TW202349437A - 等離子體摻雜系統以及用於其的屏蔽環組合件 - Google Patents
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Abstract
一種等離子體摻雜系統，包含：等離子體摻雜腔室；壓板，安裝在等離子體摻雜腔室中以用於支撐工件；可電離氣體源，耦合到腔室，可電離氣體含有用於注入到工件中的所要摻雜劑；等離子體源，用於在工件附近產生具有等離子體鞘的等離子體，等離子體含有可電離氣體的正離子，且使所述正離子穿過等離子體鞘朝向壓板加速以注入到工件中；屏蔽環，圍繞壓板且適於將等離子體鞘延伸超出工件的邊緣；以及覆蓋環，安置於屏蔽環的頂部上且適於減輕屏蔽環的濺射，其中覆蓋環包括結晶基底層及非結晶頂部層。
Description
本公開的實施例涉及等離子體摻雜系統，且更確切地說，涉及一種用於減輕等離子體摻雜系統內的濺射污染的裝置。
離子注入是一種用於將更改導電性的雜質引入到半導體晶圓中的標準技術。在常規離子注入系統中，所要雜質材料在離子源中電離，離子經加速以形成規定能量的離子束，且離子束被引導在晶圓的表面處。所述束中的高能離子穿透到半導體材料的主體中且嵌入到半導體材料的晶格中，以形成具有所要導電性的區域。
在一些應用中，有必要在半導體晶圓中形成淺結，其中雜質材料被限制於靠近晶圓表面的區域。在這些應用中，常規離子注入機的高能量加速度和相關束形成硬件是不必要的。因此，等離子體摻雜系統用於在半導體晶圓中形成淺結。在等離子體摻雜系統中，將半導體晶圓放置在腔室內的壓板上，其中壓板適於充當陰極。將含有所要摻雜劑材料的可電離氣體引入到腔室中，且在壓板與電感耦合等離子體源之間施加高電壓脈衝，從而導致在晶圓附近形成具有等離子體鞘的等離子體。所施加的電壓使得等離子體中的離子穿過等離子體鞘且注入到晶圓中。注入的深度與施加到晶圓的電壓有關。
在例如上文所描述的等離子體摻雜系統中，通常提供圍繞壓板的環形「屏蔽環」。通常由碳化矽形成的屏蔽環與安置於壓板上的晶圓以徑向小間隙關係定位，且被偏置以將等離子體鞘延伸超出晶圓的邊緣。雖然此配置通常對其預期目的有效，但此配置與某些缺點相關聯。舉例來說，在注入工藝期間，離子可撞擊屏蔽環，從而使得碳原子濺射到腔室中，從而導致正在處理的晶圓的不合需要的碳污染。因此，需要減輕此類污染同時保持屏蔽環的功能性。
關於這些和其它考慮因素來提供本公開。
提供此發明內容以按簡化形式引入下文在具體實施方式中進一步描述的一系列概念。此發明內容並不意圖識別所主張標的物的關鍵特徵或基本特徵，且也不意圖作為輔助確定所主張標的物的範圍。
根據本公開的等離子體摻雜系統的實施例可包含：等離子體摻雜腔室；壓板，安裝在等離子體摻雜腔室中以用於支撐工件；可電離氣體源，耦合到等離子體摻雜腔室，所述可電離氣體含有用於注入到工件中的所要摻雜劑；等離子體源，用於在工件附近產生具有等離子體鞘的等離子體，等離子體含有可電離氣體的正離子，且使所述正離子穿過等離子體鞘朝向壓板加速以注入到工件中；屏蔽環，圍繞壓板且適於將等離子體鞘延伸超出工件的邊緣；以及覆蓋環，安置於屏蔽環的頂部上且適於減輕屏蔽環的濺射，其中覆蓋環包括結晶基底層和非結晶頂部層。
根據本公開的等離子體摻雜系統的另一實施例可包含：等離子體摻雜腔室；壓板，安裝在等離子體摻雜腔室中以用於支撐工件；可電離氣體源，耦合到等離子體摻雜腔室，所述可電離氣體含有用於注入到工件中的所要摻雜劑；等離子體源，用於在工件附近產生具有等離子體鞘的等離子體，等離子體含有可電離氣體的正離子，且使所述正離子穿過等離子體鞘朝向壓板加速以注入到工件中；屏蔽環，圍繞壓板且適於將等離子體鞘延伸超出工件的邊緣；以及覆蓋環，安置於屏蔽環的頂部上且適於減輕屏蔽環的濺射，其中覆蓋環包括結晶基底層和非結晶頂部層。
