TWI594301B - 離子佈植方法與離子佈植機 - Google Patents

Description

離子佈植方法與離子佈植機

本發明是有關於離子佈植方法與離子佈植機，特別是有關於可以延長離子源(ion source)之使用壽命的離子佈植方法與離子佈植機。

離子佈值(Ion Implantation)已普遍地應用在諸如積體電路、發光二極體與太陽能電池等等現代產品的製造。離子佈植是一個物理程序(physical process)，其可以選擇性地將佈植材料之離子以特定的條件(如特定的能量與特定的方向)佈植到底材(substrate)上的特定區域。一般來說，在進行離子佈植時，包含佈植材料在內之一或多種材料會先在離子源(ion source)中被解離成為電漿，然後與佈植材料離子電性相同之一或多種離子會自此電漿中持續被引出離子源而形成離子束，然後離子束會陸續地被過濾(移除電荷-質量比不適當的離子)、加減速(調整能量)、調整方向、調整橫截面大小與輪廓，最後被引導到要被佈植的底材之特定區域。

在離子源中的電漿，往往同時有多種不同種類的離子，彼此之間往往會有不同的化學反應或物理反應在進行。甚至被傳輸至離子源以形成電漿的一或多種材料，有時不會完全被解離成為電漿，而是有些直接相互進行化學反應 或物理反應，或是有些直接與離子源之反應室殼體(chamber wall)或電極(electrode)或其它硬體元件相互進行化學反應或物理反應。因此，在離子源中持續產生維持電漿以讓離子束可以被持續引出離子源的期間，離子源內部往往有不同於要佈植材料之離子的副產品(by-product)產生。舉例來說，當一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)被用來作為將碳帶入離子源並用以產生含碳之電漿的材料時，離子源內部將會出現未鍵結之自由氧原子(或是自由氧離子)，這些自由氧原子(或是自由氧離子)往往會與離子源之反應室殼體、用以引出離子束之電極或是預先形成於反應室殼體之襯層(liner)等發生化學反應，而形成新的材料。這些新形成的材料，有些會再被解離成電漿從而使得被引出離子源之離子束具有多種不一樣的離子，增加後續之過濾與調整等步驟的困難，有些會沉積在離子源內部或附著在離子源之電極與反應室殼體上，干擾或甚至破壞這些硬體元件之功能。例如，當電極是由鎢所形成時，積聚在電極表面之氧化鎢會降低其作為電極的功能。

顯然地，這些副產品的出現，會降低離子源之效能，提高離子源必需停止運作以進行清潔修護的頻率，使得離子源的使用壽命縮短。因此，習知技術已發展出不少方法來改善副產品引起的問題。而其中一個在近年來快速發展的作法，是輸入額外的材料到離子源中，或是透過這些額外材料與這些副產品的相互作用，讓副產品不再壘積於離子源內部，或是透過讓額外材料與原本用以產生佈植離子之材之的相互作用，直接消除副產品的生成，或是透過其它方式來延長離子源的使用壽命。在此，僅列舉幾件與使用額外材料之作法相關的 前案作為參考，例如美國專利7223984、美國專利8288257、美國專利7446326、美國專利7655931以及美國早期公開20120118232。

無論如何，到目前為止並沒有任何一個方法可以同時適用於所有的離子佈植。特別是，即便是相類似的方法，隨著不同的待佈植離子、不同的用以形成電漿的材料與不同的離子源硬體設計等等變數的變化，都有各自適用的製程程序(recipe)。因此，仍有必要發展新的方法來延長離子源的使用壽命。

下述內容為本發明之一或多個面向的簡單摘要。此簡單摘要並不是本發明之廣泛綜述，也並未企圖標識出本發明之關鍵或重要元素，也並未企圖劃定本發明的範圍。相對地，此簡單摘要之主要目的是簡潔地呈現本發明的一些概念，藉以作為在後續之實施方式中詳細描述本發明之前的序言。

