引入所 述富集摻雜劑氣體而保持該離子源的穩定性。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中所述富集摻雜劑氣體包含在至少55%的72Ge的 富集等級下的72GeF4。
5. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括通過將所述流速保持為處於或低於5sCCm 而避免再化合反應的步驟。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中在降低的總功率等級下操作的步驟包括在受控量 下降低所述富集摻雜劑氣體的電離效率以保持與之前利用較少富集或非富集摻雜劑氣體 所限定的基本上相同的射束電流。
7. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟： 利用72Ge富集度為至少75%的富集型72GeF4來操作所述離子源； 在所述流速下、在與相應較少富集或非富集摻雜劑氣體相比降低的溫度下操作，其中 所述離子源腔室壁的溫度在400°C至900°C範圍內；以及 降低線圈與離子源陰極之間的偏壓。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中在降低的總功率等級下操作的步驟通過在降低預 定量的離子腔室中的電弧電壓下操作而發生。
9. 一種利用富集摻雜劑氣體的方法，包括： 以範圍在1至5SCCm的流速引入所述富集摻雜劑氣體，其中，該富集摻雜劑氣體基本上 由同位素72Ge的富集等級大於55%的72GeF4所組成； 與相應較少富集或非富集摻雜劑氣體所採用的總功率等級相比，在降低的總功率等級 下操作； 在所述流速下、在與相應較少富集或非富集摻雜劑氣體相比降低的離子源溫度下操 作， 電離所述富集摻雜劑氣體以在所述流速下維持如採用相應較少富集或非富集GeF4所 產生的射束電流。
10. 根據權利要求9所述的方法，進一步包括操作離子源從而通過降低在線圈與離子 源的陰極之間的偏壓，使得離子腔壁具有與在所述流速下與相應較少富集或非富集GeF4 相比範圍為400°C至900°C的降低溫度。
11. 根據權利要求9所述的方法，其中通過在較低的電弧電壓、較低的偏弧、較低的線 圈功率或其組合下操作而發生在降低的功率等級下操作的步驟。
12. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述富集摻雜劑氣體基本上由72Ge同位素在 75%或更大的高富集等級的72GeF4組成。
13. -種在離子注入工藝中採用高同位素富集的摻雜劑氣體的方法，包括步驟： 選取具有將要注入到晶片中的原子種類的摻雜劑氣體； 選取所述原子種類的質量同位素以使其富集為高於其中天然豐度等級的至少90% ; 在低於大氣壓存儲和傳輸容器中提供所述摻雜劑氣體的富集的質量同位素； 在足以維持離子源穩定性的流速下引入所述摻雜劑氣體的富集質量同位素； 與相應較少富集或非富集摻雜劑氣體中所採用的總功率等級相比，在降低的離子源總 功率等級下操作；以及 電離所述富集摻雜劑氣體的富集質量同位素以在所述流速下維持如採用相應較少富 集或非富集摻雜劑氣體所產生的射束電流。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述流速不超過使得再化合反應發生的上限。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述離子源在所述流速下、與相應非富集摻雜 劑氣體相比處於降低的溫度。
16. 根據權利要求13所述的方法，其中該富集摻雜劑氣體為72Ge的富集度在55-60% 的 72GeF4。
17. 根據權利要求13所述的方法，其中所述富集摻雜劑氣體為72Ge的富集度在 55-70 %的72GeF4,並且在大約為l-3SCCm的流速下與相應較少富集或非富集72GeF4摻雜 劑氣體所採用的總功率等級相比，所述降低的總功率等級降低了 5-20%。
18. 根據權利要求13所述的方法，其中所述富集摻雜劑氣體為72Ge富集度在70-80% 範圍內的72GeF4,該降低的總功率等級比相應較少富集或非富集72GeF4摻雜劑所採用功 率等級低20-30%。
19. 根據權利要求13所述的方法，其中所述富集摻雜劑氣體為72Ge富集度為58%或 更大的72GeF4,降低的線圈功率等級在200-500W的範圍內，所述腔室壁具有範圍在400°C 至900°C內的降低的溫度並且流速在lsccm至3sccm的範圍內。
20. 根據權利要求19所述的方法，進一步包括在較低的離子腔室中的電弧電壓下操 作，同時保持至線圈和偏弧的功率輸入不變，，以便與相應較少富集或非富集摻雜劑氣體所 採用的總功率等級相比，降低了該總功率等級。
【文檔編號】H01L21/265GK104124141SQ201310561130
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年4月24日
【發明者】A·K·辛哈, C·I·李 申請人:普萊克斯技術有限公司