TWI428965B - 電漿摻雜設備與共形電漿摻雜方法 - Google Patents
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Description
本發明是關於用於半導體製造之電漿植入製程。
近幾十年來，電漿處理(plasma processing)已廣泛用於半導體以及其他工業中。電漿處理用於諸如清洗(cleaning)、蝕刻(etching)、研磨(milling)以及沈積(deposition)之任務。近年來，電漿處理已用於摻雜。電漿摻雜有時稱作PLAD或電漿浸沒離子植入(plasma immersion ion implantation,PIII)。已對電漿摻雜系統(plasma doping system)進行開發，以便滿足一些現代電子以及光學裝置之摻雜要求。
電漿摻雜系統與習知射束線離子植入系統在根本上不同，所述習知射束線離子植入系統用電場來加速離子，且接著根據離子之質荷比(mass-to-charge ratio)對離子進行過濾，以便選擇所要離子以供植入。反之，電漿摻雜系統將靶材浸沒於含有摻雜劑離子之電漿中，且用一系列負電壓脈衝來偏壓靶材。本文中將術語“靶材”定義為正進行植入之工件，諸如，正進行離子植入之基板或晶圓。靶材上之負偏壓將電子排斥出靶材表面，藉此形成正離子鞘。電漿鞘內之電場將離子朝向靶材加速，藉此將離子植入至靶材表面中。
本發明是關於共形電漿摻雜。本文中將術語“共形摻雜”定義為以大體上保留表面特徵之角度的方式來摻雜平
坦以及非平坦表面特徵。在文獻中，共形摻雜有時指代用令平坦特徵以及非平坦特徵上皆具有均一摻雜輪廓之方式來摻雜平坦特徵以及非平坦特徵。然而，如本文中所定義之共形摻雜可(但未必)在基板之平坦特徵以及非平坦特徵上皆具有均一摻雜輪廓。
根據上述描述，本發明提供一種電漿摻雜設備，包括電漿源、壓板、吸附結構、偏壓電源以及輻射源。電漿源產生脈衝電漿。壓板接近電漿源而支撐基板以供電漿摻雜。吸附結構吸附薄膜，所述薄膜在被解吸附時產生多個中性粒子。偏壓電源具有電連接至壓板之輸出，所述偏壓電源產生偏壓波形，所述偏壓波形具有將電漿中之離子吸引至基板以供電漿摻雜的負電位。輻射源照射吸附在結構上之薄膜，以便解吸附經吸附之薄膜且產生多個中性粒子，所述多個中性粒子在來自電漿之離子被吸引至基板時使離子散射，藉此執行共形電漿摻雜。
另外，本發明進一步提供一種共形電漿摻雜方法。所述方法包括：將基板定位在壓板上；將薄膜吸附在經定位以接近壓板之結構上；接近壓板而產生電漿；將結構上之經吸附之薄膜解吸附，藉此產生多個中性粒子；以及用偏壓波形來偏壓壓板，所述偏壓波形具有將電漿中之離子吸引至基板以供電漿摻雜的負電位，所述多個中性粒子在來自電漿之離子被吸引至基板時使離子散射，藉此執行共形電漿摻雜。
此外，本發明提供一種共形摻雜設備。所述設備包括用於將薄膜吸附在經定位以接近壓板之結構上的構件，所述壓板支撐基板；用於產生含有摻雜劑物質之離子的構件；用於將結構上之經吸附之薄膜解吸附以產生多個中性粒子的構件，所述多個中性粒子使含有摻雜劑物質之離子散射，藉此執行共形摻雜。
在本說明書中提到“一個實施例”或“一實施例”時是指結合所述實施例而描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明之至少一個實施例中。在本說明書中各處出現之短語“在一個實施例中”未必全部指代同一實施例。
應瞭解，只要本發明仍可操作，可以任何次序本發明方法之各個步驟及/或同時執行本發明方法之各個步驟。此外，應瞭解，只要本發明仍可操作，本發明之設備以及方法可包括任何數目或全部所描述之實施例。
現在將參照隨附圖式中所繪示之本發明例示性實施例來更詳細地描述本發明之教示。雖然結合各種實施例以及實例來描述本發明之教示，但並不希望本發明之教示限於此等實施例。反之，熟習此項技術者應瞭解，本發明之教示涵蓋各種替代、修改以及等效物。熟習此項技術者在閱讀本文中之教示後應認識到額外實施方案、修改及實施例以及其他使用領域，所述各者在如本文中所描述之本揭露案的範疇內。舉例而言，雖然結合電漿摻雜來描述本發明，但亦可將用於產生使離子散射之中性粒子(neutral)以增
強共形摻雜的方法以及設備應用於習知射束線離子植入系統。
現在人們正在開發三維裝置結構，以便增加ULSI電路之可用表面積，且將裝置規模擴展至65奈米以下之技術節點。舉例而言，人們正在研究實驗室中開發在DRAM中使用之三維溝槽電容器以及使用垂直通道電晶體之許多類型裝置〔諸如，FinFET(雙閘極或三閘極)〕以及凹入通道陣列電晶體(recessed channel array transistor,RCAT)。這些三維裝置中之許多裝置要求共形摻雜裝置上之不同特徵。另外，許多其他類型之現代電子及光學裝置以及奈米技術微結構要求共形摻雜。
很難用已知離子植入方法來達成共形以及三維植入。特定而言，難以在具有高密度、高間距及/或大的垂直縱橫比的裝置上達成共形或三維植入，所述各種裝置要求很小範圍內之植入角度。
