JP2012507866A - P3iチャンバにおける共形ドープの改善 - Google Patents

P3iチャンバにおける共形ドープの改善 Download PDF

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Abstract

プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法が提供される。一実施形態では、基板内にイオンを注入する方法は、処理チャンバ内に基板を提供するステップであって、基板が1つまたは複数のフィーチャが形成された基板表面を備え、各フィーチャが1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面を有するステップと、イオンを生成するように適合された反応ガスを含むガス混合物からプラズマを生成するステップと、基板表面上および基板フィーチャの少なくとも1つの水平表面上に材料層を堆積させるステップと、等方性プロセスによって、基板内、少なくとも1つの水平表面内、および少なくとも1つの垂直表面内へ、プラズマからへイオンを注入するステップと、異方性プロセスによって、基板表面および少なくとも1つの水平表面上で材料層をエッチングするステップとを含む。

Description

本発明の実施形態は、一般に、半導体製造プロセスおよびデバイスの分野に関し、より詳細には、プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法に関する。
集積回路は、基板(たとえば、半導体ウェーハ)上に形成されて回路内で様々な機能を実行するように協働する百万個を超えるマイクロエレクトロニック電界効果トランジスタ(たとえば、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)電界効果トランジスタ)を含むことができる。CMOSトランジスタは、基板内に形成されたソース領域とドレイン領域の間に配置されたゲート構造を備える。ゲート構造は通常、ゲート電極およびゲート誘電体層を備える。ゲート電極は、ゲート誘電体層を覆うように配置され、ゲート誘電体層の下でドレイン領域とソース領域の間に形成されたチャネル領域内の電荷キャリアの流れを制御する。
通常、基板内にイオンを注入またはドープして、基板上に所望のプロファイルおよび濃度をもつゲートおよびソースドレイン構造を形成するために、イオン注入プロセスが利用される。イオン注入プロセス中、異なるプロセスガスまたはガス混合物を使用して、イオン源種を提供することができる。プロセスガスは、イオン注入処理チャンバ(カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials,Inc.から市販のP3iチャンバなど)内へ供給されると、イオンを解離するプロセスにかけられ、次いで基板の表面の方へ加速される。基板表面へ加速されたイオンは通常、直線的に動き、たとえば1方向に動くため、これらのイオンはほとんど、構造の側壁ではなく、基板表面上に形成された構造、たとえばパターンまたはトレンチの底部表面内に注入される。非共形のイオンドープの結果、基板表面全体にわたって、特に基板表面内に形成されたフィーチャ画定部内で、イオン濃度、プロファイル、寸法、および分布が不十分および/または不均一になり、それによって全体的な電気的デバイス性能に悪影響を及ぼすことがある。クリティカルディメンションが小さくなるにつれて、イオン注入の精度はますます重要になる。
したがって、基板表面上およびフィーチャ画定部内でイオンのより共形の注入を実現する改善されたイオン注入プロセスが必要とされている。
均衡のとれたエッチ堆積プロセスを有するプラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法が提供される。一実施形態では、基板内にイオンを注入する方法は、処理チャンバ内に基板を提供するステップであって、基板が1つまたは複数のフィーチャが形成された基板表面を備え、各フィーチャが1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面を有するステップと、イオンを生成するように適合された反応ガスを含むガス混合物からプラズマを生成するステップと、基板表面上および基板フィーチャの少なくとも1つの水平表面上に材料層を堆積させるステップと、等方性プロセスによって、基板内、少なくとも1つの水平表面内、および少なくとも1つの垂直表面内に、プラズマからイオンを注入するステップと、異方性プロセスによって基板表面および少なくとも1つの水平表面上で材料層をエッチングするステップとを含む。
別の実施形態では、基板内にイオンを注入する方法は、処理チャンバ内に基板を提供するステップであって、基板が1つまたは複数のフィーチャが形成された基板表面を備え、各フィーチャが1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面を有するステップと、イオンを生成するように適合された反応ガスを含むガス混合物からプラズマを生成するステップと、基板表面上および基板フィーチャの少なくとも1つの水平表面上に材料層を堆積させるステップと、等方性プロセスによって、基板内、少なくとも1つの水平表面、および少なくとも1つの垂直表面内に、プラズマからイオンを注入するステップと、少なくとも1つの水平表面から少なくとも1つの垂直表面へ、材料層の一部分、注入されたイオンの一部分、またはこれらの組合せをスパッタリングするステップと、等方性プロセスによって基板表面ならびに1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面をエッチングするステップとを含む。
別の実施形態では、基板内にイオンを注入する方法は、処理チャンバ内に基板を提供するステップであって、基板が1つまたは複数のフィーチャが形成された基板表面を備え、各フィーチャが1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面を有するステップと、基板表面上および基板フィーチャの少なくとも1つの水平表面上に材料層を堆積させるステップと、イオンを生成するように適合された反応ガスを含むガス混合物からプラズマを生成するステップと、等方性プロセスによって、基板内、少なくとも1つの水平表面内、および少なくとも1つの垂直表面内に、プラズマからイオンを注入するステップと、異方性プロセスによって基板表面および少なくとも1つの水平表面上で材料層をエッチングするステップとを含む。
本発明の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本発明についてのより具体的な説明を、実施形態を参照すれば得ることができる。実施形態のいくつかを添付の図面に示す。しかし、本発明は他の等しく効果的な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意されたい。
