低发射植入掩模及衬底组件的制作方法

1.本公开大体来说涉及离子植入，且更具体来说，涉及用于高能离子植入的植入掩模(implant mask)。


背景技术：

2.离子植入是通过轰击将掺杂剂或杂质引入衬底的工艺。离子植入系统可包括离子源及一系列束线部件。离子源可包括产生离子的室。离子源还可包括电源及靠近室设置的提取电极组件。束线部件可包括例如质量分析器、第一加速或减速级、准直器及第二加速或减速级。与一系列用于操纵光束的光学透镜非常类似，束线部件可对具有特定种类、形状、能量和/或其他品质的离子或离子束进行过滤、聚焦及操纵。离子束穿过束线部件，并且可被朝安装在压板(platen)或夹具(clamp)上的衬底引导。
3.能够产生大约1mev或大于1mev的离子能量的植入设备常常被称为高能离子植入器或高能离子植入系统。一种类型的高能离子植入器采用所谓的串联加速架构，其中离子通过第一列被加速到高能量，经历电荷交换以改变极性，且然后被加速到第二能量，所述第二能量在第二列中大约是第一能量的两倍。另一种类型的高能离子植入器被称为线性加速器(或linac)，其中排列成管的一系列电极将离子束沿着所述一系列管传导并加速到越来越高的能量，其中电极接收射频(radio frequency，rf)下的rf电压信号。
4.当高能离子碰撞工件(也被称为“衬底”)时，除了离子植入之外，还会从工件发射各种种类，包括二次离子、电子以及核粒子，例如中子。在许多情况下，执行图案化植入，其中衬底的那些将不被植入的区被掩蔽。示例性掩模材料包括光刻胶(例如，有机系(organic based)光刻胶)、硬掩模材料(包括碳sio2、sic或其他材料)。大多数常见的掩模材料含有大量的碳(c)。元素碳包括占主导地位的
12
c同位素、天然存在的大约为1.1％的分数的
13
c同位素、以及非常少量的
14
c同位素。
13
c同位素当被具足够能量的离子碰撞时可能会被核反应转化，从而通过中子发射机制导致放射性衰变。
5.例如碳系(有机)光刻胶、sic、碳掩模材料等掩模材料倾向于以类似于天然存在的为1.1％的百分比的分数包含
13
c同位素。因此，当被高能离子碰撞时、特别是当离子能量高于1mev时，已知的碳系掩模材料容易受到中子发射的影响，并且当离子能量高于2mev到3mev时，这种可能性越来越大。
6.为了吸收在此种放射性过程中发射的中子，可能有必要在包括容纳衬底的植入室的离子植入器中安装非常厚的包层(cladding)，例如高密度聚乙烯或硼酸聚乙烯屏蔽(borated polyethylene shield)。此外，中子辐射可能会持续一段时间，这就需要在离子植入后处理衬底之前具有长的“冷却”周期。
7.关于这些及其他考虑，提供了本公开。


技术实现要素：

8.在一个实施例中，一种衬底组件可包括：衬底基底；以及低发射植入掩模，设置在
所述衬底基底上，所述低发射植入掩模包含含碳材料，所述含碳材料包括由
12
c碳同位素前体形成的同位素纯化的碳。
9.在另外的实施例中，一种低发射植入掩模可包括：光刻胶层，具有厚度为10μm或大于10μm的层，其中所述光刻胶层包含由
12
c碳同位素前体形成的同位素纯化的碳。
10.在又一实施例中，一种对衬底进行植入的方法可包括在所述衬底上提供低发射植入掩模，所述低发射植入掩模包含同位素纯化的
12
c材料，所述植入掩模包括开放区及掩蔽区，并且具有第一厚度。所述方法可包括以植入能量将离子种类导向所述衬底，其中所述离子种类植入到所述开放区中的所述衬底中，而不植入到所述掩蔽区中的所述衬底中。因此，所述低发射植入掩模产生第一中子产额，所述第一中子产额低于当所述离子种类被植入到普通植入掩模中时的第二中子产额，所述普通植入掩模具有所述第一厚度并且包含同位素不纯碳材料。
附图说明
11.图1示出根据本公开实施例的用于低中子发射的示例性衬底布置。
12.图2示出根据本公开又一些实施例的用于低中子发射的示例性衬底布置。
