CN112885688B - 离子注入装置及离子注入方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种离子注入装置和离子注入方法。该离子注入装置包括：反应腔室；气体供应源，连接至所述反应腔室，向所述反应腔室内通入待电离气体；承载台，位于所述反应腔室底部，用于承载晶片；第一电极，位于所述承载台上，连接第一电源，所述晶片位于所述第一电极上；第二电极，位于所述晶片上方，连接第二电源，与所述第一电极之间产生离子束；磁场产生体，位于所述第一电极或所述承载台之上，用于在所述晶片周边产生磁场，通过调节所述磁场产生体产生的磁场大小来改变所述离子束照射在所述晶片上的角度。从而在对具有通道孔的晶片进行离子注入时，可以使离子束直接沿倾斜角度注入底部而不损伤侧壁。

Description

离子注入装置及离子注入方法
技术领域
本发明涉及存储器技术，更具体地，涉及一种离子注入装置及离子注入方法。
背景技术
随着半导体制造工艺的特征尺寸越来越小，存储器件的存储密度越来越高。目前已经开发出三维结构的存储器件，即3D存储器件，其包括沿着垂直方向堆叠的多个存储单元，在单位面积的晶片上可以成倍地提高集成度。现有的3D存储器件例如NAND存储器件，写入速度快，擦除操作简单，因此，采用NAND结构的3D存储器件获得了广泛的应用。相应的，NAND 3D存储器件的制造工艺不断扩展，常用的工艺例如包括刻蚀工艺、沉积工艺和离子注入工艺。
离子注入工艺是把用于改变导电性的杂质引入半导体晶片的技术，采用离子注入系统将电离的离子加速形成离子束并对准晶片表面，以在半导体晶片中形成一定的掺杂区。在3D存储器件的制造过程中，通常需要在堆叠结构的底部进行离子注入，那么，离子束通常需要穿过堆叠结构上形成的通道孔。而目前的离子注入系统中，离子束在电场作用下沿单一方向照射至半导体晶片表面，想要准确地到达通道孔底部较为困难，尤其是对由于堆叠结构层数较多而造成通道孔刻蚀不规则的半导体晶片来说，单一的离子束注入方向不能很好地在规定的区域进行离子注入，从而对半导体晶片的结构造成损伤，导致器件性能降低，良率下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种离子注入装置及离子注入方法，通过在离子注入装置中加入磁场产生体，产生相应的磁场，改变离子束受到的洛伦磁力，从而控制离子束照射在晶片上的角度，使离子束沿特定方向照射入晶片内部，避免对晶片中通道孔侧壁的损伤。
根据本发明的一方面，提供了一种3D离子注入装置，包括：
反应腔室；
气体供应源，连接至所述反应腔室，向所述反应腔室内通入待电离气体；
承载台，位于所述反应腔室底部，用于承载晶片；
第一电极，位于所述承载台上，连接第一电源，所述晶片位于所述第一电极上；
第二电极，位于所述晶片上方，连接第二电源，与所述第一电极之间产生离子束；以及
磁场产生体，位于所述第一电极或所述承载台之上，用于产生磁场，
其中，通过调节所述磁场产生体产生的磁场大小来改变所述离子束照射在所述晶片上的角度。
可选地，所述晶片上开设有通道孔，所述磁场产生体沿所述通道孔的开口延伸方向分布在所述晶片的相对的两侧。
可选地，所述磁场产生体包括多极磁铁。
可选地，所述多极磁铁包括多对，分别分布在不同的所述沟道孔两侧。
可选地，所述多极磁铁可移动地设置在所述晶片两侧，调节所述多极磁铁与所述晶片之间的距离来调节所述离子束照射在所述晶片上的角度。
可选地，所述磁场产生体产生的磁场方向与所述反应腔室内的电场方向相互垂直，通过调节所述磁场产生体产生的磁场大小来改变所述离子束受到的洛伦磁力，控制所述离子束照射在所述晶片上的角度。
可选地，所述离子注入装置还包括：
排气系统，连接至所述反应腔室，调节所述反应腔室内的气压和真空度。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造离子注入方法，包括：
在反应腔室内的第一电极和第二电极之间放置晶片；
经由气体供应源向所述反应腔室内部供应待电离气体；
在所述第一电极两侧放置磁场产生体；
在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压，产生离子束；
调节所述磁场产生体产生的磁场强度来控制所述离子束照射在所述晶片上的角度；以及
