TWI576900B - 離子植入系統、用於離子植入器之設備以及用於離子植入器之方法 - Google Patents

離子植入系統、用於離子植入器之設備以及用於離子植入器之方法 Download PDF

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Description

離子植入系統、用於離子植入器之設備以及用於離子植入器之方法
本發明大致關於半導體裝置製造和離子植入，尤其關於改善離子植入器之離子來源效能和延長壽命的方法。
離子植入是製造半導體裝置時用於把摻雜物選擇性植入半導體和/或晶圓材料的物理過程。因此，植入的作用並不依賴摻雜物和半導體材料之間的化學交互作用。為了離子植入，摻雜物原子/分子被離子化、加速、形成束、解析、掃過晶圓，或者晶圓掃過此束。摻雜物離子物理轟炸晶圓、進入表面並且停留於表面底下，其深度關聯於離子的能量。
參見圖1，系統100包括離子來源102以沿著束路徑來產生離子束。束線組件110提供於離子來源102的下游以從它接收該束。束線系統110可以包括(未顯示)質量解析器、加速結構(其舉例而言可以包括一或更多個間隙)、角度能量過濾器。束線組件110的位置乃沿著路徑以接收該束。質量解析器包括場產生構件(例如磁鐵)並且操作以提供跨越束路徑的場，如此以依據質量(譬如電荷對質量的比例)而在變化的軌道來從離子束偏折離子。行經磁場的離子則經歷了力，其把想要質量的個別離子導向沿著束路徑，並且把不想要質量的離子偏折離開束路徑。
處理腔室112提供於系統100中，它包含從束線組件接收離子束並且沿著路徑支持一或更多個工件114(例如半導體晶圓)的標靶位置，以便使用最終質量解析的離子束來植入。處理腔室112則接收導向工件114的離子束。可以體會系統100可採用不同類型的處理腔室112。舉例而言，「批次」型的處理腔室112可以同時支持多個工件114於旋轉支持結構上，其中工件114旋轉經過離子束的路徑，直到所有工件114都完全植入為止。另一方面，「序列」型的電漿腔室114支持單一工件114而沿著束路徑做植入，其中以序列的方式而一次一個地植入多個工件114，每個工件114完全植入之後才開始植入下一個工件114。處理腔室112也可以包括掃描設備以相對於工件來移動束，或者相對於束來移動工件。
離子植入器中的離子來源典型藉由把來源腔室裡的來源氣體(其成分是想要的摻雜物元素)離子化並且抽取離子化的來源氣體而成離子束的形式來產生離子束。離子化的過程是由激發器所進行，其可以採取發熱加熱細絲、細絲加熱陰極(間接加熱陰極(indirectly heated cathode，IHC))或射頻(radio frequency，RF)天線的形式。
來源氣體所包括之想要的摻雜物元素範例尤其可以包括碳、氧、硼、鍺、矽。使用碳的興趣正在增加，其可以利用於許多植入步驟，例如材料改質。用於碳植入之最常見的前驅物來源氣體包括二氧化碳和一氧化碳。
於建構圖1所示範的離子來源腔室，耐火金屬(例如鎢和鉬)通常用於形成腔室102的陰極和內壁表面。於利用二氧化碳或一氧化碳來源氣體來產生碳離子的期間，自由的氧原子乃產生於離子腔室中，並且與建構電極、腔室襯墊、腔室本體、電弧狹縫的材料反應。腔室102將與自由的氧離子反應而形成鎢和鉬的氧化物，其累積在這些表面上並且有害地影響離子來源的效率而毒化了腔室102。
為了抵抗此種效應，已知隨著二氧化碳來源氣體來流動共同氣體以減輕自由氧的破壞傾向。用於此目的之共同氣體尤其包括膦(PH3)。然而，例如膦的共同氣體對離子來源增加了氣流和壓力，卻沒有添加任何可用的前驅材料，而又比其他的替代品更昂貴、更毒。
以下提出簡化的綜述以便提供對本發明一或更多方面的基本理解。本節不是窮盡本發明的概觀，並且既非想要指定本發明的關鍵或重要構成，也不想要限定其範圍。本節的主要目的反而是要以簡化形式來呈現本發明的一些概念，而做為稍後提出之更詳細描述的序言。
