专利名称：植入制程的热模组的制作方法
植入制程的热模组
背景技术：
离子植入机通常用于半导体晶圆的制造中。离子源用来产生离子束，且离子束接着被导向晶圆。当离子轰击(strike)晶圆时，其对晶圆的特殊区域进行掺杂(dope)。 掺杂区域的组态(configuration)界定其功能，且经由使用导体内连线(conductive interconnect)，这些晶圆能够转变成复杂的电路。图1为典型的离子植入机100的方块示意图。离子源110产生所需的离子种类 (species)。在一些实施例中，这些种类为原子离子(atomic ion)，其最适于高植入能量。在其他实施例中，这些种类为分子离子(molecular ion)，其较适于低植入能量。这些离子形成束线(beam)，其接着通过源滤波器(source filter) 120。源滤波器较佳地位于离子源附近。离子束中的离子在圆柱体(column) 130中被加速/减速至想要的能阶(energy level)。 使用具有开孔(aperture) 145的质量分析器磁铁(mass analyzer magnet) 140以从离子束中移除不需要的成分，使得具有所需的能量与质量特性的离子束150穿过解析孔145。在特定的实施例中，离子束150是点束(spot beam)。在此例中，离子束穿过扫描器160。扫描器160可以是静电扫描器或磁扫描器。扫描器160使离子束150发生偏转，以产生扫描束巧5 157。在特定的实施例中，扫描器160包括与扫描产生器(scan generator) 进行通讯的分离的扫描板(scan plate) 0扫描产生器产生扫描电压波形，诸如具有振幅与频率分量的正弦波形、锯齿波形或三角波形。这些扫描电压波形被施加在扫描板上。在一较佳实施例中，扫描波形通常很接近三角波(固定斜率)，使得扫描束在每个位置上停留近乎相同的时间。从三角形的偏离可用来使离子束达到均勻。所产生的电场造成离子束分叉， 如图1所示。在另一实施例中，离子束150是带状束(ribbon beam)。在此实施例中，不需要扫描器，带状束已经按照适当的方式成形。角度修正器(angle corrector) 170是用来将分叉的离子束155 157偏转成一组具有实质上平行轨道(trajectories)的离子束。较佳的是，角度修正器170包括磁线圈 (magnet coil)与多个磁极片(magnetic pole pieces)，这些磁线圈与磁极片相互之间隔开以形成间隙，而离子束从间隙中穿过。磁线圈被赋予能量，以在间隙内产生磁场，而离子束根据所施加的磁场的强度与方向来发生偏转。通过改变流经磁线圈的电流可调节磁场。 可选择的是，诸如平行化透镜(parallelizing lense)的其他结构也可用来执行此功能。经过角度修正器170之后，扫描束对准工件175。工件附着在工件支座上。工件支座提供多种移动角度。工件支座用来将晶圆保持在适当位置以及对晶圆进行定向，以将离子束适当地植入晶圆。为了将晶圆有效地保持在适当位置，大部分的工件支座(亦称为平台)通常使用旋转力(circular force)，而使工件静止于工件支座上。通常，平台使用静电力，以将工件保持在适当位置。通过在平台上产生强静电力(亦称为静电吸座(chuck))，无需任何机械固定装置就能将工件或晶圆保持在适当位置。如此一来，污染被降到最低，而且循环时间(cycle time)得以改善，因为完成植入之后晶圆无需拆卸。这些吸座通常使用两种力之一来将晶圆保持在适当位置库仑引力(coulombic force)或詹森-拉贝克力 (Johnson-Rahbeck force)0工件支座一般可在一个或多个方向上移动工件。举例来说，在离子植入中，离子束一般为扫描束或带状束，其具有大于高度的宽度。假设离子束的宽度定义为X轴，而离子束的高度定义为y轴，且离子束的移动路径定义为Z轴。离子束的宽度一般宽于工件，使得工件不需在χ方向移动。然而，沿着y轴移动工件以将整个工件暴露于离子束则是常见的。当特定的物质或离子被植入时，温度(特别是基底的温度)在离子植入中扮演重要的角色。尽管许多离子植入在室温下进行，但是在其他温度下进行植入时具有好处。举例来说，低温植入被熟知为减少范围末端(end of range, E0R)缺陷的数量。 当离子被植入基底时，离子穿透至特定深度。