控制所述离子束以特定角度照射在所述晶片表面上，以形成注入区或使所述晶片图案化。
可选地，所述通道孔的侧壁倾斜，所述离子束照射在所述晶片上的角度与所述通道孔的侧壁和底部形成的角度相同。
可选地，调节所述第一电极两侧的所述磁场产生体相互之间的距离来调节所述离子束在磁场中受到的洛伦磁力的大小，所述离子束根据所述洛伦磁力的大小来调节照射在所述晶片上的角度。
可选地，所述离子注入方法还包括：形成晶片，形成所述晶片的方法包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成叠层结构，包括交替堆叠的多个牺牲层与多个层间绝缘层；
贯穿所述叠层结构形成与所述半导体衬底接触的多个通道孔；
经由所述通道孔将所述牺牲层替换为栅极导体，
其中，所述离子束经由所述通道孔的顶部到达底部，在所述通道孔底部进行离子注入，形成位于所述衬底内的掺杂区。
可选地，所述通道孔为栅线缝隙，所述栅线缝隙的侧壁倾斜。
本发明实施例提供的离子注入装置及离子注入方法，通过在反应腔室内增加磁场产生体来产生磁场，改变离子束受到的洛伦磁力，从而改变离子束的照射方向，在对具有通道孔的晶片进行离子注入时，可以使离子束沿特定的倾斜角度沿通道孔的顶部注入底部，而不损伤侧壁，对晶片起到保护作用，提高由晶片制造的半导体器件的器件良率。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了根据本发明实施例的离子注入装置的简单结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例的用于离子注入的晶片的局部结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例的磁场产生体在晶片两侧的分布示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
在本申请中，术语“半导体结构”指在制造存储器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了根据本发明实施例的离子注入装置的简单结构示意图。
如图1所示，本发明实施例采用Varian PLAD(Plasma Doping)等离子体掺杂型的离子注入设备，该离子注入装置100包括：反应腔室101、气体供应源140、承载台110、第一电极111、第二电极112、排气系统107、磁场产生体130、第一电源U1和第二电源U2。
反应腔室101用于容纳待电离气体和等离子体，是由侧壁、底壁和顶壁围成的腔室；气体供应源140连接至反应腔室101，通过输入管道106向反应腔室101内通入待电离气体，待电离气体例如包括BF3、N2、He、Ar、PH3等，待电离气体即包含希望注入半导体晶片中的掺杂离子；承载台110位于反应腔室101底部，用于承载晶片120，承载台110例如延伸至反应腔室外部作为底座，并且承载台110在反应腔室101内的高度可以调节；第一电极111位于承载台110上，连接第一电源U1，晶片120位于第一电极111上；晶片120经由反应腔室101的顶部或侧壁放置入反应腔室101内，这里不做限定；第二电极112位于晶片120上方，与晶片120隔开一定距离，并连接第二电源U2，与第一电极111之间产生离子束104。第一电源U1和第二电源U2例如是高压脉冲电源，当第一电极111和第二电极112均接通电源时，待电离气体被电离出多个离子，从而在两个电极之间产生等离子体，形成等离子体聚集区域103，从而形成照射至晶片120表面的离子束104。本实施例中的排气系统107连接至反应腔室101，用于排出气体，调节反应腔室101内的气压和真空度。
进一步地，本实施例的离子注入装置100还包括磁场产生体130，该磁场产生体130位于第一电极111或承载台110上，分布在第一电极111两侧或晶片120两侧，在晶片120周边产生磁场，改变离子束104受到的洛伦磁力，从而控制离子束104照射在晶片上120的角度。磁场产生体130产生的磁场方向与反应腔室101内的电场方向相互垂直，通过调节磁场产生体130产生的磁场大小来改变离子束104受到的洛伦磁力，就可以控制离子束104照射在晶片120上的角度。例如，电场方向例如是垂直于晶片120表面的方向，那么磁场产生体130的分布使得产生的磁场为平行于晶片120表面的方向，根据洛伦磁力左手定则，可以知道离子受到洛伦磁力的方向，通过调节磁场的大小，可以改变离子束104受到的力的大小，从而使得离子束104的发射偏离一定的角度，从而改变离子束104照射在晶片120表面上的角度。
