TWI610330B - 針對共同氣體流層級的選擇和最佳化的自動控制系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於改善離子源之效能並延長其之壽命的離子植入系統，藉此可自動地控制一共同氣體進入離子源腔室內之流率的選擇、傳運、最佳化與控制作業。

Description

針對共同氣體流層級的選擇和最佳化的自動控制系統

本發明概略關於一種半導體裝置及離子植入作業，並且尤其是有關一種運用於共同氣體流層級之控制和最佳化的控制系統。

離子植入是一種運用在半導體裝置製造以將摻質物選擇性地植入至半導體及/或晶圓材料內的物理性製程。因此，植入動作並不仰賴於摻質物與半導體材料之間的化學交互作用。對於離子植入作業來說，會將摻質物原子及/或分子加以離子化，形成射束，然後掃射過晶圓或令晶圓掃越該射束。摻質物離子會實體地轟炸晶圓，進入到表面內，並且停留在位於此表面之下方一與其等能量相關而定的深度處。

現參照圖1，離子植入器或是離子植入系統通常含有三個區段或子系統。(i)離子源腔室102，此者含有離子源以供輸出離子束，(ii)射束線組裝110，此者含有質量分析磁鐵以對該離子射束進行質量解析，以及(iii)處理腔室112，此者含有目標位置，該位置可接收來自該射束線組裝的離子射束，像是半導體晶圓114或者其他待以該離子射束植入的基板。然邁向更小半導體裝置的未來趨勢確需足可在所有能量處遞送無含污染及更高射束電流的射束線建構。高射束電流可提供必要的劑量層級，而低能量則可 供進行淺層植入。例如，半導體裝置內的源極/汲極接合就需要這種高電流、低能量的施加方式。

離子植入器內的離子源通常是藉由在該源腔室102內將一 源氣體加以離子化，而其成份為所期望之摻質物元素，並且按離子射束的形式擷取該離子化源氣體俾產生離子射束。離子源可採行間接加熱陰極(IHC)的形式，這通常是運用在低能量/高電流、中電流以及高能量離子植入設備裡。

然而，當離子源是利用具有所期望的材料的分子氣體形式以予離子化並植入至基板內所運作時，就會產生此氣體離子化的非期望的副產物。這些在源氣體分解/離子化過程中所產生之氣體物項的性質具有腐蝕性及/或高度反應性。而這些非期望的副產物會對於離子源效能極為重要的內部和外部機械及電子元件造成損傷。這些所期望或非期望的物項之中有些可能會具有很低的蒸氣壓力，並因此凝聚在該源的內部表面上，同時與該腔室之陰極電極、斥極電極和內部邊壁表面的建構材料出現反應。這些固態沉積物或化學副產物可能會因為例如改變內部和外部電弧腔室電性元件的電性特徵，或者是部份地阻擋離子源電極孔徑，故而隨著時間干擾到離子源操作，因此降低可獲用離子電流且對該腔室102之離子源的效率導致負面影響。

此外，在運用含氟源氣體的情況下，該離子源腔室102內過多的自由氟自由基可能會對腔室機殼材料與內部元件的造成蝕傷。這(些)反應物在離子源操作溫度處是具有高度的揮發性質。該等可能會分解或被浦汲排離。脆弱的縱柱結構建出適當的化學蝕除及/或鹵素環，並且藉由將 該陰極或斥極橋接至接地，或予射入而擷取以擷取壓制高電壓間隔造成釋出物，產生斷離而致生釋放物。然後此材料會依射束線下傳至該晶圓。現已顯示出，當釋出物造成中斷時，會在該離子源腔室內部產生材料或殘屑或是被該射束掃射/調變所撿拾，並且可能被傳運到基板上。這些顆粒會直接地影響到半導體裝置的良率。

當運行含氧源氣體時，自由的氧自由基會構成氧化物，如此將降低陰極電子發射(劣質物)並且減少所需要的離子射束電流。

為克服此等效應，現已知可與源氣體運行共同氣體，藉以移除/最小化從源氣體分解與離子化所產生的非期望的物項。藉此即可提增離子射束電流以及離子源的壽命。同時可改善離子射束穩定度、粒子與金屬污染問題。從而所希冀者為擁有自動地控制這些共同氣體流率之選擇與最佳化的能力。

