專利名稱:使用高中性密度等離子體植入的共形摻雜的制作方法
使用高中性密度等離子體植入的共形摻雜 這里用到的本節(jié)標(biāo)題僅是為了一種組織性目的,不應(yīng)限制于本發(fā)明所描述的技術(shù)
方案。
背景技術(shù):
近幾十年來,等離子體處理(plasma processing)已廣泛用于半導(dǎo)體以及其他工 業(yè)中。等離子體處理用于諸如清洗(cleaning)、蝕刻(etching)、研磨(milling)以及沉積 (exposition)的任務(wù)。近年來,等離子體處理已用于摻雜。等離子體摻雜有時(shí)稱作PLAD或 等離子體浸沒離子植入(plasmaimmersion ion implantation,PIII)。已對(duì)等離子體摻雜 系統(tǒng)(plasma dopingsystem)進(jìn)行開發(fā),以便滿足一些現(xiàn)代電子以及光學(xué)裝置的摻雜要求。
等離子體摻雜系統(tǒng)與現(xiàn)有射束線離子植入系統(tǒng)在根本上不同,所述現(xiàn)有射束線離 子植入系統(tǒng)用電場來加速離子,且接著根據(jù)離子的質(zhì)荷比(mass-to-charge ratio)對(duì)離子 進(jìn)行過濾,以便選擇所要離子以供植入。反之,等離子體摻雜系統(tǒng)將靶材浸沒于含有摻雜劑 離子的等離子體中,且用一系列負(fù)電壓脈沖來偏壓靶材。本文中將術(shù)語"靶材"定義為正進(jìn) 行植入的工件,諸如,正進(jìn)行離子植入的基板或晶圓。靶材上的負(fù)偏壓將電子排斥出靶材表 面,藉此形成正離子鞘。等離子體鞘內(nèi)的電場將離子朝向靶材加速,藉此將離子植入至靶材 表面中。 本發(fā)明是關(guān)于共形等離子體摻雜。本文中將術(shù)語"共形摻雜"定義為以大體上保 留表面特征的角度的方式來摻雜平坦以及非平坦表面特征。在文獻(xiàn)中,共形摻雜有時(shí)指代 用令平坦特征以及非平坦特征上皆具有均一摻雜輪廓的方式來摻雜平坦特征以及非平坦 特征。然而,如本文中所定義的共形摻雜可(但未必)在基板的平坦特征以及非平坦特征 上皆具有均一摻雜輪廓。 為了讓本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂,下文特舉其較佳實(shí)施例,并配合 附圖予以詳細(xì)說明。附圖未必依其實(shí)際比例顯示,通常會(huì)特別強(qiáng)調(diào)以便說明本發(fā)明的原理。
圖1說明執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共形摻雜的等離子體摻雜系統(tǒng)的示意圖。 圖2A說明適用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的等離子體摻雜的脈沖RF波形。 圖2B說明由偏壓源產(chǎn)生的偏壓波形,所述偏壓源在偏壓周期期間將負(fù)電壓施加
至基板以便執(zhí)行等離子體摻雜。 圖2C說明由輻射源產(chǎn)生的強(qiáng)度波形,所述輻射源根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例而解吸附經(jīng) 吸附的薄膜層以產(chǎn)生中性。
具體實(shí)施例方式
在本說明書中提到"一個(gè)實(shí)施例"或"一實(shí)施例"時(shí)是指結(jié)合所述實(shí)施例而描述的
特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。在本說明書中各處出現(xiàn)的短語 "在一個(gè)實(shí)施例中"未必全部指代同一實(shí)施例。
應(yīng)了解,只要本發(fā)明仍可操作,可以任何次序執(zhí)行本發(fā)明方法的各個(gè)步驟及/或 同時(shí)執(zhí)行本發(fā)明方法的各個(gè)步驟。此外,應(yīng)了解,只要本發(fā)明仍可操作,本發(fā)明的設(shè)備以及 方法可包括任何數(shù)目或全部所描述的實(shí)施例。 現(xiàn)在將參照附圖中所示的本發(fā)明例示性實(shí)施例來更詳細(xì)地描述本發(fā)明的啟示。雖 然結(jié)合各種實(shí)施例以及實(shí)例來描述本發(fā)明的啟示,但并不希望本發(fā)明的啟示限于此等實(shí)施 例。反之,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解,本發(fā)明的啟示涵蓋各種替代、修改以及等效物。本領(lǐng)域技 術(shù)人員在閱讀本文中的啟示后應(yīng)認(rèn)識(shí)到額外實(shí)施方案、修改及實(shí)施例以及其他使用領(lǐng)域, 所述各者在如本文中所描述的本揭露案的范疇內(nèi)。舉例而言,雖然結(jié)合等離子體摻雜來描 述本發(fā)明,但也可將用于產(chǎn)生使離子散射的中性(neutral)以增強(qiáng)共形摻雜的方法以及設(shè) 備應(yīng)用于現(xiàn)有射束線離子植入系統(tǒng)。 現(xiàn)在人們正在開發(fā)三維裝置結(jié)構(gòu),以便增加ULSI電路的可用表面積,且將裝置規(guī) 模擴(kuò)展至65奈米以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。舉例而言,人們正在研究實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)在DRAM中使用 的三維溝槽電容器以及使用垂直通道晶體管的許多類型裝置(諸如,F(xiàn)inFET(雙閘極或三 閘極))以及凹入通道陣列晶體管(recessedchannel array transistor, RCAT)。這些三 維裝置中的許多裝置要求共形摻雜裝置上的不同特征。另外,許多其他類型的現(xiàn)代電子及 光學(xué)裝置以及奈米技術(shù)微結(jié)構(gòu)要求共形摻雜。 很難用已知離子植入方法來達(dá)成共形以及三維植入。特定而言,難以在具有高密 度、高間距及/或大的垂直縱橫比的裝置上達(dá)成共形或三維植入,所述各種裝置要求很小 范圍內(nèi)的植入角度。 執(zhí)行共形離子植入的許多已知方法使用多個(gè)成角的射束線離子植入步驟來獲得 三維植入覆蓋。