TWI430321B - 藉由氣體團簇離子束處理方式修正材料層之方法 - Google Patents

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Description

藉由氣體團簇離子束處理方式修正材料層之方法
本發明係關於利用氣體團簇離子束(GCIB，gas cluster ion beam)修正材料層之方法。
氣體團簇離子束(GCIB)被使用於薄膜的蝕刻、清潔、平坦化以及形成。於本文中討論之氣體團簇係在標準溫度和壓力條件下為氣態的材料之奈米尺寸的聚集體。這樣的氣體團簇可由包含數個到數千個(或更多)鬆散地結合在一起的分子之聚集體所構成。利用電子撞擊可使氣體團簇游離，此舉使得氣體團簇被形成為可控制能量的定向射束。一般來說，這樣的團簇離子各帶有正電荷，其大小係由電子電荷的強度與大於或等於1之整數(代表團簇離子之電荷狀態)的乘積來決定。
較大尺寸的團簇離子通常是最有用的，因為每個團簇離子能夠帶有許多能量，儘管各別分子僅具有中等能量。在撞擊到基板時，離子團簇會碎裂。在已碎裂的特定離子團簇中之各別分子只帶有總團簇能量其中的一小部份。因此，雖然大離子團簇的撞擊影響是很大的，但被限制在非常淺的表面區域。這使得氣體團簇離子可有效地被用於各種的表面修飾處理，而不容易產生較深層的次表面損傷(為習知離子束處理的特性)。
習知的團簇離子源所產生的團簇離子具有寬廣的尺寸分佈，在每一個團簇中，分子的數目可達到數千個分子。在高壓氣體從噴嘴進入到真空的絕熱膨脹期間，藉由個別氣體原子(或分子)的凝聚可形成原子團簇。小孔徑的分離器將偏離膨脹氣流中心的射束加以去除，以產生準直的團簇射束。各種尺寸的中性團簇被產生，且藉由微弱的原子間力(被稱為凡得瓦力)連結在一起。這種方法已經被使用來從各種氣體產生團簇射束，例如氦、氖、氬、氪、氙、氮氣、氧氣、二氧化碳、六氟化硫、一氧化氮、氧化亞氮、以及這些氣體的混合物。
用於達工業規模之基板的GCIB處理的數個新興應用是在半導體領域。僅管基板的GCIB處理被施行在多種製程中，然而許多製程仍無法提供對於承受GCIB處理之表面、結構、及/或薄膜之材料特性的適當控制。
本發明係關於一種利用氣體團簇離子束(GCIB)修正材料層之方法。本發明係更關於一種利用GCIB調整存在於材料層中之物種濃度的方法。存在於材料層中之物種濃度的調整可包含增加或減少此存在於材料層中之物種的濃度。
根據一實施例，說明一種基板上之材料層之修正方法。此方法包含形成材料層於基板上。然後，此方法更包含：建立氣體團簇離子束(GCIB)，其中此氣體團簇離子束具有範圍為由每原子約0.25 eV至每原子約100 eV之每原子比能量；以及藉由暴露材料層於包含一物種之GCIB，以將存在於材料層中之此物種的初始濃度修正至最終濃度。
在數個實施例中，揭露一種利用氣體團簇離子束(GCIB)修正基板上之材料層之方法與系統。然而，熟悉此相關技藝者應當了解，即使缺少一個以上的特定細節、或利用其它替代物及/或額外的方法、材料、或構件，這些各種實施例仍然可以被實施。在其它情況中，並未詳細地描述或顯示已熟知之結構、材料、或操作，以避免混淆本發明之各個實施例的態樣。類似地，為達解釋之目的，係提出特定之數目、材料、和結構以提供對於本發明之徹底理解。然而，即使缺少這些特定細節，本發明仍然可以被實施。此外，吾人應當了解，圖式中所顯示的各個實施例係說明性的圖像，其並未按照比例繪製。
在發明說明及申請專利範圍中，使用了用語「耦合」和「連接」以及其衍生詞。吾人應當了解，這些用語彼此間並非被當做同義字。確切地說，在特定實施例中，「連接」可用於表示兩個以上的元件彼此直接物理或電接觸，而「耦合」則可更表示兩個以上的元件彼此並未直接接觸，但仍然彼此合作或互相作用。
在整個說明書中所提到的「一實施例」或「實施例」係表示，與實施例有關之所述特定的特徵、結構、材料、或性質包含在本發明的至少一實施例中，但並不表示它們存在於每一個實施例中。因此，在整個說明書中不同地方所出現的「在一實施例中」或「在實施例中」詞組並不必然表示本發明的相同實施例。此外，特定的特徵、結構、材料、或性質可以任何合適的方式結合於一個以上的實施例中。在其它實施例中，可包含各種額外的層及/或結構以及/或可省略所述的特徵。
如上述，利用GCIB在基板表面上修正材料層或其結構有其普遍的需求。尤其是，有需要修正基板上之材料層，同時提供承受GCIB處理之表面、結構、及/或薄膜之材料特性和/或尺寸的適當控制。例如，可使未存在於或已存在於材料層中之特定物種呈現不足或者是過剩的材料層，經過包含此物種之GCIB處理，以調整(即增加或減少)在材料層中此物種的濃度。另外，材料層可經過GCIB處理，以促進薄膜之光學、熱、化學以及/或電子性質的修正，例如折射率、熱導率、熱安定性、介電常數、功函數以及，例如，對於各種蝕刻化學品之化學耐受性等等。
現參照圖式，其中，相似參考標號表示遍及數個圖式的對應零件。根據一實施例，基板上之材料層之修正方法被描述在圖1中。此方法包含流程圖1，其開始於形成材料層於基板上之步驟10。此材料層可利用任何習知之技術形成，包含但不限定於薄膜旋轉塗佈技術和薄膜氣相沈積技術。
材料層可包含導電、絕緣或是半導體材料。材料層可包含矽、或金屬、或兩者皆有。材料層可包含氧化物，其中存在於此材料層之物種包含氧。例如，此氧化物可包含氧化矽(SiOx )、氮氧化矽(silicon oxynitride，SiOx Ny )、金屬矽酸鹽(metal silicate，MSiOx )、金屬氮氧化矽(metal silicon oxynitride，MSiOx Ny )、或是金屬氧化物(MOx )。材料層可包含氮化物，其中存在於此材料層之物種包含氮。例如，此氮化物可包含氮化矽(SiNy )、氮氧化矽(SiOx Ny )、氮化硼(BNy )、金屬氮氧化矽(MSiOx Ny )、金屬氮化矽(MSiNy )、金屬氮化物(MNy )。材料層可包含碳化物，其中存在於此材料層之物種包含碳。例如，此碳化物可包含碳化矽(SiCy )、碳氧化矽(silicon oxycarbide，SiOx Cy )、碳氮化矽(silicon carbonitride、SiCx Ny )、碳氮氧化矽(silicon oxycarbonitride，SiOx Cy Nz )、金屬碳化物(MCy )、金屬碳氮化物(metal carbonitride，MCx Ny )、或金屬碳氮氧化物(metal oxycarbonitride，MOx Cy Nz )。另外，材料層可包含HfO2 、HfSix Oy 、ZrO2 、ZrSix Oy 、TiO2 、Ta2 O5 、稀土族氧化物、混合稀土族氧化物、稀土族氮化物、混合稀土族氮化物、稀土族氮氧化物、混合稀土族氮氧化物、氧化鋁、氮化鋁、稀土族氧化鋁、混合稀土族氧化鋁、稀土族氮化鋁、混合稀土族氮化鋁、稀土族氮氧化鋁、或混合稀土族氮氧化鋁。
