TWI453802B - 離子植入裝置及離子植入方法 - Google Patents

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TWI453802B TW096150043A TW96150043A TWI453802B TW I453802 B TWI453802 B TW I453802B TW 096150043 A TW096150043 A TW 096150043A TW 96150043 A TW96150043 A TW 96150043A TW I453802 B TWI453802 B TW I453802B
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Tetsuya Goto
Akinobu Teramoto
Takaaki Matsuoka
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Univ Tohoku Nat Univ Corp
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Description

離子植入裝置及離子植入方法
本發明係關於離子植入裝置及離子植入方法。
自以往，在製造半導體裝置等時，添加雜質至半導體基板或半導體層等之方法中，離子植入技術受到廣泛使用。習知離子植入技術，為了將所希望之原子分子以所希望之濃度植入半導體基板或半導體層等被處理體，係將帶正電之離子束朝被處理體之所希望部分照射。因此，帶正電之離子被照射至被處理體，且自此被處理體放出二次電子，因此於被處理體大量充電，導致充電損害發生。例如，若為了使雜質摻雜於閘極絕緣膜上之多晶矽閘電極層而對該多晶矽層進行離子照射，則大量之二次電子自該多晶矽層射出而使多晶矽層表面累積正電荷，再加上被植入於其中之離子之正電荷，會在閘極絕緣膜上積聚大量之負電荷。另一方面，若為了在n井形成p型源極汲極區域而進行離子植入，即會因相同之理由使大量正電荷積聚於n井表面而導致閘極絕緣膜損壞。因此p通道MOS電晶體之不良頻繁發生。
另一方面，於專利文獻1等中有人提議製作一種離子植入裝置，包含具有多數排氣端口之處理室；固持台，配置於該處理室內，用以固持被處理體；及多數之氣體釋放孔；並具備設於與被處理體對向之位置之噴淋板及微波天線。
專利文獻1：日本特開2005-196994號公報
專利文獻1未指出關於被處理體發生之充電損害，特別是p通道MOS電晶體不良之問題。
在此，本發明之技術性課題在於提供不發生充電損害之原子 分子植入技術，本發明之目的在於提供不易發生充電損害之離子植入裝置及離子植入方法。
依本發明之第1態樣可得一種離子植入裝置，包含：可減壓之處理室；電漿激發機構，在該處理室內激發電漿；固持台，設於該處理室內，用以固持被處理基板；導體構件，設於該處理室內與該固持台對向之位置，具有可使該電漿朝該固持台方向透射之部分；及RF電力施加機構，對被固持於該固持台上之該被處理基板施加基板偏壓用RF電力；且該導體構件相對於該RF電力之頻率電性接地。
依本發明之第2態樣可得如第1態樣之離子植入裝置，其中該激發電漿之機構，包含：對該處理裝置內供給激發電漿用電力之機構，與對該處理裝置內供給激發電漿用氣體之機構。
依本發明之第3態樣可得如第2態樣之離子植入裝置，其中該激發電漿用氣體包含應植入該被處理基板之離子源氣體。
依本發明之第4態樣可得如第2或3態樣之離子植入裝置，其中該激發電漿用電力之頻率位於微波區域。
依本發明之第5態樣可得如第2至4態樣中任一者之離子植入裝置，其中對該處理裝置內供給激發電漿用電力之機構，包含微波源、平板狀天線與自該微波源對該天線傳達微波之機構，該天線設置於透過介電材料板與該固持台對向之位置，自該天線所發射之微波透射該介電材料板，照射該處理室內之該激發電漿用氣體，而使電漿產生。
依本發明之第6態樣可得如第2至5態樣中任一者之離子植入裝置，其中供給該激發電漿用氣體之機構包含氣體導入端口與通過該介電材料板內對該處理室內釋放該激發電漿用氣體之多數氣體通路，該激發電漿用氣體在其自該介電材料板被釋放於該處理室內之空間或其附近產生該電漿。
依本發明之第7態樣可得如第2至5態樣中任一者之離子植 入裝置，其中該處理室內，該導體構件之與該固持台相反側的空間中，該電漿電子密度，高於在以ω為該激發電漿用電力之角頻率，以ε0 為真空之介電常數，以m為電子質量，以e為元電荷時，以ω2 mε0 /e2 所決定之截止密度。