在此区域中，所植入的离子用来改变基底的标准结晶结构(normal crystalline structure)(例如娃)为非结晶结构(amorphous structure)。基底中离子未达到的深度仍保持结晶结构。因此，在二个区域之间存在界面 (interface)，一般称为非结晶/结晶界面。在界面附近(在非结晶区域的下部)为含有较高空隙(interstitial)密度的区域。当在植入之后对基底进行回火以活化掺质以及将此区域再结晶时，剩余的非均质(non-homogeneities)导致剩余的缺陷。这些缺陷称为EOR 缺陷。这些缺陷可能导致差排(dislocation)和迭差(stacking fault)的形成。当这些EOR缺陷存在于源极区域或漏极区域中时，将导致接面漏电(junction leakage)，而将影响最终半导体元件的表现。如上所述，已证实低温离子植入减少EOR缺陷的产生，因此改善了元件表现。此特色在源极区域与漏极区域的深度非常小的超浅接面 (ultrashallow junction，USJ)中特别重要。此外，在高温(高于室温)下将离子植入或掺杂至基底也可以具有好处。随着植入而发生的结晶材料的非晶化(amorphization)可以被减少。此较佳应用于将离子植入磊晶成长(印itaxially grown)基底。非晶化倾向于破坏经掺杂的磊晶基底的固有特性。当植入剂量(dose)小于非晶化临界值(amorphization threshold)，高温植入也是有益的。 当在高温下进行此种植入，基底中全部的剩余损害被减少。对于此种低剂量植入来说，加热植入也可以导致较低的片电阻(sheet resistance)，这是因为较佳的掺质活化以及减少的损害导致了少量的暂时扩散(transient diffusion) 0暂时扩散会降低电阻率。然而，这些温度植入模式中的每一者也具有缺点。因此，将每一个温度植入的优点最大化且同时将缺点最小化的植入方法是有利的。
发明内容
通过本发明所描述的离子植入方法可以克服现有技术的问题。本发明提供一种离子植入的方法，其包括在制程中调整基底的温度。此调整影响了基底的特性，且可以用来将 EOR缺陷最小化；选择性地分离(segregate)和扩散出次掺质(secondary dopant)；将非结晶区域最大化或最小化；以及改变其他半导体参数。在一特定的实施例中，使用调整温度的离子植入的组合。在高温下的离子植入与一般的基本处理(baseline processing)连续使用，以及与在低温下的离子植入连续使用。温度调整可以在制程的开始或末端，以减轻有害的次掺质影响。
图1为传统的离子植入机的示意图。图2为在将BF2植入基底之后离子浓度的关系图。图3为在低温下将BF2植入基底之后离子浓度的关系图。图4为根据本发明实施例所使用的温度曲线图。图5为使用图4中的温度曲线将BF2植入基底之后离子浓度的关系图。图6a至图6e为根据本发明其他实施例所使用的各种温度曲线图。
具体实施例方式如上所述，在离子植入中温度扮演着重要的角色。当许多离子植入是在室温或接近室温进行时，在高温或低温进行植入是有利的。举例来说，低温(cryogenic)离子植入在许多应用中是有利的，例如在结晶硅晶圆中形成超浅接面。当植入锗磊晶层以减少非晶化时，高温则是有帮助的。本发明揭示了在植入期间使用了多种温度的各种实施例，其改善了所构成的半导体元件的品质与表现。对本领域中具有通常知识者显而易见的是，以下仅作为本发明的方法的许多可实行方法的一部分，且其他可实行方法亦可考虑且在本发明的范围中。超浅接面(ultrashallow junction, USJ)在目前的半导体制程中逐渐重要。以前，原子离子(例如B+)被用来掺杂基底的一个区域。然而，对于浅植入来说，所需的离子束的能阶较低。这些低能阶导致了离子束中的空间电荷效应(space-charge effect) 0为了抵销这些效应，使用较重的分子离子。由于与晶格的核心碰撞(nuclear collision)增加， 因此较重的分子离子不会同样深地穿过基底。由于可以使用较高的能阶，因此空间电荷效应可以被最小化。因此，做为植入原子离子(例如B+)的替代，使用了分子离子(例如BF2+、 BF3+、CBH、B6H10 或 PH3)。当这些分子离子在较浅程度下进行离子化时，产生了一些缺点。分子的使用导致了次掺质被植入。