等離子體沉浸離子注入工藝的製作方法
2023-05-07 00:07:31
專利名稱：等離子體沉浸離子注入工藝的製作方法
等離子體沉浸離子注入工藝技術領域
本發明的實施例大體涉及半導體製造工藝及組件領域，尤其涉及通過等離子體沉浸離子注入工藝(plasma immersion ion implantation process)而將離子注入至基板中的方法。
背景技術：
集成電路可包含百萬個以上形成在基板上且彼此於電路內協同執行各種功能的微型電子場效電晶體(例如，互補式金屬氧化物半導體(CM0Q場效電晶體)。一 CMOS電晶體包括位於源極及漏極區域之間的柵極結構，該源極及漏極區域形成在基板中。該柵極結構一般包括一柵極電極及一柵極電介質層。該柵極電極位於該柵極電介質層上方，以控制柵極電介質層下方信道區域內電荷載子的流動，信道區域形成在源極及漏極區域之間。
一離子注入工藝典型地用來將離子注入且摻雜至基板內，從而在基板上形成具有欲求(desired)的輪廓與濃度的柵極與源漏極結構。在離子注入工藝期間，不同的工藝氣體或氣體混合物可用以提供離子源物種。當工藝氣體被供應至離子注入處理腔室內時，可以生成RF功率以產生等離子體，而促使工藝氣體中離子解離以及將經解離的離子朝向且進入基板表面加速。在等離子體解離期間會形成雜質(例如經解離的離子物種結合的副產物)，並且雜質會隨著欲求的離子被驅入和/或注入基板內，因而汙染基板中的結構。這些非欲求(imdesired)的離子物種也會改變基板上所形成結構的濃度、輪廓、尺寸與離子分布，因而不利地影響了整體電子組件性能。
所以，亟需提供一種改良的離子注入工藝。發明內容
本發明提供一種對基板進行共形摻雜的方法，所述基板具有溝道，所述溝道具有側壁和底部部分，所述方法包括將基板放置在等離子體腔室內；向所述腔室提供摻雜劑源和蝕刻劑；在所述腔室中形成電感耦合等離子體；給所述基板施加偏壓；以及在將摻雜劑注入所述側壁和所述底部部分時，通過調整摻雜劑源和蝕刻劑進入所述腔室的流速的比率，來對摻雜劑注入所述側壁和所述底部進行控制。
還提供一種將摻雜劑注入基板的方法，所述基板具有溝道，所述溝道具有側壁和底部部分，所述方法包括將基板放置在等離子體沉浸離子注入腔室中；向所述腔室提供摻雜劑源；由所述摻雜劑源形成等離子體；將摻雜劑注入所述側壁和底部部分；向所述腔室提供蝕刻劑；以及在將摻雜劑注入所述底部部分和所述側壁時，使蝕刻劑與沉積在所述底部部分上的摻雜劑的反應保持平衡。
上面概述的本發明的前述特徵可以通過參照實施例而加以詳細地了解，其中一些實施例被繪示在附圖中。然而，應當注意的是，附圖僅繪示出本發明的典型實施例且因此不被視為會限制本發明範圍，本發包含其它等效實施例。
圖1A-1B繪示適於實施本發明的等離子體沉浸離子注入工具的一實施例。
圖2繪示根據本發明一實施例用於等離子體沉浸離子注入工藝的方法的流程圖。
為了有助於了解，儘可能在附圖中使用相同的組件符號。一實施例的構件與特徵可以有益地被併入其它實施例中而無須贅述。
然而，應當注意的是，附圖僅繪示出本發明的示範性實施例且因此不被視為會限制本發明範圍，本發包含其它等效實施例。
主要組件符號說明
100等離子體反應器102 腔室本體
104工藝區域106 基板
122側壁124 底部
126頂部128 基板支撐組件
130氣體散布板132 抽吸口
134真空泵136 節流閥
140導管140』導管
140a笛一總弟 漸140a，第一端
140bΛ-Λ- ~·上山弟一兄而140b，第二端
142-I-H 心142，芯
144線圈144』線圈
146功率產生器146』功率產生器
148匹配電路148』匹配電路
150環150，環
152氣體源154 偏功率產生器
156匹配電路190 等離子體源
192開口194 開口
