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TW201419361A - 具有摻雜材料遮蔽之電感性耦合電漿離子源 - Google Patents

具有摻雜材料遮蔽之電感性耦合電漿離子源 Download PDF

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TW201419361A
TW201419361A TW102135461A TW102135461A TW201419361A TW 201419361 A TW201419361 A TW 201419361A TW 102135461 A TW102135461 A TW 102135461A TW 102135461 A TW102135461 A TW 102135461A TW 201419361 A TW201419361 A TW 201419361A
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plasma chamber
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TW102135461A
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Costel Biloiu
Bon-Woong Koo
Timothy J Miller
Anthony Renau
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Varian Semiconductor Equipment
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Abstract

一種電漿離子源，包括電漿室、氣體入口、射頻天線、射頻窗、提取平板、窗遮蔽、以及室襯層。射頻窗可定位於射頻天線與電漿室之間。窗遮蔽可配置於射頻窗與電漿室的內部之間，且室襯層可覆蓋電漿室的內表面。在離子源操作期間，窗遮蔽代替射頻窗承受離子轟擊。因此，較少雜質離子釋放至電漿室中。同時，額外的摻雜原子自窗遮蔽釋放至電漿室中。室襯層亦承受離子轟擊，其亦貢獻一定量的摻雜原子至電漿室。電漿室中摻雜離子的產量藉此提升而雜質則最少化。

Description

具有摻雜材料遮蔽之電感性耦合電漿離子源室
本揭露大致上是關於半導體裝置製造領域，且更特別的是，關於具有由摻雜材料所形成的遮蔽的離子源，所述遮蔽配置於鄰接射頻(RF)窗以減少由RF窗所釋放的原子雜質量且增加原子摻雜產量。
離子植入是一種用以將離子摻雜至工件或目標基板中的製程。舉例來說，離子植入可用以在製作半導體基板的期間植入第三族或第五族的雜質離子以獲得想要的電性裝置特性。離子植入器(ion implanter)一般包括：離子源室，其產生特定種類的離子；一系列束線組件，其經配置以塑形(shape)、分析、以及驅動從源室提取(extract)出的離子束；以及平台(platen)，用以固持目標基板，離子束被導入至目標基板中。這些組件安放在真空環境中，以防止離子束從源行進至目標之期間的離子束分散(dispersion)。
離子植入器的束線組件可包括：一系列電極，經配置以從源室提取離子；質量分析器(mass analyzer)，經配置以具有特定磁場，使得僅具有所要的質荷比(mass-to-charge ratio)的離子得以穿過分析器；以及校正磁體(corrector magnet)，經配置以提供帶狀射束，所述帶狀射束被引導至平台，以將離子植入至目標基板中，所述平台與離子束幾乎正交。離子在其與基板中的原子核與電子碰撞時損失能量，且基於加速度能量(acceleration energy)在基板內靜止於所要深度處。基板中的植入深度是源室中所產生之離子的離子能量以及質量的函數。通常，可摻雜砷(arsenic)或磷(phosphorus)以在基板中形成n型區，而可摻雜硼(boron)、鎵(gallium)或銦(indium)以在基板中產生p型區。