図1Aは、本発明を実施するのに適したプラズマ浸漬イオン注入器具の一実施形態を示す図である。 図1Bは、本発明を実施するのに適したプラズマ浸漬イオン注入器具の一実施形態を示す図である。 図2は、本発明の一実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法を示すプロセス図である。 本発明の一実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。 本発明の一実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。 本発明の一実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。 本発明の一実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。 本発明の別の実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法を示すプロセス図である。 本発明の別の実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。 本発明の別の実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。 本発明の別の実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。 本発明の別の実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図である。
理解を容易にするために、可能な場合、複数の図に共通の同一の要素を指すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素および特徴は、さらなる記述なしで他の実施形態にも有益に組み込むことができることが企図される。
しかし、本発明は他の等しく効果的な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の例示的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意されたい。
本発明の実施形態は、プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法を提供する。本発明は、それだけに限定されるものではないが、とりわけ基板上に形成された構造に対するポリドーピング、カウンタポリドーピング、極浅接合、および共形ドーピングを含めて、ゲート構造またはソース/ドレイン領域の形成で使用することができる。イオン注入プロセスは、DRAM、論理製品、およびフラッシュメモリなどの異なる用途で利用することができる。一実施形態では、イオン注入プロセスは、反応ガス、たとえばホウ素含有ガスを含むガス混合物を供給することによって実行される。プラズマを生成してガス混合物からイオンを解離し、それによってイオン源を形成する。イオン源は、電気的にバイアスされた基板の方へ加速されてその中に注入され、かつ/または基板表面上に材料層として堆積される。注入されたイオンをドーパントとも呼ぶ。堆積された材料は、部分的または完全に除去することができ、その結果、基板表面内にドーパント材料が配置される。この堆積および除去プロセスにより、基板表面内に配置された構造の底部および側壁に共形のドーピングプロファイルを提供する。別法として、堆積された材料は、エッチングプロセスの前に基板表面上にスパッタリングすることができ、または他の方法で再堆積させることができる。さらなる代替実施形態では、堆積された材料は、イオン注入前に別個のプロセスによって堆積させることができる。
図1Aは、本発明の一実施形態によるイオン注入プロセスを実施するために利用できるプラズマ処理チャンバ100を示す。このプロセスを実施できる1つの適した反応器チャンバは、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials,Inc.から利用可能なP3i(商標)反応器チャンバである。本明細書に記載の方法は、他の製造者からのものを含めて、他の適切に適合されたプラズマ反応器で実施できることが企図される。他の適した反応器チャンバには、2006年8月22日出願の米国特許第7,094,670号および2002年12月17日出願の米国特許第6,494,986号に記載のチャンバが含まれる。両特許を、本明細書に記載の特許請求の範囲および説明と矛盾しない程度に、参照により本明細書に組み込む。
処理チャンバ100は、プロセス領域104を密閉する底部124、上部126、および側壁122を有するチャンバ本体102を含む。チャンバ本体102の底部124から基板支持アセンブリ128が支持され、処理するために基板106を受け取るように適合される。チャンバ本体102の上部126には、基板支持アセンブリ128に面するようにガス分配板130が結合される。チャンバ本体102内にはポンプポート132が画定され、真空ポンプ134に結合される。真空ポンプ134は、スロットルバルブ136を通ってポンプポート132に結合される。ガス分配板130にはガス源152が結合され、基板106上で実行されるプロセスに対するガス前駆体化合物を供給する。
図1Aに示す処理チャンバ100は、プラズマ源190をさらに含む。プラズマ源190は、図1Bの斜視図に最もよく示される。プラズマ源190は、1対の別個の外部再入導管140、140’を含む。外部再入導管140、140’は、チャンバ本体102の上部126の外側に取り付けられ、互いに横切る(または図1Bに示す例示的な実施形態のように互いに直交する)ように配置される。第1の外部導管140は、上部126内に形成された開口198を通ってチャンバ本体102内のプロセス領域104の第1の側に結合された第1の端部140aを有する。第2の端部140bは、プロセス領域104の第2の側に結合された開口196を有する。第2の外部再入導管140’は、プロセス領域104の第3の側に結合された開口194を有する第1の端部140a’と、プロセス領域104の第4の側への開口192を有する第2の端部140b’とを有する。一実施形態では、第1の外部再入導管140および第2の外部再入導管140’は、互いに直交するように構成され、それによって各外部再入導管140、140’の2つの端部140a、140a’、140b、140b’は、チャンバ本体102の上部126の周辺部の周りに約90度の間隔で配置される。外部再入導管140、140’の直交する構成により、プラズマ源をプロセス領域104全体にわたって均一に分配することができる。第1の外部再入導管140および第2の外部再入導管140’は、プロセス領域104内のプラズマ分布を制御するために利用される他の構成を有することができることが企図される。