依本發明之第8態樣可得如第4或6態樣之離子植入裝置，其中該激發電漿用氣體包含氟化物氣體，該處理室內之壓力可維持該導體構件之與該固持台相反之一側處理室空間中，該電漿電子密度高於在以ω為該微波之角頻率，以ε0 為真空之介電常數，以m為電子之質量，以e為元電荷時，以ω2 mε0 /e2 所決定之截止密度。
依本發明之第9態樣可得如第6態樣之離子植入裝置，其中該處理室內，於該導體構件之與該固持台相反側的空間中，於該電漿透過電漿鞘層接近該介電材料板之該導體構件側之位置，電漿之電子密度在以ω為供給該天線之微波角頻率，以ε0 為真空之介電常數，以m為電子質量，以e為元電荷時，該電子密度高於以ω2 mε0 /e2 所決定之截止密度。
依本發明之第10態樣可得如第6或9態樣之離子植入裝置，其中，將藉由下述數式1 (其中，n係在該處理室內，該電漿透過電漿鞘層接近該介電材料板之該導體構件側之位置之電漿之電子密度，ε0 係真空之介電常數，m係電子質量，e係元電荷)所決定之電漿角頻率定為ωpe ，供給該天線之微波角頻率定為ω時，與相較於藉由下述數式2 (其中，c係真空中之光速)所決定之微波之侵入深度，該介電材料板與該導體構件之間之距離較長。
依本發明之第11態樣可得如第6、9或10態樣之離子植入裝 置，其中將藉由下述數式3 (其中，n係在該處理室內，該電漿透過電漿鞘層接近該介電材料板之該導體構件側之位置之電漿之電子密度，ε0 係真空之介電常數，m係電子質量，e係元電荷)所決定之電漿角頻率定為ωpe ，以供給該天線之微波角頻率為ω時，相較於藉由下述數式4 (其中，c係真空中之光速)所決定之微波之侵入深度，該介電材料板與該導體構件之間之距離長3倍以上。
依本發明之第12態樣可得如第5至11態樣中任一者之離子植入裝置，其中該天線係輻射狀槽孔天線。
依本發明之第13態樣可得如第1至12態樣中任一者之離子植入裝置，其中該導體構件以直流之方式電性接地。
依本發明之第14態樣可得如第1至13態樣中任一者之離子植入裝置，其中該處理室內壁中至少接近該電漿之部分與該導體構件之表面，係由金屬氧化物及金屬氧化物其中至少一者所被覆。
依本發明之第15態樣可得如第1至14態樣中任一者之離子植入裝置，其中該導體構件其內部具有供溫度控制用介質流動之機構。
依本發明之第16態樣可得如第1至15態樣中任一者之離子植入裝置，其中該RF電力之頻率周期，與在形成於該被處理基板表面之電漿鞘層中自該電漿流出之植入原子離子或植入分子離子到達該被處理基板之時間相比，該RF電力頻率周期較長。
依本發明之第17態樣可得如第6及9至16態樣中任一者之離子植入裝置，其中於該多數氣體通路之氣體釋放部分，設有多孔質陶瓷構件，電漿激發氣體係自該多孔質陶瓷構件被導入處理室內。
依本發明之第18態樣可得如第6及9至17態樣中任一者之離子植入裝置，其中該多數氣體通路之氣體釋放孔直徑，為形成於該介電材料板與該電漿之間之鞘層厚度之2倍以下，電漿激發氣體係自該氣體釋放孔被導入處理室內。
依本發明之第19態樣可得如第1至18態樣中任一者之離子植入裝置，其中更包含冷卻該固持台之機構。
依本發明之第20態樣可得如第1至19態樣中任一者之離子植入裝置，其中該固持台其內部具有供冷卻用介質流動之機構。
依本發明之第21態樣可得一種離子植入方法，使用如第1至20態樣中任一者之離子植入裝置進行離子植入。
依本發明之第22態樣可得如第21態樣之離子植入方法，其中以脈衝方式施加該RF電力，藉此分為多數次進行離子植入。
依本發明之第23態樣可得如第22態樣之離子植入方法，其中該脈衝具有既定寬度與間隔，該脈衝間隔，相較於存在於該電漿中之相對於單位體積離子電荷總數之電子數之比例之倒數、該被處理基板之二次電子發射係數與該脈衝寬度之乘積，為較長之時間。
依本發明之第24態樣可得如第21至23態樣中任一者之離子植入方法，其中電漿激發氣體係應植入之離子原子之氟化物氣體或以稀有氣體稀釋應植入之離子原子之氟化物氣體而成之混合氣體。
依本發明之第25態樣可得如第21至24態樣中任一者之離子植入方法，其中電漿激發氣體係選自於BF3 、PF3 及AsF3 至少其中一者之氣體，或以選自於Ar、Kr及Xe至少其中一者之稀有氣體，將選自於BF3 、PF3 及AsF3 至少其中一者之氣體稀釋而成之混合氣體。
依本發明之第26態樣可得如第24或25態樣之離子植入方法，其中該被處理基板包含矽，該被處理基板被冷卻至較矽之氟化物在該處理室壓力下揮發之溫度低之溫度。
依本發明之第27態樣可得一種半導體裝置，使用如第1至20態樣中任一者之離子植入裝置製造。
依本發明之第28態樣可得一種半導體裝置，使用如第21至26態樣中任一者之離子植入方法製造。
依本發明之第29態樣可得一種半導體裝置之製造方法，具有藉由如第21至26態樣中任一者之離子植入方法進行離子植入之製程。