根據本公開的用於等離子體摻雜系統的屏蔽環組合件的實施例可包含：屏蔽環，適於圍繞等離子體摻雜系統的壓板且將等離子體鞘延伸超出工件的邊緣；以及覆蓋環，安置於屏蔽環的頂部上且適於減輕屏蔽環的濺射，其中覆蓋環包括結晶基底層和非結晶頂部層。
現將在下文參考隨附圖式更充分地描述本實施例，隨附圖式中繪示了一些實施例。本公開的標的物可以許多不同形式體現且並不解釋為限於本文中所闡述的實施例。提供這些實施例是為了使得本公開將是透徹且完整的，且這些實施例將把標的物的範圍完整地傳達給所屬領域的技術人員。在圖式中，相似數字始終指代相似元件。
如本文中所使用，除非另外指示，否則以單數形式列舉且前面有詞「一（a或an）」的元件或操作應理解為可能包含多個元件或操作。此外，已在一或多個元件或組件的上下文中描述本文中的各種實施例。元件或組件可包括佈置成執行某些操作的任何結構。儘管可借助於實例用特定拓撲中的有限數目的元件來描述實施例，但所述實施例可根據給定實施的需要而在替代拓撲中包含更多或更少的元件。注意，對「一個實施例」或「實施例」的任何引用意指結合實施例所描述的特定特徵、結構或特性包含在至少一個實施例中。短語「在一個實施例中」、「在一些實施例中」以及「在各種實施例中」在本說明書中的不同位置中的出現未必全部是指同一實施例。
參考圖1，繪示根據本公開的等離子體摻雜系統的示範性實施例。所述系統可包含界定封閉體積12的等離子體摻雜腔室10。壓板14可定位於腔室10內以提供用於固持工件（諸如半導體晶圓20）的表面。晶圓20可例如在其周邊處被夾持到壓板14的平坦表面。壓板14可支撐晶圓20且可提供到晶圓20的電連接。在另一實施例中，壓板14可包含用於提供到晶圓20的電連接的導電引腳。本公開在此方面不受限制。
晶圓20可經由壓板14電連接到第一高電壓脈衝產生器30，且晶圓20可充當陰極。舉例來說，脈衝產生器30通常可提供在約20伏到20,000伏的範圍內、持續時間為約5微秒到200微秒且脈衝重複率為約500赫茲到20千赫茲的脈衝。僅借助於實例給出脈衝參數值，且可在本發明的範圍內涵蓋其它值和範圍。
腔室10的封閉體積12可通過可控閥32耦合到真空泵34。氣體源36可通過質量流量控制器38耦合到腔室10。位於腔室10內的壓力傳感器44可將指示腔室壓力的信號提供到控制器46。控制器46可將感測到的腔室壓力與所要壓力輸入進行比較且可將控制信號提供到閥32。控制信號可控制閥32以便使腔室壓力與所要壓力之間的差最小化。真空泵34、閥32、壓力傳感器44和控制器46可構成閉環壓力控制系統。壓力通常控制在約一毫托到約500毫托的範圍內。本公開在此方面不受限制。氣體源36可供應可電離氣體，所述可電離氣體含有用於注入到晶圓20中的所要摻雜劑。可電離氣體的實例包含BF
3、N
2、Xe、Ne、He、H
2、D
2、Ar、PF
5、PH
3、AsH
3、AsF
5、AsF
3以及B
2H
6。本公開在此方面不受限制。質量流量控制器38可調節氣體供應到腔室10的速率。圖1中所繪示的配置可以恒定氣體流動速率和恒定壓力提供連續工藝氣體流。優選地調節壓力和氣體流動速率以提供可重複結果。
在系統的操作期間，晶圓20可定位於壓板14上。接著，壓力控制系統、質量流量控制器38以及氣體源36可在腔室10內產生所要壓力和氣體流動速率。借助於實例，腔室10可在10毫托的壓力下用He氣體操作。脈衝產生器30可將一系列高電壓脈衝施加到晶圓20，從而使得在晶圓20與晶圓20上方的射頻電感耦合等離子體（radio frequency inductively coupled plasma；RF ICP）源24之間形成等離子體40。如本領域中已知，等離子體40含有來自氣體源36的可電離氣體的正離子。等離子體40更包含在壓板14附近的等離子體鞘42。在高電壓脈衝期間存在於射頻電感耦合等離子體源24與壓板14之間的電場使來自等離子體40的正離子穿過等離子體鞘42朝向壓板14加速。加速的離子注入到晶圓20中以形成雜質材料的區域。選擇脈衝電壓以將正離子注入到晶圓20中的所要深度。選擇脈衝的數目和脈衝持續時間以在晶圓20中提供所要劑量的雜質材料。
