TW202006801A - 半導體處理系統與將離子植入到工件中及處理工件及刻蝕工件及在工件上沉積材料的方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種具有輔助電漿源的系統，所述輔助電漿源靠近工件設置、與離子束一起使用。輔助電漿源用於產生離子及自由基，所述離子及自由基朝工件漂移且可形成膜。接著，離子束用於提供能量，使得所述離子及自由基可處理工件。此外，還公開所述系統的各種應用。舉例來說，所述系統可用於包括沉積、植入、刻蝕、預處理及後處理在內的各種工藝。通過將輔助電漿源定位成接近工件，可執行先前不可能實現的工藝。此外，可在不從終端站取出工件的情況下執行兩種不同的工藝，例如清潔與植入或植入與鈍化。

Description

進線表面工程源之使用方法與系統

本說明書的實施例涉及使用進線（inline）表面工程源的半導體處理系統及方法，且更具體來說，涉及靠近工件而使用連同離子束一起使用的離子與自由基源。

本申請主張在2018年6月22日提出申請的美國專利申請第16/015,323號的優先權，所述美國專利申請的公開內容全部並入本文中供參考。

半導體裝置的製作涉及多個離散且複雜的工藝。一種這樣的工藝可為將摻雜劑材料植入到工件中的植入工藝。另一種工藝可為在工件上沉積材料的沉積工藝。又一種工藝可為其中從工件移除材料的刻蝕工藝。

為沿著所期望路徑引導離子，使用具有多個組件（例如電極、質量分析儀、四極透鏡及加速/減速台）的束線系統。與光學器件系統非常相似，束線系統通過使離子的路徑彎曲及對離子進行聚焦來操縱離子。

在一些實施例中，產生帶狀離子束（ribbon ion beam）。帶狀離子束是寬度比高度大得多的離子束。換句話說，帶狀離子束的高寬比（其被定義為在工件處測量的帶狀離子束的寬度除以高度）可為非常高的，例如大於20。在一些實施例中，帶狀束的寬度比正被處理的工件的直徑寬。

多年來，離子植入機已成為高度複雜的工具，其並入了對能量過濾器、准直器、掃描系統的使用且最近並入了對分子離子源、低及高植入溫度能力的使用。隨著存儲器及邏輯架構繼續縮放並且例如閘極全環（Gate-all-around）等複雜結構成為可能，越來越期望類似於離子植入來控制及修改近表面工藝。這些近表面工藝可包括原生氧化物清潔、表面鈍化、降低缺陷率的新生損壞工程技術、束線的從表面漸變型分佈到傳統的典型倒退型分佈、以及離子束本身是表面上反應的催化劑的選擇性處理。

因此，如果存在一種靠近工件形成進線表面工程源以連同離子束一起來對工件執行近表面工藝的半導體處理系統及方法，則將為有益的。

本說明書公開一種具有輔助電漿源的系統，所述輔助電漿源靠近工件設置、與離子束一起使用。輔助電漿源用於產生離子及自由基，所述離子及自由基朝工件漂移且可形成膜。接著，離子束用於提供能量，使得所述離子及自由基可處理工件。此外，還公開所述系統的各種應用。舉例來說，所述系統可用於包括沉積、植入、刻蝕、預處理及後處理在內的各種工藝。通過將輔助電漿源定位成接近工件，可執行先前不可能實現的工藝。此外，可在不從終端站取出工件的情況下執行兩種不同的工藝，例如清潔與植入或植入與鈍化。

根據一個實施例，公開一種半導體處理系統。所述半導體處理系統包括：離子源，用以產生離子束；以及輔助電漿源，靠近工件而設置，所述輔助電漿源具有出射開孔，所述出射開孔被定向成朝所述工件發射離子及自由基。在一些實施例中，所述離子源是束線植入系統的組件。在某些實施例中，所述輔助電漿源包括外殼、設置在所述外殼內的天線及與所述天線通信的射頻（radio frequency，RF）電源。在其他實施例中，所述輔助電漿源包括外殼，設置在所述外殼以外且靠近所述外殼的壁的天線、以及與所述天線通信的RF電源。在某些實施例中，所述出射開孔被定向成使得所述自由基及離子朝所述工件的其中所述離子束衝擊所述工件的位置處被引導。在其他實施例中，所述出射開孔被定向成使得所述自由基及離子沿與所述離子束平行的方向朝所述工件被引導。在某些實施例中，所述輔助電漿源被施加偏壓成使得所述離子被吸引到所述工件。在一些實施例中，所述系統包括其中設置所述工件的終端站，其中所述輔助電漿源設置在所述終端站中。在一些實施例中，所述終端站中設置有加熱器。在某些實施例中，所述終端站中設置有與所述輔助電漿源分開的電漿泛射式電子槍。

根據另一實施例，公開一種將所期望物種的離子植入到工件中的方法。所述方法包括：使用包括所述所期望物種的氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源位於靠近所述工件處，且其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源出射並朝所述工件行進；以及使用離子束將來自所述輔助電漿源的所述離子及自由基敲入到所述工件中，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生。在一些實施例中，所述離子束包括惰性物種。在某些實施例中，來自所述電漿的所述離子及自由基是朝所述工件的其中所述離子束衝擊所述工件的位置處被引導。在一些實施例中，所述離子及自由基在所述工件的表面上其中所述離子束衝擊所述工件的所述位置處形成膜。在某些實施例中，所述所期望物種包括含有族III元素、族IV元素或族V元素的分子。