執行共形離子植入之許多已知方法使用多個成角的射束線離子植入步驟來獲得三維植入覆蓋。在此等已知方法中，將靶材以物理形式相對於離子束成多個角度而定位達預定時間，以便執行多個成角植入。執行多個射束線成角植入可顯著減小植入產量，減小倍數等於離子植入之數目。已經成功地將這種共形摻雜方法用於為了研究以及開發目的而製造之一些低密度結構，但用來製造大多數裝置不太實際。
電漿摻雜良好地適用於共形以及三維植入。在電漿摻
雜設備中，正離子鞘在鞘邊界與靶材表面之間產生電場。此電場將離子朝向靶材加速且將離子植入至靶材表面中。共形電漿摻雜可得以實現，這是因為，當鞘厚度小於或等於表面中之波動尺寸時，鞘邊界良好地貼合靶材的表面特徵，所述波動是因離子相對於區域表面構形以直角入射角擊打表面而引起。此現象可用於使用電漿浸沒摻雜來共形地植入大靶材的方法中。然而，使用此現象之方法對於具有密集及/或高縱橫比結構之小靶材並不奏效。
亦可藉由形成使離子/中性粒子在電漿中散射之條件來執行共形電漿摻雜，所述條件導致電漿中離子角度的特定所要分佈。然而，藉由使用離子/中性粒子散射，目前僅可在電漿摻雜系統中形成有限範圍內之離子角度。因為在電漿中發生不當放電(諸如，電弧放電以及微放電)的機率隨著電漿中中性粒子密度的增加而增加，所以離子/中性粒子散射是有限的。另外，隨著中性粒子密度的增加，總的電漿均一性降低。因此，當離子/中性粒子散射達到特定程度時，將存在不當放電以及相對不良之均一性，而所述兩者對於大多數電漿摻雜製程而言將是不可接受的。
藉由使用處於電漿外部之中性粒子源來使離子散射以供離子植入，達成本發明之共形摻雜。在一個實施例中，外部中性粒子源包括吸附劑薄膜層，所述吸附劑薄膜層經定位以與電漿中之離子相互作用，以便使離子散射以供植入。舉例而言，可在正進行植入之靶材上沈積吸附劑薄膜層。又，可在接近靶材之結構上或在處理腔室中之某處沈
積吸附劑薄膜層。
圖1說明執行根據本發明之共形摻雜之電漿摻雜系統100的示意圖。應瞭解，所述電漿摻雜系統100僅是可執行根據本發明之共形摻雜之電漿摻雜系統的許多可能設計中的一種。電漿摻雜系統100包括感應耦合式電漿源101，所述感應耦合式電漿源101具有平面RF線圈以及螺旋RF線圈兩者，且亦具有傳導頂部部分。2004年12月20日申請之名為“具有感應頂部部分之RF電漿源(RF Plasma Source with Conductive Top Section)”的美國專利申請案第10/905,172號中描述了類似之RF感應耦合式電漿源，該案已讓與給本發明之受讓人。美國專利申請案第10/905,172號之完整說明書以引用方式併入本文中。電漿摻雜系統100中所繪示之電漿源101非常適用於電漿摻雜應用，因為所述電漿源101可提供高度均一之離子通量，且所述電漿源亦有效地耗散由二次電子發射(secondary electron emission)所產生之熱量。
更具體而言，電漿摻雜系統100包括電漿腔室(plasma chamber)102，所述電漿腔室102含有由外部氣體源(external gas source)104所供應的處理氣體(process gas)。處理氣體通常含有在稀釋氣體中進行稀釋的摻雜劑物質。經由比例閥(proportional valve)106耦接至電漿腔室102的外部氣體源104將處理氣體供應至腔室102。在一些實施例中，使用氣體導流板(gas baffle)將氣體分散至電漿源101中。使用壓力計(pressure gauge)108來量
測腔室102內部的壓力。腔室102中的排氣口(exhaust port)110耦接至真空泵(vacuum pump)112，所述真空泵112將腔室102排空。排氣閥(exhaust valve)114控制通過排氣口110的排氣流導(exhaust conductance)。
氣體壓力控制器(gas pressure controller)116電連接至比例閥106、壓力計108以及排氣閥114。氣體壓力控制器116通過在回應於壓力計108之反饋迴路中控制排氣流導以及處理氣體流率電漿腔室102中維持所要壓力。用排氣閥114來控制排氣流導。用比例閥106來控制處理氣體流率。
腔室102具有腔室頂部(chamber top)118，所述腔室頂部118包括由在大體水平的方向上延伸之介電材料(dielectric material)形成的第一部分120。腔室頂部118之第二部分122由在大體垂直的方向上自第一部分120延伸某一高度的介電材料形成。在本文中，將第一部分120以及第二部分122統稱作介電窗。應瞭解，腔室頂部118有許多變化形式。舉例而言，如美國專利申請案第10/905,172號中所描述，第一部分120可由在大體彎曲的方向上延伸之介電材料形成，以使得第一部分120與第二部分122並不正交，該案以引用方式併入本文中。在其他實施例中，腔室頂部118僅包括平坦表面。
為了達成特定效能，可選擇第一部分120以及第二部分122的形狀以及尺寸。舉例而言，熟習此項技術者將瞭解，可選擇腔室頂部118之第一部分120以及第二部分122
的尺寸，以便改良電漿之均一性。在一個實施例中，調整第二部分122在垂直方向上之高度相對於第二部分122在水平方向上之長度的比例，以便達成更均一之電漿。舉例而言，在一個特定實施例中，第二部分122在垂直方向上之高度相對於第二部分122在水平方向上之長度的比例在1.5至5.5之範圍內。
