CN103834925B - 低温离子注入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了可增进低温离子注入的产量的技术。在低温离子注入时，注入程序可在冷却程序使衬底温度降至大约为一预定注入温度前开始，而加热程序可在注入程序完成前开始升高衬底的温度。此外，可在注入程序中一部分期间或多个部分期间进行一或多个温度调整程序，以便于注入过程中，使衬底温度可控制地高于预定注入温度。
Description
本申请为申请号：201110072168.X、申请日：2011.3.17、发明名称：低温离子注入方法的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明有关离子注入，特别是有关低温离子注入。
背景技术
目前已发现在离子注入时维持较低的衬底(substrate)温度对于浅接面的形成可能有帮助，特别是对于半导体的持续缩小化越来越重要的超浅接面；其亦可能对提升离子注入的良率有帮助。
传统的低温离子注入开始时会在注入程序前将一衬底由外界环境，例如大气环境，移入注入机(implanter)。如图1a所示，接着进行冷却程序(由时间tc到时间ti)，以使衬底温度从环境温度(TR)，例如约为15～25℃，降至大约为一预定注入温度(TP)，例如约为-15～-25℃，此温度通常低于水的冰点，并且基本上即为注入程序中静电夹盘(e-chuck)的温度。此处，衬底可在注入机外的至少一承载盘(cassette)、一注入机的前置腔体(load lock)或一注入机的腔室(chamber)中等进行降温。
一般会通入气体到气体背面以冷却衬底，但降温的过程需要数秒(甚至数分钟)。请继续参照图1a，在注入过程中(由时间ti到时间th)，衬底受到离子束能量加热，再透过降温机制(例如背面气体(backside gas))降温。通常来说，为了确保经过注入程序的衬底的注入质量，会适度地调整降温机制的操作，以保证注入过程中(由时间ti到时间th)，衬底的温度大致与预定注入温度(TP)相同，或者至少不超过一上限温度(TL)。此处，衬底温度的上升曲线可为线性或非线性；图1a所示注入过程中(由时间ti到时间th)的上升曲线仅为示意，但如果上限温度(TL)与预定注入温度(TP)相当接近，如图1b所示，则注入过程(由时间ti到时间th)的上升曲线可简化为一条水平直线。
请继续参照图1a或图1b，完成注入程序后，接着进行一加热程序(由时间th到时间tf)，以使受注入的衬底升温至一似环境温度(TR’)，再将受注入的衬底由注入机移至外界环境，以进行后续的半导体工艺，其中，似环境温度可与大气环境温度相近，或高于外界环境中水的露点温度(dew point of wafer)，因此，可避免因温差而导致衬底表面水凝结的问题。
前述程序需要数秒(甚至数分钟)使衬底由环境温度降至预定注入温度，并且也需要数秒(甚至数分钟)使受注入的衬底由预定注入温度升至似环境温度。此外，在低温离子注入程序中，为了确保注入程序的均匀度及质量，冷却程序以及加热程序均与离子注入程序分开，但是冷却程序及加热程序均耗费时间，以致于低温离子注入的产量受限。
因此，提供一新颖且有效的方法来增进低温离子注入实为目前急需努力的目标。
发明内容
因此，本发明一实施例提供一低温离子注入方法。首先，将一衬底由一外界环境移入一腔室，其中，外界环境具有一外界环境温度；接着，进行一冷却程序，以使一衬底温度降至低于外界环境温度；再来，进行一注入程序且持续进行冷却程序，以同时冷却衬底以及将离子注入于衬底；然后，完成冷却程序，并持续进行注入程序，以将离子注入至衬底；接着，完成注入程序，之后进行一加热程序，以加热衬底；最后，将衬底由腔室移至外界环境。
本发明另一实施例提供一低温离子注入方法。首先，将一衬底由一外界环境移入一腔室，其中外界环境具有一外界环境温度；然后，进行一冷却程序，以使衬底的一衬底温度降至低于外界环境温度；再来，在冷却程序完成后，进行一注入程序，以将离子注入至衬底；然后，进行一加热程序，并持续进行注入程序，以同时加热衬底以及将离子注入至衬底；接着，完成注入程序完成，并持续进行加热程序，以加热衬底；最后，将衬底由腔室移至外界环境。
