用于强化离子植入生产力的四氢化锗/氩等离子体化学

摘要

本发明公开一种用于改善产生某些离子束(且具体而言，锗及氩)的束流的方法。已证实使用氩作为第二气体会改善锗烷的离子化，允许在不使用卤素的情况下形成具有足够束流的锗离子束。另外，已证实使用锗烷作为第二气体会改善氩离子束的束流。

说明书

技术领域

本公开的实施例涉及用于强化离子植入系统中的生产力的方法，尤其涉及改善锗离子束及氩离子束的束流。

背景技术

半导体装置的制作涉及多个分立且复杂的制程。一个此种制程可为蚀刻制程，其中自工件(workpiece)移除材料。另一制程可为沉积制程，其中将材料沉积于工件上。又一制程可为离子植入(ion implantation)制程，其中将离子植入至工件中。

离子源传统上用于生成离子，离子随后用于实行该些制程。离子源可利用间接加热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)、伯纳斯源(Bernas source)、电容耦合等离子体源(capacitively coupled plasma source)、射频(radio frequency，RF)等离子体源或设置于离子源腔室内或附近的电感耦合源(inductively coupled source)。气体管与离子源流体连通(fluid communication)，以便向离子源腔室供应所期望的进气(feed gas)。进气可为任何合适的物质，通常是第三族或第五族元素。

然而，锗正日益用于半导体装置制造制程(特别是低能量高剂量应用)中。目前，使用四氟化锗(GeF

另外，氩亦正日益得到使用并被开发用于例如精密材料工程(precisionmaterials engineering，PME)、选择性区域处理(selective area processing，SAP)及三维(three dimensional，3D)装置的定向蚀刻(directional etching)等各种应用。该些应用通常使用超高剂量。

然而，在不使用卤素气体的情况下，形成具有足够束流(beam current)的锗离子束一直具有挑战性。此外，亦一直难以产生具有足够束流的氩离子束。

因此，一种改善锗离子束及氩离子束的束流(特别是在不使用卤素物质的情况下)的方法将是有益的。

发明内容

本发明公开一种用于改善某些离子束(且具体而言，锗及氩)的束流的方法。已证实使用氩作为第二气体会改善锗烷的离子化，允许在不使用卤素的情况下形成具有足够束流的锗离子束。另外，已证实使用锗烷作为第二气体会改善氩离子束的束流。

根据一实施例，公开一种产生锗离子束的方法。所述方法包括：将锗烷及氩引入至离子源中；离子化所述锗烷及所述氩以形成等离子体；以及自所述离子源提取锗离子以形成所述锗离子束。在某些实施例中，没有卤素气体被引入至所述离子源中。在一些实施例中，氩流速在0.5标准立方厘米/分钟(sccm)至2.0标准立方厘米/分钟之间。在某些实施例中，所述氩流速在0.7标准立方厘米/分钟至1.0标准立方厘米/分钟之间。在某些实施例中，所述离子源包括间接加热式阴极离子源。在一些实施例中，所述离子源包括射频离子源。在其他实施例中，所述离子源包括伯纳斯源、电容耦合等离子体源、电感耦合源或微波耦合等离子体源。在某些实施例中，所述氩流速使得所述离子源的效率大于4毫安(mA)/千瓦(kW)，所述离子源的所述效率被定义为锗束流对施加至所述离子源的总功率的比率。在一些实施例中，所述氩流速使得所述离子源的归一化效率(normalized efficiency)大于0.1，所述离子源的所述归一化效率被定义为所述离子源的所述效率除以提取电流(extractioncurrent)。在某些实施例中，所述离子源是束线植入系统(beam-line implantationsystem)的组件。

根据另一实施例，公开一种产生氩离子束的方法。所述方法包括：将锗烷及氩引入至离子源中；离子化所述锗烷及所述氩以形成等离子体；以及自所述离子源提取氩离子以形成所述氩离子束，其中锗烷流速在0.35标准立方厘米/分钟至1.00标准立方厘米/分钟之间。在某些实施例中，所述离子源包括间接加热式阴极离子源。在一些实施例中，所述离子源包括射频离子源。在其他实施例中，所述离子源包括伯纳斯源、电容耦合等离子体源、电感耦合源或微波耦合等离子体源。在某些实施例中，没有卤素气体被引入至所述离子源中。在某些实施例中，所述离子源是束线植入系统的组件。

