TW200915396A - Plasma immersion ion implantation with highly uniform chamber seasoning process for a toroidal source reactor - Google Patents

Description

200915396 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及用於環形源反應器之具有高均勻腔室乾燥 處理的電漿浸潤式離子佈植法。 【先前技術】 半導體晶圓的電漿浸潤式離子佈植通常用於在晶圓表 面形成P-N接合區。電漿浸潤式離子佈植（P3i)製程比其 他佈植製程更快或產率更高。爲了獲得需要的佈植或接合區 深度’晶圓表面上的離子能量必須相對高’這可通過向晶圓 或者晶圓支撐底座内的電極施加足夠高的射頻（RF)偏置功 率而實現。P3i反應器腔室通常由鋁元件構成’其表面被陽 極化以在腔室中提供一些保護並隔絕電漿。一個問題在於離 子佈植期間電漿的高離子能量會産生對金屬腔室部件的離 子轟擊，去除金屬顆粒，其中該金屬顆粒蒸發成電漿遍佈在 整個腔室中並沉積在晶圓上。高離子能量通過將在充足級別 下的RF偏置功率耦接到晶圓來獲得’以產生幾十或上百千 伏量級的電漿偏置電壓。晶圓上的這類金屬污染可能對形成 在晶圓表面上的器件中引起缺陷。 【發明内容】 本發明提供一種用於在反應器腔室内部體積上執行具 有南均勻乾燥（seasoning)旗的電衆〉艾潤式離子佈植方法， 該腔室具有頂和柱狀側壁以及面向該頂部的支撐底座。該方 200915396 法包括在晶圓支樓底座的週邊上母署θ 上。又置具有多個氣體佈植孔 的氣體分配環’該些孔從晶圓支撐底庙俯& ± 译泜厓僅向朝外。含矽氣體 通過該環的氣體分配孔導入以建立合欲#邮 吃正3梦軋體的徑向朝外的 流型(fl〇w ―)。反應器包括在頂部中鄰近相對側部的側 壁的成對管道口’並且各個外部管道通常橫跨腔室的直徑並 搞接到每對管道口。該方法更包括通過管道口將氧氣佈植到 腔室以在腔室中建立氧氣的轴向向下流型。灯功率·合到每