13.图3示出根据本公开附加实施例的用于低中子发射的另一衬底布置。
14.图4示出根据本公开又一些实施例的示例性离子植入器布置。
15.图5示出根据本公开一些实施例的示例性工艺流程。
16.所述附图未必按比例绘制。所述附图仅为示意图，并非旨在描绘本公开的具体参数。所述附图旨在示出本公开的示例性实施例，且因此不应被视为对范围进行限制。在所述附图中，相同的编号表示相同的元件。
具体实施方式
17.在下文中，现将参照附图来更充分地阐述根据本公开的设备、系统及方法，所述附图示出所述系统及方法的实施例。所述系统及方法可实施为许多不同的形式且不应被视为仅限于本文中所述的实施例。确切来说，提供这些实施例是为了使本公开将透彻及完整，并将向所属领域中的技术人员充分传达所述系统及方法的范围。
18.为方便及清晰起见，在本文中将使用例如“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“上(upper)”、“下(lower)”、“垂直(vertical)”、“水平(horizontal)”、“侧向(lateral)”、及“纵向(longitudinal)”等术语来阐述图中所示的这些部件及其构成零件相对于半导体制造装置的部件的几何形状及取向而言的相对放置及取向。所述术语将包括具体提及的词、其派生词及具有相似意义的词。
19.本文中所用的以单数形式描述且前面带有词“一(a或an)”的元件或操作被理解为也潜在地包括多个元件或多个操作。另外，在提及本公开的“一个实施例”时并非旨在被解释为排除也包括所述特征的附加实施例的存在。
20.本文中提供了用于改善掩模材料及衬底组件的方法，当暴露于高能植入时，所述方法表现出较低的中子发射。在各种实施例中，提供了采用由同位素纯化的
12
c材料形成的碳系掩模层的掩模材料及衬底组件。本文中所用的术语“同位素纯化的
12
c材料”可指含碳材料，其中根据总碳浓度的
13
c浓度(
13
c/(
13
c
12
c))为小于0.5％，例如小于0.1％。在一些情况
下，同位素纯化的
12
c层可能含有不可测量的
13
c或含有低于百万分之一(part per million，ppm)的
13
c。应注意，任何显著低于1.1％天然比率的
13
c浓度将产生中子发射的成比例减少，且因此可被描述为“同位素纯化的
12
c”。
21.本发明人已认识到，虽然许多材料在暴露于高能植入时可能表现出中子发射(包括
12
c及
13
c两者)，但中子发射截面对于不同的材料表现出不同的能量依赖性。具体来说，本发明实施例利用
12
c与
13
c之间在mev范围内的中子发射的不同能量依赖性。
22.作为实例，在质子能量低于2mev时，从暴露于正氢离子(质子)的
13
c的中子发射的截面预计低于10微靶(microbarn)。在质子能量高于2.5mev时，中子发射的截面迅速增加，对于3mev到10mev范围内的离子能量来说达到50毫靶到100毫靶的范围，且对于高达25mev的离子能量来说保持在高于5毫靶的水平。类似地，对于氦离子来说，
13
c的中子发射截面在能量低于500kev时低于1微靶，而在高于1mev时迅速增加达到1毫靶或大于1毫靶的水平，且具体来说，例如对于2mev到25mev之间的离子能量来说达到几十毫靶到几百毫靶的水平。
23.相比之下，在质子能量低于2mev时，从暴露于正氢离子(质子)的
12
c的中子发射的截面预计低于5微靶。从暴露于正氢离子(质子)的
12
c的中子发射的截面直到离子能量高于15mev之前不会增加到毫靶范围内，对于20mev到100mev范围内的离子能量来说达到50毫靶到100毫靶之间的水平。类似地，对于氦离子来说，
12
c的中子发射截面在能量低于10mev时低于1微靶，而在高于11mev时迅速增加，从而例如在11mev与25mev之间达到大约10毫靶的水平。