系統可更包含定位於晶圓20和壓板14周圍的環形法拉第杯80。法拉第杯80可定位於環形屏蔽環82中（下文更詳細描述），且可盡可能地接近晶圓20和壓板14的實際位置定位，且可攔截從等離子體40朝向壓板14加速的正離子樣本。在各種替代實施例中，法拉第杯80可具有相對於晶圓20的其它位置以提供表示注入到晶圓20中的離子電流的測量。法拉第杯80可包含具有面向等離子體40的入口60的導電外殼。
法拉第杯80可電連接到劑量處理器70或其它劑量監測電路。通過入口60進入法拉第杯80的正離子可在連接到法拉第杯80的電路中產生電流。電流指示每單位時間接收到的正離子的數目或離子電流密度。由法拉第杯80接收的離子電流密度可與每單位時間注入在晶圓20中的離子的數目具有固定關係。取決於等離子體40的均勻性和朝向壓板14的離子加速度的均勻性，由法拉第杯80接收的每單位面積的離子電流可等於注入在晶圓20中的每單位面積的離子電流，或等於注入在晶圓20中的每單位面積的離子電流的固定分數。由於法拉第杯80的電流輸出表示注入在晶圓20中的離子電流，因此法拉第杯80可提供注入在晶圓20中的離子劑量的測量。
屏蔽環82可圍繞壓板14且可被偏置以將等離子體鞘延伸超出晶圓20的邊緣。如先前所描述，法拉第杯80可定位於屏蔽環82內靠近晶圓20和壓板14的周邊。屏蔽環82的側壁84可包含在法拉第杯80的入口60上方延伸的水平突起86以在法拉第杯80上方提供窄開口87（在圖2中最佳地繪示）。二次電子可由撞擊法拉第杯80的側壁88的離子產生，且引起法拉第杯80內部的放電。窄開口87可降低法拉第杯80中的電位降，且可改進法拉第杯80中的電子約束。
所述系統可更包含安置在屏蔽環82頂上且與屏蔽環82同心定位的環形覆蓋環90。屏蔽環82和覆蓋環90可在本文中統稱為「屏蔽環組合件」。覆蓋環90可具有等於或幾乎等於屏蔽環82的內徑和外徑的內徑和外徑。覆蓋環90還可具有穿過其形成的環形開口92（在圖2中最佳地繪示）。環形開口92可與由屏蔽環82界定的窄開口87對準，且可具有等於或幾乎等於由屏蔽環82界定的窄開口87的寬度的寬度。因此，覆蓋環90可阻止從等離子體40發出的經加速離子撞擊屏蔽環82，同時允許離子進入法拉第杯80。
現參考圖2，繪示了示出覆蓋環90的片段和屏蔽環82的頂部部分的詳細剖視圖。屏蔽環82可由碳化矽（SiC）形成，此類材料對於所屬領域的一般技術人員來說是熟悉的，作為用於構造屏蔽環的標準材料。覆蓋環90可主要由矽或已知具有較低濺射良率的另一材料形成（如下文更詳細地描述）。如上文所描述，覆蓋環90可防止從等離子體40（參見圖1）發出的經加速離子撞擊屏蔽環82，因此防止碳原子從其中濺射。結果減輕或防止腔室10內的碳污染，且改進在腔室10內執行的注入工藝的質量。
在一些情況下，結晶矽（c-Si）在經受離子轟擊時可能易於「起泡」或發生其它形式的退化。因此，覆蓋環90可由結晶基底層96形成，且可具有適於抵抗此類起泡或退化的絕緣非結晶頂部層98。舉例來說，在本公開的一個非限制性實施例中，頂部層98可由氧化物形成。此類氧化物可熱生長在矽基底層96的頂部表面上，可噴射到結晶基底層96的頂部表面上，或可使用化學氣相沉積（chemical vapor deposition；CVD）或原子層沉積（atomic layer deposition；ALD）沉積到結晶基底層96的頂部表面上。本公開在此方面不受限制。在本公開的另一實施例中，可通過使用任何合適的非晶化工藝非晶化結晶基底層96的頂部來形成絕緣的頂部層98。非晶化工藝可在安裝在屏蔽環82上之前在覆蓋環上執行，或在安裝在屏蔽環82上之後原位執行。本公開在此方面不受限制。在本公開的又另一實施例中，頂部層98可由氮化矽（SiN
