TWI720361B

TWI720361B - 將摻質植入工件中的方法

Info

Publication number: TWI720361B
Application number: TW107138901A
Authority: TW
Inventors: W. 奎夫約翰; 具本雄; A. 弗龍梯柔約翰; P.T. 貝特曼尼可拉斯; J. 米勒提摩西; M. 博斯爾維克拉姆
Original assignee: 美商瓦里安半導體設備公司
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2021-03-01
Also published as: WO2015009975A1; US10804075B2; CN105378896B; CN105378896A; US20170062182A1; TW201903815A; US20150024579A1; TW201807737A; US20190027341A1; US9524849B2; US10825653B2; KR20160033168A; JP6577947B2; TWI644339B; TW201511071A; KR101820421B1; TWI615881B; JP2016529704A

Abstract

一種將摻質植入工件中的方法，包括以下步驟：將第一源氣體與第二源氣體引入離子源的腔室中，所述第一源氣體包括包含摻質與氟化物的分子，其中所述摻質包括第三族元素或第五族元素，且所述第二源氣體包括包含氫與第四族元素的分子或包含含氫與具有相反電性作為所述摻質的物種的分子；在所述腔室中離子化所述第一源氣體與所述第二源氣體，其中塗層形成於介電窗上或所述腔室的內表面上；以及從所述腔室提取離子，且將所述離子加速朝向所述工件。

Description

將摻質植入工件中的方法

本揭露的實施例是關於一種改善離子植入系統中離子束品質的方法，且特別是關於一種改善硼離子束品質的方法。

半導體工件通常以摻質物種植入，來產生期望的電性。舉例來說，太陽能電池可以藉由植入摻質物種以產生射極區（emitter region）。這種植入可使用各種不同機制來完成。在一實施例中，使用一種離子源。這種離子源可包括腔室，其中源氣體在所述腔室中離子化。來自這些源氣體的離子可通過腔室中的孔隙，並使用一或多個電極來提取。這些提取的離子經引導朝向工件，其中這些離子被植入至工件中以形成太陽能電池。

為了改善製程效率及降低成本，在一些實施例中，提取自離子源的離子經加速而直接朝向工件，沒有經過任何質量分析。換句話說，離子源中產生的離子經加速而直接植入工件中。質量分析器是用於自離子束移除不期望的物種。將質量分析器移除，表示所有提取自離子源的離子將會植入工件中。因此，在離子源中也會產生不想要的離子並接著植入所述工件中。

這種現象在源氣體為鹵素類化合物（例如氟化物）時最為明顯的。氟離子與中性粒子（半穩態或激態）可能與離子源的內表面反應，釋放出不想要的離子，例如矽、氧、碳與鋁以及以雜質元素存在的重金屬。

因此，一種改善束品質（beam quality），特別是改善使用鹵素類源氣體的實施例的束品質的方法，將會是有益的。

揭露一種用於改善離子植入機中離子束品質的方法。在一些離子植入系統中，來自離子源的汙染物與期望的離子一同被提取，而引入汙染物至工件。這些污染物可以是離子源腔室中的雜質。當不進行提取的離子束的質量分析時，這個問題會變嚴重，而當期望的饋入氣體包括鹵素時，這個問題會變得更嚴重。將稀釋氣體引入離子源腔室中可減少腔室的內表面上的鹵素有害影響、減少提取的離子束中的汙染物。在一些實施例中，所述稀釋氣體可以是鍺烷或矽烷。

在一實施例中，揭露一種將摻質植入工件中的方法，包括：將第一源氣體與第二源氣體引入離子源的腔室中，所述第一源氣體包括包含摻質與氟化物的分子，其中所述摻質包括第三族元素或第五族元素，且所述第二源氣體包括包含氫與第四族元素的分子或包含含氫與具有相反電性作為所述摻質的物種的分子；在所述腔室中離子化所述第一源氣體與所述第二源氣體，其中塗層形成於介電窗上或所述腔室的內表面上；以及從所述腔室提取離子，且將所述離子加速朝向所述工件。

