專利名稱：改善p3i腔室中共形摻雜的方法
技術領域：
本發明的實施例大體上是關于半導體制造過程和裝置的領域，更具體地，是關于通過等離子體浸沒離子注入處理將離子注入到基板中的方法。
背景技術：
集成電路可包括超過一百萬個微電子場效晶體管(例如，互補金氧半導體(CMOS) 場效晶體管)，其形成在基板(例如，半導體晶片)上，并合作以執行電路內部的不同功能。 CMOS晶體管包括柵極結構，其設置在形成于基板中的源極和漏極區域之間。柵極結構大體上包括柵極電極和柵極介電層。柵極電極設置在柵極介電層上方，以控制形成在漏極和源極區域之間并位于柵極介電層下方的信道區域中的電荷載體流。離子注入工序典型用于注入或摻雜離子至基板中，并在基板上形成具有所需輪廓 (profile)和濃度的柵極和源極、漏極結構。在離子注入工序期間，不同的處理氣體或氣體混合物可用于提供離子源種(species)。當供應處理氣體至離子注入處理腔室(例如，商業上可由加州圣克拉拉的應用材料公司購得的P3i腔室)中時，氣體經過處理作用以解離離子，而離子接著加速朝向基板表面并進入其中。由于加速至基板表面的離子典型為諸如一個方向的移動的線性移動，故離子大部分注入到形成在基板表面上的結構(例如，圖案或溝槽)的底表面中，而非注入到結構的側壁。非共形(non-conformal)的離子摻雜可導致跨越基板表面的不足及/或不均勻的離子濃度、輪廓、尺寸和分布，特別是在形成于基板表面中的特征結構定義(feature definition)中尤其如此，從而不利地影響電子組件的總效能。隨著關鍵尺寸(critical dimension)縮小，離子注入的精確度變得愈為重要。因此，需要一種改善的離子注入工序，以在基板表面上和在特征結構定義中提供更為共形的離子注入。
發明內容
本發明提供通過具有平衡的蝕刻-沉積工序的等離子體浸沒離子注入處理而將離子注入到基板中的方法。在一實施例中，一種注入離子到基板中的方法包含以下步驟提供基板至處理腔室中，該基板包括具有一或多個形成在其中的特征結構的基板表面，且每一特征結構具有一或多個水平表面和一或多個垂直表面；從含有反應氣體的氣體混合物產生等離子體，該反應氣體適于產生離子；在該基板表面上和在該基板特征結構的至少一水平表面上沉積材料層；通過各向同性的工序而將來自該等離子體的離子注入到該基板中， 且將來自該等離子體的離子注入到至少一水平表面中和至少一垂直表面中；以及通過各向異性工序而蝕刻該基板表面上和該至少一水平表面上的該材料層。在另一實施例中，一種注入離子到基板中的方法包含以下步驟提供基板至處理腔室中，該基板包括具有一或多個形成在其中的特征結構的基板表面，且每一特征結構具有一或多個水平表面和一或多個垂直表面；從含有反應氣體的氣體混合物產生等離子體， 該反應氣體適于產生離子；在該基板表面上和在該基板特征結構的至少一水平表面上沉積材料層；通過各向同性工序而將來自該等離子體的離子注入到該基板中、且將來自該等離子體的離子注入到至少一水平表面中和至少一垂直表面中；從至少一水平表面到濺射一部分的該材料層、一部分的該些注入離子或其組合到至少一垂直表面；以及通過各向同性工序蝕刻該基板表面與該一或多個水平表面和一或多個垂直表面。在另一實施例中，一種注入離子到基板中的方法包含以下步驟提供基板至處理腔室中，該基板包括具有一或多個形成在其中的特征結構的基板表面，且每一特征結構具有一或多個水平表面和一或多個垂直表面；在該基板表面上和在該基板特征結構的至少一個水平表面上沉積材料層；從含有反應氣體的氣體混合物產生等離子體，該反應氣體適于產生離子；通過各向同性工序而將來自該等離子體的離子注入到該基板中、且將來自該等離子體的離子注入到至少一水平表面中和至少一垂直表面中；以及通過各向異性工序而蝕刻該基板表面上和該至少一水平表面上的該材料層。
為讓本發明的上述特征更明顯易懂，可配合參考實施例對上面簡要描述的本發明進行詳細說明，其部分已表示如附圖。須注意的是，雖然附圖揭露本發明特定實施例，但其并非用以限定本發明的范圍，因為本發明可作其他等效實施例。圖IA至IB表示適于實行本發明的等離子體浸沒離子注入工具的一實施例；圖2表示流程圖，其說明根據本發明的一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法；圖3A至3D表示根據本發明的一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法的概略側視圖；圖4表示流程圖，其說明根據本發明的另一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法；圖5A至5D表示根據本發明的另一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法的概略側視圖。為便于理解，圖中相同的組件符號盡可能地表示相同的組件。一實施例采用的組件當不需特別詳述而可應用到其它實施例。然而，須注意的是，雖然附圖揭露本發明特定實施例，但其并非用以限定本發明的范圍，因為本發明可作各種等效實施例。