x）形成。氮化矽可噴射到結晶基底層96的頂部表面上或可使用化學氣相沉積（CVD）或原子層沉積（ALD）沉積到結晶基底層96的頂部表面上。本公開在此方面不受限制。因此，絕緣非結晶頂部層98可通過在基底層96頂上施加單獨材料層（例如，如在經由噴射施加氧化物或氮化矽的情況下），或通過更改基底層96的頂部部分的組成（例如，如在非晶化的情況下）來形成。
在本公開的各種非限制性實施例中，覆蓋環90的頂部層98可具有如沿著所示出的笛卡爾坐標系的Y軸所測量的在1000埃（angstroms）到2000埃的範圍內的厚度。值得注意的是，如果頂部層98不夠厚，那麼底層矽基底層96將不被充分地保護以免受離子轟擊，且將易於起泡或可能以其他方式過早地退化。相反地，如果頂部層98太厚，那麼其可產生許多不合需要的影響，包含但不限於腔室10內的電壓退化/降、鞘彎曲、充電和電弧放電等。因此，覆蓋環90的頂部層98的特定厚度可根據所執行的注入工藝的能量來定制（即，注入的能量越高，頂部層98的厚度越大）。
覆蓋環90可方便地移除和替換，例如當覆蓋環90「用盡」（即，經蝕刻或退化到無法進一步使用）時，或如果期望覆蓋環由不同材料形成或具有不同厚度的頂部層（絕緣層）。覆蓋環90已在上文描述為主要由矽形成。本公開在此方面不受限制。在替代實施例中，覆蓋環90可由已知具有低濺射良率的各種金屬材料形成。此類金屬材料包含且不限於鈦（Ti）、釔（Y）、氧化釔（Y
2O
3）等。舉例來說，如果晶圓20（圖1）已注入有氮化鈦，那麼覆蓋環90可由鈦形成，因為晶圓20將對來自在後續注入工藝期間從覆蓋環90濺射的鈦的污染較不敏感。
總之，本文中所描述的實施例至少提供以下技術優點。對於第一優點，本實施例的覆蓋環90減少了在離子注入工藝期間從由碳化矽形成的常規屏蔽環濺射蝕刻碳的發生，因此減少了正在處理的晶圓的碳污染。對於第二優點，覆蓋環90可易於替換，且可以相對低的成本實施。
本公開並不將受限於本文中所描述的特定實施例的範圍。實際上，除本文中所描述的那些實施例和對本公開的修改之外，所屬領域的一般技術人員根據前述描述和隨附圖式將顯而易見本公開的其它各種實施例和對本公開的修改。因此，此類其它實施例和修改意圖屬於本公開的範圍。此外，已在用於特定用途的特定環境中的特定實施的上下文中描述本公開。所屬領域的一般技術人員將認識到，有用性不限於此，且本公開可有利地實施於用於多種用途的多種環境中。因此，所記載的發明申請專利範圍應鑒於如本文中所描述的本公開的完全廣度和精神來解釋。
10:腔室
12:封閉體積
14:壓板
20:晶圓
24:射頻電感耦合等離子體源
30:脈衝產生器
32:可控閥/閥
34:真空泵
36:氣體源
38:質量流量控制器
40:等離子體
42:等離子體鞘
44:壓力傳感器
46:控制器
60:入口
70:劑量處理器
80:法拉第杯
82:屏蔽環
84、88:側壁
86:水平突起
87:窄開口
90:覆蓋環
92:環形開口
96:結晶基底層/基底層
98:非結晶頂部層/頂部層
隨附圖式示出本公開的實例方法，包含本公開的原理的實際應用，隨附圖式如下：
圖1為示出根據本公開的示範性實施例的等離子體摻雜系統的橫截面側視圖；
圖2為示出圖1中所繪示的等離子體摻雜系統的屏蔽環和覆蓋環的一部分的詳細剖視圖。
圖式未必按比例繪製。圖式僅為表示，並不意圖描繪本公開的特定參數。圖式意圖描繪本公開的實例實施例，且因此不被視為在範圍上受到限制。在圖式中，相似編號表示相似元件。