在此等已知方法中,將靶材(target)以物理形式相對(duì)于離子束成多個(gè)角度 而定位達(dá)預(yù)定時(shí)間,以便執(zhí)行多個(gè)成角植入。執(zhí)行多個(gè)射束線成角植入可顯著減小植入產(chǎn) 量,減小倍數(shù)等于離子植入的數(shù)目。已經(jīng)成功地將這種共形摻雜方法用于為了研究以及開 發(fā)目的而制造的一些低密度結(jié)構(gòu),但用來制造大多數(shù)裝置不太實(shí)際。 等離子體摻雜良好地適用于共形以及三維植入。在等離子體摻雜設(shè)備中,正離子 鞘(sheath)在鞘邊界與靶材表面之間產(chǎn)生電場。此電場將離子朝向靶材加速且將離子植 入至靶材表面中。共形等離子體摻雜可得以實(shí)現(xiàn),這是因?yàn)椋?dāng)鞘厚度小于或等于表面中的 波動(dòng)尺寸時(shí),鞘邊界良好地貼合靶材的表面特征,所述波動(dòng)是因離子相對(duì)于區(qū)域表面構(gòu)形 以直角入射角擊打表面而引起。此現(xiàn)象可用于使用等離子體浸沒摻雜來共形地植入大靶材 的方法中。然而,使用此現(xiàn)象的方法對(duì)于具有密集及/或高縱橫比結(jié)構(gòu)的小靶材并不奏效。
也可藉由形成使離子/中性在等離子體中散射的條件來執(zhí)行共形等離子體摻雜, 所述條件導(dǎo)致等離子體中離子角度的特定所要分布。然而,藉由使用離子/中性散射,目前 僅可在等離子體摻雜系統(tǒng)中形成有限范圍內(nèi)的離子角度。因?yàn)樵诘入x子體中發(fā)生不當(dāng)放電 (諸如,電弧放電以及微放電)的機(jī)率隨著等離子體中中性密度的增加而增加,所以離子/ 中性散射是有限的。另外,隨著中性密度的增加,總的等離子體均一性降低。因此,當(dāng)離子 /中性散射達(dá)到特定程度時(shí),將存在不當(dāng)放電以及相對(duì)不良的均一性,而所述兩者對(duì)于大多 數(shù)等離子體摻雜制程而言將是不可接受的。 藉由使用處于等離子體外部的中性源來使離子散射以供離子植入,達(dá)成本發(fā)明的 共形摻雜。在一個(gè)實(shí)施例中,外部中性源包括吸附劑薄膜層,所述吸附劑薄膜層經(jīng)定位以與等離子體中的離子相互作用,以便使離子散射以供植入。舉例而言,可在正進(jìn)行植入的靶材 上沉積吸附劑薄膜層。又,可在接近靶材的結(jié)構(gòu)上或在處理腔室中的某處沉積吸附劑薄膜層。 圖1說明執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的共形摻雜的等離子體摻雜系統(tǒng)100的示意圖。應(yīng)了 解,所述等離子體摻雜系統(tǒng)100僅是可執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的共形摻雜的等離子體摻雜系統(tǒng)的 許多可能設(shè)計(jì)中的一種。等離子體摻雜系統(tǒng)100包括感應(yīng)耦合式等離子體源101,所述感 應(yīng)耦合式等離子體源101具有平面RF線圈以及螺旋RF線圈兩者,且也具有傳導(dǎo)頂部部分。 2004年12月20日申請的名為"具有感應(yīng)頂部部分的RF等離子體源(RF Plasma Source with ConductiveTop Section)"的美國專利申請案第10/905, 172號(hào)中描述了類似的RF感 應(yīng)耦合式等離子體源,該案已讓與給本發(fā)明的受讓人。美國專利申請案第10/905, 172號(hào)的 完整說明書以引用方式并入本文中。等離子體摻雜系統(tǒng)100中所繪示的等離子體源101非 常適用于等離子體摻雜應(yīng)用,因?yàn)樗龅入x子體源IOI可提供高度均一的離子通量,且所 述等離子體源也有效地耗散由二次電子發(fā)射(secondary electron emission)所產(chǎn)生的熱 更具體而言,等離子體摻雜系統(tǒng)100包括等離子體腔室(plasma chamber) 102, 所述等離子體腔室102含有由外部氣體源(external gas source) 104所供應(yīng)的處理氣 體(process gas)。處理氣體通常含有在稀釋氣體中進(jìn)行稀釋的摻雜劑物質(zhì)。經(jīng)由比例閥 (proportional valve) 106耦接至等離子體腔室102的外部氣體源104將處理氣體供應(yīng)至 腔室102。在一些實(shí)施例中,使用氣體導(dǎo)流板(gas baffle)將氣體分散至等離子體源101 中。使用壓力計(jì)(pressure gauge) 108來測量腔室102內(nèi)部的壓力。腔室102中的排氣口 (exhaust port) IIO耦接至真空泵(vacuum p卿)112,所述真空泵112將腔室102排空。排 氣閥(exhaust valve) 114控制通過排氣口 110的排氣流導(dǎo)(exhaust conductance)。
氣體壓力控制器(gas pressure controller) 116電連接至比例閥106、壓力計(jì) 108以及排氣閥114。氣體壓力控制器116通過在回應(yīng)于壓力計(jì)108的反饋回路中控制排 氣流導(dǎo)以及處理氣體流率等離子體腔室102中維持所要壓力。用排氣閥114來控制排氣流 導(dǎo)。用比例閥106來控制處理氣體流率。 腔室102具有腔室頂部(chamber top) 118,所述腔室頂部118包括由在大體水平 的方向上延伸的介電材料(dielectric material)形成的第一部分120。腔室頂部118的 第二部分122由在大體垂直的方向上自第一部分120延伸某一高度的介電材料形成。在本 文中,將第一部分120以及第二部分122統(tǒng)稱作介電窗。應(yīng)了解,腔室頂部118有許多變化 形式。舉例而言,如美國專利申請案第10/905, 172號(hào)中所描述,第一部分120可由在大體 彎曲的方向上延伸的介電材料形成,以使得第一部分120與第二部分122并不正交,該案以 引用方式并入本文中。在其他實(shí)施例中,腔室頂部118僅包括平坦表面。