個管道的内部，以產生穿過…Six〇y物種的環形電漿 流，從而在腔室内的表面上沉積Six〇y材料的乾燥層，同時 使底座沒有晶圓以便暴露底座的晶圓支撐表面。在完成乾燥 層沉積完成時’將晶圓放置在該底座上。離子佈植前驅氣體 通過延伸跨越頂部的氣體分配板導入腔室。電漿浸潤式離子 佈植通過W RF功率耦接到每個管道的内部以産生穿過腔室 的佈植物種電流的環形電漿以便將佈植物種佈植到晶圓中 而完成。該方法可更包括將RF偏置功率施加到位於晶圓下 方的電極以産生千伏量級的電漿鞘偏置電壓。 【實施方式】 爲了在P 31製程期間使金屬污染最小或防止金屬污染 :生：在電漿浸潤式離子佈植之前和晶圓導入腔室之前，腔 至内、p表面可用非金屬“乾燥（seas〇ning)”膜塗覆。使用經 驗方法容易確定將金屬污染降低到規定限制以下的乾燥膜 的理想厚度。最小厚度通常是1綱A的數量，級，雖然更理想 的厚度諸如2_A可獲得更好的結果。纟⑶製程後乾燥^ 200915396 必須被线，以及其後在P3i製程期間由於部分 的方式被去除—或者其厚度降低—而被替代，因 後續的P3i步驟期間提供隔離金屬污染的充分保 存在於在離子佈植電漿由包括混合了離子佈植 物的（氣體形成的情形下。乾燥膜去除步驟可通 (下游）電漿源獲得的乾燥去除氣體物種填 施。該氣體可以是例如’諸如含氟化合物的腐蝕 乾燥膜通過將含矽氣體（例如，矽烷）和 應器腔室並點燃電漿使用高密度電漿增強化 (HDPCVD)製程加以沉積。矽_氧化合物的自由 /或離子在電漿中形成，其沉積在内部體積腔室表 薄膜或例如，Si〇2和/或SixOy的塗層。存在的問 氣流的不均勻、整個腔室的不均勻RF功率或場 腔室内部的—些機械部件造成阻擋，導致乾燥膜 不均勻。對於較低氣體流動的區域的腔室表面， 速率最低’直到在高氣流和最高沉積速率的其他 量的乾燥膜厚度（例如’ 12,0〇〇A)時，才獲得 乾燥膜厚度（例如，；I 000A ) ^結果是乾燥沉積 時間比應有的更長一降低產率。而且，在y (12,000 A )的較厚部分之前’後佈植乾燥去除 中乾燥膜最薄（1 〇〇〇 A )的腔室内部表面。在後 除步驟期間首先暴露的腔室表面從而在餘下的 間受到清潔氣體的破壞，導致縮短該部件的工作 反應器的操作成本。 膜以非均句 此其不能在 護。這尤其 物種的氣化 過用從外音P 充腔室而實· 性物種。 氧氣導入反_ 學氣相沉積 基、中子和 面上以形成 題在於由於 分佈、以及 的厚度高度 乾燥膜沉積 區域達到過 要求的最小 步驟花費的 h除乾燥膜 處理暴露其 佈植乾燥去 清潔步驟期 壽命並增加 7 200915396 相關的問題由P3i處理 處理期間乾燥膜的去除逮率的s和後佈植乾燥去除（清潔） 漿主要聚集在晶圓〜頂部：勾,^丨起。由於P3i電 期間的去除迷率不均勻。例s 理區中，因此在p 3 i步驟 部、部分腔室部件的 在乾燥前驅氣體從腔室底 1千的朝底部的表面 抵 勿支柱導入的情形下，獲得最厚塗層。不ί圓底座的徑 遠離主要電漿（即，镇 不5宜地，這些表面 受到離子轟擊，並因此 、）並從而幾乎不會 J步驟期間厚声膝你® , 具有最厚的乾燥層’然後在。3i步驟、降：：：。開始 表面具有不均衡厚度的乾燥琪，因此 ：破壞’這類 面過度暴露于腐敍性清潔氣體下清潔。 ·其他腔室表 第1圖示出解決前述問題的用於電裝浸潤式 的具有氣體分配部件的環形源 植 电來汉愿窃。在預佈植 精步驟期間使用這些氣趙分配部件以在整個腔室内部體積 形成南度均勻的乾燥膜。一些部件可用於控制乾燥膜的化學 計量以實現如在此將描述的所需特徵 第1圖的反應器包括由柱狀側壁102、頂部1〇4和底部 ^〇6限定的柱狀腔室100。晶圓支撐底座1〇8包括靜電卡盤 ί 10’其具有用於支撐半導體晶圓112的晶圓支律表面。頂 部1 04具有兩對開口 1 1 4 ’其耦接到各自相互正交的外部再 八式管道（reentrant conduit) 116、118。每個管道 116、118 構成震盪電衆電流的閉合的再入式路徑，該震盛電毁電流穿 過由底座1 08和頂部1 04之間的間隙限定的處理區域。頂部 i 〇4是氣髏分配板’其具有面向腔室内部的氣體佈植孔陣列 200915396 120和内部氣體分配歧管122。可選地，歧管122可以徑向 劃分爲内部和外部122a、122b，以建立歧管122的獨立的内 部和外部氣體佈植區（或組）124a、124b。在該情形不，一 對獨立可控的氣源1 26a、126b耦接到内部和外部歧管1 22a、 122b。一對電漿rf源功率產生器1 28、1 30耦接以將RF功 率經由各個阻抗匹配1 3 2 ' 1 3 4和功率施加器1 3 6、Π 8施加 到各個管道116、118。每個功率施加器136、138可以具有 相同結構’其包括纏繞各個管道丨〗6或丨丨8的導磁磁心或環 140 ’以及纏繞環140的導電線圈142。靜電卡盤（ESC )】1〇 包括導電電極1 l〇a和包含電極n〇a的絕緣體層} 1〇b。RF 偏置功率產生器142通過阻抗匹配144耦接到Esc電極 1 10a。A.D.C (直流交流）卡盤電壓源146耦接到ES(：電極 UOa。底座108被支撐在三個徑向支柱uou、15〇_2、15〇_3 上，在第2圖中清楚示出，其從側壁1〇2和底座1〇8下方徑 向延伸。 在電漿浸潤式離子佈植期間，佈植物種前驅氣體，諸 ^ 如在棚佈植步驟情形中的硼氟化物或爛氫化物，通過項部氣 體分配板104佈植’同時電漿源功率由產生器128、130施 加，以産生通過晶圓上方的處理區域的再入式路徑中的震盪 閉合電衆電流。用於該目的，離子佈植處理氣源副耗接到