晶片120例如是具有一定厚度的层叠结构，其上形成有多个通道孔121，由于叠层结构本身层数较多，所以在刻蚀通道孔的时候，难免会造成刻蚀不均匀的问题，通道孔经常会呈现出上宽下窄的形状，当采用传统的离子束入系统时，离子束在电场作用下仅沿单一方向照射晶片，会对晶片的侧壁造成损伤，且底部的离子注入由于受到侧壁的阻挡也不能形成良好的掺杂区，造成晶片的损伤。
而本实施例图1提供的离子注入装置100由于磁场产生体130的存在，使得磁场产生体130产生的磁感线方向与沟道孔121的开口延伸方向相同，而电荷运动方向朝向第一电极111或第二电极112，那么，通过左手定则，离子或电荷受到的洛伦兹力的方向朝向沟道孔121的侧壁，离子束104朝向受到的洛伦磁力的方向偏移，从而可以调整离子束104的倾斜角度，使得离子束104可以沿特定的倾斜角度照射通道孔到达晶片120底部，不损伤侧壁，且在底部形成均匀的掺杂区。本实施例中，可以将图1理解为离子注入装置100的正视图或剖视图，那么，晶片120朝向外部的一侧为第一侧，晶片120朝向内部的一侧(图中看不到的一侧)为第二侧，磁场产生体130就分布在晶片120的这两侧。
图2示出了根据本发明实施例的用于离子注入的晶片的局部结构示意图。
如图2所示，晶片120包括多层叠层结构，该晶片120例如是3D存储器件的一部分，多层叠层结构可以是任意多个存储单元串，每个存储单元串包括多个存储单元，例如，32个或64个。
本实施例中，晶片120例如包括衬底122和位于衬底122表面上的叠层结构，叠层结构包括交替堆叠的层间绝缘层126和牺牲层，牺牲层在后续过程中152将被替换成栅极导体123、124和125。在该实施例中，衬底101例如是单晶硅衬底，层间绝缘层126例如由氧化硅组成，栅极导体123、124和125由金属钨组成。晶片120还包括贯穿叠层结构的沟道柱150，为了清楚起见，在图中未示出沟道柱150的内部结构。沟道柱150以及其外部的栅极导体123、124和125形成存储晶体管或选择晶体管。
在该晶片120上还开设有通道孔121，该通道孔121贯穿多个栅极导体，例如是栅线缝隙(gate line slit)，栅线缝隙将栅极导体分割成不同的栅线，该栅线缝隙不是圆形的通孔，而是长条的栅线，在后续过程中，在栅线缝隙中填充导电结构和芯部结构，可以制造共源极连接结构。
在该3D存储器件中，通道孔121贯穿叠层结构并暴露出衬底122的表面，在通道孔121(栅线缝隙)底部进行离子注入形成掺杂区160，掺杂区160位于半导体衬底122内，导电层覆盖通道孔121的内壁并与掺杂区160接触，芯部填充在通道孔121内。
所以，图2示出的晶片120需要采用图1的离子注入装置100在通道孔121底部进行离子注入，离子束104沿通道孔121的顶部到达底部。晶片120上开设有通道孔121，磁场产生体130沿通道孔121的开口延伸方向分布在晶片120的相对的两侧。磁场产生体130的存在使得离子束104受到朝向沟道孔121侧壁的洛伦磁力，改变照射方向，从而可以沿一定的角度注入通道孔121的底部。
进一步地，本发明实施例提供一种晶片形成方法，包括：
提供半导体衬底122；在半导体衬底122上形成叠层结构，栅叠层结构包括交替堆叠的多个牺牲层与多个层间绝缘层126；贯穿叠层结构形成与半导体衬底122接触的多个通道孔121；经由通道孔121将牺牲层替换为栅极导体123、124和125；离子束经由通道孔121的顶部到达底部，在通道孔121底部进行离子注入，形成位于衬底122内的掺杂区。
其中，贯穿叠层结构形成与半导体衬底122接触的多个通道孔121，例如包括：在叠层结构的表面上形成光致抗蚀剂掩模，然后进行各向异性蚀刻，在叠层结构中形成通道孔121。各向异性蚀刻可以采用干法蚀刻，如离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻等。在刻蚀过程中，由于叠层结构的层数较厚，刻蚀不均匀，容易造成通道孔121底部的刻蚀效果没有顶部好的问题，即底部刻蚀不完全，容易造成通道孔121侧壁倾斜的问题。例如图2中示出的A区域，即未被刻蚀的区域，A区域与其两侧的结构相同，这里为了方便示意没有用阴影表示。A区域没有刻蚀完全导致通道孔121的侧壁是倾斜的，其侧壁与底部形成一个小小的角度，图中，一侧侧壁与底部形成的角度以α表示。另外，由于叠层结构的各层之间发生移位等，也可能造成通道孔内壁倾斜的问题。