為了達(dá)成特定效能,可選擇第一部分120以及第二部分122的形狀以及尺寸。舉 例而言,本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解,可選擇腔室頂部118的第一部分120以及第二部分122的 尺寸,以便改良等離子體的均一性。在一個(gè)實(shí)施例中,調(diào)整第二部分122在垂直方向上的高 度相對(duì)于第二部分122在水平方向上的長度的比例,以便達(dá)成更均一的等離子體。舉例而 言,在一個(gè)特定實(shí)施例中,第二部分122在垂直方向上的高度相對(duì)于第二部分122在水平方 向上的長度的比例在1. 5至5. 5的范圍內(nèi)。
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第一部分120以及第二部分122中的介電材料提供用于將RF功率自RF天線轉(zhuǎn)移 至腔室102內(nèi)部的等離子體的介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中,用于形成第一部分120以及第二部 分122的介電材料是高純度陶瓷材料,所述高純度陶瓷材料可抵抗處理氣體的化學(xué)腐蝕且 具有良好熱性質(zhì)。舉例而言,在一些實(shí)施例中,介電材料是99.6X的Al203或AlN。在其他 實(shí)施例中,介電材料是Yittria(氧化釔)以及YAG(釔鋁石榴石)。 腔室頂部118的蓋124由在水平方向上延伸第二部分122的長度的傳導(dǎo)材料形 成。在許多實(shí)施例中,用以形成蓋124的材料的傳導(dǎo)性足夠高,從而可耗散熱負(fù)載(heat load)且將二次電子發(fā)射所引起的充電效應(yīng)減到最小。通常,用以形成蓋124的傳導(dǎo)材料可 抵抗處理氣體的化學(xué)腐蝕。在一些實(shí)施例中,傳導(dǎo)材料是鋁(aluminum)或硅(silicon)。
可用由氟碳聚合物形成的抗鹵素0形環(huán)(諸如,由Chemrz及/或Kalrex材料形 成的0形環(huán))來將蓋124耦接至第二部分122。通常用令第二部分122上的壓縮減到最小、 但提供足以將蓋124密封至第二部分的壓縮的方式,將蓋124安裝至第二部分122。在一些 操作模式中,蓋124以RF以及DC形式接地,如圖1中所示。另外,在一些實(shí)施例中,蓋124 包括冷卻系統(tǒng)(coolingsystem),所述冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓋124以及周圍區(qū)域的溫度,以便耗散 在處理期間所產(chǎn)生的熱負(fù)載。冷卻系統(tǒng)可以是流體冷卻系統(tǒng),所述流體冷卻系統(tǒng)包括蓋124 中的用于使來自冷卻劑源的液體冷卻劑循環(huán)的冷卻通路。 在一些實(shí)施例中,腔室102包括襯套125,所述襯套125經(jīng)定位以藉由以下方式 防止或顯著地減少金屬污染對(duì)等離子體腔室102內(nèi)部提供直線對(duì)傳(line-of-site) 式屏蔽,以免受等離子體中的離子擊打等離子體腔室102的內(nèi)部金屬壁而濺鍍的金屬的 污染。在2007年1月16日申請的名為"具有用于減少金屬污染的襯套的等離子體源 (Plasma Source with Liner forReducing Metal Contamination),,的美國專禾U申請案 第11,623,739號(hào)中描述了此種襯套,該案已讓與給本發(fā)明的受讓人。美國專利申請案第 11,623, 739號(hào)的完整說明書以引用方式并入本文中。 在 一 些實(shí)施例中,等離子體腔室襯套125包括溫度控制器 (temperaturecontroller) 127。溫度控制器127足以將襯套的溫度維持在足以吸附薄膜層 的相對(duì)低的溫度,所述薄膜層根據(jù)本發(fā)明而在薄膜解吸附期間產(chǎn)生中性。
RF天線經(jīng)定位以接近腔室頂部118的第一部分120以及第二部分122中的至少 一者。圖1中的等離子體源101說明彼此電絕緣的兩個(gè)獨(dú)立RF天線。然而,在其他實(shí)施例 中,所述兩個(gè)獨(dú)立RF天線電連接。在圖1中所示的實(shí)施例中,具有多匝的平面線圈RF天線 126(有時(shí)稱作平面天線或水平天線)經(jīng)定位以相鄰于腔室頂部118的第一部分120。另外, 具有多匝的螺旋線圈RF天線128(有時(shí)稱作螺旋天線或垂直天線)圍繞腔室頂部118的第 二部分122。 在一些實(shí)施例中,平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者以 電容器129為端點(diǎn),所述電容器129用于減小有效天線線圈電壓(effective antenna coil voltage)。本文中定義的術(shù)語"有效天線線圈電壓"是指代RF天線126、 128兩端的電壓降。 換言之,有效線圈電壓是"離子所經(jīng)歷的"電壓或等同于等離子體中的離子所經(jīng)歷的電壓。
又,在一些實(shí)施例中,平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一 者包括介電層(dielectric layer) 134,所述介電層134的介電常數(shù)與A1203介電窗材料的 介電常數(shù)(dielectric constant)相比相對(duì)較低。相對(duì)較低的介電常數(shù)的介電層134有效
7地形成電容分壓器(c即acitivevoltage divider),所述電容分壓器也減小有效天線線圈 電壓。另外,在一些實(shí)施例中,平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一 者包括法拉第(Faraday)屏蔽件136,所述法拉第屏蔽件136也減小有效天線線圈電壓。