然後，在步驟20中，建立具有範圍為由每原子約0.25 eV至每原子約100 eV之每原子比能量之GCIB。或者，建立具有範圍為由每原子約0.25 eV至每原子約10 eV之每原子比能量之GCIB。又或者，建立具有範圍為由每原子約1 eV至每原子約10 eV之每原子比能量之GCIB。GCIB可在GCIB處理系統中被形成，例如敘述於下文之圖4、5或6中之任一個GCIB處理系統(100、100'或100")，或其任何組合。
包含材料層之基板被提供在GCIB處理系統中之減壓環境。基板可被放置在基板支座上並可被基板支座牢固地固持。基板的溫度可加以控制或不加以控制。例如，在膜形成處理過程中，基板可被加熱或冷卻。環繞基板的環境被維持在減壓下。
GCIB於減壓環境中產生，並且可由經加壓之氣體混合物產生。經加壓之氣體混合物可使用包含一個以上氣體之材料來源，所述氣體包含選自於由He、Ne、Ar、Kr、Xe、B、C、Si、Ge、N、P、As、O、S、F以及Cl所組成之群組的元素。例如，此材料來源包含SiH4 、Si2 H6 、SiH2 Cl2 、SiCl3 H、甲矽烷(methylsilane)、二甲矽烷(dimethylsilane)、三甲矽烷(trimethylsilane)、四甲矽烷(tetramethylsilane)、乙矽烷(ethylsilane)、二乙矽烷(diethylsilane)、三乙矽烷(triethylsilane)、四乙矽烷(tetraethylsilane)、SiCl4 、SiF4 、GeH4 、Ge2 H6 、GeH2 Cl2 、GeCl3 H、甲基鍺(methylgermane)、二甲基鍺(dimethylgermane)、三甲基鍺(trimethylgermane)、四甲基鍺(tetramethylgermane)、乙基鍺(ethylgermane)、二乙基鍺(diethylgermane)、三乙基鍺(triethylgermane)、四乙基鍺(tetraethylgermane)、GeCl4 、GeF4 、N2 、H2 、O2 、NO、NO2 、N2 O、NH3 、NF3 、HCl、SF6 、CO、CO2 、C2 H4 、CH4 、C2 H2 、C2 H6 、C3 H4 、C3 H6 、C3 H8 、C4 H6 、C4 H8 、C4 H10 、C5 H8 、C5 H10 、C6 H6 、C6 H10 、C6 H12 、BF3 、B2 H6 、AsH3 、AsF5 、PH3 、PF3 、PCl3 、或PF5 、或前述兩種以上之任意組合。
再者，經加壓之氣體混合物可包含非必須的惰性氣體。此非必須的惰性氣體可包含鈍氣。
可選擇射束加速電位、射束劑量、以及/或團簇大小。可選擇射束加速電位、射束劑量、以及/或團簇大小，以於一個以上之材料層中達成預先指定的特性。例如，可調整射束加速電位、團簇大小、以及/或射束劑量以改變材料層之材料特性，即如下文所敘述者，改變材料層內一個以上物種之濃度、材料層內一個以上物種之濃度輪廓、或是材料層內一個以上物種之深度、或其任意組合。射束加速電位之範圍可達100 kV；團簇大小之範圍可達數萬個原子；以及射束劑量之範圍可達每平方公分約1x1016 個團簇。例如，射束加速電位可被用以修正於材料層內一個以上物種之深度，換言之，增加射束加速電位可增加此深度，而減少射束加速電位可減少此深度。另外，例如，射束劑量可被用以修正於材料層內一個以上物種之濃度，即增加射束劑量可增加此最終濃度，而減少射束劑量可減少此最終濃度。GCIB係依照射束加速電位被加速，而基板係依照射束劑量被暴露於GCIB。
於此，射束劑量被賦予每單位面積之團簇數目之單位。然而，射束劑量亦可包含射束電流和/或時間(例如，GCIB照射(dwell)時間)。例如，射束電流可被量測及維持為常數，而藉由變化時間來改變射束劑量。或者，例如，每單位面積團簇撞擊基板表面的速率(即單位時間內單位面積之團簇數目)可以保持常數，而藉由變化時間來改變射束劑量。
本案發明人已發現：用於GCIB處理之能量範圍，特別是每原子比能量範圍，係修正材料層以及修正材料層以調整存在於材料層中之一種以上物種的濃度之最佳能量範圍。例如，每原子比能量範圍可為由每原子約0.25 eV至每原子約100 eV。或者，例如，每原子比能量範圍可為由每原子約0.25 eV至每原子約10 eV。又或者，例如，每原子比能量範圍可為由每原子約1 eV至每原子約10 eV。每原子比能量可被用來調整存在於材料層中之一種以上物種的濃度，以及/或存在於材料層中之一種以上物種的深度。例如，當減少每原子比能量，經調整之深度可隨之減少。或者，當增加每原子比能量，經調整之深度可隨之增加。
欲建立具有所需之每原子比能量的GCIB可包含對射束加速電位、GCIB形成所需之停滯壓力(stagnation pressure)、或氣體流率、或其任何組合的選擇。射束加速電位可被用以增加或減少射束能量或每離子團簇之能量。例如，射束加速電位的增加可造成最大射束能量的增加，並且因此造成對於既定團簇大小的每原子比能量增加。此外，停滯壓力可被用以增加或減少既定團簇的團簇大小。例如圖2所示，於GCIB形成期間，停滯壓力的增加會造成團簇大小(即每團簇之原子數目)的增加，並且因此造成對於既定之射束加速電位的每原子比能量減少。