本發明的諸方面藉由移除含碳的來源氣體之解離和離子化所產生的氧原子(其可以氧化(毒化)離子來源)而有助於離子植入處理，藉此減少陰極發射的電子。因而增加離子來源的束流以及壽命。在此揭示了執行本方法所關聯的設備和離子植入系統。
為了完成前述和相關方面，本發明包括下文完整敘述和特別於申請專利範圍中指出的特色。以下的敘述和附圖詳細列出本發明特定示範的方面和實施。然而，這些只是指示性的，並且只是可以採用本發明原理之多樣方式中的一些而已。當配合圖式考慮本發明以下的詳細描述時，本發明的其他目的、優點、新穎的特色將變得明顯。
本發明現在將參考附圖來描述，其中全篇使用相同的參考數字來指稱相同的元件。熟於此技藝者將體會本發明並不限於下文所示範和敘述的範例性實施和方面。
先參見圖2，適合實施本發明一或更多方面的離子植入系統200乃以方塊圖的形式所顯示。
系統200包括離子來源組件202以沿著束路徑來產生離子束204。舉例而言，離子束組件202包括離子來源腔室206和關聯的電源208。舉例而言，離子來源腔室206可以包括比較長的電漿侷限腔室，而由此抽取和加速離子束。定位抽取電極207以從離子來源腔室206抽取離子束。
包含含碳之來源氣體的來源氣體供應216乃經由共同的入口224而耦合於離子來源腔室206。來源氣體供應可以包括含碳的來源氣體，例如二氧化碳或一氧化碳。氣流調節器218控制來源氣體216對離子來源腔室206的量和速率。包含氫共同氣體的共同氣體供應220乃經由共同的入口224而耦合於離子來源腔室206。氣流調節器222控制要供應到離子來源腔室206之共同氣體的量和速率。
於離子來源腔室206的操作期間，含碳的來源氣體216和氫共同氣體220經由入口224而引入離子來源腔室206。含碳的來源氣體216被解離和/或離子化以形成包含碳離子和氧離子的帶電粒子電漿。自由的氧離子與氫共同氣體220反應以形成水分子和氫氧化物，其藉由真空幫浦系統234而從腔室206移除。
圖2B~2C示範本發明另外可選擇的具體態樣。前面的具體態樣是從分開的供應來獲得來源氣體216和共同氣體220，並且在進入離子來源腔室206之前於入口224混合，但也構思出來源氣體216和共同氣體220可以獲得為預先混合的產物，並且以一種產物來供應到離子來源腔室206，如圖2B所示範。在此，來源氣體和共同氣體的混合物226以單一來源所供應，而關聯的氣流計228控制混合物226進入離子來源腔室206的速率和流動。單一來源226經由入口224進入離子來源腔室206。
於離子來源腔室206的操作期間，含碳的來源氣體和共同氣體混合物226經由入口224而釋放到離子來源腔室206裡。含碳的來源氣體被解離和/或離子化以形成包含碳離子和氧離子的帶電粒子電漿。自由的氧離子與來自共同氣體的氫離子反應以形成水分子和氫氧化物，其藉由真空幫浦系統234而從腔室206移除。
圖2C示範進一步的具體態樣，其中提供二分開的入口230、232，一個用於來源氣體216，另一個用於共同氣體220。氣體216、220然後混合於離子來源腔室206。來源氣體216的氣流計218和共同氣體220的氣流計224分別控制氣體經由入口230和232流動進入離子來源腔室206。
圖3是依據本發明某方面來示範改善離子植入器之利用含碳來源氣體的離子來源效能和延長壽命之方法300的流程圖解。方法300於離子植入系統的操作期間採用氫共同氣體，以便有助於移除利用含碳的來源氣體所產生的自由氧離子。上面的圖式和敘述也可以參考方法300以用於進一步描述。
方法300開始於方塊302，其中供應含碳的來源氣體和氫共同氣體。方法繼續於306，其中來源氣體和共同氣體饋入離子來源腔室，而在308，由陰極所發射的電子便加速和使離子來源腔室裡之來源氣體的氣體分子離子化，以裂解來源氣體和生成想要的離子。在310，氫共同氣體與自由的氧離子反應以形成水或氫氧化物。離子化的碳離子、碳同位素、氧則在312抽取。在314，水和氫氧化物分子則由真空幫浦系統所移除。在316，抽取的碳離子從離子束植入工件。