196開口198 開口
200方法
202提供基板至等離子體沉浸處理腔室內
204供應包括反應氣體與還原氣體的氣體混合物到處理腔室內
206執行等離子體沉浸離子注入工藝，以將來自氣體混合物的離子注入到基板內具體實施方式
本發明提供用以通過等離子體沉浸離子注入工藝而將離子注入至基板內的方法。 在一實施例中，離子注入工藝是透過向處理腔室供應含有反應氣體與還原氣體的氣體混合物來執行。產生一等離子體以將來自氣體混合物的離子解離，從而形成朝著基板被加速且被注入至基板內的離子源，其中該基板具有欲求的偏壓。供應的氣體混合物提供不同的離子物種，因而提供了特定經解離的離子，所述經解離的離子與副產物相互作用地反應和/ 或與副產物結合而接著被泵送出處理腔室。特定離子的相互作用地反應和/或結合可避免非欲求離子隨著欲求離子一起被注入基板內。
圖IA繪示一等離子體反應器100，其可用來實施根據本發明一實施例的離子注入工藝。可實施該工藝的一適當反應器為可從美國加利福尼亞州聖克拉拉市(Santa Clara) 的應用材料公司(Applied Materials，he.)獲得的P3i 反應器。本文敘述的方法可以在其它適用的等離子體反應器中實施，包括來自其它製造商的等離子體反應器。
等離子體反應器100包括一腔室本體102，腔室本體102具有底部124、頂部126、 與圍繞工藝區域104的側壁122。一基板支撐組件128由腔室本體102的底部IM所支撐， 且適於接收基板106以進行處理。一氣體散布板130耦接至腔室本體102的頂部126，且面對基板支撐組件128。一抽吸口 132被定義在腔室本體102中，並耦接至真空泵134。真空泵134經由一節流閥136耦接至抽吸口 132。一氣體源152耦接至氣體散布板130，以供應在基板106上執行工藝所需要的氣體前驅物化合物。
圖IA繪示的反應器100還包括一等離子體源190，在圖IB中顯示較為清楚。等離子體源190包括一對分離的外部再進入導管140、140』，外部再進入導管140、140』裝設在腔室本體102的頂部1 外面而彼此橫切(或如同圖IB中示範性實施例所繪示的彼此正交)。第一外部再進入導管140具有一第一端140a，該第一端140a經由頂部126中形成的開口 198耦接至腔室本體102中工藝區域104的第一側內。一第二端140b具有耦接至工藝區域104的第二側內的開口 196。第二外部再進入導管140』具有一第一端140a』與一第二端140b，，第一端140a，具有耦接至工藝區域104的第三側內的開口 194，第二端140b， 具有耦接至工藝區域104的第四側內的開口 192。在一實施例中，第一與第二外部再進入導管140、140』被建構成彼此正交，從而使每一外部再進入導管140、140』的兩端140a、140a』、 140b、140b，在腔室本體102的頂部1 周圍相隔約90度。外部再進入導管140、140，的正交組態使得等離子體源能均勻地散布在工藝區域104中。第一與第二外部再進入導管140、 140』可被建構成能在工藝區域104內提供均勻等離子體散布的其它分布形式。
磁性可穿透的環面芯142、142』圍繞外部再進入導管140、140』中相應的一個的一部分。導電線圈144、144』經由各自的阻抗匹配電路或構件148、148』耦接至各自的RF等離子體源功率產生器146、146』。每一外部再進入導管140、140』為分別被絕緣環150、150』 幹擾的中空導電管子，其中該些絕緣環150、150』幹擾各個外部再進入導管140、140』的兩端140a、140b (與140a，、140b，)之間的一連續電性路徑。基板表面的離子能量是由一 RF 等離子體偏功率產生器巧4來控制，其中該RF等離子體偏功率產生器巧4經由一阻抗匹配電路或構件156耦接至基板支撐組件128。