參照圖2，對於既定之噴嘴設計，GCIB中之團簇大小的分佈係在GCIB處理系統中之噴嘴入口(例如，圖4至圖6中的噴嘴110)處的(總)停滯壓力之函數。對於Ar GCIB，使用飛行時間法(time of flight method)測量團簇大小的分佈。其中，團簇總數被紀錄為質量之函數，其與每團簇之原子數目相關。如圖2所示，於各個分佈中之最高的團簇大小係隨著停滯壓力的增加而增加。
此外，可變化其他GCIB性質來調整材料層的修正，這些性質包含但不限於：射束能量分佈、團簇大小分佈、或氣體噴嘴設計(例如噴嘴入口直徑、噴嘴長度、及/或噴嘴分歧部半角度(nozzle divergent section half-angle))。
在步驟30中，藉由暴露材料層於包含一物種之GCIB，以修正存在於材料層中之此物種的初始濃度至最終濃度。於此，材料層之修正可包含調整存在於材料層中之原子或分子物種的濃度。可在材料層內一個以上的次級層或區域使用一次以上的GCIB處理，來調整存在於材料層中之原子或分子物種的濃度。例如，可使用一次以上的GCIB處理，來調整存在於材料層中之原子或分子物種的濃度輪廓。在如圖3A所示之一實施例中，存在於材料層中之不同深度(z)之物種(S)的濃度(C)經一次以上的GCIB處理而增加(S→ S’)。在如圖3B所示之另一實施例中，存在於材料層中之不同深度(z)之物種(S)的濃度(C)經一次以上的GCIB處理而減少。在又一實施例中，經一次以上的GCIB處理，存在於材料層中之第一物種的濃度增加，而存在於材料層中之第二物種的濃度減少，例如，對於超過一種待改變之物種，結合如圖3A和3B中之例示。
在另一實施例中，修正存在於材料層中之第一物種的濃度，並且引入第二物種至材料層。
根據一實施例，可調整於材料層之物種的初始濃度，使得此物種之最終濃度可提供此物種與材料層中之其它物種間的實質化學計量關係。根據另一實施例，可增加含矽和/或含金屬材料層中的氧和/或氮含量。根據又一實施例，可增加含矽和/或含金屬材料層中的氧和/或氮含量，同時減少含矽和/或含金屬材料層中的氟含量。
除了修正材料層中之一個以上的特性，待處理之材料層可施以前處理或後處理。例如，於前述之修正處理步驟之前或之後，可使材料層接受GCIB處理(例如經惰性射束照射)。再者，例如，為了改變隨後之修正處理的穿透深度，可在修正處理前將材料層暴露於惰性GCIB，例如Ar GCIB。
此外，材料層可在材料層修正後進行退火。材料層可經由熱處理而退火，其中材料層的溫度係被加熱至材料特定的溫度一段時間。為了變化材料層之特性，可調整用於退火處理之溫度與時間。例如，材料層之溫度可被加熱至高於約800℃之數值。另外，例如，材料層之溫度可被加熱至高於約850℃之數值。又再者，例如，材料層之溫度可被加熱至高於約900℃之數值。除此之外，例如，用於退火處理之時間可大於約1毫秒。退火處理可於常壓或減壓中進行。再者，退火處理可於有或沒有惰性氣體之環境進行。另外，退火處理可於火爐、快速熱退火(rapid thermal annealing，RTP)系統、閃光燈退火(flash lamp annealing)系統、或雷射退火系統中進行。
現在參照圖4，根據一實施例，如前述用以修正材料層或基板之組成的GCIB處理系統100被描述於圖中。GCIB處理系統100包含：真空容器102；基板支座150，待處理之基板152被固定在其上；及真空幫浦系統170A、170B、及170C。基板152可為：半導體基板、晶圓、平板顯示器(FPD)、液晶顯示器(LCD)、或任何其他工作部件。GCIB處理系統100用以產生處理基板152的GCIB。
繼續參照圖4中之GCIB處理系統100，真空容器102包含三個交流之腔室，即來源室104、游離/加速室106、及處理室108，以提供一減壓外殼。此三個腔室分別以真空幫浦系統170A、170B、及170C來排空至適當之操作壓力。在此三個交流之腔室104、106、108中，氣體團簇束可形成在第一腔室中(來源室104)，同時GCIB可形成在第二腔室中(游離/加速室106)，其中，氣體團簇束被游離及加速。然後，在第三腔室中(處理室108)，加速之GCIB可被用來處理基板152。
如圖4所示，GCIB處理系統100可包含一個以上之氣體源，用以導引一種以上之氣體或氣體之混合物至真空容器102。例如，儲存在第一氣體源111中的第一氣體組成被允許在壓力下經第一氣體控制閥113A流至氣體計量閥113。此外，例如，儲存在第二氣體源112中的第二氣體組成被允許在壓力下經第二氣體控制閥113B流至氣體計量閥113。更進一步地，例如，第一氣體組成或第二氣體組成或兩者可包含可凝惰性氣體、載氣或稀釋氣體。例如，惰性氣體、載氣或稀釋氣體可包含鈍氣，即He、Ne、Ar、Kr、Xe、或Rn。
再者，第一氣體源111及第二氣體源112可單獨使用或者彼此結合使用，而產生游離團簇。材料組成可包含想要引入材料層之主要元素之原子或分子物種。
包含第一氣體組成或第二氣體組成或兩者之高壓的可凝氣體，經由氣體饋入管114被引入停滯室116，並經由恰當形狀的噴嘴110被注入實質上較低壓之真空環境。由於自停滯室116流至來源室104之較低壓區的高壓可凝氣體的膨脹，氣體速度加速至超音速且氣體團簇束118自噴嘴110射出。
由於靜力焓(static enthalpy)被轉換成動能，由噴出物的膨脹所造成的噴出物之內在冷卻使得氣體噴出物之一部分凝結，並且形成具有團簇的氣體團簇束118，每一個團簇是由數個到數千個微弱鍵結的原子或分子所組成。氣體分離器(skimmer)120係配置在噴嘴110出口的下游處，並且位於來源室104與游離/加速室106之間；氣體分離器120將氣體團簇束118周圍邊緣可能尚未凝結成團簇的氣體分子，與氣體團簇束118中心可能已形成團簇的氣體分子部分地加以分離。選擇氣體團簇束118之一部分的原因之一為，其能夠減少於較高壓力可能是有害的下游區域(例如游離器122、及處理室108)的壓力。此外，氣體分離器120界定了進入游離/加速室106的氣體團簇束之初始尺寸。