依本發明，可得不易發生充電損害之離子植入裝置及離子植入方法。特別是以本發明，可大幅使伴隨p通道MOS電晶體製造所導致之不良降低，而改善產量。
 實施發明之最佳形態
以下參照圖式並說明關於本發明實施形態。
實施例1
參照圖1，圖1中顯示依本發明實施例1之微波電漿離子植入裝置。所圖示之微波電漿離子植入裝置，具有透過多數排氣端口101排氣之處理室102，該處理室102中配置有固持被處理基板103之固持台104。處理室102以由A1合金(添加有Zr及Mg之Al)所構成之壁構件所形成。壁內面中特別是暴露在電漿中之部分，由於會受到來自電漿之大量離子之照射而受損，因此宜形成有強固之保護膜。本實施例中，係以藉由使用非水溶液之陽極氧化所形成之厚0.5μm之緻密之無孔質之Al2 O3 保護膜被覆壁面。保護膜不限於此，可為例如Y2 O3 之噴敷膜或以溶膠凝膠法製作之膜，亦可為在Al2 O3 保護膜上更形成Y2 O3 膜之構成。
為使處理室102可均勻排氣，處理室102中在固持台104之周圍決定有環狀空間，多數排氣端口101以與此環狀空間連通之方式，相對於被處理基板103以等間隔排列為軸對稱。藉由此排 氣端口101之排列，處理室102之氣體可自排氣端口101均勻排氣。
於處理室102上部開口上，以與固持台104之處理基板103對向之方式，透過密封環107安裝有一板狀之噴淋板106，該噴淋板106由比介電常數為9.8，且微波介電損耗低(介電損耗在1×10-4 以下)之介電材料之氧化鋁所構成，具有多數(230個)開口部，亦即氣體釋放孔105。且在噴淋板106之外側，亦即相對於噴淋板106而與固持台104相反之一側，透過另一密封環109安裝有由氧化鋁所構成之蓋板108。此等噴淋板106及蓋板108形成處理室102外壁之一部分。
在噴淋板106頂面與蓋板108之間，形成有一空間110，供填充自電漿激發氣體供給端口117透過開孔於噴淋板106內之連通供給孔118而受到供給之電漿激發氣體。換言之，該蓋板108中設有溝槽，俾使其分別連接於該蓋板108之該噴淋板106側之一面之對應氣體釋放孔105之位置，在該噴淋板106與該蓋板108之間形成有該空間110。該氣體釋放孔105配置為使其與該空間110連接。於氣體釋放孔105之朝處理室102側之出口，設有多孔質陶瓷層124。此多孔質陶瓷層124，具有在將電漿激發氣體導入處理室102時，由於自大面積釋放氣體，因此氣體流速減低，在不攪亂氣體流動之情形下，實現均勻流動之功能。又，本實施例中雖在噴淋板106之與被處理基板103對向之一面，除外周部外全面皆設有多孔質陶瓷層124，但即使僅在氣體釋放孔105之出口局部性地設有此多孔質陶瓷層124，亦可減低氣體流速。
於該蓋板108頂面，設置有用以發射微波、開設有多數狹縫之輻射狀槽孔天線之狹縫板111、用以使微波朝放射方向傳播之慢波板112，與用以將微波導入天線之同軸導波管113。且慢波板112被夾持在該狹縫板111與金屬板123之間。於該金屬板123設有冷卻用流路114。自該狹縫板111被放射之微波透射蓋板108及噴淋板106，被導入處理室102上部空間，並藉由在該上部空間使自 該多孔質陶瓷層124被釋放之電漿激發氣體電離，在該多孔質陶瓷層124正下方數毫米區域內產生高密度電漿。所產生之電漿藉由擴散到達被處理基板103。
圖示之噴淋板106其直徑400mm，外周部厚35mm。自直徑155mm至直徑165mm之間形成為錐形，直徑155mm以內之區域之噴淋板厚為25mm。雖然在此例之情形下，錐角度為45∘，但其並不限於此數值，且錐角宜圓滑化而形成抑制電場集中之構造。且藉由流入冷卻用流路114之水等冷媒，可將因噴淋板106暴露於高密度電漿中而流入之熱流，透過狹縫板111、慢波板112及金屬板123加以排熱。
圖1所示之電漿離子植入裝置中，於處理室102內部設有接地板115。接地板115配置於噴淋板106與載置被處理基板103之固持台104之間，由鋁合金等導體所構成，具有一透射窗121，使在噴淋板106正下方產生之電漿可朝被處理基板103擴散移動，並電性接地。
圖2顯示接地板115之俯視形狀，特別是透射窗之形狀。透射窗121可如圖2(a)之201所示，為以格子狀構件區隔之矩陣狀，亦可如圖2(b)之202所示為環狀。可藉由使透射窗121開口面積比例變化，控制電漿之透射係數。接地板115之作用，雖在於賦予處理室102內部固定電位，但其亦可更具有溫度控制功能，特別是冷卻功能。
進行離子植入時，需對於到達被處理基板103之離子賦予能量。為此，使RF電源122透過電容器連接設置於該固持台104內部之電極，藉由施加RF電力使被處理基板103上產生自偏電壓。此時接地板115成為對被處理基板103用電極施加RF電力時之接地面，因此可在幾乎不使時間平均之電漿電位上昇之情形下於被處理基板103表面使負自偏壓產生。