再參照圖1A，包括來自工藝氣體源152的氣體化合物的工藝氣體經由上方氣體散布板130被導入工藝區域104。RF源等離子體功率146從功率施用器142、144耦接至導管 140內所供應的氣體，這建立了一第一封閉環面(torroidal)路徑中的循環等離子體流，其中該第一封閉環面路徑包括外部再進入導管140與工藝區域104。而且，RF源功率146』可以從其它功率施用器142』、144』耦接至第二導管140』中的氣體，這建立了與第一封閉環面路徑橫切(例如正交)的一第二封閉環面路徑中的循環等離子體流。第二環面路徑包括第二外部再進入導管140』與工藝區域104。每一路徑中的等離子體流在各自RF源功率產生器146、146』的頻率下振蕩(例如，相反的方向)，其中該兩頻率可以相同或稍微彼此偏移。
在一實施例中，工藝氣體源152提供不同的工藝氣體，這些氣體可用來提供被注入基板106內的離子。適當的工藝氣體實例包括有化116、8&、5讓4、51 4、？!13、？2!15、？03、？&、 PF5與CF4等。每一等離子體源功率產生器146、146』的功率被操作成使得這些產生器的結合效果能夠有效率地將從工藝氣體源152供應的工藝氣體解離，並且在基板106的表面產生欲求的離子通量(ion flux)。RF等離子體偏功率產生器154的功率被控制在經選擇的水平，在此水平從工藝氣體解離的離子可以朝向基板表面被加速且被注入到基板106表面下一欲求深度而具有欲求離子濃度。例如，通過相對低的RF功率(例如低於約50eV)，可以獲得相對低的等離子體離子能量。經解離而具有低離子能量的離子可以被注入到基板表面下約0埃與100埃之間的淺深度。替代性地，經解離而具有高離子能量的離子是由高RF功率(例如高於約50eV)來提供且產生，經解離而具有高離子能量的離子可以被注入到基板表面下實質上超過100埃的深度。
經控制的RF等離子體源功率與RF等離子體偏功率的組合可以將氣體混合物中的離子解離，該離子因而在處理腔室100中具有足夠動量且欲求的離子分布。這些離子被偏壓，並且被朝向基板驅動，從而將該些離子入到基板內而在基板表面下具有欲求的離子濃度、分布及深度。再者，來自所供應工藝氣體的離子物種的經控制離子能量與不同類型有助於該些離子被注入到基板106內，因此在基板106上形成欲求的組件結構(例如柵極結構與源漏極區域)。
圖2繪示通過等離子體沉浸離子注入工藝將離子注入到基板內的方法200的工藝流程圖。工藝200可以在一等離子體沉浸離子注入處理腔室內(例如圖1A-1B所述的處理腔室100)執行。
方法200開始於步驟202，其在處理腔室100中提供一基板。在一實施例中，基板可以是例如氧化矽、碳化矽、結晶矽(如Si或Si)、伸張矽、矽鍺、摻雜或未摻雜多晶矽、摻雜或未摻雜矽晶片、摻雜矽、鍺、砷化鎵、氮化鎵、玻璃與藍寶石(sapphire)的材料。基板可以具有各種尺寸(例如直徑為200mm或300mm的晶片)，以及矩形或方形面板 (pane)。除非特別指明，本文敘述的實施例與實例是在200mm直徑或300mm直徑的基板上實施。在使用基板以形成柵極結構的實施例中，可以在基板上的一柵極電介質層上沉積一多晶娃層。
在步驟204，將一氣體混合物供應至處理腔室100內，以提供用於後續注入工藝的離子物種。可以從工藝氣體源152(如圖IA所示)或以其它適當方式供應氣體混合物至氣體散布系統130。
在一實施例中，供應至處理腔室100內的氣體混合物包括一反應氣體與一還原氣體。反應氣體提供將被注入到基板內的欲求離子。例如，反應氣體可以提供欲求離子物種的來源，如B、P、Ga、As等，這些離子物種用來在電性組件中形成活性的摻雜質以產生基板摻雜區域的欲求電性性能。在一實施例中，可以用來提供離子物種源的反應氣體包括BF3、 B2H6, BC13、P2H5, PH3、GaN、AsF5, PF3 等。