RF源(RF source) 130 (諸如,RF電源(RF power s聊ly))電連接至平面線圈RF 天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者。在許多實(shí)施例中,RF源130藉由阻抗 匹配網(wǎng)路(impedance matching network) 132而耦接至RF天線126、 128,所述阻抗匹配網(wǎng) 路使RF源130的輸出阻抗與RF天線126、 128的阻抗匹配,以便最大化自RF源130轉(zhuǎn)移至 RF天線126、 128的功率。所示自阻抗匹配網(wǎng)路132的輸出至平面線圈RF天線126以及螺 旋線圈RF天線128的虛線,用以指示可自阻抗匹配網(wǎng)路132的輸出至平面線圈RF天線126 以及螺旋線圈RF天線128中的任一者或兩者進(jìn)行的電連接。 在一些實(shí)施例中,平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者 以可用液體冷卻的形式形成。藉由冷卻平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中 的至少一者,可減小RF功率在RF天線126、 128中傳播所引起的溫度梯度。螺旋線圈RF天 線128可包括分流器129,所述分流器129可減少線圈匝數(shù)。 在一些實(shí)施例中,等離子體源101包括等離子體點(diǎn)火器(plasma igniter) 138。許 多類型的等離子體點(diǎn)火器皆可與等離子體源101 —起使用。在一個(gè)實(shí)施例中,等離子體點(diǎn) 火器138包括擊打氣體(strike gas)的儲(chǔ)集器140,所述擊打氣體是諸如氬(argon,Ar)的 高度離子化氣體,所述高度離子化氣體輔助等離子體的點(diǎn)火。儲(chǔ)集器140藉由高流導(dǎo)氣體 連接而耦接至等離子體腔室102。猝發(fā)閥(burst valve) 142將儲(chǔ)集器140與處理腔室102 隔離。在另一實(shí)施例中,藉由使用低流導(dǎo)氣體連接,直接將擊打氣體源接至猝發(fā)閥142。在 一些實(shí)施例中,藉由有限流導(dǎo)孔或計(jì)量閥來分離儲(chǔ)集器140的一部分,所述有限流導(dǎo)孔或 計(jì)量閥在初始高流率猝發(fā)之后提供穩(wěn)定流率的擊打氣體。 壓板144定位于處理腔室102中在等離子體源101的頂部部分118下方的某高度 處。壓板144固持靶材(所述靶材在本文中稱作基板146)以供等離子體摻雜。在圖1中 所示的實(shí)施例中,壓板144與等離子體源101平行。然而,壓板144也可相對(duì)于等離子體源 101而傾斜。在一些實(shí)施例中,壓板144以機(jī)械方式耦接至可移動(dòng)平臺(tái)(movable stage), 所述可移動(dòng)平臺(tái)在至少一個(gè)方向上平移、掃描或振蕩基板146。在一個(gè)實(shí)施例中,可移動(dòng)平 臺(tái)是用于抖動(dòng)或振蕩基板146的抖動(dòng)產(chǎn)生器或振蕩器。平移、抖動(dòng)及/或振蕩運(yùn)動(dòng)可減小 或消除遮蔽效應(yīng),且可改良用于撞擊基板146的表面的離子束通量的均一性以及共形性。
在許多實(shí)施例中,基板146電連接至壓板144。偏壓電源(bias voltag印ower supply) 148電連接至壓板144。偏壓電源148產(chǎn)生用于偏壓壓板144以及基板146的偏壓, 以便可自等離子體提取等離子體中的摻雜劑離子,且使所述摻雜劑離子撞擊基板146。偏 壓電源148可以是DC電源(DC powersupply)、脈沖電源(pulsed power supply)或RF電 源。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,等離子體摻雜系統(tǒng)100包括溫度控制器150,所述溫度 控制器150用來控制壓板144的溫度以及基板146的溫度?;?46經(jīng)定位以與壓板144 保持良好熱接觸。又,在一個(gè)實(shí)施例中,使用冷卻式電夾板(Eclamp)151來將基板146緊固 至壓板144,且也使用電夾板151來控制基板146的溫度。溫度控制器150及/或冷卻式電 夾板151經(jīng)設(shè)計(jì)以將基板146的溫度維持在足以吸附薄膜層146'的相對(duì)低的溫度,所述薄膜層146'根據(jù)本發(fā)明而在薄膜解吸附期間產(chǎn)生中性。 在一些實(shí)施例中,將結(jié)構(gòu)154而非耙材或基板146用作中性源??墒褂迷S多類型 的結(jié)構(gòu)。舉例而言,結(jié)構(gòu)154可以是如下結(jié)構(gòu)所述結(jié)構(gòu)由溫度控制器150(或另一溫度控 制器)冷卻,且具有經(jīng)設(shè)計(jì)以在每單位面積內(nèi)吸附相對(duì)大量原子或分子的表面特征。舉例 而言,結(jié)構(gòu)154可具有用于將薄膜吸附在垂直表面以及水平表面兩者上的多個(gè)高縱橫比特 征。在一個(gè)實(shí)施例中,結(jié)構(gòu)154圍繞靶材或基板146。 又,在一個(gè)實(shí)施例中,在相對(duì)于由偏壓電源148所產(chǎn)生的偏壓脈沖的預(yù)定時(shí)間,將 受控量的氣體(其用于吸附薄膜層146')導(dǎo)向基板146,以便增強(qiáng)薄膜層146'在基板146 上的再吸附。在各種實(shí)施例中,所述氣體可以是與用于等離子體摻雜的氣體源104中的氣 體相同的氣體(其包括摻雜劑物質(zhì)以及稀釋氣體),或者,所述氣體可以是不同氣體。在一 個(gè)具體實(shí)施例中,由第二外部氣體源156以及朝向基板146及/或結(jié)構(gòu)154導(dǎo)向的噴嘴158 來供應(yīng)獨(dú)立的吸附氣體。閥160控制通過噴嘴158釋放吸附氣體的流率以及時(shí)序。