根據另一實施例，公開一種處理工件的方法。所述方法包括：使用包括刻蝕物種的氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源靠近所述工件位於終端站中，其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源出射且與所述工件的表面上的原生氧化物層反應；在所述反應之後將所述工件加熱，其中熱量使所述工件上的所述原生氧化物層昇華；以及使用離子束對所述工件執行額外工藝，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生，其中所述工件保持位於所述終端站中。在某些實施例中，所述刻蝕物種選自由氨及NF3組成的群組。在一些實施例中，對所述工件進行掃描，使得所述工件的一部分暴露於所述電漿且隨後接著暴露於熱量。在一些實施例中，重複所述產生及加熱，直到所述工件的所述表面被清潔為止。

根據另一實施例，公開一種刻蝕工件的方法。所述方法包括：使用包括刻蝕物種的氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源位於靠近所述工件處，且其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源朝所述工件的一部分出射並在所述工件的所述一部分上形成膜；以及使用離子束來提供能量以刻蝕所述工件，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生。在某些實施例中，所述刻蝕物種包括鹵素。在一些實施例中，所述刻蝕物種包括CF₄ 及氧。在某些實施例中，所述刻蝕物種包括氫，且原生氧化物層被刻蝕。在一些實施例中，所述離子束包括惰性氣體。在某些實施例中，所述離子束是在所述膜正產生的同時被引導到所述工件的所述一部分。在某些實施例中，所述離子束是在所述膜已產生之後被引導到所述工件的所述一部分。

根據另一些實施例，公開一種在工件上沉積材料的方法。所述方法包括：使用加工氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源位於靠近所述工件處，且其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源朝所述工件的一部分出射並在所述工件的所述一部分上形成膜；以及使用離子束來提供能量以在所述工件上沉積所述材料，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生。在某些實施例中，所述加工氣體包括CH4，且所述離子束包括族IV元素。在一些實施例中，產生比僅使用所述離子束將產生的分佈更為盒狀的分佈(box-like profile)。

根據另一實施例，公開一種處理工件的方法。所述方法包括：使用離子束將離子朝工件引導；使用加工氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源靠近所述工件位於終端站中，其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源出射並與所述工件的表面反應；以及在所述反應之後將所述工件加熱，其中熱量修復由所述離子束在所述工件的所述表面上引起的損壞。在某些實施例中，所述離子束用於將離子植入到所述工件中。在某些實施例中，對所述工件進行掃描，使得所述工件的一部分暴露於所述電漿且隨後接著暴露於熱量。在一些實施例中，所述工件被加熱到介於100℃與500℃之間的溫度。在某些實施例中，所述加工氣體包括氫/氮混合物。在一些實施例中，整個所述工件在所述產生及加熱之前由所述離子束處理。在某些實施例中，所述工件的一部分由所述離子束處理且同時第二部分與所述電漿反應。

圖1示出根據一個實施例可與進線表面工程源一起使用的束線離子植入系統。所述束線離子植入系統可用於使用帶狀離子束來處理工件。

所述束線離子植入系統包括離子源100，離子源100包括界定離子源腔室的多個腔室壁。在某些實施例中，離子源100可為RF離子源。在此實施例中，RF天線可抵靠介電窗而設置。此介電窗可構成腔室壁中的一者的一部分或全部。RF天線可包含導電材料，例如銅。RF電源與RF天線進行電通信。RF電源可向RF天線供應RF電壓。由RF電源供應的電力可介於0.1kW與10kW之間，且可為任何適合的頻率，例如介於1MHz與100MHz之間。此外，由RF電源供應的電力可為脈衝式。

在另一實施例中，在離子源腔室內設置有陰極。絲極（filament）設置在陰極後面且被激勵以發射電子。這些電子被吸引到陰極，所述陰極又將電子發射到離子源腔室中。此陰極可被稱為間熱式陰極（indirectly heated cathode，IHC），因為所述陰極是通過從絲極發射出的電子被間接地加熱。

還可能存在其他實施例。舉例來說，可以不同的方式（例如通過伯納斯（Bernas）離子源、電容耦合電漿（capacitively coupled plasma，CCP）源、微波離子源或電子回旋共振（electron-cyclotron-resonance，ECR）離子源）生成電漿。生成電漿的方式並不受本說明書限制。

被稱為抽取板的一個腔室壁包括抽取開孔。所述抽取開孔可為抽取並朝工件10引導在離子源腔室中生成的離子1所經由的開口。工件10可為矽晶片，或者可為適用於半導體製造的另一晶片，例如GaAs、GaN或GaP。所述抽取開孔可為任何適合的形狀。在某些實施例中，所述抽取開孔可為橢圓形的或矩形的，所述橢圓形或矩形的被稱為寬度的一個維度（x維度）可比被稱為高度的第二維度（y維度）大得多。

在離子源100的抽取開孔之外且靠近所述抽取開孔處設置有抽取光學器件110。在某些實施例中，抽取光學器件110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。作為另外一種選擇，每一電極可由兩個導電組件構成，所述兩個導電組件間隔開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接地。在某些實施例中，可使用電極電源對電極中的一者或多者施加偏壓。電極電源可用於相對於離子源對電極中的一者或多者施加偏壓，以經由抽取開孔吸引離子。抽取開孔與抽取光學器件中的開孔對準，以使得離子1穿過這兩個開孔。

