用于在碳注入期间延长离子源寿命和改善离子源性能的组合物的制作方法

用于在碳注入期间延长离子源寿命和改善离子源性能的组合物的制作方法
【专利摘要】提供了一种用于在碳注入期间延长离子源寿命和改善离子源性能的新型方法和系统。特别是，碳离子注入工艺包括利用包含一氧化碳和一种或更多种由式CxFy(其中x≥1且y≥1)表示的含有碳的含氟气体的掺杂物气体混合物。至少一种含有碳的含氟气体以基于掺杂物气体混合物的体积计约3-12体积百分比(vol%)包含在混合物中。氟离子、自由基或其组合由电离的掺杂物气体混合物释放并且沿着反射电极、提取电极和室的表面中的至少一个与基本上由碳衍生的沉积物反应以减少沉积物的总量。这样，单个掺杂物气体混合物能够提供碳离子并且移除和消除在碳注入期间典型地遇到的宽范围的成问题的沉积物。
【专利说明】用于在碳注入期间延长离子源寿命和改善离子源性能的组合物
发明领域
[0001]本发明涉及用于在碳注入期间延长离子源寿命和改善离子源性能的新型气体组合物。
[0002]发明背景
离子注入是半导体/微电子制造中的重要工艺。将离子注入工艺用于集成电路制造以将控制量的掺杂物离子引入至半导体晶片中。离子源用于为来自掺杂物气体的多种离子种类产生明确的离子束。掺杂物气体的电离产生离子种类，该离子种类随后可注入到给定工件中。
[0003]碳作为广泛使用的掺杂物在半导体工业中出现，用于多种材料改性应用如抑制共掺杂物扩散或增强所掺杂区域的稳定性。在这点上，二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)为用于碳注入的两种常用的掺杂物气体源。但是，C02和CO倾向于沉积物沿着离子室的表面蓄积。附加的沉积物可沿着离子源装置的电极的表面形成。沉积物可直接由掺杂物气体形成或由掺杂物气体和/或其电离产物与室组件的相互作用形成。
[0004]此类沉积物形成是成问题的。沿着离子注入系统的电极表面的沉积物产生对高能高压放电敏感的条件。电压放电导致束电流瞬间下降，通常称为“束故障(beamglitching) ”。提取孔上的沉积物使束均匀度降低，并由此降低掺杂区域中掺杂物水平的均匀度。如本领域通常已知离子源操作期间的束均匀度和束故障次数(即，故障率)可以是离子注入系统(如，例如带状束离子注入系统)性能的关键度量标准。
[0005]基于工艺灵敏度，可存在对故障率和/或束不均匀度的上阈限，超出该上阈限注入工艺不能以可接受的效率运行。在离子源性能下降超出上阈限的事件中，用户必须停止注入操作并且执行维护或替换离子源。这种停工期导致离子注入系统的生产率损失。因此，期望使离子源的正常运转维持延长的时间期间以便执行有效的注入工艺。
[0006]将要讨论的是，在本发明的其它优势中，在离子注入工艺期间使沉积物和束故障降至最低的改进的方法和系统是期望的。
[0007]发明概述
本发明部分涉及用于延长离子源寿命和改善离子源性能的组合物。已发现使用的掺杂物气体组合物对减少离子装置内的沉积物蓄积以及改善离子源性能的能力具有显著影响。
[0008]已发现，使用掺杂物气体混合物(其包含第一碳基种类的一氧化碳和第二碳基种类的有效量的由式CxFy表示并含有碳的含氟气体)，减少碳基沉积物且实际上消除碳注入工艺期间钨再生长和氧化物沉积物。因此，延长离子源寿命。另外，与常规离子注入工艺和系统相比，离子束的故障显著减少。产生的束电流维持在足够高的水平以实现电离的掺杂物气体以所需剂量的注入。