在一實施例中，還原氣體可以是一含氫氣體。還原氣體是用以與除了欲求離子物種以外的離子物種發生反應，以避免非欲求離子隨著欲求離子被注入到基板內。例如，在反應氣體是BF3氣體的實施例中，BF3氣體在後續注入工藝會被解離(下文會更詳細討論)且產生BF2+、BF22+與F_離子形式的副產物離子物種。從還原氣體產生的氫原子可以有效率地與未完全解離的B3+、BF2+和/或BF22+離子和/或副產物F-發生反應，它們接著被泵送出腔6室，因而避免了非欲求離子物種被注入到基板內。在一實施例中，該含氫還原氣體可以包括 SiH4λ B2H6Λ NH3Λ H2 等。
在另一實施例中，被供應至處理腔室100內的氣體混合物可以包括一惰性氣體。 適當的惰性氣體實例包括隊、Ar、He、Xe與Kr等。處理腔室100中的惰性氣體會促進氣體混合物的離子轟擊(ion bombardment)，從而有效率地增加工藝氣體撞擊的可能性，可以減少離子物種的再結合。
可選地，一含氮氣體可以隨著氣體混合物被供應，以有助於揮發性副產物的形成， 其中這些揮發性副產物更容易被泵送出處理腔室。該含氮氣體可以包括no、NO2、NH3、N2』2O 等。在一實施例中，含氮氣體能以介於約Osccm與約500sccm之間(例如介於約kccm與約lOOsccm之間)被供應到處理腔室內。
在步驟206，執行一等離子體沉浸離子注入工藝，以將在步驟204從氣體混合物產生的離子注入到基板內。供應一 RF源功率，以在處理腔室100中從氣體混合物產生等離子體。經產生的等離子體會將腔室100中的氣體混合物解離成離子物種。一 RF偏功率可以隨著RF源功率被施加，以將從氣體混合物解離的離子物種解離且朝向基板驅動，並且進入基板表面下一欲求深度。可以將施加到腔室100的RF源與偏功率控制在一欲求的能量水平，從而將離子物種解離且摻雜成基板中欲求的濃度與深度。
在一實施例中，RF源功率可以被維持在約50瓦與約2000瓦之間。RF偏功率可以於介於約0伏特與約12000伏特之間的RF電壓被維持在約50瓦與約11000瓦之間。
在步驟206的等離子體沉浸離子注入工藝期間，也可以調整一些工藝參數。在一實施例中，腔室壓力可以被維持在約4mTorr與約500mTorr之間。基板溫度可以被維持在約25°C與約400°C之間。
步驟204所供應的反應氣體、還原氣體與惰性氣體之間的氣體混合物流速和/或氣體混合物流量比可以經選擇，以在各種類型氣體之間控制經解離離子物種的相對量。經選擇的氣體混合物流速和/或流量比使得欲被解離的氣體混合物在不同類型的離子物種之間具有預定的量和/或比例，從而避免在處理腔室中產生過量的特定類型離子、造成不希望的副反應和/或在基板上形成不欲求的薄膜。例如，過量的特定類型離子物種(例如氟或氬離子)可能會濺鍍且轟擊基板表面，從而損壞基板表面以及使基板表面粗糙化。而且，過量的另一種類型離子物種(例如BxHy聚合物)可能無法輕易且有效率地被泵送出處理腔室，從而累積在基板上並造成基板汙染及摻雜質輪廓改變。
在一實施例中，反應氣體與還原氣體的流量比可以被控制在約1 0.5與約 1 0.1之間。在另一實施例中，反應氣體能以約kccm與約600SCCm之間的流速(例如約 IOsccm與約400sccm之間)被注入處理腔室。含氫還原氣體能以約Osccm與約800sccm之間的流速(例如約kccm與約500sccm之間，諸如約kccm與約IOOsccm之間)被注入處理腔室。惰性氣體能以約Osccm與約1200sccm之間的流速(例如約kccm與約IOOOsccm 之間)被注入處理腔室。