根据另一实施例，公开一种产生氩离子束的方法。所述方法包括：将锗烷及氩引入至离子源中；离子化所述锗烷及所述氩以形成等离子体；以及自所述离子源提取氩离子以形成所述氩离子束，其中锗烷流速使得所述氩离子束的束流相对于在相同提取电流下不使用锗烷所产生的氩离子束增加至少10％。在某些实施例中，所述锗烷流速使得所述氩束的束流相对于所述在相同提取电流下不使用锗烷产生的氩束增加至少15％。在某些实施例中，没有卤素气体被引入至所述离子源中。在某些实施例中，所述离子源是束线植入系统的组件。

附图说明

为了更佳地理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，其中:

图1示出可在某些实施例中使用的间接加热式阴极(IHC)离子源。

图2示出可在某些实施例中用作射频(RF)离子源的等离子体室。

图3A-3C示出允许至少两种气体被引入至离子源中的不同配置。

图4示出根据一实施例的可采用图1或图2所示离子源的束线植入系统。

图5是示出锗束流、偏压功率(bias power)及电弧功率(arc power)随氩流速变化的代表性曲线图。

图6A示出根据一实施例的锗束流对源功率(source power)的比率(称为离子源效率)随氩流速的变化。

图6B示出根据一实施例的归一化离子源效率随氩流速的变化。

图7示出锗离子束流在恒定氩流速下随锗烷流速的变化。

图8示出氩离子束流随锗烷流速的变化。

具体实施方式

图1示出可在本公开的某些实施例中使用的间接加热式阴极离子源10。间接加热式阴极离子源10包括电弧腔室100及壁101，电弧腔室100包括两个相对的端，壁101连接至这些端。电弧腔室100的壁101可由导电材料构成，且可彼此电性连通。在一些实施例中，在壁101的一或多者附近可设置有衬垫(liner)。在电弧腔室100中，电弧腔室100的第一端104处设置有阴极110。在阴极110后面设置有细丝160。细丝160与细丝电源(filament powersupply)165连通。细丝电源165被配置成使电流穿过细丝160，进而使得细丝160发射热离子电子(thermionic electron)。阴极偏压电源115相对于阴极110对细丝160施加负偏压，以使该些热离子电子自细丝160朝阴极110加速，且当该些热离子电子撞击阴极110的背表面时加热阴极110。阴极偏压电源115可对细丝160施加偏压，以使细丝160具有在例如250伏特(V)至500伏特之间的电压，此电压较阴极110的电压更负。阴极110接着在其前表面上将热离子电子发射至电弧腔室100中。

因此，细丝电源165向细丝160供应电流。阴极偏压电源115对细丝160施加偏压，以使细丝160较阴极110更负，以使电子被自细丝160朝阴极110吸引。在某些实施例中，阴极110可例如通过电弧电源111相对于电弧腔室100偏压。在其他实施例中，阴极110可电性连接至电弧腔室100，以便与电弧腔室100的壁101处于相同的电压。在该些实施例中，可不采用电弧电源111，且阴极110可电性连接至电弧腔室100的壁101。在某些实施例中，电弧腔室100连接至电性接地点(electrical ground)。

在与第一端104相对的第二端105上，可设置斥拒极(repeller)120。斥拒极120可通过斥拒极偏压电源123相对于电弧腔室100偏压。在其他实施例中，斥拒极120可电性连接至电弧腔室100，以便与电弧腔室100的壁101处于相同的电压。在该些实施例中，可不采用斥拒极偏压电源123，且斥拒极120可电性连接至电弧腔室100的壁101。在又一些其他实施例中，不采用斥拒极120。

阴极110及斥拒极120各自由例如金属或石墨等导电材料(electricallyconductive material)制成。

在某些实施例中，在电弧腔室100中产生磁场。此磁场旨在沿一个方向约束电子。磁场通常自第一端104至第二端105平行于壁101。举例而言，电子可被约束在平行于自阴极110至斥拒极120的方向(即y方向)的柱中。因此，电子在y方向上移动时不会经历任何电磁力。然而，电子在其他方向上移动可能会经历电磁力。