本发明例另一实施例提供一低温离子注入方法。首先，在一腔室中提供一离子束，以及将一衬底由一外界环境移入腔室；然后，进行一冷却程序，以冷却衬底；接着，进行一注入程序，以将离子注入至衬底，其中，一个或多个温度调整程序以及注入程序的一部分期间或多个部分期间同时进行；再来，进行一加热程序，以加热衬底；最后，将衬底由腔室移至外界环境。
附图说明
图1a与图1b为传统低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。
图2为本发明一实施例的低温离子注入方法的流程图。
图3为本发明一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。
图4为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。
图5为本发明另一实施例的低温离子注入方法的流程图。
图6为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。
图7为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。
图8为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。
图9为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。
图10为本发明另一实施例的低温离子注入方法的流程图。
具体实施方式
本发明的详细说明将于以下的实施例呈现，这些实施例并非用以限制本发明的范围，且应能随其它的应用而调整。附图中所示的细节，例如组件的数量等，除非说明书中对其另外有明确的限定，应被认为可依实际情况不同而有变化。
为简化说明及附图，以下说明及相关附图并没有特别强调预定注入温度及上限温度的差别。实际上，其中一些说明及附图假设两者不同，而其它说明及附图则假设两者相同(或至少两者的差异是可被忽略的)。但是，本发明并不限于预定注入温度与上限温度的差异，本领域中具有通常知识者应能将此差异加入以下的说明及相关附图。
图2为本发明一实施例的低温离子注入方法的流程图。在步骤20中，将一衬底由一外界环境移入一腔室，其中外界环境具有一外界环境温度；在步骤22中，进行一冷却程序以使衬底的温度降至低于外界环境温度；在步骤24中，进行一注入程序且持续进行冷却程序，以同时冷却衬底及将离子注入至衬底；在步骤26中，完成冷却程序，并继续进行注入程序，以将离子注入至衬底；在步骤28中，完成注入程序，之后进行一加热程序，以加热衬底；在步骤30中，将衬底由腔室移至外界环境。
图3为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。在本实施例中，注入程序与冷却程序部分重迭。
首先，进行一冷却程序，以在时间tc至时间ti内，将衬底由大约为环境温度(TR)降至一较低温度。在冷却程序中，当达到一温度TS时(对应时间ts)，即开始进行离子注入程序，其中，温度TS介于环境温度(TR)以及预定注入温度(TP)间，且选择性地高出预定注入温度(TP)许多。因此，从时间ts到时间ti，注入程序是伴随着冷却程序进行。此处，从时间ts到时间ti，衬底温度可降至与预定注入温度(TP)实质相等。另外，同时进行离子注入与冷却衬底的期间(由时间ts至时间ti)与冷却程序的总期间(由时间tc至时间ti)的比值不超过一半；并且完成冷却程序的时间点不晚于注入程序的期间的一半，以及上限温度(TL)是假设与预定注入温度(TP)相等。
到时间ti时，冷却程序已完成，而注入程序则持续地在进行，以将离子注入至衬底中，直到注入程序在时间th完成；注入程序完成后，接着进行加热程序(由时间th至时间tf)，以将受注入的衬底升温至等于或低于环境温度(TR)的似环境温度(TR’)；最后，将受注入的衬底由注入机移至外界环境，以进行后续的半导体工艺。
图4为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。与前述实施例相似的是，注入程序仍在衬底温度降至预定注入温度前已开始进行，因此从时间ts到时间ti，注入程序伴随着冷却程序进行。但在本实施例中，同时进行离子注入与冷却衬底的期间(由时间ts至时间ti)与冷却程序的总期间(由时间tc至时间ti)的比值不小于一半，完成冷却程序的时间点不晚于离子注入程序的期间的一半，并且上限温度(TL)是假设明显高于预定注入温度(TP)。
