TWI786869B - 半導體處理設備及形成矩形或梯度濃度分佈植入區的方法 - Google Patents

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Abstract

揭露一種半導體處理設備及形成矩形或梯度濃度分佈植入區的方法。以相同的植入能量但不同的傾斜角度來實行多個植入，從而在各種深度處植入離子。這些植入的結果可為矩形分佈或梯度分佈。所得的摻雜劑濃度分佈取決於對傾斜角度、劑量及植入數目的選擇。改變傾斜角度而不是改變植入能量以實現不同深度的植入可顯著改善效率及通量，因為傾斜角度可進行的改變比植入能量可進行的改變快。另外，可通過許多不同的半導體處理設備來實行此方法。

Description

半導體處理設備及形成矩形或梯度濃度分佈植入區的方法
本揭露的實施例是有關於用於形成不可使用單一植入來創造的具有摻雜劑濃度分佈的植入區域的系統及方法，且更具體來說，是有關於使用單一植入能量及多重傾斜角度來創造具有矩形分佈或梯度分佈的植入區域。
本申請主張在2020年10月22日提出申請的序列號為17/077,408的美國專利申請的優先權，所述美國專利申請的揭露內容全文併入本案供參考。
存在利用嵌置在工件中的具有預定的摻雜劑濃度分佈的植入區域的各種半導體器件。
一種特定類型的器件被稱為絕緣閘極雙極電晶體（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。IGBT結合了雙極電晶體與金屬氧化物半導體場效電晶體（metal oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET）的概念，以實現一種改善的功率器件。發射極及閘極設置在器件的一個側上，而集電極設置在器件的相對的第二側上。發射極與直接設置在發射極下方的重p摻雜區域連通。位於重p摻雜區域的兩個側中的任一者上的是重n摻雜區域，重n摻雜區域各自與閘極連通。位於重p摻雜區域下面的是輕p摻雜區域。位於器件的另一側上的是與集電極連通的第二重p摻雜區域。最後，位於第二重p摻雜區域與輕p摻雜區域之間的是輕n摻雜漂移層（drift layer）。
在傳統的IGBT器件中，基於維持電場的需要來確定輕n摻雜漂移層的厚度。隨著這些器件的額定功率的增加，器件的總厚度也會增加。
一種用於減小這些IGBT電晶體的厚度的技術是在輕n摻雜漂移層與第二重p摻雜區域之間加入重n摻雜場停止層。電場在此場停止層內迅速減小，使得能夠創造更薄的器件。在某些實施例中，場停止層具有矩形或箱形分佈。
在某些實施例中，通過將例如氫離子等離子植入到輕n摻雜漂移層中來創造此場停止層。此場停止層可鄰近第二重p摻雜區域設置。
另外，場停止層可具有1 μm或大於1 μm的厚度。創造此厚度的植入區域通常是有關於多個植入，所述多個植入各自是以不同的植入能量完成。
其他類型的器件也利用特殊的植入區域。舉例來說，光電二極體通常具有用於隔離的深溝槽，且邏輯器件通常實施P阱及N阱。在這些器件中的每一者中，傳統上使用多個植入來形成植入區域，所述多個植入各自是以不同的植入能量進行。
在某些實施例中，植入區域的期望的摻雜劑濃度分佈可類似於箱形或矩形，其中濃度在一定深度範圍內保持大致恒定。在其他實施例中，植入區域的期望的摻雜劑濃度分佈可為梯度分佈，其中期望的濃度分佈隨著深度而變化。
然而，改變半導體植入系統的植入能量是耗時的。具體地，對於這些植入能量中的每一者，施加到各種電極、加速器、加速/減速級、磁體及聚焦元件的電壓被改變。修改這些電壓可能需要很多分鐘。因此，植入能量的修改會極大地影響了通量及利用率。
因此，如果存在一種能夠以更高效的方式創造具有這些期望的摻雜劑濃度分佈的植入區域的處理半導體工件的方法，則這將是有益的。此外，如果此方法適用於各種不同類型的半導體處理設備，則這將是有利的。
揭露一種使用單一植入能量來形成各種摻雜劑濃度分佈的系統及方法。以相同的植入能量但不同的傾斜角度來實行多個植入，從而在各種深度處植入離子。這些植入的結果可為矩形分佈或梯度分佈。所得的摻雜劑濃度分佈取決於對傾斜角度、劑量及植入數目的選擇。改變傾斜角度而不是改變植入能量以實現不同深度的植入可顯著改善效率及通量，因為傾斜角度可進行的改變比植入能量可進行的改變快。另外，可通過許多不同的半導體處理設備來實行此方法。
根據一個實施例，揭露一種在半導體工件內形成具有矩形濃度分佈的植入區域的方法。所述方法包括：對所述半導體工件實行第一植入，其中所述第一植入是以預定的植入能量及第一傾斜角度實行，其中通過所述第一植入而植入的離子的最大濃度是在第一深度處出現；以及對所述半導體工件實行第二植入，其中所述第二植入是以所述預定的植入能量及第二傾斜角度實行，其中通過所述第二植入而植入的離子的所述最大濃度是在第二深度處出現，所述第二深度小於所述第一深度；其中所述第二傾斜角度被選擇成使得在實行所述第一植入及所述第二植入之後，所述第一深度與所述第二深度之間的最小濃度大於預定的最小濃度。在某些實施例中，所述第一傾斜角度為0°或接近0°，且所述預定的植入能量被選擇成使得所述第一深度處於期望的深度。在一些實施例中，所述方法包括：對所述半導體工件實行第三植入，其中所述第三植入是以所述預定的植入能量及大於所述第二傾斜角度的第三傾斜角度實行，其中通過所述第三植入而植入的離子的所述最大濃度是在第三深度處出現，所述第三深度小於所述第一深度及所述第二深度；其中所述第三傾斜角度被選擇成使得在實行所述第一植入、所述第二植入及所述第三植入之後，所述第一深度與所述第三深度之間的最小濃度大於所述預定的最小濃度。