在该实施例中，通道孔121即栅线缝隙，该栅线缝隙不仅用于将栅极导体分割成多条栅线，而且用于形成阵列共源极连接的通道孔。
进一步地，经由通道孔121将牺牲层替换为栅极导体123、124和125包括：利用栅线缝隙作为蚀刻剂通道，采用各向同性蚀刻去除叠层结构中的牺牲层从而形成空腔，在蚀刻步骤中，蚀刻剂充满栅线缝隙，由于蚀刻剂的选择性，蚀刻剂由栅线缝隙的开口逐渐向内部蚀刻牺牲层。然后，利用栅线缝隙作为沉积物通道，采用原子层沉积(ALD)，在栅线缝隙和空腔中填充金属层，例如钨。最后，在半导体结构的表面上形成光致抗蚀剂掩模，然后进行回蚀刻(etch back)，在金属层中重新形成栅线缝隙。那么，栅极导体123、124和125就置换了牺牲层。
此时的叠层结构中，牺牲层被替换为栅极导体，但是通道孔121的形状未发生改变，通道孔121与A区域邻接的部分仍为倾斜侧壁。
进一步地，经由栅线缝隙在衬底122中进行离子注入，在衬底122中形成N型(使用N型掺杂剂，例如P、As)或P型(使用P型掺杂剂，例如B)的掺杂区160，掺杂区160作为共源极连接的接触区。此步骤中，采用离子注入装置100进行离子注入，由于通道孔121的侧壁倾斜，当仍然采用单一方向的离子束照射时，难免会造成通道孔121侧壁的损伤。所以为了避免刻蚀时对侧壁的损伤，本实施例将离子束104也倾斜射入通道孔121底部。离子束104照射在晶片120上的角度与通道孔121的侧壁和底部形成的角度相同，即通道孔121的侧壁和底部形成的角度α即为离子束104照射在晶片120上的角度。离子束104沿通道孔121的顶部到达底部，在通道孔121底部注入离子，离子由待电离气体产生，从而形成掺杂区160。
图2中，以“×”代表磁场方向，箭头示出离子束104的照射方向，由于磁场产生体的存在，使得晶片120处在一定的磁场中，离子束104受到洛伦磁力，改变照射角度，以倾斜角度入射在通道孔121内。控制磁场强度，可以改变入射角度。照射到一个通道孔121的离子束104可能不止一束，所以可以通过调节磁场使得不同的离子束104沿不同角度照射到通道孔121底部。离子束104沿倾斜角度入射到通道孔121底部，就不会在侧壁(尤其是A区域)中形成掺杂区域，保护了侧壁，也避免了由于侧壁阻挡而底部不能形成良好掺杂区的问题，提高了离子注入的效果，提升了器件良率。
进一步地，结合图1和图2，本实施例还提供一种离子注入方法，包括：
在反应腔室101内的第一电,111和第二电极112之间放置晶片120；经由气体供应源140向反应腔室101内部供应待电离气体；在第一电极111两侧放置磁场产生体130；在第一电极111和第二电极112之间施加电压，产生离子束104；调节磁场产生体130产生的磁场强度来控制离子束104照射在晶片120上的角度；以及经由离子束104的照射，在晶片120内部注入离子形成掺杂区160。
本实施例中，在离子束103照射到晶片120之前，在反应腔室101内部设置磁场产生体130以产生磁场，从而控制离子束103受到的洛伦磁力的大小，控制离子束103的照射角度，达到在指定区域注入离子的目的，保护了器件结构，注入效果明显。进一步地，调节第一电极111两侧的磁场产生体130相互之间的距离来调节离子束104在磁场中受到的洛伦磁力的大小，离子束104根据洛伦磁力的大小来调节照射在晶片120上的角度，从而使得离子束104可以按照特定的方向照射在晶片120的表面上，在晶片120上形成注入区或使晶片120图案化。
图3示出了根据本发明实施例的磁场产生体在晶片两侧的分布示意图。
图3例如是图1中晶片120和磁场产生体130的分布俯视图，如图3，晶片120上开设有通道孔121，磁场产生体130沿通道孔121的延伸方向分布在晶片120的相对的两侧。通道孔121的延伸方向例如是图中虚线示出的方向。