[0009]在第一方面，提供了气体组合物，其包含气体混合物，该气体混合物包含一氧化碳和一种或更多种由式CxFy (其中X >1且y > I)表示的含有碳的含氟气体，其中含有碳的含氟气体为基于气体混合物的体积计约1-20体积百分比(vol%)的有效量。[0010]在第二方面，提供了气体组合物，其包括第一碳基种类的一氧化碳和第二碳基种类的由式CxFy (其中X >1且7 ^ I)表不的含有碳的含氟气体。第一碳基种类和第二碳基种类各自以有效量被包含以电离所述第一碳基种类和所述第二碳基种类的至少一部分用于产生碳离子。[0011]有利地，可使用商业上可获得的系统组件构建本发明的系统，因此启动和简化系统的整体组装及其使用方法。可使用标准技术或设备进行离子注入工艺的方面。
[0012]附图简述
结合所附附图根据下文其优选实施方案的详细描述将更好地理解本发明的目的和优势，其中通篇类似的数字表示相同的特征件并且其中:
图1显示结合本发明原理的离子注入装置；
图2显示使用C02-基掺杂物气体混合物的电离试验的结果；及 图3显示使用CO掺杂物气体的电离试验的结果；
图4显示使用含有CO和10% CF4的掺杂物气体混合物的电离试验的结果；
图5显示在图1的离子装置内使用掺杂物气体CO的电离试验的结果；
图6a和6b显示在图1的离子装置内使用含有CO和5% CF4的掺杂物气体混合物的电离试验的结果；
图7a和7b显示在图1的离子装置内使用含有CO和10% CF4的掺杂物气体混合物的电离试验的结果；及
图8a和8b显示在图1的离子装置内使用含有CO和15% CF4的掺杂物气体混合物的电离试验的结果。
[0013]发明详述
如本文所用，所有浓度均表示为体积百分比。关于图1，显示了根据本发明原理的示例性离子注入装置100。图1中所述的离子源装置100具有各种组件，包括旁热式阴极(indirectly heated cathode) (IHC) 115,其充当掺杂物气体混合物的电离源。应理解，本领域已知的其它类型的离子源可用于本发明，包括例如Freeman源、Bernas源和RF等离子体源。图1的离子源装置100优选用于产生注入到半导体基底中的碳离子。如将要解释的是，与常规碳掺杂物注入系统相比，本发明通过显著减少装置100表面上的碳基和氧化物基沉积物的量使得离子源寿命延长。如本文所用，术语“碳基沉积物”包括元素碳、碳化钨和其它含有碳的沉积物。如本文所用，术语“氧化物基沉积物”包括各种离子室组件的氧化，如例如氧化钨(WOx)。进一步，本发明有利地消除元素钨(W)在装置100表面上的再生长。此外，与为碳离子注入所产生的常规离子束源相比，就束故障率降低和更多的均匀束电流而论改善离子源的整体性能。
[0014]参考图1，将掺杂物气体混合物102通过延伸经由弧形室壁111的气体进料线113引入离子源室112中。如本文所用，术语“掺杂物气体混合物”是指掺杂物气体混合物的种类中的每一种促进所需离子种类注入到给定工件中。在优选的实施方案中，掺杂物气体混合物102为包括两个碳基种类的碳掺杂物气体混合物。第一碳基种类是CO。第二碳基种类是含有碳的含氟气体。通过施加来自动力供应源(未显示)的预定电压以电阻式地加热位于IHC 115附近的灯丝114，使室112内的碳掺杂物气体混合物102经受电离。灯丝114相对于IHC 115可为负偏置的。绝缘体118以电气和热的方式隔离IHC 115与弧形室壁111。由灯丝114发射的电子向IHC 115加速以加热IHC115至其自身热电子发射温度。由阴极115发射的电子加速并向弧形室112行进以电离位于其内的碳掺杂物气体混合物102。碳掺杂物气体混合物102的经电离的气体分子产生等离子体环境。