用于离子植入的等离子体浸渍方法与流程

1.下列描述涉及使用多种前驱物气体的等离子体浸渍离子植入方法，特别是出于相对于在植入过程中也植入所述工件内的其它原子物种，控制植入所述工件内的特定原子掺杂剂物种的量的目的。


背景技术：

2.在材料及半导体加工工业中，针对通过将一或多个额外的化学物种引入固体材料的化学组成中来修饰固体材料的化学组成存在各种原因。将少量不同原子或离子添加到固体材料的有序结构可对所述固体材料的材料性质产生有用且显着的影响。例如，将少量掺杂剂原子常规添加到半导体材料以影响所述半导体材料的导电性。可将氮或碳原子添加到固体材料以改善机械性质(诸如强度或耐磨性)。在其它实例中，可将少量杂质添加到固体材料以影响所述固体材料的光学性质。
3.用于将掺杂剂或杂质植入固体材料内的常用技术是离子束植入。离子束植入技术将相对纯的单一离子物种植入固体材料内，以引起植入材料的化学、光学或机械性质的所需修饰。典型离子束植入系统包括电离室，其用以形成含有许多离子物种的混合物的离子等离子体。离子混合物通过所述电离室中的孔并进入高真空区内，在所述高真空区中所述离子由电场加速以形成离子束。然后，所述离子束通过质量分析器以针对植入选择并隔离单一离子物种。通过这种方法，可形成离子束以包括高浓度的自等离子体中的离子物种混合物所选的离子物种，用于将所述单一离子物种植入工件内。
4.用于离子植入的另一技术是等离子体浸渍离子植入。等离子体浸渍离子植入技术在腔室中产生等离子体，及所述等离子体含有不同化学离子物种的混合物。将工件放置于所述腔室中，并被含有离子物种混合物的等离子体包围。将电势放置于所述工件附近，诸如在所述工件下方，以使所述离子中具有相反电荷(相对于所述电势)的离子向所述工件加速并植入所述工件中。
5.等离子体浸渍技术与束线技术的比较显示所述两者之间存在成本、复杂性及性能特征的平衡。与通过所述离子浸渍离子植入方法植入的低能量离子相比，常规(束线)离子植入处理室产生的高能量离子的离子束相对更深地渗透到所述工件内。所述离子浸渍离子植入方法中提供的离子一般不具有相同的高能量，且与束线植入方法相比，通常植入到更浅的深度。因此，进行等离子体浸渍离子植入方法所需的能量小于进行束线离子植入方法所需的能量。所述束线离子植入方法所需的更高能量可为离子提供更高的植入能量，以从衬底表面渗透到更深的区域，但增加成本及操作复杂性。相反，所述离子浸渍离子植入方法使用rf功率(射频功率产生器)将离子解离为等离子体，这需较少的能量并减少设备的复杂性。同样，等离子体浸渍离子植入可在相对较短的时间内进行高剂量植入，因此改善通量。因此，与束线植入技术相比，对于某些低能量及高剂量方法而言，可认为等离子体浸渍离子植入方法是经济有效的离子植入技术。
6.由消除离子束引起的性能差异是通过等离子体浸渍方法植入的离子物种及原子
物种的选择性降低。等离子体浸渍技术不涉及可经过滤以针对植入分离(选择)等离子体的所需离子物种的离子束。等离子体离子植入技术无法有效针对植入从等离子体选择离子的特定物种。等离子体中具有共同电荷的所有离子均向工件加速，并将植入所述工件内，意谓多种不同类型的离子物种及原子物种将植入晶片内。若等离子体包括离子物种混合物，其包括硼、氟及氢原子作为原子物种，则一些量的硼、氟及氢将植入所述工件内。
7.基于这种植入技术的非选择性性质，等离子体浸渍技术面临的重大技术挑战是对植入工件内的不同原子物种的相对量的控制水平不足。在一定程度上，通过等离子体工具参数调整可影响植入的原子物种的比率。但因为以这种方式可提供的控制水平是有限的，所以需当使用等离子体浸渍技术时可更好地控制植入的原子物种的量的比率的技术。


技术实现要素：

8.本发明描述容许使用等离子体浸渍离子植入技术经改善地控制植入工件内的原子物种(“植入的原子物种”)的相对量的技术。所述方法包括选择并使用两种或更多种不同的气态前驱物的组合以产生在等离子体浸渍离子植入方法中使用的等离子体。选择所述气态前驱物的化学组成及其相对量，以使植入所述工件内的所选原子物种(例如，“掺杂剂”)的量相对于在植入过程中也植入工件内的其它较不期望或非所需的原子物种有所增加。
