TWI579882B - 用以改善離子來源效能之系統、設備及方法 - Google Patents
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Description
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，離子植入器或離子植入系統典型包括三個區塊或子系統：(i)離子來源腔室102，其包含離子來源以輸出離子束，(ii)束線組件110，其包括質量解析磁鐵以質量解析離子束，以及(iii)處理腔室112，其包含從束線組件接收離子束而要被離子束植入的標靶位置，例如半導體晶圓114或其他基板。朝向更小半導體裝置的持續趨勢則須要束線架構用來在低能量下傳遞高束電流。高束電流提供必需的計量程度，而低能量則允許淺植入。舉例而言，半導體裝置中的源極/汲極接面需要此種高電流、低能量的應用。
離子植入器中的離子來源典型藉由把來源腔室102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。離子來源可以採取感應加熱陰極(inductively heated cathode，IHC)的形式，其典型利用於高電流的離子植入儀器。
來源氣體所包括之想要的摻雜物元素範例包括硼(B)、鍺(Ge)、磷(P)或矽(Si)。舉例而言，來源氣體可以是含氟氣體，尤其例如三氟化硼(BF3)、四氟化鍺(GeF4)、三氟化磷(PF3)或四氟化矽(SiF4)。
當離子來源是以分子態的來源氣體所操作時，常常產生想要植入物種以外的物種，其由於來源氣體的解離/離子化期間所產生之這些物種的累積或腐蝕性質而導致離子來源失效。這些當中的某些物種可能具有極低的蒸氣壓，結果便凝結在來源的內部表面上。舉例而言，這些固態沉積物隨著時間藉由改變壁的電特性或部分阻擋離子來源電極孔洞而可能干擾離子來源操作，因而減少可用的離子電流。
用於鍺和硼離子植入之離子來源的壽命降低可以歸咎於四氟化鍺(GeF4)和三氟化硼(BF3)來源氣體的解離期間所生成的自由氟基根。這些氟基根與耐火金屬(例如鎢和鉬)反應，而耐火金屬通常用於建構離子來源腔室以便在700°C或更高的操作高溫下提供結構整合性。六氟化鎢(WF6)或氟化鉬(MoF6)分子在熱表面上分解並且凝結在陰極表面，此已知為鹵素循環。WF6和MoF6分子各產生六個額外的自由氟基根，因而加速WF6和MoF6形成。這些分子在不存在還原劑以剝除氟原子的情況下，不會於腔室表面上自動分解。鎢和鉬分子累積於陰極表面上，此增加陰極尺寸並且導致陰極表面的電子發射惡化。
此外，離子來源腔室102裡過多的自由氟基根可以導致腔室殼罩材料和內部構件被蝕刻。易碎的柱狀結構堆積並且斷掉，而藉由橋接陰極或排斥器至接地或者被射入抽取/抽取抑制高電壓場而造成放電。此材料然後可以沿著束線向下傳輸到晶圓。已顯示離子來源腔室裡所產生的材料或碎屑可能被抽取和傳輸到基板。這些顆粒對半導體裝置的產出有直接的影響。
一種移除這些沉積物的方法是費時的過程，其在預先決定的時程而從系統移除離子來源並且物理清潔該來源或者流動氣體物種以濺射清潔電弧腔室。這方法不是非常有效，並且於任一情況皆嚴重衝擊著工具的生產力。另一種方法是使高度反應性氣體流動經過來源而當場清潔來源，其中選擇氣體物種以使氟氣體基根在它們可以攻擊內部和外部離子來源構件之前便被捕捉並且抽走。
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提供改善離子植入器之離子來源效能的方法而有助於離子植入處理，其中把至少一種共同
氣體連同含氟的摻雜物氣體來源一起引入離子來源腔室，該共同氣體與來源氣體之解離和離子化的氟成分反應，以減少對離子來源腔室的損害以及增加離子來源壽命。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以沿著束路徑產生離子束204。舉例而言，離子來源組件202包括帶有關聯之電源208的電漿來源206。電漿來源206舉例而言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。
含氟的摻雜物氣體來源216的供應乃經由入口224而耦合於離子來源腔室206。摻雜物氣體控制器218操作上控制摻雜物氣體來源216進入離子來源腔室206的流動和速
