用于在碳注入期間延長離子源壽命和改善離子源性能的組合物的制作方法
【專利摘要】提供了一種用于在碳注入期間延長離子源壽命和改善離子源性能的新型方法和系統。特別是，碳離子注入工藝包括利用包含一氧化碳和一種或更多種由式CxFy(其中x≥1且y≥1)表示的含有碳的含氟氣體的摻雜物氣體混合物。至少一種含有碳的含氟氣體以基于摻雜物氣體混合物的體積計約3-12體積百分比(vol%)包含在混合物中。氟離子、自由基或其組合由電離的摻雜物氣體混合物釋放并且沿著反射電極、提取電極和室的表面中的至少一個與基本上由碳衍生的沉積物反應以減少沉積物的總量。這樣，單個摻雜物氣體混合物能夠提供碳離子并且移除和消除在碳注入期間典型地遇到的寬范圍的成問題的沉積物。
【專利說明】用于在碳注入期間延長離子源壽命和改善離子源性能的組合物
發明領域
[0001]本發明涉及用于在碳注入期間延長離子源壽命和改善離子源性能的新型氣體組合物。
[0002]發明背景
離子注入是半導體/微電子制造中的重要工藝。將離子注入工藝用于集成電路制造以將控制量的摻雜物離子引入至半導體晶片中。離子源用于為來自摻雜物氣體的多種離子種類產生明確的離子束。摻雜物氣體的電離產生離子種類，該離子種類隨后可注入到給定工件中。
[0003]碳作為廣泛使用的摻雜物在半導體工業中出現，用于多種材料改性應用如抑制共摻雜物擴散或增強所摻雜區域的穩定性。在這點上，二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)為用于碳注入的兩種常用的摻雜物氣體源。但是，C02和CO傾向于沉積物沿著離子室的表面蓄積。附加的沉積物可沿著離子源裝置的電極的表面形成。沉積物可直接由摻雜物氣體形成或由摻雜物氣體和/或其電離產物與室組件的相互作用形成。
[0004]此類沉積物形成是成問題的。沿著離子注入系統的電極表面的沉積物產生對高能高壓放電敏感的條件。電壓放電導致束電流瞬間下降，通常稱為“束故障(beamglitching) ”。提取孔上的沉積物使束均勻度降低，并由此降低摻雜區域中摻雜物水平的均勻度。如本領域通常已知離子源操作期間的束均勻度和束故障次數(即，故障率)可以是離子注入系統(如，例如帶狀束離子注入系統)性能的關鍵度量標準。
[0005]基于工藝靈敏度，可存在對故障率和/或束不均勻度的上閾限，超出該上閾限注入工藝不能以可接受的效率運行。在離子源性能下降超出上閾限的事件中，用戶必須停止注入操作并且執行維護或替換離子源。這種停工期導致離子注入系統的生產率損失。因此，期望使離子源的正常運轉維持延長的時間期間以便執行有效的注入工藝。
[0006]將要討論的是，在本發明的其它優勢中，在離子注入工藝期間使沉積物和束故障降至最低的改進的方法和系統是期望的。
[0007]發明概述
本發明部分涉及用于延長離子源壽命和改善離子源性能的組合物。已發現使用的摻雜物氣體組合物對減少離子裝置內的沉積物蓄積以及改善離子源性能的能力具有顯著影響。
[0008]已發現，使用摻雜物氣體混合物(其包含第一碳基種類的一氧化碳和第二碳基種類的有效量的由式CxFy表示并含有碳的含氟氣體)，減少碳基沉積物且實際上消除碳注入工藝期間鎢再生長和氧化物沉積物。因此，延長離子源壽命。另外，與常規離子注入工藝和系統相比，離子束的故障顯著減少。產生的束電流維持在足夠高的水平以實現電離的摻雜物氣體以所需劑量的注入。