位於抽取光學器件110下游的可為第一四極透鏡120。第一四極透鏡120與系統中的其他四極透鏡協作，以將離子1聚焦成離子束。

位於第一四極透鏡120下游的是質量分析儀130。質量分析儀130使用磁場來導引所抽取離子1的路徑。所述磁場根據離子的質量及電荷而影響離子的飛行路徑。在質量分析儀130的輸出或遠端處設置有具有分辨開孔151的質量分辨裝置150。通過恰當地選擇磁場，僅那些具有所選質量及電荷的離子1將被引導穿過分辨開孔151。其他離子將射到質量分辨裝置150上或者質量分析儀130的壁上且在所述系統中將不再有任何行進。

在質量分析儀130的輸出與質量分辨裝置150之間可設置有第二四極透鏡140。

准直器180設置在質量分辨裝置150的下游。准直器180接受穿過分辨開孔151的離子1，並產生由多個平行的或幾乎平行的子束形成的帶狀離子束。質量分析儀130的輸出或遠端與准直器180的輸入或近端可隔開固定的距離。質量分辨裝置150設置在這兩個組件之間的空間中。

在質量分辨裝置150與准直器180的輸入之間可設置有第三四極透鏡160。在質量分辨裝置150與准直器180的輸入之間也可設置有第四四極透鏡170。

在某些實施例中，所述四極透鏡可設置在其他位置中。舉例來說，第三四極透鏡160可設置在第二四極透鏡140與質量分辨裝置150之間。另外，在某些實施例中，所述四極透鏡中的一者或多者可被省略。

位於准直器180下游的可為加速/減速台190。加速/減速台190可被稱為能量純度模塊（energy purity module）。所述能量純度模塊是被配置成獨立地對離子束的偏轉、減速及聚焦進行控制的束線透鏡組件。舉例來說，所述能量純度模塊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）。

離子1作為離子束191從加速/減速台190出射並進入終端站200。離子束191可為帶狀離子束。工件10設置在終端站200中。

因此，所述束線離子植入系統包括多個組件，終止於終端站200。如上所述，這些組件包括離子源100；抽取光學器件110；四極透鏡120、140、160、170；質量分析儀130；質量分辨裝置150；准直器180；以及加速/減速台190。應注意，束線離子植入系統中可不包括這些組件中的一者或多者。

此外，儘管以上公開內容闡述了寬度比高度大得多的帶狀離子束，然而還可存在其他實施例。舉例來說，掃描點束可進入終端站200。掃描點束是通常呈圓形狀的離子束，其被橫向掃描以產生與帶狀離子束相同的效果。

可使用控制器195來控制所述系統。控制器195具有處理單元及相關聯的存儲器裝置。此存儲器裝置含有指令，所述指令在由所述處理單元執行時使所述系統能夠執行本文中所述的功能。此存儲器裝置可為任何非暫時性存儲媒體，包括非易失性存儲器，例如快閃只讀存儲器（flash read only memory，FLASHROM）、電擦除只讀存儲器或其他適合的裝置。在其他實施例中，所述存儲器裝置可為易失性存儲器，例如隨機存取存儲器（random access memory，RAM）或動態隨機存取存儲器（dynamic random access memory，DRAM）。在某些實施例中，控制器195可為通用計算機、嵌入式處理器或經專門設計的微控制器。控制器195的實際實施方案並不受本說明書限制。

圖2示出根據一個實施例的終端站200。如上所述，工件10設置在終端站200中。離子束191進入終端站200且朝工件10被引導。工件10可由壓板210固持。壓板210可能夠圍繞與壓板210的前表面垂直的軸旋轉。壓板210還可能夠圍繞與壓板210的前表面平行的軸211旋轉。另外，壓板210可能夠沿著方向212進行線性運動。當然，壓板210也可不具有所有這些能力。

在終端站200中且靠近離子束191可設置有電漿泛射式電子槍220。電漿泛射式電子槍220用於發射低能量電子，以減少空間電荷爆發（blowup）且使工件10中和。特別注意的是，電漿泛射式電子槍220僅用於從由稀有氣體或非反應性（non-reactive）氣體形成的電漿而非其他電漿物種（例如由分子離解得到的原子自由基或分子自由基）以電子的形式發射淨負電荷通量。換句話說，電漿泛射式電子槍220使用惰性氣體（例如氙）來發射電子。電漿泛射式電子槍220並非旨在改變工件10的性質。

在一個實施例中，電漿泛射式電子槍220可包括電漿腔室221，電漿腔室221具有實質上無金屬內表面。在電漿腔室221內可設置有射頻線圈222，以用於直接激發圍封在腔室中的氣體，因此產生並維持所期望電漿。電漿腔室221可在一側上具有長形出射開孔223，電漿可經由長形出射開孔223流出電漿腔室221並與離子束191的離子結合。圍繞電漿腔室221可設置有一系列磁體224，以圍阻及控制在電漿腔室221中產生的電漿。具體來說，磁體224可定位在電漿腔室221的壁以外，且磁體224各自的磁場延伸穿過電漿腔室221的壁。

更具體來說，電漿腔室221的內部部分可由例如石墨或碳化矽（SiC）等非金屬導電材料製成。在電漿腔室221的側壁中可設置有饋通氣體管，可經由所述饋通氣體管將一種或多種氣態物質供應到電漿腔室221。所述氣態物質可包括例如氙（Xe）、氬（Ar）或氪（Kr）等惰性氣體。氣體壓力通常維持在1毫托至50毫托的範圍中。