含碳的來源氣體和氫共同氣體所選擇的流速可加以變化，如此以移除最大量的氧離子而不有害地影響束流。共同氣體的供應量至少部分可以藉由於操作期間分析束組成而決定。圖4示範利用二氧化碳做為來源氣體而有多種比例的氫氣之離子植入方法的質譜圖。於所有情況，碳12的質量尖峰已經正規化為相同的數值。在CO2為3 sccm的固定流動下，H2的流動從0 sccm變化到4 sccm。在每種流動程度下取得質譜以監視關鍵的AMU尖峰12(碳)、16(O)、28(CO)。隨著H2增加，AMU尖峰16和28都相對於碳尖峰而減少，此指出氧與氫共同氣體反應。在AMU 16的尖峰/最大處往右位移(往更高的AMU)則進一步證實這一點。此肩部是在AMU 17形成了氧化氫(氫化物)和在AMU 18形成了H2O。
圖5是在碳12和其他有興趣之尖峰下從多種比例的共同氣體所得到之真實束流的圖形。此圖也顯示碳束流的傳輸(定義為束流除以抽取電流和抑制電流的差)為氣體混合物之碳流量的函數。使用無共同氣體做為基準線來做束調控，則看到增加氫的流動乃改善氫和氧之間的還原反應，而所有其他的尖峰(O和CO)強度則減少。當傳輸繼續隨著氫增加而爬升時，碳束流在不同的氫流動下則保持幾乎不變，直到它開始在3 sccm處變差為止，這指出引入了太多的共同氣體。於此特別情況，最佳的比例顯得是3：2 sccm的流動設定，因為束流在H2流動為1和3 sccm之間基本上是固定不變的。這設定使陰極、排斥器和其他腔室內部構件的氧化減到最少。藉由使氧與共同氣體反應掉，戲劇性地增加了電弧腔室的壽命，附帶的利益是在來源壽命中有穩定的束流。
為了簡化解釋，雖然方法300乃顯示和描述成序列地執行，但是要了解和體會本發明並不限於所示範的次序，因為依據本發明，某些方面或可與在此顯示和描述之其他方面以不同次序和/或同時來發生。舉例來說，構思出含碳的來源氣體和氫共同氣體流動進入離子來源腔室可以同時發生。於另一具體態樣，構思出這些氣體的流動可以依序發生，使得含碳的來源氣體引入離子來源腔室，接著含氫的共同氣體再流入離子來源腔室。再者，依據本發明某方面，可以並非需要所有示範的特色或方塊來實施此方法。
雖然本發明已關於一或更多個實施來示範和敘述，但是熟於此技藝的其他人士在閱讀和了解本說明書和所附圖式時將會知道均等的變化和修改。尤其關於上述構件(組件、裝置、線路、系統...等)所執行的各式各樣功能，除非另外指出，否則用於描述此種構件的辭彙(包括參考於「機構」)打算對應於執行所述構件之指定功能的任何構件(譬如其係功能上均等的)，即使其結構上不均等於執行在此示範本發明範例性實施之功能所揭示的結構。此外，雖然本發明的特色可能已關於幾種實施中的僅僅一種而揭示，但是此等特色可以組合以其他實施的一或更多個其他特色，而如可能想要的和有利於任何給定或特殊應用。再者，就「包含」、「含有」、「具有」、「有」、「帶有」或其變化用語在【實施方式】和申請專利範圍所使用的程度而言，此等用語打算是以類似於「包括」一詞的方式而為涵括性的。此外，「範例性」一詞打算是指出範例，而非指出最好的或較佳的方面或實施。
100．．．離子植入系統
102．．．離子來源腔室
110．．．束線系統
112．．．處理腔室
114．．．工件
200．．．離子植入系統
202．．．離子來源組件
204．．．離子束
206．．．離子來源腔室
207．．．抽取電極
208．．．電源
212．．．處理腔室
214．．．工件
216．．．來源氣體
218．．．氣流調節器
220．．．共同氣體
222．．．氣流調節器
224．．．共同入口
226．．．混合物
228．．．氣流調節器
230、232．．．入口
234．．．真空幫浦系統
300．．．方法
圖1是適合實施本發明一或更多方面而呈方塊圖形式的離子植入系統。
圖2A是示範依據本發明某方面的離子來源組件之一具體態樣的離子植入系統。