在一些實施例中，所述植入區域的厚度大於1 μm，其中厚度被定義為具有比所述預定的最小濃度大的濃度的最大深度減去具有比所述預定的最小濃度大的所述濃度的最小深度。在某些實施例中，所述植入區域的所述厚度大於2 μm。在一些實施例中，所述第一深度與所述第三深度之間的最大濃度對所述最小濃度的比率小於5。在某些實施例中，所述最大濃度對所述最小濃度的所述比率小於4。在某些實施例中，所述最大濃度對所述最小濃度的所述比率小於3。在一些實施例中，所述第一植入是以第一劑量實行，所述第二植入是以第二劑量實行，且所述第三植入是以第三劑量實行，其中所述第一劑量、所述第二劑量及所述第三劑量並非全部是相同的值。在一些實施例中，以所述第一傾斜角度與所述第三傾斜角度之間的附加的傾斜角度實行一個或多個附加的植入，以降低所述第一深度與所述第三深度之間的最大濃度對所述最小濃度的比率。
根據另一實施例中，揭露一種半導體處理設備。所述半導體處理設備包括：離子源，用於產生離子；加速器，用於向所述離子提供能量；壓板，用於固持半導體工件；壓板取向馬達，用於調整所述壓板的傾斜角度；以及控制器；其中所述控制器被配置成在所述半導體工件中創造具有矩形濃度分佈的植入區域，其中所述控制器：通過調整供應到所述加速器的電壓來設定植入能量；使用所述壓板取向馬達設定第一傾斜角度；以所述植入能量及所述第一傾斜角度實行第一植入，其中通過所述第一植入而植入在所述半導體工件中的離子的最大濃度出現在第一深度處；使用所述壓板取向馬達設定第二傾斜角度；以所述植入能量及所述第二傾斜角度實行第二植入，其中通過所述第二植入而植入在所述半導體工件中的離子的所述最大濃度出現在第二深度處，所述第二深度小於所述第一深度；使用所述壓板取向馬達設定第三傾斜角度；以及以所述植入能量及所述第三傾斜角度實行第三植入，其中通過所述第三植入而植入在所述半導體工件中的離子的所述最大濃度出現在第三深度處，所述第三深度小於所述第一深度及所述第二深度；其中所述第一傾斜角度、所述第二傾斜角度及所述第三傾斜角度被選擇成使得所述第一深度與所述第三深度之間的最小濃度大於預定的最小濃度，且最大濃度對所述最小濃度的比率小於5。在一些實施例中，所述第一植入是以第一劑量實行，所述第二植入是以第二劑量實行，且所述第三植入是以第三劑量實行，其中所述第一劑量、所述第二劑量及所述第三劑量並非全部是相同的值。在某些實施例中，所述控制器以所述第一傾斜角度與所述第三傾斜角度之間的附加的傾斜角度實行一個或多個附加的植入，以降低最大濃度對所述最小濃度的所述比率。在某些實施例中，所述第一傾斜角度、所述第二傾斜角度及所述第三傾斜角度被選擇成使得所述最大濃度對所述最小濃度的所述比率小於3。
根據另一實施例，揭露一種在半導體工件內形成具有梯度的濃度分佈的植入區域的方法。所述方法包括：對所述半導體工件實行第一植入，其中所述第一植入是以預定的植入能量、第一劑量及第一傾斜角度實行；以及對所述半導體工件實行第二植入，其中所述第二植入是以所述預定的植入能量、第二劑量及第二傾斜角度實行；其中所述第一傾斜角度、所述第一劑量、所述第二傾斜角度及所述第二劑量被選擇成使得在實行所述第一植入及所述第二植入之後，植入原子濃度在第一深度與第二深度之間減小。在某些實施例中，當繪製在半對數圖上時，所述植入原子濃度的分佈在所述第一深度與所述第二深度之間大致呈線性減小。在某些實施例中，所述第一劑量不同於所述第二劑量。在一些實施例中，所述方法更包括：對所述半導體工件實行第三植入，其中所述第三植入是以所述預定的植入能量、第三劑量及第三傾斜角度實行；其中所述第三傾斜角度及所述第三劑量被選擇成使得在實行所述第一植入、所述第二植入及所述第三植入之後，當繪製在半對數圖上時，所述植入原子濃度的分佈在所述第一深度與所述第二深度之間大致呈線性減小。在某些實施例中，所述植入中的一者是以傾斜角度實行，以使得實現所述半導體工件中的原子的通道化。
本揭露闡述在不修改植入能量的條件下使用多重傾斜角度來使得能夠在工件中形成具有期望的摻雜劑濃度分佈的植入區域。此技術適用於各種類型的半導體處理設備。以下對這些設備中的幾個進行闡述。
如圖1A中所示，半導體處理設備包括用於產生離子束的離子源100。在一個實施例中，可以傳統的方式（例如使用伯納斯（Bernas）或間接加熱的陰極（indirectly heated cathode，IHC）離子源）來形成正離子束101。當然，也可采用其他類型的離子源。將原料氣（feedgas）供應到離子源100，然後將離子源100通電以產生離子。在某些實施例中，原料氣可為氫、硼、磷、砷、氦或其他合適的物質。然後使用提取光學器件（extraction optics）從離子源100提取這些離子。
可將離開離子源100的正離子束101耦合到Mg電荷交換胞元110，Mg電荷交換胞元110將正離子束101轉換成負離子束111。當然，用於產生負離子束的其他機構在本領域中是已知的。用於形成負離子束的機構並不受本揭露的限制。
可將負離子束111朝向質量分析器120導引，質量分析器120僅允許某些物質的離子通過。將離開質量分析器120的負離子朝向串聯加速器（tandem accelerator）130導引。