射頻線圈222可具有大體上穿過電漿腔室221的中心延伸的長形形狀。射頻線圈222的一端可連接到RF電源，所述RF電源可以電感方式耦合電漿腔室221中的RF電力。RF電力可以典型的頻率（例如2MHz、13.56MHz及27.12MHz）運行。射頻線圈222可完全圍封在電漿腔室221內。在電漿腔室的側壁中，出射開孔223被定位成容許所生成的電漿流動以接觸離子束191。對於帶狀離子束，出射開孔223可覆蓋實質上帶寬度。

根據一個實施例，可期望使來自電漿泛射式電子槍220的電漿與恰好在電漿腔室221以外經過的離子束191形成電漿橋。如前面所述，電漿腔室221可包括一系列磁體224（例如永久磁體或電磁體），所述一系列磁體224被佈置成圍阻及控制在電漿腔室221內產生的電漿。這些磁體224的特性也可被佈置成在電漿經由出射開孔223從電漿腔室221出射時控制電漿的特性。

在其他實施例中，電漿泛射式電子槍220可為伯納斯型離子源，其中使用絲極來產生熱離子發射。將例如氬等氣體引入到電漿腔室中。使用所發射電子在電漿腔室內激發電漿。接著，經由出射開孔從電漿腔室抽取來自電漿的電子。

換句話說，可以各種方式來構造電漿泛射式電子槍220，且其實施方案不受本說明書限制。

因此，可通過磁場來局限來自電漿泛射式電子槍220的電子，以將所述電子的路徑朝離子束191引導。在某些實施例中，可不使用電漿泛射式電子槍220。

在終端站200內設置有輔助電漿源270。不同於電漿泛射式電子槍220，輔助電漿源270用於經由一個或多個出射開孔275向靠近工件10的區域中發射離子及/或自由基。眾所周知，自由基是具有未配對價電子的分子物種或原子物種。因此，自由基通常是高度反應性的。自由基通常是通過在輔助電漿源270中使較大分子離解而產生。在某些實施例中，輔助電漿源270設置在工件10的30cm之內，然而可存在其他實施例。儘管輔助電漿源270被示作圓柱形，然而應理解，此僅為說明性的且輔助電漿源270可為任何形狀。

在某些實施例中，在終端站200中也可設置有加熱器240。加熱器240可位於輔助電漿源270的附近，使得加熱器240及輔助電漿源270設置在離子束191的同一側上。加熱器240可為任何適合的裝置，包括熱燈、發光二極管（light emitting diode，LED）或電阻性加熱器。儘管圖2示出設置在離子束191與加熱器240之間的輔助電漿源270，然而還可存在其他配置。舉例來說，加熱器240可設置在離子束191與輔助電漿源270之間。在另一實施例中，加熱器240及輔助電漿源270可設置在離子束191的相對兩側上。

在圖3A中所示的一個實施例中，輔助電漿源270包括可為圓柱形的外殼231，然而還可存在其他形狀。外殼231可由鋁或某種其他適合的材料構造而成。在外殼231內具有可由保護罩233環繞的天線232。天線232可由導電材料（例如金屬）構造而成，且可為U形的。天線232塗布有保護罩233或在保護罩233內同軸，保護罩233可為陶瓷材料以保護天線232免受在輔助電漿源270內生成的電漿274影響。外殼231包括一個或多個出射開孔275，電漿274經由所述一個或多個出射開孔275從輔助電漿源270出射並進入終端站200。在操作中，將加工氣體引入到由外殼231界定的容積中。使用RF電源235來激勵天線232。此能量在輔助電漿源270內產生電漿274。接著，電漿274經由一個或多個出射開孔275從輔助電漿源270出射。

圖3B示出根據另一實施例的輔助電漿源270。在此實施例中，輔助電漿源270具有設置在外殼251以外的天線252。使用RF電源255來激勵天線252。舉例來說，靠近天線252的壁可為介電材料，使得來自天線252的能量穿過所述壁並進入由外殼251界定的容積中。加工氣體被引入到此容積中且在被激勵時產生電漿274。接著，電漿274經由一個或多個出射開孔275從輔助電漿源270出射。

可針對輔助電漿源270使用其他類型的裝置。舉例來說，可使用間熱式陰極（IHC）離子源。作為另外一種選擇，可使用伯納斯源。在另一實施例中，可使用電感耦合電漿（inductively coupled plasma，ICP）源或電容耦合電漿（CCP）源。因此，輔助電漿源270並非僅限於圖3A至圖3B中所示者。

在某些實施例（例如圖4A中所示的實施例）中，輔助電漿源270可被定向成使得一個或多個出射開孔275朝工件10的其中離子束191射到工件10上的位置處發射電漿274。這樣一來，離子束191與電漿274協作來處理工件10。舉例來說，電漿274中的離子及自由基可沉積在工件10上正暴露於離子束191的區域中。如參照圖2所述，視需要，終端站200可包括電漿泛射式電子槍220及/或加熱器240。

圖4B示出根據另一實施例的終端站200。在此實施例中，輔助電漿源270被定向成使得一個或多個出射開孔275正對工件10。這樣一來，由電漿274形成的流平行於離子束191。如參照圖2所述，視需要，終端站200可包括電漿泛射式電子槍220及/或加熱器240。