具體實施例方式本發明的實施例提供通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子到基板中的方法。本發明可用在柵極結構或源極/漏極區域的形成，其包括但不限于多晶摻雜(poly doping)、反向多晶摻雜(counter-poly doping)、超淺接面(junction)和用于形成在基板上的結構的共形摻雜等等。離子注入工序可用在諸如DRAM、邏輯產品和閃存的不同應用中。 在一實施例中，離子注入工序通過供應含有反應氣體(舉例來說，含硼氣體)的氣體混合物來執行。產生等離子體以從氣體混合物解離離子，從而形成離子源，而離子朝電偏壓基板加速并注入到其中及/或在基板表面上沉積為材料層。注入的離子也可稱為摻質(dopant)。 沉積材料可部分或完全地移除，以造成摻質材料設置在基板表面中。沉積和移除工序在設置于基板表面中的結構的底部和側壁內提供共形的摻雜輪廓。或者，在蝕刻工序之前，沉積材料可濺射或再沉積在基板表面上。在進一步的替代實施例中，沉積材料可在離子注入前以分開的工序而沉積。圖IA表示等離子體處理腔室100，其可用于實行根據本發明的一實施例的離子注入工序。一可實行該工序的適當的反應器腔室為一 P3i 反應器腔室，其可購自加州圣克拉拉的應用材料公司。能預期此處所述的方法可在其它適當且適合的等離子體反應器中實行，包括購自其它制造商的那些反應器。其它適當的反應器腔室包括2006年8月22日核發的美國專利第7，094，670號以及2002年12月17日核發的美國專利第6，494，986號中所述的腔室，特將其兩者并入此中以供參照至與此處詳述的權利要求和敘述一致的范圍。處理腔室100包括腔室主體102，其具有底部124、頂部1 和圍繞處理區域104 的側壁122。基板支撐組件1 從腔室主體102的底部IM支撐，并適于接收用于進行處理的基板106。氣體分配板130耦合至腔室主體102的頂部126，并面對基板支撐組件128。 泵接口 132限定在腔室主體102，并耦合至真空泵134。真空泵134通過節流閥136而耦合至泵接口 132。氣源152耦合至氣體分配板130，以供應在基板106上執行的處理的氣體前驅物化合物。圖IA所表示的處理腔室100進一步包括等離子體源190，其最佳顯示于圖IB的透視圖中。等離子體源190包括一對分開的外部重入導管(reentrant conduit) 140、140，，其裝配在腔室主體102的頂部1 的外側上，并配置為彼此相互橫越(或如圖IB所表示的示范實施例那樣而彼此相互正交)。第一外部重入導管140具有第一端140a，該第一端140a 通過形成在頂部126中的開口 198耦合至腔室主體102中的處理區域104的第一側中。第二端140b具有耦合至處理區域104的第二側中的開口 196。第二外部重入導管140’具有第一端140a，，該第一端140a，具有耦合至處理區域104的第三側中的開口 194 ；第二外部重入導管140’還具有第二端140b’，該第二端140b’具有進入處理區域104的第四側中的開口 192。在一實施例中，第一和第二外部重入導管140、140’是配置為彼此相互正交，從而提供每一外部重入導管140、140，的兩端140a、140a，、140b、140b，以約90度的間隔環繞腔室主體102的頂部126的周圍配置。外部重入導管140、140’的正交配置允許等離子體源在處理區域104各處均勻分布。可預期第一和第二外部重入導管140、140’可具有其它配置，以用于控制處理區域104中的等離子體分布。磁導性(magnetically permeable)環形磁芯142、142，圍繞對應的一個外部重入導管140、140’的一部分。導電線圈144、144’通過各自的阻抗匹配電路或組件148、148’ 耦合至各射頻(RF)等離子體源功率來源146、146’。每一外部重入導管140、140’為分別通過絕緣環形圈150、150’中斷(interrupt)的中空導電管，絕緣環形圈150、150’分別中斷外部重入導管140、140，的兩端140a、140b (和140a，、140b，)間的其它的連續電路徑。基板表面的離子能量受射頻等離子體偏壓功率產生器154的控制，該射頻等離子體偏壓功率產生器巧4通過阻抗匹配電路或組件156而耦合至基板支撐組件128。回頭參照圖1A，含有從處理氣源152供應的氣體化合物的處理氣體通過在頂上的氣體分配板130而引入處理區域104。射頻等離子體源功率來源146從功率施用器(也即， 磁芯142和線圈144)而耦合至在導管140中供應的氣體，而其沿包括外部重入導管140和處理區域104的第一封閉環形路徑產生循環等離子體流(plasma current)。