10:腔室
12:封閉體積
14:壓板
20:晶圓
24:射頻電感耦合等離子體源
30:脈衝產生器
32:可控閥/閥
34:真空泵
36:氣體源
38:質量流量控制器
40:等離子體
42:等離子體鞘
44:壓力傳感器
46:控制器
60:入口
70:劑量處理器
80:法拉第杯
82:屏蔽環
84、88:側壁
86:水平突起
90:覆蓋環
Claims (20)
- 一種等離子體摻雜系統，包括： 等離子體摻雜腔室； 壓板，安裝在所述等離子體摻雜腔室中以用於支撐工件； 可電離氣體源，耦合到所述等離子體摻雜腔室，可電離氣體含有用於注入到所述工件中的所要摻雜劑； 等離子體源，用於在所述工件附近產生具有等離子體鞘的等離子體，所述等離子體含有所述可電離氣體的正離子，且使所述正離子穿過所述等離子體鞘朝向所述壓板加速以注入到所述工件中； 屏蔽環，圍繞所述壓板且適於將所述等離子體鞘延伸超出所述工件的邊緣；以及 覆蓋環，安置於所述屏蔽環的頂部上且適於減輕所述屏蔽環的濺射。
- 如請求項1所述的等離子體摻雜系統，其中所述覆蓋環由矽形成。
- 如請求項1所述的等離子體摻雜系統，其中所述覆蓋環包括結晶基底層及非結晶頂部層。
- 如請求項3所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層由氧化物形成。
- 如請求項3所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層為所述結晶基底層的非晶化部分。
- 如請求項3所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層具有在1000埃到2000埃的範圍內的厚度。
- 如請求項1所述的等離子體摻雜系統，進一步包括定位於所述壓板周圍的法拉第杯。
- 如請求項7所述的等離子體摻雜系統，其中所述法拉第杯安置於所述屏蔽環內，所述屏蔽環具有形成於其中以允許離子進入所述法拉第杯的開口。
- 如請求項8所述的等離子體摻雜系統，其中覆蓋環具有形成於其中的環形開口，所述環形開口與所述屏蔽環中的所述開口對準。
- 一種等離子體摻雜系統，包括： 等離子體摻雜腔室； 壓板，安裝在所述等離子體摻雜腔室中以用於支撐工件； 可電離氣體源，耦合到所述等離子體摻雜腔室，可電離氣體含有用於注入到所述工件中的所要摻雜劑； 等離子體源，用於在所述工件附近產生具有等離子體鞘的等離子體，所述等離子體含有所述可電離氣體的正離子，且使所述正離子穿過所述等離子體鞘朝向所述壓板加速以注入到所述工件中； 屏蔽環，圍繞所述壓板且適於將所述等離子體鞘延伸超出所述工件的邊緣；以及 覆蓋環，安置於所述屏蔽環的頂部上且適於減輕所述屏蔽環的濺射，其中所述覆蓋環包括結晶基底層及非結晶頂部層。
- 如請求項10所述的等離子體摻雜系統，其中所述覆蓋環由矽形成。
- 如請求項10所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層由氧化物形成。
- 如請求項10所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層為所述結晶基底層的非晶化部分。
- 如請求項10所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層具有在1000埃到2000埃的範圍內的厚度。
- 如請求項10所述的等離子體摻雜系統，進一步包括定位於所述壓板周圍且安置於所述屏蔽環內的法拉第杯，所述屏蔽環具有形成於其中以允許離子進入所述法拉第杯的開口。