第一部分120以及第二部分122中之介電材料提供用於將RF功率自RF天線轉移至腔室102內部之電漿的介質。在一個實施例中，用於形成第一部分120以及第二部分122之介電材料是高純度陶瓷材料，所述高純度陶瓷材料可抵抗處理氣體之化學腐蝕且具有良好熱性質。舉例而言，在一些實施例中，介電材料是99.6%的Al2
O3
或AlN。在其他實施例中，介電材料是Yittria(氧化釔)以及YAG(釔鋁石榴石)。
腔室頂部118之蓋124由在水平方向上延伸第二部分122之長度的傳導材料形成。在許多實施例中，用以形成蓋124之材料的傳導性足夠高，從而可耗散熱負載(heat load)且將二次電子發射所引起之充電效應減到最小。通常，用以形成蓋124之傳導材料可抵抗處理氣體之化學腐蝕。在一些實施例中，傳導材料是鋁(aluminum)或矽(silicon)。
可用由氟碳聚合物形成的抗鹵素O形環(諸如，由Chemrz及/或Kalrex材料形成的O形環)來將蓋124耦接至第二部分122。通常用令第二部分122上之壓縮減到最
小、但提供足以將蓋124密封至第二部分之壓縮的方式，將蓋124安裝至第二部分122。在一些操作模式中，蓋124以RF以及DC形式接地，如圖1中所繪示。另外，在一些實施例中，蓋124包括冷卻系統(cooling system)，所述冷卻系統調節蓋124以及周圍區域的溫度，以便耗散在處理期間所產生的熱負載。冷卻系統可以是流體冷卻系統，所述流體冷卻系統包括蓋124中之用於使來自冷卻劑源之液體冷卻劑循環的冷卻通路。
在一些實施例中，腔室102包括襯套125，所述襯套125經定位以藉由以下方式防止或顯著地減少金屬污染：對電漿腔室102內部提供直線對傳(line-of-site)式屏蔽，以免受電漿中之離子擊打電漿腔室102之內部金屬壁而濺鍍之金屬的污染。在2007年1月16日申請之名為“具有用於減少金屬污染之襯套的電漿源(Plasma Source with Liner for Reducing Metal Contamination)”的美國專利申請案第11,623,739號中描述了此種襯套，該案已讓與給本發明之受讓人。美國專利申請案第11,623,739號之完整說明書以引用方式併入本文中。
在一些實施例中，電漿腔室襯套125包括溫度控制器(temperature controller)127。溫度控制器127足以將襯套之溫度維持在足以吸附薄膜層的相對低之溫度，所述薄膜層根據本發明而在薄膜解吸附期間產生中性粒子。
RF天線經定位以接近腔室頂部118之第一部分120以及第二部分122中的至少一者。圖1中之電漿源101說
明彼此電絕緣的兩個獨立RF天線。然而，在其他實施例中，所述兩個獨立RF天線電連接。在圖1中所繪示之實施例中，具有多匝之平面線圈RF天線126(有時稱作平面天線或水平天線)經定位以相鄰於腔室頂部118之第一部分120。另外，具有多匝之螺旋線圈RF天線128(有時稱作螺旋天線或垂直天線)圍繞腔室頂部118之第二部分122。
在一些實施例中，平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者以電容器129為端點，所述電容器129用於減小有效天線線圈電壓(effective antenna coil voltage)。本文中定義之術語“有效天線線圈電壓”是指代RF天線126、128兩端的電壓降。換言之，有效線圈電壓是“離子所經歷的”電壓或等同於電漿中之離子所經歷的電壓。
又，在一些實施例中，平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者包括介電層(dielectric layer)134，所述介電層134之介電常數與Al2
O3
介電窗材料的介電常數(dielectric constant)相比相對較低。相對較低之介電常數的介電層134有效地形成電容分壓器(capacitive voltage divider)，所述電容分壓器亦減小有效天線線圈電壓。另外，在一些實施例中，平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者包括法拉第(Faraday)屏蔽件136，所述法拉第屏蔽件136亦減小有效天線線圈電壓。
RF源(RF source)130〔諸如，RF電源(RF power supply)〕電連接至平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者。在許多實施例中，RF源130藉由阻抗匹配網路(impedance matching network)132而耦接至RF天線126、128，所述阻抗匹配網路使RF源130之輸出阻抗與RF天線126、128之阻抗匹配，以便最大化自RF源130轉移至RF天線126、128的功率。繪示自阻抗匹配網路132之輸出至平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128的虛線，用以指示可自阻抗匹配網路132之輸出至平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的任一者或兩者進行的電連接。