電漿電位一旦上昇，則朝處理室102內壁被照射之離子能量增加，而成為污染原因。
接地板115若相對於RF頻率，高頻地接地，則可防止電漿電位之上昇，因此為直流時不一定必需接地。因此亦可例如對接地板115施加負DC電位，利用離子使放出二次電子，藉此作為對電漿供給電子之方法使用。
RF頻率低之自偏電壓會使鞘層阻抗增加而使大電壓產生。因此宜使其為例如約1MHz以下之相對較低之頻率。
本實施例中係將頻率400kHz之RF電力自RF電源122施加於被處理基板103。且為控制被處理基板103之溫度(特別是冷卻)，於固持台104設有其中有溫度控制用介質流動之流路116，且為固持固定被處理基板103，固持台104上設有未圖示之靜電吸盤電極。
圖1例中，固持台104因兼用為被處理基板103用電極而以導體構成，並設置環狀絕緣構件125，俾使包覆其周邊(此例中俾使其亦包覆被處理基板103之周邊)，而為處理室102壁構件之一部分。雖亦可以導電體構成，但會受到高能量離子之照射消耗劇烈，而成為對被處理基板103之污染或再現性惡化之原因。因此宜以耐電漿性優異之Al2 O3 或氧化釔等陶瓷構成，或是藉由以如此之陶瓷膜被覆表面之絕緣構件或導電構件構成。或是就構成構件或是作為被覆構件而言，使用與被處理基板103相同之材料，例如矽等。
且亦可不設置如圖1之環狀絕緣構件125，而如圖9所示，使固持台902本身作為與被處理基板903及RF電極901直徑相同之絕緣構件，並直接結合於處理室之壁構件(未經圖示)。又，此時宜實施噴敷Al2 O3 、Y2 O3 等耐電漿性優異之陶瓷等方法以形成例如厚1μm之絕緣保護層904，俾使RF電極901不露出於固持台側面部。
且如圖10所示，以耐電漿性優異之Al2 O3 、Y2 O3 等陶瓷構成固持台1002，使RF電極1001直徑與處理基板1003相同或小於處理基板1003，藉此使高能量離子所照射之區域實質上僅限定於 處理基板1003之方法亦有效。
且亦可如圖11所示，使固持台1102以小於處理基板1103之直徑由與RF電極1001直徑相同之絕緣構件構成。此時亦宜實施噴敷Al2 O3 、Y2 O3 等耐電漿性優異之陶瓷等之方法以在固持台側面部形成例如厚1μm之保護層1104，俾使RF電極1001不露出於側面部。
又，圖10、圖11之固持台1002、1102係直接結合處理室之壁構件(未經圖示)再加以使用。
在此回到圖1，為防止因電漿之熱負載而導致溫度上昇過大，宜以導熱係數高，電阻係數低之材質構成接地板115。本實施例中係使用Al合金(含有Zr及Mg之Al)。接地板115之暴露在電漿中之表面，由於受到來自電漿之大量離子之照射，因此宜形成有強固之保護膜。本實施例中係藉由使用非水溶液之陽極氧化形成厚0.5μm之Al2 O3 保護膜。保護膜不限於此，例如可為Y2 O3 之噴敷膜或以溶膠凝膠法實施之塗布膜，亦可以在Al2 O3 保護膜上更形成Y2 O3 之噴敷膜或溶膠凝膠塗布膜之方法進行。
且為迅速將因在接地板115表面離子與電子之再結合而產生之熱流去除，並為了正確控制接地板115溫度(特別是冷卻)，宜使溫度控制用介質在接地板115內部流動。本實施例中，係在接地板115內部設置介質流路120，使介質(特別是冷卻用介質，例如熱容大之氦氣、水與其他冷媒)流動於其中，藉此使溫度被控制在150℃。藉由正確控制接地板115溫度，亦有抑制其周邊空間或被處理基板103溫度上昇之效果。
若於接地板115上形成保護膜，則最表面成為絕緣體，但此厚度相較於形成於接地板115與電漿之間之鞘層厚度相比，若為充分地薄，則形成於電漿與接地板115之導體部分之鞘層阻抗與無保護膜之情形相比，幾乎不會有任何增加，因此接地板115作為對RF電力之接地可充分發揮功能。以下詳述。
以下述數式5賦予形成於接近電漿之物體表面之鞘層厚度d。
在此，V0 係電漿與物體之電位差(單位為V)，Te 係電子溫度(單位為eV)，λD 係由下述數式6所賦予之德拜長度。
在此，ne 係電漿電子密度。藉由此式得知若激發1012 cm-3 之電漿，則鞘層厚度如圖3所示，為約40μm。為在不使電漿電位上昇之情形下使自偏壓有效率地產生於晶圓，需使接地板115與電漿之間之RF電力頻率中之阻抗下降。以C作為接地板115與電漿之間之電容時，此阻抗Z(為阻抗之絕對值)以Z=1/(2πfC)賦予之(f為電力頻率)。由此得知，Z與C成反比例之關係，因此盡量使C增大即可。
以d為鞘層厚度，t為保護膜厚度，εS 為保護膜之介電常數，則接地板115與電漿之間之電容C如下述數式7。