率。至少一種共同氣體220的供應乃經由入口224而耦合於離子來源腔室206。共同氣體控制器222操作上控制要供應到離子來源腔室206之共同氣體的流動和速率。
含氟的摻雜物氣體可以包括三氟化硼(BF3)、四氟化鍺、(GeF4)、三氟化磷(PF3)或四氟化矽(SiF4)當中一或更多者。至少一種共同氣體可以包括氫(H2)或氪(Kr)當中一或更多者。
於離子來源腔室206的操作期間，含氟的摻雜物氣體來源216和至少一種共同氣體220經由入口224而引入離子來源腔室。含氟的摻雜物氣體來源216解離和/或離子化以形成帶電粒子的電漿，其包含摻雜物離子和氟化物離子。自由的氟化物離子與氫共同氣體220反應以形成氟化氫分子，其藉由從離子來源腔室體及其構件之間的電弧狹縫和/或間隙逃脫而從腔室206移除。一部分帶正電的分子則由抽取電極207所抽取並傳輸到AMU束導引器。於二種情形，其皆由真空幫浦系統234所抽走。
圖2B~2D示範本發明另外可選擇的具體態樣。前面的具體態樣是從個別的供應來得到含氟的摻雜物氣體來源和至少一種共同氣體以及在進入離子來源腔室206之前先於入口224混合，不過也構思出共同氣體包括多於一種的共同氣體(譬如氫和氪)，該共同氣體來源可以獲得為預先混合的產物，並且供應到離子來源腔室而成單一產物，如圖2B所示範。於圖2B，離子植入系統200包括離子來源組件202，其包括含氟的摻雜物氣體來源216和供應於單一來源
226的共同氣體混合物。含氟的摻雜物氣來源體216經由入口224供應到離子來源腔室206，而摻雜物氣體控制器218控制摻雜物氣體來源216進入離子來源腔室206的流動和速率。共同氣體的單一來源混合物226經由入口224進入離子來源腔室206，而共同氣體控制器222控制混合物226進入離子來源腔室206的流動和速率。雖然圖2B的具體態樣示範含氟的摻雜物氣體來源216和共同氣體混合物226進入離子來源腔室206的單一入口224，但是也構思出氣體來源216和共同氣體混合物226可以經由分開的入口而進入離子來源腔室，譬如用於氣體來源216的入口和用於共同氣體混合物226的另一入口。
於離子來源腔室206的操作期間，含氟的摻雜物氣體來源216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。含氟的摻雜物氣體來源解離和/或離子化以形成帶電粒子的電漿，其包含摻雜物離子和氟化物離子。自由的氟化物離子與來自共同氣體混合物226的氫離子反應以形成氟化氫分子，其由真空幫浦系統234而從腔室206移除。共同氣體混合物226的氪氣體被離子化和加速到帶負電的陰極和排斥器。此撞擊導致陰極和排斥器原子從離子來源腔室206裡的那些重要表面濺射出來並且再沉積於其他較不重要的表面上。離子化的氪也做為離子化的氪經由抽取電極207而從電弧腔室抽取。中性氪離子則從電弧腔室構件之間的電弧狹縫和其他間隙漏出，並且由真空幫浦系統234抽走。
圖2C示範進一步具體態樣，其中提供分開的入口219、239、244：入口219用於來源氣體216、入口239用於氫共同氣體236、入口244用於氪共同氣體240。氣體216、236、240然後混合於離子來源腔室206。含氟的摻雜物氣體來源216進入離子來源腔室206的速率和流動是由摻雜物氣體控制器218所控制。氫共同氣體236經由入口239進入離子來源腔室206，其速率和流動是由共同氣體控制器238所控制。氪共同氣體240經由入口244進入離子來源腔室206，其速率和流動是由共同氣體控制器242所控制。
離子來源系統200的又一具體態樣則示範於圖2D，其中摻雜物氣體來源和相容的共同氣體混合物提供成單一來源246。含氟的摻雜物氣體和共同氣體的單一來源混合物246經由入口250進入離子來源腔室206，而控制器248控制混合物246進入離子來源腔室206的流動和速率。
圖3是示範依據本發明某方面用以改善離子植入器之離子來源效能和延長壽命的方法300流程圖解。方法300於離子植入系統的操作期間採用至少一種共同氣體，以便有助於移除當利用含氟的摻雜物氣體來源時所產生的自由氟化物離子。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，其中供應含氟的摻雜物氣體來源和至少一種共同氣體。方法繼續於306，其中把含氟的來源氣體和至少一種共同氣體引入離子來源腔室。在308，