在各種實(shí)施例中,噴嘴158可以是單個(gè)噴嘴或一群噴嘴。另外,可使用具有獨(dú)立氣 體源的多個(gè)噴嘴??勺远鄠€(gè)噴嘴分配一種以上類型的氣體。噴嘴158也可位于相對(duì)于基板 146或結(jié)構(gòu)154的多個(gè)位置。舉例而言,在一個(gè)實(shí)施例中,噴嘴158位于基板146或結(jié)構(gòu)154 的正上方。又,在一些實(shí)施例中,氣體導(dǎo)流板經(jīng)定位以接近基板146或結(jié)構(gòu)154,以便在接近 基板146或結(jié)構(gòu)154處局部地增加吸附氣體的部分壓力。又,在一些實(shí)施例中,噴嘴158位 于提供用于等離子體的電接地的陽極中。 在一些實(shí)施例中,偏壓電源148的控制輸出電連接至閥160的控制輸入,以使得由 偏壓電源148所產(chǎn)生的脈沖與閥160的操作在時(shí)間上同步。在其他實(shí)施例中,控制器用來 控制偏壓電源148以及閥160兩者的操作,以便在再吸附時(shí)間期間在接近基板146或結(jié)構(gòu) 154處噴射吸附氣體。通常在等離子體摻雜終止時(shí)執(zhí)行再吸附。然而,也可在等離子體摻雜 期間執(zhí)行再吸附。 在本發(fā)明的 一 個(gè)實(shí)施例中,等離子體摻雜系統(tǒng)包括輻射源 (radiationsource) 152,所述輻射源152提供用于快速地解吸附經(jīng)吸附的薄膜146'的輻 射猝發(fā)或脈沖??墒褂迷S多類型的輻射源。舉例而言,在各種實(shí)施例中,輻射源152可以是 光學(xué)源,例如,閃光燈、雷射或發(fā)光二極管。又,輻射源152可以是電子束源或X射線源。在 一些實(shí)施例中,等離子體本身產(chǎn)生輻射。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解,存在可與本發(fā)明的特征一起使用的等離子體源101的 許多不同的可能變化。舉例而言,請參看2005年4月25日申請的名為"傾斜等離子體摻 雜(Tilted Plasma Doping)"的美國專利申請案第10/908, 009號(hào)中對(duì)等離子體源的描 述。也請參看2005年10月13日申請的名為"共形摻雜設(shè)備以及方法(Conformal Doping Apparatus and Method)"的美國專利申請案第11/163, 303號(hào)中對(duì)等離子體源的描述。也請 參看2005年10月13日申請的名為"共形摻雜設(shè)備以及方法(Conformal DopingA卯a(chǎn)ratus and Method)"的美國專利申請案第11/163, 307號(hào)中對(duì)等離子體源的描述。另外,請參看 2006年12月4日申請的名為"具有電可控制式植入角度的等離子體摻雜(Plasma Doping with Electronically Controllable implant Angle)"的美國專利申請案第11/566, 418 號(hào)中對(duì)等離子體源的描述。美國專利申請案第10/908, 009號(hào)、第11/163, 303號(hào)、第 11/163, 307號(hào)以及第11/566, 418號(hào)的完整說明書以引用方式并入本文中。
在操作中,RF源130產(chǎn)生在RF天線126以及128中的至少一者中傳播的RF電流。 亦即,平面線圈RF天線126以及螺旋線圈RF天線128中的至少一者是有源天線(active antenna)。本文中將術(shù)語"有源天線"定義為由電源直接驅(qū)動(dòng)的天線。在本發(fā)明的等離子 體摻雜設(shè)備的一些實(shí)施例中,RF源130以脈沖模式操作。然而,RF源也可以連續(xù)模式操作。
在一些實(shí)施例中,平面線圈天線126以及螺旋線圈天線128中的一者是寄生天線 (parasitic antenna)。本文中將術(shù)語"寄生天線"定義為與有源天線電磁通信、但不直接 連接至電源的天線。換言之,寄生天線不由電源直接激發(fā),而是由經(jīng)定位以與寄生天線電磁 通信的有源天線激發(fā)。在圖1中所示的實(shí)施例中,有源天線是平面線圈天線126以及螺旋 線圈天線128中由RF源130驅(qū)動(dòng)的天線。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中,寄生天線的一端電連 接至接地電位,以便提供天線調(diào)諧能力。在此實(shí)施例中,寄生天線包括線圈調(diào)整器129,所述 線圈調(diào)整器129用以改變寄生天線線圈的有效匝數(shù)??墒褂迷S多不同類型的線圈調(diào)整器, 例如,金屬短桿(metal short)。 RF天線126、 128中的RF電流接著將RF電流誘導(dǎo)至等離子體腔室102中。等離子 體腔室102中的RF電流激發(fā)并離子化處理氣體,以便在腔室102中產(chǎn)生等離子體。等離子 體腔室襯套125屏蔽由等離子體中的離子所濺鍍的金屬以免所述金屬到達(dá)基板146。
偏壓電源148用負(fù)電壓來偏壓基板146,所述負(fù)電壓將等離子體中的離子朝向基 板146吸引。在負(fù)電壓脈沖期間,等離子體鞘內(nèi)的電場將離子朝向基板146加速,藉此將離 子植入至基板146的表面中。 使用如下制程來增強(qiáng)等離子體摻雜的共形性吸附薄膜層且接著快速地解吸附所 述薄膜層,借此產(chǎn)生使離子散射的中性以供離子植入??墒褂迷S多不同類型的外部中性源。 在一個(gè)實(shí)施例中,基板146本身是中性源。在此實(shí)施例中,由溫度控制器150將基板146冷 卻至吸附一層146'原子或分子的溫度。舉例而言,可由溫度控制器150冷卻基板146,以使 所述基板146吸附一層摻雜劑物質(zhì)或一層稀釋氣體中的至少一者,所述摻雜劑物質(zhì)或所述 稀釋氣體存在于由外部氣體源104所供應(yīng)的處理氣體中。舉例而言,使用諸如AsH3或B^e 的摻雜劑物質(zhì)。 或者,可在將基板146裝載至等離子體摻雜系統(tǒng)100中之前預(yù)冷卻基板146,以使 得基板146吸附氣體分子。然而,若在裝載之前預(yù)冷卻基板146,則必須注意以確保僅吸附 不干擾摻雜制程的原子以及分子。在一個(gè)實(shí)施例中,在存在用于離子植入的摻雜劑物質(zhì)或 稀釋氣體餓情況下預(yù)冷卻基板146,以便在基板146的表面上僅吸附一層摻雜劑物質(zhì)及/或 一層稀釋氣體。 在其他實(shí)施例中,將結(jié)構(gòu)154而非耙材或基板146用作中性源??墒褂迷S多類型 的結(jié)構(gòu)。舉例而言,結(jié)構(gòu)154可以是如下結(jié)構(gòu)具有經(jīng)設(shè)計(jì)以在每單位面積內(nèi)吸附相對(duì)大量 原子或分子的表面特征。在一些實(shí)施例中,由溫度控制器150冷卻結(jié)構(gòu)154?;蛘撸墒褂?獨(dú)立溫度控制器。在其他實(shí)施例中,在將結(jié)構(gòu)154插入等離子體摻雜系統(tǒng)100中之前預(yù)冷 卻結(jié)構(gòu)154。在此等實(shí)施例中,在僅吸附不干擾摻雜制程的原子以及分子的環(huán)境下預(yù)冷卻結(jié) 構(gòu)154。舉例而言,可在存在用于離子植入的摻雜劑物質(zhì)或稀釋氣體的情況下預(yù)冷卻結(jié)構(gòu) 154,以便在基板146的表面上僅吸附一層摻雜劑物質(zhì)及/或一層稀釋氣體。
