TW201029043A - Method to reduce surface damage and defects - Google Patents
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201029043 六、發明說明： 【相關申請案】 本申請案主張優先權為2008年10月31曰的美國暫時 專利申請號61/110,007，其揭露内容在此併入本文參考。 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於物種植入方法，且特別是有關於一種 能防止或修復表面損傷的物種植入方法。 【先前技術】 離子植入為一種將導電率改變（conductivity-altering) 摻質引入至半導體工件中的標準技術。在離子源（i〇n source)中使所要摻質材料離子化，且將離子束導引至工 件的表面。離子束中之高能離子穿透至半導體材料之主體 中且後入至半導體材料之晶格（CfyStalline lattiee)中以形 成所要導電率之區域。 眾所周知’摻質植入會在半導體工件中產生缺陷。此 才貝傷可此會造成格隙（interstitials )或空位（vacancies )而 影響工件的導電率。以往這些損傷區域佔全部接合 (junction)區域的極小部分，因而對半導體元件的整體效 能並無太大的影響。 然而’隨著元件尺寸變小，積體電路（integrated circuit, 以下以1C表示）中的接合區域也隨之變薄。當接合區域變 得越薄’被摻質所佔據的接合區域的體積也隨之變小。將 上述小體積的摻質有效活化是一種挑戰。此外，在節點或 較大的1C中因離子植入所造成的表面損傷，其原本在習知 201029043 技術中被認為是微不足道的，但現在卻日益重要。正由於 接合區域變得更薄’在波長32nm的高功率雷射（high power laser，HPL)退火製程中，損傷深度已近乎接合區域 深度的10〜30%。 再者，當接合區域縮減時，其表面上的非活化摻質叢 集（inactive dopant clusters)亦會增加。這些非活化區域 是由矽空位叢集（silicon vacancy cluster)，或是因藏鍍將 矽擊離而使該區域缺少矽所造成。這些非活化摻質叢集導 致較差的摻雜活化，進而使電晶體中源極_汲極 (smuxe/dmin)的電阻增加。因此，體積較小的摻質不僅 在活化時構成挑戰，更因其較差的摻雜活化而妨礙活化的 進行。 表面損傷並無法在退火時完全消除，因而不利於IC 的效能。圖1是一樣品於離子植入與退火循環後，其表面 損傷於穿透式電子顯微鏡(transmissi〇n electr〇n microscope， 以下以TEM表示）的影像。深色區域顯示了工件中損傷 ❹舰域。離子植人後所產生的較位會在後續魏製程時 產生粗糙或不平坦的界面。 石夕化物因其電阻較多晶石夕為低，而通常用在IC中以降 低電阻。這些石夕化物可在Ic上形成例如是源極、汲極或閉 極的歐姆接觸層。在—些實施射，藉由麵*在忙上沈 積金屬這些金屬在工件的表面上與石夕相互結合，而在退 火步驟中的化學反鱗金屬肝成為魏物巾的金眉成 分。這些金屬成分例如是鎳、鎢、鈷或鈦。 5 201029043 在矽化物形成之後，工件上粗糙或不平坦的表面會導 致接觸窗漏電（contact leakage)的現象，因未被矽化的金 屬會擴散至工件的矽中而形成尖峰（spikes)，有時稱之為 矽化蝕孔（silicide pitting)。圖2是金屬矽化物的尖峰的 TEM影像。若出現的空位的密度過多，則尖峰便會發生。 理想上’金屬與梦會反應形成穩定的梦化物。一旦此種穩 定狀態形成’金屬會與矽鍵結而抑制其擴散。然而，當在 矽的反應表面出現空位或格隙時，金屬會比石夕具有更高的 擴散能力。形成矽化物的活化能比擴散的活化能為高，因 此導致較多的擴散，或金屬產生擴散較產生鍵結來的容 易。擴散的趨勢是取決於每種金屬的化學特性，其依據鶴、 欽、銘及錄的順序而逐漸增加。因此，若疊差（stacking fauk， 例如多重空位）出現，鎳會向下擴散至疊差處而形成"矽化 管"（silicide pipe)。