而且，射頻等離子體源功率來源146’可從其它功率施用器(也即，磁芯142’和線圈144’ )耦合至第二導管140’中的氣體，其沿橫越(例如，正交)第一環形路徑的第二封閉環形路徑產生循環等離子體流。第二環形路徑包括第二外部重入導管140’和處理區域104。在每一路徑中的等離子體流以各自的射頻等離子體源功率來源146、146’的頻率振蕩(例如，反向)，該頻率可相同或稍微彼此偏移。在一實施例中，處理氣源152提供不同的處理氣體，而該些處理氣體可用于提供注入到基板106的離子。處理氣體的適當范例包括4H6、AsH3、PH3、PF3、BF3和其組合。每一等離子體源功率來源146、146’的功率是如此操作，以便其結合的效應可有效解離從處理氣源152所供應的處理氣體，并在基板106的表面產生期望的離子通量(ion flux)。射頻等離子體偏壓功率產生器154的功率控制在選定的水平，而在此水平之下，從處理氣體解離所形成的離子可加速朝向基板表面，并以期望的離子劑量而注入在基板106的頂表面下方的期望深度。受控的射頻等離子體源功率和射頻等離子體偏壓功率的結合解離在處理腔室 100中具有足夠動量和期望離子分布的氣體混合物中的離子。離子經過偏壓并被朝向基板表面驅動，從而以期望的離子濃度、分布和離基板表面的深度而注入離子至基板中。舉例來說，以諸如小于約200W的相對低的射頻偏壓功率，則可獲得相對低的等離子體離子能量。具有低離子能量的解離離子可以注入在距離基板表面約1A 約100 A之間的淺深度。或者，從高射頻偏壓功率(例如，高于約1000W)提供并產生的具有高離子能量的解離離子可以注入到基板中而至實質上距離基板表面超過loo A的深度。此外，受控的離子能量和來自所供應的處理氣體的不同類型的離子物種允許離子注入在基板106中，以形成期望的組件結構，諸如基板106上的柵極結構和源極/漏極區域。已觀察到此處在圖2、3A至3D和圖4、5A至5D中所述的處理提供優于先前處理的改善的共形性。共形性(conformality)是摻質在特征結構定義的所有表面中的注入，并以共形性比率表示。共形性比率定義為側壁的摻質劑量(即，劑量)對特征結構的底表面及/ 或頂表面的摻質劑量的比率。舉例來說，如果結構頂表面的諸如硼的摻質劑量(注入為垂直于晶片表面的垂直方向)約為IO"5原子/cm2，且進入結構側壁的摻質劑量約為7X IO15原子/cm2，則共形性比率將約為70%。通過此處所述的注入工序，共形性比率可為約20% 約90%。舉例來說，根據此處所述的過程，硼可注入到約50% 約90%的共形性，且砷可注入到約20% 約30%的共形性。參照圖2和3A至3D，敘述通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子至基板中的方法。圖2表示流程圖，其說明根據本發明的一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法。圖3A至3D表示根據本發明的一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法的概略側視圖。該方法可在諸如此處的圖IA至IB所述的處理腔室100的等離子體浸沒離子注入處理腔室或其它適當且適合的腔室中執行。該方法開始是在處理腔室100中提供一基板。在一實施例中，基板可為諸如氧化硅、碳化硅、結晶硅(例如，硅< 100>或硅< 111 >)、應變硅、硅鍺、摻雜或無摻雜的多晶硅、摻雜或無摻雜的硅晶片、摻雜硅、鍺、砷化鎵、氮化鎵、玻璃和藍寶石的材料。基板可具有不同尺寸，諸如200mm或300mm直徑的晶片，且可為矩形或正方形的片(pane)。除非以其它方式提及，否則此處所述的實施例和范例都在具有300mm直徑的基板上實施。在使用基板形成柵極結構的實施例中，多晶硅層可設置在位于基板上的柵極介電層之上。特征結構310可如圖3A所示形成在基板300中。特征結構可具有一或多個水平表面312和一或多個垂直表面314。基板300可含有欲摻雜的材料(舉例來說，用于ρ型摻雜的η型材料或用于η型摻雜的P型材料)。基板表面的上表面可含有材料316，該材料 316可針對期望結構而摻雜，或可以為無摻雜，以提供與額外特征結構310的摻質隔離。在步驟210中，將氣體混合物供應至處理腔室中(諸如圖IA的處理腔室100)，其可提供用于沉積的材料及/或提供用于注入工序的離子物種。氣體混合物可如圖IA所述那樣從處理氣源152供應至氣體分配板130或通過其它適當的裝置供應。在一實施例中，供應至處理腔室中的氣體混合物含有反應氣體。反應氣體可提供用于在基板表面上以及在特征結構中沉積及/或注入的摻質材料，其含有諸如來自常用的等離子體增強化學氣相沉積處理的硼、鎵、砷、磷和其組合。在一實施例中，可用于沉積材料層的反應氣體包括&H6、AsH3、PH3> PF3> BF3> P2H3> GaN, AsF5和其組合。所沉積的含摻質的材料層340可通過各向同性(isotropic)或各向異性 (anisotropic)工序來沉積。