後文呈現簡化概述以供基本地瞭解本發明的一或更多特點。此概述並非本發明的全面性概論，同時非欲以識別本發明的關鍵或重大性構成要素，亦不為以界定其範疇。相反地，此概述之目的係為按簡易形式呈現本發明的部分概念，而作為後文所列載之進一步詳細說明的序文。

本發明特點可藉由提供一種用於選擇、傳運、最佳化和控制共同氣體進入離子源腔室內之流率的方法，故而改善離子植入器內之離子源的效能，藉以有助於離子植入製程。本揭示亦揭示用於執行該方法的相關設備及離子植入系統。

為達成前述及相關目的，本發明含有如後文完整說明並在申 請專利範圍中所特定指陳的特性。下列說明及隨附圖式詳細地說明本發明的一些示範性特點與實作。然該等實僅表述其中能夠運用本發明原理之各種方式裡的少數項目。當併同於各圖式而考量時，本發明之其他目的、優點及新穎特性即可自後載詳細說明而更加顯見。

100‧‧‧離子植入系統

102‧‧‧離子源腔室

110‧‧‧射束線組裝

112‧‧‧處理腔室

114‧‧‧目標位置/半導體晶圓

200‧‧‧離子植入系統

201‧‧‧控制系統

202‧‧‧離子源組裝

204‧‧‧離子射束

206‧‧‧電弧離子源腔室

207‧‧‧擷取電極

208‧‧‧電力供應器

212‧‧‧處理腔室

214‧‧‧目標位置/半導體晶圓

216‧‧‧主要氣體

218‧‧‧主要氣體模組

220‧‧‧共同氣體

222‧‧‧共同氣體模組

224‧‧‧注入口

230‧‧‧注入口

232‧‧‧注入口

234‧‧‧真空幫浦系統

326‧‧‧過濾器

328‧‧‧壓力讀取裝置

330‧‧‧調節器

332‧‧‧氣壓閥

334‧‧‧流動控制器

336‧‧‧氣壓閥

圖1為按區塊圖形式而可適用於實作本發明之一或更多特點的離子植入系統。

圖2A為一離子植入系統，此圖根據本發明之特點說明離子源組裝的其一具體實施例。

圖2B為一離子植入系統，此圖根據本發明之特點說明離子源組裝的另一替代性具體實施例。

圖3為，根據本發明之特點，一共同氣體模組。

圖4A為一流程圖，此圖根據本發明之特點說明控制共同氣體流率之方法的其一具體實施例。

圖4B為一流程圖，此圖根據本發明之特點說明控制共同氣體流率之方法的另一替代性具體實施例。

圖4C為一流程圖，此圖根據本發明之特點說明控制共同氣體流率之方法的進一步具體實施例。

圖4D為一流程圖，此圖根據本發明之特點說明控制共同氣體流率之方法的又進一步具體實施例。

圖5為一圖形表示，此圖根據本發明之一具體實施例說明主要氣體及 共同氣體的最佳化。

圖6為一圖形表示，此圖根據本發明之進一步具體實施例說明主要氣體及共同氣體的最佳化。

圖7為一說明陰極電力相對於氫氣共同氣體流的圖形表示。

現將參照隨附圖式以描述本發明，其中全篇裡類似編號用以參指於相仿構件。熟諳本項技藝之人士將能瞭解本發明實不受限於後文中所說明及描述的示範性實作與特點。

現首先參照圖2A，其中係依區塊圖形式描繪一適用於實作本發明之一或更多特點的離子植入系統200。

該系統200含有離子源組裝202，藉以沿一射束路徑產生離子射束204。該離子源組裝202含有例如電弧離子源206，並連同相關的電力供應器208。該電弧離子源206可例如含有相對長型的電漿侷限腔室，而可自此擷取出離子射束並予加速。