举例来说，当植入BF2+时，此分子会在与基底碰撞的情况下分解，因而产生了次掺质，例如BF+、B+与F_。当使用其他分子离子时，也产生了同样的结果。举例来说， PH3可以产生包括H—的次离子(secondary ion)。这些次掺质可能具有不利的影响。举例来说，氟(高反应性)损害了接触金属。在其他情况下，氟与氢形成了降低所需掺质的活化效率的错合物(complex)。此外，氟和氢在接面的应变松弛(strain relaxation)中扮演着重要的角色。特别是，当SiGe源极/漏极被植入BF2时，由于非晶化和氟离子的合并，因此将损失应变。最后，由于所需掺质与次掺质(例如氟与氢)之间的竞争，改变了分离和扩散倾向。因此，在一些情况下导致了较高的电阻率。这些次掺质的影响如图2所示。在此图中，基底被植入了 BF2+。当分子离子在基底中与基底碰撞时，分子离子如上所述产生破坏(break down) 0此图显示了由植入所导致的二个关键掺质(硼与氟)。垂直轴代表掺质的浓度，而水平轴表示基底中的深度。换个说法，y轴表示基底的顶面，且基底深度沿着Χ轴的移动而增加。此图中具有二条线，第一实线代表所需的掺质(硼)。如所预期的，硼的浓度接近钟形(bell shaped)曲线，其顶端 (peak)低于基底的顶面。第二虚线代表次掺质(氟)。与硼不同，氟离子聚集在二个特别的区域。在图的左上方，氟浓度中的第一尖峰(spike)发生在靠近基底表面处，此处被认为在硅的结晶结构中具有许多缺陷。第二顶端发生在基底中的较深处。此顶端与在基底中发现EOR缺陷的区域相关。在此情况中，氟离子被称为“修饰(decorate) ”E0R缺陷。由于结构中缺陷的数量(其产生了更多空隙)，氟离子被吸引至这些区域，且氟离子接着占据了这些空隙。如上所述，冷离子植入被认为减少EOR缺陷的发生，且一般用于USJ的制造。在较冷的温度下(例如低于o°c，且较佳是介于-10°c与-100°c之间)，改善了非晶化品质与厚度，且因此减少了 EOR缺陷。图3显示在冷离子植入之后基底中的硼离子和氟离子的浓度。需要注意的是，硼浓度曲线并未被温度改变而影响。然而，氟离子分布被显著地影响。如预期的，随着EOR缺陷已几乎通过冷温度植入而消除，几乎没有氟离子位于基底中的深处。此减少了元件漏电， 其为非常有利的。然而，接近基底表面的氟离子浓度明显地增加。由于氟离子被基底中的缺陷吸引，因此其目前聚集在表面，这是由于表面为具有最多缺陷的位置。不幸地，在后续集成电路的制造期间，氟不利于金属接触窗整合(metal contact integration)，特别是在基底表面或靠近基底表面。由于氟具有高腐蚀性，其会侵蚀接触金属。因此，当冷制程增加了元件表现时，其不利地影响元件可靠度。此外，由氟所造成的金属腐蚀导致了金属电阻的增加，其也降低了元件的表现。在一实施例中，在制程期间，将离子植入的温度由低改变至高。图4为剂量、植入时间与温度的关系图。线100表示施加于基底的总剂量。线110表示植入期间平台的温度， 其间接地控制基底本身的温度。右边的垂直轴显示本实施例中所使用的温度刻度。在本实施例中，平台与基底被冷却至足够冷的温度，例如-60°C。接着，在此温度下进行一部分的离子植入制程。如上所述，此温度增进了基底的非晶化，且将EOR缺陷的数目最小化。在制程中的某一点(例如完成了 75%)，增加平台的温度(因此增加了基底的温度)至较高的温度，例如300°C。在此温度下，被捕捉的氟离子(聚集在表面)可以从基底扩散出并进入周遭环境，因而明显地减少了剩余在基底中的氟。当图4显示高于300°C的温度时，此不为本发明的条件。举例来说，例如氢和氟的气体在远低于300°C的温度(例如100°C或更低) 下，显示了增强的扩散。图5为基底中硼离子与氟离子的浓度关系图，其使用图4中的温度曲线进行植入。 再一次，温度的改变对硼浓度影响极低。然而，氟浓度则是明显地改变。在增加的深度中， 氟浓度极类似图3所显示。然而，在浅深度中(靠近基底表面)，氟的曲线则相当不同，这是由于氟扩散至周遭环境中。由于扩散速率与相距基底表面的距离相关，因此氟浓度随着深度的增加而轻微地增加，且随后如图3所示再次减少。此曲线具有冷温度植入的优点(即较佳的非晶化，有限的EOR缺陷)，而没有增加表面氟浓度的缺点。当图4在冷温度与热温度之间显示固定斜坡(constant ramp)时，本发明不限于此组态。