9.在一个方面，本发明涉及离子植入方法。所述方法包括：将工件支撑在腔室中；从包括第一前驱物及不同于所述第一前驱物的至少一种额外前驱物的前驱物混合物产生等离子体，其中所述离子包括至少两种不同的等离子体离子物种，及所述至少两种不同的等离子体离子物种包括所选原子物种及一或多种额外原子物种。所述方法也包括将电势施加到所述工件，使得所述至少两种不同的等离子体离子物种向所述工件加速，以使所选原子物种及一或多种额外原子物种植入到所述工件表面上。所述至少一种额外前驱物引起增加量的所选原子物种植入到所述工件中。
10.在另一方面，本发明涉及等离子体浸渍离子植入系统，其包括腔室，所述腔室包含：包含rf天线的等离子体产生器、工件支撑件及电极。所述系统还包括第一前驱物的来源及不同于所述第一前驱物的至少一种额外前驱物的来源。所述系统适用于：将工件支撑在所述工件支撑件上并从所述前驱体产生等离子体。所述等离子体包括至少两种不同的等离子体离子物种，及所述两个等离子体离子物种包括所选原子物种及一或多种额外原子物种。所述系统也适用于使所述至少两种不同的等离子体离子物种向所述工件加速，以使所述所选原子物种及所述一或多种额外原子物种植入到所述工件表面上。所述至少一种额外前驱物引起增加量的所选原子物种植入所述工件内。
附图说明
11.图1说明适用于描述方法的实例等离子体浸渍离子植入工具及系统。
具体实施方式
12.下文描述等离子体浸渍离子植入技术，其使用两种或更多种化学上不同的气态前驱物以形成等离子体。
13.等离子体浸渍技术关于植入工件中的等离子体混合物的离子物种是非选择性的。
所述技术一般涉及从含有多种化学上不同的离子物种的混合物的等离子体非选择性植入离子物种。产生的离子物种的数量及类型将取决于用于产生所述等离子体的气态前驱物的化学组成。各离子物种可含有一或多个原子物种，及可显示正电荷或负电荷。将工件放置于腔室中，并被所述离子的离子物种的混合物包围。电势使相对于所述电势具有相反电荷的离子向所述工件加速并植入所述工件中。关于离子的不同类型(具有共同电荷)及所述等离子体中存在的不同原子物种的量，所述植入是非选择性的，即不受控制。不管化学组成如何，所述等离子体中具有与所述电势相反的电荷的所有离子物种均向所述工件加速。
14.根据本发明，申请人已识别容许使用等离子体浸渍离子植入技术经改善地控制植入工件中的原子物种的相对量的技术。所述方法包括选择并使用两种或更多种化学上不同的气态前驱物的组合以产生与所述离子浸渍离子植入技术一起使用的等离子体。两种或更多种不同气态前驱物的化学组成及经选择并用于产生所述离子中的每一者的相对量可经选择及控制，以引起植入所述工件中的特别需要的原子物种(例如，“掺杂剂”)(在本文中称为“所选原子物种”)的量相对于在植入过程中也植入工件中的其它较不期望或非所需的原子物种(“额外原子物种”)增加。
15.本说明书的等离子体浸渍离子植入方法涉及从两种或更多种化学上不同的气态前驱物产生等离子体，用于通过等离子体浸渍植入技术植入。所述气态前驱物中的至少一者包括植入工件内所需的原子物种(“所选”原子物种)，例如当存在于所述工件的组分中时用作掺杂剂物种。如描述的方法容许相较于其它植入的原子物种，经改善地控制植入所述工件内的所选原子物种的相对量，特别是使得相较于植入所述工件中的其它(额外)原子物种的量，植入更高量(百分比)的所选原子物种。
16.基于如描述的方法的两个特定(非限制性)实例，植入工件内的原子物种可为硼、氟或硼及氟的组合。硼及氟通常在半导体材料中用作掺杂剂物种。
17.尽管本说明书使用硼及氟作为植入(例如，“掺杂剂”)物种的两个具体实例，其等中的任何一者可为“所选”原子物种，但本说明书的方法对与其它原子物种作为植入物种一起使用而言可为有效的；例如，本文描述的方法可用于相对于植入的原子物种的总量控制或增加植入工件中的特定所选原子物种(不同于氟或硼)的量(百分比)。