第一氣體源，或主要氣體源，216的供應是經由注入口224耦接於離子源腔室206。該主要氣體216所含之所期望的摻質物元素的範例包括硼(B)、鍺(Ge)、碳(C)、磷(P)或矽(Si)。該主要氣體可為例如含氟氣體，像是三氟化硼(BF₃)、四氟化鍺(GeF₄)、三氟化磷(PF₃)或四氟化矽(SiF₄)，或者是二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、三氫化磷(PH₃)、三氫化砷(AsH₃)、甲烷(CH₄)、甲苯(C₇H₈)等等。該主要氣體模組218可運作控制該主要氣體源216前往該離子源腔室206的流率。而至少一第二氣體源，或共同氣體，220的供應則是經由注入口224耦接於共同氣體模組222。可適用之共同氣體的範 例包含氫(H₂)、AsH、三氫化磷(PH₃)、氟(F₂)、BF₃、SiF₄或不活潑的(inert)/惰性(noble)氣體。該共同氣體模組222可運作控制待予供應至該離子源腔室206之共同氣體的流率。

控制系統201係經設置，而該者可控制、傳通且/或調整該等離子源206、電力供應器208、真空幫浦系統234、主要218和共同氣體222模組、擷取電極207以及處理腔室212。該控制系統201可含有電腦、微處理器等等，並且可運作以視需要進行測量及調整作業。

圖2B說明其他的本發明具體實施例。在該共同氣體為含氟共同氣體源的情況下需要提供特殊考量，理由是必須以分別於該主要氣體源的方式將此含氟共同氣體遞運至該離子源腔室。因此，該離子源腔室206將含有兩個分別用於主要氣體216及共同氣體220源的個別注入口230、232，使得這些氣體只能在該離子源腔室206之內混合。該主要氣體模組218可運作控制該主要氣體源216前往該離子源腔室206的流率，而同時該共同氣體模組222則能運作控制供應至該離子源腔室206之共同氣體的流動和速率。

現參照圖3，圖中說明該共同氣體模組222的具體實施例。該共同氣體模組222含有過濾器326以供濾除任何來自該主要氣體216或共同氣體源220的顆粒及不純物，並且運作連接至一壓力讀取裝置328。該壓力讀取裝置328可含有調節器330。該壓力讀取裝置328的下游處設置有一具備開/關感測器的第一氣壓閥332。該第一氣壓閥332連接於流動控制器334，此者可控制該共同氣體220進入該離子源腔室206內的流率。第二氣壓閥336設置在該流動控制器334之後。該共同氣體控制器222可依照自該 壓力讀取裝置328所收到的資料而定義為高壓力組裝或次大氣組裝。

該主要氣體模組218將為係專定於特定的主要氣體源216，並且該共同氣體模組222將為專定於特定的共同氣體源220。圖中雖說明單個共同氣體模組222及單個主要氣體模組218，然將能瞭解確可在該離子植入系統200內安裝多個模組218、222。因此，各個主要氣體及共同氣體將在每個圖形裡具有分別的氣體模組222，而該等可運用共享的饋送裝置以進入該電弧腔室內，即如圖2A所示者。然對此之其一可能例外為該共同氣體源為含氟氣體，在這種情況下，前往該電弧腔室206的非共享專屬氣體饋送裝置則為必要，即如圖2B中所示者。

在該離子電弧腔室206的操作過程裡，使用者可對於該系統200內之各個氣體模組222及218自一選擇表指配氣體類型。依照由使用者所儲存的主要氣體源216以及從該壓力讀取裝置328所收到的壓力回饋，該控制系統201將會針對該主要氣體源216自動地選定所需要的共同氣體模組222。該控制系統201亦將按照所期望之植入物項來選擇對於該主要氣體源的所需氣體模組222。

圖4A為流程圖，該圖說明，根據本發明之一特點，藉由自動地控制共同氣體流率以改善離子植入系統效能之方法400的其一具體實施例。該方法400在該離子植入系統的操作過程中運用至少一共同氣體。此方法400亦可參照前文圖形和敘述以利進一步說明。