本實施例中，d=40μm，t=0.5μm，εS =9，因此C之減少量頂多約1%，因保護膜形成而導致之電漿電位上昇幾乎可以忽略。且藉由上式可得知即使形成數μm之保護膜，電位上昇亦幾乎可以忽略。
於圖1所示之噴淋板106正下方，藉由自輻射狀槽孔天線(亦即狹縫板)111所供給之頻率2.45GHz之微波，可以低電子溫度產生高密度電漿。
為防止微波侵入電漿中，宜設定微波功率，俾使對應頻率 2.45GHz之截止密度ω2 mε0 /e2 =7.5×1010 cm-3 以上。在此以ω為微波之角頻率，以ε0 為真空之介電常數，以m為電子質量，以e為元電荷。藉此，表面波模式之電漿穩定受到激發。且為防止該接地板115因微波電場而導致被加熱，以更穩定地進行電漿激發，宜盡量使電漿中之微波電場減弱。
微波電場侵入電漿之深度係藉由以下述數式9所決定之微波侵入到電漿內之侵入長度賦予其特徵，其中以ωpe 為由下述數式8所決定之電漿角頻率，式中，c為真空中之光速，而n為電子密度。
電漿角頻率與電子密度之0.5次方成比例增加，因此藉由增大電子密度可縮短該侵入長度以防止接地板115受到異常加熱，並可維持電漿穩定。亦即噴淋板106與接地板115之距離宜較該侵入長度為長。特別是該距離若長3倍以上，則到達接地板115之微波功率會成為通入功率之1%以下，因此可更加維持電漿穩定。
本實施例中，設定噴淋板106與接地板115之距離為50mm。因此激發電子密度為1.8×1011 cm-3 以上之電漿即可。
以下依序說明關於離子植入方法。例如若欲將離子植入MOS電晶體之源極/汲極區域，係藉由激發電漿，在欲形成p+層時形成BF2 +離子，在欲形成n+層時形成AsF2 +或PF2 +等離子，藉由產生於晶圓(被處理基板103)表面之自偏電壓使其加速，以將其打入晶圓。因此吾人使用氟化物氣體BF3 、AsF3 、PF3 以作為自電漿激發氣體供給端口117被導入處理室102之電漿激發氣體。使用例如二硼烷(B2 H6 )之氫化物氣體會在激發電漿時形成如H+離子之輕離子，導致其被打入晶圓之深部區域而形成大量缺陷因此不宜。
又，雖亦可僅以氟化物氣體進行電漿激發，但若以氟化物氣體激發電漿，會產生F-離子，因此而成為電子少之電漿，因此為 使電子產生，以Ar離子稀釋之方法有效。惟此時需以植入後之退火處理使被打入之Ar確實脫附。
加上氟化物氣體，則可見如上述說明電漿之電子密度下降，電子密度在截止密度以下之現象。例如在將頻率2.45GHz之微波功率定為1.6kW/cm2 ，Ar與NF3 氣體之混合氣體總流量定為200sccm以激發電漿之情形下，於噴淋板下方75mm處測定電漿密度，則知雖然上述混合氣體中，NF3 氣體之比例若約為0~10%，電子密度維持高於7.5×1010 cm-3 之密度，但若在腔室壓力為400mTorr之情形超過10%、在壓力為300mTorr之情形下其約超過20%，則電子密度會降至7.5×1010 cm-3 之截止密度以下，腔室之電漿激發不穩定，微波不因電漿被反射而透射之並到達處理基板，終至對基板造成損害。然而，吾人亦確認若處理室內壓力下降至約100mTorr，則即使氟化物氣體比例到達約80%，電子密度亦幾乎不下降而可維持在截止密度以上，或者處理室內壓力下降至50mTorr，即使氟化物氣體比例到達約100%，電子密度亦幾乎不下降而可維持在截止密度以上。
且將微波功率提高至1.6kW/cm2 以上，在NF3 氣體100%，壓力100mTorr之情形下激發電漿時，於噴淋板下方75mm處測定電漿，可確認電子密度確實高於截止密度(功率2.5kW時約1.4×1011 cm-3 )，且電子溫度亦低(功率2.5kW時約1.3eV)，可進行電漿激發穩定且無充電損害之離子植入。
又，若以BF3 等氟化物氣體激發電漿，則會產生F自由基，此F自由基與被處理基板之Si反應而形成SiF4 ，SiF4 在常溫下會揮發，因此結果會導致係被處理基板之矽晶圓受到蝕刻。SiF4 之揮發溫度在壓力為76mTorr時為-160℃，因此若處理室內壓力為約76mTorr，則若被處理基板之溫度在-160℃以下，即可抑制此蝕刻。壓力即使在此以下，其若為液態氮(-196℃)之溫度則該溫度亦會在揮發溫度以下，因此若以液態氮冷卻基板，即可抑制自由基所造成之蝕刻。因此宜使液態氮在處理台104之溫度控制介質流路 116中流動。
離子植入係將帶正電荷之離子打入被處理基板之離子植入區域，因此帶負電荷之二次電子被打出，因此離子植入區域帶正電。若了為形成源極/汲極區域而打入離子時，需打入離子劑量1×1015 ~5×1015 cm-2 之離子。1次離子衝擊會使約10個二次電子被放出，因此會累積1×1016 ~5×1016 cm-2 之正電荷。