本發明基本上係在以磷化氫為佈植氣體(dopant gas)以在離子源中產生含磷之電漿時，或是以三氟化硼為佈植氣體以在離子源中產生含硼之電漿時，或是以二氧化碳為佈植氣體以在離子源中產生含碳之電漿時，同時也輸入由氫及/或氦所組成之稀釋氣體(diluent gas)到離子源中。此時，化學活性高的氫可以與形成於離子源中的副產品進行反應，或是將副產品又解離成為游離於電漿中正負離子進而減少或甚至消除離子源中副產品的數量，或是讓副產品無法持續堆積成緊密結構而是掉落在離子源反應室底部而不與電漿或是電極等關鍵硬體有所接觸。此時，化學活性低的氦會在電漿中被加熱而以較大的動能/動量與形成於離子源內的副產品發生碰撞，或是將副產品直接撞擊到解離成為電漿 中正負離子，或是將已堆積在離子源內某處的副產品撞擊到鬆脫掉落在離子源反應室之底部。

為了實現上述與相關的內容，本發明至少包含詳述如下的種種特徵，特別是在申請專利範圍中強調的種種特徵。以下的文字描述與相關的圖示整體地描述本發明的種種面向與具體應用。這些描述與這些圖示，無論如何，這些僅僅是本發明種種可能變化中的某一些變化。本發明之種種目的、種種優點與種種新特徵，可以藉由參考以下詳細描述之實施方式與參照各個圖示而得以發現。

11‧‧‧步驟

12‧‧‧步驟

13‧‧‧步驟

14‧‧‧步驟

15‧‧‧步驟

16‧‧‧步驟

17‧‧‧步驟

18‧‧‧步驟

31‧‧‧氣體供應總成

32‧‧‧離子源

33‧‧‧離子束總成

34‧‧‧反應總成

345‧‧‧載座

35‧‧‧底材

第一A圖為本發明一較佳實施例的流程示意圖。

第一B圖為本發明另一較佳實施例的流程示意圖。

第二圖為本發明又一較佳實施例之數據圖表。

第三圖為本發明再一較佳實施例之結構示意圖。

本發明將詳細描述如一些實施例如下。然而，除了所揭露之實施例外，本發明亦可以廣泛地運用在其他之實施例。本發明之範圍並不受該些實施例之限定，乃以其後之申請專利範圍為準。而為提供更清楚之描述及使熟悉該項技藝者能理解本發明之發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對之尺寸而繪圖，某些尺寸與其他相關尺度之比例會被突顯而顯得誇張，且不相關之細節部 分亦未完全繪出，以求圖示之簡潔。

近年來，碳-離子佈植、硼-離子佈植與磷-離子佈植是熱門且快速發展的領域。這是由於在離子佈植時使用碳、硼及/或磷為佈植到底材(例如矽晶圓)之材料，新近有許多新的應用被發展出來。舉例來說，電晶體之源極與汲極這二個區域中的離子可能因為熱擴散而擴散到底材內部，進而減少源極與汲極這二個區域中的離子濃度，而改變電晶體的電性性質。而將碳離子佈植到源極與汲極這二個區域的底部，可以利用碳原子與矽原子之大小與重量的不同來改變碳佈植區域的應力(stress)，進而減少佈植離子因為熱擴散而自源極與汲極進入到底材內部的數量。舉例來說，在使用低溫微波加熱來進行回火程序(annealing process)，佈值至矽底材的硼離子可以有效地抑制雜質擴散。舉例來說，當需要在矽底材表層形成P型區域(以電洞為載子的區域)時，將硼佈植到此P型區域是一種作法，特別是當此P型區域的深度小到是淺接合(shallow junction)之深度範圍或是更小時。