18.相较于在使用仅一种气态前驱物(即，单一气态前驱物)以制备等离子体的过程中(即，在缺乏一或多种额外前驱物的情况下)实现的控制量(百分比)，植入工件中的所选原子物种的量的增加量可为至少5％、10％、20％、30％、50％，或在一些实例方法中，增加多达100％。例如，若通过使用一种气态前驱物(在缺乏一或多种额外前驱物的情况下)产生等离子体的方法植入的所选植入原子物种的量为通过所述方法植入工件中的总原子物种的35％，则所选植入原子物种的增加量可比35％基数大至少5％、10％、20％、30％、50％或100％，即，植入原子物种的总量的至少36.75％、38.5％、42％、45.5％、52.5％或70％是所述所选物种(及所述总植入原子物种的其余63.25％、61.5％、58％、54.5％、47.5％及30％是一或多个额外植入原子物种)。
19.在此实例中，所选原子物种的35％值是通过等离子体离子浸渍植入技术使用单一气态前驱物植入以制备等离子体的所选物种的量的基线(“基数”)值。作为一实例，当bf3单独用作单一气态等离子体前驱物以通过等离子体离子浸渍植入技术制备等离子体时，作为植入原子物种植入的硼的基线百分比可在约34到约35％(原子)的范围内，而其余的植入原
子物种(即，约65％到约66％(原子))为氟。作为所选植入原子物种的硼的经增加相对量可为较35％基数大至少5％、10％、20％、30％、50％或100％(原子)的量，因为基于所有植入原子物种的总量，总植入原子物种的百分比，例如，植入硼的量为至少36.75％、38.5％、42％、45.5％、52.5％或70％(原子)。
20.根据用于植入硼或氟作为所选原子物种的典型(先前及当前)的商业方法，bf3或b2h6是用作气态前驱物。当bf3为前驱物时，等离子体将含有b

、f

、bf

、bf
2
及bf
3
离子。这些各种离子物种及来自这些离子的硼及氟的原子物种将植入工件内，而离子物种或原子物种均不具选择性以控制植入的硼及氟的相对量。
21.根据本说明书的方法，可从两种或更多种化学上不同的气态前驱物产生等离子体，及相对于植入的所有(所选及未选)原子物种，可特定选择气态前驱物以引起相对较高或增加量的特别是需要(即“所选”)的待植入工件中的原子物种。植入所述工件中的所选植入原子物种的量作为总植入原子物种的百分比(总所选植入物种及植入的未选物种)可为至少20％，例如，25％、35％、45％、55％、65％；即，所选植入原子物种的量可为植入的所选原子物种及植入的未选原子物种的总量的至少20％，例如，25％、35％、45％、55％、65％或更高。如本文描述，使用两种或更多种化学上不同的气态前驱物以产生等离子体为一种技术，当相较于从仅单一气态前驱物产生等离子体的类似等离子体浸渍离子植入方法时，相对于植入的所有原子物种的总量，所述技术可用于增加植入工件内的所选原子物种的量。根据本文描述的方法，等离子体是从包括第一前驱物及不同于所述第一前驱物的至少一种额外前驱物的前驱物混合物产生。所述离子包括至少两种不同的等离子体离子物种，及所述至少两种不同的等离子体离子物种包括所选原子物种及一或多种额外原子物种。相较于通过进行所述方法而不使用至少一种额外前驱物以形成所述等离子体，即，通过以仅所述第一前驱物形成所述等离子体，用于形成所述等离子体的至少一种额外前驱物引起植入工件中的所选原子物种的量(百分比)相对于所有植入原子物种有所增加。
22.根据本文描述的方法的有用且优选的实例，所选原子物种可为硼或氟，及可用于产生等离子体的气态前驱物可包括选自下组中的一者(例如，两种前驱物均可选自单一组)，或选自下组中的两者或更多者的两种或更多种化学上不同的气态前驱物的组合。
23.a组-氟化硼气体：bf3、b2f4、b
xfy
。
24.b组-氢化硼气体：b2h6、b
xhy
。
25.c组-混合氟氢化硼：bhf2、bh2f、b
xhyfz
。
26.d组-其它硼气体：bcl3、b
xay
(a可为除氟外的元素)。
27.e组-氟或氟化物气体(非硼)：f2、sif4、si2f6、gef4、ge2f6、cf4、c2f6、xef2、pf3、pf5、asf3、asf5、nf3、sf6、a
xfy