在來源室104內已形成氣體團簇束118之後，利用游離器122將氣體團簇束118之中的組成氣體團簇加以游離，以形成GCIB 128。游離器122可包括電子衝擊游離器，其從一個以上之燈絲124產生電子，電子被加速及導向，以與在游離/加速室106內部之氣體團簇束118中的氣體團簇互相碰撞。具有足夠能量的電子經由與氣體團簇碰撞之衝擊，從氣體團簇中的分子彈射出電子，因而產生游離的分子。氣體團簇的游離可造成一群帶電的氣體團簇離子，其通常具有淨正電荷。
如圖4所示，射束電子器(beam electronics)130係用以游離、抽取、加速、及聚焦GCIB 128。射束電子器130包括燈絲電源供應器136，其提供電壓VF以加熱游離器燈絲124。
此外，射束電子器130包括一組施加適當偏壓的高壓電極126，其位於游離/加速室106中，並且從游離器122抽取團簇離子。接著，高壓電極126使抽取的團簇離子加速到期望的能量，並且將其聚焦，以界定GCIB 128。GCIB 128中的團簇離子之動能，通常落在約1000電子伏特(1 keV)到數十keV的範圍之間。例如，GCIB 128可被加速到1至100 keV。
如圖4所示，射束電子器130更包含陽極電源供應器134，其提供電壓VA 給游離器122的陽極，用來加速從燈絲124射出的電子，並且使電子轟擊氣體團簇束118中的氣體團簇，因而產生團簇離子。
此外，如圖4所示，射束電子器130包括抽取電源供應器138，其提供電壓VE以施加偏壓於至少一個高壓電極126，以從游離器122的游離區域中抽取離子，並且形成GCIB 128。例如，抽取電源供應器138提供電壓給高壓電極126的第一電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓。
此外，射束電子器130可包括加速器電源供應器140，其提供電壓VACC ，以對一個高壓電極126施以相對於游離器122之偏壓，以產生一個大約等於VACC 電子伏特(eV)之總GCIB加速能量。例如，加速器電源供應器140提供一電壓給高壓電極126的第二電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓以及第一電極的抽取電壓。
再者，射束電子器130可包括透鏡電源供應器142、144，其可用來對某些高壓電極126施加偏壓(例如VL1 及VL2 )以使GCIB 128聚焦。例如，透鏡電源供應器142可提供一電壓給高壓電極126的第三電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓、第一電極的抽取電壓、以及第二電極的加速器電壓；透鏡電源供應器144可提供一電壓給高壓電極126的第四電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓、第一電極的抽取電壓、第二電極的加速器電壓、以及第三電極的第一透鏡電壓。
應當注意，在游離和抽取的設計上，有許多變化可以採用。雖然本文中所述的設計有助於講解之目的，另一個抽取的設計則需要將游離器及抽取電極(或抽取光學元件)的第一元件配置在Vacc。這通常需要游離器電源供應器的控制電壓之光纖程式設計，但可產生較簡單的整體光學元件串列。不論游離器及抽取透鏡偏壓的細節為何，本文中所述的發明是有助益的。
在游離/加速室106中、位於高壓電極126下游處的射束過濾器146，係用來將單體、或來自GCIB 128的單體與重量輕的團簇離子予以排除，以界定進入處理室108之經過濾的製程GCIB 128A。在一實施例中，射束過濾器146大致上係減少具有100個或更少個原子或分子或兩者之團簇的數目。射束過濾器146可包含磁體組件，用來施加穿過GCIB 128的磁場，以協助過濾製程。
持續參考圖4，射束閘148係配置於游離/加速室106中的GCIB 128之路徑上。射束閘148有打開狀態及關閉狀態，在打開狀態時，允許GCIB 128通過游離/加速室106到達處理室108以界定製程GCIB 128A；在關閉狀態時，則阻止GCIB 128進入處理室108。控制電纜將控制訊號從控制系統190傳送到射束閘148。控制訊號以可控制的方式切換射束閘148為打開或關閉狀態。
基板152，其可為晶圓或半導體晶圓、平板顯示器(FPD)、液晶顯示器(LCD)、或其它欲以GCIB步驟進行處理的基板，被放置在處理室108中的製程GCIB 128A之路徑上。因為大部分的應用係期望在處理大型基板時獲得空間上均勻的結果，所以希望能有掃描系統，以均勻地掃描橫越大面積的製程GCIB 128A，以產生空間上均勻的結果。
X掃描致動器(X-scan actuator)160讓基板支架150在X掃描移動(進入或離開紙張平面)的方向上線性移動。Y掃描致動器162讓基板支座150在Y掃描移動164(通常垂直於X掃描移動)的方向上線性移動。X掃描和Y掃描移動的結合，以一種像光柵掃描移動的方式使基板152(由基板支座150所支撐)移動通過製程GCIB 128A，使得製程GCIB 128A均勻地(或程式化地)照射於基板152的表面，以進行基板152的處理。
基板支座150以相對於製程GCIB 128A軸的一個角度放置基板152，使得製程GCIB 128A具有一個相對於基板152表面的射束入射角166。射束入射角166可以是90度或某些其它角度，但一般是90度或接近90度。在Y掃描期間，基板152和基板支座150從顯示的位置移動到另一個位置“A”，其分別以符號152A和150A來表示。須注意在兩位置之間移動時，基板152經由製程GCIB 128A掃描；在兩邊末端的位置時，基板152被移動至完全在製程GCIB 128A的路徑之外(過掃描，over-scanned)。雖然在圖4中未清楚地顯示，類似的掃描和過掃描也被執行於通常為垂直的X掃描移動方向(進入或離開紙張平面)。
射束電流感測器180可位於製程GCIB 128A的路徑上之超出基板支座150，以便在基板支座150脫離製程GCIB 128A的路徑受到掃描時，可截取製程GCIB 128A的樣本。射束電流感測器180一般是法拉第杯或其類似物，其除了射束進入開口外是封閉的，且通常利用電絕緣底座182固定在真空容器102的內壁上。