串聯加速器130具有兩條路徑，所述兩條路徑被汽提塔管（stripper tube）133分開。輸入路徑131包括多個輸入電極。這些輸入電極可為任何合適的導電材料，例如鈦或其他金屬。最外部的輸入電極可接地。可以越來越靠近汽提塔管133的正電壓對隨後的輸入電極中的每一者進行偏置。
輸入路徑131通向汽提塔管133。相對於最外部的輸入電極對汽提塔管133進行正向偏置。汽提塔管133包括被注入汽提塔氣體的注入導管。汽提塔氣體可包含中性分子。這些中性分子可為任何合適的物質，例如但不限於氬及氮。汽提塔管133具有設置在與輸入路徑131相同側上的入口。汽提塔管133的出口與輸出路徑132連通。
換句話說，對汽提塔管133進行正向偏置，以通過輸入路徑131吸引負離子束111。汽提塔管133從進入的離子移除電子，將進入的離子從負離子轉化為正離子。
汽提塔管133比輸出路徑132中的電極更正。每一隨後的輸出電極在遠離汽提塔管133移動時可能受到較小的正向偏置。舉例來說，最外部的輸出電極可接地。因此，汽提塔管133中的正離子通過輸出路徑132被加速。
以此種方式，離子被加速兩次。首先，負離子通過輸入路徑131加速到達汽提塔管133。此加速是基於最外部的輸入電極的電壓與汽提塔管133的電壓之間的差。接下來，正離子通過輸出路徑132被加速。此加速是基於汽提塔管133的電壓與輸出路徑132中的最外部的輸出電極的電壓之間的差。
可使用加速器電源134向汽提塔管133以及輸入路徑131及輸出路徑132中的電極供應電壓。加速器電源134能夠供應高達2.5 MV的電壓，但更高或更低的其他電壓也是可能的。因此，為了修改植入能量，改變通過加速器電源134施加的電壓。
在離開串聯加速器130之後，正離子束135可進入過濾器磁體140，過濾器磁體140允許具有僅特定電荷的離子通過。在其他實施例中，可不采用過濾器磁體140。過濾器磁體140的輸出可經過掃描儀150，掃描儀150用於形成包含期望物質的離子的最終離子束155。掃描儀150使進入的離子束在寬度方向上成扇形，以形成掃描的帶狀離子束。然後將掃描儀150的輸出朝向壓板160導引。可在壓板160上設置工件10。在某些實施例中，可在掃描儀150與壓板160之間設置校正器磁體。
壓板160可與壓板取向馬達170連通。壓板取向馬達170可被配置成在多個不同方向中的任一方向上移動壓板160。舉例來說，壓板取向馬達170可具有旋轉壓板160的能力。旋轉是圍繞與壓板160的表面垂直且穿過工件（或壓板）的中心的軸發生。旋轉的角度可被稱為扭轉角度。
另外，壓板取向馬達170被配置成使壓板160傾斜。傾斜被定義為圍繞軸161的旋轉，軸161平行於離子束的較寬尺寸且穿過壓板160的中心。此種傾斜有時被稱為X傾斜。X傾斜的角度可被稱為傾斜角度。
另外，半導體處理設備包括控制器180。控制器180可包括處理單元，例如微控制器、個人計算機、專用控制器或另一合適的處理單元。控制器180可更包括非暫時性計算機可讀儲存元件，例如半導體記憶體、磁記憶體或另一種合適的記憶體。此非暫時性儲存元件可包含使得控制器180能夠實行本文中闡述的功能的指令及其他數據。
控制器180可與加速器電源134進行通信，以控制植入能量。另外，控制器180可與壓板取向馬達170進行通信，以調整壓板160的傾斜角度及扭轉角度。控制器180可還與其他組件進行通信。
圖1B中示出第二實施例。與圖1A共同的組件被給予相同的參考標號。
如上所述，半導體處理設備包括用於產生離子束的離子源100。離子源100具有開孔，可通過所述開孔從離子源100提取離子。可通過向設置在離子源100的外部、靠近提取開孔的提取光學器件103施加負電壓而從離子源100提取這些離子。提取光學器件103可為脈衝的，使得離子在特定時間處離開。離開的離子的群組可被稱為束。在一個實施例中，可形成多個聚束的離子。然後，離子可進入質量分析器120，質量分析器120可為允許具有特定質荷比率的離子通過的磁體。此質量分析器120用於僅分離期望的離子。然後，期望的離子進入線性加速器200。
線性加速器200包括一個或多個空腔201。每一空腔201包括共振線圈202，共振線圈202可由激勵線圈205所形成的電磁場激勵。激勵線圈205與相應的共振線圈202設置在空腔201中。激勵線圈205由激勵電壓激勵，激勵電壓可為射頻（radio frequency，RF）信號。激勵電壓可由相應的RF產生器204供應。換句話說，施加到每一激勵線圈205的激勵電壓可獨立於供應到任何其他激勵線圈205的激勵電壓。優選在其各自的空腔201的共振頻率下對每一激勵電壓進行調製。
當向激勵線圈205施加激勵電壓時，在共振線圈202上感應到電壓。結果是每一空腔201中的共振線圈202由正弦電壓驅動。每一共振線圈202可與各自的加速器電極203電連通。離子通過每一加速器電極203中的開孔。
束進入特定的加速器電極203是定時的，使得當束接近時，加速器電極203的電勢為負，但是當束通過加速器電極203時，電勢切換為正。以此種方式，束在進入加速器電極203時被加速，在離開時被排斥。此導致束的加速。對於線性加速器200中的每一加速器電極203重複此過程。每一加速器電極203增加離子的加速。
在束離開線性加速器200之後，束可通過掃描儀150，掃描儀150用於形成包含期望物質的離子的最終離子束155。掃描儀150使進入的離子束在寬度方向上成扇形，以形成掃描的帶狀離子束。