最常見的p型半導體摻雜是硼。在電漿源中，藉由將含硼的進料氣體(feed gas)(例如BF3或BF3/B2H6/H2)引入離子源室內而獲得硼元素離子(elemental boron ions)。進料氣體分子被分解，且硼原子透過源室內的誘發電子撞擊(induced electron collisions)而被離子化。因為進料氣體分子並未完全分解，所以電漿源可產生各式各樣的離子物種(B+、F+、BF+、BF2 +、BF3 +、B2F4 +等)。因此，從源室發射(emanating)的總離子束中僅有小部份(如15~20%)可由帶正電的硼元素離子(B+)所組成。
可使用各種類型的離子源以離子化進料氣體。此種源一般是基於所要的電漿類型以及用於植入至目標基板的相關離子束剖面(profile)而進行選擇。一種類型的離子源是熱陰極離子源 (hot-cathode ion source)，其使用間接加熱陰極(indirectly heated cathode,IHC)以將源室中的進料氣體離子化。另一種類型的離子源是電感性耦合之射頻(radio frequency,RF)電漿源，其使用RF線圈、透過電磁感應(electromagnetic induction)以激發源室中的進料氣體。一種介電RF窗將源室的內部與RF線圈分隔。傳遞至RF線圈的功率(power)可經調整以控制電漿以及經提取之離子束電流的密度。
通常與RF電漿源相關的問題為：即使在電感性耦合模式下操作時，仍存在輕微的電容性耦合而造成一定量的電漿離子朝向RF窗加速並轟擊RF窗。此種轟擊將蝕刻RF窗且造成從窗濺鍍出大量之非所要的原子物種至源室中。舉例來說，圖1繪示在具有石英(SiO2)RF窗的電感性耦合離子源中產生的BF3電漿的質譜。如所見，從窗濺鍍出或蝕刻出顯著量的矽而造成電漿中大量的雜質離子(如Si+、SiF+、SiF2 +等)。在未分析束(non-analyzed beams)的情況下，接著，這些雜質連同所要的摻雜離子物種(例如具正電荷之硼離子)可被植入至目標基板中。
因此，所要的是，提供一種離子源室，所述離子源室對於自其發射出(emanate)的離子束中貢獻較少雜質。更想要的是，提供一種離子源室，所述離子源室在自其發射出的離子束中增加想要的摻雜離子量。
鑑於上述情況，為提供一種簡單、經濟有效的裝置，已揭露一種離子源，藉此可在不使用質譜儀與其他複雜、昂貴束線組件的情形下，最少化離子束中雜質離子的量。此外，本揭露的離子源同時增加離子束中所要的摻雜離子的量。
本揭露的離子源可包括電漿室、RF天線、RF窗、由摻質材料所製成的RF窗遮蔽、以及由摻雜材料所製成的電漿室襯層(plasma chamber liner)。電漿室一般可為矩形或圓柱形外圍，其配置為保有(hold)進料氣體，將進一步地描述如下。RF窗實質上可為平面形且可裝配於(實質上真空密封於)電漿室的頂端。RF天線位於RF窗的頂部、相對於電漿室而言在窗的另一側上。因此，RF窗為媒介，來自RF產生器的RF功率從RF天線穿過RF窗傳送至電漿室中的低壓進料氣體。RF窗可由任意合適的介電材料形成，例如能夠促進此種耦合的鋁、藍寶石(sapphire)或石英。
窗遮蔽與室襯層可由所要的摻雜材料的薄層形成。窗遮蔽可配置於RF窗與電漿室的內部之間。室襯層可配置於電漿室中，緊鄰和覆蓋電漿室的內表面。
在離子源的正常操作期間，電漿室中的電漿是透過傳統方式電感耦合而產生。然而，窗遮蔽經歷原本應由RF窗所承受的重離子轟擊。因此，較少雜質離子自RF窗釋放至電漿室中。同時，電漿在由摻質材料所製成的窗遮蔽上的離子轟擊與蝕刻效應造成額外的摻雜原子從遮蔽釋放至電漿室中。離子轟擊與電漿蝕刻亦 可在由摻質材料所製成的室襯層的表面處發生，其將額外量的摻雜原子貢獻至電漿。電漿室中摻雜離子的產量藉此提升，且產生較富摻雜的離子束。
在本揭露的示例性實施例中，離子源可包括RF窗、配置於RF窗的第一側上的電漿室、配置於RF窗的與第一側相對的第二側上的RF天線、以及由摻雜材料所形成的配置於RF窗的第一側與電漿室之間的窗遮蔽。離子源更可包括由摻雜材料所形成的室襯層，所述室襯層配置於鄰接電漿室的側壁的內表面。
10‧‧‧離子源
12‧‧‧電漿室
13、15、17、19‧‧‧側壁
14‧‧‧RF天線
16‧‧‧RF窗
18‧‧‧窗遮蔽
20‧‧‧室襯層
22‧‧‧凹部
23‧‧‧氣體入口
24‧‧‧肩部
25‧‧‧面平板
26‧‧‧狹縫
27‧‧‧提取孔隙
圖1為繪示在具有石英(SiO2)RF窗的電感性耦合離子源中產生的BF3電漿的質譜圖。
圖2為根據本揭露所繪示的RF離子源的部份的側視圖。
圖3為根據本揭露所繪示的離子源的部份的底視圖。
圖4為繪示在以硼與氬離子轟擊由硼所形成的窗遮蔽的濺鍍產率(sputtering yield)圖。