圖說明通過各向異性工序的材料沉積，其中材料層340主要形成在基板和基板特征結構310的水平表面312上。含摻質的材料層340可沉積達約 5 A 約1000 A的厚度(例如，約50 A 約loo A)。含摻質的材料層340可在P3i腔室中通過等離子體處理(例如，通過各向異性等離子體環境)而從射頻放電沉積。反應氣體也可提供在步驟220中欲注入至基板中的期望離子。欲注入的離子也可稱為摻質或摻質物種。舉例來說，反應氣體可提供期望的摻質物種來源(例如，硼、鎵、砷、 磷和其組合)，其用于在電子組件中形成活性摻質，以產生基板的摻雜區域的所期望的電氣性能及/或物理性質。在一實施例中，可用于提供一離子物種來源的反應氣體包括&H6、AsH3> PH3、PF3、 BF3、P2H5, GaN, AsF5和其組合。舉例來說，在反應氣體為氣體的實施例中，B2H6氣體可在注入處理期間解離，以產生&Η5+、ΒΗ2+和H+離子形式的離子物種。圖3C說明通過各向同性工序在基板特征結構300的水平(底部)和垂直表面(側壁)312、314上的離子/摻質 350的注入深度。經注入的摻質350可通過等離子體處理(例如，各向同性等離子體離子環境)從P3i腔室的射頻放電而注入。含摻質的材料層340的沉積和摻質350的離子注入可在相同工序中同時并行地執行，或通過一或多個等離子體沉積和等離子體離子注入工序來連續執行。在諸如圖3B至3C 所示的離子注入和沉積工序的實施例中，含摻質的材料層340在步驟210沉積，接著，為了下方基板表面的注入工序，在步驟220以離子、摻質350轟擊該材料層。在另一諸如圖3C 所示的離子注入和沉積工序的實施例中，在沒有圖3B所示的處理步驟的情況下，含摻質的材料層340在步驟210沉積，且摻質350在步驟220于相同的處理步驟中同時并行地注入。 兩種工序可在處理腔室內原位(in situ)執行，或可在不破壞真空的情況下于設置在相同處理工具上的腔室中原位執行，從而允許在基板的單一處理傳遞期間執行工序。在本發明的一實施例中，沉積材料和注入離子具有相同元素(例如，基板表面中的硼離子和其表面上的硼沉積層)。或者，離子、摻質物種，和沉積材料、沉積物種具有不同元素(例如，硼作為摻質物種，且硅烷作為沉積物種)。在步驟220，執行離子注入工序，以將由氣體混合物產生的離子注入至基板中。施加射頻源功率，以從處理腔室中的氣體混合物產生等離子體。在任何氣體混合物的流速變化期間，等離子體會連續產生，以解離氣體混合物為離子物種并將其注入到基板中。射頻偏壓功率可和射頻源功率一起施加，以解離并驅動來自氣體混合物的解離的離子物種朝向并進入離基板表面的期望深度中。施加至處理腔室的射頻源和偏壓功率可控制在期望的能量水平，從而允許離子物種解離并以期望劑量和深度而摻雜至基板中。在上述工序的一實施例中，離子(也稱為摻質)以約5X IOw原子/cm2至約5X IO15原子/cm2的范圍中的劑量而注入到小于100 A的深度。離子注入工序可導致摻質材料的沉積。摻質的濃度是以原子 /cm3表示，其可從摻質的劑量來計算。在工序的一實施例中，離子注入是如圖3A和3C所示采用受控沉積在一處理步驟中執行。對這一類沉積和注入工序而言，源射頻功率可維持在約100瓦特和約5000瓦特之間。偏壓射頻功率可在約100伏特和約15000伏特間的射頻電壓下維持在約100瓦特和約 10000瓦特之間。腔室壓力可維持在約ImTorr和約500mTorr之間。基板溫度可維持在約 10°C和約500°C之間。在另一實施例中，供應至處理腔室中的氣體混合物可含有惰性氣體。適當的惰性氣體的范例包括氮、氬、氦、氙和氪等。處理腔室中的惰性氣體促進氣體混合物中的離子轟擊，從而有效地增加處理氣體碰撞的可能性，并導致減少的離子物種重組。惰性氣體可以約 IOsccm和約2000sccm之間(例如，約50sccm和約500sccm之間)的速度流入處理腔室中。一并行的沉積和注入工序的實施例包含以下步驟以約10 約1000sCCm(例如， 約50SCCm 約lOOsccm)的流速提供諸如二硼烷(B2H6)或三氫化砷(AsH3)的反應氣體至處理腔室中；以約200 約10000伏特(V)(例如，約500V 約1500V)的電壓施加偏壓；維持約ImiTorr 約IOOmTorr (例如，約TmiTorr 約15mTorr)的腔室壓力；維持約15°C 約 5000C (例如，約25°C 約45°C )的晶片夾盤(chuck)溫度，其中注入工序在約100W 約 2000W (例如，約200W 約300W)的源功率而持續約1秒 約60秒(例如，約10秒 約30 秒)。這一類工序的范例包含以下步驟以約50sCCm的流速提供二硼烷(B2H6)至處理腔室中；以約1000V的電壓施加偏壓；維持約15mT0rr的腔室壓力；維持約25°C的晶片夾盤溫度，其中注入工序的源功率為約200W并持續約20秒。針對該工序觀察到約70%的共形性比率。上述工序也可用于沉積含摻質的材料層340和注入該摻質350兩者。