由於鎳或其他金屬在的結晶面 與石夕在i冬0的結晶面上具有容易形成4差的趨勢因而 鎳或其他金屬會沿著此方向擴散。 ' 請注意在圖2中以斜線圖案所顯示的尖峰，其正因為 金屬的擴散趨勢係相對於工件表面呈約45度角的方向進 行。理上，各個金屬原子與—個或—個以上的梦原子鍵 結而形成所需要的魏物。表面損傷或教位會導致 内的㈣子具有㈣數目的未鍵結電子。此料致不同或 t獅成化學式 化鎳型態為NiSi，卻會被咖或_等】=當= 201029043 其他可能型態所代替(其他需要或不需要的型態也是可能 的）。這些不需要的型態基本上不如需要的型態來的穩定， 且基本上具有較高的電阻。 劑量率（doserate)是增加ic的表面損傷的一種原因。 較高鉍離子束電流會增加表面損傷及缺陷。此舉可能導致 損傷、摻雜活化或矽化的問題。然而，減少離子束電流會 降低植入製程的產出而不被採用。因此，便需要一種改善 的方法以防止或修復表面損傷。 ® 【發明内容】 本發明提供一種植入方法，以最小化工件的表面損 傷。於摻質植入之後，接著進行第二植入以使工件表面上 的矽非晶化。此舉減少表面損傷及格隙，並具有諸多優點。 首先，未活化的摻質叢集可因再填入矽而被活化。其次， 發的非化性質使其在後續製程步鱗，例如石夕化步驟中更 容易鍵結。 在本發明之部分實施例中，一接質被植入，接著在非 ❹ g化植人前進行退火。在其他實施射，敎是在非晶化 植入後進行。在另-些實施财，非晶化植人是在退火循 環之前與之後均進行。此外，在摻質植入之前可先進行一 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉實施例’並配合所附圖式作詳細說明如下。 ， 【實施方式】 圖从是-種防止或修復表面損傷的方法的第一實施 7 201029043 ----r - 例的流程圖。植入摻質通於—工件中。此推質為眾所周 ί的/包㈣、m.等。接著在活化退火训之前 進行植人302以防止表面損傷。植入3〇2可以是一低能 量非摻質式的植入以使1C #表面非晶化。對表面進行非 晶化會破壞或改變工件中晶袼的長程晶序（丨⑽㈣嗯 order)。非摻質物種例如是碳、發、錯、錫或錯以用來 將工件非sa化。摻質物種例如哪、碟或氮亦可被使用。這 些物種皆較適於在各自劑量超過非晶化服時植入。在另 -實施例巾’這錄倾用以當作上述赫質物種的共同 摻雜物（C〇-d〇Pants)。在一些實施例中，植入3〇〇與3〇2 可依序地進行，而在另一些實施例中，植入3〇〇與3〇2至 少部分能同步進行。當表面完成非晶化後，接著進行活化 退火步驟301。此活化退火步驟依據使用的物種可以是急 速熱退火（rapid thermal anneal，RTA)、尖峰退火（印& anneal)、閃光退火（flash anneal)或雷射退火（丨批过anneal) (毫秒/熔融），其溫度範圍在85〇°C〜1150°c。接著，再 進行矽化304。 在圖3B的另一實施例中，活化退火3〇1是在植入摻 質300之後進行。接著，在活化退火3〇1之後進行一植入 303,以修復表面損傷。誠如上述’植入303可為一低能量、 非掺質式的植入方式以使1C的表面非晶化。對表面進行非 晶化會破壞或改變工件中晶格的長程晶序（1〇ng_mnge order)。非摻質物種例如是碳、矽、鍺、錫或鉛，以用來 將工件非晶化。雜植物種例如蝴、鱗或氮亦可被使用。這 201029043 些摻質皆適於在各自劑量超過非晶化門植時進行植入。在 另一實施例中，這些物種被用以當作上述非掺質物種的共 同摻雜物。在一些實施例中，植入摻質與非摻質物種至少 部分同步進行。接著，再進行矽化3〇4。 植入302與植入303中任一步驟皆能將空位非晶化並 再補充矽於工件的表面上。據此，矽能夠更均勻地被散佈 或配置以消除空位。對工件表面上非活化摻質體積進行非 晶化會改善其活化能並進而降低電阻。改善活化能的原因 ® 在於非晶化能更均勻地將摻質配置在矽的晶格中，並使任 何可旎存在的非活化摻質叢集進一步被活化。再者，掺質 的剖面亦可被調整。當晶格已被非晶化且任何空隙 • 或空位已被矽再充填時，1C便能藉由植入302或303而降 低其表面粗链度。 