24.应注意，仅举一种商业实施方式来说，1mev到10mev左右的离子能量范围是将氢植入硅晶片中的许多植入程序的特性。因此，通过提供由同位素纯化的
12
c形成的掩蔽材料，可安全地执行在mev范围(例如用于质子植入的1mev到大约15mev、以及用于氦植入的高达大约10mev)内执行的离子植入工艺，其中中子的产额低得多。
25.根据本公开的各种实施例，可使用有机(含碳)材料来制备光刻胶材料，其中含碳材料可由同位素纯化的
12
c含碳化学品形成。可另外使用已知的工艺制备光刻胶材料，使得光刻胶材料在化学上可与已知的光刻胶材料相同，不同之处在于光刻胶中的碳仅含有
12
c同位素(忽略微量(例如低于1ppm)的
14
c或
13
c(如果存在的话))。根据各种实施例，依据已知的程序，然后可将同位素纯化的
12
c光刻胶材料应用于衬底作为植入掩模。
26.根据本公开的其他实施例，含碳硬掩模层可形成在衬底上，其中含碳硬掩模层可由同位素纯化的
12
c碳形成。在其中通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)来沉积硬掩模层的一些实施例，可使用同位素纯化的
12
c前体气体(例如，
12
ch4、
12
c2h6)来沉积硬掩模层，其中上标
‘
12’指示具有所述化学式的给定化学品或物质，其中所述给定化学品或物质中的碳材料仅包含碳的
12
c同位素((忽略微量(例如低于1ppm)的
14
c或
13
c(如果存在的话))。因此，可通过已知的cvd方法沉积含同位素纯化的
12
c的硬掩模层，例如si
12
c、
12
c、si
12
cn等。
27.在其他实施例中，可使用由同位素纯化的
12
c碳形成的固体靶(solid target)、通过包括溅镀、蒸镀等在内的物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)来沉积硬掩模层。因此，可通过已知的pvd方法沉积硬掩模层，例如sic、c、sicn等。
28.可根据已知的程序将同位素纯化的
12
c硬掩模层图案化以形成硬掩模。
29.图1示出根据本公开实施例的用于低中子发射的示例性衬底布置。示出衬底布置
100，其中衬底102支撑植入掩模104。植入掩模104用于界定用于将被植入衬底102中的离子的植入图案。因此，当离子(一般被示出为离子束106)冲击衬底布置100时，植入掩模104的不同部分(示出为部分104a、部分104b、部分104c)阻挡离子束106撞击直接位于所述不同部分下方的区中的衬底102。离子束106植入到不存在掩模材料的开放区110中的衬底102中。根据本公开的实施例，如上所述，植入掩模104可以是由同位素纯化的
12
c材料形成的含碳层。根据各种实施例，植入掩模104以给定的掩模厚度形成，其中掩模厚度足以防止离子束106的离子完全行进穿过植入掩模104并碰撞衬底102，如箭头的范围所示。植入掩模104的厚度可根据将植入到衬底102中的离子能量及离子种类来设定。植入掩模104的示例性厚度可在几微米到几百微米(μm)的范围内以用于植入程序，其中离子能量被设定在1mev到10mev的范围内，并且其中离子种类是质子或氦。所述实施例并不仅限于此上下文中。在一些实施例中，植入掩模104可以是光刻胶掩模、模版掩模(stencil mask)或硬掩模。在一些实施例中，植入掩模104可形成为单个层，其中所述层由同位素纯化的
12
c材料形成。
30.应注意，在各种使用场景中，衬底布置100可部署在高能植入器(例如，串联离子植入器或线性加速器(linear accelerator，linac)植入器)中，其中离子束106的离子可以mev范围内的能量冲击衬底。举例来说，在各种非限制性实施例中，离子束106的离子能量可以是1mev到10mev。当冲击植入掩模104时，由于在植入掩模104的碳种类中不存在
13