在另一實施例中，揭露一種將硼植入工件中的方法，包括：將第一源氣體與第二源氣體引入離子源的腔室中，所述第一源氣體包括包含硼與氟的分子，所述第二源氣體包括包含氫與第五族元素的分子；在所述腔室中離子化所述第一源氣體與所述第二源氣體，其中塗層形成於介電窗上或所述腔室的內表面上；以及從所述腔室提取離子，且將所述離子加速朝向所述工件。

在再一實施例中，揭露一種將硼植入工件中的方法，包括：將第一源氣體與第二源氣體引入離子源的腔室中，所述第一源氣體包括包含硼與氟的分子，所述第二源氣體包括包含氫與第四族元素的分子；在所述腔室中離子化所述第一源氣體與所述第二源氣體，其中塗層形成於介電窗上或所述腔室的內表面上；以及從所述腔室提取離子，且將所述離子加速朝向所述工件。

如上述，鹵素類物種（諸如氟化物）的離子化會造成粒子自離子源的內表面釋放而植入工件中。這些污染物可包括鋁、碳、氧、矽、氟類化合物以及其他不想要的物種（包括以雜質元素存在的重金屬）。一種對付由自由鹵素離子所造成的損害的方式可以是引入一第二源氣體。

圖1A至圖1C繪示各種實施例，其中可將第二源氣體引入離子源100的腔室105。在這些圖的每一個中，所述離子源100包括由數個壁107界定的腔室105，其可由石墨或其他合適的材料構成。這個腔室105可經由氣體入口110來供應一或多個儲存於源氣體容器170中的源氣體，這個源氣體可由射頻天線（RF天線）120或其他機制來激發。所述RF天線120與RF能源（未繪示）電連通（electrical communication），其供能至所述RF天線120。介電窗125，例如石英或氧化鋁窗，可配置於所述RF天線120與所述離子源100的內部之間。所述離子源100亦包括孔隙140，離子可通過所述孔隙140。施加一負壓至配置於所述孔隙140外側的提取抑制電極130，以自所述腔室105中通過所述孔隙140提取帶正電離子且朝向所述工件160。亦可使用接地電極150。在一些實施例中，所述孔隙140位於所述離子源100的含有所述介電窗125的一側的相對側。自所述腔室105提取的離子形成為離子束180，其經引導朝向所述工件160。如上述，在所述離子撞擊所述工件160之前，未使用質量分析器過濾所述離子。在一特定實施例中，於圖1A中繪示，所述第二源氣體可儲存在第二氣體容器175中，且通過第二氣體入口111引入所述腔室105。在另一實施例中，於圖1B中繪示，所述第二源氣體可儲存在第二氣體容器176中，且通過與第一源氣體使用的相同氣體入口110而引入所述腔室105。在又一實施例中，於圖1C中繪示，所述第二源氣體可與第一源氣體在單一氣體容器178中混合。此氣體混合物接著通過氣體入口110引入所述腔室105。

在這些實施例的任一者中，所述第一源氣體與第二源氣體可同時引入或相繼地引入所述腔室105。

所述第一源氣體，亦稱作饋入氣體，可包括例如硼的摻質與氟的組合，因此，所述饋入氣體可以是DF_n 或D_m F_n 的形式，其中D表示摻質原子，其可以是硼、鎵、磷、砷或其他第三族或第五族的元素。所述第二源氣體，亦稱作稀釋氣體，可以是具有XH_n 或X_m H_n 的化學式的分子，其中H是氫，X可以是摻質物種，例如以上描述的任何一種。或者，X亦可以是不影響所述工件160的電性的原子。舉例來說，若所述工件160包括矽，則X可以是第四族的元素，例如矽或鍺。