可提供反射电极116与IHC115完全相对地布置以限定等离子体环境并且控制室112内掺杂物气体混合物102的电离。碳掺杂物气体混合物102的电离引起氟作为氟阴离子、阳离子、自由基或其组合释放，其然后可通过侵蚀任何碳沉积物进行原位反应，所述碳沉积物可能已蓄积在壁111、灯丝114、抑制电极119、接地电极120和/或反射电极116的表面上。将此类沉积物转化成挥发性氟化碳，因此减少沿着各个表面的碳基沉积物的整体蓄积。此外，氟化物离子和自由基可同时与存在于气相中的碳离子和碳自由基再组合，并且由掺杂物气体混合物的电离形成。因此，防止在室112内的进一步碳基沉积。净结果为沿着离子源装置100的表面的碳基沉积物显著减少。
[0015]除上文提及的含有碳的含氟气体的清除效果之外，掺杂物气体混合物的种类中的每一种经电离产生形成所得碳离子束的一部分的碳离子。这样，与现有技术不同，本发明使用双重目的掺杂物气体混合物，其中掺杂物气体混合物的种类中的每一种提供用于注入的碳离子源，同时能够原位自动清洁沉积物并且防止特定类型的沉积(即，W再生长和氧化物基沉积物)。
[0016]碳离子以所需能量的碳离子束的形式从离子源室112提取。用于适宜提取的技术可通过横跨提取电极两端施加高压而进行，该提取电极由抑制电极119和接地电极120组成。如图1中所示，这些抑制电极119和接地电极120中的每一种分别具有与提取孔117对齐的孔以确保从弧形室112提取出的离子束121是明确的。所得离子束121可通过质谱分析仪/滤器运输以选择特定质量离子注入到工件中。然后可将离子束121运输到工件如半导体晶片的表面，以向其注入碳离子。束121的碳离子穿透半导体晶片的表面以形成具有所需电气和/或物理性质的某一深度的掺杂区域。
[0017] 申请人:已认识到优于C02的CO益处。CO种类的掺杂物气体混合物102在离子源室112环境中表现为还原气体。另一方面，C02表现为氧化气体，其趋于氧化钨室组件以形成WOx沉积物。通常在装置100的反射电极116、阴极电极115和/或提取总成(S卩，抑制电极119和接地电极120)的区域内发现这些WOx沉积物。WOx沉积物可具有导电性并且可引起电气短路以及离子源故障。为了进一步解决该问题，WOx沉积物在离子束线中产生颗粒。此外,W内衬或其它W组件上的WOx形成可使电气性质变差，由此需要较高电压以维持稳定的等离子体。
[0018]CO避免此类加工挑战。CO种类的还原性质产生在室112内的环境，这种环境不助于形成氧化物层沉积物以便消除沿着离子注入装置100的表面的任何氧化物层形成的检测。尽管相比于C02，CO中的氧含量的缺乏会减少WOx沉积物的蓄积，但是CO本身不是适用于碳离子注入的掺杂物气体源，因为形成大量的碳和碳化钨沉积物。尤其是，可由于CO的等离子体分解而形成C沉积物，然而WC沉积物可由于CO和其等离子体碎片产物与W室组件的相互作用而形成。
[0019]为了减少由单独CO引起的碳基沉积物， 申请人:鉴定CO与含有碳的含氟气体组合的掺杂物气体混合物表现得非常好以减少当使用单独CO时所观察到的碳沉积。在优选的实施方案中，含氟气体为不含氧的四氟化碳(CF4)。在可选的实施方案中，含氟气体可以为不含氧的氢氟碳。
[0020]在又一个实施方案中，预期也可使用与式CaFb(其中a≥2且b≥2)的高阶氟碳化合物混合的CO以形成掺杂物气体混合物。高阶氟碳化合物的适合的含氟气体的实例可包括但不限于C2F6' C2F4' C3F8和C4F8O
[0021]一氧化碳与含氟气体的组合由整个掺杂物气体混合物组成且特别排除附加的氧的并入，目的是消除氧化物层生长和保持更长的离子源寿命，较低的束故障率和均匀的束电流 。
