TWI784271B - 減少從經植入工件的氣體排放的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一種處理及鈍化經植入工件的方法，其中在鈍化
之後，工件的逸散性排放降低到可接受的低水平。當磷、砷化氫、鍺烷或另一些有毒物質是被植入工件中的摻雜劑時，此可為特別有益的。在一個實施例中，在植入製程之後執行濺射製程。此濺射製程用於在工件的表面處濺射摻雜劑，從而有效地降低在工件的頂表面處的摻雜劑濃度。在另一實施例中，執行化學蝕刻製程以降低在頂表面處的摻雜劑濃度。在此濺射或化學蝕刻製程之後，可執行傳統的鈍化製程。
Description
本發明的實施例有關對植入有例如磷等有毒物質的工件進行摻雜及鈍化的方法，且更具體來說，有關減少從植入有有毒物質的工件的逸散性排放的方法。
半導體工件常常被植入摻雜劑物質以產生所需的導電性。植入是一種對工件的表面進行摻雜以形成半導體裝置的有效方法。
所需物質的離子朝著工件加速，並被植入到工件中。所述所需物質可以是含有所需元素的分子的原子，所述所需元素包括III族元素，例如硼鋁及鎵；IV族元素，例如碳、矽及鍺；以及V族元素，例如磷及砷。
有時，植入的物質可能遷移到工件的表面並擴散出工件。此種除氣(outgassing)易於降低工件中所述物質的濃度。
在某些情景中，這些經處理的工件被放置在一個封閉的容器(例如，前開式統集盒(Front Opening Unified Pod，FOUP))
中持續一段時間。因此，所發生的任何除氣都將會被捕獲在FOUP內，並將隨著時間的推移而累積。如果所述物質有毒，那麼實施安全程式來控制逸散性排放。
近來，政府對逸散性排放的限制已變得更加嚴格。舉例來說，推進職業及環境健康協會(Association Advancing Occupational and Environmental Health，ACGIH)近來將磷化氫的閾值限值(threshold limit value，TLV)從300ppm降低到僅50ppm。對其他有毒氣體的限值也已被降低。環境保護局將逸散性排放定義為“不能合理地通過排氣管(stack)、煙囪、通風口或其他功能等同的開口的那些排放”。因此，從經處理工件的除氣符合逸散性排放。
隨著對逸散性排放限值的此種收緊，具有將逸散性排放降低到可接受的低水平的處置工件的方法將是有益的。此外，如果此製程不耗時或不昂貴，則所述製程將是有利的。
揭露了一種處理及鈍化經植入工件的方法，其中在鈍化之後，工件的逸散性排放降低到可接受的低水平。當磷、砷化氫、鍺烷或另一些有毒物質是被植入工件中的摻雜劑時，此可為特別有益的。在一個實施例中，在植入製程之後執行濺射製程。此濺射製程用於在工件的表面處濺射摻雜劑，從而有效地降低在工件的頂表面處的摻雜劑濃度。在另一實施例中，執行化學蝕刻製程
以降低在頂表面處的摻雜劑濃度。在此濺射或化學蝕刻製程之後，可執行傳統的鈍化(passivation)製程。
根據一個實施例，揭露了一種減少從植入有摻雜劑的工件的氣體排放的方法。所述方法包括：在對所述工件進行植入後從所述工件的頂表面移除所述摻雜劑；以及鈍化所述經植入工件的所述頂表面。在某些實施例中，通過濺射從所述頂表面移除所述摻雜劑。在某些實施例中，使用惰性氣體來濺射所述頂表面。此惰性氣體可以是氬氣。在某些實施例中，使用化學蝕刻從所述頂表面移除所述摻雜劑。在一些實施例中，在化學蝕刻期間使用氫、CF4或NF3。在其他實施例中，通過濺射及化學蝕刻的組合從所述頂表面移除所述摻雜劑。在某些實施例中，在富氮環境或富氧環境中執行所述鈍化。在某些實施例中，所述摻雜劑包括磷化氫、砷化氫或鍺烷。