[0009]在第一方面，提供了氣體組合物，其包含氣體混合物，該氣體混合物包含一氧化碳和一種或更多種由式CxFy (其中X >1且y > I)表示的含有碳的含氟氣體，其中含有碳的含氟氣體為基于氣體混合物的體積計約1-20體積百分比(vol%)的有效量。[0010]在第二方面，提供了氣體組合物，其包括第一碳基種類的一氧化碳和第二碳基種類的由式CxFy (其中X >1且7 ^ I)表不的含有碳的含氟氣體。第一碳基種類和第二碳基種類各自以有效量被包含以電離所述第一碳基種類和所述第二碳基種類的至少一部分用于產生碳離子。[0011]有利地，可使用商業上可獲得的系統組件構建本發明的系統，因此啟動和簡化系統的整體組裝及其使用方法。可使用標準技術或設備進行離子注入工藝的方面。
[0012]附圖簡述
結合所附附圖根據下文其優選實施方案的詳細描述將更好地理解本發明的目的和優勢，其中通篇類似的數字表示相同的特征件并且其中:
圖1顯示結合本發明原理的離子注入裝置；
圖2顯示使用C02-基摻雜物氣體混合物的電離試驗的結果；及 圖3顯示使用CO摻雜物氣體的電離試驗的結果；
圖4顯示使用含有CO和10% CF4的摻雜物氣體混合物的電離試驗的結果；
圖5顯示在圖1的離子裝置內使用摻雜物氣體CO的電離試驗的結果；
圖6a和6b顯示在圖1的離子裝置內使用含有CO和5% CF4的摻雜物氣體混合物的電離試驗的結果；
圖7a和7b顯示在圖1的離子裝置內使用含有CO和10% CF4的摻雜物氣體混合物的電離試驗的結果；及
圖8a和8b顯示在圖1的離子裝置內使用含有CO和15% CF4的摻雜物氣體混合物的電離試驗的結果。
[0013]發明詳述
如本文所用，所有濃度均表示為體積百分比。關于圖1，顯示了根據本發明原理的示例性離子注入裝置100。圖1中所述的離子源裝置100具有各種組件，包括旁熱式陰極(indirectly heated cathode) (IHC) 115,其充當摻雜物氣體混合物的電離源。應理解，本領域已知的其它類型的離子源可用于本發明，包括例如Freeman源、Bernas源和RF等離子體源。圖1的離子源裝置100優選用于產生注入到半導體基底中的碳離子。如將要解釋的是，與常規碳摻雜物注入系統相比，本發明通過顯著減少裝置100表面上的碳基和氧化物基沉積物的量使得離子源壽命延長。如本文所用，術語“碳基沉積物”包括元素碳、碳化鎢和其它含有碳的沉積物。如本文所用，術語“氧化物基沉積物”包括各種離子室組件的氧化，如例如氧化鎢(WOx)。進一步，本發明有利地消除元素鎢(W)在裝置100表面上的再生長。此外，與為碳離子注入所產生的常規離子束源相比，就束故障率降低和更多的均勻束電流而論改善離子源的整體性能。
[0014]參考圖1，將摻雜物氣體混合物102通過延伸經由弧形室壁111的氣體進料線113引入離子源室112中。如本文所用，術語“摻雜物氣體混合物”是指摻雜物氣體混合物的種類中的每一種促進所需離子種類注入到給定工件中。在優選的實施方案中，摻雜物氣體混合物102為包括兩個碳基種類的碳摻雜物氣體混合物。第一碳基種類是CO。第二碳基種類是含有碳的含氟氣體。通過施加來自動力供應源(未顯示)的預定電壓以電阻式地加熱位于IHC 115附近的燈絲114，使室112內的碳摻雜物氣體混合物102經受電離。燈絲114相對于IHC 115可為負偏置的。絕緣體118以電氣和熱的方式隔離IHC 115與弧形室壁111。由燈絲114發射的電子向IHC 115加速以加熱IHC115至其自身熱電子發射溫度。由陰極115發射的電子加速并向弧形室112行進以電離位于其內的碳摻雜物氣體混合物102。碳摻雜物氣體混合物102的經電離的氣體分子產生等離子體環境。可提供反射電極116與IHC115完全相對地布置以限定等離子體環境并且控制室112內摻雜物氣體混合物102的電離。