在圖4A至圖4B中所示的實施例中，可將加工氣體引入到輔助電漿源270中。例如通過使用RF電源來激勵天線。天線中的能量將輔助電漿源270內的加工氣體電離並形成電漿274。接著，此電漿274經由所述一個或多個出射開孔275朝工件10出射。在某些實施例中，在輔助電漿源270與工件10之間可存在電壓差。舉例來說，輔助電漿源270可被施加相比工件10正的偏壓。在一些實施例中，輔助電漿源270可被施加相比工件100V至5000V的正偏壓。在某些實施例中，輔助電漿源270可被施加相比工件10介於0V至500V之間的正偏壓。在此實施例中，輔助電漿源270內的正離子朝工件10被加速。作為另外一種選擇，輔助電漿源270可被施加相比工件10負的偏壓。在此實施例中，輔助電漿源270內的正離子在某種程度上由工件10排斥。在其他實施例中，輔助電漿源270可處於與工件10相同的電位，使得來自輔助電漿源270的離子與自由基通量僅漂移穿過所述一個或多個出射開孔275。

在圖4A中所示的實施例中，在壓板210沿著方向212向上移動時，工件10的一部分暴露於離子束191及來自輔助電漿源270的電漿274。在此暴露之後，工件10的所述部分可接下來由加熱器240加熱。

在圖4B中所示的實施例中，工件10首先由離子束191處理且接著在向上移動時由電漿274處理。在暴露於離子束191及電漿274之後，工件10可接著經受由加熱器240進行的熱處理。

在由離子束191及/或電漿274進行處理之後使用熱量可具有有益的應用。

應注意，可在圖4A至圖4B中所示的配置中採用任何類型的輔助電漿源。因此，對輔助電漿源270的類型及其定向的選擇是基於被執行的工藝及其他考慮而定的設計決策。

加工氣體到輔助電漿源270中的流率以及由天線施加的能量是從輔助電漿源270抽取的自由基及離子的數目的決定因素。在某些實施例中，為進行工藝控制，用惰性氣體來稀釋加工氣體以維持電漿或減少所期望物種的自由基及離子的數目。

儘管結合離子植入闡述了圖1，然而應理解，終端站200可與任何半導體處理系統一起使用。已闡述了具有源工程源的半導體處理系統，將闡述此種半導體處理系統的各種應用。

在一個實施例中，使用圖4A所示配置的圖1所示半導體處理系統可用於執行離子植入工藝。如上所述，圖4A所示終端站將來自輔助電漿源270的電漿274朝工件10的其中離子束191衝擊工件10的位置處引導。這樣一來，在與工件10的表面進行相互作用的同時，離子束191與電漿274之間也存在相互作用。

在此實施例中，期望將目標物種植入到工件10中。舉例來說，目標物種可為族III元素、族IV元素或族V元素。舉例來說，在一個實施例中，砷可為所期望物種。將所期望物種引入到輔助電漿源270中。可以含有目標物種的分子的形式來引入所期望物種。激勵此所期望物種以形成電漿274。如圖5中所示，電漿274朝工件10的其中離子束191衝擊工件10的位置附近擴散。來自電漿274的離子及自由基可被設置在工件10的表面上，例如以膜277的形式。例如氬、氙或氪等氣體被引入到離子源100（參見圖1）中且用於產生離子束191。在某些實施例中，所述氣體可為被界定為族VIII元素的惰性物種，例如氖、氬、氙或氪。離子束191與來自電漿274的靠近工件10或者已作為膜277沉積在工件10上的離子及自由基碰撞。這些碰撞將來自離子束191中的離子的大部分能量轉移到來自電漿274的離子及自由基。此使來自電漿274的離子及自由基獲取穿透工件10的表面所需的速度。因此，離子束191中的離子的能量被賦予來自電漿274的離子及自由基。這容許膜277中的離子及自由基被驅入到工件10中。在此實施例中，離子束191用於將來自電漿274的離子及自由基敲入。因此，不同於傳統的離子植入機，離子源100中的離子用於提供能量來驅入在終端站200中的輔助電漿源270中生成的離子及自由基。

因此，在此實施例中，離子束191用於提供能量，而輔助電漿源270用於供應所期望物種。儘管以上說明使用惰性氣體及砷，然而這些純粹為說明性的且本說明書並非僅限於此實施例。離子束191可由任何離子物種製成。在一些實施例中，可使用例如惰性元素或族IV元素等的某些物種，使得離子束不影響矽晶片的導電性。目標物種可為包括族III元素（例如硼及鎵）及族V元素（例如磷及砷）在內的任何所期望物種。在某些實施例中，族III元素及族V元素可與其他元素組合以形成分子，例如BF3、AsH3、PH3及其他分子。

在另一實施例中，可使用本文中所述的半導體處理系統來進行刻蝕工藝。具體來說，使用輔助電漿源270可容許靠近工件產生較具化學活性的自由基。在此種情形中，輔助電漿源270用於產生刻蝕化學品（例如族VII元素及含有這些元素的分子）的離子、自由基及亞穩中子。這些離子及亞穩中子從輔助電漿源270出射並朝工件10漂移。由於來自輔助電漿源270的離子具有低能量，因此這些離子沉積在工件10的表面處或附近。

在一個特定實施例中，將含鹵素氣體引入到輔助電漿源270中以生成離子。從輔助電漿源270出射的低能量離子及自由基可在工件10的表面上形成薄膜。利用由離子束191提供的能量，此薄膜與工件10反應以刻蝕工件10。在某些實施例中，離子束191可包括例如氬等惰性氣體。在一個實施例中，使用圖4A所示實施例，以便在形成膜的同時將離子束191朝工件10的部分引導。在另一實施例中，使用圖4B所示實施例，以便在膜已形成之後將離子束191朝工件10的部分引導。