使陰極發射的電子加速而使離子來源腔室裡之含氟摻雜物氣體來源的氣體分子離子化，以裂解含氟的摻雜物氣體並且生成想要的離子。在310，共同氣體與氟化物離子反應。在312，抽取離子化的摻雜物離子、摻雜物同位素、氟化物、氟化氫。解離和離子化的氟離子成分與至少一種共同氣體反應。於共同氣體包括氫的情形，則將形成氟化氫分子並且在314從離子來源腔室移除。不帶正電的氣體將從電弧腔室漏出，然後由真空幫浦系統抽走。在316，抽取的摻雜物離子從離子束植入工件，例如矽晶圓。
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，構思出含氟的摻雜物氣體和至少一種共同氣體流動到離子來源腔室裡係可以同時發生。於另一具體態樣，構思出這些氣體的流動可以依序發生，而使含氟的摻雜物氣體引入離子來源腔室裡，接著至少一種共同氣體再流動到離子來源腔室裡。此外，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。
達到最大束電流和最好生產力所需之至少一種共同氣體的選定流速可以憑經驗地建立。共同氣體的流動相較於含氟的摻雜物氣體來源太低，將不會有效移除自由氟離子以達到改善離子植入器之離子來源效能和延長壽命的利益。共同氣體的流動太高可能導致電漿裡的摻雜物離子產
出減少，並且減少可用的摻雜物離子電流。此外，組合氣體的流速太高將增加來源壓力，並且增加抽取電極發生電弧的風險。因此，想要移除最大量的氟化物基根而不有害地影響束電流。至少一種共同氣體的流速可以預先決定如下：定義出傳遞所需的束電流而不使用共同氣體的配方，然後漸增地引入共同氣體流動，直到束電流開始滑落為止。為了確保來源壽命中有穩定的束電流表現，該流動可以設定為低於該門檻某百分比。此外，該配方可以進一步驗證如下：執行AMU束質譜並且比較不想要的氣體減少對與共同氣體反應形成之後的所得氣體增加。以此方式，共同氣體進入離子來源腔室的速率和流動可以於離子植入系統的操作期間加以調整。
圖4示範的是圖形，其示範在amu-19(atomic mass unit-19)的氟尖峰和在amu-20的HF(Hydrogen Fluoride)尖峰，其中隨著共同氣體流速增加而F幅度(離子電流)減少並且HF增加。每種程度的共同氣體流動都進行質譜分析。該配方先不使用共同氣體而最佳化(如0sccm的氣體流動所示)。參見圖4，氟(amu 19)的最高尖峰在amu 19得到，而最小的HF尖峰在amu 20。隨著共同氣體流動增加，F尖峰減少並且HF尖峰增加。因此，確定在2.5sccm的共同氣體則束電流開始滑落，並且決定在2sccm來進行以確保離子來源腔室壽命中有穩定的束電流。
圖5是示範顆粒減少的圖形，其乃由於從電弧狹縫和電弧腔室襯墊移除了因為晶界被氟蝕刻所形成的柱狀W。
每次植入之後測量晶圓上大於0.065微米的顆粒量，以及測量根據本發明方法來移除形成的柱狀物之後所減少的顆粒(平均值)。
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‧‧‧束線組件
112‧‧‧處理腔室
114‧‧‧半導體晶圓
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‧‧‧半導體晶圓
216‧‧‧摻雜物氣體來源
218‧‧‧摻雜物氣體控制器
219‧‧‧入口
220‧‧‧共同氣體
222‧‧‧共同氣體控制器
224‧‧‧入口
226‧‧‧共同氣體混合物
234‧‧‧真空幫浦系統
236‧‧‧氫共同氣體
238‧‧‧共同氣體控制器
239‧‧‧入口
240‧‧‧氪共同氣體
242‧‧‧共同氣體控制器
244‧‧‧入口
246‧‧‧混合物
248‧‧‧控制器
250‧‧‧入口
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2D是示範依據本發明某方面的離子來源組件之又一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是示範在amu-19的氟尖峰和在amu-20的HF尖峰之圖形，其中隨著共同氣體流速增加而F的幅度(離子電流)減少並且HF增加。