[0022]进一步， 申请人:已证实，维持本发明的掺杂物气体混合物中含氟气体的浓度在较窄范围内以达到用于碳注入的所需性能是必要的。掺杂物气体混合物内含氟气体的浓度为基于掺杂物气体混合物的体积计约1%至约20%、更优选为约3%至约13%、更优选为约5%至约10%。当含氟气体低于下限时，碳沉积趋于增加至不合格的高水平，从而严重缩短离子源寿命。另一方面，当含氟气体高于上限时，氟趋于与由钨形成的室组件相互作用，由此导致挥发性氟化钨(例如，WFx，其中X = I至6)形成，并随后迁移至离子源内较热的表面，在那里它们可以元素钨(W)形式重新沉积并且可能引起离子源的过早失效。用具有特定组成范围的含氟气体的掺杂物气体混合物运行离子源装置100，意外地提供足量的氟以减少由碳衍生的室表面上的沉积物的量，但未超出钨重新沉积易于发生的上限。
[0023]因此，特定浓度范围内的CO与含氟气体的组合产生改善的掺杂物气体混合物，其能够使室112表面上的大量有问题的沉积物减到最少而不损害CO和含氟气体各自提供碳离子以产生具有充足束电流的碳离子束的能力。特定浓度范围内的掺杂物气体混合物是可减少沉积但仍维持所需离子束电流以满足生产率需求的新型混杂组合物。
[0024] 申请人:已执行数个实验来比较本发明的掺杂物气体混合物与其它掺杂物气体材料，如目前将要讨论的。
[0025]比较实施例1
进行电离试验以评价由C02构成的掺杂物气体生成碳离子束的能力。在短期操作后由于WOx沉积物在电离室内的蓄积而需要中止电离工艺。图2显示布置在离子源室内侧的基底上形成的沉积物，这表明电离室内侧形成的沉积物的程度。使用本领域已知的X射线光谱学技术分析基底板上的沉积物。WOx沉积物看似为薄片状性质。过量残余物形成和短离子源寿命归因于CO2等离子体的氧化性质，其导致源室中钨(W)组件的氧化以产生氧化钨(WOx)沉积物。
[0026]比较实施例2
进行电离试验以评价由纯CO构成的掺杂物气体产生碳离子束的能力。尽管未检测出WOx沉积物，但是观察到，使用纯的CO作为掺杂物气体源导致在离子源运行期间形成重碳(C)沉积物和碳化钨(WC)沉积物(图3)。通过X射线光谱学分析沉积物。当观察到的C和WC沉积物引起离子束故障(其导致电离工艺期间不稳定的束电流)时，需要中止电离工艺。据认为，C沉积物为CO的等离子体分解的结果，并且WC沉积物为CO及其等离子体碎片产物与钨室组件的相互作用的结果。C/WC沉积物的影响与Wox类似，并因此，CO基掺杂物气体遭受与CO2基掺杂物气体混合物类似的短离子源寿命的问题。
[0027]实施例3
使用与上述实验进行的相同离子源室，进行电离试验以评价由CO和在体积基础上10%CF4构成的掺杂物气体产生碳离子束的能力。沿着基底板表面观察到的沉积物的量显著低于当使用纯的CO或C02-基的掺杂物气体时形成的沉积物，如在基底板周围的沉积物的较暗的环所示。观察到，使用CO + 10% CF4不会引起任何氧化物沉积物、碳沉积物、碳化钨沉积物或氧化钨沉积物的大量蓄积(图4)。通过X射线光谱学对沉积物的分析表明一些碳沉积，但没有达到出现离子束故障的程度。
[0028]实施例1-3中的上述试验证明，CO + 10% CF4表现得比单独CO或C02-基的掺杂物气体混合物好。下面显示的接下来的系列试验比较了在含有余量CO的掺杂物气体混合物中各种浓度水平的CF4。
[0029]实施例4