氣體分配板104的内部和外A 1 τ外。丨s氣體歧管122a、122b。可選地， RF產生器142將偏置功率絲 平施加到E S C 1 1 0以控制離子能量 並（由此）控制佈植深度。盏 .η _ 氣體分配板104最優化用於整個 晶圓的表面或ESC的晶掩± J曰日圓支撐表面上的均勻氣體分佈，但不 200915396 構造爲用於整個腔室内部的均勻氣體分佈。因此，氣體分配 板104本身’不適合在整個腔室沉積乾燥膜中使用。 SX置在腔至中的均勻乾燥膜氣體的分配部件包括沿底 座1 08的側壁的中心陣列的氣體佈植孔202 ,用於佈植含石夕 氣體。中心陣列孔202形成在中空氣體分配環2〇〇中，該中 空氣體分配環200支撐在底座1〇8的侧壁上並圍繞底座的週 邊延伸。在所示的實施方式中，底座1〇8支撐靜電卡盤（ESC )

110。該ESC包括在絕緣層11〇下方的導電基座2〇4。基座 2 04可包括用於諸如冷卻劑通道和背側氣體流動通道（未示 出）用途的内部部件。在所示的實施方式中，氣體分配環2〇〇 附接到基座204的週邊。環2〇〇上的氣體佈植孔2〇2可以相 對于水平晶圓平面成角度A定向，以便以向上的方向佈植含 矽氣體。這有助於在内部腔室部件的朝上表面上的更好沉 積例如諸如EsCn〇的晶圓支樓表面和徑向支柱15〇的 頂表面。含石夕氣體（例如，梦烧）源2〇6連接到氣體分配環 200的中空内部。 在乾燥膜沉積步驟期間通過頂部104中的四個管道口 1 14佈植氧氣 靠近每個管道 到每個管道佈 。用於該目的，管道佈植孔21〇將氣體佈植到 口 的管道116、1U中。氧氣源212耦接 植孔。氧氣通過管道口 114注入促使靠近腔室 1 I5有更夕的田含氧氣體混合物，並從而在腔室的中心上方 夕的畜&石夕氣體混合物，，在ESC110的晶圓支撑表 這是由於官道口 Η4都靠近頂部〗〇4的週邊定位。 在預佈植乾燥膜沉積步驟期間，晶圓1 1 2不存在並且 10 200915396 沒有佈植處理氣體供應到氣體分配板1〇4。因此，在乾燥 沉積步驟期間可以使用氣體分配板1 04。可選地，氣體分 板1 0 4在乾燥膜沉積期間可被用於控制乾燥層的厚度分饰 化學計量分佈。例如，腔室的中心上方（底座丨〇8上方） 體的矽含量的進一步增加可通過經由氣體分配板1〇4的中 (内部）氣體分配區124注入含矽氣體（矽烷）而實現。 於該目的，例如，該内部區氣源126a儲存矽烷。爲了促 在朝上表面沉積更厚的薄膜，而不削弱中心處含矽氣體占 要含量，可通過氣體分配板1〇4的外部氣體注入區 入氧氣。在該情形下’外部區氣源、126b儲存氧氣。腔室 中心和週邊的矽與氧氣的比例通過流入到内部 122a、122b的不同氣體流速以及流入到管道注入孔2丨〇 = 流入到氣體分配環2 0 0的氣體流速控制或 、 t 昂3圖概 了來自第1圖的反應器的每個氣體注入元件的根據 述氣體流動。 @ 氣趙分配環200的位置（例如，軸向高户 又"^ 及盡 分配環200的孔2〇2的角度a可以調整以實班 預期均勻性。氧氣和SiH4可以以可控的 增 •干贤應到氣體八 環200，用於經過孔202注入，以便控制 刀 化學計量。 、乾燥沉積 我們已經發現前述部件解決了 J 乾燥沉積的 題。然而，在本發明以前，乾燥厚度從—些朝上表 ： 值約1000人到在一些朝下表面上最 面上最 丄联穴值約12,〇〇〇a 發明引起的厚度變化小得多，這允許我 心•更小的最小 m 酉己 和 氣 心 用 使 主 注 的 區 及 述 前 體 的 配 的 問 小 本 厚