該最佳化方法400開始於區塊402處，其中該主要氣體216係經供應至該電弧腔室206，並且藉由人工方式或該控制系統201以將離子射束諧調至所需要的射束電流。該方法在406處繼續進行，在此可將至少 一共同氣體引入至離子源電弧腔室內。該至少一共同氣體係依一預設的線性遞增流率引入至該離子源電弧腔室內。然後監視該離子射束電流俾獲以維持所需射束電流而具有最低的非期望的物項(此係與氣體物項相關)。此時，摻質物對共同氣體的比值確為最佳化。當偵測到離子射束電流下降時，可藉由將該共同氣體流率減少使用者定義的百分比來調整至少一共同氣體層級410。該方法400可進一步包含在該離子源電弧腔室206的壽命過程中藉由在預設時間處檢驗共同氣體流率以最佳化該共同氣體流率。

圖4B裡說明該方法400的進一步具體實施例。該方法400開始於設定所需成份以提供所期望的射束電流，然後執行第一頻譜掃射並記錄所期望的反應物尖峰414。此為基準線掃描。然後，利用主要氣體與共同氣體流之間的預定比值，在416處將至少一共同氣體引入至該離子源腔室內。接著，在418處，進行第二頻譜掃射，並記錄所期望的反應物尖峰層級。該共同氣體流率漸遞地提高至由該使用者所儲存或於該控制系統201內所程式設定的預設層級處，並且在各個共同氣體遞增層級處執行AMU頻譜。獲得的所期望摻質物射束電流係於各個層級處正範化，並且所欲的反應物尖峰將在各個遞增共同氣體流增量處降減。而當摻質物射束電流降低或是關注的反應物尖峰停止減少時424，即達成共同氣體流最佳化。

圖4C說明該方法400的又進一步具體實施例。在方法400中，至少一共同氣體係按照一基於摻質物氣體對共同氣體流比值之預設配方表，425，的流率引入至該離子源腔室內。按此方式，即可建立該至少一共同氣體為達到最大射束電流及最佳生產力所需要的選定流率。

在圖4D裡，其中摻質物氣體源將含有氟基氣體，用於控制 共同氣體流率的方法400在決定所期望的共同氣體流之前可先含有許多細部方法。該方法在430處繼續進行，其中是針對於預設時間間距及樣本大小點繪出陰極電力。在432處，決定陰極電力的斜率。根據陰極電力的斜率，在434處調整共同氣體流率。

同時，為便於說明，該方法400雖依循序方式執行所繪圖且描述，然應瞭解且知曉本發明不限於所述次序，而有些特點可根據本發明按異於本揭所描繪及說明的不同次序及/或與其他特點共時地進行。此外，並非所有所述特性或區塊對於實作根據本發明特點之方法皆為必要。

圖5說明一含碳主要氣體對於氫質共同氣體的最佳化。即如下列化學反應式所示：2CO₂+2H₂→C⁺+2OH+H₂O+CO

其主要目的為引入該共同氣體，故而可將離子化作業之副產物的強度最佳化。當觀察O-16、OH-17及H₂O-18強度(尖峰)時，H₂的0sccm流動設定值為不含共同氣體的基準線頻譜，並且OH-17及H₂O-18強度可忽略不計。當引入更多的共同氣體時，O-16的強度會降低，而同時OH-17及H₂O-18的強度則增高。不過，在C-12處的主要碳射束強度並未受到影響，即如自圖例1sccm、2sccm、3sccm及4sccm共同氣體流所示者。

圖6說明，當運行主要氣體GeF₄時，利用AMU頻譜以供共同氣體流最佳化的額外範例。該還原氣體(氫氣)係自O至2.0sccm所引入(本例中可達最大流動而不致損失射束電流)。當H₂流率增加時，在amu19處的氟質尖峰規模就會減少。同時，亦應觀察到HF在amu20處的形成情況，因為這會隨H₂流率升高而增加，即如後圖所示。而在某流量處，HF尖峰不 再上升並且在amu19處的F+不再降低，如此即定義該配方設定點。