申請人:觀察到所沉積的材料層是各向異性地沉積至基板特征結構的水平部分中， 而非至基板特征結構的側壁中，且申請人觀察到從氣體混合物解離的離子是各向同性地注入到基板特征結構的水平部分中以及進入基板特征結構的垂直部分(側壁)，以提供改善的共形注入。相信以沉積材料層注入的摻質是注入到更為受限的深度，從而允許以特征結構側壁中的注入的摻質來改善共形性。或者，含摻質的材料層340可各向同性地沉積在特征結構的表面上。如圖3D所示，在步驟230，蝕刻工序可用于移除在基板特征結構的水平部分上的部分或全部的含摻質的材料層340的沉積，或替代地移除一些注入的摻質，同時保留住注入在基板特征結構的水平部分和垂直部分中的離子。蝕刻工序可為各向異性的蝕刻工序。 不過，諸如當含摻質的材料層340沉積在特征結構定義的垂直表面(側壁)314上時，可使用各向同性蝕刻工序。蝕刻工序可在相同腔室中與此處所述的沉積及/或注入工序一起原位執行，或在不破壞真空的情況下于配置在相同處理工具上的腔室中原位執行，從而允許在基板的單一處理傳遞期間執行工序。適當的蝕刻氣體包括含鹵素的化合物。蝕刻化合物的范例包括NF3和CF4。氫氣及 /或惰性氣體可包含在蝕刻氣體中。或者，氫等離子體工序可用于移除沉積的材料層。在另一替代的實施例中，惰性氣體的濺射等離子體可用于移除沉積的材料層。蝕刻工序的一實施例包含以下步驟以約25 約1000sccm(例如，約50 約lOOsccm)的流速提供諸如三氟化氮(Nh)的蝕刻氣體至處理腔室中；以約10 約 lOOOsccm(例如，約100 約200SCCm)的流速提供諸如氬氣(Ar)的惰性氣體至處理腔室中；維持約TmiTorr 約IOOmTorr (例如，約TmiTorr 約15mTorr)的腔室壓力；維持約 15°C 約90°C (例如，約25°C 約35°C)的晶片夾盤溫度；以及施加約IOOW 約2000W(例如，約200W 約250W)的源功率。這一類蝕刻工序的范例包含以下步驟以約200sCCm的流速提供氫(H2)至處理腔室中；維持約15mT0rr的腔室壓力；維持約25°C的晶片夾盤溫度；以及施加約500W的源功率。參照圖2，在步驟M0，操作210 230可采一或多個順序動作而重復或循環地執行，以提供期望的離子注入結果。操作210和220可在循環期間同時并行地執行。操作210 至230可重復1至約20個循環(例如，約3至約5個循環)。參照圖4和5A至5D，敘述通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子至基板中的方法。圖4表示流程圖，其說明根據本發明的另一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法。圖5A至5D表示根據本發明的另一實施例的用于等離子體浸沒離子注入處理的方法的概略側視圖。該方法可在諸如圖IA至IB所述的處理腔室100的等離子體浸沒離子注入處理腔室或其它適當且適合的腔室中執行。該方法開始是在處理腔室中提供基板。在一實施例中，基板500可為諸如氧化硅、 碳化硅、結晶硅(例如，硅< 100>或硅< 111>)、應變硅、硅鍺、摻雜或無摻雜的多晶硅、摻雜或無摻雜的硅晶片、摻雜硅、鍺、砷化鎵、氮化鎵、玻璃和藍寶石的材料。基板可具有不同尺寸， 諸如200mm或300mm直徑的晶片，且可為矩形或正方形的片(pane)。除非以其它方式提及， 否則此處所述的實施例和范例都在具有300mm直徑的基板上實施。在使用基板形成柵極結構的實施例中，多晶硅層可配置在位于基板上的柵極介電層之上。特征結構定義510可如圖5A所示形成在基板500中。特征結構可具有一或多個水平表面512和一或多個垂直表面514。基板500可含有欲摻雜的材料(舉例來說，用于ρ 型摻雜的η型材料或用于η型摻雜的ρ型材料)。基板表面的上表面可含有材料516，其可針對期望結構而摻雜，或可以為無摻雜，以提供與額外特征結構510的摻質隔離。在步驟410，供應氣體混合物至處理腔室中。氣體混合物可提供用于沉積的材料及/或提供用于注入工序的離子物種。氣體混合物可如圖IA所述從處理氣源152供應至氣體分配板130或通過其它適當的裝置供應。在一實施例中，供應至處理腔室100中的氣體混合物含有反應氣體。反應氣體可提供用于在基板表面上沉積的材料，其包含諸如來自常用的等離子體增強化學氣相沉積處理的硼、鎵、砷和其組合。在一實施例中，可用于沉積材料層的反應氣體包含艮禮^吼？氏、PF3> BF3> P2H5, GaN, AsF5 和其組合。所沉積的材料層540可通過各向同性或各向異性工序來沉積。圖5B說明通過各向異性工序的材料沉積，其中材料主要形成在基板和基板特征結構定義510的水平表面512 上。材料540可沉積達約5 A 約1000 A的厚度(例如，約50 A 約100 A)。所沉積的材料540可通過等離子體處理(例如，各向同性等離子體環境)從P3i腔室的射頻放電而沉積。