根據另一實施例，揭露了一種減少從經植入工件的氣體排放的方法。所述方法包括在已對所述工件進行植入後執行濺射製程，其中所述濺射製程降低來自所述經植入工件的頂表面的摻雜劑的表面濃度；以及在所述濺射製程之後執行鈍化製程，以在所述經植入工件的所述頂表面上形成鈍化層。在某些實施例中，使用惰性氣體來執行所述濺射製程。此惰性氣體可以是氬氣。在某些實施例中，所述濺射製程與所述鈍化製程是在同一電漿室中執行。在一些實施例中，使用氮氣或氧氣執行所述鈍化製程。在某些實施例中，所述工件被植入磷化氫(phosphine)、砷化氫
(arsine)或鍺烷(germane)。
根據另一實施例，揭露了一種減少從工件的氣體排放的方法。所述方法包括：用磷化氫對所述工件進行植入；在對所述工件進行植入後從所述工件的頂表面移除所述磷化氫；以及鈍化所述經植入工件的所述頂表面。在某些實施例中，使用濺射製程移除所述磷化氫。在某些實施例中，使用化學蝕刻製程移除所述磷化氫。在某些實施例中，使用濺射製程及化學蝕刻製程的組合移除所述磷化氫。在某些實施例中，從頂表面移除的磷化氫的量使得當工件與24個類似處理的工件一起在密封的封閉空間中存儲10天時，從所述工件發生的排放小於50ppm。
10:工件
100:離子源
105:電漿室
107:電漿室壁
120:射頻(RF)天線
121:射頻(RF)電源
125:介電窗口
130:壓板
135:偏置電源
140:遮罩環
160:控制器
170:氣體容器
171:品質流量控制器
175:氣體擋板
180:電漿
200、210、220:製程
為了更好地理解本發明，參照所附圖式，所述所附圖式被併入本文中供參考，且在所附圖式中：圖1示出根據一個實施例的離子源；以及圖2是示出所揭露的順序的代表性流程圖；以及圖3到圖6分別示出在1、2、3及10天后在FOUP內的磷濃度。
圖1示出可用於本發明的離子源100的電漿室105的實施例的橫截面。離子源100包括由若干電漿室壁107界定的電漿室105，所述電漿室105可由鋁、石墨或另一種合適的材料構成。此電漿室105可被供應一種或多種原料氣體(feed gas)，所述原料氣體存儲在一個或多個氣體容器170中，所述氣體容器170通過氣體擋板175進入電漿室105。品質流量控制器171可用於調節原料氣體進入電漿室105的流量。此原料氣體可由射頻(radio frequency，RF)天線120或另一種電漿生成機制激勵。射頻天線120與向射頻天線120供電的射頻電源121電連通。介電視窗125(例如，石英或氧化鋁視窗)可設置在射頻天線120與電漿室105的內部之間。
工件10設置在電漿室105內位於壓板130上。壓板130與偏置電源135電連通，所述偏置電源135用於在某些時間段期間對壓板130進行負偏置，使得朝向工件10吸引正離子。為保護壓板130，可圍繞壓板130的周邊設置遮罩環140。
控制器160可與偏置電源135及品質流量控制器171連通，品質流量控制器171控制原料氣體向電漿室105內的流量。控制器160可包括處理單元，例如微控制器、個人電腦、專用控制器或另一合適的處理單元。控制器160還可包括非暫時性儲存元件，例如半導體記憶體、磁性記憶體或另一合適的記憶體。此非暫時性儲存元件可含有使得控制器160能夠執行本文中所述的功能的指令及其他資料。
一個或多個電漿室105可用于執行本文中描述的順序。圖2示出用於減少逸散性排放的製程的順序。在製程200中，用期望的摻雜劑物質對工件進行植入。