為使因離子植入而產生於閘極絕緣膜之電場強度減低，分1000次進行以滿足該離子劑量。亦即於激發微波電漿之狀態，以脈衝方式施加被處理基板之RF電力。僅於使RF電力導通時產生自偏電壓，進行離子植入。切斷RF電力時，藉由電漿中之電子去除帶電。總共進行劑量5×1015 cm-2 ，因此1次劑量為5×1012 cm-2 。植入能量為1.5keV，亦即將RF施加時產生之自偏電壓設定為1.5kV。此時B於Si中之射程在數nm以下，可形成極淺p+/n接面。惟以如此之能量區域使離子入射Si，由於相對於1個離子會使約10個二次電子被發射，因此總共有因電漿離子入射所造成之電荷植入量之約10倍之量帶正電。另一方面，以Ar與BF3 激發電漿之結果，F-離子與電子之比例中電子約占10%。因此為藉由1次之脈衝以電子中和晶圓上帶正電之電荷，需使脈衝間隔為脈衝寬度之約100倍。為在1分鐘期間內處理1片晶圓，將施加基板偏壓之脈衝寬度定為0.6ms，藉由電子使中和時間定為50.4ms。亦即每隔50.4ms即以0.6ms之脈衝施加400kHz之RF電力。被照射在晶圓上之離子中BF2 +約占1/3(其餘為Ar+)，因此所需之離子電流密度J設定為下述數式10。
電流密度係與電漿密度成比例，因此可藉由以激發電漿用微波電力使電漿密度變化之方法控制之。相對於RF施加時間非施加時間約為其100倍，因此可在不使其帶電之情形下進行離子植入。 更為一般而言，所需之離子電流密度J如下述數式11被賦予之。
在此D係劑量，e係元電荷，α係電漿離子中之植入離子比例，N係脈衝次數，Δt係脈衝寬度。又，在此植入離子雖定為一價電離者，但存在有多價離子時可將價數乘以元電荷e，分別就各價數之離子求取電流密度，再將其加總數值作為電流密度設定之即可。
實施例2
參照圖4至圖8，說明使用本發明離子植入方法製造裝置之例以作為本發明實施例2。又，與實施例1重複之部分省略說明。
圖4顯示使用本發明離子植入方法製造之PMOS電晶體400。使用圖5至圖8顯示製作製程。圖5係在閘電極511已形成於閘極絕緣膜512上之時點之剖面圖。閘電極511係多晶矽。首先依本發明以電漿離子植入，打入用以在p型矽基板401之n井513上形成輕摻雜汲極區域之BF2 +。將稀釋於Ar中之BF3 氣體導入圖1之處理室102以激發電漿。將施加基板偏壓之脈衝寬度定為0.6ms，藉由電子使其中和之時間為50.4ms，劑量為2×1014 cm-2 。因此離子電流設定為如下述數式12。
將基板偏壓定為0.7kV。RF電源122之RF電力頻率定為400kHz，因此其周期較BF2 +通過鞘層之時間長，因此BF2 +可完全追隨RF頻率，因此最大能量為基板偏壓之一倍而為1.4kV，可有效率地獲得離子能量。又，使液態氮流動於處理台104之溫度控制介質流路116中。其結果，將BF2 +打入至如圖5之501所示之深度方向約5nm之區域。其後，進行600℃，30分鐘之活化退 火，形成如圖6之601所示，載子濃度為1019 cm-3 之p型高濃度層。同時藉由此退火，使被打入之F與Ar脫附。其後，如圖7所示，以SiO2 形成側壁711於閘電極511之側壁後，為形成高濃度源極/汲極層，再次以與形成輕摻雜波極層時相同之方法，進行劑量5×1015 cm-2 之離子植入。惟離子電流設定為如下述數式13，定基板偏壓為1.6kV。
此時BF2 +亦可完全追隨RF頻率，因此最大能量成為基板偏壓之成倍而為3.2kV，可有效率地獲得離子能量。其結果，如圖7之701所示，將BF2 +離子打入深度方向約8nm之區域。其後進行600℃，30分鐘之活化退火，形成如圖8之801所示，載子濃度為2×1020 cm-3 之p型高濃度源極/波極層。其後如圖4所示，形成源極汲極801之接點用矽化物，形成層間絕緣膜411，形成接點開口、配線412，以製作PMOS電晶體400。已完全去除離子植入時之充電損害，因此可實現漏電電流低，遷移率高之電晶體。
本發明並不限定於以上說明之實施例，被處理體除矽基板外，亦可為需離子植入之其他半導體基板或其他材料，離子源氣體亦同，係可產生植入所需之離子者即可，激發電漿用氣體亦不限於Ar，可使用其他稀有氣體或其他氣體。且上述例中雖係將離子源氣體與激發電漿用氣體併用，或與激發電漿用氣體一齊透過噴淋板106自氣體供給端口117導入處理室102，但亦可以與激發電漿用氣體不同之通路將離子源氣體導入處理室102。
以上雖已藉由實施例說明本發明，但本發明並不限定於實施例之構成、數字。例如微波頻率不限於2.45GHz，亦可例如為915MHz，電漿激發氣體亦不限於Ar與氟化物(BF3 或AsF3 等)之混合氣體，亦可僅為氟化物(BF3 或AsF3 等其一或多數)氣體。