200915396 度（約2〇0〇A)，而不超 巧過最大值約3000-4000A。更士 小厚度在更短的沉積時 吟間獲得，同時更快地實施去除步 由此增加了產量。 第4圖是描述可用< 用則述氣體分配部件控制的乾燥 Si-Ο化學計量的預期蔣a / &向分佈圖。具體地，通過在晶圓 108上方提供更多的石夕炫 /况（含矽氣體）以及在週邊提供 的氧氣，分佈SixOy乾择賊二 馬1联的化學計量（即，X : y比率 使得在中心具有富含石々, 夕比例以及在週邊具有少矽比例。 點在於具有較高電導率 平的材料設置在需要的位置，即， 110 上。覆蓋 ESC 110 的 ^ 的較尚電導率的富含矽混合物能 釋放晶圓期間更快去除s如 b日圓上的電荷，獲得更好的産量 率。當切斷D.C.卡盤雷厭、κ ®电堡源以釋放晶圓時，通過提供用 晶圓上充電的更導電的玫 路傻以耗散（dissipate )，更快 將晶圓保持在£8(^11〇卜1^4!5_;&1_ ιιυ上的靜電夾持力。在第4圖中， 上方矽的比例（X )最夬，二丄 大’而在同一區域氧的比例（y)最 在週邊，該關係相反Λ ^ 如第4圖的圖中所示。χ的標稱 卜而y的標稱值疋2。第4圖中所示的在所沉積的乾燥 徑向内部區域和外部區域之間的化學計量變化通過相 流動到週邊的氧氣流量（例如，通過管道口 114)增加 到中心的含矽氣體流量（例如，通過氣體分配& i 〇4或 氣體分配環200)而增加。 第5圖示出涉及預注入乾燥沉積、電漿浸潤式離 植和後注入清潔或乾燥去除的處理◊整個迴圈開始’底座 上沒有晶圓（第5圖的方框25〇 )。對於預注入乾燥沉 的最 驟， 層的 底座 更多 )， 該優 ESC 使在 或産 於在 去除 底座 yj> 〇 值是 膜的 對於 流動 通過_ 子佈 108 積， 12 200915396 含·ζί7我1體（例如 切p、、s u 2Q21 夕燒）通過圍繞底座108的側部的氣體注 入孔202注人（方# 252 )以及氧氣通過 "Hu的頂部σ 114注入（方框254 =道 Ο ς . N B .a J選步驟（方框 情形下:整頂：氣體分配板…注入…氧氣。在梦炫 量比-/化；速以實現沉積在ΕΚ m上的乾燥膜㈣含 量-氧切的標料與氧比1:2增加2-1〇 =?:施加…施…Η”或心 可览二/體積表面上沉積hoy乾燥膜（方裡⑽）。 ==，Γ26°)是調整通過頂部氣體分配板_的氣 ” 1 3切院或者氧氣）以根據第4圖實現靜電卡盤 :晶圓支揮表面上的乾燥膜的預期富含發比例（x: y)。然 ^ ^預期的乾燥膜厚度（例如，2()叫）已經達到之後， =燥沉積處理（方框262 )。將晶圓放置到底座1〇8上 诉J 260。通過導入注入含物種的處理氣體以及將RF ==管道RF功率施加器136，來實施電漿浸潤 =='266 )。在該步驟期間，可以通過將來自 器⑷的㈣置功率施加到Esc電極u〇a而控制離子 月b量（注入深度）。在注入步规6 #杜 通過導入例如來自下游電槳除晶圓(方框叫 燥媒（方框27。）。浆源的乾燥層姓刻氣體而去除乾 雖然前述描述針對本發明的實施方式，但在不偏離本發 的基本範圍内可以設計本發明的其他和進—步實施方 式’並且本發明的範圍由以下權利要求書限定。 13 200915396