如上所述，壓板160可與壓板取向馬達170連通。壓板取向馬達170可被配置成在多個不同方向中的任一方向上移動壓板160。舉例來說，壓板取向馬達170可具有旋轉壓板160的能力。另外，壓板取向馬達170被配置成使壓板160傾斜。傾斜被定義為圍繞軸161的旋轉，軸161平行於離子束的較寬尺寸且穿過壓板160的中心。此種傾斜有時被稱為X傾斜。X傾斜的角度可被稱為傾斜角度。
控制器180可與RF產生器204進行通信，以控制植入能量。另外，控制器180可與壓板取向馬達170進行通信，以調整壓板160的傾斜角度及扭轉角度。控制器180可還與其他組件（例如RF產生器204）進行通信。
當然，離子植入系統可包括其他組件，例如四極元件、用於使束加速或減速的附加電極及其他元件。
圖1C中示出第三實施例。與圖1A共同的組件被給予相同的參考標號。
半導體處理設備包括離子源100。在某些實施例中，離子源100可為RF離子源。在另一實施例中，離子源100可為間接加熱的陰極（IHC）。其他實施例也是可能的。舉例來說，可以不同的方式（例如通過伯納斯離子源、電容耦合的電漿（capacitively coupled plasma，CCP）源、微波或電子回旋共振（electron-cyclotron-resonance，ECR）離子源）產生電漿。產生離子的方式並不受本揭露的限制。
一個腔室壁（被稱為提取板）包括提取開孔。提取開孔可為開口，通過所述開口，將離子源室中所產生的離子提取並朝向工件10導引。提取開孔可為任何合適的形狀。在某些實施例中，提取開孔可為橢圓形或矩形的，具有被稱為寬度（x尺寸）一個尺寸，所述尺寸可比被稱為高度（y尺寸）的第二尺寸大得多。在某些實施例中，從離子源100提取帶狀離子束。在其他實施例中，從離子源100提取點（spot）離子束。
設置在離子源100的提取開孔的外部及附近的是提取光學器件103。在某些實施例中，提取光學器件103包括一個或多個電極。每一電極可為其中設置有開孔的單個導電組件。作為另一種選擇，每一電極可由間隔開的兩個導電組件構成，以在所述兩個組件之間形成開孔。電極可為金屬，例如鎢、鉬或鈦。電極中的一者或多者可電連接到地。在某些實施例中，可使用提取電源104對電極中的一者或多者進行偏置。可使用提取電源104可相對於離子源100對電極中的一者或多者進行偏置，以通過提取開孔吸引離子。由提取電源104施加到提取光學器件103的電壓可確定提取的離子的能量。
位於提取光學器件103的下游的是質量分析器120。質量分析器120使用磁場來引導提取的離子的路徑。磁場根據離子的質量及電荷來影響離子的飛行路徑。設置在質量分析器120的輸出或遠端處的是具有解析開孔122的質量解析器件121。
通過適當選擇磁場，僅那些具有選定的質量及電荷的離子將被引導通過解析開孔122。其他離子將撞擊質量解析器件121或質量分析器120的壁，且將不會在系統中行進得更遠。
設置在質量解析器件121的下游的是準直器185。準直器185接受通過解析開孔122的離子且形成由多個平行或幾乎平行的細光束形成的帶狀離子束。
位於準直器185的下游的是加速/減速級190。加速/減速級190可被稱為能量純度模組。能量純度模組是被配置成獨立地控制離子束的偏轉、加速、減速及聚焦的束線透鏡組件。舉例來說，能量純度模組可為垂直靜電能量過濾器（vertical electrostatic energy filter，VEEF）或靜電過濾器（electrostatic filter，EF）。
在某些實施例中，四極透鏡可設置在半導體處理設備中的某些位置中。舉例來說，四極透鏡可設置在離子源100與質量分析器120之間、質量分析器120與質量解析器件121之間和/或質量解析器件121與準直器之間。
當然，離子植入系統可包括其他組件，例如從點離子束形成帶狀束的掃描儀，以及使束加速或減速的附加電極及其他元件。
因此，在此實施例中，提取光學器件103和/或加速/減速級190可被稱為加速器，因為這些組件用於將離子加速到期望的植入能量。
最終離子束155離開加速/減速級190且撞擊設置在壓板160上的工件10。壓板160可與壓板取向馬達170連通。壓板取向馬達170可被配置成在多個不同方向中的任一方向上移動壓板160。舉例來說，壓板取向馬達170可具有旋轉壓板160的能力。另外，壓板取向馬達170被配置成使壓板160傾斜。傾斜被定義為圍繞軸161的旋轉，軸161平行於離子束的較寬尺寸且穿過壓板160的中心。此種傾斜有時被稱為X傾斜。X傾斜的角度可被稱為傾斜角度。
另外，半導體處理設備包括控制器180。控制器180可包括處理單元，例如微控制器、個人計算機、專用控制器或另一種合適的處理單元。控制器180可更包括非暫時性計算機可讀儲存元件，例如半導體記憶體、磁記憶體或另一種合適的記憶體。此非暫時性儲存元件可包含使得控制器180能夠實行本文中闡述的功能的指令及其他數據。
控制器180可與提取電源104及其他組件進行通信，以控制植入能量。另外，控制器180可與壓板取向馬達170進行通信，以調整壓板160的傾斜角度及扭轉角度。
因此，圖1A、圖1B及圖1C全部示出包括離子源100、質量分析器120、加速器、壓板160、控制器180及壓板取向馬達170的半導體處理設備。
對於每一植入，可存在相關聯的配方，所述配方包括施加到加速器的電壓、劑量以及將由壓板取向馬達170供應的傾斜角度及扭轉角度。
在操作中，在壓板160上設置工件10，且通過最終離子束155對工件10進行植入。工件10可為矽工件。控制器180可在植入之前設定將由壓板取向馬達170供應的傾斜角度及扭轉角度。另外，控制器180可設定將施加到加速器的電壓及將植入的劑量。