換句話說，所述饋入氣體可以是BF₃ 或B₂ F₄ ，而所述稀釋氣體可例如是PH₃ 、SiH₄ 、NH₃ 、GeH₄ 、B₂ H₆ 或AsH₃ 。所列出的是表示一些可用的可能物種。將理解到，其他饋入氣體物種及稀釋氣體物種亦是可能的。

藉由將所述饋入氣體與所述稀釋氣體結合，可減少氟離子的有害影響。舉例來說，在不限於任何特定理論的情況下，將氫引入可在所述介電窗125上產生膜或塗層。這可用於保護所述介電窗125，其減少了來自所述介電窗125的包含於提取的所述離子束180中的汙染物的量。此外，所述稀釋氣體可塗覆腔室壁107的內表面，其可為汙染物的另一來源。這個塗層可減少氟離子與所述腔室壁107的內表面之間的反應、減少所產生的汙染物的量。

將稀釋氣體引入可減少汙染物的產生，且減少離子束中包含的這些污染物。相反地，大量稀釋氣體的引入會消極地影響用於離子束中的摻質離子的產量。舉例來說，將過量稀釋氣體引入可能減少由離子源產生的摻質束電流。

未預料到的是，污染物的減少量已確定不會與增加的稀釋氣體濃度成比例。換句話說，若稀釋氣體的量增加超過特定臨界值（threshold）時，污染物電流對摻質電流的比例實際上會增加。這可能是由以下原因造成：在特定臨界值以上時，所述腔室壁107的內表面上的額外塗層提供很少或不會另外提供針對氟離子的防護。此外，高稀釋氣體百分比會改變電漿參數（例如高電漿電位），而由稀釋氣體離子導致所述腔室壁107額外濺鍍。所述腔室壁107的額外濺鍍可能造成汙染程度增加。因此，若摻質電流隨著稀釋氣體濃度為函數而下降，且污染物濃度維持定值或在特定臨界值之後增加，則離子束中污染物的百分比必然會增加。

圖2繪示稀釋氣體濃度對於摻質束電流及污染物比例（與離子束中的摻質相比）兩者的作用的代表圖。如上述，污染物可以是含有下述的離子物種：矽、氧、氫、鋁、碳、碳類化合物、氟、氟類化合物、或其他非摻質物種。

如圖2中可見，當不存在稀釋氣體時，由長條圖表示的摻質電流最大。隨著稀釋氣體（在本實例中為GeH₄ ）濃度增加，摻質電流幾乎線性的減小。雖然此圖繪示摻質電流與稀釋氣體濃度之間的特別關係，然而應注意到，這個關係對於使用的測試條件可以是特定的。舉例來說，電漿腔室中的不同的稀釋氣體、不同的射頻功率位準、或不同壓力（或流速）可造成不同結果。因此，這個長條圖意圖表示摻質電流與稀釋氣體濃度之間大致的趨勢。

線300繪示束雜質的量測，定義為與離子束中的摻質相比的汙染物的百分比，其中所述污染物可以是以上確認的一或多種污染物。如預測，束雜質隨著稀釋氣體濃度從0%增加到10%而降低。如上述，這可能是因為稀釋氣體中的氫的塗覆作用。稀釋氣體中的其他物種可影響塗覆作用是可能的。舉例來說，在GeH₄ 的情況下，氫分子是輕的，因此可快速輸出。然而，具有附加的氫的GeH₄ 是重分子（heavy molecule），因此可具有長傳輸時間及與腔室表面反應的高可能性而覆蓋這些表面。

然而，未預料到的是，束雜質會維持相對平穩直到稀釋氣體濃度到達約30%。換句話說，儘管引入更多稀釋氣體，汙染物的量相對於摻質的量仍維持相對定值。在從約5%至30%的整個範圍中，束雜質約少於1%。意外地，若稀釋氣體濃度增加約超過30%，則束雜質轉而劇烈增加，若氣體混合物中60%為稀釋氣體，則束雜質達到超過5%的程度。當稀釋氣體的濃度在約5%與30%之間時，束雜質可最少化。