电弧腔室100的一侧(称为提取板103)上可设置有提取开孔140。在图1中，提取开孔140设置于平行于Y-Z平面(垂直于页面)的一侧上。此外，间接加热式阴极离子源10亦包括进气口106，欲被离子化的一或多种气体可经由进气口106引入至电弧腔室100。电子与所述一或多种气体碰撞以形成等离子体150。

在某些实施例中，第一电极及第二电极可设置于电弧腔室100的相应相对的壁101上，进而使得第一电极及第二电极在电弧腔室100内位于邻近于提取板103的壁上。第一电极及第二电极可各自通过相应的电源偏压。在某些实施例中，第一电极及第二电极可与共用电源连通。然而，在其他实施例中，为允许对间接加热式阴极离子源10的输出进行微调的最大灵活性及能力，第一电极可与第一电极电源连通，且第二电极可与第二电极电源连通。

在某些实施例中，可使用控制器180控制间接加热式阴极离子源10。控制器180可包括处理单元及存储元件。存储元件可为任何合适的非暂时性(non-transitory)存储器装置，例如半导体存储器(即随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可抹除可程序化只读存储器(EEPROM)、快闪式随机存取存储器(FLASH RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)等)、磁性存储器(即磁盘驱动器)或光学存储器(即光盘只读存储器(CD ROM))。存储元件可用于含有指令，所述指令当由控制器180中的处理单元执行时，允许离子植入机(ionimplanter)能够实行本文所述的功能。

图2示出可在某些实施例中使用的射频(RF)离子源200。在此实施例中，射频离子源200包括由若干个壁207界定的腔室205，壁207可由石墨或另一合适的材料构成。此腔室205可经由进气口106被供应一或多种源气体(source gas)。此种源气体可通过射频天线220或另一种机制激励(energized)。射频天线220与向射频天线220供电的射频电源(未示出)电性连通。射频天线220与腔室205的内部之间可设置有例如石英或氧化铝窗口等介电质窗口(dielectric window)225。射频离子源200亦包括可供离子从中穿过的开孔240。负电压被施加至设置于开孔240外部的提取抑制电极230，以经由开孔240自腔室205内且朝工件提取带正电荷的离子。亦可采用接地电极250。在一些实施例中，开孔240位于射频离子源200的与含有介电质窗口225的一侧相对的一侧上。自腔室205提取的离子形成为离子束280，离子束280被朝工件引导。

在某些实施例中，可使用控制器180控制射频离子源200。

离子源不限于图1-2中所示者。在其他实施例中，离子源可利用设置于离子源的腔室内或附近的伯纳斯源、电容耦合等离子体源、电感耦合源或微波耦合等离子体源。

如上所述，气体经由进气口106进入离子源。在本公开中，至少两种气体被引入至离子源中，即锗系气体(例如锗烷)以及氩。亦可使用附加的气体，例如氢。

该些气体可以多种配置连接至离子源。在图3A中，第一源气体可存储于第一气体容器170中，并经由进气口106引入至腔室。第二源气体可存储于第二气体容器175中，并经由第二进气口106a引入至电弧腔室100。在图3B中所示的另一实施例中，第二源气体可存储于第二气体容器176中，并经由第一源气体所使用的相同进气口106引入至腔室。在图3C中所示的又一实施例中，第二源气体可在单一气体容器178中与第一源气体混合。接着，此气体混合物经由进气口106引入至腔室。

在图3A-3B所示实施例中，第一源气体及第二源气体可被同时引入或依序引入至腔室。

在某些实施例中，可使用一或多个质量流量控制器(mass flow controller，MFC)177以调节引入至离子源中的每一种气体的量。质量流量控制器177可与控制器180连通，控制器180确定欲利用的每一种气体的适宜量。

在某些实施例中，工件可设置于离子源中的开口附近，例如图1中的提取开孔140附近或图2中的开孔240附近。在某些实施例中，例如图2中所示，离子源腔室外部可存在一或多个电极，以自离子源内吸引离子。在其他实施例中，离子源可为离子植入机的部分。