为了建立基线和确定比较实施例2中所得的结果，进行电离试验以评价由CO构成但不含CF4的掺杂物气体产生碳离子束的能力。所用的离子源装置与图1中所示的类似。将CO掺杂物气体引入离子源装置中。将电压施加至离子源IHC以电离CO。在电离工艺期间，沿着抑制电极表面观察到大量的C和WC沉积物，如图5中所示。
[0030]实施例5
在图1的离子源装置100中使用CO时已建立基线，使用CO + 5% CF4的掺杂物气体混合物进行电离试验。在电离掺杂物气体混合物期间，沿着抑制电极的表面观察到相对少量的碳基沉积物(C和WC)，如图6a中所示。实际上沿着反射电极没有观察到W再生长，如图6b中所示显然沿着反射电极的表面不存在须样结构。
[0031]实施例6
使用图1的离子束装置，进行电离试验以评价由CO和在体积基础上10% CF4构成的掺杂物气体混合物产生碳离子束的能力。在电离掺杂物气体混合物期间，沿着抑制电极的表面观察到相对少量的碳基沉积物(C和WC)，如图7a中所示。C和WC沉积物的量与图6a的相当。观察到沿着反射电极的表面的一些W须样结构，如图7b中所示。
[0032]实施例7
使用CO + 15% CF4作为掺杂物气体混合物，进行另一个电离试验。沿着抑制电极的表面的C和WC沉积物的量示于图8a中。所观察到的C和WC沉积物的量与当在实施例5中电离CO + 5% CF4时以及在实施例6中电离CO + 10% CF4时的量相当。但是，如图8b中所示，沿着反射电极的表面观察到的W再生长的量与先前试验相比显著更高。
[0033]上述实施例4-7的试验表明，含有增加量的CF4的掺杂物气体混合物不一定使C、WC和W沉积物离子的量减至最小。实验揭示，掺杂物气体混合物内CF4的浓度有上限。特别是，实施例表明以15% CF4添加的掺杂物气体混合物导致在反射极上过量的W再生长，如图8b中所示。过量的W沉积不利地影响离子源性能并且导致离子源寿命缩短。因此，似乎存在使沉积物形成降至最低的CF4的浓度范围。
[0034]适当的离子束性能(如由足够高的束电流测量的)是掺杂物气体混合物必须展示的另一个设计属性。减少的束电流需要离子装置运行更努力(即，使用更大的功率消耗需求)。因此，工件需要被加工更久以达到所需的注入到工件中的掺杂物剂量。更长的加工时间和更高的功率消耗需求可转化为显著更低的束设备生产率，以及离子源更快速降级的趋势。进一步，即使给定掺杂物气体可产生较高的束电流，由于更长的加工时间，掺杂物气体可倾向于产生更多的沉积蓄积，由此导致离子源经受更频繁的束故障和/或束电流不均匀度。通过举例的方式，尽管CO自身能够产生相对高的束电流，但是其具有沉积大量碳和碳化钨沉积物的趋势，使得离子源寿命严重缩短，从而未曾实现所需的工件生产率。因此，掺杂物气体混合物必须能够产生且维持足够高的且均匀的束电流，同时使在离子注入工艺期间的沉积减至最低以便达到所需掺杂物剂量并且维持可接受的生产率。
[0035]在本发明中，已发现在离子源室中引入包括CO和由式CxFy(其中X≥I且y≥
I)表示的第二碳基种类的掺杂物气体混合物允许当CxFy以最佳浓度范围存在时离子源寿命与待达到的离子源性能的要素平衡。通常来讲，太高水平的含有碳的含氟种类(即，CxFy)导致不合格的低离子束电流水平，而太低水平的CxFy种类导致高量的碳和钨沉积并由此导致较差的离子源寿命。与常规碳离子注入工艺相比，约3-12体积百分比(vol%)的特定范围的CxFy达到充足的离子源寿命并改善的离子源性能。
[0036]也预想CO可与一种以上的含氟C气体混合以达到所需掺杂物气体混合物。含氟C气体可选自但不限于CF4、C2F6、C2F4、C2F2、C4F8。