另外，虽然图3与图4显示衬底温度降至实质与预定注入温度(TP)相等，但本发明并不限制在时间ts至时间ti之间，衬底温度应如何变化。实际上，由于离子束能量所产生的热量，在时间ts至时间ti间，衬底温度亦可降至一高于预定注入温度(TP)的特定温度，或甚至提升至一高于温度TS的温度。在此，这些实施例的特征是冷却程序与注入程序的重迭，而图3与图4仅呈现了一简单的例子以简化附图与相关说明。
图5为本发明另一实施例的低温离子注入方法的流程图。在步骤50中，将一衬底由外界环境移入一腔室，其中，外界环境具有一外界环境温度；在步骤52中，进行一冷却程序以使衬底的温度低于外界环境温度；在步骤54中，在冷却程序完成后进行一注入程序；在步骤56中，进行一加热程序，并持续进行注入程序，以同时加热衬底及将离子注入至衬底；在步骤58中，完成注入程序，并持续进行加热程序以加热衬底；在步骤60中，将衬底由腔室移至外界环境。
图6为本发明另一实施例在低温离子注入时，衬底温度与时间的关系图。在本实施例中，注入程序没有与冷却程序重迭，而是与加热程序重迭。
需强调的是，本实施例主要的一特征在于加热程序在时间ts’开始，时间ts’介于时间ti与时间th之间，亦即加热程序的进行在注入程序(由时间ti至时间th)完成之前。另外，可选择性地保持受注入的衬底的温度不超过上限温度(TL)，以确保时间ts’至时间th期间离子注入的质量，并且亦可选择性地在时间ts’至时间th期间允许受注入的衬底的温度高于上限温度(TL)，而仍能使整个注入程序达成可接受的注入质量。当注入程序在时间th完成后，可继续进行加热程序，直到在时间tf时，受注入至衬底的温度升高至似环境温度(TR’)。此时，将受注入至衬底由注入机移至外界环境，以进行后续的半导体工艺。再者，如图6所示，同时进行离子注入与加热衬底的期间(由时间ts’至时间th)与加热程序的总期间(由时间ts’至时间tf)的比值不大于一半，开始加热程序的时间点不早于离子注入程序期间的一半，并且上限温度(TL)是假设大致与预定注入温度(TP)相同。
图7为本发明另一实施例的衬底温度与低温离子注入的时序关系图。如同上述实施例所述，加热程序在注入程序进行中开始，但同时进行离子注入与加热衬底的期间与加热程序的总期间的比值不小于一半，并且，假设上限温度(TL)为明显高于预定注入温度(TP)。此外，加热程序开始时的衬底温度并无特别限制。
需强调的是，在前述的实施例中，一主要的特征为至少有部分期间的冷却程序或加热程序以及至少部分期间的注入程序重迭。由于任二程序的重迭，二程序完成所需时间可减少，因此可提升低温离子注入的产量。当然，应适当的调整重迭的比例以平衡产量及注入质量。举例来说，为增进产量，大部分的注入程序可伴随着冷却程序进行，如图4所示，或者伴随着加热程序进行，如图7所示。举例来说，为提升注入至衬底的均匀度，大部分的注入程序可单独进行，如图3与图6所示。此外，基于低温离子注入的一般要求，注入程序开始伴随冷却程序的预定注入温度(TP)与温度TS均通常小于水的冰点；换句话说，为了低温离子注入的优势，注入程序通常在衬底温度够低时才开始。
上述实施例中的温度调整可简单地达成。举例来说，当离子束功率为固定而背面气体的压力为可调整，重迭部分注入程序与冷却程序可简单地以提早开始投射离子束达成，重迭部分注入程序与加热程序亦可简单地以提早降低背面气体的压力达成。当然，这些实施例也可以调整离子束功率达成，例如，重迭部分注入程序与加热程序可简单地透过提高离子束功率达成，而不必降低背面气体的压力。此外，另一个范例采用灯具在注入程序中加热衬底，因此衬底温度可以透过改变灯具的功率来调节。
图8为本发明又一实施例在低温离子注入时衬底温度与时间的关系图。如图8所示，离子注入程序(由时间ts至时间th)部分与冷却程序(由时间tc至时间ti)以及加热程序(由时间ts’至时间th)重迭。此处为了简化附图以及说明，本实施例假设上限温度(TL)与预定注入温度(TP)相等。可以理解的是，由于这些程序有更显著的重迭，产量应可进一步提升。