碳摻雜物氣體混合物102的電離引起氟作為氟陰離子、陽離子、自由基或其組合釋放，其然后可通過侵蝕任何碳沉積物進行原位反應，所述碳沉積物可能已蓄積在壁111、燈絲114、抑制電極119、接地電極120和/或反射電極116的表面上。將此類沉積物轉化成揮發性氟化碳，因此減少沿著各個表面的碳基沉積物的整體蓄積。此外，氟化物離子和自由基可同時與存在于氣相中的碳離子和碳自由基再組合，并且由摻雜物氣體混合物的電離形成。因此，防止在室112內的進一步碳基沉積。凈結果為沿著離子源裝置100的表面的碳基沉積物顯著減少。
[0015]除上文提及的含有碳的含氟氣體的清除效果之外，摻雜物氣體混合物的種類中的每一種經電離產生形成所得碳離子束的一部分的碳離子。這樣，與現有技術不同，本發明使用雙重目的摻雜物氣體混合物，其中摻雜物氣體混合物的種類中的每一種提供用于注入的碳離子源，同時能夠原位自動清潔沉積物并且防止特定類型的沉積(即，W再生長和氧化物基沉積物)。
[0016]碳離子以所需能量的碳離子束的形式從離子源室112提取。用于適宜提取的技術可通過橫跨提取電極兩端施加高壓而進行，該提取電極由抑制電極119和接地電極120組成。如圖1中所示，這些抑制電極119和接地電極120中的每一種分別具有與提取孔117對齊的孔以確保從弧形室112提取出的離子束121是明確的。所得離子束121可通過質譜分析儀/濾器運輸以選擇特定質量離子注入到工件中。然后可將離子束121運輸到工件如半導體晶片的表面，以向其注入碳離子。束121的碳離子穿透半導體晶片的表面以形成具有所需電氣和/或物理性質的某一深度的摻雜區域。
[0017] 申請人:已認識到優于C02的CO益處。CO種類的摻雜物氣體混合物102在離子源室112環境中表現為還原氣體。另一方面，C02表現為氧化氣體，其趨于氧化鎢室組件以形成WOx沉積物。通常在裝置100的反射電極116、陰極電極115和/或提取總成(S卩，抑制電極119和接地電極120)的區域內發現這些WOx沉積物。WOx沉積物可具有導電性并且可引起電氣短路以及離子源故障。為了進一步解決該問題，WOx沉積物在離子束線中產生顆粒。此外,W內襯或其它W組件上的WOx形成可使電氣性質變差，由此需要較高電壓以維持穩定的等離子體。
[0018]CO避免此類加工挑戰。CO種類的還原性質產生在室112內的環境，這種環境不助于形成氧化物層沉積物以便消除沿著離子注入裝置100的表面的任何氧化物層形成的檢測。盡管相比于C02，CO中的氧含量的缺乏會減少WOx沉積物的蓄積，但是CO本身不是適用于碳離子注入的摻雜物氣體源，因為形成大量的碳和碳化鎢沉積物。尤其是，可由于CO的等離子體分解而形成C沉積物，然而WC沉積物可由于CO和其等離子體碎片產物與W室組件的相互作用而形成。
[0019]為了減少由單獨CO引起的碳基沉積物， 申請人:鑒定CO與含有碳的含氟氣體組合的摻雜物氣體混合物表現得非常好以減少當使用單獨CO時所觀察到的碳沉積。在優選的實施方案中，含氟氣體為不含氧的四氟化碳(CF4)。在可選的實施方案中，含氟氣體可以為不含氧的氫氟碳。
[0020]在又一個實施方案中，預期也可使用與式CaFb(其中a≥2且b≥2)的高階氟碳化合物混合的CO以形成摻雜物氣體混合物。高階氟碳化合物的適合的含氟氣體的實例可包括但不限于C2F6' C2F4' C3F8和C4F8O
[0021]一氧化碳與含氟氣體的組合由整個摻雜物氣體混合物組成且特別排除附加的氧的并入，目的是消除氧化物層生長和保持更長的離子源壽命，較低的束故障率和均勻的束電流 。