如圖4所示，控制系統190經由電纜連接到X掃描致動器160及Y掃描致動器162，並控制X掃描致動器160及Y掃描致動器162，以便將基板152放置在製程GCIB 128A之中或之外，並且相對於製程GCIB 128A均勻地掃描基板152，以藉由製程GCIB 128A完成對基板152所預期的處理。控制系統190利用電纜接收由射束電流感測器180所收集到的採樣射束電流，因此監控GCIB，並且當預定劑量已經被傳送時，將基板152從製程GCIB 128A移開，因而控制基板152所接收到的GCIB劑量。
在圖5所示的實施例中，GCIB處理系統100’可能類似於圖4的實施例，並且更包含X-Y定位載台253，用來在兩個軸上支撐及移動基板252，使得能夠相對於製程GCIB 128A而有效地掃描基板252。例如，X移動可能包括進入及離開紙張平面的移動，而Y移動可能包括沿著方向264的移動。
製程GCIB 128A以一個相對於基板252表面的射束入射角266，在基板252表面上的投射撞擊區域286上撞擊基板252。藉著X-Y移動，X-Y定位載台253將基板252表面的每一部分放置在製程GCIB 128A的路徑上，因此，該表面的每一區域可以與投射撞擊區域286重疊，以由製程GCIB 128A進行處理。X-Y控制器262經由電纜將電訊號提供給X-Y定位載台253，用來控制在X軸及Y軸方向每一者上之位置及速度。X-Y控制器262經由電纜從控制系統190接收控制訊號，並且可經由電纜被控制系統190操控。根據習知的X-Y載台(X-Y table)定位技術，X-Y定位載台253藉著連續或步進的方式移動，以將基板252的不同區域放置在投射撞擊區域286內。在一實施例中，可藉由控制系統190來程式化地操作X-Y定位載台253，以隨著可程式化的速度透過投射撞擊區域286來掃描基板252的任何部分，以藉由製程GCIB 128A而進行GCIB處理。
定位載台253的基板支撐表面254是導電的，並且連接到由控制系統190所操控的劑量測定處理器。定位載台253的電絕緣層255將基板252及基板支撐表面254與定位載台253的基底部分260隔離開。由製程GCIB 128A照射後於基板252所產生的電荷，係經由基板252及基板支撐表面254而加以傳導，且一訊號經由定位載台253耦合到控制系統190，以用於劑量量測。劑量量測具有積分裝置，用來對GCIB電流進行積分，以決定GCIB的處理劑量。在某些情況下，電子的標靶中和源(未顯示)，有時稱作電子潮(electron flood)，可被用來中和製程GCIB 128A。在此例中，儘管有電荷的額外來源，仍可使用法拉第杯(未顯示，但其可與圖4中之射束電流感測器180類似)來確保準確的劑量，因為典型的法拉第杯只允許高能的陽離子進入及接受量測。
在操作中，控制系統190發出訊號以開啟射束閘148，用以利用製程GCIB 128A照射基板252。控制系統190監控由基板252所收集之GCIB電流的量測，以計算基板252所接收的累積劑量。當基板252所接收的劑量到達預定的劑量時，控制系統190關閉射束閘148，並結束基板252的處理。根據基板252上的特定區域所接收到的GCIB劑量之量測結果，控制系統190可以調整掃描速度，以達到用以處理基板252之不同區域之合適的射束照射時間。
另外，製程GCIB 128A可以固定的速度、固定的態樣在基板252表面的各處掃描；然而，GCIB的強度可經調變(可以稱之為Z軸調變)，以傳遞刻意為不均勻之劑量給樣品。在GCIB處理系統100’中，GCIB強度可以利用各種方法其中的任何一種加以調變，包括：改變來自GCIB來源供應的氣體流量；藉著改變燈絲電壓VF或改變陽極電壓VA而調變游離器122；藉著改變透鏡電壓VL1 及/或VL2 而調變透鏡聚焦；或利用可變的射束擋片、可調的斷續器(shutter)、或可變的孔徑而以機械的方式阻擋掉一部分的GCIB。調變的變動可為連續的類比變動，或者可為時間調整的開關或閘。
處理室108可更包括原位(in-situ)量測系統。例如，原位量測系統可包括光學診斷系統，光學診斷系統則具有光發射器280及光接收器282，分別用來以入射光信號284照射基板252、以及從基板252接收散射的光信號288。光學診斷系統包含光學窗，其允許入射光信號284及散射光信號288通過進出處理室108。此外，光發射器280及光接收器282可分別地包含發射及接收光學元件。光發射器280接收、並且回應於來自控制系統190的控制電信號。光接收器282將量測信號送回給控制系統190。
原位量測系統可包含任何用來監控GCIB處理進度的儀器。根據一實施例，原位量測系統可構成光散射(scatterometry)系統。散射系統可包括購自Therma-Wave,Inc.(1250 Reliance Way,Fremont,CA 94539)或Nanometrics,Inc.(1550 Buckeye Drive,Milpitas,CA 95035)之散射計，其合併有射束輪廓橢偏儀(橢圓儀)及射束輪廓反射量測儀(反射儀)。
例如，原位量測系統可包括整合式光學數位輪廓(iODP，integrated Optical Digital Profilometry)散射儀模組，其係用以量測由執行GCIB處理系統100’中的處理程序所產生的處理效能數據。例如，此量測系統測量或監控由處理程序所產生的量測數據。例如，利用此量測數據可以決定呈現出該處理程序的特徵之處理效能數據，例如處理速率、相對處理速率、特徵部輪廓角度、臨界尺寸、特徵部厚度或深度、特徵部形狀等等。例如，在一個將材料定向地沉積於基板的處理之中，處理效能數據可包括臨界尺寸(CD)，例如在特徵部(亦即通孔、線等等)的頂部、中間或底部的CD、特徵部深度、材料厚度、側壁角度、側壁形狀、沉積速率、相對沉積速率、其任何參數的空間分佈、用以呈現出其任何空間分佈的均勻性之特徵的參數等等。利用來自控制系統190的控制信號以操作X-Y定位載台253，原位量測系統可以對於基板252的一個以上之特性加以測繪。
