CN106856159A - 用于离子注入的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于离子注入的装置和方法。在一个实施例中，该装置包括：接受器，被配置为支持晶片；掺杂源，被配置为向晶片的注入区域选择性地提供掺杂剂；以及辐射源，被配置为选择性地辐射注入区域。

Description

用于离子注入的装置和方法
技术领域
本公开涉及半导体器件的制造，并且更具体地，涉及用于制造半导体器件的晶片上的离子注入，并且涉及用于离子注入的装置和方法。
背景技术
在晶片上制造半导体器件的过程中，晶片的温度影响离子注入中使用的原子和/或离子的接受和/或退火以形成掺杂剂。
传统地，在离子注入期间支持晶片的卡盘被冷却以去除由碰撞离子引发的热能。然而，一些应用要求加热卡盘以在处理期间建立特定的晶片温度。卡盘加热可以对晶片整体产生不期望的机械应力。此外，进一步的晶片加热可需要限于足够低而不危及在之前的制造步骤中形成在晶片上的结构的稳定性的温度。要求提升晶片温度的离子注入的实施甚至会妨碍一些工艺。例如，粘合至玻璃载体的薄晶片可能不能经受前述离子注入技术。将卡盘用作热源，在达到材料接收来自离子源的掺杂剂的部分之前，热量可能需要穿过玻璃载体、胶层、结构层(如果存在的话)、衬底层和面对离子源的当前处理结构层传播。然而，由于典型的胶层必须不暴露于传统离子注入中典型的温度，可以这种离子注入不能被使用。
期望提供用于制造半导体器件的装置，其相对于传统装置具有改进。
还期望提供用于制造半导体器件的离子注入的方法，其相对于传统方法具有改进。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种装置，包括：接受器，被配置为支持晶片；掺杂源，被配置为选择性地向晶片的注入区域提供掺杂剂；以及辐射源，被配置为选择性地照射注入区域。在一个方面中，提供了在方法独立权利要求中限定的方法。在其他方面中，提供了在装置独立权利要求中限定的装置。从属权利要求限定了在一个或多个方面中根据本公开的实施例。应注意，这些实施例的特征可以相互组合，除非有相反指定。例如，装置的实施例的特征可用于执行方法实施例的步骤。
本发明内容部分是为了理解而不用于解释或限制权利要求的范围或含义。本发明内容部分不用于识别所要求主题的关键特征或主要特征，也不用于帮助确定所要求主题的范围。
还公开了其他方法、装置和系统。本领域技术人员在阅读以下详细描述并查看附图的基础上将意识到附加的特征和优势。
附图说明
当结合后续详细说明考虑时，可以通过参照附图来获取本公开的完整理解，其中：
图1是第一方面中的根据本公开的实施例的前视立体图；
图2是根据一些实施例的方法的流程图；
图3是示出根据一些实施例的示例中的物理特性的关系的示图；以及
图4是示出根据一些实施方式的示例中的物理特性的力度的示图。
为了清楚和简要，类似的元件和部件将在附图中具有相同的标号。
具体实施方式
在一个方面中，本公开包括用于晶片中的离子注入的装置。图1是第一方面中根据本公开的实施例的前视立体图。该装置包括接受器101，其被配置为支持晶片。在一些实施例中，如图1所示，接受器被设置为卡盘。该装置包括掺杂源109，其被配置为选择性地向接受器101与掺杂源109之间的注入区域117提供掺杂剂。在一些实施例中，掺杂源109是离子源，其被配置为加速离子并在注入区域117的方向上喷射离子束。例如，离子源被配置为形成具有1W至几kW的功率的离子束。装置100包括辐射源105，其被配置为选择性地在注入区域117的方向上提供辐射。在一些实施例中，辐射源105被配置为在包括注入区域117的辐射区域121中照射被接受器101支持的晶片113。虽然在图1中注入区域117被示为基本为圆形，但本领域技术人员可以实施掺杂源以在任何其他形状的区域中提供掺杂剂。类似地，虽然在图1中辐射区域121被示为基本为圆形，但本领域技术人员可以实施辐射源以照射任何其他形状的区域。因此，在一些实施例中，注入区域近似横跨具有条状的所有晶片延伸。类似地，在一些实施例中，辐射区域近似横跨具有条状的所有晶片延伸。在一些实施例中，辐射区域完全包括注入区域。