圖2B是示範依據本發明某方面的離子來源組件之另外可選擇的具體態樣的離子植入系統。
圖2C是示範依據本發明某方面的離子來源組件之進一步具體態樣的離子植入系統。
圖3是示範依據本發明某方面之方法的流程圖解。
圖4是示範依據本發明某方面的二氧化碳/氫在多種比例之氫下的質譜圖。
圖5是示範依據本發明某方面之來自多種比例的氫共同氣體之真實束流的圖形。
200‧‧‧離子植入系統
202‧‧‧離子來源組件
204‧‧‧離子束
206‧‧‧離子來源腔室
207‧‧‧抽取電極
208‧‧‧電源
212‧‧‧處理腔室
214‧‧‧工件
216‧‧‧來源氣體
218‧‧‧氣流調節器
220‧‧‧共同氣體
222‧‧‧氣流調節器
224‧‧‧共同入口
234‧‧‧真空幫浦系統

Claims (19)

  1. 一種用以改善束流的離子植入系統，其包括：離子來源組件，其包括含碳的來源氣體和關聯的氣流控制器、氫共同氣體和關聯的氣流控制器以及離子來源腔室；束線組件，其從離子來源接收離子束和處理離子束；以及標靶位置，其從該束線組件接收該離子束；其中來自該氫共同氣體的氫離子與來自該來源氣體的氧離子反應，以減少腔室中毒並增加離子來源壽命。
  2. 如申請專利範圍第1項的系統，其中該含碳的來源氣體包括二氧化碳或一氧化碳。
  3. 如申請專利範圍第1項的系統，其中該含碳的來源氣體和該氫共同氣體同時引入該離子來源腔室。
  4. 如申請專利範圍第1項的系統，其中該含碳的來源氣體和該氫共同氣體依序引入該離子來源腔室。
  5. 如申請專利範圍第2項的系統，其中該含碳的來源氣體和該氫共同氣體在引入該離子來源腔室之前預先混合。
  6. 如申請專利範圍第1項的系統，其進一步包括真空幫浦系統，以從該離子來源腔室移除水分子和氫氧化物。
  7. 一種用以改善離子植入器之離子來源效能的設備，其包括：來源氣體控制器，其控制含碳的來源氣體對離子來源腔室的供應和速率；以及 氫共同氣體控制器，其控制氫氣來源對離子來源腔室的供應和速率；其中來自該氫共同氣體的氫離子與來自該來源氣體的氧離子反應，以減少腔室中毒和增加離子來源壽命。
  8. 如申請專利範圍第7項的設備，其中該來源氣體控制器和該氫共同氣體控制器是分開的控制器。
  9. 如申請專利範圍第7項的設備，其中該來源氣體控制器和該氫共同氣體控制器是相同的控制器。
  10. 如申請專利範圍第7項的設備，其中該來源氣體和該氫共同氣體經由分開的入口而供應到該離子來源腔室。
  11. 如申請專利範圍第7項的設備，其中該來源氣體和該氫共同氣體經由共同入口而供應到該離子來源腔室。
  12. 如申請專利範圍第11項的設備，其中該來源氣體和該氫共同氣體從單一來源供應到該離子來源腔室。
  13. 一種增加離子植入器之離子來源壽命的方法，其包括：把氣態物質引入該離子植入器的離子來源腔室，該氣態物質包括含碳的物種；把氫共同氣體引入該離子植入器的該離子來源腔室；激發該腔室裡的含碳氣態物種，以生成解離和離子化之碳和氧成分的電漿；以及使該含碳氣態物種之解離和離子化的氧成分與該氫共同氣體反應，以減少離子來源腔室中毒並增加離子來源壽命。
  14. 如申請專利範圍第13項的方法，其中包括含碳物種的該氣態物質包括二氧化碳或一氧化碳。
  15. 如申請專利範圍第13項的方法，其中該氫共同氣體與氧反應以產生水或氫氧化物。
  16. 如申請專利範圍第13項的方法，其中該氣態物質和該氫共同氣體同時引入該離子來源腔室。
  17. 如申請專利範圍第13項的方法，其中該含碳的來源氣體和該氫共同氣體依序引入該離子來源腔室。
  18. 如申請專利範圍第13項的方法，其中氣態物質和氫共同氣體在引入離子來源腔室之前預先混合。
  19. 如申請專利範圍第15項的方法，其中該水或該氫氧化物是藉由真空幫浦系統而從該離子來源腔室所移除。
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