图4示出利用图1中所示间接加热式阴极离子源10或图2中所示射频离子源200的代表性离子植入机450。在带状离子束1穿过抑制电极460及接地电极470之后，带状离子束1进入质量分析器400。具有解析开孔401的质量分析器400用于自带状离子束1移除不希望的组分，而使得具有所期望能量及质量特性的带状离子束1穿过解析开孔401。接着，所期望物质的离子穿过第一减速阶段410，第一减速阶段410可包括一或多个电极。第一减速阶段410的输出可为发散离子束(diverging ion beam)。

校正器磁体420适以将发散离子束偏转成一组具有实质上平行的轨迹的各别细光束(beamlet)。校正器磁体420可包括间隔开以形成间隙的磁线圈(magnetic coil)与磁极片(magnetic pole piece)，离子细光束穿过所述间隙。磁线圈被激励，以便在间隙内生成磁场，所述磁场根据所施加磁场的强度及方向偏转离子细光束。磁场是通过改变穿过磁线圈的电流来调整。作为另一选择，亦可利用例如平行化透镜(parallelizing lenses)等其他结构来实行此功能。

在某些实施例中，校正器磁体420亦可包括用于改善带状离子束1的均匀性的其他组件。举例而言，可采用四极磁体(quadrupole magnet)、多棒(multiple rod)及能量纯度模组(energy purity module)操纵带状离子束1，以尝试改善其均匀性及角度。该些组件操纵带状离子束1，以便在维持各别离子细光束的平行度的同时，使束流横跨带状离子束1的整个长度而几乎均匀。

继校正器磁体420之后，带状离子束1将目标对准工件。在一些实施例中，在工件与校正器磁体420之间可添加第二减速阶段430。

此外，离子植入机450中可设置有控制器445。在一些实施例中，此控制器445可与控制器180相同。在其他实施例中，可利用两个控制器。控制器445可包括处理单元及存储元件。存储元件可为任何合适的非暂时性存储器装置，例如半导体存储器(即随机存取存储器、只读存储器、电可抹除可程序化只读存储器、快闪随机存取存储器、动态随机存取存储器等)、磁性存储器(即磁盘驱动器)或光学存储器(即光盘只读存储器)。存储元件可用于含有指令，所述指令当由控制器445中的处理单元执行时，使得离子植入机能够实行本文所述的功能。

如上所述，在某些实施例中，生成包含锗离子的离子束是所期望的。此在传统上是使用四氟化锗(GeF

前面已尝试利用锗烷(GeH

然而，出乎意料的是，已发现当使用锗烷作为第一源气体时，使用氩作为第二源气体会显著增强束流。第一源气体及第二源气体可使用图3A至图3C中所示配置中的任一者引入至离子源中。此外，第一源气体及第二源气体可被依序引入或同时引入。

图5示出锗束流随氩流速变化的曲线图。此实验的条件如下。锗烷的流速为5.46标准立方厘米/分钟(sccm)，提取电流被设定为40毫安，且束能量被设定为20千电子伏特(keV)。此测试是使用图1中所示间接加热式阴极离子源10而实行。

引入至离子源中的氩的量自0.3标准立方厘米/分钟改变为2.0标准立方厘米/分钟。据发现，当氩流速小于0.25标准立方厘米/分钟时，不可能产生锗离子束。图5示出在该些值中的每一者处的锗束流500、偏压功率501及电弧功率502。偏压功率是由阴极偏压电源115所施加的功率，且电弧功率是由电弧电源111所供应的功率。左垂直轴示出间接加热式阴极离子源10所使用的总功率，其为该两个功率值之和。右垂直轴示出锗束流500的量值(magnitude)。

注意，出乎意料的是，锗束流500存在峰值。此峰值对应于氩约0.8标准立方厘米/分钟。注意，此测试是使用20千伏特(kV)的提取电压及40毫安的提取电流而实行。峰值在不同的提取电流及束能量下可有所变化。在氩流速的增大值处，锗束流500实际上减小。不拘泥于特定理论地，据信，氩的引入使得离子源能够更有效地进行操作，且使得锗烷分子及电子以及氩原子、氩离子及氩的亚稳态物(metastable)之间能够发生更多碰撞。然而，随着氩的量增加，氩原子、氩离子及氩的亚稳态物之间的碰撞增加，进而导致更多的氩束流。由于提取电流固定在40毫安处，因此氩束流的增加导致锗束流减少。换言之，锗束流随Ar