在本發明的一示範性實施例中，氣體混合物包括BF3與SiH4。如前所述，BF3與SiH4 氣體會被等離子體解離成B3+、BF2+、BF22+、F—、Si4—與H+形式的離子物種。由SiH4提供的活性H物種會與F物種及其它經解離的副產物發生反應，形成HF或其它類型的揮發性物種， 因此避免了 F物種與其它類型的副產物一起被注入到基板內。選擇適當的SiH4氣體流量，以避免過量的經解離的Si離子在基板表面上形成一非欲求的矽薄膜。在一實施例中，BF3 氣體與SiH4氣體可以具有約1 50與約1 100之間的流量比(例如1 80)。替代性地，BF3氣體流速能以約50SCCm與約400SCCm之間來供應，而SiH4氣體流速能以約Isccm 與約20sccm之間(例如kccm)來供應。RF源功率可以被控制在約100伏特與約2000伏特之間，並且RF偏功率可以被控制在約100伏特與約12000伏特之間。
在本發明的另一示範性實施例中，供應至處理腔室100內的氣體混合物可以包括 BF3A2H6與一含氮氣體(例如N2)。BF3A2H6與N2氣體被等離子體解離成B3+、BF2+、BF22+、F_、 BxHy、N*與H+形式的離子物種。由IH6氣體提供的活性H物種會與F物種及其它經解離的副產物發生反應，形成HF或其它類型能被泵送出腔室的揮發性物種，因此避免了 F物種與其它類型的副產物一起被注入到基板內。不完全解離的IH6氣體會形成BxHy形式的聚合物氣體。從隊氣體產生的N離子物種可用來與聚合物氣體BxHy發生反應，以形成能輕易被泵送出腔室的揮發性氣體，從而避免了在基板上沉積聚合物氣體且不利地影響組件結構。在一實施例中，BF3氣體與IH6氣體可以具有約1 0.01與約1 0.5之間的流量比。替代性地，BF3氣體流速能以約50sccm與約400sccm之間(例如IOOsccm)來供應，而氣體流速能以約IOsccm與約IOOsccm之間(例如IOsccm)來供應，而N2氣體流速能以約kccm 與約20sccm之間(例如IOsccm)來供應。RF源功率可以被控制在約100伏特與約1000伏特之間，並且RF偏功率可以被控制在約100伏特與約12000伏特之間。
在本發明又另一示範性實施例中，供應至處理腔室100內的氣體混合物可以包括 BF3、B2H6 與 SiH4。BF3、B2H6 與 SiH4 氣體被等離子體解離成 B3+、BF2+、BF22+、Si4\ BxHy 與 H+ 形式的離子物種。B物種被加速且被注入到基板內基板表面下約10埃與約800埃之間的深度。由IH6氣體提供的活性H物種會與F物種及其它經解離的副產物發生反應，形成HF 或其它類型的揮發性物種，因此避免了 F物種與其它類型的副產物一起被注入到基板內。 不完全解離的BxHy氣體與H離子會形成能被泵送出腔室的揮發性氣體，從而避免了在基板上沉積聚合物氣體與矽離子且不利地影響組件結構。在一實施例中，BF3氣體、IH6氣體與 3讓4氣體可以具有約1 0.01 0.01與約1 0. 1 0.01之間的流量比。替代性地， BF3氣體流速能以約50sccm與約400sccm之間來供應，而氣體流速能以約IOsccm與約 IOOsccm之間來供應，而SiH4氣體流速能以約kccm與約20sccm之間來供應。RF源功率可以被控制在約100伏特與約1000伏特之間，並且RF偏功率可以被控制在約100伏特與約12000伏特之間。
所以，本發明提供了用以通過等離子體沉浸離子注入工藝而將離子注入到基板內的方法。此改良的方法得以有益地將欲求的摻雜質量注入到基板表下欲求的深度，而不會不利地汙染或改變基板上摻雜質離子濃度，從而在基板上形成具有欲求的電性性能的電性組件。
雖然前述說明針對於本發明的實施例，但在不脫離本發明基本範圍下可以構想出本發明的其它與進一步實施例，並且本發明範圍是由所附權利要求來決定。
權利要求