重要的是本發明之特徵在於其包含： 可減壓之處理室；在該處理室內激發電漿之機構；固持台，設於該處理室內，用以固持被處理基板；導體構件，設於該處理室內與該固持台對向之位置，具有可使該電漿朝該固持台方向透射之部分；及對被固持於該固持台上之該被處理基板施加基板偏壓用RF電力之機構；且該導體構件相對於該RF電力之頻率電性接地。
又，要緊的是激發該電漿之機構，宜包含自微波源均勻發射微波之RLSA天線與在處理室內均勻釋放激發電漿用氣體之噴淋板，使處理室內壓力在約100mTorr以下，而確實確保電漿中之電子密度超過截止密度，間歇性地對基板供給約400kHz之RF偏壓電力，以藉由電漿中之電子在非施加時進行中和，接地板對於基板偏壓之RF電力頻率接地以使其在不使電漿電位上昇之情形下確實使約1kV~5kV之自偏壓產生於基板。
 【產業上利用性】
依本發明之不易發生充電損害之離子植入裝置及離子植入方法，不限於使用在製造實施例之PMOS電晶體，亦可使用於製造其他半導體裝置、LSI、其他需離子植入之電子裝置。
c‧‧‧真空中之光速
C‧‧‧接地板115與電漿之間之電容
D‧‧‧劑量
d‧‧‧鞘層厚度
e‧‧‧元電荷
f‧‧‧電力頻率
J‧‧‧離子電流密度
m‧‧‧電子質量
N‧‧‧脈衝次數
n‧‧‧電子密度
ne ‧‧‧電漿電子密度
t‧‧‧保護膜厚度
Te ‧‧‧電子溫度
V0 ‧‧‧電漿與物體之電位差
Z‧‧‧阻抗
α‧‧‧電漿離子中之植入離子比例
Δt‧‧‧脈衝寬度
ε0 ‧‧‧真空之介電常數
εS ‧‧‧保護膜之介電常數
λD ‧‧‧德拜長度
ω‧‧‧微波之角頻率
ω2 mε0 /e2 ‧‧‧截止密度
ωpe ‧‧‧電漿角頻率
101‧‧‧排氣端口
102‧‧‧處理室
103、903、1003、1103‧‧‧被處理基板(處理基板)
104、902、1002、1102‧‧‧固持台(處理台)
105‧‧‧氣體釋放孔
106‧‧‧噴淋板
107、109‧‧‧密封環
108‧‧‧蓋板
110‧‧‧空間
111‧‧‧狹縫板(輻射狀槽孔天線)
112‧‧‧慢波板
113‧‧‧同軸導波管
114‧‧‧冷卻用流路
115‧‧‧接地板
116‧‧‧溫度控制媒體介質流路
117‧‧‧電漿激發氣體供給端口(氣體供給端口)
118‧‧‧供給孔
120‧‧‧媒體介質流路
121‧‧‧透射窗
122‧‧‧RF電源
123‧‧‧金屬板
124‧‧‧多孔質陶瓷層
125‧‧‧環狀絕緣構件
201‧‧‧矩陣狀透射窗
202‧‧‧環狀透射窗
400‧‧‧PMOS電晶體
401‧‧‧p型矽基板
411‧‧‧層間絕緣膜
412‧‧‧配線
501‧‧‧深度方向約5nm之區域
511‧‧‧閘電極
512‧‧‧閘極絕緣膜
513‧‧‧n井
601‧‧‧p型高濃度層
701‧‧‧深度方向約8nm之區域
711‧‧‧側壁
801‧‧‧p型高濃度源極/汲極層(源極汲極)
901、1001‧‧‧RF電極
904、1104‧‧‧絕緣保護層(保護層)
圖1係顯示依本發明實施形態之離子植入裝置之概略剖面圖。
圖2(a)、(b)係顯示依本發明實施形態之離子植入裝置重要部位之俯視圖。
圖3係顯示電漿密度與德拜長度、鞘層厚度之關係表。
圖4係顯示使用依本發明實施形態之離子植入方法所形成之半導體裝置概略剖面圖。
圖5係用以說明形成圖4之半導體裝置之製程之概略剖面 圖。
圖6係用以說明形成圖4之半導體裝置之製程之概略剖面圖。
圖7係用以說明形成圖4之半導體裝置之製程之概略剖面圖。
圖8係用以說明形成圖4之半導體裝置之製程之概略剖面圖。
圖9係顯示依本發明實施形態之離子植入裝置之其他重要部位之概略剖面圖。
圖10係顯示依本發明實施形態之離子植入裝置之其他重要部位之概略剖面圖。
圖11係顯示依本發明實施形態之離子植入裝置之其他重要部位之概略剖面圖。
101‧‧‧排氣端口
102‧‧‧處理室
103‧‧‧被處理基板(處理基板)
104‧‧‧固持台(處理台)
105‧‧‧氣體釋放孔
106‧‧‧噴淋板
107、109‧‧‧密封環
108‧‧‧蓋板
110‧‧‧空間
111‧‧‧狹縫板(輻射狀槽孔天線)
112‧‧‧慢波板
113‧‧‧同軸導波管
114‧‧‧冷卻用流路
115‧‧‧接地板
116‧‧‧溫度控制介質流路
117‧‧‧電漿激發氣體供給端口(氣體供給端口)
118‧‧‧供給孔
120‧‧‧介質流路
121‧‧‧透射窗
122‧‧‧RF電源
123‧‧‧金屬板
124‧‧‧多孔質陶瓷層
125‧‧‧環狀絕緣構件

Claims (19)