在另一特定實施例中，在輔助電漿源270中將CF₄ 及氧進行電離及離解。使用包含惰性氣體（例如氬）的離子束191來刻蝕工件10的表面。

在又一特定實施例中，在工件10的表面上可能形成原生氧化物層。可通過在輔助電漿源270中將氫進行電離來刻蝕此原生氧化物層。使用包含惰性氣體（例如氬）的離子束來從工件10的表面刻蝕原生氧化物。

在另一實施例中，可使用圖1至圖4所示半導體處理系統來進行沉積。可在輔助電漿源270中將待沉積材料電離。所述材料可為摻雜劑，或者可為用作工件10的塗層的材料。來自所述材料的離子及自由基從輔助電漿源270出射並朝工件10漂移，其中所述離子及自由基沉積在工件10的表面上。

在一個特定實施例中，加工氣體可為CH4，而離子束191包括族IV元素，例如碳。這容許在工件10中實現更為盒狀的分佈。對比之下，單獨使用離子束191會產生倒退型分佈。

因此，在其中同時使用離子束191及輔助電漿源270的應用中，離子束191可用於執行兩種功能中的至少一種。

首先，離子束191可供應將來自輔助電漿源270的離子或自由基朝工件10並向工件10中驅動所需的能量。此種情況的一個實例是使用離子束191將來自電漿274的離子敲入到工件10中，如圖5中所示。

其次，離子束191可供應額外物種，以促進或引起工件10的表面處的化學反應。這可以數種方式來實現。首先，離子束191可弱化下層工件10的鍵，使得工件10的表面可與所沉積層反應。其次，離子束191可將所沉積層混雜到下層工件10中以進行更多反應。再次，離子束191可使由所沉積層及工件10製成的新形成化合物釋放或揮發。此新形成化合物的濺射良率可比單獨離子束191在工件10上的濺射良率高得多。舉例來說，在刻蝕工藝中，CF₄ 及氧自由基與工件10的表面上的氮化矽產生CF_x 聚合物型材料。所得的SiF_x C_y 化合物通過離子束191的能量而揮發。

在又一實施例中，可不同時使用輔助電漿源270與離子束191。舉例來說，工件10可先由這些源中的一者處理且在稍後時間接著由這些源中的另一者處理。

舉例來說，在一個實施例中，輔助電漿源用於提供對工件10的預處理。圖6中示出此工藝的流程圖。在此實施例中，由於離子束191在預處理期間不具活性，因此可使用圖4A或圖4B所示實施例。首先，如過程500中所示，禁止離子束191。將一種或多種刻蝕物種（例如氨（NH3）及NF3）引入到輔助電漿源270中，如過程510中所示。輔助電漿源270產生離子及其他自由基。這些離子及自由基從輔助電漿源270出射且朝工件10漂移，其中這些離子及自由基與工件10的氧化矽層反應，如過程520中所示。對工件10進行掃描，使得工件10的被暴露於離子及自由基的部分接著由加熱器240加熱，如過程530中所示。熱量起到使在工件10的表面上產生的反應後的氧化矽昇華的作用，如過程540中所示。重複此工藝，直到工件10的表面被清潔為止。此後，可通過離子束191使工件10經受另一工藝，如過程550中所示。有利地，在整個預處理及過程550中所示的第二工藝內，工件10均保持位於終端站200中。換句話說，工件10在預處理與第二工藝之間不離開終端站。

在另一實施例中，可在不在壓板210上設置工件10時執行以上所述的工藝。在此實施例中，此工藝可起到清潔壓板210的作用。

在另一實施例中，在對工件10的後處理中使用輔助電漿源270。舉例來說，可使用後處理來將工件10的表面鈍化或恢復由離子植入工藝引起的損壞。圖7中示出此種情況的流程圖。首先，如上所述，使用離子束191來處理工件10。接著，將加工氣體引入到輔助電漿源270中，如過程610中所示。加工氣體可包括氫/氮混合物。將來自輔助電漿源270的離子及自由基朝工件10的表面引導，如過程620中所示。在例如介於100℃至500℃之間的溫度下，將工件10掃描經過加熱器240，如過程630中所示。已表明，在降低的溫度下利用合成氣體，損壞恢復會奏效，且此被稱為電漿退火。通過使氫或氮的自由基與表面的懸空鍵反應而發生鈍化，如過程640中所示。

在一個實施例中，圖7中所示的後處理是在離子束191被禁止的同時執行。在另一實施例中，可使用圖4B中所示的實施例來執行後處理。具體來說，通過離子束191對工件10進行植入。在工件10沿方向212向上移動時，接著將被植入部分暴露於來自輔助電漿源270的加工氣體。此後，接著將所述被植入部分加熱。因此，在此實施例中，工件10通過離子束191被植入且在對工件10的單次掃描期間被進行後處理。換句話說，工件的一個部分暴露於離子束，而工件的與第一部分不同的第二部分暴露於電漿。

因此，本說明書闡述一種其中將離子與自由基源並入終端站200中的半導體處理系統。傳統上，作出巨大努力來確保不將離子或自由基引入終端站200中。具體來說，電漿泛射式電子槍220被設計成確保主要將電子發射到終端站200中。本半導體處理系統特意將離子及自由基引入到終端站200中。在某些實施例中，這些離子及自由基在使用離子束191的同時被引入，以執行原本不可能實現的應用。