在一些实施例中，辐射源105被配置为发射被晶片113吸收的电磁波。在一些实施例中，辐射源105是卤素灯，例如发射具有主要在500nm至10μm的范围内的波长的光。在一些实施例中，辐射源105是一个或多个发光二极管，例如发射具有主要在230nm至760nm的范围内的波长的光。在一些实施例中，辐射源105是激光器，其例如发射具有308nm、528nm、532nm或10.8μm中的一个的波长的光。至少一个效果可以是：可以控制和/或选择从辐射源发射的辐射的波长的光谱以实现在辐射区域121中热量到晶片113的期望传输。在一些实施例中，使用发光二极管(未示出)的阵列。在一些实施例中，激光束用于横向地照射晶片表面，从而例如辐射区域可以成形为近似横跨所有晶片延伸的条。
一些实施例进一步包括控制单元125，其耦合至辐射源105并且被配置为控制辐射源105。至少一个效果可以是：可以通过入射到晶片113上的动态控制来补偿工艺参数的变化，而这种工艺参数的变化传统上会导致横向地横跨晶片113和/或垂直地在晶片113内的温度变化。在一些实施例中，控制单元125耦合至接受器101的驱动单元(未示出)和/或辐射源105的驱动单元(未示出)。在一些实施例中，控制单元125被配置为引导辐射源105相对于晶片113的位于注入区域117中的表面的相对运动，以利用诸如光束的辐射束扫描晶片113的表面。
在一些实施例中，控制单元125被配置为控制辐射源105以在注入区域117中提供将被晶片113吸收的特定量的能量。至少一个效果可以是：除了被到达注入区域117的掺杂剂提供的能量之外，辐射可以在注入区域117中向晶片113提供能量。
一些实施例还包括检测器129，其被配置为在注入区域117中检测晶片113的表面温度。在一些实施例中，检测器包括透镜131以及被配置为接收从晶片113的表面发射的光的传感器元件(未示出)。至少一个效果可以是：基于所接收的电磁辐射的光谱，可以得到晶片113的表面温度。具体当考虑晶片材料比热容和/或晶片背侧的温度时，例如在通过暴露于冷却剂容器而测量或提供的情况下，基于表面温度，可以得到晶片的主体温度。
在一些实施例中，控制单元125被配置为基于检测为晶片113的表面温度的温度(具体地，注入区域117中的表面温度)控制辐射源109。至少一个效果可以是：可以避免晶片113的过热，其中，暴露给来自辐射源105的辐射和/或来自掺杂源109的掺杂剂时的表面超过预定温度。
在一些实施例中，控制单元125被配置为控制辐射源105以在预定持续时间期间提供特定量的能量。至少一个效果可以是：提供给晶片113的热量的量可以被选择为充分低以避免形成在晶片(具体为注入区域117)中和/或上的结构(例如，半导体器件结构)上的过度应力。从而，可以减少由于太多热量而引起的损伤晶片113(具体为形成在晶片113上的半导体器件)的风险。
在一些实施例中，控制单元125被配置为基于注入区域中的晶片113的材料的比热容来控制辐射源105。在一些实施例中，控制单元125被配置为控制辐射源105以在注入区域117的方向上提供辐射，同时掺杂源109向注入区域117提供掺杂剂。至少一个效果可以是：在注入区域117中进入晶片113的能量的量可以包括来自辐射的热量加上通过掺杂剂从掺杂源109传输的动能和/或热能。
在一些实施例中，接受器101被配置为冷却晶片。例如，在接受器101被设置为卡盘的情况下，冷却系统可以与卡盘集成，并由此被配置为冷却晶片，具体地，冷却晶片面对卡盘的背侧，同时热量被提供给晶片暴露给来自辐射源105的辐射和/或来自掺杂源109的掺杂剂的前侧。卡盘可以设置有被配置为接收冷却剂的管系统(未示出)。冷却剂可以通过管系统泵送来提供散热器。至少一个效果可以是：存储在晶片113的注入区域117中的热量和/或存储在晶片113的辐射区域121中的热量(如果均与注入区域117分离的话)可以通过冷却剂流动的控制来控制，其中冷却剂传输热量远离注入区域117和/或辐射区域121。
在另一方面中，本公开包括用于晶片中的离子注入的方法。图2是根据一些实施例的方法的流程图。以下描述的一个或多个动作可以利用根据一些实施例的方法来实施。根据前述实施例的装置可用于实施该方法。
在S210中，晶片被设置在接受器上，例如卡盘上。在一些实施方式中，晶片可移动地固定至玻璃载体或者任何其他支持结构(诸如箔载体)。例如，晶片胶合至玻璃载体。至少一个效果可以是：在通过玻璃载体板支持晶片(例如，在晶片和玻璃载体之间使用胶层)的同时，发生根据本文公开的方法的离子注入。通过上述方法仅局部地且以良好控制的方式提升温度可以降低由于沿着整个晶片表面的过量加热而引起晶片与载体板分离的风险。