可使用上述半導體處理設備中的任意者來實行一系列植入，以形成具有期望的摻雜劑濃度分佈的植入區域。
在某些實施例中，期望的摻雜劑濃度分佈可為矩形分佈或箱形分佈，其中植入原子的濃度在預定厚度內保持大致恒定。
在本揭露中，厚度被定義為具有原子的預定的最小濃度的最大深度減去具有原子的預定的最小濃度的最小深度，其中在整個厚度中，摻雜劑濃度總是至少等於預定的最小濃度。
如上所述，這些植入通常是通過修改每一植入的植入能量來實行，以在多個不同的深度處沉積離子。結果是厚的植入區域在整個期望厚度內具有大致恒定的摻雜劑濃度分佈。在本揭露中，厚的植入區域可指具有1 μm或大於1 μm的厚度的任何植入區域。在某些實施例中，厚的植入區域可指具有2 μm或大於2 μm的厚度的任何植入區域。
然而，為了改善這些操作的通量，這些半導體處理設備中的每一者可被配置成使得使用單一植入能量來形成這些厚的植入區域。
舉例來說，在一個實施例中，可能可期望將氫離子植入矽工件中，以形成具有約1E18個原子/cm 3的氫原子最小濃度的植入區域。此外，此植入區域的期望厚度可為約4.5 μm。另外，此植入區域的期望深度可在3.5 μm與8.1 μm之間。換句話說，具有最小濃度的最大深度是8.1 μm且具有最小濃度的最小深度是3.5 μm。在某些實施例中，此植入區域可為場停止層。
圖2示出植入時的四個植入分佈，其中每一植入是使用相同的植入能量來實行。在此測試中，植入能量是600 keV，然而，也可使用其他植入能量。每一植入的劑量設定為2E14個原子/cm 2。圖2及相關聯的數據反映出在任何熱處置之前的植入時的氫原子的濃度。
使用7°傾斜角度及0°扭轉角度實行第一植入300。如圖2中所示，來自第一植入300的大部分氫離子被植入在7.0 μm與8.5 μm之間的深度處。最大濃度約為4E18個原子/cm 3且最大濃度（Rp）的深度約為7.7 μm。此植入用於在最大深度處植入離子。注意，其中濃度大於1E18的最低深度約為8.1 μm。因此，在某些實施例中，植入能量被選擇成在傾斜角度為0°或接近0°時將離子植入到最大深度。在本揭露中，片語“為0°或接近0°”是指小於10°的傾斜角度。在某些實施例中，片語是指小於5°的傾斜角度。在某些實施例中，片語是指小於2°的傾斜角度。
使用30°傾斜角度及0°扭轉角度實行第二植入310。來自第二植入310的大部分氫離子被植入在5.7 μm與7.5 μm之間的深度處。最大濃度約為3E18個原子/ cm 3且最大濃度（Rp）的深度約為6.8 μm。
使用45°傾斜角度及0°扭轉角度實行第三植入320。來自第三植入320的大部分氫離子被植入在4.5 μm與6.5 μm之間的深度處。最大濃度約為2.5E18個原子/cm 3且最大濃度（Rp）的深度約為5.6 μm。
使用60°傾斜角度及0°扭轉角度實行第四植入330。來自第四植入330的大部分氫離子被植入在3.0 μm與5.0 μm之間的深度處。最大濃度約為2E18個原子/cm 3且最大濃度（Rp）的深度約為4.0 μm。
圖3示出在實行圖2中闡述的所述四個植入之後，作為深度的函數的植入時的氫濃度分佈。圖3及相關聯的數據反映出在任何熱處置之前的植入時的濃度。注意，氫離子的濃度至少是從約3.5 μm到約8.1 μm為1E18。因此，使用具有相同植入能量的四個植入形成具有大於4 μm的厚度的植入區域。此外，濃度大致恒定，其中整個期望厚度內的最大濃度對最小濃度的比率小於5。
此外，可進一步改善圖3所示濃度分佈。舉例來說，如果第四植入330的劑量增加，則最小濃度（其出現在約4.8 μm處）可增大。此外，如果第一植入300的劑量降低，則最大濃度（其出現在約7.7 μm的深度處）可減小，同時在整個期望的深度範圍內仍然保持期望的最小濃度。
另外，可實行附加的植入以填充槽。舉例來說，可以約18°、37°和/或57°的角度實行一個或多個植入，以進一步將濃度分佈平整化。
因此，通過改變傾斜角度及可選的劑量，可能形成矩形濃度分佈，其中在整個深度範圍內的最大濃度對最小濃度的比率小於5。在某些實施例中，所述比率小於4。在一些實施例中，所述比率小於3。在一些實施例中，所述比率小於2。
如果僅實行前兩個植入，則將形成具有約為1.8 μm（從約6.8 μm到約8.1 μm）的厚度的植入區域。此外，此深度範圍內的最大濃度對最小濃度的比率約為4。然而，在一些實施例中，通過調整這些植入的劑量及可選的傾斜角度，如上所述，此比率可降低到小於3或小於2。
如果僅實行前三次植入，則將形成具有約為3.1 μm（從約5.0 μm到約8.1 μm）的厚度的植入區域。此外，此深度範圍內的最大濃度對最小濃度的比率約為4。然而，在一些實施例中，通過調整這些植入的劑量及可選的傾斜角度，如上所述，此比率可降低到小於3或小於2。
注意，與每一植入相關聯的散亂（straggle）隨著傾斜角度的增加而增加。換句話說，特定植入的摻雜劑濃度分佈的寬度通常隨著此植入的傾斜角度的增加而變大。因此，較高的傾斜角度植入的Rp之間的距離可大於較低的傾斜角度植入的Rp之間的距離。更具體地，第四植入330的Rp與第三植入320的Rp之間的距離約為1.6 μm。相比之下，第二植入310的Rp與第一植入300的Rp之間的距離僅約為0.9 μm。然而，由於在更高的傾斜角度下散亂增加，因此這些植入的組合導致濃度在約1E18處或1E18以上的更寬的分佈。