圖4A疋一種防止或修復表面損傷的方法於另一實施 例的流程圖。在植入摻質300於工件内之前，需先進行pAI 400 (預先非晶化植入，pre-amorphizati〇nimplant，以下以 ❿ PAI表示）。基本的PAI是由矽、鍺或其他非晶化物種等 具有能量以達到預期的接合區域深度者進行。pAI的植入 深度基本上選擇稍微（10%至20%)高於在PAT夕赖始入 的換質物種 之後，其後續步驟如圖3A所繪示。 圖4B是一種防止或修復表面損傷的方法於另一實施 例的流程圖。此方法是以PAI 400作為起始，並接續以圖 3B所繪示之步驟。 9 201029043 ----'1'- 在圖3Β與圖4Β的實施例中，植入3〇3是在退火3〇ι 之後進行。在矽化304之前與植入303之後並不要 的活化退火。植入303會將IC的晶袼非晶化。此舉有助於 改善石夕化的均勻性並可降低金屬（即鎮）的擴散。在深入 源極、汲極與接觸電阻處的石夕耗費量（smc〇n _u_Qn) 降低。最後，此舉改善了;ε夕化物型態的均勻性，並形成了 所需要的矽化物型態，例如NiSi。此一改善主要源^晶體 的非晶化破壞了晶體的長程晶序。此舉減少了鎳或金屬擴 散至矽主體内，且因此而減少尖峰的產生。當尖峰產生時， ⑮ 矽主體内的鎳減少而導致金屬相對於矽的比例不如預期， 且此等偏斜率(skewed ratio)形成了不同型態的矽化物。再 者，位於源極/汲極區域中的這些金屬的擴散通道往往呈現 不均勻的分佈。因此，這些金屬過多的區域趨向於形成富 含金屬的矽化物型態。相反地，其他區域則趨向於形成富 含矽的矽化物型態。 β 在圖3C與圖4C之替代性實施例中’在退火3〇1之前 進行植入302 ’並在退火301之後進行第二次的植入3〇3。 ❹ 雖然因多次的植入及製程步驟所需的成本較高，圖3C與 圖4C所顯示的這些製程卻可使更多的可靠的元件具有關 於其矽化區域的效能。可靠度的參數，例如靜態電源電流 (IDDQ)密度’其會隨著元件更耐用且具有較長遠的可靠 度而降低。 圖5之A至D是依據圖3A中降低損傷植入的二次離
子質譜儀（secondary ion mass spectrometer，以下以 siMS 201029043 表示）的剖面。圖5之A中，對應植入摻質300的摻質植 入緣示於形成的摻質剖面500。圖5之B中’對應植入302 的非晶化植入（即減少損傷的植入）緣示於接近工件的表 面的陰影區域501。圖5之c中，工件進行退火，其導致 摻質剖面503的改變。在圖5 2D中，在工件中非晶化區 域501的矽化繪示於陰影區域502。如圖5所繪示，摻質 剖面500、503可藉由非晶化調整。其他用以調整摻質剖面 ❹
的方式亦可適用，且摻質剖面5〇〇並#僅限於圖5中所繪 示者。 舉例而言，圖6為圖3B中降低損傷植入的SIMS的 剖面。圖ό之A中’對應植入摻質3〇〇的摻質植入繪示於 形成的摻質刮面500。在圖中，工件進行退火，其 導致摻質剖面503的改變。圖中，對應植入3〇3的 非晶化植人（即減少損傷的植人）緣示於接近轉的表面 的陰影區域5(Π。在圖6 巾，卫件巾非晶化區域5〇1 的矽化繪不於陰影區域5〇2。如圖6所繪示，摻質剖面5⑽、 503可藉由非晶化調整。 精確地說’淺的非晶化植人會在王件的表面上產生非 晶石夕。此舉會助切化物隨著非^麵產生，亦可能形成 表面進行梦的非晶化植入會增加工件表面 的石夕原子的數量。此舉改善IC 摻質的關。再者， 被再活化。非听倾人村齡-定 產生的表面㈣。金屬魏_鱗可因倾齡^加除而 11 201029043 冷植入（coldimplant)由於較低溫的植入於較低劑量 時能增加非晶化之深度與品質而被視為是有利的。冷植入 的溫度在+60。(：至_300。〇：的範圍之間。較低的工件溫度能 降低物種非晶化工件與改善非晶化品質的門檻。在低溫下 非晶化品質之所以能改善是由於此時工件的晶格相較於高 溫時更能彼此拉近。較低的溫度亦能減少因植入而產生的 植入終端（end-of-range，以下以EOR表示）缺陷。在矽晶 格内的EOR是多個被趕至e〇R正下方的矽格隙（silic〇n interstitials)。