在S220中，选择离子将被注入的注入区域。根据结构要求，例如，需要注入从1011离子/cm2至1018离子/cm2的范围内的掺杂剂剂量。注入区域实际可以具有任何形状。例如，在离子源具有狭缝开口的情况下，晶片上的注入区域的形状可以基本为矩形。注入表面一次可以包括例如1cm2到几cm2的范围内的面积。
在S230中，设置诸如激光器或二极管阵列的辐射源以将辐射朝向注入区域引导。例如，在晶片表面的辐射区域中，一次辐射的面积在大约0.2cm2至2cm2的范围内。在一些实施方式中，晶片上将被辐射源辐射的辐射区域完全覆盖注入区域。在一些实施例中，掺杂源和辐射源聚集到晶片上的同一点，同时与注入区同心。在一些实施方式中，辐射区域同时部分地覆盖完整的注入区域(例如，整个晶片)，但是辐射源最后横跨完整的注入区域扫描(图2中未示出)。
在S240中，在晶片的注入区域中选择性地提供掺杂剂。如图3所示，注入区域中的掺杂材料的薄膜电阻Rs随着注入温度的增加而减小。在一些实施方式中，电阻的减小可以由于暴露给辐射的注入区域中注入的离子的激活的增加。发明人发现，如果注入区域被辐射，则掺杂剂的激活可以显著增强，尽管晶片衬底温度仅为大约T＝350℃以上，但是远低于传统要求激活掺杂剂的大约800℃的衬底温度。在一些实施例中，晶片衬底温度在大约350℃和大约400℃之间，或者大于350℃和大约500℃之间。在其他实施例中，晶片衬底温度低于大约400℃，或者低于大约500℃。至少一个效果可以是：由于掺杂剂可以更有效地被激活，所以需要从离子源提供较少的掺杂剂。至少一个效果可以是：由于晶片要求较少的加热，所以需要较少的能量被传输至晶片。至少一个效果可以是：由于掺杂剂被更有效地激活，所以随后的热工艺用于激活掺杂剂，例如快速热处理(RTP)工艺可以被淘汰。因此，至少一个效果可以是：热量可以直接施加于晶片暴露于离子源的表面，从而降低或者甚至避免从其相对侧的侧面(表示晶片两个表面之间的所有层)加热晶片的需要。因此，在制造工艺的本来不进行离子注入的一些部分中，离子注入甚至变得可以进行。
一些实施例进一步包括：在预定的注入区域中检测晶片的温度。在S250中，例如，将高温计用作温度检测器，检测晶片的温度。一些实施例包括接收从晶片表面或者从晶片上形成的结构(诸如金属化层)发射的电磁辐射。具体地，检测被辐射区域中的温度。一些实施例包括：使晶片温度的检测基于从接收的电磁辐射得到的信号。在一些实施方式中，在晶片对于热辐射基本透明的情况下，基于支持晶片的卡盘的温度的检测来检测晶片的温度。例如，高温计使用具有7至14μm的范围内的波长的辐射的检测。
在S260中，执行是否超过预定温度阈值的检查。如果检测到晶片温度太高(即，超过预定温度值)，则在S270中，可以进行一个或多个以下测量，从而将温度降至可接受的值：降低来自辐射源的辐射的强度；减小来自离子源的离子朝向注入区域的加速；减少从离子束中的离子源发射以击中晶片的注入区域的离子的数量；增加用于冷却晶片的冷却剂流的量；减少用于冷却晶片的冷却剂的温度。一些实施例包括：使辐射源的控制基于注入区域中晶片的温度。一些实施例包括：控制辐射源以在预定持续时间内提供特定量的能量。一些实施例包括：使辐射源的控制基于注入区域中晶片的比热容。例如，光源可以被配置为激光器以在200ns的脉冲持续时间期间将大约10J的能量传输到0.6cm2到4cm2以上的表面上，例如2.25cm2。在另一示例中，两个激光器分别被配置为将1.8J/cm2传送到2.5mm乘以0.1mm的表面上，每一个均在大约500ns的脉冲持续时间期间内。在一些实施方式中，脉冲通过100ns到1μs的延迟相互分离。代替上述测量或除上述测量之外，本领域技术人员可实施其他动作来将辐射区域中的晶片温度降低到可接受的等级。
在S280中，选择性地辐射注入区域。在一些实施例中，辐射的至少一部分被晶片吸收。在一些实施例中，该方法包括：控制辐射源以在预定的注入区域中提供将被晶片吸收的特定量的能量。在一些实施例中，辐射源被控制为选择性地发射辐射的波长。至少一个效果可以是：可以选择适当的波长来用于晶片中辐射的吸收，主要发生到预定被掺杂的预定深度。在一些实施例中，控制辐射源以选择性地发射光谱中的辐射以被晶片暴露给辐射的前表面下方的材料层吸收。至少一个效果可以是：表面层和接近表面的层可以比表面下方更深的层加热更多，以例如退火和/或熔化晶片的表面部分。
虽然上面关于这点的描述列出了步骤序列，但本领域技术人员可以实施并行执行的至少两个动作。