[0022]進一步， 申請人:已證實，維持本發明的摻雜物氣體混合物中含氟氣體的濃度在較窄范圍內以達到用于碳注入的所需性能是必要的。摻雜物氣體混合物內含氟氣體的濃度為基于摻雜物氣體混合物的體積計約1%至約20%、更優選為約3%至約13%、更優選為約5%至約10%。當含氟氣體低于下限時，碳沉積趨于增加至不合格的高水平，從而嚴重縮短離子源壽命。另一方面，當含氟氣體高于上限時，氟趨于與由鎢形成的室組件相互作用，由此導致揮發性氟化鎢(例如，WFx，其中X = I至6)形成，并隨后遷移至離子源內較熱的表面，在那里它們可以元素鎢(W)形式重新沉積并且可能引起離子源的過早失效。用具有特定組成范圍的含氟氣體的摻雜物氣體混合物運行離子源裝置100，意外地提供足量的氟以減少由碳衍生的室表面上的沉積物的量，但未超出鎢重新沉積易于發生的上限。
[0023]因此，特定濃度范圍內的CO與含氟氣體的組合產生改善的摻雜物氣體混合物，其能夠使室112表面上的大量有問題的沉積物減到最少而不損害CO和含氟氣體各自提供碳離子以產生具有充足束電流的碳離子束的能力。特定濃度范圍內的摻雜物氣體混合物是可減少沉積但仍維持所需離子束電流以滿足生產率需求的新型混雜組合物。
[0024] 申請人:已執行數個實驗來比較本發明的摻雜物氣體混合物與其它摻雜物氣體材料，如目前將要討論的。
[0025]比較實施例1
進行電離試驗以評價由C02構成的摻雜物氣體生成碳離子束的能力。在短期操作后由于WOx沉積物在電離室內的蓄積而需要中止電離工藝。圖2顯示布置在離子源室內側的基底上形成的沉積物，這表明電離室內側形成的沉積物的程度。使用本領域已知的X射線光譜學技術分析基底板上的沉積物。WOx沉積物看似為薄片狀性質。過量殘余物形成和短離子源壽命歸因于CO2等離子體的氧化性質，其導致源室中鎢(W)組件的氧化以產生氧化鎢(WOx)沉積物。
[0026]比較實施例2
進行電離試驗以評價由純CO構成的摻雜物氣體產生碳離子束的能力。盡管未檢測出WOx沉積物，但是觀察到，使用純的CO作為摻雜物氣體源導致在離子源運行期間形成重碳(C)沉積物和碳化鎢(WC)沉積物(圖3)。通過X射線光譜學分析沉積物。當觀察到的C和WC沉積物引起離子束故障(其導致電離工藝期間不穩定的束電流)時，需要中止電離工藝。據認為，C沉積物為CO的等離子體分解的結果，并且WC沉積物為CO及其等離子體碎片產物與鎢室組件的相互作用的結果。C/WC沉積物的影響與Wox類似，并因此，CO基摻雜物氣體遭受與CO2基摻雜物氣體混合物類似的短離子源壽命的問題。
[0027]實施例3
使用與上述實驗進行的相同離子源室，進行電離試驗以評價由CO和在體積基礎上10%CF4構成的摻雜物氣體產生碳離子束的能力。沿著基底板表面觀察到的沉積物的量顯著低于當使用純的CO或C02-基的摻雜物氣體時形成的沉積物，如在基底板周圍的沉積物的較暗的環所示。觀察到，使用CO + 10% CF4不會引起任何氧化物沉積物、碳沉積物、碳化鎢沉積物或氧化鎢沉積物的大量蓄積(圖4)。通過X射線光譜學對沉積物的分析表明一些碳沉積，但沒有達到出現離子束故障的程度。
[0028]實施例1-3中的上述試驗證明，CO + 10% CF4表現得比單獨CO或C02-基的摻雜物氣體混合物好。下面顯示的接下來的系列試驗比較了在含有余量CO的摻雜物氣體混合物中各種濃度水平的CF4。
[0029]實施例4
為了建立基線和確定比較實施例2中所得的結果，進行電離試驗以評價由CO構成但不含CF4的摻雜物氣體產生碳離子束的能力。所用的離子源裝置與圖1中所示的類似。將CO摻雜物氣體引入離子源裝置中。將電壓施加至離子源IHC以電離CO。在電離工藝期間，沿著抑制電極表面觀察到大量的C和WC沉積物，如圖5中所示。