反應氣體也可提供欲注入到基板中所期望的摻質/離子。舉例來說，反應氣體可提供期望的離子物種來源(例如，硼、磷、鎵、砷等)，其用于在電子組件中形成活性摻質，以產生基板的摻雜區域的期望電氣性能及/或物理性質。在一實施例中，可用于提供離子物種來源的反應氣體包含4H6、AsH3、PH3、PF3、BF3、 P2H5, GaN, AsF5和其組合。舉例來說，在反應氣體為氣體的實施例中，B2H6氣體可在注入工序期間解離，以產生BH2+、BH2+和H+離子形式的離子物種。圖5B說明具有摻質550的注入的實施例，其在水平表面512中具有沉積的含摻質材料M0。或者，對含摻質材料540的沉積而言，可不發生摻質注入。在進一步的替代實施例中，摻質可注入在特征結構定義510的垂直表面(側壁)514中。圖5C說明在此處所述的摻質再分配工序之后，離子/摻質550在基板500的水平和垂直表面512、514上的注入深度。離子注入工序可為各向同性工序或各向異性工序，其中各向同性對當前工序而言是較佳的。材料沉積工序可為各向同性工序或各向異性工序，其中各向異性對當前工序而言是較佳的。含摻質材料MO的沉積和摻質550的離子注入可在相同工序中同時執行，或通過一或多個等離子體沉積和等離子體離子注入工序來連續執行。在離子注入和沉積工序的一實施例中，結合圖5B所示的操作410和420，而沉積含摻質材料討0，并在相同工序中注入摻質550，且在步驟430，含摻質材料M0、摻質550 和其組合如圖5C所示通過諸如濺射而再分配，以再沉積含摻質材料，并在特征結構定義的側壁中注入摻質(或進一步地注入摻質)。在這一類工序中，含摻質材料540和摻質550 僅形成在特征結構定義510的水平表面上。在離子注入和沉積工序的另一實施例中，工序使用替代性操作420，其中，沉積含摻質材料M0，并接著在順序工序中注入摻質550，且通過諸如濺射而再分配材料層和摻質，以再沉積含摻質材料，并在特征結構定義(feature definition)的側壁中注入摻質(或進一步地注入摻質)。在離子注入和沉積工序的另一實施例中，含摻質材料540在步驟410沉積，并且在步驟420進行注入或不進行注入，及材料層在步驟430諸如通過濺射而再分配，以再分配含摻質材料，并在特征結構定義的側壁中注入摻質。含摻質材料和再分配的含摻質材料接著可從特征結構定義移除。已觀察到這一類工序的共形性比率為約50% 約90%。在無或有沿垂直及/或水平方向的最小注入的情況下，含摻質材料540是各向同性地沉積。在沉積工序期間，任何摻質注入也可在步驟430再分配。在本發明的一實施例中，沉積材料和注入離子為相同元素(例如，基板表面中的硼離子和其表面上的硼沉積層)。沉積和離子注入兩種工序可在一處理腔室內原位執行，或可在不破壞真空的情況下于配置在相同處理工具上的腔室中原位執行，從而允許在基板的單一處理傳遞期間執行
11工序。含摻質材料MO的沉積以及任何在這一類工序中的注入可通過產生氣體混合物的等離子體來執行。施加射頻源功率，以從處理腔室中的氣體混合物產生等離子體。等離子體在所供應的氣體混合物的比率變化期間連續產生，以解離氣體混合物來沉積一材料層， 且也可產生離子物種并將其注入到基板中。射頻偏壓功率可與射頻源功率一起施加，以解離并驅動來自氣體混合物的解離的摻質物種朝向并進入離基板表面的期望深度中。施加至處理腔室的射頻源和偏壓功率可控制在期望的能量水平，從而允許摻質物種解離，并以期望的材料厚度沉積在基板上。在本發明的一實施例中，含摻質材料540可通過諸如各向同性等離子體環境的等離子體處理而從等離子體腔室的射頻放電沉積達約 5 A約1000 A (例如，約50 A 約100 A)的厚度，且如果執行任何注入，則摻質可采約5 X IOw原子/cm2 至約5 X IO15原子/cm2的范圍內的劑量而注入至小于100 A的深度。在工序的一實施例中，離子注入是如圖5B所示用受控沉積在一處理步驟中執行。 對這一類沉積和注入工序而言，源射頻功率可維持在約100瓦特和約5000瓦特之間。偏壓射頻功率可在約100伏特和約15000伏特間的射頻電壓下維持在約100瓦特和約10000瓦特之間。腔室壓力可維持在約ImTorr和約500mTorr之間。基板溫度可維持在約10°C和約 500°C之間。在另一實施例中，供應至處理腔室中的氣體混合物可包含惰性氣體。適當的惰性氣體的范例包括氮、氬、氦、氙和氪等。處理腔室中的惰性氣體促進氣體混合物中的離子轟擊，從而有效地增加處理氣體碰撞的可能性，并導致減少的離子物種重組。惰性氣體可以約 IOsccm和約2000sccm之間(例如，約50sccm和約500sccm之間)的速度流入處理腔室。