儘管以上公開內容闡述了將輔助電漿源270與束線離子植入系統一起使用，然而還可存在其他實施例。舉例來說，圖8示出此種實例。在此圖中，半導體處理系統包括由多個腔室壁701構成的離子源腔室700。在某些實施例中，這些腔室壁701中的一者或多者可由例如石英等介電材料構造而成。在第一介電壁702的外表面上可設置有RF天線710。RF天線710可由RF電源720供電。遞送到RF天線710的能量在離子源腔室700內輻射，以將經由氣體入口730引入的饋送氣體電離。在其他實施例中，以不同的方式（例如通過使用間熱式陰極（IHC）、電容耦合電漿源、電感耦合電漿源、伯納斯源或任何其他電漿生成器）將氣體電離。

被稱為抽取板740的一個腔室壁包括抽取開孔745，離子可經由抽取開孔745從離子源腔室700出射。抽取板740可由導電材料（例如鈦、鉭或另一金屬）構造而成。抽取板740的寬度可超過300毫米。此外，抽取開孔745可比工件10的直徑寬。在某些實施例中，在抽取開孔745以外可設置有抽取光學器件750（例如電極），以使在離子源腔室700內生成的離子朝工件10加速。

在離子源腔室700以外靠近抽取開孔745設置有壓板760。工件10設置在壓板760上。

在某些實施例中，輔助電漿源270可如參照圖3A所述。在其他實施例中，輔助電漿源270可如參照圖3B所述。此外，輔助電漿源270的出射開孔275可如圖4A或圖4B中所示那樣被定向。

在某些實施例中，可利用電漿泛射式電子槍220。電漿泛射式電子槍220如上所述那樣發揮作用。

可使用圖8中所示的配置來執行本文中所述的所有工藝。

本文中所述的半導體處理系統及方法具有許多優點。

在使用敲入進行植入的情形中，植入的深度可受更嚴格控制。此外，當植入例如AsH3等分子時，可使用敲入來更好地控制氫離子的深度。存在與利用敲入相關聯的額外益處。首先，因所沉積膜吸收能量，從所植入離子發生的離散（straggle）可減少。這有益於其中橫向離散可在柵極下方引起短溝效應的例如源極/漏極延伸（source/drain extension）等應用。其次，所得的摻雜劑分佈變為表面峰值型，這將產生表面峰值型載流子濃度。這有益於例如觸點等應用，其中通過矽化物工藝而消耗近表面且期望在此區域中具有低接觸電阻。再次，迫近的離子可將所沉積膜濺射到鄰近的鰭結構，從而改善鰭的側壁摻雜。

在刻蝕的情形中，使用輔助電漿源270會容許在與後一工藝的執行相同的終端站中移除原生氧化物層。此種配置在刻蝕及沉積應用中的額外益處是能夠通過連續的工藝在維持低能量的同時處理或產生較厚膜。低能量可為有用的，以便防止非期望的濺射或對下層造成非期望的損壞。

在連續操作的情形中，在終端站中使用輔助電漿源270會消除對在預處理清潔工藝之後輸送工件的需要。這也減少清潔與工藝（即，沉積、植入、刻蝕）之間的時間量。舉例來說，如果應用對原生氧化物層敏感，則減少清潔工件表面與使工件經受所期望工藝之間的時間會將原生氧化物層的再生長降至最低程度。

本說明書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附圖，對所屬領域中的一般技術人員來說，除本文所述實施例及潤飾以外，本說明書的其他各種實施例及對本說明書的各種潤飾也將顯而易見。因此，這些其他實施例及潤飾都旨在落於本說明書的範圍內。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說明書，然而所屬領域中的一般技術人員將認識到，本說明書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說明書。因此，應考慮到本文所述本說明書的全部範圍及精神來理解以下提出的權利要求書。

1‧‧‧離子 10‧‧‧工件 100‧‧‧離子源 110、750‧‧‧抽取光學器件 120‧‧‧第一四極透鏡 130‧‧‧質量分析儀 140‧‧‧第二四極透鏡 150‧‧‧質量分辨裝置 151‧‧‧分辨開孔 160‧‧‧第三四極透鏡 170‧‧‧第四四極透鏡 180‧‧‧准直器 190‧‧‧加速/減速台 191‧‧‧離子束 195‧‧‧控制器 200‧‧‧終端站 210、760‧‧‧壓板 211‧‧‧軸 212‧‧‧方向 220‧‧‧電漿泛射式電子槍 221‧‧‧電漿腔室 222‧‧‧射頻線圈 223‧‧‧出射開孔 224‧‧‧磁體 231、251‧‧‧外殼 232、252‧‧‧天線 233‧‧‧保護罩 235、255、720‧‧‧RF電源 240‧‧‧加熱器 270‧‧‧輔助電漿源 274‧‧‧電漿 275‧‧‧出射開孔 277‧‧‧膜 500、510、520、530、540、550、600、610、620、630、640‧‧‧過程 700‧‧‧離子源腔室 701‧‧‧腔室壁 702‧‧‧第一介電壁 710‧‧‧RF天線 730‧‧‧氣體入口 740‧‧‧抽取板 745‧‧‧抽取開孔

為更好地理解本說明書，參照並入本文中供參考的附圖，附圖中： 圖1是根據一個實施例可與進線表面工程源一起使用的用於產生帶狀離子束的束線植入系統的代表性視圖。 圖2示出根據一個實施例的圖1所示終端站。 圖3A示出根據一個實施例的圖2所示輔助電漿源。 圖3B示出根據另一實施例的圖2所示輔助電漿源。 圖4A示出根據一個實施例的圖2所示終端站的配置。 圖4B示出根據另一實施例的圖2所示終端站的配置。 圖5示出使用圖4A所示終端站的離子植入。 圖6示出一種預處理工藝的代表性流程圖。 圖7示出一種後處理工藝的代表性流程圖。 圖8示出根據另一實施例使用進線表面工程源的半導體處理系統。