圖7說明共同氣體流率對於為符合特定射束電流所需之陰極電力的效應。在本特定配方中，H₂共同氣體流的量值會決定形成多少WF₆，並因此當WF₆接觸到熱陰極表面(>800℃)而分解成其組成成份W和F時將會有多少WF₆沉積在該熱陰極上。這種現象稱為「鹵素循環」。

此圖表劃分成區段A、B、C及D，各者標註共同氣體流的變化。區段「A」為4sccm的主要氟基氣體流，含有1sccm以H₂作為其主要組成物的稀釋共同氣體。可觀察到H₂流並不適用於控制鹵素循環，同時陰極的質量會在時間上增加，故而導致陰極電力的上升。若未予控制，則陰極質量將增加至其中電力供應是在最大值處(飽和)的點處，並且無法維持電子發射。如此會導致所需射束電流下降至低於標定數值。

區段「B」為4sccm的主要氟基氣體流，含有1.2sccm以H₂作為其主要組成物的稀釋共同氣體。可觀察到，當相較於1sccm的H₂流時，總H₂流.2sccm的增量提升陰極電力。在此，鹵素循環仍然會將材料沉積在陰極上，然而是按照等同於該陰極材料之濺鍍速率的速率進行。此項平衡結果可能仍被視為問題，因為材料會經由鹵素循環沉積在該電弧腔室內的其他熱表面上。而這也將會對於源效能造成劣化效應，因為下列元件的質量及/或關鍵維度會出現變化，亦即：電弧縫隙寬度減少、斥極質量增加、陰極斥極質量增加。次要的效應則為鬆散附著的鎢質在電弧腔室內出現沉積且後續地剝落，同時這些碎片落入至偏壓陰極與斥極元件上並且跨越至接地。

區段「C」為4sccm的主要氟基氣體，含有1.5sccm以H₂作 為其主要組成物的稀釋共同氣體。可觀察到，按此流率，鹵素循環可進一步降低，然由於濺鍍之故因此陰極質量減少仍在最低處，同時由於鹵素循環之故沉積於其他的內部電弧腔室元件上。

區段「D」為4sccm的主要氟基氣體，含有2sccm以H₂作為其主要組成物的稀釋共同氣體。可觀察到，按此流率，鹵素循環為最低，並且陰極質量在時間上因濺鍍而減少。這可藉由對於所期望的熱電子發射而需加熱陰極的電力以及所獲得的特定射束電流隨著時間而減少所得證。這可視為是一種可接受的諧調解決方案。

本發明雖既已針對於一或更多實作所顯示及說明，然熟諳本項技藝之人士在當閱讀並知曉本規格及隨附圖式後確能構思出等同性的替換及修改。尤其，對於由前述元件(組裝、裝置、電路、系統等等)所執行的各項功能，除另說明外，用以描述此等元件的詞彙(包含所謂的「裝置」)係欲對應於執行該所述元件之特定功能的任何元件(即如具有功能等同性)，即使是並非結構性地等同於在本發明所述示範性實作中執行該項功能的所揭示結構亦同；此外，本發明之一特定特性雖為依照多項實作的僅其一者所說明，然此項特性確可針對任何給定或特定應用項目視需要和有利方式而合併於其他實作的一或更多其他特性。同時，就以在詳細說明或申請專利範圍中使用「包含」、「含有」、「擁有」、「具有」或其變化語詞方面而言，這些詞彙係為按一類似於該詞彙「包含」之方式而具有納入性。並且，該詞彙「示範性」係欲以表示範例，而非必為最佳或較優的特點或實作。

200‧‧‧離子植入系統

201‧‧‧控制系統

202‧‧‧離子源組裝

204‧‧‧離子射束

206‧‧‧電弧離子源腔室

207‧‧‧擷取電極

208‧‧‧電力供應器

212‧‧‧處理腔室

214‧‧‧目標位置/半導體晶圓

216‧‧‧主要氣體

218‧‧‧主要氣體模組

220‧‧‧共同氣體

222‧‧‧共同氣體模組

224‧‧‧注入口

234‧‧‧真空幫浦系統

Claims (20)