沉積(和注入)工序的一實施例包含以下步驟以約10 約1000sCCm(例如，約 50SCCm 約lOOsccm)的流速提供諸如二硼烷(B2H6)或三氫化砷(AsH3)的反應氣體至處理腔室中；以約200 約10000伏特(V)(例如，約500V 約1500V)的電壓施加偏壓；維持約ImiTorr 約IOOmTorr (例如，約TmiTorr 約25mTorr)的腔室壓力；維持約15°C 約 5000C (例如，約25°C 約45°C )的晶片夾盤溫度；其中注入工序在約100W 約2000W(例如，約200W 約300W)的源功率而持續約1秒 約60秒(例如，約10秒 約30秒)。這一類工序的一個范例包含以下步驟以約lOOsccm的流速提供二硼烷(B2H6)至處理腔室中；以約1000V的電壓施加偏壓；維持約15mTorr的腔室壓力；維持約25°C的腔室溫度；其中注入工序在約200W的源功率而持續約30秒。共形性比率可約為70%。沉積的材料層和從氣體混合物解離的離子傾向于主要沉積以及注入在基板特征結構的水平部分中，而非進入基板特征結構的側壁中。隨著解離離子在腔室中繼續增加，注入到結構/溝槽底部中的離子可達到飽和水平，而結構及/或溝槽的側壁仍可能不具有期望的注入離子量。連續供應更大量的離子至腔室中可導致不想要的沉積積聚在基板表面的底部上，而非增加注入到結構/溝槽的側壁中的離子劑量(從而是離子濃度)。沉積材料和注入離子540可從基板特征結構的水平表面再分配至基板特征結構的垂直表面。含摻質材料540和摻質550的再分配可通過諸如再濺射工序、氬濺射工序或其組合來實現。再分配的含摻質的材料560可在基板特征結構定義510的垂直表面上沉積達小于100 A(例如，1 A 50 A厚)的深度，且摻質和再分配的摻質可以約5X10W原子/ cm2至約5 X IO15原子/cm2的范圍內的劑量而注入至小于100 A的深度。從再分配開始，在移除含摻質材料540和再分配的含摻質的材料560之后，共形性比率可為約70% 約90%。再濺射工序的實施例包含以下步驟以約10 約1000sccm(例如，約IOOsccm 約200sCCm)的流速提供濺射惰性氣體以及選擇性地提供氫氣至處理腔室中；以約200 約7，000伏特(V)(例如，約500V 約1，000V)的電壓施加偏壓；維持約7mTorr 約 IOOmTorr (例如，約IOmTorr 約15mTorr)的腔室壓力；維持約15°C 約90°C (例如，約 25°C 約45°C )的晶片夾盤溫度，約100W 約5，000W(例如，約200W 約300W)的源功率，約5秒 約50秒(例如，約10秒 約20秒)的步驟持續時間。再濺射或再沉積的材料可沉積或注入達100 A的深度。共形性比率可為約70% 約90%。這一類再濺射工序的一個范例包含以下步驟以約200sCCm的流速提供氬至處理腔室中；以約1000V的電壓施加偏壓；維持約7mT0rr的腔室壓力；維持約25°C的晶片溫度、 約200W的電源、約10秒的持續時間。再沉積的材料可沉積達100 A的深度。共形性比率可為約80%。再分配工序可和沉積及/或注入工序一起在處理腔室(例如，Ρ3 腔室)內原位執行，或可在不破壞真空的情況下在配置在相同處理工具上的腔室中原位執行，從而允許在基板的單一處理傳遞期間執行工序。如圖5D所示，在步驟440，在再分配工序之后，蝕刻工序可用于移除基板特征結構的水平部分上的部分或全部的含摻質材料MO以及再分配的含摻質材料560，或替代地移除一些離子，同時保留住注入在基板特征結構的水平部分和垂直部分中的離子。蝕刻工序可為各向同性工序，以從水平表面移除比垂直表面更多的材料。蝕刻工序可在不破壞真空的情況下在配置在相同工序工具上的腔室中與此處所述的沉積及/或注入及/或再分配工序一起原位執行，從而允許在基板的單一處理傳遞期間執行工序。適當的蝕刻氣體包括含鹵素的化合物。蝕刻化合物的范例包括NF3、氟碳化合物 (fluorocarbon)和其組合。氫氣及/或惰性氣體可包含在蝕刻氣體中。或者，氫等離子體處理可用于移除沉積的材料層。在另一替代的實施例中，惰性氣體的濺射等離子體可用于移除沉積的材料層。蝕刻工序的一實施例包含以下步驟以約25 約IOOOsccm(例如，約100 約200sCCm)的流速提供諸如三氟化氮(NF3)的蝕刻氣體至處理腔室中，或以約10 約lOOOsccm(例如，約100 約200sCCm)的流速提供氬氣(Ar)至處理腔室中；維持約 5HiTorr 約200mTorr (例如，約IOmTorr 約2OmTorr)的腔室壓力；維持約15°C 約 900C (例如，約25°C 約35°C)的晶片溫度；以及施加約100W 約2000W(例如，約200W 約300W)的源功率。蝕刻工序的范例包含以下步驟以約IOOsccm的流速提供氫氣至處理腔室中；維持約15mTorr的腔室壓力；維持約25°C的腔室溫度；以及施加約500W的源功率。參照圖4，操作410至440可以一或多個順序動作在步驟450重復或循環地執行， 以提供期望的離子注入結果。操作410和420可在循環期間同時執行。操作410至440可重復1至約20個循環(例如，約3至約5個循環)。