一般來說，碳是以二氧化碳(CO2)為佈植氣體，藉由持續地將二氧化碳輸入到離子源內部並予以解離成為電漿，便可以在離子源內部維持住含碳之電漿並持續地將含有碳離子之離子束拉出離子源。相同地，藉由使用磷化氫(PH3)或三氟化硼(BF3)為佈植氣體，便可以持續地將含有磷離子之離子束或是含有硼離子之離子束拉出離子源。

但是，除了需要被佈植到底材之離子外，使用這些佈植氣體來維持離子源內部的電漿時，無可避免地也會在離子源內部產生氧或氟或氫之離子或原子(或甚至分子)。顯然地，由於氧或氟或氫之高化學活性，其可能與電漿中的其 它離子相互結合產生新的物質而改變電漿的性質，進而影響持續由電漿被拉出之離子束的電流大小等，其也可能與電漿中的其它離子相互結合產生新的物質，進而沉積在離子源反應室底部而產生顆粒污染(particle contaminant)並縮短離子源的使用壽命(因為需要清潔移除掉這些顆粒)，其也可能與離子源反應室的一或多硬體元件之材料發生反應而形成新的物質在這些硬體元件的表面上，進而影響這些硬體元件之正常運作並縮短離子源之使用壽命(因為需要進行硬體元件之替換或至少清潔硬體元件)。在此，這些硬體元件可以是反應室殼體，或是用以施加電壓以引出離子之電極，或是用以施加能量以激發與維持電漿之電極，或是預先生成於反應室殼體之內表面用以防治腐蝕等問題之墊層(liner)。

本發明所提出之離子佈植方法，基本概念在這些佈植氣體之外，也輸入稀釋氣體到離子源。藉由稀釋氣體與佈植氣體之間的化學作用或是物理作用，或是藉由稀釋氣體與已生成之副產品之間的化學作用或是物理作用，來改善因為副產品出現所導致的種種問題。

本發明所使用之稀釋氣體，可以是氫，可以是氦，也可以是氫與氦的混合。使用氫氣，基本上是利用氫的高化學活性來與這些副產品進行化學反應，藉以將這些副產品或是解離成電漿、或是打斷副產品之鍵結而反應生成新的材料(比較不會影響到離子源內各硬體之正常功能之與已生成副產品不同的材料)、或是打斷副產品之鍵結而使其不能緊密堆積在離子源內部。當然，由於電漿的溫度會加熱氫而增加其動能與動量，氫與已生成之副產品之間的碰撞，可以破壞已生成副產品之結構而使其不能緊密堆積在離子源內部。使用氦氣，基 本上是利用電漿的溫度來加熱氦以增加其動能與動量，藉由其與已生成之副產品之間的碰撞，來破壞已生成副產品之結構而使其不能緊密堆積在離子源內部。

本發明所提出之離子佈植方法，可以概述如第一A圖所示之流程。首先，如步驟11所示，提供佈植氣體與稀釋氣體至離子源。佈植氣體可以是磷化氫、三氟化硼及/或二氧化碳，而稀釋氣體可以是氫及/或氦。接著，如步驟13所示，解離至少佈植氣體以產生電漿在離子源。然後，如步驟15所示，將離子束自電漿引出離子源。最後，如步驟17所示，調整引出之離子束並將調整後離子束佈植至底材。當然，本發明所提出之離子佈植方法，也可以概述如第一B圖所示之流程。在此，第一B圖與第一A圖大體相似，主要的差別是在第一B圖之步驟14中，佈植氣體與稀釋氣體都被解離而在離子源形成電漿。至於第一B圖的步驟12、16與18皆與第一A圖的步驟11、15與17相同。