- 如請求項15所述的等離子體摻雜系統，其中覆蓋環具有形成於其中的環形開口，所述環形開口與所述屏蔽環中的所述開口對準。
- 一種用於等離子體摻雜系統的屏蔽環組合件，所述屏蔽環組合件包括： 屏蔽環，適於圍繞所述等離子體摻雜系統的壓板且將等離子體鞘延伸超出工件的邊緣；以及 覆蓋環，安置於所述屏蔽環的頂部上且適於減輕所述屏蔽環的濺射，其中所述覆蓋環包括結晶基底層及非結晶頂部層。
- 如請求項17所述的等離子體摻雜系統，其中所述覆蓋環由矽形成。
- 如請求項17所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層由氧化物形成。
- 如請求項17所述的等離子體摻雜系統，其中所述非結晶頂部層為所述結晶基底層的非晶化部分。
Applications Claiming Priority (2)
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| US17/687,620 US20230282451A1 (en) | 2022-03-05 | 2022-03-05 | Cover ring to mitigate carbon contamination in plasma doping chamber |
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| US20050260354A1 (en) * | 2004-05-20 | 2005-11-24 | Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. | In-situ process chamber preparation methods for plasma ion implantation systems |
| CN101847559B (zh) * | 2009-03-25 | 2012-07-04 | 中国科学院微电子研究所 | 一种用于等离子体浸没注入剂量检测的法拉第装置 |
| CN106920725B (zh) * | 2015-12-24 | 2018-10-12 | 中微半导体设备(上海)有限公司 | 一种聚焦环的温度调整装置及方法 |
| US20180040457A1 (en) * | 2016-08-08 | 2018-02-08 | Applied Materials, Inc. | Surface treatment for improvement of particle performance |
| CN112397367B (zh) * | 2020-11-02 | 2024-04-16 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 半导体工艺设备及其法拉第杯 |
-
2022
- 2022-03-05 US US17/687,620 patent/US20230282451A1/en active Pending
-
2023
- 2023-02-14 WO PCT/US2023/013038 patent/WO2023172379A1/en unknown
- 2023-02-24 TW TW112107083A patent/TW202349437A/zh unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023172379A1 (en) | 2023-09-14 |
| US20230282451A1 (en) | 2023-09-07 |
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