在圖6所示的實施例中，GCIB處理系統100”可相似於圖4中的實施例，且更包含壓力單元室350，此壓力單元室，例如，設置在游離/加速室106之出口區域上或附近。壓力單元室350包含惰性氣體源352及壓力感測器354，其中，惰性氣體源352用以供應背景氣體至壓力單元室350，以升高壓力單元室350中的壓力，而壓力感測器354用以量測壓力單元室350中的上升壓力。
壓力單元室350可用以修改GCIB 128之射束能量分佈，以產生經修改之製程GCIB 128A’。藉由沿GCIB路徑導引GCIB 128穿過壓力單元室350內之加壓區域，以致至少一部分的GCIB穿過加壓區域，而達成此射束能量分佈的修改。射束能量分佈的修改程度可藉由沿著至少一部分之GCIB路徑的壓力-距離積分值加以描繪，其中距離(或壓力單元室350的長度)係以路徑長度(d)表示。當壓力-距離積分的數值增加時(增加壓力及/或路徑長度(d))，射束能量分佈變寬且尖峰能量降低。當壓力-距離積分的數值減少時(減少壓力及/或路徑長度(d))，射束能量分佈變窄且尖峰能量增加。關於壓力單元設計之更進一步細節可從美國專利第7,060,989號中確認，其發明名稱為「Method and apparatus for improved processing with a gas-cluster ion beam」，其全部內容係以參考文獻之方式合併於此。
控制系統190包括微處理器、記憶體、以及能夠產生控制電壓的數位輸入輸出埠，此控制電壓足以傳送及啟動至GCIB處理系統100(或100’、100”)之輸入，也足以監控來自GCIB處理系統100(或100’、100”)的輸出。此外，控制系統190可被耦合至真空幫浦系統170A、170B、及170C、第一氣體源111、第二氣體源112、第一氣體控制閥113A、第二氣體控制閥113B、射束電子器130、射束過濾器146、射束閘148、X掃描致動器160、Y掃描致動器162、及射束電流感測器180，並且與前述元件交換信息。例如，為了在基板152上實施GCIB處理，可以利用儲存在記憶體中的程式，依照處理處方來啟動到達GCIB處理系統100之前述元件的輸入。
然而，控制系統190可如一般電腦系統加以執行，其施行部分或全部的本發明之微處理器處理步驟，以回應執行包含於記憶體內之一個以上指令之一個以上序列的處理器。此等指令可從另一個電腦可讀取媒體(例如硬碟或可移動式媒體驅動裝置)被讀進控制器記憶體中。也可以使用多處理裝置中之一個以上的處理器做為控制器微處理器，以執行主記憶體內的指令序列。在另一個實施例中，可以使用硬佈線電路以取代軟體指令、或與軟體指令相結合。因此，實施例並未侷限於硬體電路及軟體的任何特定組合。
如上所述，控制系統190可用來配置任何數目的處理元件，且控制系統190可以收集、提供、處理、儲存、及顯示來自處理元件的資料。控制系統190可包括許多應用程式及許多控制器，用來控制一個以上的處理元件。例如，控制系統190可能包括圖形使用者介面(GUI)元件(未顯示)，其所提供的介面讓使用者能夠監控及/或控制一個以上的處理元件。
相對於GCIB處理系統100(或100’、100”)，控制系統190可以被設置於本地，或被設置於遠端。例如，控制系統190可使用直接連接、內部網路、及/或網際網路與GCIB處理系統100交換資料。控制系統190可能耦合至，例如，客戶位置(亦即裝置製造商等)的內部網路；或耦合至，例如，販售商位置(亦即設備製造商)的內部網路。或者或再者，控制系統190可能耦合至網際網路。此外，另一部電腦(亦即控制器、伺服器等)可以經由直接連接、內部網路、及/或網際網路存取控制系統190，以交換資料。
藉由夾持系統(未顯示)，例如機械夾持系統或電夾持系統(例如靜電夾持系統)，可以將基板152(或252)固定於基板支座150(或基板支座250)。此外，基板支座150(或250)可包括加熱系統(未顯示)或冷卻系統(未顯示)，其用來調整及/或控制基板支座150(或250)及基板152(或252)的溫度。
真空幫浦系統170A、170B、及170C可包括抽氣速率能夠上達約每秒5000公升(或更高)的渦輪分子真空泵(TMP，turbo-molecular vacuum pump)，以及調節腔室壓力的閘閥。在習知的真空處理裝置中，可採用每秒抽氣1000至3000公升的TMP。TMP對於低壓處理(通常低於約50 mTorr)是有用的。雖然未顯示，吾人可瞭解壓力單元室350亦可包括真空幫浦系統。此外，用來監控腔室壓力的裝置(未顯示)可被耦合至真空容器102、或三個真空室104、106、108其中任何一者。壓力量測裝置可為，例如，電容式真空計或離子真空計。
現在參照圖7，其顯示用來使氣體團簇噴出物(氣體團簇束118，圖4、5及6)游離的氣體團簇游離器(122，圖4、5及6)之剖面圖300。剖面圖300係與GCIB 128的軸成垂直。對於典型的氣體團簇大小(2000至15000個原子)，離開分離器孔徑(120，圖4、5及6)及進入游離器(122，圖4、5及6)的團簇將以約130至1000電子伏特(eV)的動能移動。在此等低能量下，任何游離器122內空間電荷中性的偏離將會造成噴出物的快速分散，伴隨著射束電流的大量損失。圖7說明一種自中和游離器。如同其它游離器，電子衝擊使氣體團簇游離。在此設計中，熱電子(如310所示的七個例子)由多重線性熱離子燈絲302a、302b及302C(通常是鎢)放射出，以及藉著適當的電場作用被抽取和聚焦，該電場由電子斥拒極(electron-repeller electrode)306a、306b、及306c和射束形成極304a、304b、及304c產生。熱電子310通過氣體團簇噴出物及噴出物軸線，然後撞擊到對面的射束形成極304b，而產生低能量的二次電子(如312、314、和316的例子所示)。