举例来说，温度可以在整个植入制程期间倾斜变化(ramped)。或者，温度的改变可以更陡峭(abrupt)(即线110具有更大的斜率)或更平缓(即降低线110的斜率)。在离子植入期间使用变化温度曲线的概念具有额外的应用。举例来说，在另一实施例中，先进行热离子植入，然后进行低温植入。若需要将非结晶的产生最小化，则上述组合是有帮助的。一个例子为现代集成电路的源极区域和漏极区域的掺杂/植入。现代电晶体中的源极区域和漏极区域(S/D)为磊晶成长所形成。在磊晶成长期间，这些区域在磊晶制程中被同步(in-situ)掺杂。P-M0SFETS具有经锗掺杂的S/D，而N-M0SFETS具有经碳掺杂S/D。此可以在经掺杂的晶格中产生应变(strain)，这是由于不匹配的(mismatched)原子(Si-Ge-C)尺寸和键长(bond length)所造成，其施加应力(stress)于电晶体的通道。 此应力增强了载子(carrier)的移动率，且因此增进了电晶体的表现。S/D区域需要额外的掺杂以降低电阻率。在这些植入期间，经Ge或C掺杂的S/D区域的最小损害为较佳的， 以保持这些区域中的应力。在此种情况下，升高的/较高的温度植入是有帮助的，因为经植入的区域具有极少的非晶化。此外，若一部分(接近植入的尾端)在低温进行，基底的表面则会具有较少的缺陷。冷植入本身在表面产生较少的缺陷。在后续的集成电路制程期间， 此降低了在形成金属硅化物(silicide)或接触窗(contact)期间形成缺陷的可能性。虽然上述例子以磊晶成长硅描述了优点，但是相似的优点也可由其他材料实现，例如多晶硅 (polysilicon)、具有高介电常数的材料(HiK material)、金属与介电材料。在离子植入期间需要变化的温度曲线的其他应用也在本发明的范围内。举例来说，如图6a至图6e所示的温度曲线也可以使用在某些应用中。这些曲线包括阶梯函数 (step function)、抛物线与反抛物线(parabolic and inverse parabolic curve)、双曲线 (hyperbolic curve)、正弦波(sinusoidal waves)以及斜坡(ramp)函数。在本发明中的温度调整可以使用多种方法来进行。在一实施例中，离子植入制程分为二个或更多个独立的植入制程。举例来说，图4中的曲线可以通过对于一部分的循环使用一般的冷植入技术来植入基底而达成。然后，此制程停止，且使用一般的热植入技术重新开始。此方法产生了不连续的温度曲线，且在二种温度植入之间增加了额外的时间。第二种调整基底的温度的方法为通过平台的温度控制，而基底静止于平台上。在一实施例中，导管(conduit)配置于平台中，可用以使流体(气体或液体)通过平台。根据流体的型态及其温度，可以冷却或加热平台。举例来说，在图4所示的植入期间，冷却剂(例如液态氮)可以在植入制程的第一部分期间通过导管。温度斜坡可以通过允许来自植入的热来加热基底与平台而达成。第二流体(例如水)可以通过平台，以保持平台的最大温度。第三种方法关于使用外部加热元件(例如顶灯或雷射)来增加平台的温度。加热也可以通过埋设于平台中的抗热元件(resistive heating device)来达成，以当动力加热(powered heat)平台时，由此加热基底。加热也可以是使用诱导耦合加热元件 (inductively coupled heating device)来替换进行。在此情况下，冷却剂如上所述在植入的第一部分期间通过平台。然而，温度增加则是通过加热元件来加热基板表面而达成。一旦启用加热元件，则停止流体流过平台。在另一实施例中，同时使用加热元件与冷却剂来产生所需要的温度梯度。举例来说，对于陡峭的温度梯度来说，启用加热元件，且停止流体流过平台。对于较平缓的温度梯度来说，启用加热元件，继续使流体以相同或经控制而改变的速率流过平台。
权利要求
1.一种在离子植入制程期间将基底中不需要的次掺质最小化的方法，包括a.在所述离子植入制程的第一部分期间，在第一温度下将分子离子植入所述基底，其中在所述分子离子与所述基底碰撞之下，所述分子离子分解为所需的主要掺质与所述不需要的次掺质；以及b.在所述离子植入制程的第二部分期间，增加所述基底的温度，使得所述不需要的次掺质扩散穿过所述基底的表面。
2.如权利要求1所述的在离子植入制程期间将基底中不需要的次掺质最小化的方法， 其中所述第一温度低于室温。