因此，在某些實施例中，基於最小期望濃度及與每一植入相關聯的散亂來選擇傾斜角度。在此實施例中，每一植入形成類似鐘形曲線的濃度分佈。鐘形曲線的寬度隨著傾斜角度的增加而增加，而鐘形曲線的高度隨著傾斜角度的增加而減小。
換句話說，傾斜角度可被選擇成使得任意兩個相鄰Rp之間的最小濃度高於預定最小值。舉例來說，圖3的預定最小值可為1E18原子/cm 3。如圖中所示，第一植入300的Rp與第二植入310的Rp之間的最小值約為1.2E18。第二植入310的Rp與第三植入320的Rp之間的最小值約為1.1E18。最後，第三植入320的Rp與第四植入330的Rp之間的最小值約為1.0E18。
在某些實施例中，第一傾斜角度被選擇成0°或接近0°。下一個傾斜角度可被選擇成使得其中此植入提供等於預定的最小值的約50%的濃度的下部深度與其中第一植入提供等於或略大於預定的最小值的50%的濃度的上部深度相同。舉例來說，如圖2中所示，第一植入300在7.3 μm的上部深度處提供約5E17個原子/cm 3（此是1E18的50%）的濃度。類似地，第二植入310在7.3 μm的下部深度處及6.2 μm的上部深度處提供約5E17原子/cm 3的濃度。第二植入310可以大於第一傾斜角度的傾斜角度（例如在10°與40°之間）實行。第三植入320在6.2 μm的下部深度及4.8 μm的上部深度處提供約5E17個原子/cm 3的濃度。第三植入320可以大於第二傾斜角度的傾斜角度（例如在30°與60°之間）實行。最後，第四植入330在3.2 μm的下部深度處提供約5E17個原子/cm 3的濃度。第四植入330可以大於第三傾斜角度的傾斜角度（例如在40°與70°之間）實行。
因此，如圖3中所示，可使用單一植入能量創造具有大於1E18個離子/cm 3的氫濃度且及約4.5 μm的厚度的場停止層。此外，最大濃度對最小濃度的比率小於5。如上所述，通過改變每一植入的劑量，可降低此比率。此外，通過添加附加的植入，使用相同的植入能量及其他傾斜角度，可降低比率。因此，此比率可小於4、小於3或小於2。
此項技術對其他半導體應用也有用。
舉例來說，此技術並不限於氫離子。舉例來說，可使用任何期望的物質，包括但不限於硼、砷及磷。
此外，此技術可用於創造其他類型的植入區域。
在另一實例中，可使用深溝槽植入區域來製作光電二極體。此植入區域的厚度可約為2 μm且可具有約為1E16個原子/cm 3的硼濃度。在某些實施例中，通常可使用多於6種不同的植入能量來創造此植入區域。
根據一個實施例，使用本技術，可使用單一植入能量及兩重或更多重不同的傾斜角度來製作此植入區域。
在另一實施例中，可使用兩種或更多種植入能量來創造此植入區域，其中以每一植入能量實行不同傾斜角度的兩種或更多種植入。舉例來說，可通過使用兩重或三重不同的傾斜角度以第一植入能量實行植入且使用兩重或三重不同的傾斜角度以第二植入能量實行植入來創造植入區域。在這種情況下，當將植入能量從第一植入能量改變為第二植入能量時，會出現延遲。然而，此延遲遠小於與6種不同的植入能量相關聯的延遲。
此外，本技術可用於形成梯度分佈。梯度分佈是其中摻雜劑濃度分佈的對數作為深度的函數而大致呈線性變化的梯度分佈。舉例來說，阱可為N摻雜的，其中最大濃度出現在約0.1 μm的深度處且以指數方式減小到約1.0 μm的深度。舉例來說，濃度可在0.9 μm內減小約35倍。在某些實施例中，當以對數線性（也被稱為半對數）格式繪製時，濃度的減小可表現為大致呈線性。以幾重不同的傾斜角度使用單一植入能量，可形成類似的濃度分佈。
此梯度分佈可用於為邏輯器件創造井。在那些邏輯器件中，通常在電晶體的閘極下面形成阱。根據電晶體的類型，阱可摻雜有P型摻雜劑（例如硼）或者N型摻雜劑（例如磷）。
圖4示出使用一個植入能量及三重的不同傾斜角度形成的植入時的所得梯度摻雜劑濃度分佈400的模擬。在此實例中，植入能量是180 keV，且植入的物質是磷。當然，也可使用其他物質及植入能量。舉例來說，可使用任何期望的物質（包括但不限於硼、砷及氫）。
圖4及相關聯的數據反映出在任何熱處置之前的植入時的濃度。在此圖中，當在半對數圖上觀察時，摻雜劑濃度從約0.2 μm到約1.1 μm大致呈線性降低。具體地，在此梯度分佈中，濃度在此深度範圍內從4E18個原子/cm 3減小到約2E16個原子/cm 3。如果梯度分佈在半對數圖上精確地成線性減小，則線401在期望深度範圍內的方程式可表達為：
log(y) = mx + b，其中y為濃度，m為斜率；且b是y截距。
圖4中所示的曲線圖示出，在整個期望的深度範圍內，植入時所得的梯度摻雜劑濃度分佈400偏離此直線401小於2倍。在本揭露中，片語“大致呈線性”意指當繪製在半對數圖上時，實際的摻雜劑濃度偏離直線401達2倍或小於2倍。在某些實施例中，偏差可小於1.5倍。在其他實施例中，偏差可小於1.25倍。