  1. 一種離子植入裝置，包含：可減壓之處理室；電漿激發機構，在該處理室內激發電漿；固持台，設於該處理室內，用以固持被處理基板；接地板，設於該處理室內該固持台上方與該固持台對向之位置，具有可使該電漿朝該固持台方向透射之部分；及RF電力施加機構，連接於該固持台，並設為對被固持於該固持台上之該被處理基板施加基板偏壓用RF電力；且該接地板相對於該RF電力之頻率電性接地。
  2. 如申請專利範圍第1項之離子植入裝置，其中該電漿激發機構包含：激發電漿用電力供給機構，對該處理室內供給激發電漿用電力；及激發電漿用氣體供給機構，對該處理室內供給激發電漿用氣體。
  3. 如申請專利範圍第2項之離子植入裝置，其中該激發電漿用氣體包含用以植入該被處理基板之離子源氣體。
  4. 如申請專利範圍第2項之離子植入裝置，其中該激發電漿用電力之頻率係位於微波區域。
  5. 如申請專利範圍第2項之離子植入裝置，其中對該處理裝置內供給激發電漿用電力之機構，包含：微波源、平板狀天線，與自該微波源對該天線傳達微波之機構；該天線係設置於隔著介電材料板與該固持台對向之位置，自該天線發射之微波穿透該介電材料板照射該處理室內之該激發電漿用氣體以使電漿產生。
  6. 如申請專利範圍第5項之離子植入裝置，其中供給該激發電漿用氣體之機構，包含：氣體導入端口，與通過該介電材料板內對該處理室內釋放該激發電漿用氣體之多數氣體通路；該激發電漿用氣體在其由該介電材料板被釋放至該處理室內之空間或其附近產生該電漿。
  7. 如申請專利範圍第2項之離子植入裝置，其中，於該處理室內，在該接地板之與該固持台相反側的空間中之該電漿之電子密度，較由ω2 m ε0 /e2 所決定之截止密度為高(前式中，ω為該激發 電漿用電力之角頻率，ε0 為真空之介電常數，m為電子質量，e為元電荷)。
  8. 如申請專利範圍第4項之離子植入裝置，其中該激發電漿用氣體包含氟化物氣體，且該處理室內之壓力係設定為可使在該接地板之與該固持台相反之一側處理室空間中之該電漿的電子密度維持為較由ω2 m ε0 /e2 所決定之截止密度更高之密度(前式中，ω為該微波之角頻率，ε0 為真空之介電常數，m為電子之質量，e為元電荷)。
  9. 如申請專利範圍第6項之離子植入裝置，其中，在該處理室內，於該接地板之與該固持台相反側的空間中，該電漿透過電漿鞘層接近該介電材料板之該接地板側之位置的電漿之電子密度，較由ω2 m ε0 /e2 所決定之截止密度為高(前式中，ω為供給該天線之微波角頻率，ε0 為真空之介電常數，m為電子質量，e為元電荷)。
  10. 如申請專利範圍第6項之離子植入裝置，其中，當藉由下述數式1所決定之電漿角頻率定為ωpe ，而供給該天線之微波角頻率定為ω時，該介電材料板與該接地板間之距離，較藉由下述數式2所決定之微波之侵入深度更長： (其中，n係在該處理室內，於該電漿透過電漿鞘層接近該介電材料板之該接地板側之位置的電漿之電子密度，ε0 係真空之介電常數，m係電子質量，e係元電荷)； (其中，c係真空中之光速)。
  11. 如申請專利範圍第6項之離子植入裝置，其中，將藉由下述數式3所決定之電漿角頻率定為ω，而供給該天線之微波角頻率定為ω時，相較於藉由下述數式4所決定之微波之侵入深度，該 介電材料板與該接地板間之距離長3倍以上 (其中，n係在該處理室內，該電漿透過電漿鞘層接近該介電材料板之該接地板側之位置的電漿之電子密度，ε0 係真空之介電常數，m係電子質量，e係元電荷) (其中，c係真空中之光速)。
  12. 如申請專利範圍第5項之離子植入裝置，其中該天線係輻射狀槽孔天線。
  13. 如申請專利範圍第1項之離子植入裝置，其中該接地板以直流之方式電性接地。
  14. 如申請專利範圍第1項之離子植入裝置，其中該處理室內壁中至少接近該電漿之部分與該接地板之表面，係由金屬氧化物及金屬氮化物其中至少一者所被覆。
  15. 如申請專利範圍第1項之離子植入裝置，其中於該接地板之內部設有供溫度控制用介質流動之機構。
  16. 如申請專利範圍第1項之離子植入裝置，其中該RF電力頻率之周期，較長於在形成於該被處理基板表面之電漿鞘層中自該電漿流出之植入原子離子或植入分子離子到達該被處理基板之時間。
  17. 如申請專利範圍第6項之離子植入裝置，其中於該多數氣體通路之氣體釋放部分設有多孔質陶瓷構件，自該多孔質陶瓷構件將電漿激發氣體導入到處理室內。
  18. 如申請專利範圍第6項之離子植入裝置，其中該多數氣體通路之氣體釋放孔的直徑為形成於該介電材料板與該電漿間之鞘層厚度之2倍以下，自該氣體釋放孔將電漿激發氣體導入到處理室內。
  19. 如申請專利範圍第1項之離子植入裝置，其中更包含冷卻該固持台之機構。
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