c，因此由离子束106的离子产生的中子产额可受到抑制。应注意，对于1mev到10mev的正氢离子(质子)或1mev到10mev的氦离子来说，相对于具有与植入掩模104相同的化学组成的已知掩模，通过植入掩模104的中子发射可受到抑制，其中在已知掩模中，
13
c同位素以大约为1.1％的天然丰度存在于碳种类中。
31.图2示出根据本公开实施例的用于低中子发射的另一示例性衬底布置。示出衬底布置200，其中衬底102支撑植入掩模204。如图1所示，植入掩模204用于界定用于将被植入衬底102中的离子的植入图案。因此，当离子(一般被示出为离子束206)冲击衬底布置200时，植入掩模204的不同部分(示出为部分204a、部分204b、部分204c)阻挡离子束206撞击直接位于所述不同部分下方的区中的衬底102。
32.根据本公开的实施例，植入掩模204可由多个层形成，所述多个层包括一般来说如上所述由同位素纯化的
12
c材料形成的至少一个含碳层。如图2所示，植入掩模204可包括两个层，所述两个层包括被示出为上层208的外层、及下层210。上层208可具有与环境的上部界面，在所述界面处离子束206植入到上层208中。因此，上层208可以是由同位素纯化的
12
c材料形成的含碳层。如同植入掩模104一样，上层208的厚度可根据离子束206的离子种类及离子能量来设定，以便将离子束206包含在上层208内。如此一来，下层210可由与上层208不同的材料形成。举例来说，植入掩模204可以是在化学上均质的一组层，例如一组两个含碳光刻胶层，其中上层208与下层210具有相同的化学组成。下层210与上层208的不同之处可在于下层210由其中
13
c对
12
c的比率与1.1％的天然丰度相似或相同的碳种类形成。因此，当受到能量在1mev到10mev范围内的离子(例如，质子或氦)的照射时，下层210可表现出比上层208的中子发射高得多的中子发射。在植入掩模204中使用下层210有助于提供相对较厚的掩模，其中所述掩模的仅一部分由相对较昂贵的、由同位素纯化的
12
c形成的层形成。换句话说，同位素纯化的
12
c掩模材料可能非常昂贵，使得仅在掩模的顶部中使用同位素纯化的
12
c可节省成本，而掩模的下部由在化学上相同、但具有天然存在的
13
c同位素组成的材料
制成。此种布置的优点在于，掩模的两个层可在相同的工艺中一起进行光刻处置(曝光、显影、硬烘焙等)，同时以最小的附加成本减少掩模的中子发射。
33.具体来说，上层208的厚度可使得对于目标植入能量来说，离子束206的一些离子可完全横穿上层208并穿透到下层210中，而离子束206的离子不穿透到衬底102中(206a)。上层208的厚度也可被布置成其中对于目标植入能量来说，离子束206的离子能量将低于从
13
c产生大量中子的阈值能量，例如对于质子离子束来说低于2.5mev。换句话说，具有足够厚度的上层208的存在可允许下层210由含有大量
13
c的同位素不纯碳形成，因为完全穿透上层208的任何离子的能量被充分降低从而不能产生中子。
34.图3示出根据本公开实施例的用于低中子发射的另一示例性衬底布置。示出衬底布置300，其中衬底102支撑植入掩模304。如图1及图2所示，植入掩模304用于界定用于将被植入衬底102中的离子的植入图案。因此，当离子(一般被示出为离子束306)冲击衬底时，植入掩模304的不同部分(示出为部分304a、部分304b、部分304c)阻挡离子束306撞击直接位于所述不同部分下方的区中的衬底102。
35.根据本公开的实施例，植入掩模204可由多个层形成，所述多个层包括如上所述由同位素纯化的
12
c材料形成的至少一个含碳层。如图3所示，植入掩模304可包括两个层，所述两个层包括上层308及下层310。上层308可具有与环境的上部界面，在所述界面处离子束306植入到上层308中。因此，上层308可以是由同位素纯化的
12