在一些實(shí)施例中,將吸附氣體自噴嘴158噴射至腔室102中且導(dǎo)向基板146,以便 增強(qiáng)薄膜層146'在基板146上的再吸附。吸附氣體可以是與用于等離子體摻雜的氣體源104中的摻雜劑氣體相同的氣體,或者可以是當(dāng)暴露至由輻射源152所產(chǎn)生的輻射時(shí)產(chǎn)生中性且不干擾等離子體摻雜制程的另一氣體。 在一些實(shí)施例中,偏壓電源148將電信號(hào)發(fā)送至閥160,所述電信號(hào)使閥160的操作與偏壓脈沖的產(chǎn)生在時(shí)間上同步。在其他實(shí)施例中,控制器將電信號(hào)發(fā)送至閥160與偏壓電源148兩者,所述電信號(hào)使閥160的操作與偏壓脈沖的產(chǎn)生在時(shí)間上同步。舉例而言,控制器或偏壓電源148可將用于打開閥160的信號(hào)發(fā)送至閥160,以使得當(dāng)?shù)入x子體摻雜終止時(shí)的再吸附時(shí)間期間,在接近基板146或結(jié)構(gòu)154處噴射吸附氣體。
接著藉由暴露至輻射源152而解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'。在許多實(shí)施例中,快速地解吸附經(jīng)吸附的薄膜146'。在一個(gè)實(shí)施例中,藉由暴露至光學(xué)輻射源(諸如,閃光燈、雷射及/或發(fā)光二極管)而解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'。舉例而言,可使用用于發(fā)射可見光及/或紫外光的閃光燈來快速地解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'。在一些實(shí)施例中,由等離子體源IOI所產(chǎn)生的等離子體是輻射源。在此等實(shí)施例中,藉由暴露至由等離子體源101所產(chǎn)生的等離子體而解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'。舉例而言,等離子體源101可產(chǎn)生脈沖等離子體,所述脈沖等離子體具有經(jīng)選擇以快速地解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'的參數(shù)。 接著,所得經(jīng)解吸附的氣體原子及/或分子提供局部高中性密度,所述局部高中性密度使由等離子體所產(chǎn)生的被吸引至基板146的離子散射,以便達(dá)成更共形的植入。引入局部高中性密度將不會(huì)顯著增加等離子體源101中的整體壓力,且因此將不會(huì)引入任何顯著的不當(dāng)放電,且/或?qū)⒉粫?huì)引起等離子體摻雜均一性的顯著降低。
在其他實(shí)施例中,使用其他類型的輻射源來解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'。舉例而言,在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,使用電子束源來產(chǎn)生電子束,所述電子束導(dǎo)向經(jīng)吸附的薄膜層146'。電子束快速地解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'。接著,經(jīng)解吸附的氣體原子及/或分子提供局部高中性密度,所述局部高中性密度使來自等離子體的被吸引至基板146的離子散射,以便達(dá)成更共形的離子植入。 在本發(fā)明的又一實(shí)施例中,使用X射線源來產(chǎn)生X射線束,所述X射線束導(dǎo)向經(jīng)吸附的薄膜層146' 。 X射線束快速地解吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'。接著,經(jīng)解吸附的氣體原子及/或分子提供局部高中性密度,所述局部高中性密度使來自等離子體的被吸引至基板146的離子散射,以便達(dá)成更共形的植入。 圖2A至圖2C呈現(xiàn)時(shí)序圖,所述時(shí)序圖說明等離子體的產(chǎn)生以及自外部源(S卩,除等離子體以外的源)產(chǎn)生中性,以供執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的共形等離子體摻雜。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,在共形等離子體摻雜期間,等離子體源101以脈沖操作模式操作。圖2A說明適用于根據(jù)本發(fā)明的等離子體摻雜的脈沖RF波形200。在RF脈沖202起始之前,脈沖RF波形200處于接地電位。RF脈沖202具有等于PKF 204的功率位準(zhǔn),所述功率位準(zhǔn)經(jīng)選擇以適用于等離子體摻雜。在脈沖周期Tp 206之后,RF脈沖202終止,且接著返回至接地電位。脈沖RF波形200接著以某一工作周期周期性地重復(fù),所述工作周期取決于所要等離子體制程參數(shù)以及用以產(chǎn)生中性的經(jīng)吸附的薄膜層146'的再吸附率。 圖2B說明由偏壓源(bias voltage supply) 148產(chǎn)生的偏壓波形(biasvoltagewaveform) 250,所述偏壓源148在偏壓周期TBias 256期間將具有電壓254的負(fù)電壓脈沖252施加至基板146以便執(zhí)行等離子體摻雜。負(fù)電壓254將等離子體中的離子吸引至基板146。偏壓周期TBias 256可與脈沖RF波形200的脈沖周期TP 206同步,以便僅在偏壓周期TBias 256期間激勵(lì)等離子體。偏壓波形250接著以某一工作周期周期性地重復(fù),所述工作周期取 決于所要等離子體制程參數(shù)以及用以產(chǎn)生中性的經(jīng)吸附的薄膜層146'的再吸附率。