磁気透過性のトロイダル状の芯142、142’が、外部再入導管140、140’のうち対応する一方の一部分を取り囲む。導電コイル144、144’が、それぞれのインピーダンス整合回路または要素148、148’を通ってそれぞれのRFプラズマ源電源146、146’に結合される。各外部再入導管140、140’は中空の導電管であり、それぞれ絶縁性の環状リング150、150’によって遮られる。絶縁性の環状リング150、150’は、それぞれの外部再入導管140、140’の2つの端部140a、140b(および140a’、104b’)間の環状リングがなければ連続する電気的経路を遮る。基板表面のイオンエネルギーは、インピーダンス整合回路または要素156を通って基板支持アセンブリ128に結合されたRFプラズマバイアス電力発生器154によって制御される。
図1Aを再び参照すると、プロセスガス源152から供給されるガス化合物を含むプロセスガスは、上にあるガス分配板130を通ってプロセス領域104内へ導入される。RFプラズマ源電源146は、電力アプリケータ、すなわち芯142およびコイル144から導管140内で供給されるガスに結合され、それによって外部再入導管140およびプロセス領域104を含む第1の閉じたトロイダル状の経路内で循環するプラズマ電流を生じさせる。また、RFプラズマ源電源146’は、他の電力アプリケータ、すなわち芯142’およびコイル144’から第2の導管140’内のガスに結合することができ、それによって第1のトロイダル状の経路を横切る(たとえば、直交する)第2の閉じたトロイダル状の経路内で循環するプラズマ電流を生じさせる。第2のトロイダル状の経路は、第2の外部再入導管140’およびプロセス領域104を含む。それぞれの経路内のプラズマ電流は、それぞれのRFプラズマ源電源146、146’の周波数で(たとえば、逆方向に)発振する。これらの周波数は、同じであっても、または互いにわずかにずれてもよい。
一実施形態では、プロセスガス源152は、基板106へ注入されるイオンを提供するために利用できる異なるプロセスガスを提供する。プロセスガスの適した例には、B、AsH、PH、PF、BF、およびこれらの組合せが含まれる。各プラズマ源電源146、146’の電力は、これらを組み合わせた影響で、プロセスガス源152から供給されるプロセスガスを効率的に解離して基板106の表面に所望のイオン束をもたらすように動作される。RFプラズマバイアス電力発生器154の電力は、プロセスガスからの解離によって形成されるイオンを基板表面の方へ加速させて所望のイオン線量で基板106の上部表面下の所望の深さに注入できる選択されたレベルで制御される。制御されたRFプラズマ源電力とRFプラズマバイアス電力の組合せによって、処理チャンバ100内で十分な運動量および所望のイオン分布を有するガス混合物内のイオンを解離させる。イオンをバイアスして基板表面の方へ追いやり、それによって所望のイオン濃度、分布、および基板表面からの深さでイオンを基板内へ注入する。
たとえば、約200W未満などの比較的低いRFバイアス電力では、比較的低いプラズマイオンエネルギーを得ることができる。イオンエネルギーの低い解離されたイオンは、基板表面から約1Å〜約100Åの浅い深さで注入することができる。別法として、約1,000Wより高いものなど、高いRFバイアス電力から提供および生成されたイオンエネルギーの高い解離されたイオンは、基板表面から実質上100Åを超える深さを有する基板内へ注入することができる。さらに、イオンエネルギーが制御され、また供給されるプロセスガスからのイオン種のタイプが異なることで、基板106内に注入されるイオンは、基板106上にゲート構造およびソースドレイン領域などの所望のデバイス構造を形成することができる。
本明細書に記載の図2、3A〜3Dおよび図4、5A〜5Dのプロセスは、従来のプロセスと比較して改善された共形性を実現することが観察された。共形性とは、フィーチャ画定部のすべての表面にドーパントを注入することであり、共形性比で表される。共形性比は、側壁のドーパント量(すなわち、線量)とフィーチャ底部および/または上部表面のドーパント線量の比と定義される。たとえば、構造の上部表面のホウ素などのドーパント線量が約1016原子/cmであり(注入がウェーハ表面に対して直角の垂直方向である)、構造の側壁内へのドーパント線量が約7×1015原子/cmである場合、共形性比は約70%である。共形性比は、本明細書に記載の注入プロセスによって約20%〜約90%とすることができる。たとえば、本明細書に記載のプロセスによれば、約50%〜約90%の共形性でホウ素を注入することができ、約20%〜約30%の共形性でヒ素を注入することができる。
図2および3A〜3Dを参照して、プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法について説明する。図2は、本発明の一実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法を示すプロセス図を示す。図3A〜3Dは、本発明の一実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図を示す。
この方法は、本明細書で図1A〜1Bに示す処理チャンバ100などのプラズマ浸漬イオン注入処理チャンバ、または他の適切に適合されたチャンバ内で実行することができる。
この方法は、処理チャンバ100内に基板を提供することから始まる。一実施形態では、基板は、酸化シリコン、炭化シリコン、結晶シリコン(たとえば、Si<100>またはSi<111>)、歪みシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープまたは非ドープポリシリコン、ドープまたは非ドープシリコンウェーハ、ドープシリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、ガラス、およびサファイアなどの材料とすることができる。基板は、直径200mmまたは300mmのウェーハ、ならびに方形または正方形の鏡板など、様々な寸法を有することができる。別に言及しない限り、本明細書に記載の実施形態および例は、直径300mmの基板上で行われる。基板を利用してゲート構造を形成する実施形態では、基板上のゲート誘電体層上にポリシリコン層を配置することができる。