在植入製程期間，將原料氣體從氣體容器170引入到電漿室105中。使用射頻電源121激勵射頻天線120，以在電漿室105中產生電漿180。
原料氣體包括旨在被植入工件10中的摻雜劑物質。舉例來說，摻雜劑物質可以是3族元素(例如，硼)、5族元素(例如，磷或砷)、或4族元素(例如，碳或鍺)。原料氣體可以是磷化氫(PH3)、砷化氫(AsH3)、鍺烷(GeH4)或另一些有毒物質。在某些實施例中，可利用摻雜劑的氫化物。在其他實施例中，可使用摻雜劑的鹵化形式。
另外，由偏置電源135對壓板130進行負偏置，以從電漿180朝向工件10吸引正離子。壓板130可用脈衝式直流(direct current，DC)脈衝、交流(alternating current，AC)偏置或任何其他合適的波形來激勵。
此植入可以是毯覆式(blanket)植入，其對工件10的整個表面進行植入；或者可以是圖案化植入，其中僅對工件10的表面的被暴露出的部分進行植入。
當植入製程完成時，摻雜劑將被植入工件10的至少一部分中。在某些實施例中，大濃度的摻雜劑可能存在於工件10的表面處或表面附近。舉例來說，摻雜劑的濃度可隨著距表面的距離
增加而減小。隨著時間的推移，表面附近的此種摻雜劑將擴散到表面並從工件10除氣。
為減少除氣量，移除經植入工件的表面上的一些摻雜劑，如在製程210中所示。在一個實施例中，執行濺射製程。此可在用於執行植入製程的同一電漿室105中執行，所述電漿室105用於此濺射製程。在另一實施例中，將類似於圖1所示者配置的不同電漿室用於所述濺射製程。
對於濺射製程來說，使用濺射氣體(通常是惰性氣體，例如氬氣、氦氣、氖氣、氪氣或氙氣)作為原料氣體。將濺射氣體從氣體容器170引入到電漿室105中。使用射頻電源121激勵射頻天線120，以在電漿室105中產生電漿180。此外，由偏置電源135對壓板130進行負偏置，以從電漿180朝向經植入工件吸引正離子。壓板130可用脈衝式DC脈衝、AC偏置或任何其他合適的波形來激勵。在某些實施例中，偏置電壓(bias voltage)可在0與1kV之間，例如為500V。
來自電漿180的離子撞擊經植入工件的表面，並導致位於所述表面處的摻雜劑濺射出工件10。可通過修改電漿密度來調整濺射速率。此可通過改變施加到射頻天線120的壓力及功率來實現。另外，可通過改變施加到壓板130的DC偏置電壓的振幅、頻率或占空比來調整濺射速率。如此一來，可控制濺射摻雜劑的速率。舉例來說，在一個實施例中，可以0sccm與200sccm之間(例如20sccm與100sccm之間)的流速將氬氣引入電漿室105
中。電漿室內的壓力可在0mTorr與100mTorr之間，例如在0mTorr與25mTorr之間。供應到射頻天線120的功率可在0W與2500W之間，例如在500W與1500W之間。施加到壓板的偏置電壓可為頻率高達10kHz、振幅在0V與2000V之間、且脈衝寬度在0μsec與200μsec之間的脈衝式DC電壓。
除了調整濺射速率之外，也可改變濺射製程的持續時間。舉例來說，在一些實施例中，濺射製程花費大約2秒。在其他實施例中，濺射製程可以是4秒。當然，其他持續時間也是可能的。濺射速率及持續時間確定最終從工件10的頂表面濺射的摻雜劑的量。
在另一實施例中，可使用化學蝕刻從經植入工件的頂表面移除摻雜劑。舉例來說，可使用氫、CF4或NF3從頂表面移除摻雜劑。類似於圖1所示者，此可在電漿室中執行。氫、CF4、NF3或另一些合適的物質被用作原料氣體，並且可以0sccm與200sccm之間的流速流入電漿室105中。使用射頻電源121以0W與2500W之間的功率激勵射頻天線120，以在電漿室105中產生電漿180。電漿室105內的壓力可在0mTorr與100mTorr之間。另外，由偏置電源135對壓板130進行負偏置，以從電漿180朝向經植入工件吸引正離子，從而蝕刻頂表面。在其他實施例中，在化學蝕刻製程期間不對壓板130進行偏置。化學蝕刻製程可執行0秒到15秒，但其他持續時間也是可能的。