(a可为除硼外的元素)。
28.f组-惰性气体：he、ne、ar、kr、xe及n2。
29.g组-氢及氢化物气体：h2、sih4、si2h6、geh4、ge2h6、ph3、ash3、ch4、c2h6、nh3、a
xhy
。
30.h组-氧及氧化物气体：o2、o3、n2o、n4o、no2、n2o3、n2o4、n2o5、co、co2、a
x
oy。
31.在这些及其它实例方法中，等离子体可从含有如本文描述的两种化学上不同的气态前驱物的组合的气态前驱物产生，所述气态前驱物选自a、b、c、d及e组中的一或多者，及可额外包括选自f、g及h组的一或多种气体。第一前驱物与第二前驱物的相对量可为有效或优选的任何一者，例如10:90到90:10(摩尔)的相对量，例如在40:60到60:40的范围内的相
对量。
32.根据其它实例方法，等离子体可包括第三气态前驱物、第四气态前驱物及第五或额外气态前驱物中的一或多者，各选自a、b、c、d及e组中的任何一者。
33.在某些特定的实例方法中，所选原子物种是硼，及两种气态前驱物均可选自a组。或者，所述两种气态前驱物可通过使用来自b组的一种气态前驱物及来自d组的一种气态前驱物选择。作为实例：所述第一气态前驱物可为bf3，及所述第二气态前驱物可为b2f4；或所述第一气态前驱物可为bf3，及所述第二气态前驱物可为b2h6；或所述第一气态前驱物可为b2f4，及所述第二气态前驱物可为b2f6。
34.在这些实例方法中，硼是所选原子物种，及氟及任选地氢是未选原子物种。作为所选原子物种植入工件中的硼的量可为总植入原子物种的至少20％，例如，25％、35％、45％、55％、65％、75％、85％或95％(原子)；即，植入硼的量为植入硼及植入非硼原子物种的总量的至少20％，例如，25％、35％、45％、55％、65％、75％、85％或95％(原子)。在优选的实例方法中，当等离子体来源于如本文描述的两种或更多种化学上不同的气态前驱物的组合时，植入工件中的硼的量(百分比，原子)相对于工件中所有植入原子物种(硼加非硼原子物种)的总量可大于使用相同工件通过从仅一种单一气态前驱物化合物(例如，bf3或b2f4)而非两种或更多种气态前驱物(化合物)的混合物产生等离子体的类似(例如，相同)等离子体浸渍离子植入方法植入的硼的量(百分比，原子)。
35.作为如本文描述的方法的一额外潜在益处，选择两种或更多种气态前驱物的有用或优选类型及量用于植入硼作为所选原子物种，可导致硼颗粒或硼涂层材料的水平降低，其等在等离子体浸渍离子植入过程中，存在或聚集于等离子体浸渍离子植入工具的腔室的内部表面。减少腔室内的颗粒形成及沉积也可通过减少停机时间增加系统的操作时间(正常运行时间)，及也可增加等离子体浸渍离子植入系统的有用寿命。
36.在其它实例方法中，掺杂剂原子物种是氟，及两种气态前驱物均可选自e组。作为实例：第一气态前驱物可为f2，及第二气态前驱物可为bf3或hf；或所述第一气态前驱物可为nf3，及所述第二气态前驱物可为cf4。
37.在这些实例方法中，氟是所选原子物种，及两种或更多种气态前驱物中的任何一者的一或多种非氟原子物种可为未选原子物种。植入工件中的氟的量可为总植入原子物种的至少40％，例如，45％、55％、65％、75％、85％或95％(原子)，即，植入氟的量可为植入氟及任何植入非氟原子物种的总量的至少40％，例如，至少45％、55％、65％、75％、85％或95％(原子)。在优选方法中，当等离子体来源于如本文描述的两种或更多种化学上不同的气态前驱物的组合时，植入工件中的氟的量(百分比，原子)相对于工件中所有植入原子物种(氟加非氟原子物种)的总量可大于使用相同工件通过从仅一种气态前驱物(例如，bf3)产生等离子体的类似等离子体浸渍离子植入方法所植入的氟的数量(百分比，原子)。
38.如本文描述的在等离子体浸渍离子植入方法中使用多种气态前驱物以产生等离子体的方法可与任何所需气态前驱物、任何所选原子物种及其中待植入所选原子物种的任何所需工件一起使用。相对于植入原子物种(所选及未选原子物种)的总量，特定方法适用于增加植入工件中的所选原子物种的相对量(百分比，原子)。这些优选方法可相对于植入使用可比的植入方法制备的可比的(例如，相同)工件中的所选原子物种的量增加植入工件中的所选原子物种的量(百分比，原子)，所述可比的植入方法与本发明方法相同，但使用仅