在一些實施例中，平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者以可用液體冷卻之形式形成。藉由冷卻平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者，可減小RF功率在RF天線126、128中傳播所引起的溫度梯度。螺旋線圈RF天線128可包括分流器129，所述分流器129可減少線圈匝數。
在一些實施例中，電漿源101包括電漿點火器(plasma igniter)138。許多類型之電漿點火器皆可與電漿源101一起使用。在一個實施例中，電漿點火器138包括擊打氣體(strike gas)之儲集器140，所述擊打氣體是諸如氬(argon,Ar)的高度離子化氣體，所述高度離子化氣體輔助電漿的點火。儲集器140藉由高流導氣體連接而耦接至電漿腔室102。猝發閥(burst valve)142將儲集器140與處理腔室
102隔離。在另一實施例中，藉由使用低流導氣體連接，直接將擊打氣體源接至猝發閥142。在一些實施例中，藉由有限流導孔或計量閥來分離儲集器140之一部分，所述有限流導孔或計量閥在初始高流率猝發之後提供穩定流率之擊打氣體。
壓板144定位於處理腔室102中在電漿源101之頂部部分118下方的某高度處。壓板144固持靶材(所述靶材在本文中稱作基板146)以供電漿摻雜。在圖1中所繪示之實施例中，壓板144與電漿源101平行。然而，壓板144亦可相對於電漿源101而傾斜。在一些實施例中，壓板144以機械方式耦接至可移動平台(movable stage)，所述可移動平台在至少一個方向上平移、掃描或振盪基板146。在一個實施例中，可移動平台是用於抖動或振盪基板146之抖動產生器或振盪器。平移、抖動及/或振盪運動可減小或消除遮蔽效應，且可改良用於撞擊基板146之表面之離子束通量的均一性以及共形性。
在許多實施例中，基板146電連接至壓板144。偏壓電源(bias voltage power supply)148電連接至壓板144。偏壓電源148產生用於偏壓壓板144以及基板146之偏壓，以便可自電漿提取電漿中之摻雜劑離子，且使所述摻雜劑離子撞擊基板146。偏壓電源148可以是DC電源(DC power supply)、脈衝電源(pulsed power supply)或RF電源。
在本發明之一個實施例中，電漿摻雜系統100包括溫
度控制器150，所述溫度控制器150用來控制壓板144之溫度以及基板146之溫度。基板146經定位以與壓板144保持良好熱接觸。又，在一個實施例中，使用冷卻式電夾板(Eclamp)151來將基板146緊固至壓板144，且亦使用電夾板151來控制基板146之溫度。溫度控制器150及/或冷卻式電夾板151經設計以將基板146之溫度維持在足以吸附薄膜層146'的相對低之溫度，所述薄膜層146'根據本發明而在薄膜解吸附期間產生中性粒子。
在一些實施例中，將結構154而非靶材或基板146用作中性粒子源。可使用許多類型之結構。舉例而言，結構154可以是如下結構：所述結構由溫度控制器150(或另一溫度控制器)冷卻，且具有經設計以在每單位面積內吸附相對大量原子或分子的表面特徵。舉例而言，結構154可具有用於將薄膜吸附在垂直表面以及水平表面兩者上的多個高縱橫比特徵。在一個實施例中，結構154圍繞靶材或基板146。
又，在一個實施例中，在相對於由偏壓電源148所產生之偏壓脈衝的預定時間，將受控量之氣體(其用於吸附薄膜層146')導向基板146，以便增強薄膜層146'在基板146上之再吸附。在各種實施例中，所述氣體可以是與用於電漿摻雜之氣體源104中之氣體相同的氣體(其包括摻雜劑物質以及稀釋氣體)，或者，所述氣體可以是不同氣體。在一個具體實施例中，由第二外部氣體源156以及朝向基板146及/或結構154導向之噴嘴158來供應獨立的吸
附氣體。閥160控制通過噴嘴158釋放吸附氣體的流率以及時序。
在各種實施例中，噴嘴158可以是單個噴嘴或一群噴嘴。另外，可使用具有獨立氣體源之多個噴嘴。可自多個噴嘴分配一種以上類型之氣體。噴嘴158亦可位於相對於基板146或結構154的多個位置。舉例而言，在一個實施例中，噴嘴158位於基板146或結構154的正上方。又，在一些實施例中，氣體導流板經定位以接近基板146或結構154，以便在接近基板146或結構154處局部地增加吸附氣體之部分壓力。又，在一些實施例中，噴嘴158位於提供用於電漿之電接地的陽極中。
在一些實施例中，偏壓電源148之控制輸出電連接至閥160之控制輸入，以使得由偏壓電源148所產生之脈衝與閥160之操作在時間上同步。在其他實施例中，控制器用來控制偏壓電源148以及閥160兩者之操作，以便在再吸附時間期間在接近基板146或結構154處噴射吸附氣體。通常在電漿摻雜終止時執行再吸附。然而，亦可在電漿摻雜期間執行再吸附。