[0037]应理解，本发明的气体组合物具有其它应用。例如，气体组合物可在适宜的加工条件下用于化学气相沉积或原子层沉积工艺以改变气体混合物化学，以便引起薄膜碳层的沉积。可选地，气体组合物也可用于将金属氧化物层还原成金属层。通过举例的方式，氧化钨可在C0+CF4环境中退火以将氧化钨还原成金属钨层。CO充当还原气体以从氧化钨层提取氧，由此将氧化鹤还原成元素鹤。此外，CF4的存在可通过潜在地氟化氧化鹤层而加速氧化钨至元素钨的还原，由此增强其去除率。净结果为氧化钨更快速地回到纯钨层的能力。
[0038]尽管已显示并描述被视为本发明的某些实施方案，但是当然，应理解可在不偏离本发明的精神和范围下容易地进行形式或细节的各种更改和变化。因此，本发明意欲不仅不限于本文所示和描述的精确形式和细节，而且不限于小于本文公开的和下文要求保护的本发明整体的任何事物。
【权利要求】
1.一种气体组合物，其包括: 包含一氧化碳和一种或更多种由式CxFy表示的含有碳的含氟气体的气体混合物，其中X≥I且y≥I; 其中所述含有碳的含氟气体为基于所述气体混合物的体积计约1-20体积百分比(V01%)的有效量。
2.如权利要求1所述的气体组合物，其中所述含有碳的含氟气体中的至少一种为基于所述气体混合物的体积计约3-15 V01%的有效量。
3.如权利要求1所述的气体组合物，其中所述含有碳的含氟气体中的至少一种为基于所述气体混合物的体积计约5-10 V01%的有效量。
4.如权利要求1所述的气体组合物，其中所述一种或更多种含有碳的含氟气体选自由以下组成的组:C2F6、CF4、C4F8、C2F4及其混合物。
5.如权利要求1所述的气体组合物，其中所述一种或更多种含有碳的含氟气体为基于所述气体混合物的体积计约3-10 V01%的有效量的CF4。
6.如权利要求1所述的气体组合物，其中所述含有碳的含氟气体为基于所述气体混合物的体积计约3-10 V01%的有效量的C2F6。
7.如权利要求1所述的气体组合物，其中所述含有碳的含氟气体为基于所述气体混合物的体积计约3-10 V01%的有效量的C2F6。
8.如权利要求1所述的气体组合物，其中所述含有碳的含氟气体选自由以下组成的组:C2F6、CF4、C4F8、C2F4及其混合物，并且进一步其中含氟气体以基于所述气体混合物的体积计约3-15 vol%的有效量被包含。
9.如权利要求1所述的气体组合物，其中X= I至6且y = I至10。
10.一种气体组合物，其包括: 包含第一碳基种类的一氧化碳和由式CxFy表示的第二碳基种类的含有碳的含氟气体的气体混合物，其中X ≥1且y ≥ I，所述第一碳基种类和第二碳基种类各自以有效量被包含以电离所述第一碳基种类和所述第二碳基种类的至少一部分用于产生碳离子。
11.如权利要求10所述的气体组合物，其中所述含有碳的第二碳基种类为基于所述气体混合物的体积计的约1-20体积百分比(vol%)的有效量。
12.如权利要求10所述的气体组合物，其进一步包含氢。
13.如权利要求10所述的气体组合物，其中所述第二碳基种类选自由以下组成的组:C2F6、CF4、C4F8、C2F4 及其混合物。
14.如权利要求10所述的气体组合物，其中所述第二碳基种类为基于所述气体混合物的体积计约3-10 V01%的有效量的CF4。
15.如权利要求10所述的气体组合物，其中所述氟的至少一部分由所述第二碳基种类电离。
【文档编号】H01J37/08GK103515173SQ201310245390
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】A.K.辛哈, L.A.布朗, S.坎珀 申请人:普莱克斯技术有限公司