図3Aに示すように、基板300内にフィーチャ310を形成することができる。フィーチャは、1つまたは複数の水平表面312および1つまたは複数の垂直表面314を有することができる。基板300は、ドープすべき材料、たとえばp型ドーピングにはn型材料、またはn型ドーピングにはp型材料を含むことができる。基板表面の上部表面は材料316を含むことができ、材料316は、所望の構造のためにドープしても、または追加のフィーチャ310からのドーパント分離を提供するためにドープしなくてもよい。
210で、図1Aの処理チャンバ100などの処理チャンバ内にガス混合物が供給され、それによって堆積のための材料を提供し、かつ/または注入プロセスのためのイオン種を提供することができる。ガス混合物は、図1Aに示すようにプロセスガス源152からガス分配板130へ供給することができ、または他の適した手段によって供給することができる。
一実施形態では、処理チャンバ内へ供給されるガス混合物は反応ガスを含む。反応ガスは、従来のプラズマ強化化学気相成長プロセスからのものなど、ホウ素、ガリウム、ヒ素、リン、およびこれらの組合せを含めて、堆積および/または注入のためのドーパント材料を基板表面上およびフィーチャ内に提供することができる。一実施形態では、材料層を堆積させるために使用できる反応ガスには、B、AsH、PH、PF、BF、P、GaN、AsF、およびこれらの組合せが含まれる。
堆積されたドーパント含有材料層340は、等方性または異方性プロセスによって堆積させることができる。図3Bは、材料層340が主として基板および基板フィーチャ310の水平表面312上に形成される異方性プロセスによる材料の堆積を示す。ドーパント含有材料層340は、約50Å〜約100Åなど、約5Å〜約1,000Åの厚さに堆積させることができる。ドーパント含有材料層340は、P3iチャンバ内のRF放電から、異方性プラズマ環境などのプラズマプロセスによって堆積させることができる。
反応ガスはまた、220で基板内に注入すべき所望のイオンを提供することができる。注入すべきイオンをドーパントまたはドーパント種とも呼ぶ。たとえば、反応ガスは、電気デバイス内に活性ドーパントを形成して基板のドープされた領域の所望の電気的性能および/または物理的特性をもたらすために使用される、ホウ素、ガリウム、ヒ素、リン、およびこれらの組合せなど、所望のドーパント種源を提供することができる。
一実施形態では、イオン種源を提供するために使用できる反応ガスには、B、AsH、PH、PF、BF、P、GaN、AsF、およびこれらの組合せが含まれる。たとえば、反応ガスがBガスである実施形態では、注入プロセス中にBガスを解離して、B 、BH 、およびHイオンの形でイオン種をもたらすことができる。図3Cは、等方性プロセスによる基板フィーチャ300の水平表面(底部)312および垂直表面(側壁)314上のイオン/ドーパント350の注入深さを示す。注入されるドーパント350は、P3iチャンバのRF放電から、等方性プラズマイオン環境などのプラズマプロセスによって注入することができる。
ドーパント含有材料層340の堆積およびドーパント350のイオン注入は、同時に平行して同じプロセス内で実行することができ、または1つもしくは複数のプラズマ堆積およびプラズマイオン注入プロセスによって連続して実行することができる。イオン注入および堆積プロセスの一実施形態では、ステップ210でドーパント含有材料層340を堆積させ、次いでステップ220で、図3B〜3Cに示すように、下にある基板表面に対する注入プロセスのために、材料層をイオン、ドーパント350とボンバードさせる。イオン注入および堆積プロセスの別の実施形態では、ステップ210でドーパント含有材料層340を堆積させ、ステップ220で、図3Cに示すように、ドーパント350を同じプロセスステップで同時に並行して注入し、図3Bに示すプロセスステップは行わない。どちらのプロセスも、真空を破壊することなく、処理チャンバ内でその場で実行することができ、または同じ処理器具上に配置されたチャンバ内でその場で実行することができ、それによって基板を1回処理に通す間にプロセスを実行することができる。
本発明の一実施形態では、堆積された材料および注入されたイオンは、基板表面内のホウ素イオンと基板表面上のホウ素堆積層など、同じ要素を有する。別法として、イオン、ドーパント種、および堆積材料、堆積種は、ドーパント種としてホウ素と堆積種としてシランなど、異なる要素を有する。
220で、イオン注入プロセスを実行して、ガス混合物から生成されたイオンを基板内に注入する。RF源電力を印加して、処理チャンバ内でガス混合物からプラズマを生成する。プラズマは、ガス混合物の流量のあらゆる変化中も連続して生成され、ガス混合物をイオン種として解離して基板内に注入する。RF源電力とともにRFバイアス電力を印加して、ガス混合物からイオン種を解離し、解離されたイオン種を基板表面から所望の深さの方へ追いやることができる。処理チャンバに印加されるRF源およびバイアス電力は、所望のエネルギーレベルで制御することができ、それによって基板内で所望の量および深さでイオン種を解離してドープすることができる。上記のプロセスの一実施形態では、ドーパントとしても知られるイオンは、約5×1014原子/cm〜約5×1015原子/cmの範囲内の線量で100Å未満の深さへ注入することができる。イオン注入プロセスの結果、ドーパント材料を堆積させることができる。ドーパントの濃度は、原子/cmで表し、ドーパントの量/線量から計算することができる。
プロセスの一実施形態では、イオン注入は、図3Aおよび3Cに示すように1つの処理ステップで、制御された堆積とともに実行される。そのような堆積および注入プロセスでは、RF源電力は、約100ワット〜約5,000ワットで維持することができる。バイアスRF電力は、約100ボルト〜約15,000ボルトのRF電圧で、約100ワット〜約10,000ワットで維持することができる。チャンバ圧力は、約1ミリトル〜約500ミリトルで維持することができる。基板温度は、摂氏約10度〜摂氏約500度で維持することができる。
別の実施形態では、処理チャンバ内に供給されるガス混合物は、不活性ガスを含むことができる。適した不活性ガスの例には、N、Ar、He、Xe、およびKrなどが含まれる。処理チャンバ内の不活性ガスは、ガス混合物内のイオンボンバードメントを促進し、それによってプロセスガス衝突の確率を効率的に増大させ、その結果、イオン種の再結合を低減させる。不活性ガスは、約50sccm〜約500sccmなど、約10sccm〜約2,000sccmの流量で処理チャンバ内へ流すことができる。
並行堆積および注入プロセスの一実施形態は、ジボラン(B)またはアルシン(AsH)などの反応ガスを処理チャンバ内に、約50sccm〜約100sccmなど、約10〜約1,000sccmの流量で提供するステップと、約500ボルト(V)〜約1,500Vなど、約200〜約10,000Vの電圧でバイアスをかけるステップと、約7ミリトル〜約15ミリトルなど、約1ミリトル〜約100ミリトルでチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃〜約45℃など、約15℃〜約500℃でウェーハチャック温度を維持するステップとを含み、注入プロセスで、源電力が約200W〜約300Wなど、約100W〜約2,000Wであり、持続時間が約10秒〜約30秒など、約1秒〜約60秒である。