本發明所提出之離子佈植方法，還可以有其它的變化。舉例來說，由於稀釋氣體是要用來改善因為佈植氣體被解離成電漿所產生之副產品所引起的問題，本發明可以有下列未特別圖示之變化。一方面，可以在佈植氣體被激發成電漿之前便將稀釋氣體傳輸至離子源。另一方面，也可以在佈植氣體已經被激發成電漿之後才將稀釋氣體輸入至離子源。再一方面，也可以在佈植氣體不再被激發成電漿時仍輸入稀釋氣體至離子源。除此之外，佈值氣體與稀釋氣體可以是自其各自的氣體來源透過相同的管線被傳輸進入離子源，可以各有各自的管線分別連接其各自的氣體來源與此離子源，也可以在離子源之外先混合佈值氣體與稀釋氣體二者然後再將混合過氣體傳輸進入離子源。

不同的變化，皆不違反本發明之精神，而是取決於實際應用時怎樣可以達到將副產品影響極小化以盡量延長離子源使用壽命之目的。並且，不同的變化，往往與使用之佈植氣體是磷化氫、三氟化硼或二氧化碳有關，也與使用之稀釋氣體是氫或氦或是同時使用了氦與氫有關，也與佈植氣體與稀釋氣體之間的比例有關。

佈植氣體與稀釋氣體二者的流量比係可以調整的，在儘量不影響到自離子源中電漿所引出之離子束的離子數量的前提下，可以調整這二者的流量比來儘可能地降低存在於離子源之副產品的數量(或說是儘可能地減少存留在離子源之未鍵結的氧或氟或氫的數量)。第二圖為本發明之一實施例的數據圖表，一樣使用磷化氫為佈植氣體，完全以5s.c.c.m輸入磷化氫氣體進入離子源反應室的作法，大約每130小時便需要停止運作打開離子源反應室進行維護(亦即離子源之使用壽命只有約130小時)，但是分別以4.5s.c.c.m與0.5s.c.c.m輸入磷化氫氣體與氫氣進入離子源反應室的作法，大約每400多小時才需要停止運作打開離子源反應室進行維護(亦即離子源之使用壽命至少有130小時)。顯然地，在佈植氣體為磷化氫時，藉由使用氫氣為稀釋氣體並控制佈植氣體與稀釋氣體之流量比為4.5比0.5時(亦即9：1時)，不需要調整改變其它的製程參數(在此未一一列出)，便可以將離子源之使用壽命增加到至少三倍。

當然，在本發明其它未特別圖示的實施例，佈植氣體與稀釋氣體之流量比可以有其它的適用比例。在某些未圖示之實施例，在磷化氫與氫二者的流量比約為4.5s.c.c.m比0.6s.c.c.m(亦即15：2)時，離子源的使用壽命也大約可延長為三倍出頭。在某些未圖示之實施例，即便佈植氣體換成是三氟化硼或二氧化 碳，在佈植氣體與氫二者的流量比約為4.5s.c.c.m比0.5s.c.c.m到4.5s.c.c.m比0.6s.c.c.m(亦即9：1到15：2)時，離子源的使用壽命也可以有顯著的延長。在某些未圖示之實施例，即便稀釋氣體換成是氦或著是氫與氦的混合氣體，在佈植氣體與氫二者的流量比約為4.5s.c.c.m比0.5s.c.c.m到4.5s.c.c.m比0.6s.c.c.m(亦即9：1到15：2)時，離子源的使用壽命也也可以有顯著的延長。

當然，不同佈植氣體與不同稀釋氣體之不同組合，即便是大抵相同的流量比，離子源使用壽命的延長量程度可能有所不同，但可以延長使離子源使用壽命的趨勢是確定的。

舉例來說，在某些未圖示之實施例，若僅是要看到離子源使用壽命有所延長，佈植氣體被傳輸至離子源的流量與稀釋氣體被傳輸至離子源的流量之間的比率可以或是約介於三比一至八比一之間，或是約介於八比一至二十比一之間。這個流量比例範圍，在佈植氣體是磷化氫、三氟化硼及/或二氧化碳時，以及稀釋氣體是氫及/或氦時，大抵適用。