可以连续地检测晶片的温度，并且可以在连续的反馈环路中连续进行避免通过辐射和/或离子注入使晶片的过热的测量。因此，一些实施例包括控制辐射源以在辐射源的方向上提供辐射，同时掺杂剂被提供给注入区域。至少一个效果可以是：除了提供给注入区域的掺杂剂，辐射也向晶片提供能量，从而可以如期望在注入区域中加热晶片。
在一些实施方式中，在S290中，检查是否完成注入区域中离子的注入。如果没有，则如上所述继续注入工艺，具体地，通过朝向注入区域连续进行离子发射。束电流可以在1μA(在一个示例中，要求低剂量注入)到100mA以上(在一个示例中，要求高剂量注入)的范围内。根据束电流以及要求的注入剂量，注入处理可以仅进行几秒(在一个示例中，要求低剂量注入)直到几小时(在一个示例中，要求高剂量注入)。如果完成所选注入区域中的注入工艺，则在S295中，检查本制造工艺中离子注入的工艺步骤是否完全完成。如果没有，则通过选择另一注入区域而继续上述离子注入工艺。如果全部完成离子注入，则在S299中，制造工艺继续到另一工艺。在一些实施方式中，下一动作例如可以简单为从卡盘或另一接受器中去除晶片。
可以在扫描方法中实施上述示例，其中横跨晶片移动离子束。从而，可以实现均匀分布或以其他方式期望的热量。辐射(例如，传输为激光束)可以控制为跟踪击中晶片的离子束的位置。可以在一个方向(x)或相互正交的与晶片表面基本共面的两个方向(x，y)上控制扫描。例如，在一个方向(x)上，可以控制离子束以在多达几kHz的速率扫描晶片表面。同时，驱动单元可以被控制为以1至10cm每秒的速率在另一方向(y)上横跨晶片驱动离子源。在另一实施例中，控制离子束以在两个方向(x和y)上以多达几kHz的速率扫描晶片表面。在一些实施方式中，控制光束以横跨晶片表面横向地辐射基本为矩形的线区域，同时离子束被控制以扫描用于注入的线区域。在另一实施方式中，使二极管的线阵列照射晶片。辐射源的控制可以包括辐射的脉动、升高、恒定、步进或其他方式改变强度。在一些实施方式中，可以控制辐射的光谱。通过控制晶片相对于辐射源的运动，可以使线区域在例如垂直于线的方向上扫描晶片表面。在一些实施方式中，通过重复的光的频率扫描(例如，具有0.1至10Hz的频率)来使辐射递增地提供给注入区域，辐射注入区域以连续地根据需要将能量预算传输至注入区域，以在离子注入期间实现和/或保持期望的温度。执行辐射源的控制以允许通过离子注入引入损伤的退火，即使在离子注入和注入区域的辐射通过保持足够短的一些时间间隔分离的情况下。
图4是根据一些实施方式的示例中的物理特性的力度的示图。更具体地，相对于时间t示出注入区域中的晶片衬底的温度T_SUB。此外，相对于时间t示出辐射源(诸如光源)的功率。当注入区域中的离子的注入开始时，从时间t1处的低温值T_low开始的第一温度曲线410示出了离子注入期间的衬底温度的期望显影。温度期望上升到最大值T_max而不超过，从时间t2开始，温度应该保持基本恒定，直到在时间t3处完成注入区域中的离子注入。在时间t3之后，温度应该下降。如果不使用加热，则如第二温度曲线420所示，由于通过离子给予注入区域中的晶片的动能和其他能量，温度将在时间t1到t3的间隔期间上升；然而，温度将不再上升达到最大温度T_max。从时间t1开始，如上所述利用光辐射注入区域，可以实现期望的温度。首先，直到达到最大温度T_max，控制辐射源来利用高功率等级P1来辐射。一旦在t2处达到最大温度T_max，辐射减低到高功率等级P1以下的较低功率等级P2。因此，足够的功率被提供给注入区域以保持温度恒定，即补偿例如由于热辐射和其他传输工艺而引起的功率的损失。一旦完成注入动作，就在时间t3处，停止辐射源。至少一个效果可以是：允许改变离子源的质量的变化，尤其是离子源的寿命内观察到的情况。在一些实施例中，例如，在卡盘上晶片的较差接触的情况下，减少晶片的冷却。因此，可以根据需要自适应地降低辐射源的功率；作为示例，在图4中，通过从时间t1开始将辐射源设置为与上述功率等级P1相比较低功率等级P3来示出这种适应。在一些实施方式(未示出)中，使用较高功率等级P1的辐射，在离子注入的开始之前，晶片被加热到最大温度T_max。当离子注入开始时，辐射的功率从高功率等级P1降低至较低功率等级P2。
由于本领域技术人员理解其他修改和变化以适应特定的操作要求和环境，所以本发明不限于为了公开目的而选择的示例，并且覆盖不背离本发明的真实精神和范围的所有改变和修改。
因此，描述了本发明，期望通过后附权利要求中呈现的专利证书来保护。

Claims (21)