以下將參照附圖，更為詳細地描述根據本揭露的裝置，其中將繪示較佳的實施例。然而，此裝置可以許多不同型式具體化，而不應被認為限於本文所述的實施例。反而，提供這些實施 例將使得此揭露通透與完整，且將完整地向本領域具有通常知識者傳達此裝置的範疇。在圖示中，通篇的相似號碼對應至相似元件。
請參照圖2與圖3，已繪示根據本揭露的電漿離子源10的實施例(以下簡稱為「RF離子源10」)。RF離子源10可包括電漿室12、RF天線14、RF窗16、窗遮蔽18、室襯層20、一個或多於一個的氣體入口(gas inlet)23以及具有提取孔隙(extraction slit)27的面平板(face plate)25，離子透過所述提取孔隙27被提取出。為方便與簡潔起見，將在以下使用術語例如「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「向內」、「向外」、「橫向」、與「縱向」以描述RF離子源10之組件的相對位置與方位，每一者相對於RF離子源10的幾何與方位，如圖2中所示。所述術語將包括特別述及的單詞、單詞衍生字以及具有類似含義(import)的單詞。
電漿室12可為矩形、圓柱形或更複雜的外圍(enclosure)，其配置為在低壓下保有(hold)進料氣體，將進一步地描述如下。電漿室12可由垂直延伸的側壁13、15、17與19所定義。側壁13~19可由鋁、不繡鋼、或介電質(dielectric)(例如鋁或石英)所形成。
RF窗16可為實質上平面的組件(member)，且其形狀實質上與電漿室12的橫截面形狀相似。RF窗16可裝配於(且實質上真空密封於)電漿室12的頂端。舉例來說，RF窗16的邊緣可座落於凹部22中，所述凹部22形成在側壁13~19的內表面中， 如圖2所示。或者，可預期的是，RF窗16可用例如黏著劑(adhesives)或機械緊固件(fastener)以固定至側壁13~19的頂邊緣。更進一步可預期的是，高溫O型環(O-ring)或其他合適的密封組件(sealing member)可配置於RF窗16的邊緣與側壁13~19之間，以在RF窗16與側壁13~19之間建立真空密封。因此，RF窗16可以實質上水平的方位配置，垂直地介於電漿室12的內部與RF天線14(將下述)之間。
RF窗16為媒介物，來自RF天線14的RF能量穿過RF窗16以與電漿室12中的進料氣體耦合，將進一步地描述如下。RF窗16可由任意的傳統的材料形成，所述材料包括(但不限於)能夠促進此種耦合的鋁、藍寶石、或石英。雖然鋁與石英可提供特定的應用所要的性質，但是其熱導電性相對低，且在高操作溫度下會傾向於與電漿室12的側壁13~19產生真空密封失效。或者，氮化鋁(AlN)可提供相對高熱導電性，同時其介電常數與石英或鋁相近。AlN可使用於高製程溫度的應用中，且AlN的高電阻率(electrical resistivity)與一般陶瓷材料相當。此外，AlN可金屬化並焊接(braze)至電漿室12的金屬側壁13~19，以在其間提供堅固的真空密封。此舉免除了對於會隨時間降解(degrade)的O型環的需求。
窗遮蔽18與室襯層20可由所要的摻雜材料的薄層所形成，所述摻雜材料可與供應至電漿室12的進料氣體中的摻雜相同(將進一步描述如下)。舉例來說，若特定應用所要的摻雜為硼， 則供應至電漿室12的進料氣體可包含硼(如BF3、B2F4、或B2H6)，而窗遮蔽18與室襯層20可由硼的薄片所形成。舉例來說，由於僅有11B同位素為半導體應用所關注，片可由已移除10B同位素的同位素分離硼(isotopically separated boron)所製成。其他可能的摻雜材料包括(但不限於)砷、磷、鋁、銦、銻、以及各種合金、與包含這些元素的化合物。因此，形成窗遮蔽與室襯層的特定材料將大致上根據RF離子源10中所要的摻雜離子物種而定。可預期的是，窗遮蔽18與室襯層20(且特別是窗遮蔽18)可經燒結(sinterized)以提供改善的介電性質，而允許RF功率穿過窗遮蔽18與室襯層20之實質上無阻的傳輸(即，從RF天線14至電漿室12中)。遮蔽18與襯層20各自的厚度為介於約1毫米至約5毫米，但並非關鍵。可預期的是，遮蔽18或襯層20可在不背離本揭露的情況下製成較薄或較厚。更可預期的是，可將遮蔽18與襯層20形成為單一的、連續的主體(body)，而非將遮蔽18與襯層20形成為分離的組件。