在本發明之一個實施例中，電漿摻雜系統包括輻射源(radiation source)152，所述輻射源152提供用於快速地解吸附經吸附之薄膜146'的輻射猝發或脈衝。可使用許多類型之輻射源。舉例而言，在各種實施例中，輻射源152可以是光學源，諸如，閃光燈、雷射或發光二級體。又，輻射源152可以是電子束源或X射線源。在一些實施例中，
電漿本身產生輻射。
熟習此項技術者將瞭解，存在可與本發明之特徵一起使用的電漿源101之許多不同之可能變化。舉例而言，請參看2005年4月25日申請之名為“傾斜電漿摻雜(Tilted Plasma Doping)”的美國專利申請案第10/908,009號中對電漿源之描述。亦請參看2005年10月13日申請之名為“共形摻雜設備以及方法(Conformal Doping Apparatus and Method)”的美國專利申請案第11/163,303號中對電漿源之描述。亦請參看2005年10月13日申請之名為“共形摻雜設備以及方法(Conformal Doping Apparatus and Method)”的美國專利申請案第11/163,307號中對電漿源之描述。另外，請參看2006年12月4日申請之名為“具有電可控制式植入角度之電漿摻雜(Plasma Doping with Electronically Controllable implant Angle)”的美國專利申請案第11/566,418號中對電漿源之描述。美國專利申請案第10/908,009號、第11/163,303號、第11/163,307號以及第11/566,418號之完整說明書以引用方式併入本文中。
在操作中，RF源130產生在RF天線126以及128中的至少一者中傳播的RF電流。亦即，平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者是有源天線(active antenna)。本文中將術語“有源天線”定義為由電源直接驅動之天線。在本發明之電漿摻雜設備之一些實施例中，RF源130以脈衝模式操作。然而，RF源亦可以連續模式操作。
在一些實施例中，平面線圈天線126以及螺旋線圈天線128中的一者是寄生天線(parasitic antenna)。本文中將術語“寄生天線”定義為與有源天線電磁通信、但不直接連接至電源之天線。換言之，寄生天線不由電源直接激發，而是由經定位以與寄生天線電磁通信之有源天線激發。在圖1中所繪示之實施例中，有源天線是平面線圈天線126以及螺旋線圈天線128中由RF源130驅動的天線。在本發明之一些實施例中，寄生天線的一端電連接至接地電位，以便提供天線調諧能力。在此實施例中，寄生天線包括線圈調整器129，所述線圈調整器129用以改變寄生天線線圈之有效匝數。可使用許多不同類型之線圈調整器，諸如，金屬短桿(metal short)。
RF天線126、128中之RF電流接著將RF電流誘導至腔室102中。腔室102中之RF電流激發並離子化處理氣體，以便在腔室102中產生電漿。電漿腔室襯套125屏蔽由電漿中之離子所濺鍍之金屬以免所述金屬到達基板146。
偏壓電源148用負電壓來偏壓基板146，所述負電壓將電漿中之離子朝向基板146吸引。在負電壓脈衝期間，電漿鞘內之電場將離子朝向基板146加速，藉此將離子植入至基板146之表面中。
使用如下製程來增強電漿摻雜之共形性：吸附薄膜層且接著快速地解吸附所述薄膜層，借此產生使離子散射之中性粒子以供離子植入。可使用許多不同類型之外部中性
粒子源。在一個實施例中，基板146本身是中性粒子源。在此實施例中，由溫度控制器150將基板146冷卻至吸附一層146'原子或分子之溫度。舉例而言，可由溫度控制器150冷卻基板146，以使所述基板146吸附一層摻雜劑物質或一層稀釋氣體中的至少一者，所述摻雜劑物質或所述稀釋氣體存在於由外部氣體源104所供應之處理氣體中。舉例而言，使用諸如AsH3
或B2
H6
之摻雜劑物質。
或者，可在將基板146裝載至電漿摻雜系統100中之前預冷卻基板146，以使得基板146吸附氣體分子。然而，若在裝載之前預冷卻基板146，則必須注意以確保僅吸附不干擾摻雜製程之原子以及分子。在一個實施例中，在存在用於離子植入之摻雜劑物質或稀釋氣體之情況下預冷卻基板146，以便在基板146之表面上僅吸附一層摻雜劑物質及/或一層稀釋氣體。
在其他實施例中，將結構154而非靶材或基板146用作中性粒子源。可使用許多類型之結構。舉例而言，結構154可以是如下結構：具有經設計以在每單位面積內吸附相對大量原子或分子的表面特徵。在一些實施例中，由溫度控制器150冷卻結構154。或者，可使用獨立溫度控制器。在其他實施例中，在將結構154插入電漿摻雜系統100中之前預冷卻結構154。在此等實施例中，在僅吸附不干擾摻雜製程之原子以及分子之環境下預冷卻結構154。舉例而言，可在存在用於離子植入之摻雜劑物質或稀釋氣體之情況下預冷卻結構154，以便在基板146之表面上僅吸
附一層摻雜劑物質及/或一層稀釋氣體。
在一些實施例中，將吸附氣體自噴嘴158噴射至腔室102中且導向基板146，以便增強薄膜層146'在基板146上之再吸附。吸附氣體可以是與用於電漿摻雜之氣體源104中之摻雜劑氣體相同的氣體，或者可以是當暴露至由輻射源152所產生之輻射時產生中性粒子且不干擾電漿摻雜製程的另一氣體。