1.一种用于向晶片中注入离子的装置，所述装置包括：
接受器，被配置为支持所述晶片；
掺杂源，被配置为选择性地向所述晶片的注入区域提供掺杂剂；以及
辐射源，被配置为选择性地辐射所述注入区域。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述辐射源被配置为发射将被所述注入区域中的所述晶片吸收的电磁波。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括：控制单元，被配置为控制所述辐射源以提供将被所述注入区域中的所述晶片吸收的预定量的能量。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制单元被配置为控制所述辐射源以在预定持续时间期间提供所述预定量的能量。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制单元被配置为基于所述注入区域中的所述晶片的比热容控制所述辐射源。
6.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制单元被配置为控制所述辐射源以在所述注入区域的方向上提供辐射，同时所述掺杂源向所述注入区域提供所述掺杂剂。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括检测器，被配置为检测所述注入区域中的所述晶片的表面温度。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述检测器被配置为接收从所述晶片的表面发射的电磁辐射。
9.根据权利要求7所述的装置，还包括控制单元，其中所述控制单元被配置为基于检测为所述注入区域中的所述晶片的表面温度的温度来控制所述辐射源。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述辐射源为卤素灯、发光二极管或激光源中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述接受器被配置为冷却所述晶片。
12.一种用于向晶片中注入离子的装置，所述装置包括：
接受器，被配置为支持所述晶片；
掺杂源，被配置为选择性地向注入区域提供掺杂剂；以及
辐射源，被配置为在所述注入区域的方向上选择性地提供辐射。
13.一种用于向晶片中注入离子的方法，所述方法包括：
提供晶片；
在所述晶片的预定注入区域中选择性地提供掺杂剂；以及
在所述晶片的预定注入区域中选择性地提供辐射。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述辐射的至少一部分被所述晶片吸收。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：控制所述辐射源，以提供将被所述预定注入区域中的所述晶片吸收的特定量的能量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中控制所述辐射源包括：控制所述辐射源以在所述注入区域的方向上提供辐射，同时所述掺杂剂被提供给所述注入区域。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：检测所述预定注入区域中的所述晶片的温度。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
接收从所述晶片的表面发射的电磁辐射；以及
基于从所接收的电磁辐射中得到的信号来检测所述晶片的温度。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：基于所述注入区域中的所述晶片的温度来控制所述辐射源。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
控制所述辐射源，以在预定持续时间期间提供特定量的能量；以及
基于所述注入区域中的所述晶片的比热容来控制所述辐射源。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述晶片可移动地固定至从由玻璃载体和箔载体组成的组中选择的至少一个载体。
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