c材料形成的含碳层。如同上层208一样，上层308的厚度可根据离子束306的离子种类及离子能量来设定，以便将离子束306包含在上层308内，或者使离子束306充分减速到使离子束306即使在碰撞下层310时仍不能产生中子。如此一来，下层310可由与上层308不同的材料形成。应注意，在一些实施例中，下层310可由与上层308不同的材料和/或不同的工艺形成。举例来说，下层310可以是硬掩模材料，而上层308是光刻胶材料。
36.图4示出根据本公开实施例布置的离子植入系统400。离子植入系统400可包括能够产生离子束412的离子源404及提取组件406。离子植入系统400还可包括已知的部件(包括质量分析器408)，用于通过偏转及过滤离子束412来提供经质量分析的束。如图4所示，离子植入系统400可包括高能加速部件410。高能加速部件410可代表已知的串联加速器或已知的线性加速器，其中高能加速部件410能够将离子束412加速到1mev或大于1mev、例如高达10mev、或在一些实施例中高达20mev的离子能量。离子植入系统400还可包括准直器414(所述部件可包括校正器磁体)、终端站422，其中衬底组件416设置在终端站422中。衬底组件416被示出为衬底418，包括设置在衬底418上的低发射植入掩模420。低发射植入掩模420通常根据前述实施例中的任一者被布置为含碳掩模，其中低发射植入掩模420的至少上层由同位素纯化的
12
c材料形成。
37.在操作中，当离子束412以例如1mev到10mev的能量碰撞衬底组件416时，与植入掩模包括具有相当大的
13
c分数(例如，在1.1％
13
c范围内的天然存在的分数)的碳的已知布置相比，抑制了来自衬底组件416的中子发射。
38.图5示出根据本公开一些实施例的示例性工艺流程500。在方块502处，在高能离子植入器的植入室中提供衬底。在方块504处，在衬底上提供低发射植入掩模。在各种实施例中，如上所述，低发射植入掩模包括由同位素纯化的
12
c形成的含碳层。在一些实施例中，低发射植入掩模可以是单个层，而在其他实施例中可包括多个层。
39.在方块506处，在高能离子植入器中产生离子束，并且沿着束线将离子束加速到高离子能量。在各种非限制性实施例中，高离子能量可在高于1mev、高于3mev、高于5mev、高达10mev的范围内。作为实例，离子植入器可以是被布置成加速氢离子、氦离子或其他离子的串联加速器。实施例并不仅限于此上下文中。在附加的实施例中，离子植入器可以是能够将离子加速到1mev到10mev范围内的离子能量的线性加速器。因此，在通过串联加速器或线性加速器加速之后，离子束可以1mev到10mev范围内的高能量出现在束线的下游部分中。
40.在方块508处，将高能离子导向衬底，其中高能离子植入到在低发射植入掩模的开放区中的衬底中，并且其中高能离子在低发射植入掩模中被捕获。因此，在植入工艺期间，与使用在化学上类似于低植入掩模的已知植入掩模的情景相比，中子产额可受到抑制，其中已知植入掩模由其中可能存在大量
13
c(例如，在1.1原子％的范围内)的同位素不纯的碳形成。
41.鉴于前述内容，通过本文中公开的实施例，实现了至少以下优点。第一个优点是，通过在衬底上提供含同位素纯化的
12
c的低发射植入掩模，在mev范围内(例如在大约1mev与10mev左右之间)的能量下进行离子植入期间，可减少中子发射。作为第二个优点，可改善高能植入后的衬底处理，因为可避免植入后的“冷却”周期，其中可避免植入后(post implantation)中子发射，例如在高能植入到由约1％分数的
13
c同位素形成的含碳掩模中之后产生的发射。
42.尽管本文已阐述了本公开的某些实施例，但本公开并不仅限于此，这是因为本公开的范围具有所属领域所允许的及本说明书所表明的最广范围。因此，上述说明不应被视为限制性的。所属领域中的技术人员将想到在所附权利要求的范围及精神内的其他修改。