在一些實施例中，偏壓電源148將電信號發送至閥160，所述電信號使閥160之操作與偏壓脈衝之產生在時間上同步。在其他實施例中，控制器將電信號發送至閥160與偏壓電源148兩者，所述電信號使閥160之操作與偏壓脈衝之產生在時間上同步。舉例而言，控制器或偏壓電源148可將用於打開閥160之信號發送至閥160，以使得當電漿摻雜終止時之再吸附時間期間，在接近基板146或結構154處噴射吸附氣體。
接著藉由暴露至輻射源152而解吸附經吸附之薄膜層146'。在許多實施例中，快速地解吸附經吸附之薄膜146'。在一個實施例中，藉由暴露至光學輻射源(諸如，閃光燈、雷射及/或發光二級體)而解吸附經吸附之薄膜層146'。舉例而言，可使用用於發射可見光及/或紫外光的閃光燈來快速地解吸附經吸附之薄膜層146'。在一些實施例中，由電漿源101所產生之電漿是輻射源。在此等實施例中，藉由暴露至由電漿源101所產生之電漿而解吸附經吸附之薄膜層146'。舉例而言，電漿源101可產生脈衝電漿，所述脈
衝電漿具有經選擇以快速地解吸附經吸附之薄膜層146'的參數。
接著，所得經解吸附之氣體原子及/或分子提供局部高中性粒子密度，所述局部高中性粒子密度使由電漿所產生之被吸引至基板146之離子散射，以便達成更共形之植入。引入局部高中性粒子密度將不會顯著增加電漿源101中之整體壓力，且因此將不會引入任何顯著之不當放電，且/或將不會引起電漿摻雜均一性之顯著降低。
在其他實施例中，使用其他類型之輻射源來解吸附經吸附之薄膜層146'。舉例而言，在本發明之一個實施例中，使用電子束源來產生電子束，所述電子束導向經吸附之薄膜層146'。電子束快速地解吸附經吸附之薄膜層146'。接著，經解吸附之氣體原子及/或分子提供局部高中性粒子密度，所述局部高中性粒子密度使來自電漿之被吸引至基板146之離子散射，以便達成更共形之離子植入。
在本發明之又一實施例中，使用X射線源來產生X射線束，所述X射線束導向經吸附之薄膜層146'。X射線束快速地解吸附經吸附之薄膜層146'。接著，經解吸附之氣體原子及/或分子提供局部高中性粒子密度，所述局部高中性粒子密度使來自電漿之被吸引至基板146之離子散射，以便達成更共形之植入。
圖2A至圖2C呈現時序圖，所述時序圖說明電漿之產生以及自外部源(即，除電漿以外之源)產生中性粒子，以供執行根據本發明之共形電漿摻雜。在本發明之一個實
施例中，在共形電漿摻雜期間，電漿源101以脈衝操作模式操作。圖2A說明適用於根據本發明之電漿摻雜的脈衝RF波形200。在RF脈衝202起始之前，脈衝RF波形200處於接地電位。RF脈衝202具有等於PRF
204之功率位準，所述功率位準經選擇以適用於電漿摻雜。在脈衝週期TP
206之後，RF脈衝202終止，且接著返回至接地電位。脈衝RF波形200接著以某一工作週期週期性地重複，所述工作週期取決於所要電漿製程參數以及用以產生中性粒子之經吸附之薄膜層146'的再吸附率。
圖2B說明由偏壓源(bias voltage supply)148產生之偏壓波形(bias voltage waveform)250，所述偏壓源148在偏壓週期TBias
256期間將具有電壓254之負電壓脈衝252施加至基板146以便執行電漿摻雜。負電壓254將電漿中之離子吸引至基板146。偏壓週期TBias
256可與脈衝RF波形200之脈衝週期TP
206同步，以便僅在偏壓週期TBias
256期間激勵電漿。偏壓波形250接著以某一工作週期週期性地重複，所述工作週期取決於所要電漿製程參數以及用以產生中性粒子之經吸附之薄膜層146'的再吸附率。
在各種實施例中，選擇偏壓波形250之脈衝頻率以及工作週期兩者，以便存在足夠時間在基板146或結構154上發生薄膜146'的再吸附。舉例而言，在一個實施例中，選擇偏壓波形250之脈衝頻率以及工作週期，以便在各個脈衝之間發生足夠再吸附。在其他實施例中，偏壓波形250
包括具有預定數目之脈衝的脈衝串，以及脈衝串之間的具有預定時間之延遲，其中所述延遲足夠用於在基板146或結構154上發生薄膜146'的再吸附。舉例而言，在一個實施例中，偏壓波形250具有包括100至1,000個脈衝的脈衝串以及脈衝串之間的在毫秒範圍內的延遲，使用所述偏壓波形250來產生足夠中性粒子以供共形電漿摻雜。
圖2C說明根據本發明之輻射源152之強度I 282之波形280，所述輻射源152解吸附經吸附之薄膜層146'以產生中性粒子。在圖2C中所繪示之實施例中，在RF脈衝202之波至時間(onset)，快速地脈衝啟動輻射源152之強度I 282。應瞭解，在各種其他實施例中，可較緩慢地起始輻射源152之強度I 282。又，在圖2C中所繪示之實施例中，輻射週期TR
284是脈衝週期TP
206以及偏壓週期TBias
256之一部分。亦應瞭解，在各種實施例中，輻射週期TR
284之長度可與脈衝週期TP
206及/或偏壓週期TBias
256相同，乃至比TP
206及/或偏壓週期TBias
256長。輻射週期TR
284之所要長度與薄膜146'之再吸附率相關且與強度I 282相關。