窗遮蔽18可配置於RF窗16的下方，且與RF窗16呈平行的關係，窗遮蔽18介於RF窗與電漿室12的內部之間。舉例來說，窗遮蔽18可座落於肩部24的面向上的表面上方，所述肩部24形成在電漿室12的側壁13~19的內表面中。窗遮蔽18可與RF窗16以0至5毫米的垂直距離分隔。可預期的是，窗遮蔽18可平坦地緊靠(且可黏著或直接緊固於)RF窗16的底表面。窗遮蔽18可實質上覆蓋RF窗16之暴露於電漿室12的內部的整個 底表面，除了一系列之穿過遮蔽18所形成的狹縫(slot)26之外(將進一步描述如下)。
室襯層20可由摻雜材料(如上述)的片所形成，所述片經軋製(rolled)及/或折疊或燒結(sintered)以產生一個襯套(sleeve)，所述襯套的橫截面尺寸與形狀實質上與電漿室12的內表面的橫截面的尺寸與形狀相同。襯層20可因此配置在電漿室12中，緊臨與實質上覆蓋電漿室12的整個內表面，且可用黏著劑或機械緊固件將襯層20固定至電漿室12的內表面。或者，可預期的是，室襯層20可實質上覆蓋少於整個電漿室12的內表面。更可預期的是，可從RF離子源10完全省略室襯層20。
RF天線14可配置於RF窗16的上方，以提供與電漿室12中進料氣體的有效的RF能量耦合。RF天線14可以是本領域具有通常知識者熟習的平坦螺旋種類。然而，將理解到，RF天線14的特定的形狀、尺寸與配置可在不背離本揭露的前提下而改變。當進料氣體透過入口(inlet port)23而供應至電漿室12內時，RF天線14透過RF窗16以供應RF功率至室，來分解與離子化進料氣體中的含摻雜分子，且藉此製造所要的離子物種。在一些實施例中，進料氣體可以是(或可包括或包含)氫氣、氦氣、氧氣、氮氣、砷、硼、磷、鋁、銦、銻、碳硼烷(carborane)、烷烴、或其他p型或n型摻雜。接著，自電漿室12提取所產生的摻雜離子出，以形成導向基板(未繪示)的離子束。
在RF離子源10的正常操作期間，電漿是如上述的透過 一般傳統方式電感耦合而產生。然而，窗遮蔽18經歷原本應由RF窗16所承受(如在沒有窗遮蔽18的情況下)的重離子轟擊。由於此種轟擊被遮蔽，RF窗16受到相對於傳統離子源配置而言顯著的較少的蝕刻，而因此釋放較少雜質原子至電漿室12中。因此，電漿室12製造較少雜質離子，且自電漿室12發射出的離子束也包含較少雜質離子。同時，由窗遮蔽18承受的離子轟擊會從遮蔽18釋放額外的摻雜原子至電漿室12中。室襯層20也承受離子轟擊(雖然是在比窗遮蔽18低能量的情況)，藉此貢獻額外量的摻雜原子至電漿室12。電漿室12中的摻雜離子產量藉此提升，且產生較富摻雜的(dopant-rich)離子束。因此，相對於傳統離子源，在給定程度的RF功率下，達到較大離子密度與純度，藉此減少須透過質譜儀與相關束線組件的束分析(beam analyzation)與過濾的需求。
請參照圖4呈現的實驗結果，其展示由硼所形成的窗遮蔽對於硼離子與氬離子(分別標記為B+與Ar+)的濺鍍產率，可見當以約100eV的硼離子轟擊時，硼的濺鍍產率約為0.1。在RF電漿源中所使用的低壓下，且給定相對高的RF驅動頻率，可預期大量的濺鍍硼原子(sputtered atomic boron)。由於電漿室中缺乏游離能(ionization potential)較低的原子物種(即，在無硼窗遮蔽下，除了硼之外的原子物種被從RF窗濺鍍出)，因此在如上述的給定特定輸入功率(input power)之下，較大的硼離子產量為所預期的。此外，雖然撞擊硼室襯層的離子的能量受限於電漿電 位(假定在硼室襯層為可導電的溫度下的恆定狀態(steady state)操作)，襯層的濺鍍產率在約20eV至40eV時仍為約0.05。
請再次參照圖3，一系列的狹縫或孔隙26可形成在窗遮蔽18中，以促進RF功率在RF離子源10的操作期間暢通的傳輸至電漿室12中。特別的是，已發現當一些摻雜材料的溫度增加時(例如在電漿室12中的電漿存在時可發生)，材料可成為導電的(electrically conductive)，這對於RF功率傳輸至電漿室12中的工作氣體有不利影響。舉例來說，硼展現此種特性。然而，若形成在窗遮蔽18中的狹縫26的方位垂直於天線引線(antenna lead)，且窗遮蔽18接地(grounded)，則遮蔽18將做為法拉第屏蔽(Faraday shield)，且將允許由RF天線14中的電流所產生的隨著時間變化的磁場的傳播，同時透過導電遮蔽18中的渦流(eddy current)以減低RF功率的損耗。雖然圖3中的窗遮蔽18繪示為具有六個狹縫26，可預期的是，可提供較多或較少數目的狹縫26。更可預期的是，可從窗遮蔽18完全省略狹縫26。