图6A示出锗束流(以毫安为单位)对源功率(以千瓦为单位)的比率随氩流速的变化。来自图5的数据被用于产生此曲线图。锗束流对源功率的比率是对离子源效率的量度。注意，当氩流量增加至约0.7标准立方厘米/分钟时，此比率达到最大值。此指示离子源在此范围内的操作最高效。亦注意，离子源在超过0.7标准立方厘米/分钟的流速下的效率是其在0.3标准立方厘米/分钟的流速下的两倍以上。因此，氩的使用可将离子源的效率提高至较每1千瓦总源功率4毫安大的值。图6B示出归一化离子源效率随氩流速的变化，归一化离子源效率被定义为离子源效率除以提取电流。在以上图中，提取电流被设定为40毫安。因此，此曲线图中的值等于图6A中所示的值除以40毫安。图6B所示曲线图可用于相对于提取电流归一化所述数据。注意，在增加的氩流速下，被定义为锗束流(以毫安为单位)除以总源功率(以千瓦为单位)、再除以提取电流(以毫安为单位)的此度量值会增大。在大于约0.7标准立方厘米/分钟的氩流速的值处，归一化离子源效率的值超过0.1。注意，如图6B中所示，随着氩流速继续增加，归一化离子源效率降低。因此，存在氩流速的上限，超过所述上限的归一化离子源效率将下降至低于0.1。

因此，可为可能的是，预定量的氩(例如0.5标准立方厘米/分钟至2.0标准立方厘米/分钟之间的范围)会在离子源中生成更有效的等离子体。在某些实施例中，预定量的氩可在0.7标准立方厘米/分钟至1.0标准立方厘米/分钟之间。另外，产生此种离子束所需的偏压功率501及电弧功率502实际上较在较低氩流速下所需的偏压功率501及电弧功率502低得多。换言之，当氩流速在预定范围内时，由阴极偏压电源115所提供的功率及由电弧电源111所提供的功率较小，且亦导致较大的锗束流500！此外，注意，偏压功率501及电弧功率502以等级越来越高的氩流速继续减小，但锗束流500亦减小。

实行了测试以确定使用0.8标准立方厘米/分钟的氩流速及5.48标准立方厘米/分钟的锗流速生产的提取离子束的组成。在此测试中，确定锗被提取为Ge

此外，此预定量的氩流速可不受锗流速所支配。举例而言，图7示出锗束流随锗烷流速的变化，氩流速固定在0.8标准立方厘米/分钟处。其他操作条件如下。提取电流被设定为60毫安，且最终束能量被设定为10千电子伏特。注意，锗束流700随增加的锗烷流速而继续增加。此外，包括电弧功率与偏压功率之和的总源功率随锗烷流速增加而实际上减小。

因此，公开一种通过向锗烷中添加预定量的氩来增加锗束流的方法。在某些实施例中，该些气体被引入至间接加热式阴极离子源10中。在其他实施例中，所述气体被引入至射频离子源200中。在某些实施例中，没有卤素气体被引入至离子源中。此起到延长离子源的寿命的作用。在某些实施例中，离子源可为束线离子植入系统(beamline ionimplantation system)的组件。所引入的氩的量可有所变化，且可在0.5标准立方厘米/分钟至2.0标准立方厘米/分钟之间。在其他实施例中，氩的量可在0.7标准立方厘米/分钟至1.0标准立方厘米/分钟之间。对于间接加热式阴极离子源，所引入的锗烷的量可在1.2标准立方厘米/分钟至17.3标准立方厘米/分钟之间。对于射频离子源，最大锗烷流速可高达约30标准立方厘米/分钟。此外，在某些实施例中，氩流速的量使得离子源的效率大于每千瓦源功率4毫安或锗束流。在某些实施例中，氩流速的量使得归一化离子源效率大于0.1。

在某些实施例中，公开一种将锗烷及氩引入至腔室中的离子源，其中对于间接加热式阴极离子源，氩的量在0.5标准立方厘米/分钟至2.0标准立方厘米/分钟之间。在某些实施例中，氩的量在0.7标准立方厘米/分钟至1.0标准立方厘米/分钟之间。对于例如图2中所示的射频离子源，氩流速可在0.5标准立方厘米/分钟至约3.0标准立方厘米/分钟之间。质量流量控制器可用于调节被引入至腔室中的锗烷及氩的量。在某些实施例中，离子源是间接加热式阴极离子源。在其他实施例中，离子源包括射频离子源。