圖5示出用於形成圖4中所示的摻雜劑分佈的植入時的所述三個植入的模擬。同樣，圖5及相關聯的數據反映出在任何熱處置之前的植入時的濃度。注意，第一植入500未示出圖2中明顯的鐘形。此是因為此第一植入500的傾斜角度被選擇成使得實現工件中的原子的通道化（channeling）。此通道效應（channeling effect）在約0.2 µm到約0.95 µm的深度範圍內生成約1E17個原子/cm 3的更恒定的摻雜劑分佈。在一個實施例中，可以1E13的劑量、0°的傾斜角度及0°的扭轉角度實行此第一植入500。第二植入510以比第一植入500的角度大的角度出現，且在約0.3 µm處顯示峰值濃度且最大濃度約為2E18。第二植入510的劑量可大於第一植入500的劑量，例如但不限於5E13。第一植入500及第二植入510為大於約0.4 µm的深度提供期望的梯度分佈。第三植入520用於提供在小於0.4 µm的深度處發現的更大濃度。第三植入520的劑量可與第二植入510的劑量相同。因此，為了在這些淺深度處實行植入，第三植入520的傾斜角度可增加，例如增加到30°或大於30°的值。這三種植入的劑量可能相同或者可能不同。舉例來說，如上所述，第一植入500可以較低的劑量實行，以提供圖中所示的恒定的摻雜劑分佈。在某些實施例中，可不實行第一植入500，因為第二植入510及第三植入520也可生成梯度分佈。
此外，如上所述，可通過改變每一植入的劑量來進一步改善濃度分佈的形狀。另外，可使用以最小角度與最大角度之間的傾斜角度進行的附加的植入來進一步改善濃度分佈的形狀。基於期望的濃度分佈的最大深度確定植入能量。如箱形分佈那般，第一植入可以0°或接近0°的角度實行。第二傾斜角度可大於第一傾斜角度，例如在1°與30°之間。第三傾斜角度可大於第二傾斜角度，例如在30°與65°之間。
上述值旨在形成具有類似於圖4中所示梯度的分佈。如果期望更陡或更平緩的梯度，可相應地調整傾斜角度及劑量。類似地，如果期望的濃度不同於圖4中所示的濃度，則可調整傾斜角度及劑量。
因此，除了矩形或箱形分佈之外，本技術還使得能夠以多重傾斜角度使用單一植入能量來形成梯度的濃度分佈。
本揭露並不限於形成箱形及梯度分佈。相反，單一植入能量及多重傾斜角度的使用也可用於形成其他形狀的摻雜劑濃度分佈。
本文中闡述的系統及方法具有許多優點。在一個測試中，確定可使用600 keV的單一植入能量形成具有4.5 μm的厚度的場停止層。使用四個不同的傾斜角度來實行此場停止層。相比之下，此場停止層傳統上是使用三種或更多種不同的植入能量來製作。注意，改變植入能量且然後將半導體處理設備的所有組件重新校準到每一新植入能量的時間可長達5到6分鐘。因此，在不改變植入能量的條件下實現具有超過1 μm的厚度的植入區域的能力可顯著減少形成植入區域的時間。
類似地，通常使用三種或更多種不同的植入能量來製作分級的P阱或N阱。以單一植入能量製作這些結構的能力可顯著增加通量。舉例來說，使用單一植入能量及三個不同的傾斜角度來形成類似於使用三種不同的植入能量形成的梯度分佈。此導致通量及效率的顯著改善。
同樣，用於光電二極體的隔離溝槽可具有約2 μm的厚度及2E16個硼原子/cm 3的濃度。在某些現有技術應用中，使用6種或更多種不同的植入能量來製作此隔離溝槽。使用單一植入能量及多種傾斜角度，可顯著減少製作此隔離溝槽的時間。事實上，即使使用兩種不同的植入能量來創造此隔離溝槽，與當前工藝相比，通量仍有很大改善。
因此，本系統及方法會減少創造具有期望的摻雜劑濃度分佈的植入區域的時間。如上所述，當植入能量變化時，施加到各種電極、加速器、加速/減速級、磁體及聚焦元件的電壓也發生改變。修改這些電壓可能需要很多分鐘。然而，僅壓板取向馬達170被調整以改變傾斜角度，這在被移動之後不需要附加的微調。
本揭露的範圍不受本文所述的具體實施例限制。實際上，通過閱讀以上說明及所附圖式，對所屬領域中的一般技術人員來說，除本文所述實施例及修改以外，本揭露的其他各種實施例及對本揭露的各種修改也將顯而易見。因此，這些其他實施例及修改都旨在落於本揭露的範圍內。此外，儘管已針對特定目的而在特定環境中在特定實施方案的上下文中闡述了本揭露，然而所屬領域中的一般技術人員將認識到，本揭露的效用並非僅限於此且可針對任何數目的目的在任何數目的環境中有益地實施本揭露。因此，應考慮到本文所述本揭露的全部範圍及精神來理解以上提出的權利要求書。
10:工件 100:離子源 101、135:正離子束 103:提取光學器件 104:提取電源 110:Mg電荷交換胞元 111:負離子束 120:質量分析器 121:質量解析器件 122:解析開孔 130:串聯加速器 131:輸入路徑 132:輸出路徑 133:汽提塔管 134:加速器電源 140:過濾器磁體 150:掃描儀 155:最終離子束 160:壓板 161:軸 170:壓板取向馬達 180:控制器 185:準直器 190:加速/減速級 200:線性加速器 201:空腔 202:共振線圈 203:加速器電極 204:RF產生器 205:激勵線圈 300:第一植入 310:第二植入 320:第三植入 330:第四植入 400:梯度摻雜劑濃度分佈 401:直線/線 500:第一植入 510:第二植入 520:第三植入
為更好地理解本揭露，參照併入本文中供參考的所附圖式，且在所附圖式中： 圖1A示出可根據一個實施例利用的半導體處理設備。 圖1B示出可根據第二實施例利用的半導體處理設備。 圖1C示出可根據第三實施例利用的半導體處理設備。 圖2示出以相同的植入能量但不同的傾斜角度實行的四個植入。 圖3示出在圖2中所示的所述四個植入之後的工件中的離子濃度。 圖4示出由以相同的植入能量但不同的傾斜角度實行的三個植入創造的梯度的濃度分佈。 圖5示出用於產生圖4中所示的摻雜劑濃度分佈的所述三個植入。

Claims (19)