1. 一種用於改善離子植入器之效能的離子植入系統，其包含：第一氣體源，其係用以將主要氣體提供至離子源腔室，以及第二氣體源，其係用以將共同氣體提供至該離子源腔室；至少一主要氣體模組，其係用以控制該主要氣體，以及至少一共同氣體模組，其係用以控制該共同氣體；以及控制系統，其係用以依所選定的該主要氣體的功能來選擇該共同氣體。
2. 如申請專利範圍第1項之離子植入系統，該主要氣體模組及該共同氣體模組包含：過濾器；壓力讀取裝置；連接凸輪；至少一氣動閥；以及流動控制裝置。
3. 如申請專利範圍第2項之離子植入系統，該主要氣體模組及該共同氣體模組包含如由該壓力讀取裝置所定義的高壓識別器或次大氣識別器。
4. 如申請專利範圍第1項之離子植入系統，其中該共同氣體模組係自一或更多共同氣體源將該共同氣體釋放至該離子源腔室內。
5. 如申請專利範圍第1項之離子植入系統，其中該共同氣體進入到該離子源腔室內之速率及流動的操作性控制為預設。
6. 如申請專利範圍第1項之離子植入系統，該主要氣體模組及該共同氣體模組係針對於特定的共同氣體所標定。
7. 如申請專利範圍第5項之離子植入系統，其中該共同氣體進入到該離子源腔室內之流率的操作性控制係在該離子植入系統的操作過程期間自動地調整。
8. 一種用於改善離子植入器之效能的設備，其包含：主要氣體模組，其係用以將主要氣體引入至離子源腔室內，而該主要氣體含有含氟氣體；共同氣體模組，其係用以將至少一共同氣體引入至該離子源腔室內；以及 控制系統，其係用以依所選定的該主要氣體的功能來選擇該共同氣體。
9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中該主要氣體模組及該共同氣體模組包含：過濾器；壓力讀取裝置；連接凸輪；至少一氣動閥；以及流動控制裝置。
10. 如申請專利範圍第8項之設備，其中用於提供該主要氣體的主要氣體源包含下列項目的一或更多者，即三氟化硼、四氟化鍺、三氟化磷、四氟化矽、二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、三氫化磷、三氫化砷或甲烷。
11. 如申請專利範圍第8項之設備，其中用於提供該共同氣體的共同氣體源包含氫、氟或不活潑的/惰性氣體。
12. 如申請專利範圍第8項之設備，其中該控制系統控制該主要氣體模組及該共同氣體模組。
13. 一種用以改善離子植入系統之效能的方法，其中包含自動地選擇並控制至少一共同氣體進入到離子源腔室內的流率。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，該至少一共同氣體之流率的自動控制包含：將該共同氣體引入至該離子源腔室內以於其內產生電漿；監視該離子源腔室內的射束電流層級；以及根據該射束電流層級以調整該共同氣體層級。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，該監視包含偵測該射束電流的下降。
16. 如申請專利範圍第14項之方法，該調整包含按如該射束電流下降之函數將該共同氣體層級降低一使用者定義的百分比。
17. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含在一預定時間之後檢驗該共同氣體速率及流動的最佳化。
18. 如申請專利範圍第13項之方法，該至少一共同氣體之流率的自動控制包含： 執行第一頻譜掃射並記錄關注的反應物尖峰；將該至少一共同氣體引入至該離子源腔室內；執行第二頻譜掃射並記錄關注的反應物尖峰的一或更多所期望的層級；將該至少一共同氣體提增至預設層級；以及檢驗所期望的射束資料係經維持，而非期望的氣體物項AMU則具有最小振幅。
19. 如申請專利範圍第13項之方法，該至少一共同氣體的自動控制包含，依照一基於主要對該共同氣體流動比值之預設配方表的流率，將該至少一共同氣體引入至該離子源腔室內。
20. 如申請專利範圍第13項之方法，其中在一些預設時間間距處對陰極電力曲線的斜率進行監視，並且調整該共同氣體流動以得到所期望的電力曲線斜率。