【圖 式簡 單說明】 因】 比爲了更詳細地理 解 本發明 的以上該特徵 » 將 參 昭 附圖 中示 出的實施例對以上丨 镇要所 述的本發明進 行 更 具 體 描述 〇 缺 而，應該注意，附 圖 中只示 出了本發明典 型 的 實 施 例， 因此 不能認爲是對本發 明 範圍的 限定，本發明 可 以 允 許 其他 等同 的有效實施例。 第 1圖是根據本發明 的 一個技 術方案的電漿 反 應 器 的 剖面 側視 IS) · 圍， 第 2圖是對應第1圖 的. 到面頂 視圖； 第 3圖是對應第1圖 的 簡化圖 ，其顯示根據 物 種 的 氣 體流 型； 第 4圖是描述根據第 3 圖的氣 體流型控制的 乾 燥 層 的 化學 計量 (stochiometry)的變化圖 第 5圖是描述由第1 圖 的反應 器執行的處理圖 〇 爲， ί更於理解，盡可能 用 相同的 附圖標記表示 附 圖 中 共 同的 相同 元件。附圖中的圖 都 是示意 性的並不按比 例 繪 製 〇 【主 要元 件符號說明】 100 腔 室 102 側壁 104 頂 部 106 底部 108 晶 圓支撐底座 1 10 靜電卡盤 1 10a 電極 110b 絕緣層 1 12 晶 圓 1 14 再入式開口 116 、1 1S ! 再入式管道 120 氣體注入孔 14 200915396 122 氣體分配歧管 122ε ι 内部氣體歧管 122b 外部氣體歧管 124a 1 内部氣體注入 124b 外部氣體注入區 126ε 1 内部區氣源 126b 外部區氣源 128 ' 130 RF 源功 s 132、 134 ' 144 阻抗匹配 136 ' 13 8 功率施加 140 導磁磁心或環 142 導電線圈 143 RF偏置功率產生器 146 直流電源 1501- 1 ' 150-2 ' 150-3 徑向支柱 180、 2 0 6 氣源 200 氣體分配環 202 注入孔 204 導電基座 210 管道注入孔 212 氧氣源 250、 252 、 254 ' 256 ' 260 、 262 ' 264、266 ' 268、 區 l產生器 器 270 步 驟

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Claims (1)

1. 200915396 十、申請專利範圍： 岛向該頂部的 式離子佈植的 晶圓 方法 1 · 一種用於在具有頂部和柱狀側壁以及 支推底座的反應器腔室中執行電漿浸潤 ’包括： ，以圓支樓底座的週邊上設置具有多個氣體注入孔的 氣體分配環，該些孔從晶圓支撐底座徑向朝外；

   由該環的該些氣體分配孔導入使一含矽氣 該含矽氣體的徑向朝外的流型； 體，以建立 對管道口，以 桎並耦接到該 在頂部中鄰近相對側部的該側壁設置成 及設置獨立的外部管道’其通常橫跨腔室的直 每對管道口； 氣氣：：管道口將氧氣注入到該腔室，以在核腔室中建立 氧氣的軸向向下流型； 將射頻功㈣合料個該管道的㈣，q生穿過該 的S广物種的環形電聚流’從而在該腔室内的表面上