[0030]實施例5
在圖1的離子源裝置100中使用CO時已建立基線，使用CO + 5% CF4的摻雜物氣體混合物進行電離試驗。在電離摻雜物氣體混合物期間，沿著抑制電極的表面觀察到相對少量的碳基沉積物(C和WC)，如圖6a中所示。實際上沿著反射電極沒有觀察到W再生長，如圖6b中所示顯然沿著反射電極的表面不存在須樣結構。
[0031]實施例6
使用圖1的離子束裝置，進行電離試驗以評價由CO和在體積基礎上10% CF4構成的摻雜物氣體混合物產生碳離子束的能力。在電離摻雜物氣體混合物期間，沿著抑制電極的表面觀察到相對少量的碳基沉積物(C和WC)，如圖7a中所示。C和WC沉積物的量與圖6a的相當。觀察到沿著反射電極的表面的一些W須樣結構，如圖7b中所示。
[0032]實施例7
使用CO + 15% CF4作為摻雜物氣體混合物，進行另一個電離試驗。沿著抑制電極的表面的C和WC沉積物的量示于圖8a中。所觀察到的C和WC沉積物的量與當在實施例5中電離CO + 5% CF4時以及在實施例6中電離CO + 10% CF4時的量相當。但是，如圖8b中所示，沿著反射電極的表面觀察到的W再生長的量與先前試驗相比顯著更高。
[0033]上述實施例4-7的試驗表明，含有增加量的CF4的摻雜物氣體混合物不一定使C、WC和W沉積物離子的量減至最小。實驗揭示，摻雜物氣體混合物內CF4的濃度有上限。特別是，實施例表明以15% CF4添加的摻雜物氣體混合物導致在反射極上過量的W再生長，如圖8b中所示。過量的W沉積不利地影響離子源性能并且導致離子源壽命縮短。因此，似乎存在使沉積物形成降至最低的CF4的濃度范圍。
[0034]適當的離子束性能(如由足夠高的束電流測量的)是摻雜物氣體混合物必須展示的另一個設計屬性。減少的束電流需要離子裝置運行更努力(即，使用更大的功率消耗需求)。因此，工件需要被加工更久以達到所需的注入到工件中的摻雜物劑量。更長的加工時間和更高的功率消耗需求可轉化為顯著更低的束設備生產率，以及離子源更快速降級的趨勢。進一步，即使給定摻雜物氣體可產生較高的束電流，由于更長的加工時間，摻雜物氣體可傾向于產生更多的沉積蓄積，由此導致離子源經受更頻繁的束故障和/或束電流不均勻度。通過舉例的方式，盡管CO自身能夠產生相對高的束電流，但是其具有沉積大量碳和碳化鎢沉積物的趨勢，使得離子源壽命嚴重縮短，從而未曾實現所需的工件生產率。因此，摻雜物氣體混合物必須能夠產生且維持足夠高的且均勻的束電流，同時使在離子注入工藝期間的沉積減至最低以便達到所需摻雜物劑量并且維持可接受的生產率。
[0035]在本發明中，已發現在離子源室中引入包括CO和由式CxFy(其中X≥I且y≥
I)表示的第二碳基種類的摻雜物氣體混合物允許當CxFy以最佳濃度范圍存在時離子源壽命與待達到的離子源性能的要素平衡。通常來講，太高水平的含有碳的含氟種類(即，CxFy)導致不合格的低離子束電流水平，而太低水平的CxFy種類導致高量的碳和鎢沉積并由此導致較差的離子源壽命。與常規碳離子注入工藝相比，約3-12體積百分比(vol%)的特定范圍的CxFy達到充足的離子源壽命并改善的離子源性能。
[0036]也預想CO可與一種以上的含氟C氣體混合以達到所需摻雜物氣體混合物。含氟C氣體可選自但不限于CF4、C2F6、C2F4、C2F2、C4F8。