单一气态前驱物以产生等离子体。
39.等离子体浸渍离子植入技术可通过从本文描述的包含不同类型的离子的混合物的等离子体提取离子，通过向工件(保持于所述离子内)或支撑所述工件的电极施加高压以使所述离子朝向衬底加速而适用于表面掺杂或修饰。来自所述等离子体的所述加速离子渗透到所述工件内。所述工件可为其中可期望地引入离子中的一者或离子的组合的任何物品或装置，例如，半导体晶片或微电子装置衬底。相较于束线植入工具，等离子体浸渍植入工具由于缺少质量分析器(束线离子植入系统中所需)而复杂度降低，所述质量分析器可从含有许多不同离子物种的等离子体选择植入所需的离子。所述离子浸渍离子植入工具无需产生、聚焦及细化离子束的装置。因此，等离子体浸渍离子植入技术可产生诸如以下的优点：较低的功率需求；呈递到工件的离子的能量较低或剂量较高，或两者；相对更好的保形掺杂；降低总硬件及操作成本；或这些中的两者或更多者。
40.可使用通过已知的等离子体浸渍离子植入原理操作的常规等离子体浸渍工具并用如本文描述的两种或更多种气态前驱物的组合进行如本文描述的方法。由来源于两种或更多种气态前驱物的不同离子物种的混合物制得的等离子体可通过向含有所述气态前驱物的处理室施加高压rf或任何其它形式的em场(微波或dc)形成。然后使所述离子偏向所述工件表面，并植入到距所述衬底表面的所需深度。
41.图1显示可适用于进行如本文描述的方法的实例等离子体浸渍离子植入室。图1的腔室适用于进行等离子体浸渍离子植入方法，但也可用于使衬底暴露于高能量离子，而不将所述离子植入表面之下。因此，如本文使用，术语“植入”是指通过如本文描述的方法使离子或原子位于工件的表面或其下方。
42.处理室100包括腔室主体102，所述腔室主体102具有底部124、顶部126，及封闭腔室内部空间104的侧壁122。衬底支撑组合件128从腔室主体102的底部124支撑，及包括适于容纳衬底300以供处理的支撑板200。任选地，衬底支撑组合件128可包括适用于控制衬底300支撑的支撑板200的温度的嵌入式加热器元件或冷却元件(未显示)。
43.真空端口132限定于腔室主体102中，及在操作期间耦合到用于排空腔室104的真空泵(未显示)。
44.将多种来源的气态前驱物引入腔室104内，例如，通过一或多个入口端口130，以将气态前驱物供应到腔室104内用于在衬底300上进行的方法。
45.腔室104内也存在rf天线310，其连接到rf产生器(未显示)以通过解离气态前驱物化合物活化所述rf天线并产生等离子体320。
46.在使用中，包括如本文描述的两种或更多种气态前驱物的处理气体是通过一或多个入口端口130从处理气体源(未显示)供应到腔室104，并由rf天线310转化为等离子体320。所述rf天线及rf产生器可经配置以将所述两种或更多种气态前驱物的化合物有效解离为可植入离子物种，其等将由脉冲产生器330产生的电势引向衬底300的表面。本文说明的系统的操作参数(诸如所述rf产生器的功率及所述脉冲产生器的功率及频率)可经选择，以产生等离子体的离子离子物种，其可向所述衬底表面加速并以所需离子浓度植入到衬底300的顶面下的所需深度。
47.在实例操作中，rf功率的功率解离气态前驱物以在衬底的表面产生所需离子通量。将所述rf功率控制在可使从处理气体解离的离子能量向所述衬底表面加速，并以所需
离子浓度植入到所述衬底的顶面下的所需深度的程度。在示例性术语中，相对低的偏压(例如，50v)可导致相对低的离子能量，例如，在包括50ev的范围内。具有低离子能量的解离离子可被植入到距所述衬底表面较浅的深度。或者，约100kv的较高偏压可产生较高离子能量，例如，在包括100kev的范围内。由相对较高rf功率及偏压(诸如高于约100kev)提供及产生的具有高离子能量的解离离子可被植入到距所述衬底表面深的多的衬底内。