   '儿lx y材料層，同時使底座沒有晶圓以便I g H 0 晶圓支撐表面，· 冑暴露該底座的 將晶圓放置在該底座上； 頂部的氣體分配 板導氣“過延伸跨越該 部，以産生穿過該 該注入物種佈植到 —將射頻功率耦接到每個該管道的内 腔至的左入物種電流的環形電漿，以便將 該晶圓令。 16 200915396 2.如請求項〗所述的方法，更包括施加射頻偏置功率 到電極上，以産生千伏景级的電襞鞘偏置電壓。 3·如請求項1所述的方法’其中該底座包括具有晶圓 支撐表面的靜電卡盤，該方法更包括充分增加沉積在該晶圓 支撐表面上的該乾燥層部分的電導率，以提供晶圓放電的導 電路徑’以將該晶圓從該晶圓支撐表面靜電釋放。 4·如請求項3所述的方法，其中該增加電導率的步驟 包括調整該腔室内該含矽氣體和該氧氣的流速，以便在該底 座的晶圓支撐表面上沉積富含矽形式的Six〇y，以及在靠近 該側壁的腔室表面上沉積富含氧形式的Six〇y。 5·如請求項4所述的方法，其特徵在&，該調整步驟 包括通過該氣體分配板注入含矽氣體。 6. 如請求項1所述的方法’其特徵在於，更包括朝向 該底座的晶園支揮平面的方向定向該氣體分配環的該孔。 7. 如請求項5所述的方法’其特徵在於，該氣體分配 板。括内部和外部氣體注入區’該含石夕氣體通過該内部氣體 主區’主入，該方法更包括通過該外部注入區注入氧氣。 8 —種用於在熹有頂部和柱狀側壁以及面向該頂部的 17 200915396 晶圓支撐底座的反應器腔室中執行電漿浸潤式離子佈植 方法，包括： 通過在氣體分配底座的側部處徑向朝外的氣體分西己 導入含矽氣體，以建立該含矽氣體的徑向朝外的流型； 通過該腔室的再入式管道的管道口注入氣氣，以在 腔室的週邊區域中建立氧氣的轴向向下流型； 將射頻功率耦接到每個該管道的内部’以產生穿過 腔室的slx0y物種的環形電漿電流，#而在該腔室内的表 積·χ〇ν材料層，同時使該底座沒有晶圓以便暴露該 座的晶圓支擇表面； 將晶圓放置在該底座上； 將離子佈植前驅氣體通過延伸跨越該頂部的氣體分 板導入腔室；以及 將射頻功率耦接到每個該管道的内部，以産生穿過 腔室的佈植物種電流的環形電漿，以便將該佈植物種佈植 該晶圓中。 9·如凊求項8所述的方法，更包括施加射頻偏置功 到電極上’以產生千伏數量級的電漿鞘偏置電壓。 1〇·如請求項8所述的方法，其中該底座包括具有 圓支樓表面的靜電卡盤，該方法更包括充分增加沉積在該 圓支揮表面上的該乾燥層部分的電導率’以提供晶圓放電 導電路徑’以將該晶圓從該晶圓支撐表面靜電釋放。 的 孔 該 該 面 底 配 該 到 率 晶 晶 的 18 200915396 11. 如請求項10所述的方法，其中該增加電導率的步 驟包括調整該腔室内該含矽氣體和該氧氣體的流速，以便在 該底座的晶圓支撐表面上沉積富含矽形式的SixOy，以及在 靠近該側壁的腔室表面上沉積富含氧形式的SiXOy。 12. 如請求項11所述的方法，其中該調整步驟包括通 過該氣體分配板注入含矽氣體。 13·如請求項8所述的方法，更包括調整朝向該底座 的晶圓支撐平面向上方向的該徑向朝外孔，從而建立成該徑 向朝外流型的軸向部分。 14.如請求項12所述的方法，其中該氣體分配板包括 内部和外部氣體注入區，該含矽氣體通過該内部氣體注入區 注入，該方法更包括通過該外部注入區注入氧氣。

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