進一步地，由於稀釋氣體是氫或是氦時，其改善佈植氣體之電漿所引發之副產品帶來之問題時的機制不相同，當稀釋氣體同時包含了氦與氫這二者時，氦與氫這二個稀釋氣體也有一個比較能延長離子源使用壽命的範圍，雖然本發明之基本精神僅在於同時使用氫與氦之不同機制來強化對於副產品的處理。

在本發明某些未圖示的實施例，當稀釋氣體同時有氫與氦時，氦與氫之間的體積百分比比例約為5%比95%(亦即約為一比一十九)。在本發明又一些未圖示的實施例，氦與氫之間的體積百分比比例約介於一比九十九至七比九十三 (亦即7%比93%)之間。在本發明另些未圖示的實施例，氦與氫之間的體積百分比比例約介於七比九十三(亦即7%比93%)至三比一十七(亦即15%比85%)之間。當然，不同的氦與氫的比例，即便對應到相同的佈植氣體，離子源使用壽命的延長程度可能並不相同。在此，僅列舉出一些可看到離子源使用壽命明顯增加的氦與氫的體積百分比之相對比例，並未限制本發明之應用僅能在這樣的氦與氫的體積百分比之相對比例。

必須強調的是，本發明並沒有限制要透過怎樣的方式來調整與控制這些佈植氣體與這些稀釋氣體之間的比例。舉例來說，本發明可以是由離子佈植機的操作人員，人為地先將二氧化碳氣體儲存瓶與氫氣的氣體儲存瓶都連接到離子源，然後人為地操控二氧化碳與氫分別被傳輸進入離子源的時間關係與流量大小關係。

當然，本發明之某些未圖示之實施例，係透過內建在離子佈植機上的控制用積體電路或是內建在控制離子佈植機之運作的電腦界面的軔體(firmwave)，來控制這些佈植氣體與這些稀釋氣體之間的比例。此時，只要離子佈值機之離子源被連接到至少一此佈植氣體與至少一此稀釋氣體的氣體來源，這個內建之積體電路或軔體便可以自動地依需要來調控這些氣體相互之間的比例。當然，通常適合使用之不同氣體間的相對比例，是已經事先測試過便已經預先輸入至積體電路或軔體的。

第三圖所示為如此離子佈植機的示意圖，不論具體作法是利用積體電路或軔體或甚至其它作法。在此實施例中，氣體供應總成31係配置來提供佈植氣體與稀釋氣體至離子源，其中，佈植氣體選自下列之一：磷化氫、三氟化硼、 二氧化碳或其組合，而稀釋氣體選自下列之一：氫、氦或其組合。在此，氣體供應總成31可以包含佈植氣體儲存瓶、佈植氣體傳輸管線、稀釋氣體儲存瓶與稀釋氣體傳輸管線，並可再包含諸如流量控制計(MFC,mass control valve)等元件。離子源32基本上是一個反應室，或是透過位於反應室內部之電極或是透過位於反應室外部之射頻元件或是透過其它的方式，被輸入到離子源32內部之氣體可以被解離成電漿，並且透過反應室之某個開口與位於此開口附近之電極，特定電性的離子可以自電漿中被引出並經過此開口而離開離子源32。離子束總成33的一端與離子源32相鄰而另一端與反應室34相鄰，用以接收自電漿所引出之離子束並將經調整過之離子束傳導進入反應室34。離子束總成32內部至少可以有用以自離子束移除掉具有不適當電荷-質量比之離子的分析磁鐵(analyzer magnet)、用以調整離子束能量的加減速電極(acceleration/deceleration electrode)以及用以調整離子束之橫截面輪廓的磁鐵組合(magnets et)等等。反應總成34內部至少有用承載底材35之載座345，用以使得底材35與經過離子束總成34調整過離子束之間可以相對運，藉以讓調整過離子束以需要的方式被引導到底材35上的特定區域。