綜上所述，本揭露所發明的RF離子源10提供一種簡單、經濟有效的裝置，藉此可在不使用分析磁鐵(analyzing magnet)與其他複雜、昂貴的束線組件的情形下，可最少化離子束中雜質離子的量。此外，本揭露的RF離子源10同時增加離子束中所要的摻雜離子的量。
如本文所用，以單數敘述的、與前方具有「一」的單詞的元素或步驟，應被理解為不排除複數個元素或步驟，除非特別 指出此排除。此外，本發明的「一個實施例」的引用，並不意圖被詮釋為排除亦包含所述特徵的額外實施例。
雖然本文已敘述揭露的特定實施例，並不意圖本揭露受限於此，而意圖為本揭露的範疇如本領域所允許的盡可能地廣，而亦應以相同道理解讀說明書。因此，以上所述不應被詮釋為限制性的，而僅是特定實施例的示例性實例。本領域具有通常知識者可在本文所附申請專利範圍的範疇與精神中設想其他的修改。

Claims (15)

  1. 一種離子源，包括：射頻窗；電漿室，配置於所述射頻窗的第一側上；射頻天線，配置於所述射頻窗的第二側上，所述第二側與所述第一側相對；以及窗遮蔽，配置於所述射頻窗的所述第一側與所述電漿室之間，所述窗遮蔽具有形成穿過所述窗遮蔽的至少一個孔隙，所述窗遮蔽經配置以承受來自所述電漿室中的電漿的離子轟擊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述電漿室經配置以產生包含進料氣體之物種的所述電漿，其中所述窗遮蔽是由包含於所述進料氣體中的至少部份的元素所組成的材料來形成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的離子源，其中所述元素是選自由硼、砷、磷、鋁、銦、銻所組成的群組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述窗遮蔽實質上為平面的且實質上與所述射頻窗平行。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述窗遮蔽以介於0毫米至5毫米的距離與所述射頻窗隔開。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述窗遮蔽平坦地緊靠所述射頻窗。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述至少一個 孔隙包括多數個彼此分隔的狹縫，每個狹縫由配置於其間的所述窗遮蔽的部分所定義。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的離子源，其中所述狹縫沿著與所述射頻天線的引線實質上垂直的方向延伸。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述射頻天線為平坦螺旋天線。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，更包括室襯層，所述室襯層配置於鄰接所述電漿室的側壁的內表面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的離子源，其中所述室襯層經配置以承受來自所述電漿室中的所述電漿的離子轟擊。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的離子源，其中所述電漿室經配置以產生包含進料氣體之物種的所述電漿，其中所述室襯層是由包含於所述進料氣體中的至少部份的元素所組成的材料來形成。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的離子源，其中所述元素是選自由硼、砷、磷、鋁、銦及銻所組成的群組。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的離子源，其中所述室襯層固定至所述側壁。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的離子源，其中所述室襯層與所述窗遮蔽實質上垂直。
TW102135461A 2012-10-09 2013-10-01 具有摻雜材料遮蔽之電感性耦合電漿離子源 TW201419361A (zh)

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