輻射源152可與偏壓電源148同步，所述偏壓電源148用負電壓脈衝252來偏壓基板146，所述負電壓脈衝252將電漿中之離子朝向基板146吸引。舉例而言，輻射源152可與偏壓電源148同步，以使得輻射源恰好在負電壓脈衝252之前或與負電壓脈衝252同時提供輻射猝發，所述負電壓脈衝252將離子吸引至基板146以供共形電漿摻雜。
選擇脈衝RF波形200之工作週期，以使得經吸附之薄膜層146'在負電壓脈衝252之間充分地再吸附。
熟習此項技術者將瞭解，用於共形摻雜之本發明亦可與習知射束線離子植入系統一起使用。射束線離子植入系統在此項技術中是眾所周知的。可使用此等系統中之靶材或基板來如本文中所描述而吸附薄膜。或者，可使用一結構(諸如，結合圖1而描述之結構154)來根據本發明而吸附薄膜。可接著使用輻射源來解吸附經吸附之薄膜以如本文中所描述而產生中性粒子。所述中性粒子使來自離子束之離子散射，藉此植入更共形之離子植入輪廓。
等效物
雖然結合各種實施例以及實例來描述本發明之教示，但並不希望本發明之教示限於此等實施例。相反，熟習此項技術者應瞭解，本發明之教示涵蓋在不脫離本發明之精神以及範疇的情況下可對本發明進行的各種替代、修改以及等效物。
100‧‧‧電漿摻雜系統
101‧‧‧感應耦合式電漿源
102‧‧‧電漿腔室
104‧‧‧外部氣體源
106‧‧‧比例閥
108‧‧‧壓力計
110‧‧‧排氣口
112‧‧‧真空泵
114‧‧‧排氣閥
116‧‧‧氣體壓力控制器
118‧‧‧腔室頂部
120‧‧‧腔室頂部第一部分
122‧‧‧腔室頂部第二部分
124‧‧‧腔室頂部蓋
125‧‧‧襯套
126‧‧‧平面線圈RF天線
127‧‧‧溫度控制器
128‧‧‧螺旋線圈RF天線
129‧‧‧電容器
130‧‧‧RF源
132‧‧‧阻抗匹配網路
134‧‧‧介電層
136‧‧‧法拉第屏蔽件
138‧‧‧電漿點火器
140‧‧‧儲集器
142‧‧‧猝發閥
144‧‧‧壓板
146‧‧‧基板
146'‧‧‧薄膜層
148‧‧‧偏壓電源
150‧‧‧溫度控制器
151‧‧‧電夾板
152‧‧‧輻射源
154‧‧‧結構
156‧‧‧第二外部氣體源
158‧‧‧噴嘴
160‧‧‧閥
200‧‧‧脈衝RF波形
202‧‧‧RF脈衝
204‧‧‧PRF
206‧‧‧脈衝週期TP
250‧‧‧偏壓波形
252‧‧‧負電壓脈衝
254‧‧‧電壓(負電壓)
256‧‧‧偏壓週期TBias
280‧‧‧強度I 282之波形
282‧‧‧強度I
284‧‧‧輻射週期TR
圖1說明執行根據本發明實施例之共形摻雜之電漿摻雜系統的示意圖。
圖2A說明適用於根據本發明實施例之電漿摻雜的脈衝RF波形。
圖2B說明由偏壓源產生之偏壓波形，所述偏壓源在偏壓週期期間將負電壓施加至基板以便執行電漿摻雜。
圖2C說明由輻射源產生之強度波形，所述輻射源根
據本發明實施例而解吸附經吸附之薄膜層以產生中性粒子。
100‧‧‧電漿摻雜系統
101‧‧‧感應耦合式電漿源
102‧‧‧電漿腔室
104‧‧‧外部氣體源
106‧‧‧比例閥
108‧‧‧壓力計
110‧‧‧排氣口
112‧‧‧真空泵
114‧‧‧排氣閥
116‧‧‧氣體壓力控制器
118‧‧‧腔室頂部
120‧‧‧腔室頂部第一部分
122‧‧‧腔室頂部第二部分
124‧‧‧腔室頂部蓋
125‧‧‧襯套
126‧‧‧平面線圈RF天線
127‧‧‧溫度控制器
128‧‧‧螺旋線圈RF天線
129‧‧‧電容器
130‧‧‧RF源
132‧‧‧阻抗匹配網路
134‧‧‧介電層
136‧‧‧法拉第屏蔽件
138‧‧‧電漿點火器
140‧‧‧儲集器
142‧‧‧猝發閥
144‧‧‧壓板
146‧‧‧基板
146'‧‧‧薄膜層
148‧‧‧偏壓電源
150‧‧‧溫度控制器
151‧‧‧電夾板
152‧‧‧輻射源
154‧‧‧結構
156‧‧‧第二外部氣體源
158‧‧‧噴嘴
160‧‧‧閥
Claims (22)
- 一種電漿摻雜設備，包括：a.電漿源，其產生脈衝電漿；b.壓板，其接近所述電漿源而支撐基板以供電漿摻雜；c.薄膜，所述薄膜形成在所述基板以及在被解吸附時產生多個中性粒子；d.偏壓電源，其具有電連接至所述壓板之輸出，所述偏壓電源產生偏壓波形，在偏壓週期的期間所述偏壓波形具有負電位以將所述電漿中之離子吸引至所述基板以供電漿摻雜；以及e.光學輻射源，除了所述脈衝電漿以外，所述光學輻射源朝向形成在所述基板上之所述薄膜，以在輻射週期的期間從所述光學輻射源用光學輻射照射所述薄膜，解吸附所述薄膜，且產生在所述薄膜中含有至少一物質的所述多個中性粒子，其中所述偏壓週期長於所述輻射週期，使得所述輻射週期是所述偏壓週期之一部分，且在來自所述電漿之所述離子被吸引至所述基板時，所述多個中性粒子使所述離子散射，藉此執行共形電漿摻雜。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿摻雜設備，更包括溫度控制器，所述溫度控制器將所述基板之溫度改變至增強所述薄膜之形成的溫度。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿摻雜設備，更包括噴嘴，所述噴嘴接近所述基板而噴射氣體。