在又一實施例中，採用濺射製程及化學蝕刻製程兩者。
此可通過引入原料氣體同時執行，所述原料氣體包括惰性氣體及氫氣的混合物。作為另外一種選擇，可依序執行這兩種製程。
在這兩種製程中，目的都是通過從頂表面移除植入物質來降低植入物質的表面濃度。在某些實施例中，可測量植入物質的實際表面濃度，並在表面濃度降低到預定閾值以下時終止濺射或化學蝕刻製程。在另一實施例中，通過測試被充分處理的工件而憑經驗確定濺射製程或化學蝕刻製程的長度。在某些實施例中，濺射製程或化學蝕刻製程可執行足夠的持續時間，使得當經處理的工件與其他24個類似處理的工件一起在密封的封閉空間中存儲10天時，從所述工件發生的排放小於50ppm。換句話說，當一個經處理的工件在密封的封閉空間中存儲10天時，從所述工件發生的排放小於2ppm。
在已移除頂表面上的摻雜劑從而降低摻雜劑的表面濃度之後，執行鈍化製程，如製程220所示。在一個實施例中，將用於執行濺射製程的同一電漿室105用於此鈍化製程。在另一實施例中，將類似於圖1所示者配置的不同電漿室用於鈍化製程。在一個實施例中，將單個電漿室用於所有三個製程。在另一實施例中，植入製程在一個電漿室中執行，且濺射及鈍化製程在第二電漿室中執行。在又一實施例中，使用三個不同的電漿室來執行這三個製程。
在鈍化製程期間，使用例如氮氣或氧氣等鈍化氣體作為原料氣體。將鈍化氣體從氣體容器170引入到電漿室105中。使
用射頻電源121激勵射頻天線120，以在電漿室105中產生電漿180。電漿中的離子與工件的頂表面處的原子及分子發生反應以形成共價鍵。將工件暴露于富氮或富氧環境使得能夠在工件的頂表面上產生鈍化層。此鈍化層用於鎖定植入工件10中的摻雜劑。在一個實施例中，以0sccm與200sccm之間、例如100sccm與200sccm之間的流速引入氮氣。電漿室105內的壓力可在0mTorr與100mTorr之間。可將0W與2500W之間的功率施加到射頻天線120。鈍化製程可執行0秒到15秒，但其他持續時間也是可能的。
儘管以上揭露描述了使用一個或多個電漿室，但應理解，這些製程中的一者或多者可使用束線(beam-line)離子植入系統來執行。具體來說，在某些實施例中，使用束線離子植入系統來執行植入製程。
本發明中描述的實施例可具有許多優點。如上所述，各種氣體的閾值水平值正在降低。減少摻雜劑除氣的量可有益於確保滿足這些新的TLV。舉例來說，圖3到圖6示出隨著時間的推移在FOUP內的磷濃度。在這些測試中的每一者中，將25個工件存儲在FOUP中。由於工件包含在為密封的封閉空間的FOUP內，因此磷化氫排放會隨著時間的推移而累積。如曲線圖所示，目前磷的TLV值為50ppm。
在此實例中，使用PH3以5E15的劑量對工件進行植入。眾所周知，富磷表面是不穩定且易揮發的。因此，應用氮鈍化層來減少此種揮發性。在所有的測試中，將工件10暴露於氮電漿15