[0037]應理解，本發明的氣體組合物具有其它應用。例如，氣體組合物可在適宜的加工條件下用于化學氣相沉積或原子層沉積工藝以改變氣體混合物化學，以便引起薄膜碳層的沉積。可選地，氣體組合物也可用于將金屬氧化物層還原成金屬層。通過舉例的方式，氧化鎢可在C0+CF4環境中退火以將氧化鎢還原成金屬鎢層。CO充當還原氣體以從氧化鎢層提取氧，由此將氧化鶴還原成元素鶴。此外，CF4的存在可通過潛在地氟化氧化鶴層而加速氧化鎢至元素鎢的還原，由此增強其去除率。凈結果為氧化鎢更快速地回到純鎢層的能力。
[0038]盡管已顯示并描述被視為本發明的某些實施方案，但是當然，應理解可在不偏離本發明的精神和范圍下容易地進行形式或細節的各種更改和變化。因此，本發明意欲不僅不限于本文所示和描述的精確形式和細節，而且不限于小于本文公開的和下文要求保護的本發明整體的任何事物。
【權利要求】
1.一種氣體組合物，其包括: 包含一氧化碳和一種或更多種由式CxFy表示的含有碳的含氟氣體的氣體混合物，其中X≥I且y≥I; 其中所述含有碳的含氟氣體為基于所述氣體混合物的體積計約1-20體積百分比(V01%)的有效量。
2.如權利要求1所述的氣體組合物，其中所述含有碳的含氟氣體中的至少一種為基于所述氣體混合物的體積計約3-15 V01%的有效量。
3.如權利要求1所述的氣體組合物，其中所述含有碳的含氟氣體中的至少一種為基于所述氣體混合物的體積計約5-10 V01%的有效量。
4.如權利要求1所述的氣體組合物，其中所述一種或更多種含有碳的含氟氣體選自由以下組成的組:C2F6、CF4、C4F8、C2F4及其混合物。
5.如權利要求1所述的氣體組合物，其中所述一種或更多種含有碳的含氟氣體為基于所述氣體混合物的體積計約3-10 V01%的有效量的CF4。
6.如權利要求1所述的氣體組合物，其中所述含有碳的含氟氣體為基于所述氣體混合物的體積計約3-10 V01%的有效量的C2F6。
7.如權利要求1所述的氣體組合物，其中所述含有碳的含氟氣體為基于所述氣體混合物的體積計約3-10 V01%的有效量的C2F6。
8.如權利要求1所述的氣體組合物，其中所述含有碳的含氟氣體選自由以下組成的組:C2F6、CF4、C4F8、C2F4及其混合物，并且進一步其中含氟氣體以基于所述氣體混合物的體積計約3-15 vol%的有效量被包含。
9.如權利要求1所述的氣體組合物，其中X= I至6且y = I至10。
10.一種氣體組合物，其包括: 包含第一碳基種類的一氧化碳和由式CxFy表示的第二碳基種類的含有碳的含氟氣體的氣體混合物，其中X ≥1且y ≥ I，所述第一碳基種類和第二碳基種類各自以有效量被包含以電離所述第一碳基種類和所述第二碳基種類的至少一部分用于產生碳離子。
11.如權利要求10所述的氣體組合物，其中所述含有碳的第二碳基種類為基于所述氣體混合物的體積計的約1-20體積百分比(vol%)的有效量。
12.如權利要求10所述的氣體組合物，其進一步包含氫。
13.如權利要求10所述的氣體組合物，其中所述第二碳基種類選自由以下組成的組:C2F6、CF4、C4F8、C2F4 及其混合物。
14.如權利要求10所述的氣體組合物，其中所述第二碳基種類為基于所述氣體混合物的體積計約3-10 V01%的有效量的CF4。
15.如權利要求10所述的氣體組合物，其中所述氟的至少一部分由所述第二碳基種類電離。
【文檔編號】H01J37/08GK103515173SQ201310245390
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月20日 優先權日:2012年6月20日
【發明者】A.K.辛哈, L.A.布朗, S.坎珀 申請人:普萊克斯技術有限公司