10‧‧‧工件

191‧‧‧離子束

200‧‧‧終端站

210‧‧‧壓板

211‧‧‧軸

212‧‧‧方向

220‧‧‧電漿泛射式電子槍

221‧‧‧電漿腔室

222‧‧‧射頻線圈

223‧‧‧出射開孔

224‧‧‧磁體

240‧‧‧加熱器

270‧‧‧輔助電漿源

275‧‧‧出射開孔

Claims (35)

1. 一種半導體處理系統，包括： 離子源，用以產生用於形成離子束的離子；以及 輔助電漿源，靠近工件而設置，所述輔助電漿源具有出射開孔，所述出射開孔被定向成朝所述工件發射離子及自由基。
2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理系統，其中所述離子源是束線植入系統的組件。
3. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理系統，其中所述輔助電漿源包括外殼、天線及與所述天線通信的射頻電源。
4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理系統，其中所述出射開孔被定向成使得所述自由基及離子朝所述工件的其中所述離子束衝擊所述工件的位置處被引導。
5. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理系統，其中所述出射開孔被定向成使得所述自由基及離子沿與所述離子束平行的方向朝所述工件被引導。
6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理系統，其中所述輔助電漿源被施加偏壓成使得所述離子被吸引到所述工件。
7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理系統，包括其中設置所述工件的終端站，其中所述輔助電漿源設置在所述終端站中。
8. 如申請專利範圍第7項所述的半導體處理系統，包括設置在所述終端站中的加熱器。
9. 如申請專利範圍第7項所述的半導體處理系統，包括電漿泛射式電子槍，所述電漿泛射式電子槍設置在所述終端站中且與所述輔助電漿源分開。
10. 一種將所期望物種的離子植入到工件中的方法，包括： 使用包括所述所期望物種的氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源位於靠近所述工件處，且其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源出射並朝所述工件行進；以及 使用離子束將來自所述輔助電漿源的所述離子及自由基敲入到所述工件中，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生。
11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述離子束包括惰性物種。
12. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中來自所述電漿的所述離子及自由基是朝所述工件的所述離子束衝擊所述工件的位置處被引導。
13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中所述離子及自由基在所述工件的表面上所述離子束衝擊所述工件的所述位置處形成膜。
14. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述所期望物種包括含有族III元素、族IV元素或族V元素的分子。
15. 一種處理工件的方法，包括： 使用包括刻蝕物種的氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源靠近所述工件位於終端站中，其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源出射且與所述工件的表面上的原生氧化物層反應； 在所述反應之後將所述工件加熱，其中熱量使所述工件上的所述原生氧化物層昇華；以及 使用離子束對所述工件執行額外工藝，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生，其中所述工件保持位於所述終端站中。
16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中所述刻蝕物種選自所述由氨及NF3組成的群組。
17. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中對所述工件進行掃描，使得所述工件的一部分暴露於所述電漿且隨後接著暴露於熱量。
18. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中重複所述產生及加熱，直到所述工件的所述表面被清潔為止。
19. 一種刻蝕工件的方法，包括： 使用包括刻蝕物種的氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源位於靠近所述工件處，且其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源朝所述工件的一部分出射並在所述工件的所述一部分上形成膜；以及 使用離子束來提供能量以刻蝕所述工件，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生。
20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中所述刻蝕物種包括鹵素。
21. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中所述刻蝕物種包括CF₄ 及氧。
22. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中所述刻蝕物種包括氫，且原生氧化物層被刻蝕。
23. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中所述離子束包括惰性氣體。
24. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中所述離子束是在所述膜正產生的同時被引導到所述工件的所述一部分。
25. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中所述離子束是在所述膜已產生之後被引導到所述工件的所述一部分。
26. 一種在工件上沉積材料的方法，包括： 使用加工氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源位於靠近所述工件處，且其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源朝所述工件的一部分出射並在所述工件的所述一部分上形成膜；以及 使用離子束來提供能量以在所述工件上沉積所述材料，所述離子束是使用與所述輔助電漿源不同的離子源而產生。
27. 如申請專利範圍第26項所述的方法，其中所述加工氣體包括CH4，且所述離子束包括族IV元素。
28. 如申請專利範圍第26項所述的方法，其中產生比僅使用所述離子束將產生的分佈更為盒狀的分佈。
29. 一種處理工件的方法，包括： 使用離子束將離子朝工件引導； 使用加工氣體在輔助電漿源內產生電漿，其中所述輔助電漿源靠近所述工件位於終端站中，其中來自所述電漿的離子及自由基從所述輔助電漿源出射並與所述工件的表面反應；以及 在所述反應之後將所述工件加熱，其中熱量修復由所述離子束在所述工件的所述表面上引起的損壞。
30. 如申請專利範圍第29項所述的方法，其中所述離子束用於將離子植入到所述工件中。
31. 如申請專利範圍第29項所述的方法，其中對所述工件進行掃描，使得所述工件的一部分暴露於所述電漿且隨後接著暴露於熱量。
32. 如申請專利範圍第29項所述的方法，其中所述工件被加熱到介於100℃與500℃之間的溫度。
33. 如申請專利範圍第29項所述的方法，其中所述加工氣體包括氫/氮混合物。
34. 如申請專利範圍第29項所述的方法，其中整個所述工件在所述產生及加熱之前由所述離子束處理。
35. 如申請專利範圍第29項所述的方法，其中所述工件的一部分由所述離子束處理且同時第二部分與所述電漿反應。

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