圖1A至圖1C使用具有RF天線120與射頻電源的離子源，以產生必要的離子。然而，可了解到，可使用其他離子源。舉例來說，在一些實施例中，亦可使用利用熱以造成電子的熱離子發射（thermionic emission）的間接加熱陰極（indirectly heated cathode，IHC）。其它離子源亦是在本揭露的範疇中。

因此，可藉由使用兩種源氣體來產生具有減少的束雜質的提取的離子束180。第一源氣體，或是饋入氣體，可以是包含硼與氟兩者的物種，例如BF₃ 或B₂ F₄ 。第二源氣體，或是稀釋氣體，可以是包含氫及矽或鍺的物種，例如矽烷（SiH₄ ）或鍺烷（GeH₄ ）。同時或者相繼地將這兩種源氣體引入離子源100的腔室105中，在此處所述兩種源氣體離子化。離子源可使用由RF天線120產生的射頻能量。在其他實施例中，離子源可使用IHC來利用電子的熱離子發射。離子源亦可使用其他離子化氣體的方法。可引入這兩種源氣體，使得總氣體的5%至30%之間（以體積計）為稀釋氣體，而其餘為饋入氣體。藉由使用電極130、電極150經由孔隙140提取來自兩種源氣體的離子，且將所述離子加速朝向工件160，其中所述離子植入所述工件160中。如之前描述，這些離子不會經過質量分析，表示所有提取的離子皆植入所述工件160中。

在另個實例中，稀釋氣體可包括具有相反電性的摻質。舉例來說，第一源氣體（或饋入氣體），可以是包含硼與氟兩者的物種，例如BF₃ 或B₂ F₄ 。第二源氣體（或稀釋氣體），可以是包含氫及第五族元素（例如磷、氮或砷）的物種。

以上揭露討論在氣體總體積約5%至30%之間的稀釋氣體範圍。然而，在一些實施例中，這個範圍可以是不同的。舉例來說，在一些實施例中，稀釋氣體濃度可最多到10%，例如1至10%、2至10%、3至10%或5至10%。在另個實施例中，稀釋氣體濃度可最多到15%，例如1至15%、2至15%、3至15%、5至15%或7至15%。在另個實施例中，稀釋氣體濃度可最多到20%，例如2至20%、3至20%、5至20%、7至20%或10至20%。在另個實施例中，稀釋氣體濃度可最多到30%，例如3至30%、5至30%、7至30%、10至30%或15至30%。在另個實施例中，稀釋氣體濃度可最多到40%，例如3至40%、5至40%、7至40%、10至40%、15至40%或20至40%。在另個實施例中，稀釋氣體濃度可最多到50%，例如5至50%、7至50%、10至50%、15至50%、20至50%或25至50%。最後，在另個實施例中，稀釋氣體濃度可高達60%，例如5至60%、7至60%、10至60%、15至60%、20至60%、25至60%或30至60%。

本揭露並非由本文所述的特定實施例的範疇所限制。更確切地，本揭露的其他各種實施例以及修改加上本文所述的此些部分將從以上描述與隨附圖式而對本領域具有通常知識者而言為顯而易見。因此，這種其他實施例及修改意圖為落入本揭露的範疇中。此外，雖然本揭露已為特定目的在特定環境中的特定實施的上下文中描述於本文中，然而本領域具有通常知識者將辨識到，其用途並非限制於此，且本揭露可為任意多個目的在任意多個環境中有益地實施。因此，以下闡述的申請專利範圍應以本文所述的本揭露的全廣度及精神來詮釋。

100‧‧‧離子源105‧‧‧腔室107‧‧‧壁110、111‧‧‧氣體入口120‧‧‧RF天線125‧‧‧介電窗130、150‧‧‧電極140‧‧‧孔隙160‧‧‧工件170、175、176、178‧‧‧容器180‧‧‧離子束300‧‧‧線