そのようなプロセスの一例は、ジボラン(B)を処理チャンバ内に約50sccmの流量で提供するステップと、約1,000Vの電圧でバイアスをかけるステップと、約15ミリトルのチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃のウェーハチャック温度を維持するステップとを含み、注入プロセスで、源電力が約200Wであり、持続時間が約20秒である。このプロセスでは、約70%の共形性比が観察された。上記プロセスを使用して、ドーパント含有材料層340を堆積させ、ならびにドーパント350を注入することもできる。
堆積された材料層は、基板フィーチャの側壁内ではなく、基板フィーチャの水平部分内に異方的に堆積されることが観察され、またガス混合物から解離されたイオンは、基板フィーチャの水平部分内および基板フィーチャの垂直部分、側壁内に等方的に注入されて、改善された共形の注入を実現することが観察された。堆積された材料層で注入されるドーパントは、より限られた深さに注入され、それによって、フィーチャ側壁内の注入されたドーパントとともに、改善された共形性を可能にしたと考えられる。別法として、ドーパント含有材料層340は、フィーチャ表面上に等方的に堆積させることもできる。
図3Dに示すように、230で、エッチングプロセスを使用して、基板フィーチャの水平部分および垂直部分内に注入されたイオンを保持しながら、基板フィーチャの水平部分上のドーパント含有材料層340の堆積の一部またはすべて、および別法として一部の注入されたドーパントを除去することができる。エッチングプロセスは、異方性エッチングプロセスとすることができる。しかし、ドーパント含有材料層340がフィーチャ画定部の垂直表面、側壁314上に堆積されるときなど、等方性エッチングプロセスを使用することもできる。エッチングプロセスは、真空を破壊することなく、同じチャンバ内、または同じ処理器具上に配置されたチャンバ内で、本明細書に記載の堆積および/または注入プロセスでその場で実行することができ、それによって基板を1回処理に通す間にプロセスを実行することができる。
適したエッチングガスには、ハロゲン含有化合物が含まれる。エッチング化合物の例には、NFおよびCFが含まれる。エッチングガスには、水素ガスおよび/または不活性ガスを含むことができる。別法として、水素プラズマプロセスを使用して、堆積された材料層を除去することができる。別の代替実施形態では、不活性ガスのスパッタリングプラズマを使用して、堆積された材料層を除去することができる。
エッチングプロセスの一実施形態は、三フッ化窒素(NF)などのエッチングガスを処理チャンバ内に、約50〜約100sccmなど、約25〜約1000sccmの流量で提供するステップと、アルゴンガス(Ar)などの不活性ガスを処理チャンバ内に、約100〜約200sccmなど、約10〜約1,000sccmの流量で提供するステップと、約7ミリトル〜約15ミリトルなど、約7ミリトル〜約100ミリトルでチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃〜約35℃など、約15℃〜約90℃でウェーハチャック温度を維持するステップと、約200W〜約250Wなど、約100W〜約2,000Wで源電力を印加するステップとを含む。
そのようなエッチングプロセスの一例は、水素(H)を処理チャンバ内に約200sccmの流量で提供するステップと、約15ミリトルのチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃のウェーハチャック温度を維持するステップと、約500Wの源電力を印加するステップとを含む。
図2を参照すると、240で、1つまたは複数の連続アクションにおいて動作210〜230を繰り返し、または循環的に実行して、所望のイオン注入結果を提供することができる。動作210および220は、1サイクル中に同時に並行して実行することができる。動作210〜230は、約3〜約5サイクルなど、1〜約20サイクル繰り返すことができる。
図4および5A〜5Dを参照して、プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法について説明する。図4は、本発明の別の実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法を示すプロセス図を示す。図5A〜5Dは、本発明の別の実施形態によるプラズマ浸漬イオン注入プロセスの方法の概略側面図を示す。
この方法は、図1A〜1Bに示す処理チャンバ100などのプラズマ浸漬イオン注入処理チャンバ、または他の適切に適合されたチャンバ内で実行することができる。
この方法は、処理チャンバ内に基板を提供することから始まる。一実施形態では、基板500は、酸化シリコン、炭化シリコン、結晶シリコン(たとえば、Si<100>またはSi<111>)、歪みシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープまたは非ドープポリシリコン、ドープまたは非ドープシリコンウェーハ、ドープシリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、ガラス、およびサファイアなどの材料とすることができる。基板は、直径200mmまたは300mmのウェーハ、ならびに方形または正方形の鏡板など、様々な寸法を有することができる。別に言及しない限り、本明細書に記載の実施形態および例は、直径300mmの基板上で行われる。基板を利用してゲート構造を形成する実施形態では、基板上のゲート誘電体層上にポリシリコン層を配置することができる。
図5Aに示すように、基板500内にフィーチャ画定部510を形成することができる。フィーチャは、1つまたは複数の水平表面512および1つまたは複数の垂直表面514を有することができる。基板500は、ドープすべき材料、たとえばp型ドーピングにはn型材料、またはn型ドーピングにはp型材料を含むことができる。基板表面の上部表面は材料516を含むことができ、材料516は、所望の構造のためにドープしても、または追加のフィーチャ510のドーパント分離を提供するためにドープしなくてもよい。
410で、処理チャンバ内にガス混合物を供給することができる。ガス混合物は、堆積のための材料を提供し、かつ/または注入プロセスのためのイオン種を提供することができる。ガス混合物は、図1Aに示すようにプロセスガス源152からガス分配板130へ供給することができ、または他の適した手段によって供給することができる。