  1. 一種在半導體工件內形成具有矩形濃度分佈的植入區域的方法，包括： 對所述半導體工件實行第一植入，其中所述第一植入是以預定的植入能量及第一傾斜角度實行，其中通過所述第一植入而植入的離子的最大濃度是在第一深度處出現；以及 對所述半導體工件實行第二植入，其中所述第二植入是以所述預定的植入能量及第二傾斜角度實行，其中通過所述第二植入而植入的離子的最大濃度是在第二深度處出現，所述第二深度小於所述第一深度； 其中所述第二傾斜角度被選擇成使得在實行所述第一植入及所述第二植入之後，所述第一深度與所述第二深度之間的最小濃度大於預定的最小濃度。
  2. 如請求項1所述的方法，其中所述第一傾斜角度為0°或接近0°，且所述預定的植入能量被選擇成使得所述第一深度處於期望的深度。
  3. 如請求項1所述的方法，更包括： 對所述半導體工件實行第三植入，其中所述第三植入是以所述預定的植入能量及大於所述第二傾斜角度的第三傾斜角度實行，其中通過所述第三植入而植入的離子的最大濃度是在第三深度處出現，所述第三深度小於所述第一深度及所述第二深度； 其中所述第三傾斜角度被選擇成使得在實行所述第一植入、所述第二植入及所述第三植入之後，所述第一深度與所述第三深度之間的最小濃度大於所述預定的最小濃度。
  4. 如請求項3所述的方法，其中所述植入區域的厚度大於1 μm，其中所述厚度被定義為具有比所述預定的最小濃度大的濃度的最大深度減去具有比所述預定的最小濃度大的所述濃度的最小深度。
  5. 如請求項4所述的方法，其中所述植入區域的所述厚度大於2 μm。
  6. 如請求項3所述的方法，其中所述第一深度與所述第三深度之間的最大濃度對所述最小濃度的比率小於5。
  7. 如請求項6所述的方法，其中所述最大濃度對所述最小濃度的所述比率小於4。
  8. 如請求項7所述的方法，其中所述最大濃度對所述最小濃度的所述比率小於3。
  9. 如請求項3所述的方法，其中所述第一植入是以第一劑量實行，所述第二植入是以第二劑量實行，且所述第三植入是以第三劑量實行，其中所述第一劑量、所述第二劑量及所述第三劑量並非全部是相同的值。
  10. 如請求項3所述的方法，其中以所述第一傾斜角度與所述第三傾斜角度之間的附加的傾斜角度實行一個或多個附加的植入，以降低所述第一深度與所述第三深度之間的最大濃度對所述最小濃度的比率。
  11. 一種半導體處理設備，包括： 離子源，用於產生離子； 加速器，用於向所述離子提供能量； 壓板，用於固持半導體工件； 壓板取向馬達，用於調整所述壓板的傾斜角度；以及 控制器，其中所述控制器被配置成在所述半導體工件中創造具有矩形濃度分佈的植入區域，其中所述控制器： 通過調整供應到所述加速器的電壓來設定植入能量； 使用所述壓板取向馬達設定第一傾斜角度； 以所述植入能量及所述第一傾斜角度實行第一植入，其中通過所述第一植入而植入在所述半導體工件中的離子的最大濃度出現在第一深度處； 使用所述壓板取向馬達設定第二傾斜角度； 以所述植入能量及所述第二傾斜角度實行第二植入，其中通過所述第二植入而植入在所述半導體工件中的離子的最大濃度出現在第二深度處，所述第二深度小於所述第一深度； 使用所述壓板取向馬達設定第三傾斜角度；以及 以所述植入能量及所述第三傾斜角度實行第三植入，其中通過所述第三植入而植入在所述半導體工件中的離子的最大濃度出現在第三深度處，所述第三深度小於所述第一深度及所述第二深度； 其中所述第一傾斜角度、所述第二傾斜角度及所述第三傾斜角度被選擇成使得所述第一深度與所述第三深度之間的最小濃度大於預定的最小濃度，且所述第一深度與所述第三深度之間的最大濃度對所述最小濃度的比率小於5。
  12. 如請求項11所述的半導體處理設備，其中所述第一植入是以第一劑量實行，所述第二植入是以第二劑量實行，且所述第三植入是以第三劑量實行，其中所述第一劑量、所述第二劑量及所述第三劑量並非全部是相同的值。
  13. 如請求項11所述的半導體處理設備，其中所述控制器以所述第一傾斜角度與所述第三傾斜角度之間的附加的傾斜角度實行一個或多個附加的植入，以降低所述最大濃度對所述最小濃度的所述比率。
  14. 如請求項11所述的半導體處理設備，其中所述第一傾斜角度、所述第二傾斜角度及所述第三傾斜角度被選擇成使得所述最大濃度對所述最小濃度的所述比率小於3。
  15. 一種在半導體工件內形成具有梯度的濃度分佈的植入區域的方法，包括： 對所述半導體工件實行第一植入，其中所述第一植入是以預定的植入能量、第一劑量及第一傾斜角度實行；以及 對所述半導體工件實行第二植入，其中所述第二植入是以所述預定的植入能量、第二劑量及第二傾斜角度實行； 其中所述第一傾斜角度、所述第一劑量、所述第二傾斜角度及所述第二劑量被選擇成使得在實行所述第一植入及所述第二植入之後，植入原子濃度在第一深度與第二深度之間減小。
  16. 如請求項15所述的方法，其中，當繪製在半對數圖上時，所述植入原子濃度的分佈在所述第一深度與所述第二深度之間大致呈線性減小。
  17. 如請求項15所述的方法，其中所述第一劑量不同於所述第二劑量。
  18. 如請求項15所述的方法，更包括： 對所述半導體工件實行第三植入，其中所述第三植入是以所述預定的植入能量、第三劑量及第三傾斜角度實行； 其中所述第三傾斜角度及所述第三劑量被選擇成使得在實行所述第一植入、所述第二植入及所述第三植入之後，當繪製在半對數圖上時，所述植入原子濃度的分佈在所述第一深度與所述第二深度之間大致呈線性減小。
  19. 如請求項18所述的方法，其中所述第一植入、所述第二植入及所述第三植入中的一者是以使所述半導體工件中的原子通道化的傾斜角度實行。
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