綜上所述，本發明係在佈植氣體為磷化氫、三氟化硼、二氧化碳或其組合時，除使用氫、氦或其組合來作為稀釋氣體，並控制佈植氣體與稀釋氣體二者的流量比例在三比一到二十比一之間，以及在同時使用氦與氫為稀釋氣體時，控制氦與氫二者的體積百分比的比例在一比九十九到三比一十七之間。藉以減少離子源對於清潔與替換元件等維修的需要，進而延長離子源的使用壽命。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他為脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍。

11‧‧‧步驟

12‧‧‧步驟

13‧‧‧步驟

14‧‧‧步驟

Claims (13)

1. 一種離子佈植方法，包括：提供佈植氣體與稀釋氣體至離子源；激發至少佈植氣體以在離子源產生電漿；將離子束自電漿引出離子源；以及調整引出之離子束並將調整後離子束佈植至底材：其中，佈植氣體選自下列之一：磷化氫、三氟化硼、二氧化碳或其組合：其中，稀釋氣體選自下列之一：氫、氦或其組合；其中，佈植氣體被傳輸至離子源的流速與稀釋氣體被傳輸至離子源的流量之間的比率為選自以下其中之一：約為九比一、約為一十五比二、約介於三比一至八比一之間或約介於八比一至二十比一之間。
2. 如申請專利範圍第1項之離子佈植方法，當稀釋氣體同時有氫與氦時，氦與氫之間的體積百分比比例約為一比一十九。
3. 如申請專利範圍第1項之離子佈植方法，當稀釋氣體同時有氫與氦時，氦與氫之間的體積百分比比例約介於一比九十九至七比九十三之間。
4. 如申請專利範圍第1項之離子佈植方法，當稀釋氣體同時有氫與氦時，氦與氫之間的體積百分比比例約介於七比九十三至三比一十七之間。
5. 如申請專利範圍第1項之離子佈植方法，稀釋氣體亦被激發而在離子源中的形成電漿。
6. 如申請專利範圍第1項之離子佈植方法，稀釋氣體在佈植氣體被激發成電漿之前被傳輸至離子源。
7. 如申請專利範圍第1項之離子佈植方法，稀釋氣體在佈植氣體被激發成電漿後才被輸入至離子源。
8. 如申請專利範圍第1項之離子佈植方法，稀釋氣體在佈植氣體不再被激發成電漿時仍被輸入至離子源。
9. 一種離子佈植機，包括：離子源；氣體供應總成，提供佈植氣體與稀釋氣體至離子源，其中，佈植氣體選自下列之一：磷化氫、三氟化硼、二氧化碳或其組合，而稀釋氣體選自下列之一：氫、氦或其組合：離子束總成，自離子源接收離子束並調整離離子束：反應總成，承載底材並使底材被調整過離子束所佈植；以及其中，氣體供應總成控制佈植氣體被傳輸至離子源的流量與稀釋氣體被傳輸至離子源的流量之間的比率為選自以下其中之一：約為九比一、約為一十五比二或約介於三比一至二十比一之間。
10. 如申請專利範圍第9項之離子佈植機，氣體供應總成在同時提供氫與氦為稀釋氣體時，控制氦與氫之間的體積百分比比例約為一比一十九。
11. 如申請專利範圍第9項之離子佈植機，氣體供應總成在同時提供氫與氦為稀釋氣體時，控制氦與氫之間的體積百分比比例約介於一比九十九至三比一十七之間。
12. 如申請專利範圍第9項之離子佈植機，離子源除激發佈植氣體為位於離子源內的電漿，亦可激發稀釋氣體而在離子源內形成電漿。
13. 如申請專利範圍第9項之離子佈植機，氣體供應總成將佈植氣體與稀釋氣體傳輸至離子源的程序至少包含下列之一：稀釋氣體在佈植氣體被激發成電漿之前被傳輸至離子源：稀釋氣體在佈植氣體被激發成電漿後才被輸入至離子源：以及稀釋氣體在佈植氣體不再被激發成電漿時仍被輸入至離子源。