3.如权利要求2所述的在离子植入制程期间将基底中不需要的次掺质最小化的方法， 其中所述第一温度介于-100°c与-10°c之间。
4.如权利要求1所述的在离子植入制程期间将基底中不需要的次掺质最小化的方法， 其中所述温度增加至高于室温。
5.如权利要求4所述的在离子植入制程期间将基底中不需要的次掺质最小化的方法， 其中所述温度增加至高于100°c。
6.一种在植入制程期间将离子植入基底的方法，包括a.在第一温度下将所述离子的一部分植入所述基底中；以及b.在第二温度下将所述离子的第二部分植入所述基底中。
7.如权利要求6所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述基底是选自由磊晶成长源极区域和漏极区域、多晶硅、具有高介电常数的材料、金属和介电材料所组成的族群，且所述第一温度大于所述第二温度。
8.如权利要求7所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述第一温度大于 100°C。
9.如权利要求7所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述第二温度介于-100°C与-10°C之间。
10.如权利要求6所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述离子包括具有所需的掺质和不需要的次掺质的分子离子，且所述第一温度小于所述第二温度。
11.如权利要求10所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述第一温度介于-100°C与-10°c之间。
12.如权利要求10所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述第二温度大于100°C。
13.如权利要求6所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，还包括在第三温度下植入所述离子的第三部分。
14.如权利要求13所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述第一温度与所述第三温度相同。
15.如权利要求13所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述第二温度为所述三个温度中最高的温度。
16.如权利要求13所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述第二温度为所述三个温度中最低的温度。
17.一种在植入制程期间将离子植入基底的方法，包括a.产生非固定温度曲线；b.在第一温度下将所述离子的一部分植入所述基底中；以及c.在第二温度下将所述离子的第二部分植入所述基底中。
18.如权利要求17所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述非固定温度曲线包括不连接的温度阶梯。
19.如权利要求17所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述非固定温度曲线包括线性斜坡。
20.如权利要求17所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述非固定温度曲线包括指数斜坡。
21.如权利要求17所述的在植入制程期间将离子植入基底的方法，其中所述非固定温度曲线包括正弦曲线。
全文摘要
一种离子植入的方法，其包括在植入制程期间调整基底的温度。此调整影响基底的特性，且可以用来将范围末端缺陷最小化；选择性地分离和扩散出次掺质；将非结晶区域最大化或最小化；以及改变其他半导体参数。在一特定的实施例中，使用调整温度的离子植入的组合。在高温下的离子植入与一般的基本处理连续使用，以及与在低温下的离子植入连续使用。温度调整可以在制程的开始或末端，以减轻有害的次掺质影响。
文档编号H01L21/265GK102203913SQ200980143910
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年10月2日
发明者迪帕克·瑞曼帕 申请人:瓦里安半导体设备公司