一実施形態では、処理チャンバ100内へ供給されるガス混合物は反応ガスを含む。反応ガスは、従来のプラズマ強化化学気相成長プロセスからのものなど、ホウ素、ガリウム、ヒ素、およびこれらの組合せを含めて、堆積のための材料を基板表面上に提供することができる。一実施形態では、材料層を堆積させるために使用できる反応ガスには、B、AsH、PH、PF、BF、P、GaN、AsF、およびこれらの組合せが含まれる。
堆積された材料層540は、等方性または異方性プロセスによって堆積させることができる。図5Bは、材料が主として基板および基板フィーチャ画定部510の水平表面512上に形成される異方性プロセスによる材料の堆積を示す。材料540は、約50Å〜約100Åなど、約5Å〜約1,000Åの厚さに堆積させることができる。堆積された材料540は、P3iチャンバのRF放電から、等方性プラズマ環境などのプラズマプロセスによって堆積させることができる。
反応ガスはまた、基板内に注入すべき所望のドーパント/イオンを提供することができる。たとえば、反応ガスは、電気デバイス内に活性ドーパントを形成して基板のドープされた領域の所望の電気的性能および/または物理的特性をもたらすために使用される、B、P、Ga、Asなど、所望のイオン種源を提供することができる。
一実施形態では、イオン種源を提供するために使用できる反応ガスには、B、AsH、PH、PF、BF、P、GaN、AsF、およびこれらの組合せが含まれる。たとえば、反応ガスがBガスである実施形態では、注入プロセス中にBガスを解離して、BH2+、BH 、およびHイオンの形でイオン種をもたらすことができる。
図5Bは、水平表面512内の堆積されたドーパント含有材料540でドーパント550を注入する一実施形態を示す。別法として、ドーパント含有材料540の堆積のためにドーパント注入が行われないこともある。さらなる代替実施形態では、フィーチャ画定部510の垂直表面、側壁514内にドーパントを注入することができる。図5Cは、本明細書に記載のドーパント再分配プロセスに続く、基板500の水平表面512および垂直表面514上のイオン/ドーパント550の注入深さを示す。イオン注入プロセスは、等方性プロセスでも異方性プロセスでもよいが、現在のプロセスには等方性が好ましい。材料堆積プロセスは、等方性プロセスでも異方性プロセスでもよいが、現在のプロセスには異方性が好ましい。
ドーパント含有材料540の堆積およびドーパント550のイオン注入は、同時に同じプロセス内で実行することができ、または1つもしくは複数のプラズマ堆積およびプラズマイオン注入プロセスによって連続して実行することができる。
イオン注入および堆積プロセスの一実施形態では、動作410および420を組み合わせる同じプロセスで、図5Bに示すように、ドーパント含有材料540を堆積させてドーパント550を注入し、また430で、図5Cに示すように、スパッタリングなどによってドーパント含有材料540、ドーパント550、またはこれらの組合せを再分配して、フィーチャ画定部の側壁内にドーパント含有材料を再堆積させてドーパントを注入する(またはドーパントをさらに注入する)。1つのそのようなプロセスでは、ドーパント含有材料540およびドーパント550は、フィーチャ画定部510の水平表面上のみに形成される。イオン注入および堆積プロセスの別の実施形態では、プロセスは、代替動作420を使用する。代替動作420では、連続プロセスで、ドーパント含有材料540を堆積させ、次いでドーパント550を注入し、スパッタリングなどによって材料層およびドーパントを再分配して、ドーパント含有材料を再堆積させてフィーチャ画定部の側壁内にドーパントを注入する(またはドーパントをさらに注入する)。
イオン注入および堆積プロセスの別の実施形態では、420の注入の有無にかかわらず、410でドーパント含有材料540を堆積させ、430で、スパッタリングなどによって材料層を再分配し、ドーパント含有材料を再分配してフィーチャ画定部の側壁内にドーパントを注入する。次いで、ドーパント含有材料および再分配されたドーパント含有材料をフィーチャ画定部から除去することができる。そのようなプロセスに対する共形性比は、約50%〜約90%であることが観察された。
ドーパント含有材料540は、垂直および/または水平方向の最小の注入の有無にかかわらず、等方的に堆積される。堆積プロセス中のあらゆるドーパント注入は、430で再分配することもできる。本発明の一実施形態では、堆積された材料および注入されたイオンは、基板表面内のホウ素イオンと基板表面上のホウ素堆積層など、同じ要素である。
どちらの堆積およびイオン注入プロセスも、真空を破壊することなく、処理チャンバ内でその場で実行することができ、または同じ処理器具上に配置されたチャンバ内でその場で実行することができ、それによって基板を1回処理に通す間にプロセスを実行することができる。
そのようなプロセスにおけるドーパント含有材料540の堆積および任意の注入は、ガス混合物のプラズマを生成することによって実行することができる。RF源電力を印加して、処理チャンバ内でガス混合物からプラズマを生成する。プラズマは、供給されるガス混合物の比の変化中に連続して生成され、ガス混合物を解離して材料層を堆積させ、またイオン種をもたらして基板内に注入することもできる。RF源電力とともにRFバイアス電力を印加して、ガス混合物からドーパント種を解離し、解離されたドーパント種を基板表面から所望の深さの方へ追いやることができる。処理チャンバに印加されるRF源およびバイアス電力は、所望のエネルギーレベルで制御することができ、それによって基板上で所望の材料厚さでドーパント種を解離して堆積させることができる。本発明の一実施形態では、ドーパント含有材料540は、プラズマチャンバのRF放電から等方性プラズマ環境などのプラズマプロセスによって、約50Å〜約100Åなど、約5Å〜約1,000Åの厚さに堆積させることができ、何らかの注入が実行された場合、ドーパントは、約5×1014原子/cm〜約5×1015原子/cmの範囲内の線量で、100Å未満の深さへ注入することができる。
プロセスの一実施形態では、イオン注入は、図5Bに示すように1つの処理ステップで、制御された堆積とともに実行される。そのような堆積および注入プロセスでは、RF源電力は、約100ワット〜約5,000ワットで維持することができる。バイアスRF電力は、約100ボルト〜約15,000ボルトのRF電圧で、約100ワット〜約10,000ワットで維持することができる。チャンバ圧力は、約1ミリトル〜約500ミリトルで維持することができる。基板温度は、摂氏約10度〜摂氏約500度で維持することができる。