雖然為了簡化而未顯示，但線性熱離子燈絲302b和302c也會產生熱電子，隨後產生低能量二次電子。藉由提供低能量電子(當需要維持空間電荷中性時，低能量電子可被吸引至帶正電的離子化氣體團簇噴出物中)，所有的二次電子協助確保離子化團簇噴出物保持空間電荷中性。射束形成極304a、304b、及304c被施以相對於線性熱離子燈絲302a、302b、及302c之正偏壓；而電子斥拒極306a、306b、及306c被施以相對於線性熱離子燈絲302a、302b、及302c之負偏壓。絕緣體308a、308b、308c、308d、308e、及308f支撐電極304a、304b、304c、306a、306b、及306c並使其電性絕緣。例如，這種自中和游離器是有效的，並且可實現超過1000微安培的氬氣GCIB。
或者，游離器可使用由電漿所抽取的電子來游離化團簇。這種游離器的幾何形狀與本文中所描述的三燈絲游離器是相當不一樣的，但操作原理及游離器控制則非常類似。例如，此游離器設計與美國專利第7,173,252號中所述者類似，該專利案之標題為「Ionizer and method for gas-cluster ion-beam formation」，其全部內容係以參考文獻之方式合併於此。
氣體團簇游離器(122，圖4、5及6)可藉由改變GCIB 128之電荷狀態，而用以修改GCIB 128之射束能量分佈。例如，可藉由調整電子流、電子能量、或針對用在氣體團簇之電子碰撞-感應游離中之電子的電子能量分佈來修改電荷狀態。
雖然在上述細節中僅僅描述了本發明的某些實施例，熟悉此技藝者應當很容易了解，在未實質偏離本發明的新穎教示及優點下，實施例可能有許多的變化。因此，所有此類的變化應當包含於本發明的範圍內。
1．．．流程圖
10．．．形成材料層於基板上
20．．．建立氣體團簇離子束
30．．．藉由暴露材料層於包含一物種之GCIB以修正存在於材料層中之此物種的初始濃度至最終濃度
C．．．濃度
d．．．路徑長度
S,S’．．．物種
z．．．深度
100．．．GCIB處理系統
100’．．．GCIB處理系統
100”．．．GCIB處理系統
102．．．真空容器
104．．．來源室
106．．．游離/加速室
108．．．處理室
110．．．噴嘴
111．．．第一氣體源
112．．．第二氣體源
113．．．氣體計量閥
113A．．．第一氣體控制閥
113B．．．第二氣體控制閥
114．．．氣體饋入管
116．．．停滯室
118．．．氣體團簇束
120．．．氣體分離器
122．．．游離器
124．．．燈絲
126．．．高壓電極
128．．．氣體團簇離子束(GCIB)
128A,128A’．．．製程氣體團簇離子束
130．．．射束電子器
134．．．陽極電源供應器
136．．．燈絲電源供應器
138．．．抽取電源供應器
140．．．加速器電源供應器
142,144．．．透鏡電源供應器
146．．．射束過濾器
148．．．射束閘
150,150A．．．基板支座
152,152A．．．基板
160．．．X掃描致動器
162．．．Y掃描致動器
164．．．Y掃描移動
166．．．射束入射角
170A,170B,170C．．．真空幫浦系統
180．．．射束電流感測器
182‧‧‧電絕緣底座
190‧‧‧控制系統
250‧‧‧基板支座
252‧‧‧基板
253‧‧‧X-Y定位載台
254‧‧‧基板支撐表面
255‧‧‧電絕緣層
260‧‧‧基底部分
262‧‧‧X-Y控制器
264‧‧‧移動方向
266‧‧‧射束入射角
280‧‧‧光發射器
282‧‧‧光接收器
284‧‧‧入射光信號
286‧‧‧投射撞擊區域
288‧‧‧散射光信號
300‧‧‧氣體團簇游離器的剖面圖
302a,302b,302c‧‧‧線性熱離子燈絲
304a,304b,304c‧‧‧射束形成極
306a,306b,306c‧‧‧電子斥拒極
308a,308b,308c,308d,308e,308f‧‧‧絕緣體
310‧‧‧熱電子
312,314,316‧‧‧二次電子
350‧‧‧壓力單元室
352‧‧‧惰性氣體源
354‧‧‧壓力感測器
在隨附之圖式中：
圖1為根據一實施例，說明利用GCIB修正材料層之方法的流程圖；
圖2為提供關於形成GCIB之例示資料的圖表；
圖3A至3B為根據數個實施例，說明修正材料層之方法；
圖4為GCIB處理系統之一圖式；
圖5為GCIB處理系統之另一圖式；
圖6為GCIB處理系統之又一圖式；以及
圖7為關於GCIB處理系統之游離源之圖式。
1．．．流程圖
10．．．形成材料層於基板上
20．．．建立氣體團簇離子束
30．．．藉由暴露材料層於包含一物種之GCIB，以修正存在於材料層中之此物種的初始濃度至最終濃度

Claims (21)

  1. 一種基板上之材料層之修正方法，包含：提供一基板，該基板具有一材料層形成於其上，該材料層含有存在於該材料層中之一物種之一初始濃度；建立含有該物種之一氣體團簇離子束(GCIB)，其中該GCIB包含範圍為由每原子約0.25eV至每原子約100eV之一每原子比能量(energy per atom ratio)；及在該材料層形成於該基板上之後，藉由暴露該材料層於包含該物種之該GCIB，以將存在於該材料層中之該物種之該初始濃度修正至一最終濃度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中：該材料層包含一氧化物，其中存在於該材料層中之該物種包含氧；或該材料層包含一氮化物，其中存在於該材料層中之該物種包含氮；或該材料層包含一氧化物與一氮化物，其中存在於該材料層中之該物種包含氧與氮；或該材料層包含一碳化物，其中存在於該材料層中之該物種包含碳；或該材料層包含一碳化物與一氧化物，其中存在於該材料層中之該物種包含碳與氧；或該材料層包含一碳化物與一氮化物，其中存在於該材料層中之該物種包含碳與氮；或該材料層包含一碳化物、一氧化物與一氮化物，其中存在於該材料層中之該物種包含碳、氧與氮。