如上所述，由于例如精密材料工程(PME)、选择性区域处理(SAP)及定向蚀刻等制程，氩的使用亦有所增加。任何增加氩束流的技术将为有益的。

在一测试中，据发现，将锗烷引入至具有氩的离子源中实际上增加了氩束流！图8示出曲线图，在曲线图中，垂直轴表示氩束流，且水平轴表示被引入至图1所示间接加热式阴极离子源10中的锗烷的量。提取电流被设定为60毫安，且束能量为20千电子伏特。另外，氩流速被设定为2.5标准立方厘米/分钟。所述线表示氩束流800。该些参数均不会随锗烷流速增加而改变。

在无锗的情况下，测量出氩束流800为27.2毫安，此被视为基线条件(baselinecondition)。通过添加少量锗烷，氩束流800增加，且在较基线大约15％的值处达到了峰值。具体而言，在0.43标准立方厘米/分钟的锗烷流速下，氩束流800增加至31.1毫安。有趣的是，提取离子束的光谱并未显示锗的任何存在。在更高的锗烷流速下，氩束流800开始减小。不拘泥于任何特定理论地，可能的是，电荷中和(charge neutralization)(特别是在束提取区中的电荷中和)可能随增加的锗烷的量而增加。此外，据信，最佳量的锗烷会修改放电条件(例如等离子体电子能量分布)，此会促进氩离子的产生。

尽管0.43标准立方厘米/分钟似乎是最佳值，然而，注意，当锗烷的量在0.35标准立方厘米/分钟至1.00标准立方厘米/分钟之间时，达成了有益的结果。

因此，公开一种通过向氩中添加预定量的锗烷来增加氩束流的方法。在某些实施例中，该些气体被引入至间接加热式阴极离子源10中。在其他实施例中，所述气体被引入至射频离子源200中。在其他实施例中，离子源可利用设置于离子源的腔室内或附近的伯纳斯源、电容耦合等离子体源、电感耦合源或微波耦合等离子体源。在某些实施例中，离子源可为束线离子植入系统的组件。所引入的锗烷的量可有所变化，且可在0.35标准立方厘米/分钟至1.00标准立方厘米/分钟之间。

在某些实施例中，公开一种将锗烷及氩引入至腔室中的离子源，其中锗烷流速在0.35标准立方厘米/分钟至1.00标准立方厘米/分钟之间。可使用质量流量控制器调节被引入至腔室中的锗烷及氩的量。在某些实施例中，离子源是间接加热式阴极离子源。在其他实施例中，离子源包括射频离子源。在其他实施例中，离子源可利用设置于离子源的腔室内或附近的伯纳斯源、电容耦合等离子体源、电感耦合源或微波耦合等离子体源。在某些实施例中，没有卤素气体被引入至离子源中。

在另一实施例中，锗烷被添加至离子源中的氩中，进而使得在相同提取电流下，氩束流相较于无锗烷的基线而言增加至少10％。在一些实施例中，在相同的提取电流下，增加量可为15％。

本公开的方法及设备具有诸多优点。首先，如上所述，锗束的生产不使用卤素。此增加了离子源的寿命。众所习知，卤素(例如氟)可能会蚀刻离子源的壁以及间接加热式阴极离子源的阴极。自离子源消除氟的能力极大地延长了离子源的寿命。另外，利用GeF

就氩离子束而言，氩束流可增加约15％，而不影响离子源的操作或离子束组成。

本公开的范围不受本文所述的具体实施例限制。实际上，通过阅读以上说明及附图，除本文所述实施例及润饰外，本公开的其他各种实施例及对本公开的其他各种润饰亦将对此项技术中技术人员而言显而易见。因此，此种其他实施例及润饰旨在落于本公开的范围内。此外，尽管本文中已出于特定目的而在特定环境中的特定实施方式的上下文中阐述了本公开，然而此项技术中技术人员将认识到，本公开的有用性并非仅限于此且本公开可出于任意数目的目的而在任意数目的环境中有益地实施。因此，以下提出的权利要求应虑及本文所述的本公开的全部广度及精神来加以解释。