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿摻雜設備，其中 所述光學輻射源包括閃光燈、雷射以及發光二極體中的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿摻雜設備，其中所述光學輻射源包括X射線光學輻射源。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿摻雜設備，其中所述光學輻射源產生輻射猝發，所述輻射猝發快速地解吸附所述薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿摻雜設備，其中藉由解吸附所述薄膜而產生之所述中性粒子接近所述基板而提供局部高中性粒子密度，所述局部高中性粒子密度不會顯著地降低摻雜均一性。
- 一種共形電漿摻雜方法，包括：a.將基板定位在壓板上；b.將薄膜形成在所述基板上；c.接近所述壓板而產生電漿；d.除了所述電漿以外，將光學輻射源引導朝向形成在所述基板上之所述薄膜，並且在輻射週期的期間從所述光學輻射源用光學輻射照射所述薄膜，解吸附所述基板上之所述薄膜，且產生在所述薄膜中含有至少一物質的多個中性粒子；e.在偏壓週期的期間用偏壓波形來偏壓所述壓板，所述偏壓波形具有將所述電漿中之離子吸引至所述基板以供電漿摻雜的負電位，其中所述偏壓週期長於所述輻射週期，使得所述輻射週期是所述偏壓週期之一部分；以及 f.在來自所述電漿之所述離子被吸引至所述基板時，使所述離子隨著所述多個中性粒子而散射，且執行共形電漿摻雜。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中照射所述基板上之所述薄膜的步驟包括產生輻射猝發，所述輻射猝發快速地解吸附所述薄膜。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中所述照射所述基板上之所述薄膜包括用X射線輻射來照射所述薄膜。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中解吸附所述薄膜以及用具有所述負電位之所述偏壓波形來偏壓所述壓板在時間上實質上同時地發生。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中解吸附所述薄膜以及用具有所述負電位之所述偏壓波形來偏壓所述壓板在時間上同步。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中將所述薄膜形成在所述基板上的步驟包括將所述基板之溫度控制至增強所述薄膜的形成的溫度。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中將所述薄膜形成在所述基板上的步驟包括在將所述基板定位在所述壓板上之前將所述薄膜形成在所述基板上。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中將所述薄膜形成在所述基板上的步驟包括接近所 述基板而噴射氣體。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中產生所述多個中性粒子的步驟包括接近所述基板而提供局部高中性粒子密度，所述局部高中性粒子密度不會顯著地降低摻雜均一性。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中從所述光學輻射源用所述光學輻射照射所述薄膜的步驟包括用光學輻射脈衝照射所述薄膜，其中用具有所述負電位的所述偏壓波形來偏壓所述壓板的步驟包括用負電位脈衝偏壓所述壓板，以及其中在施加所述負電位脈衝至所述壓板時施加所述光學輻射脈衝。
- 如申請專利範圍第17項所述之共形電漿摻雜方法，其中所述光學輻射脈衝具有光學輻射脈衝寬度，其中所述負電位脈衝具有負電位脈衝寬度，以及其中所述負電位脈衝寬度大於所述光學輻射脈衝寬度。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，更包括：在所述基板的附近提供氣體，以在所述基板上形成所述薄膜，其中所述氣體包含選自包含摻雜物質和惰性物質的集合中的至少一物質，且其中所述薄膜包括選自包含摻雜物質和惰性物質的所述集合中的至少一物質。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中在脈衝週期的期間執行產生所述電漿的步驟，以及其中電漿產生週期長於所述輻射週期。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中所述偏壓週期和所述輻射週期同步，使得所述偏壓週期之前開始所述輻射週期。
- 如申請專利範圍第8項所述之共形電漿摻雜方法，其中所述偏壓週期和所述輻射週期同步，使得所述輻射週期和所述偏壓週期同時地開始。
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