1.一種對基板進行共形摻雜的方法，所述基板具有溝道，所述溝道具有側壁和底部部分，所述方法包括將所述基板放置在等離子體腔室內； 向所述腔室提供摻雜劑源和蝕刻劑； 在所述腔室中形成電感耦合等離子體； 給所述基板施加偏壓；以及在摻雜劑注入所述側壁和所述底部部分時，通過調整摻雜劑源和蝕刻劑進入所述腔室的流速的比率，來對摻雜劑注入所述側壁和所述底部進行控制。
2.如權利要求1所述的方法，其中在摻雜劑被注入所述側壁時，利用所述蝕刻劑將過量的摻雜劑從所述底部部分去除。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述摻雜劑源包括4H6、P2H5、PH3、GaN、AsF3或PF3中的至少一個。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述蝕刻劑包括BF3或BCl3中的至少一個。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述摻雜劑源是IH6，所述蝕刻劑是BF3。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述比率被順次地調整。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述比率從約5 0逐漸變化到約0 5。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述摻雜劑源包括4H6、P2H5、PH3、GaN、AsF3或PF3中的至少一個，所述蝕刻劑包括BF3或BCl3中的至少一個，並且摻雜劑源和蝕刻劑的比率從約 5 0逐漸變化到約0 5。
9.一種將摻雜劑注入基板的方法，所述基板具有溝道，所述溝道具有側壁和底部部分， 所述方法包括將基板放置在等離子體沉浸離子注入腔室中； 向所述腔室提供摻雜劑源； 由所述摻雜劑源形成等離子體； 將摻雜劑注入所述側壁和底部部分； 向所述腔室提供蝕刻劑；以及在將摻雜劑注入所述底部部分和所述側壁時，使蝕刻劑與沉積在所述底部部分上的摻雜劑的反應保持平衡。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述摻雜劑源包括&H6、P2H5,PH3> GaN, AsF3或PF3 中的至少一個。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述蝕刻劑包括BF3或BCl3中的至少一個。
12.如權利要求9所述的方法，其中所述摻雜劑源是IH6，所述蝕刻劑是BF3。
13.如權利要求9所述的方法，其中蝕刻劑流速和摻雜劑源流速構成蝕刻劑和摻雜劑的比率，並且當摻雜劑被注入時，所述比率逐漸提高。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述比率順次提高。
15.如權利要求13所述的方法，其中提高蝕刻劑和摻雜劑的比率包括逐漸降低摻雜劑源的流速。
全文摘要
本發明揭示一種對基板進行共形摻雜的方法，所述基板具有溝道，所述溝道具有側壁和底部部分，所述方法包括將所述基板放置在等離子體腔室內；向所述腔室提供摻雜劑源和蝕刻劑；在所述腔室中形成電感耦合等離子體；給所述基板施加偏壓；以及在摻雜劑注入所述側壁和所述底部部分時，通過調整摻雜劑源和蝕刻劑進入所述腔室的流速的比率，來對摻雜劑注入所述側壁和所述底部進行控制。
文檔編號H01L21/223GK102522324SQ20111042405
公開日2012年6月27日 申請日期2007年12月7日 優先權日2006年12月8日
發明者卡提克·雷馬斯瓦米, 李東亨, 李實健, 比亞吉歐·加洛, 馬耶德·A·福阿德 申請人:應用材料公司