別の実施形態では、処理チャンバ内へ供給されるガス混合物は、不活性ガスを含むことができる。適した不活性ガスの例には、N、Ar、He、Xe、およびKrなどが含まれる。処理チャンバ内の不活性ガスは、ガス混合物内のイオンボンバードメントを促進し、それによってプロセスガス衝突の確率を効率的に増大させ、その結果、イオン種の再結合を低減させる。不活性ガスは、約50sccm〜約500sccmなど、約10sccm〜約2,000sccmの流量で処理チャンバ内へ流すことができる。
堆積(および注入)プロセスの一実施形態は、ジボラン(B)またはアルシン(AsH)などの反応ガスを処理チャンバ内に、約50〜約100sccmなど、約10〜約1,000sccmの流量で提供するステップと、約500ボルト(V)〜約1,500Vなど、約200〜約10,000Vの電圧でバイアスをかけるステップと、約7ミリトル〜約25ミリトルなど、約1ミリトル〜約100ミリトルでチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃〜約45℃など、約15℃〜約500℃でウェーハチャック温度を維持するステップとを含み、注入プロセスで、源電力が約200W〜約300Wなど、約100W〜約2,000Wであり、持続時間が約10秒〜約30秒など、約1秒〜約60秒である。
そのようなプロセスの一例は、ジボラン(B)を処理チャンバ内に約100sccmの流量で提供するステップと、約1,000Vの電圧でバイアスをかけるステップと、約15ミリトルのチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃のチャンバ温度を維持するステップとを含み、注入プロセスで、源電力が約200Wであり、持続時間が約30秒である。共形性比は約70%とすることができる。
堆積された材料層およびガス混合物から解離したイオンは、基板フィーチャの側壁ではなく、主として基板フィーチャの水平部分内へ堆積および注入される傾向がある。解離したイオンは、チャンバ内で引き続き増大するため、構造/トレンチの底部内に注入されたイオンは、飽和レベルに到達することがある一方、構造および/またはトレンチの側壁は依然として、所望の量の注入されたイオンをもたないことがある。より大量のイオンをチャンバ内に連続して供給する結果、構造/トレンチの側壁内に注入されたイオンの量、したがって濃度を増大させるのではなく、基板表面の底部上に望ましくない堆積が蓄積されることがある。
堆積された材料および注入されたイオン540は、基板フィーチャの水平表面から基板フィーチャの垂直表面へ再分配することができる。ドーパント含有材料540およびドーパント550の再分配は、たとえば再スパッタリングプロセス、アルゴンスパッタリングプロセス、またはこれらの組合せによって実現することができる。再分配されたドーパント含有材料560は、基板フィーチャ画定部510の垂直表面上で厚さ1Å〜50Åなど、100Å未満の厚さに堆積させることができ、ドーパントおよび再分配されたドーパントは、約5×1014原子/cm〜約5×1015原子/cmの範囲内の線量で、100Å未満の深さに注入することができる。共形性比は、ドーパント含有材料540および再分配されたドーパント含有材料560の除去後、再分配から約70%〜約90%とすることができる。
再スパッタリングプロセスの一実施形態は、スパッタリング不活性ガス、任意選択で水素ガスを処理チャンバ内に、約100sccm〜約200sccmなど、約10〜約1,000sccmの流量で提供するステップと、約500V〜約1,000Vなど、約200〜約7,000ボルト(V)の電圧でバイアスをかけるステップと、約10ミリトル〜約15ミリトルなど、約7ミリトル〜約100ミリトルでチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃〜約45℃など、約15℃〜約90℃のウェーハチャック温度、約200W〜約300Wなど、約100W〜約5,000Wの源電力、および約10秒〜約20秒など、約5秒〜約50秒のステップ持続時間を維持するステップとを含む。再スパッタリングまたは再堆積された材料は、100Åの深さに堆積または注入することができる。共形性比は、約70%〜約90%とすることができる。
そのような再スパッタリングプロセスの一例は、アルゴンを処理チャンバ内に約200sccmの流量で提供するステップと、約1,000Vの電圧でバイアスをかけるステップと、約7ミリトルのチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃のウェーハ温度、約200Wの源電力、および約10秒の持続時間を維持するステップとを含む。再堆積された材料は、100Åの深さに堆積させることができる。共形性比は約80%とすることができる。
再分配プロセスは、真空を破壊することなく、P3iチャンバなどの処理チャンバ内でのその場の堆積および/もしくは注入プロセスに伴ってその場で実行することができ、または同じ処理器具上に配置されたチャンバ内でその場で実行することができ、それによって基板を1回処理に通す間にプロセスを実行することができる。
再分配プロセスに続いて、図5Dに示すように、440で、エッチングプロセスを使用して、基板フィーチャの水平部分および垂直部分内に注入されたイオンを保持しながら、基板フィーチャの水平部分上のドーパント含有材料540および再分配されたドーパント含有材料560の一部またはすべて、ならびに別法として一部のイオンを除去することができる。このエッチングプロセスは、垂直表面より水平表面から多くの材料を除去するために、等方性プロセスとすることができる。エッチングプロセスは、真空を破壊することなく、同じ処理器具上に配置されたチャンバ内で、本明細書に記載の堆積および/または注入および/または再分配プロセスでその場で実行することができ、それによって基板を1回処理に通す間にプロセスを実行することができる。
適したエッチングガスには、ハロゲン含有化合物が含まれる。エッチング化合物の例には、NF、フッ化炭素、およびこれらの組合せが含まれる。エッチングガスには、水素ガスおよび/または不活性ガスを含むことができる。別法として、水素プラズマプロセスを使用して、堆積された材料層を除去することができる。別の代替実施形態では、不活性ガスのスパッタリングプラズマを使用して、堆積された材料層を除去することができる。
エッチングプロセスの一実施形態は、三フッ化窒素(NF)などのエッチングガスを処理チャンバ内に、約100〜約200sccmなど、約25〜約1,000sccmの流量で提供し、またはアルゴンガス(Ar)を処理チャンバ内に、約100〜約200sccmなど、約10〜約1,000sccmの流量で提供するステップと、約10ミリトル〜約20ミリトルなど、約5ミリトル〜約200ミリトルでチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃〜約35℃など、約15℃〜約90℃でウェーハ温度を維持するステップと、約200W〜約300Wなど、約100W〜約2,000Wで源電力を印加するステップとを含む。