低溫降低了非晶化的門捏並增加因物種的 Θ 特定劑量而導致的非晶化的產生。因此，在晶格中形成更 多均勻的置換空位（substitutional vacancies)並向下延伸 至EOR。在之後的退火中，再結晶將會於EOR處的格隙 開始並向上移動而產生應力與E〇R缺陷。藉由對特定區域 進行更徹底的非晶化，每個格隙更有機會回到其置換點 (substitutional site)，並因而減少EOR缺陷。冷植入亦 能降低非晶化所需要的劑量。 然而，在其他實施例中，非晶化植入可在室溫或是較 ❾ 高的溫度時進行，例如5〇。(：〜400〇C。 雖然所揭露的植入是連同後續的矽化製程，然此方法 亦此與其他接觸的(contacting)製程步驟使用。 上述實施例所揭露的植入步驟可藉由電漿摻雜系統 100或是束線離子植入機200而達成。圖7是電漿摻雜系 統100的方塊圖。圖8是束線離子植入機200的方塊圖。 本領域熟知技藝者能知悉電漿摻雜系統100或束線離子植 12 201029043 為眾多不同種類的魏摻雜系統與束線離子植 機的其中之-。再者’本領域熟知技藝者亦會瞭解，其 (plaSmaimmersion) (plasma t具村祕植场種。上述實施射所揭露的 入’、可藉由集結式架構或椎疊架構工具進行。
請再參考圖7，電聚摻雜系統1〇〇包括處理室102， 其定義出封閉的體積處理室1〇2或工件138可藉由 溫度調節系統（未、㈣）冷卻或加熱。平台134定位於處 ，至102内以支樓工件138。平纟134亦能藉由溫度調節 …统（未緣示）冷卻或加熱。在一實施例中，工件…例 如疋圓盤狀的半導體晶圓，例如，在一實施例中，其為 300mm直控的矽晶圓。然而，工件138並未限定於此。工 件138亦可例如是平面板、太陽能工件或聚合物工件。工 件138可藉由靜電力或機械的力量而被夹持在平台134的 平坦表面上。在一實施例中，平台134可包括多個導電針 腳（pin，未繪示）以與工件138連接。電漿摻雜系統1〇〇 更包括源101，其用以在處理室102内從植入氣體中產生 電漿140。源1〇1可以是射頻源（Rp s〇urce)或是本領域 熟知技藝者所知道的其他源。平台134可以被偏壓，上述 偏壓可從直流電源或射頻電源提供。電漿摻雜系統1〇〇更 可包括遮蔽環、法拉第傳感器或其他組件。在一些實施例 中’電漿摻雜系統100是集結式工具（cluster tool)的一部 分，或者是在單一電漿摻雜系統1〇〇内之操作連接 (operatively-linked)的電漿摻雜室。因此，可以在真空中連 13 201029043 接多個電漿摻雜室。 操作時，源101用來在處理室102裡產生電漿140。 在一實施例中，源是射頻源，其在至少一射頻天線内共振 射頻電流以產生振動磁場。振動磁場感應射頻電流到處理 室102。處理室102中的射頻電流激勵並離子化植入氣體 以產生電漿140。在偏壓脈衝開啟(bias pulse 〇n)週期提 供偏壓給平台134以及工件138以將電漿14〇的離子向工 件138加速。可以選擇脈衝平台訊號的頻率和/或脈衝的工 作週期以提供需要的劑量率。可以選擇脈衝平台訊號的振 幅以提供需要的能量。在其他參數相同的情況下，較大的 能量導致較大的植入深度。 再參考圖8，疋用來說明束線離子植入機的方塊 圖。同樣地，本領域熟知技藝者能夠知道所述束線離子植 入機200只是許多束線離子植入機的一個舉例。一般來 說，束線離子植入機200包括離子源280，其用於產生離 子以提取形成例如帶狀束線或者點束線的離子束281。在 一個實例中離子束281可以被質量分析並從發散離子束 轉化為實質上具有平行離子軌道的帶狀離子束。在一些實 施例中，束線離子植入機200還包括加速或者減速&元 290。 在離子束281的路徑上，終端站211支撑一個戋者多 個工件(如工件138)，使得需要的物種被植入工件U8中^ 例如，工件138可以是圓盤狀的半導體晶圓，例如在一實 施例中，其為直徑300mm的矽晶圓。然而，工件138二 201029043 不限於梦晶圓。工件13S還可以例如平面板、太陽能 或聚合物基板。終端站211可包括平台別，其用^樓 =;38用一= 中’終端站211還可包括掃描器(未 :其用來在垂直於離子束281橫截 移動工件⑶，使得離子分佈紅件的整個表面上。 =植人機可以包括其他為本領域熟知技藝者所 知的組件，如自動化工件裝卸設備、法拉 ❹=電子搶(—gun)。本領域熟:技藝; =的疋，離子束穿越過的全部路徑在離子植人時是抽真空 在一些實施例中，束線離子植入機綱 了以引入離子的熱植入或者冷植入。 上文所述的示範性實施例是說明性的，而不是限制性 範圍預期涵蓋屬於本發明的真實精神和 =内的所有鱗修改、改進和其他實蝴。因此，關於 範圍，藉由對下文的申請專利範圍和其均 ❿的解釋來確定本發明的範曹，且本發明 罾，私受讀性實施_前文詳細 【圖式簡單說明】 制 影像圖1是―樣品於植人與敎之後其表面顧的ΤΕΜ 圖2是金屬矽化物的尖峰的ΤΕΜ影像。 -貧施圖是一種防止或修復表面損傷的方法的第 圖4A至圖4C是-種防止或修復表面損傷的方法的第 15 201029043 二實施例的流程圖。 圖5是依據圖3A 質譜儀的剖面。 圖6是依據圖3B 質譜儀的剖面。 的方法的降低摘傷植人的二次離子 的方法的降低損傷植入的二次離子 圖7是電漿摻雜系統的方壤圖。 圖8是束線離子植入機的方塊圖。 【主要元件符號說明】
100 :電漿摻雜系統 101 :源 102 :處理室 103 :封閉的體積 134、295 :平台 138 :工件 140 :電漿 200 :束線離子植入機 211 :終端站
280 :離子源 281 :離子束 290 :加速或減速單元 300 :植入摻質 301 :退火 302、303 :植入 304 :矽化 16 201029043 400 :預先非晶化植入 500、 503 :摻質剖面 501、 502 :陰影區域 〇 參 17
Claims (1)
- 201029043 七、申請專利範圍： 1·種在工件上減少表面損傷與缺陷的方法，勺· 植入一摻質物種於一工件内； 匕· 在該植入之後對該工件進行退火；以及 在該退火之後進行一非晶化植入。 傷與2缺=:利=;項所述的在工件上減少表*損 在該非晶化植入之後，進行一發化步驟。 3. 如申請專利範圍第2項所述的在工件上 傷與缺陷的方法’其中該矽化步驟包括： 員 沈積-金屬於該工件上’其中該金屬是選自由 鎢及鈷所組成的族群。 鎳鈦、 4. 如巾請專利範圍第丨項所述的在 傷與缺陷的方法，更包括·· 减夕表面知 在摻質之前，進行一預先非晶化植入步驟。 5. 如申請專利範圍第4項所述的在 傷與缺陷的方法，更包括： 表面知 於該非晶倾人之後，進行—魏步驟。 废也如申明專利範圍第5項戶斤述的在工件上減少表面;T 傷與缺_方法，其中卿化步驟包括：心表面知 沈積-金屬於該工件上，其中 鎮及銘所組成的族群。 胃疋遷目由錄、欽、 7.如申請專利範圍第i項所述 傷與缺陷的方法’其中該非晶化植入包括植入 18 201029043 =件内，其中該物種是選自由碳、，鍺、錫及錯所 的族群。 8. 如申請專利範圍第1項所述的在工件上減少表面損 、、缺，的方法’其中該非晶化植人是在6。。。至-謂 的溫度範圍内進行。 9. 種在工件上減少表面損傷與缺陷的方法，包括： 植入一摻質物種於一工件内； ⑩ 在雖人之魏行—非晶化植入 :以及 在該非μ化植入之後對該工件進行退火。 r傷專利範圍第9項所賴在工件上減少表面 知傷與缺陷的方法，更包括： 在該退火之後，進行1二非晶化植入。 i^L1.如㈣專利麵第9項所述的在工件上減少表面 扣傷與缺陷的方法，更包括： 卞成乂表面 在該退火之後，進行一石夕化步驟。 ®損傷舆缺陷的方V’範其固中第該1 二項件上減少表* 細件上，其中該金屬是選― 損傷=請：範更圍包第:項所述的在工件上減少表^ ’進行-預先非晶化植入步称。 損傷與缺陷的方法，更包第括叫所述的在工件上減少表面 19 201029043 在該退火之後，進行一矽化步驟。 15.如申請專利範圍第14項所述的在工件上減 損傷與缺陷的方法，其中該發化步驟包括：件上心表面 損傷二利?中第工件上齡^ 〇 ^二内’而該物種是選自由m錫及輯= 的溫度範_進行/、中非晶化植人是在紙至.。。 ❹ 20
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