秒。沒有對第一測試工件執行濺射製程。在第二測試及第三測試中，在鈍化製程之前，對測試工件執行濺射製程。使用1200W的射頻功率、12毫托的壓力及振幅為0.5kV、頻率為5kHz且接通時間為80μsec的偏置電壓執行濺射製程。用氬氣對第二測試工件進行濺射達兩秒。用氬氣對第三測試工件進行濺射達四秒。一天之後，如圖3所示，在這三個測試工件之間的除氣中存在較小差異。對於所有測試工件來說，幾乎無法檢測到磷化氫排放。第二天之後，如圖4所示，從第一測試工件的排放已經接近新的TLV。由於磷化氫洩漏到外部大氣中，因此在測量期間值會降低。第三天之後，如圖5所示，從第一測試工件的排放超出新的TLV。第十天之後，從第二測試工件的排放正在接近新的TLV，但仍低於此限值。仍然幾乎無法檢測到從第三測試工件的排放。因此，此測試清楚地示出，在植入製程之後及鈍化製程之前使用濺射製程可顯著地減少磷化氫排放。
雖然此測試是使用氬氣作為濺射氣體執行的，但本發明不限於此實施例。舉例來說，也可使用其他惰性氣體，例如氦氣、氖氣、氪氣或氙氣。此外，雖然此測試是使用氮氣作為鈍化氣體執行的，但本發明不限於此實施例。舉例來說，可使用氧氣來鈍化工件的表面。此外，雖然在這些測試中的植入物質是磷化氫，但此技術也可用於其他有毒物質，如砷化氫或鍺烷。
本發明的範圍將不受本文中闡述的具體實施例限制。事實上，通過上述說明及所附圖式，除本文中所述的這些實施例以
外的本發明其他各種實施例及對本發明的修改也將對所屬領域的普通技術人員顯而易見。因此，此類其他實施例及修改旨在落于本發明的範圍內。此外，儘管本文中已在特定環境中在特定實施方式的上下文中出於特定目的闡述了本發明，但所屬領域的普通技術人員將認識到，本發明的適用性不限於此，且本發明可在任意數目的環境中出於任意數目的目的而被有益地實施。因此，上文所述的申請專利範圍應考慮到本文中所述的本發明的整個廣度及精神進行解釋。
200、210、220:製程
Claims (11)
- 一種減少從植入有摻雜劑的工件的氣體排放的方法，包括：在對所述工件進行植入後通過濺射從所述工件的頂表面移除所述摻雜劑，其中從所述頂表面移除的所述摻雜劑的量使得當所述工件與24個類似處理的工件一起在密封的封閉空間中存儲10天時，從所述工件發生的氣體排放小於50ppm；以及鈍化經植入的所述工件的所述頂表面。
- 如請求項1所述的方法，其中使用惰性氣體來濺射所述頂表面。
- 如請求項1所述的方法，更包括使用化學蝕刻從所述頂表面移除所述摻雜劑。
- 如請求項3所述的方法，其中在所述化學蝕刻期間使用氫、CF4或NF3。
- 如請求項1所述的方法，其中所述摻雜劑包括磷化氫、砷化氫或鍺烷。
- 一種減少從經植入工件的氣體排放的方法，包括：在已對所述工件進行植入後執行濺射製程，其中所述濺射製程降低來自經植入的所述工件的頂表面的摻雜劑的表面濃度，其中從所述頂表面移除的所述摻雜劑的量使得當所述工件與24個類似處理的工件一起在密封的封閉空間中存儲10天時，從所述工件發生的氣體排放小於50ppm；以及 在所述濺射製程之後執行鈍化製程，以在經植入的所述工件的所述頂表面上形成鈍化層。
- 如請求項6所述的方法，其中使用惰性氣體來執行所述濺射製程。
- 如請求項6所述的方法，其中所述濺射製程與所述鈍化製程是在同一電漿室中執行。
- 如請求項6所述的方法，其中所述工件被植入磷化氫、砷化氫或鍺烷。
- 一種減少從工件的氣體排放的方法，包括：用磷化氫對所述工件進行植入；在對所述工件進行所述植入後使用濺射製程從所述工件的頂表面移除所述磷化氫，其中從所述頂表面移除的所述磷化氫的量使得當所述工件與24個類似處理的工件一起在密封的封閉空間中存儲10天時，從所述工件發生的氣體排放小於50ppm；以及鈍化經植入的所述工件的所述頂表面。
- 如請求項10所述的方法，更包括使用化學蝕刻製程移除所述磷化氫。
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