此外，将注入程序与冷却程序(及/或加热程序)重迭可视为在部分的注入过程中额外的带走热量(及/或加入热量)。须注意的是，冷却程序用以使衬底温度由一较高温度降至注入程序所需的适当温度范围，加热程序用以使衬底温度由注入程序所需的适当温度范围提升至一较高温度。可以理解的是，额外的热量变化可能会对衬底的离子注入产生影响，例如影响移动后的硅原子的分布，进而影响及驱动注入的杂质后续的扩散及激活。虽然在离子注入过程中，每一衬底温度的变化都有对应的影响，但不同的衬底温度的变化也可能产生类似的影响。举例来说，在一个10秒钟的期间，使受注入的衬底的温度维持在一高于预定注入温度的特定温度的影响，可能基本上与在两个分开的5秒钟的期间，使受注入的衬底的温度维持在特定温度的效果影响等同。
因此，图8所示实施例的受注入至衬底的注入结果，可能与图9所示另一实施例的受注入至衬底的注入结果相等。此处因重迭冷却/加热程序(如图8所示)而对受注入至衬底的额外加热，与在注入程序的中间部分期间(从时间th1至时间th2)(如图9所示)对受注入至衬底的额外加热相等。当然，如上述简要说明所述，另一等同的实施例为在注入程序的不同部分期间(从时间th3至时间th4以及从时间th5至时间th6)(未图示)，对受注入至衬底额外加热。另外，本发明对于不同实施例的细节并未限制，例如额外加热程序有多少数量，衬底温度是如何变化，甚至额外加热程序是否与冷却程序(及/或加热程序)重迭等。
因此，图10为本发明一实施例的低温离子注入方法的流程图。在步骤100中，在一腔室中提供一离子束，以及将一衬底由一外界环境移入该腔室；在步骤140中，进行一冷却程序，以冷却衬底；在步骤160中，进行一注入程序，以将离子注入至衬底，其中，一个或多个温度调整程序以及注入程序的一部分期间或多个部分期间同时进行；在步骤180中，进行一加热程序，以加热衬底；在步骤200中，将衬底由腔室移至外界环境。
相似地，本实施例并无限制进行温度调整程序的期间与注入程序的总期间的比值，其可为大于、等于或小于一半。另外，注入程序可在冷却程序将衬底温度降至与一预定注入温度实质相等前开始，而加热程序可在衬底温度不低于外界环境的水的露点完成。此外，不论是冷却程序、加热程序及额外加热程序，均可使用气体冷却衬底的背面，以及透过改变气体的压力来调整衬底的温度，并且可使用灯具加热衬底，以及透过改变灯具的功率来调整衬底的温度。
当然，以上实施例应以产量与注入质量的平衡为努力的目标。因此，注入过程中衬底温度的变化应适当的调整。举例来说，重迭注入程序以及冷却/加热程序，会缩短注入过程中衬底温度与预定注入温度实质相等的期间。因此，对于相同的注入要求，例如相同的注入深度以及相同的注入剂量，本发明一实施例可选择性地与另一实施例的预定注入温度不同，甚至与每一前案的预定注入温度不同。另外，在注入程序中的特定部分可选择性地使衬底温度低于预定注入温度(也就是进行一额外冷却程序)。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的保护范围，即凡是依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种低温离子注入方法，包含：
在一腔室中提供一离子束，以及将一衬底由一外界环境移入所述腔室；
进行一冷却程序，以冷却所述衬底；
进行一注入程序，以将离子注入所述衬底，其中，一或多个温度调整程序以及所述注入程序的一部分期间或多个部分期间同时进行；
进行一加热程序，以加热所述衬底；以及
将所述衬底由所述腔室移至所述外界环境。
2.如权利要求1所述的低温离子注入方法，其特征在于，进行所述温度调整程序的期间与所述注入程序的总期间的比值不大于一半。
3.如权利要求1所述的低温离子注入方法，其特征在于，进行所述温度调整程序的期间与所述注入程序的总期间的比值不小于一半。
4.如权利要求1所述的低温离子注入方法，其特征在于，所述注入程序在所述衬底温度由所述冷却程序降低至实质与一预定注入温度相等时开始。
5.如权利要求1所述的低温离子注入方法，其特征在于，所述加热程序在所述衬底温度不低于所述外界环境的水的露点时完成。
6.如权利要求1所述的低温离子注入方法，其特征在于，还包含以下一或多个步骤：
以一气体冷却所述衬底的背面，以及改变所述气体的压力以调整所述衬底温度；以及
以一灯具加热所述衬底，以及改变所述灯具的功率以调整所述衬底温度。
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