在各種實(shí)施例中,選擇偏壓波形250的脈沖頻率以及工作周期兩者,以便存在足 夠時(shí)間在基板146或結(jié)構(gòu)154上發(fā)生薄膜146'的再吸附。舉例而言,在一個(gè)實(shí)施例中,選 擇偏壓波形250的脈沖頻率以及工作周期,以便在各個(gè)脈沖之間發(fā)生足夠再吸附。在其他 實(shí)施例中,偏壓波形250包括具有預(yù)定數(shù)目的脈沖的脈沖串,以及脈沖串之間的具有預(yù)定 時(shí)間的延遲,其中所述延遲足夠用于在基板146或結(jié)構(gòu)154上發(fā)生薄膜146'的再吸附。舉 例而言,在一個(gè)實(shí)施例中,偏壓波形250具有包括100至1000個(gè)脈沖的脈沖串以及脈沖串 之間的在毫秒范圍內(nèi)的延遲,使用所述偏壓波形250來產(chǎn)生足夠中性以供共形等離子體摻 雜。 圖2C說明根據(jù)本發(fā)明的輻射源152的強(qiáng)度I 282的波形280,所述輻射源152解 吸附經(jīng)吸附的薄膜層146'以產(chǎn)生中性。在圖2C中所示的實(shí)施例中,在RF脈沖202的波至 時(shí)間(onset),快速地脈沖啟動(dòng)輻射源152的強(qiáng)度I 282。應(yīng)了解,在各種其他實(shí)施例中,可 較緩慢地起始輻射源152的強(qiáng)度I 282。又,在圖2C中所示的實(shí)施例中,輻射周期TK 284 是脈沖周期Tp 206以及偏壓周期TBias 256的一部分。也應(yīng)了解,在各種實(shí)施例中,輻射周 期TK 284的長度可與脈沖周期TP 206及/或偏壓周期TBias 256相同,乃至比TP 206及/ 或偏壓周期lB^ 256長。輻射周期L 284的所要長度與薄膜146'的再吸附率相關(guān)且與強(qiáng) 度I 282相關(guān)。 輻射源152可與偏壓電源148同步,所述偏壓電源148用負(fù)電壓脈沖252來偏壓 基板146,所述負(fù)電壓脈沖252將等離子體中的離子朝向基板146吸引。舉例而言,輻射源 152可與偏壓電源148同步,以使得輻射源恰好在負(fù)電壓脈沖252之前或與負(fù)電壓脈沖252 同時(shí)提供輻射猝發(fā),所述負(fù)電壓脈沖252將離子吸引至基板146以供共形等離子體摻雜。選 擇脈沖RF波形200的工作周期,以使得經(jīng)吸附的薄膜層146'在負(fù)電壓脈沖252之間充分 地再吸附。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解,用于共形摻雜的本發(fā)明也可與現(xiàn)有射束線離子植入系統(tǒng) 一起使用。射束線離子植入系統(tǒng)在此項(xiàng)技術(shù)中是眾所周知的??墒褂么说认到y(tǒng)中的靶材或 基板來如本文中所描述而吸附薄膜?;蛘撸墒褂靡唤Y(jié)構(gòu)(諸如,結(jié)合圖l而描述的結(jié)構(gòu) 154)來根據(jù)本發(fā)明而吸附薄膜??山又褂幂椛湓磥斫馕浇?jīng)吸附的薄膜以如本文中所描 述而產(chǎn)生中性。所述中性使來自離子束的離子散射,藉此植入更共形的離子植入輪廓。
等效物 雖然結(jié)合各種實(shí)施例以及實(shí)例來描述本發(fā)明的啟示,但并不希望本發(fā)明的啟示限 于此等實(shí)施例。相反,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解,本發(fā)明的啟示涵蓋在不脫離本發(fā)明的精神以 及范疇的情況下可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的各種替代、修改以及等效物。
權(quán)利要求
一種等離子體摻雜設(shè)備,包括a.等離子體源,其產(chǎn)生脈沖等離子體;b.壓板,其接近所述等離子體源而支撐基板以供等離子體摻雜;c.結(jié)構(gòu),其吸附薄膜,所述薄膜在被解吸附時(shí)產(chǎn)生多個(gè)中性;以及d.偏壓電源,其具有電連接至所述壓板的輸出,所述偏壓電源產(chǎn)生偏壓波形,所述偏壓波形具有負(fù)電位,所述負(fù)電位將所述等離子體中的離子吸引至所述基板以供等離子體摻雜;以及e.輻射源,其照射吸附在所述結(jié)構(gòu)上的所述薄膜,以便解吸附所述經(jīng)吸附的薄膜且產(chǎn)生所述多個(gè)中性,所述多個(gè)中性在來自所述等離子體的所述離子被吸引至所述基板時(shí)使所述離子散射,藉此執(zhí)行共形等離子體摻雜。
2. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中所述結(jié)構(gòu)包括所述基板。
3. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,還包括溫度控制器,所述溫度控制器將所 述結(jié)構(gòu)的溫度改變至增強(qiáng)所述薄膜的吸附的溫度。
4. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,還包括噴嘴,所述噴嘴接近所述結(jié)構(gòu)而噴 射吸附氣體,所述吸附氣體增強(qiáng)所述薄膜的吸附。
5. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中所述輻射源包括光學(xué)輻射源。
6. 如權(quán)利要求5所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中所述光學(xué)輻射源包括閃光燈、雷射以 及發(fā)光二極管中的至少一者。
7. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中所述輻射源包括所述脈沖的等離子體。
8. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中所述輻射源包括電子束輻射源。
9. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中所述輻射源包括X射線輻射源。
10. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中所述輻射源產(chǎn)生輻射猝發(fā),所述輻射 猝發(fā)快速地解吸附所述經(jīng)吸附的薄膜。
11. 如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜設(shè)備,其中藉由解吸附所述經(jīng)吸附的薄膜而產(chǎn) 生的所述中性接近所述基板而提供局部高中性密度,所述局部高中性密度不會(huì)顯著地降低 摻雜均一性。
12. —種共形等離子體摻雜方法,所述方法包括a. 將基板定位在壓板上;b. 將薄膜吸附在經(jīng)定位以接近所述壓板的結(jié)構(gòu)上;c. 接近所述壓板而產(chǎn)生等離子體;d. 解吸附所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸附的薄膜,藉此產(chǎn)生多個(gè)中性;以及e. 用偏壓波形來偏壓所述壓板,所述偏壓波形具有將所述等離子體中的離子吸引至所 述基板以供等離子體摻雜的負(fù)電位,所述多個(gè)中性在來自所述等離子體的所述離子被吸引 至所述基板時(shí)使所述離子散射,藉此執(zhí)行共形等離子體摻雜。
13. 如權(quán)利要求12所述的共形等離子體摻雜方法,其中解吸附所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸 附的薄膜包括照射所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸附的薄膜。
14. 如權(quán)利要求13所述的共形等離子體摻雜方法,其中照射所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸附 的薄膜包括產(chǎn)生輻射猝發(fā),所述輻射猝發(fā)快速地解吸附所述經(jīng)吸附的薄膜。
15. 如權(quán)利要求13所述的共形等離子體摻雜方法,其中照射所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸附 的薄膜包括用光學(xué)輻射來照射所述經(jīng)吸附的薄膜。
16. 如權(quán)利要求13所述的共形等離子體摻雜方法,其中照射所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸附 的薄膜包括用電子束輻射來照射所述經(jīng)吸附的薄膜。
17. 如權(quán)利要求13所述的共形等離子體摻雜方法,其中照射所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸附 的薄膜包括用X射線輻射來照射所述經(jīng)吸附的薄膜。
18. 如權(quán)利要求12所述的共形等離子體摻雜方法,其中解吸附所述經(jīng)吸附的薄膜以及 用具有所述負(fù)電位的所述偏壓波形來偏壓所述壓板在時(shí)間上實(shí)質(zhì)上同時(shí)地發(fā)生。
19. 如權(quán)利要求12所述的共形等離子體摻雜方法,其中解吸附所述經(jīng)吸附的薄膜以及 用具有所述負(fù)電位的所述偏壓波形來偏壓所述壓板在時(shí)間上同步。
20. 如權(quán)利要求12所述的共形等離子體摻雜方法,其中將所述薄膜吸附在所述結(jié)構(gòu)上 包括將所述結(jié)構(gòu)的溫度控制至增強(qiáng)所述薄膜的吸附的溫度。
21. 如權(quán)利要求12所述的共形等離子體摻雜方法,其中將所述薄膜吸附在所述結(jié)構(gòu)上 包括在將所述基板定位在所述壓板上之前將所述薄膜吸附在所述結(jié)構(gòu)上。
22. 如權(quán)利要求12所述的共形等離子體摻雜方法,其中將所述薄膜吸附在所述結(jié)構(gòu)上 包括接近所述基板而噴射吸附氣體。
23. 如權(quán)利要求12所述的共形等離子體摻雜方法,其中產(chǎn)生所述多個(gè)中性包括接近所 述基板而提供局部高中性密度,所述局部高中性密度不會(huì)顯著地降低摻雜均一性。
24. —種共形摻雜設(shè)備,所述設(shè)備包括a. 用于將薄膜吸附在經(jīng)定位以接近壓板的結(jié)構(gòu)上的構(gòu)件,所述壓板支撐基板;b. 用于產(chǎn)生含有摻雜劑物質(zhì)的離子的構(gòu)件;c. 用于解吸附所述結(jié)構(gòu)上的所述經(jīng)吸附的薄膜以產(chǎn)生多個(gè)中性的構(gòu)件,所述多個(gè)中性 使含有所述摻雜劑物質(zhì)的離子散射,藉此執(zhí)行共形摻雜。
25. 如權(quán)利要求24所述的共形摻雜設(shè)備,其中所述結(jié)構(gòu)包括所述基板。
26. 如權(quán)利要求24所述的共形摻雜設(shè)備,其中用于產(chǎn)生含有所述摻雜劑物質(zhì)的離子的 構(gòu)件包括產(chǎn)生含有所述摻雜劑物質(zhì)的離子束。
27. 如權(quán)利要求24所述的共形摻雜設(shè)備,其中用于產(chǎn)生含有所述摻雜劑物質(zhì)的離子的 構(gòu)件包括產(chǎn)生含有所述摻雜劑物質(zhì)的等離子體。
全文摘要
一種等離子體摻雜設(shè)備包括等離子體源,所述等離子體源產(chǎn)生脈沖的等離子體。壓板接近等離子體源而支撐基板以供等離子體摻雜。結(jié)構(gòu)吸附薄膜,所述薄膜在被解吸附時(shí)提供多個(gè)中性。偏壓電源產(chǎn)生偏壓波形,所述偏壓波形具有將等離子體中的離子吸引至基板以供等離子體摻雜的負(fù)電位。輻射源照射吸附在結(jié)構(gòu)上的薄膜,藉此解吸附薄膜且產(chǎn)生多個(gè)中性,所述多個(gè)中性在來自等離子體的離子被吸引至基板時(shí)使離子散射,藉此執(zhí)行共形等離子體摻雜。
文檔編號(hào)C23C16/00GK101765679SQ200880100529
公開日2010年6月30日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月7日
發(fā)明者史帝文·R·沃特 申請人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備公司