為更佳了解本揭露，將參照援引併入本文中的附圖且其中：圖1A至圖1C繪示根據不同實施例的植入系統。圖2是以稀釋氣體的濃度作為函數的摻質電流（dopant current）與汙染程度（contaminant level）的代表圖。

300‧‧‧線

Claims

一種將摻質植入工件中的方法，包括：將第一源氣體與第二源氣體引入離子源的腔室中，所述第一源氣體包括包含摻質與氟化物的分子，其中所述摻質包括第三族元素或第五族元素，且所述第二源氣體包括包含氫與第四族元素的分子或包含氫與具有相反電性作為所述摻質的物種的分子；在所述腔室中離子化所述第一源氣體與所述第二源氣體，其中由所述第二源氣體的物種形成的塗層形成於介電窗上或所述腔室的內表面上；以及從所述腔室提取離子，且將所述離子加速朝向所述工件，其中所述離子源的所述腔室的壁由石墨構成。
如申請專利範圍第1項所述的將摻質植入工件中的方法，其中所述第二源氣體包括包含氫與第四族元素的分子。
如申請專利範圍第2項所述的將摻質植入工件中的方法，其中所述第四族元素包括矽或鍺。
如申請專利範圍第1項所述的將摻質植入工件中的方法，其中所述摻質包括第三族元素，且所述第二源氣體包括包含氫與第五族元素的分子。
如申請專利範圍第4項所述的將摻質植入工件中的方法，其中所述第三族元素包括硼。
如申請專利範圍第5項所述的將摻質植入工件中的方法，其中所述第五族元素包括磷或砷。
如申請專利範圍第1項所述的將摻質植入工件中的方法，其中所述摻質包括硼。
如申請專利範圍第1項所述的將摻質植入工件中的方法，其中引入的氣體的總體積的3%至40%包括所述第二源氣體。
如申請專利範圍第8項所述的將摻質植入工件中的方法，其中引入的氣體的總體積的3%至20%包括所述第二源氣體。
一種將硼植入工件中的方法，包括：將第一源氣體與第二源氣體引入離子源的腔室中，所述第一源氣體包括包含硼與氟的分子，所述第二源氣體包括包含氫與第五族元素的分子；在所述腔室中離子化所述第一源氣體與所述第二源氣體，其中由所述第二源氣體的物種形成的塗層形成於介電窗上或所述腔室的內表面上；以及從所述腔室提取離子，且將所述離子加速朝向所述工件，其中所述離子源的所述腔室的壁由石墨構成。
如申請專利範圍第10項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第一源氣體包括BF₃。
如申請專利範圍第10項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第一源氣體包括B₂F₄。
如申請專利範圍第10項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第二源氣體括PH₃。
如申請專利範圍第10項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第二源氣體括AsH₃。
如申請專利範圍第10項所述的將硼植入工件中的方法，其中引入的氣體的總體積的3%至40%包括所述第二源氣體。
一種將硼植入工件中的方法，包括：將第一源氣體與第二源氣體引入離子源的腔室中，所述第一源氣體包括包含硼與氟的分子，所述第二源氣體包括包含氫與第四族元素的分子；在所述腔室中離子化所述第一源氣體與所述第二源氣體，其中由所述第二源氣體的物種形成的塗層形成於介電窗上或所述腔室的內表面上；以及從所述腔室提取離子，且將所述離子加速朝向所述工件，其中所述離子源的所述腔室的壁由石墨構成。
如申請專利範圍第16項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第一源氣體包括BF₃。
如申請專利範圍第16項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第一源氣體包括B₂F₄。
如申請專利範圍第16項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第四族元素包括鍺。
如申請專利範圍第16項所述的將硼植入工件中的方法，其中所述第四族元素包括矽。
如申請專利範圍第16項所述的將硼植入工件中的方法，其中引入的氣體的總體積的3%至40%包括所述第二源氣體。