エッチングプロセスの一例は、水素ガスを処理チャンバ内に約100sccmの流量で提供するステップと、約15ミリトルのチャンバ圧力を維持するステップと、約25℃のチャンバ温度を維持するステップと、約500Wの源電力を印加するステップとを含む。
図4を参照すると、450で、1つまたは複数の連続アクションにおいて動作410〜440を繰り返し、または循環的に実行して、所望のイオン注入結果を提供することができる。動作410および420は、1サイクル中に同時に実行することができる。動作410〜440は、約3〜約5サイクルなど、1〜約20サイクル繰り返すことができる。
したがって、プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法が提供される。改善された方法は、所望の量のドーパントを注入して所望の注入されたプロファイルを基板表面上に形成すると有利であり、それによって基板全体にわたって均一のドープされたイオン量を提供し、所望の電気的性能をもつ電気デバイスを基板上に形成する。
上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

  1. プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法であって、
    処理チャンバ内に基板を提供するステップであって、前記基板が1つまたは複数のフィーチャが形成された基板表面を備え、各フィーチャが1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面を有するステップと、
    等方性プロセスによって、前記水平表面の少なくとも1つおよび前記垂直表面の少なくとも1つに、プラズマからイオンを注入するステップと、
    異方性プロセスによって前記基板表面および前記1つまたは複数の水平表面をエッチングするステップと
    を含む方法。
  2. 前記プラズマからイオンを注入するステップおよび前記1つまたは複数の水平表面をエッチングするステップが、1つまたは複数のサイクルにおいて連続して実行される、請求項1に記載の方法。
  3. プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法であって、
    処理チャンバ内に基板を提供するステップであって、前記基板が1つまたは複数のフィーチャが形成された基板表面を備え、各フィーチャが1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面を有するステップと、
    イオンを生成するように適合された反応ガスを含むガス混合物からプラズマを生成するステップと、
    前記プラズマから前記基板表面上および前記水平表面の少なくとも1つの上に材料層を堆積させるステップと、
    等方性プロセスによって、前記基板内、ならびに前記水平表面の少なくとも1つおよび前記垂直表面の少なくとも1つに、前記プラズマからイオンを注入するステップと、
    前記水平表面の少なくとも1つから前記垂直表面の少なくとも1つへ、前記材料層の一部分、前記注入されたイオンの一部分、またはこれらの組合せをスパッタリングするステップと、
    等方性プロセスによって前記基板表面ならびに前記1つまたは複数の水平表面および前記1つまたは複数の垂直表面をエッチングするステップと
    を含む方法。
  4. 前記反応ガスが、ホウ素含有ガス、ヒ素含有ガス、リン含有ガス、およびこれらの組合せからなる群から選択されたガスを含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記反応ガスが、B、AsH、PH、およびこれらの組合せからなる群から選択されたガスを含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記1つまたは複数の水平表面をエッチングするステップが、
    ハロゲン含有ガスから選択されたエッチングガスを提供するステップと、
    前記ハロゲン含有ガスからプラズマを生成するステップと
    を含む、請求項1または3に記載の方法。
  7. 前記エッチングガスが、不活性ガスまたは水素ガスをさらに含む、請求項6に記載の方法。
  8. 前記プラズマからイオンを注入するステップ、前記注入されたイオンをスパッタリングするステップ、および前記1つまたは複数の水平表面をエッチングするステップを、1つまたは複数のサイクルにおいて連続して実行する、請求項3に記載の方法。
  9. 前記ガス混合物から前記基板表面上に材料を堆積させるステップおよび等方性プロセスによって前記プラズマから前記基板へイオンを注入するステップを並行して実行する、請求項3に記載の方法。
  10. 前記イオンを100Å未満の深さに注入する、請求項1または3に記載の方法。
  11. プラズマ浸漬イオン注入プロセスによって基板内にイオンを注入する方法であって、
    処理チャンバ内に基板を提供するステップであって、前記基板が1つまたは複数のフィーチャが形成された基板表面を備え、各フィーチャが1つまたは複数の水平表面および1つまたは複数の垂直表面を有するステップと、
    前記基板表面上および前記基板フィーチャの前記水平表面の少なくとも1つの上に材料層を堆積させるステップと、
    イオンを生成するように適合された反応ガスを含むガス混合物からプラズマを生成するステップと、
    等方性プロセスによって、前記基板内、ならびに前記水平表面の少なくとも1つおよび前記垂直表面の少なくとも1つに、前記プラズマからイオンを注入するステップと、
    前記水平表面の少なくとも1つから前記垂直表面の少なくとも1つへ、前記材料層の一部分、前記注入されたイオンの一部分、またはこれらの組合せをスパッタリングするステップと
    を含む方法。
  12. 前記材料層を堆積させるステップおよび前記プラズマからイオンを注入するステップを並行して実行する、請求項11に記載の方法。
  13. 前記注入されたイオンをスパッタリングするステップが、前記基板表面を不活性ガスプラズマに露出させるステップを含む、請求項3または11に記載の方法。
  14. 前記材料層を堆積させるステップおよび前記プラズマからイオンを注入するステップを、同じプロセス内で実行する、請求項11に記載の方法。
  15. 前記材料層を堆積させるステップ、前記プラズマからイオンを注入するステップ、およびスパッタリングするステップを、同じチャンバ内で実行する、請求項11に記載の方法。
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