圖5是示範顆粒減少的圖形，其乃由於從電弧狹縫和電弧腔室襯墊移除了因為晶界被氟蝕刻所形成的柱狀W。
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‧‧‧半導體晶圓
216‧‧‧摻雜物氣體來源
218‧‧‧摻雜物氣體控制器
220‧‧‧共同氣體
222‧‧‧共同氣體控制器
224‧‧‧入口
234‧‧‧真空幫浦系統
Claims (19)
- 一種用於離子植入器之離子來源之改善效能和延長壽命的離子植入系統，其包括：離子來源組件，其包括摻雜物氣體控制器、共同氣體控制器以及離子來源腔室，該摻雜物氣體控制器操作上控制含氟的摻雜物氣體來源進入該離子來源腔室的速率和流動，並且該共同氣體控制器操作上控制共同氣體進入該離子來源腔室的速率和流動，其中該共同氣體與該含氟的摻雜物氣體反應；束線組件，其從該離子來源接收離子束並且處理該離子束；以及標靶位置，其從該束線組件接收該離子束，其中操作上控制該共同氣體進入該離子來源腔室的速率和流動是藉由定義出傳遞所需的離子束電流而不使用共同氣體的配方，然後漸增地引入共同氣體流動，直到該離子束電流開始滑落為止來預先決定的。
- 如申請專利範圍第1項的系統，其中該共同氣體控制器從一或更多個共同氣體來源釋放該共同氣體到該離子來源腔室裡。
- 如申請專利範圍第2項的系統，其中該共同氣體和該含氟的摻雜物氣體同時釋放到該離子來源腔室裡。
- 如申請專利範圍第2項的系統，其中該共同氣體和該含氟的摻雜物氣體依序釋放到該離子來源腔室裡。
- 如申請專利範圍第2項的系統，其中操作上控制該共 同氣體進入該離子來源腔室的速率和流動是於該離子植入系統的操作期間加以調整。
- 如申請專利範圍第1項的系統，其中該含氟的摻雜物氣體來源包括三氟化硼、四氟化鍺、三氟化磷或四氟化矽當中一或更多者。
- 如申請專利範圍第1項的系統，其中該共同氣體包括氫。
- 如申請專利範圍第1項的系統，其中該共同氣體與該含氟的摻雜物氣體反應以形成氟化氫。
- 如申請專利範圍第8項的系統，其中該共同氣體進一步包括氪。
- 一種用以改善離子植入器之離子來源效能的設備，其包括：摻雜物氣體控制器，其把摻雜物氣體引入離子來源腔室，該摻雜物氣體包括含氟氣體；以及共同氣體控制器，其把至少一種共同氣體引入該離子來源腔室，該共同氣體與該摻雜物氣體中的氟反應以改善該離子來源的效能，其中操作上控制該共同氣體進入該離子來源腔室的速率和流動是藉由定義出傳遞所需的離子束電流而不使用共同氣體的配方，然後漸增地引入共同氣體流動，直到該離子束電流開始滑落為止來預先決定的。
- 如申請專利範圍第10項的設備，其中該至少一種共同氣體與該含氟的摻雜物氣體反應以產生氟化氫。
- 如申請專利範圍第10項的設備，其中該共同氣體包括氫。
- 如申請專利範圍第12項的設備，其中該共同氣體進一步包括氪。
- 一種用以改善包括離子來源腔室的離子來源之生產力的方法，該方法包括：把含氟的摻雜物氣體來源引入該離子來源腔室，以用來在當中產生含氟的電漿；把至少一種共同氣體引入該離子來源腔室，該共同氣體操作上與該含氟的電漿中的氟離子反應，以用於減少在該離子來源腔室中形成污染物；激發該腔室裡的該含氟的摻雜物氣體，以生成解離和離子化的摻雜物和氟基根成分的電漿；以及使解離和離子化的氟基根成分與該至少一種共同氣體反應，以減少該離子來源腔室中毒並增加離子來源壽命，其中操作上控制該共同氣體進入該離子來源腔室的速率和流動是藉由定義出傳遞所需的離子束電流而不使用共同氣體的配方，然後漸增地引入共同氣體流動，直到該離子束電流開始滑落為止來預先決定的。
- 如申請專利範圍第14項的方法，其中該含氟的摻雜物氣體來源包括三氟化硼、四氟化鍺、三氟化磷或四氟化矽當中一或更多者。
- 如申請專利範圍第15項的方法，其中該共同氣體包括氫。
- 如申請專利範圍第16項的方法，其中該共同氣體進一步包括氪。
- 如申請專利範圍第16項的方法，其中該含氟的摻雜物氣體來源之解離和離子化的氟成分與該至少一種共同氣體之反應包括形成氟化氫。
- 如申請專利範圍第14項的方法，其進一步包括釋放預先決定的該共同氣體量到該離子來源腔室裡。
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