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中： 該材料層包含氧化矽(SiOx )、氮氧化矽(silicon oxynitride，SiOx Ny )、金屬矽酸鹽(metal silicate，MSiOx )、金屬氮氧化矽(metal silicon oxynitride，MSiOx Ny )、或金屬氧化物(MOx )，且其中該物種包含氧；或該材料層包含氮化矽(SiNy )、氮氧化矽(SiOx Ny )、氮化硼(BNy )、金屬氮氧化矽(MSiOx Ny )、金屬氮化矽(MSiNy )、或金屬氮化物(MNy )，且其中該物種包含氮；或該材料層包含碳化矽(SiCy )、碳氧化矽(silicon oxycarbide，SiOx Cy )、碳氮化矽(silicon carbonitride、SiCx Ny )、碳氮氧化矽(silicon oxycarbonitride，SiOx CyNz )、金屬碳化物(MCy )、金屬碳氮化物(metal carbonitride，MCx Ny )、或金屬碳氮氧化物(metal oxycarbonitride，MOx CyNz )，且其中該物種包含碳。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該材料層包含矽、或一金屬、或兩者。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，更包含：於該修正步驟期間，調整該材料層之一光學性質、一熱性質、一化學性質、或一電性質至少其中一者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該材料層包含該物種與一個以上之其它物種。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該物種之該最終濃度係提供該材料層中之該物種與該其它物種之間的一實質上化學計量關係。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該材料層包含HfO2 、HfSix Oy 、ZrO2 、ZrSix Oy 、TiO2 、Ta2 O5 、 稀土族氧化物、混合稀土族氧化物、稀土族氮化物、混合稀土族氮化物、稀土族氮氧化物、混合稀土族氮氧化物、氧化鋁、氮化鋁、稀土族氧化鋁、混合稀土族氧化鋁、稀土族氮化鋁、混合稀土族氮化鋁、稀土族氮氧化鋁、或混合稀土族氮氧化鋁。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該材料層包含一導電材料、一絕緣材料或一半導體材料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該修正該初始濃度之步驟包含：於一減壓環境中設置該基板；由一加壓氣體混合物而產生該減壓環境中之該GCIB；選擇一射束加速電位與一射束劑量，以修正該材料層之該物種成分；依照該射束加速電位加速該GCIB；以及依照該射束劑量，將該加速GCIB照射於該基板之至少一部分上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該加壓氣體混合物包含He、Ne、Ar、Kr、Xe、含B氣體、含C氣體、含Si氣體、含Ge氣體、含N氣體、含P氣體、含As氣體、含O氣體、含S氣體、含F氣體、或含Cl氣體、或其兩者以上之任意組合。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該加壓氣體混合物包含一含氮氣體與一惰性氣體、或一含氧氣體與一惰性氣體、或其組合。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之基板上之材料層之修正方法，其中該加壓氣體混合物包含鈍氣、O2 、CO2 、CO、N2 、NH3 、 NF3 、NO、N2 O、或NO2 、或其兩者以上之任意組合。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之基板上之材料層之修正方法，更包含：修正於該材料層內之該物種的一深度或一濃度輪廓或兩者。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之基板上之材料層之修正方法，更包含：導入另一物種至該材料層，或修正已存在於該材料層中之該另一物種之一濃度。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，其中在該GCIB暴露步驟之後，存在於該材料層中之該物種的該最終濃度係小於該初始濃度；或者，在該GCIB暴露步驟之後，存在於該材料層中之該物種的該最終濃度係大於該初始濃度。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之基板上之材料層之修正方法，其中在該GCIB暴露步驟之後，存在於該材料層中之一第一物種的一最終濃度係小於存在於該材料層中之該第一物種的一初始濃度；並且其中在該GCIB暴露步驟後，存在於該材料層中之一第二物種的一最終濃度係大於在該材料層中之該第二物種的一初始濃度。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，更包含：退火該材料層。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，更包含：以一惰性GCIB處理該材料層。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之基板上之材料層之修正方法，更 包含：在執行該修正步驟之前，執行一蝕刻處理。
  21. 一種基板上之材料層之修正方法，包含：提供一基板，該基板具有一材料層形成於其上，該材料層含有存在於該材料層中之一物種之一初始濃度；建立一氣體團簇離子束(GCIB)，其中該GCIB包含範圍為由每原子約0.25eV至每原子約100eV之一每原子比能量(energy per atom ratio)；及在該材料層形成於該基板上之後，藉由暴露該材料層於該GCIB，以將存在於該材料層中之該物種之該初始濃度修正至一最終濃度，其中該物種之該最終濃度低於該物種之該初始濃度。
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