磁场产生体例如130包括多极磁铁，通道孔121包括栅线缝隙。多极磁铁包括多对，分别分布在不同的栅线缝隙两侧。图3中，磁场产生体130包括多对多极磁铁，每一对分别分布在一条栅线缝隙两侧，产生的磁场方向例如是图中虚线示出的方向。磁场产生体130产生的磁感线方向与沟道孔121的开口延伸方向相同，通过左手定则，电荷受到的洛伦兹力的方向朝向沟道孔121的侧壁，从而调整离子束104的倾斜角度。进一步地，多极磁铁可移动地设置在晶片120两侧，调节多极磁铁与晶片120之间的距离可以调节离子束104照射在晶片120上的角度。
本发明实施例提供的离子注入装置及离子注入方法，通过在反应腔室内增加磁场产生体来产生磁场，改变离子束受到的洛伦磁力，从而改变离子束的照射方向，在对具有通道孔(尤其是具有倾斜侧壁的通道孔)的晶片进行离子注入时，可以使离子束沿通道孔的倾斜角度注入通道孔底部而不损伤侧壁，底部的注入浓度也不会受到影响，对晶片起到保护作用，提高由晶片制造的半导体器件的器件良率。
在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (11)

1.一种离子注入装置，包括：
反应腔室；
气体供应源，连接至所述反应腔室，向所述反应腔室内通入待电离气体；
承载台，位于所述反应腔室底部，用于承载晶片；
第一电极，位于所述承载台上，连接第一电源，所述晶片位于所述第一电极上；
第二电极，位于所述晶片上方，连接第二电源，与所述第一电极之间产生离子束；以及
磁场产生体，位于所述第一电极或所述承载台之上，用于产生磁场，
其中，所述晶片上开设有通道孔，所述通道孔的侧壁倾斜，通过调节所述磁场产生体产生的磁场大小来改变所述离子束照射在所述晶片上的角度，使所述离子束沿倾斜角度照射具有倾斜侧壁的所述通道孔，到达所述晶片底部形成掺杂区。
2.根据权利要求1所述的离子注入装置，其中，所述磁场产生体沿所述通道孔的开口延伸方向分布在所述晶片的相对的两侧。
3.根据权利要求2所述的离子注入装置，其中，所述磁场产生体包括多极磁铁。
4.根据权利要求3所述的离子注入装置，其中，所述多极磁铁包括多对，分别分布在不同的所述通道孔两侧。
5.根据权利要求3所述的离子注入装置，其中，所述多极磁铁可移动地设置在所述晶片两侧，调节所述多极磁铁与所述晶片之间的距离来调节所述离子束照射在所述晶片上的角度。
6.根据权利要求2所述的离子注入装置，其中，所述磁场产生体产生的磁场方向与所述反应腔室内的电场方向相互垂直，通过调节所述磁场产生体产生的磁场大小来改变所述离子束受到的洛伦磁力，控制所述离子束照射在所述晶片上的角度。
7.一种离子注入方法，包括：
在反应腔室内的第一电极和第二电极之间放置晶片；
经由气体供应源向所述反应腔室内部供应待电离气体；
在所述第一电极两侧放置磁场产生体；
在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压，产生离子束；
调节所述磁场产生体产生的磁场强度来控制所述离子束照射在所述晶片上的角度；以及
控制所述离子束以特定角度照射在所述晶片表面上，以形成注入区或使所述晶片图案化，
其中，所述晶片上开设有通道孔，所述通道孔的侧壁倾斜，所述离子束沿倾斜角度照射具有倾斜侧壁的所述通道孔，到达所述晶片底部形成掺杂区。
8.根据权利要求7所述的离子注入方法，其中，所述离子束照射在所述晶片上的角度与所述通道孔的侧壁和底部形成的角度相同。
9.根据权利要求7所述的离子注入方法，其中，调节所述第一电极两侧的所述磁场产生体相互之间的距离来调节所述离子束在磁场中受到的洛伦磁力的大小，所述离子束根据所述洛伦磁力的大小来调节照射在所述晶片上的角度。
10.根据权利要求7所述的离子注入方法，还包括，形成所述晶片，形成所述晶片的方法包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成叠层结构，包括交替堆叠的多个牺牲层与多个层间绝缘层；
贯穿所述叠层结构形成与所述半导体衬底接触的多个通道孔；
经由所述通道孔将所述牺牲层替换为栅极导体；
其中，所述离子束经由所述通道孔的顶部到达底部，在所述通道孔底部进行离子注入，形成位于所述衬底内的掺杂区。
11.根据权利要求10所述的离子注入方法，其中，所述通道孔为栅线缝隙。
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