因此，此提供通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子到基板中的方法。該改善的方法有利地注入期望的摻質量，以在基板表面上形成期望的注入輪廓，從而在基板各處提供均勻的摻雜離子劑量，并在基板上形成具有期望的電氣性能的電子組件。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而在不脫離本發明的基本范圍的情況下，可以想出本發明的進一步實施例，因此本發明的保護范圍當以后附的權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子到基板中的方法，所述方法包含以下步驟提供基板至處理腔室中，所述基板包括具有一或多個形成在其中的特征結構的基板表面，且每一特征結構具有一或多個水平表面和一或多個垂直表面；通過各向同性工序而將來自等離子體的離子注入到至少一個所述水平表面中和到至少一個所述垂直表面中；以及通過各向異性工序而蝕刻所述基板表面和所述一或多個水平表面。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述將來自等離子體的離子注入以及所述蝕刻所述一或多個水平表面是在一或多個循環中順序執行。
3.—種通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子到基板中的方法，所述方法包含以下步驟提供基板至處理腔室中，所述基板包括具有一或多個形成在其中的特征結構的基板表面，且每一特征結構具有一或多個水平表面和一或多個垂直表面； 從包含適于產生離子的反應氣體的氣體混合物產生等離子體； 在所述基板表面上以及在至少一個所述水平表面上從所述等離子體來沉積材料層； 通過各向同性工序而將來自所述等離子體的離子注入至所述基板中，并將來自所述等離子體的離子注入至至少一個所述水平表面和至少一個所述垂直表面中；從至少一個所述水平表面濺射一部分的所述材料層、一部分的注入離子或其組合至至少一個所述垂直表面；以及通過各向同性工序而蝕刻所述基板表面與所述一或多個水平表面和所述一或多個垂直表面。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述反應氣體包含選自由下列所構成的群組的氣體含硼氣體、含砷氣體、含磷氣體和其組合。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述反應氣體包含選自由下列所構成的群組的氣體B2H6、AsH3> PH3和其組合。
6.如權利要求1或3所述的方法，其中所述蝕刻所述一或多個水平表面包含 提供選自含鹵素氣體的蝕刻氣體；以及從所述含鹵素氣體產生等離子體。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述蝕刻氣體還包含惰性氣體或氫氣。
8.如權利要求3所述的方法，其中所述將來自所述等離子體的離子注入、所述濺射所述注入離子以及所述蝕刻所述一或多個水平表面是在一或多個循環中順序執行。
9.如權利要求3所述的方法，其中所述在基板表面上從所述氣體混合物沉積材料以及所述通過各向同性工序而將來自所述等離子體的離子注入至所述基板中是同時執行。
10.如權利要求1或3所述的方法，其中所述離子注入到小于100人的深度。
11.一種通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子到基板中的方法，所述方法包含以下步驟提供基板至處理腔室中，所述基板包括具有一或多個形成在其中的特征結構的基板表面，且每一特征結構具有一或多個水平表面和一或多個垂直表面；在所述基板表面上以及在基板特征結構的至少一個所述水平表面上沉積材料層；從包含適于產生離子的反應氣體的氣體混合物產生等離子體；通過各向同性工序而將來自所述等離子體的離子注入到所述基板中，以及將來自所述等離子體的離子注入到至少一個所述水平表面中和至少一個所述垂直表面中；以及從至少一個所述水平表面濺射一部分的所述材料層、一部分的注入離子或其組合至至少一個所述垂直表面。
12.如權利要求11所述的方法，其中沉積所述材料層的步驟以及將來自所述等離子體的離子注入的步驟是同時執行。
13.如權利要求3或11所述的方法，其中濺射注入離子的步驟包括將所述基板表面暴露給惰性氣體等離子體。
14.如權利要求11所述的方法，其中沉積所述材料層的步驟以及將來自所述等離子體的離子注入的步驟是在相同工序中執行。
15.如權利要求11所述的方法，其中沉積所述材料層的步驟、將來自所述等離子體的離子注入的步驟、以及濺射步驟是在相同腔室中執行。
全文摘要
提供通過等離子體浸沒離子注入處理而注入離子到基板中的方法。在一實施例中，一種注入離子到基板中的方法包含提供基板至處理腔室中，所述基板包括具有一或多個形成在其中的特征結構的基板表面，且每一特征結構具有一或多個水平表面和一或多個垂直表面；從含有適于產生離子的反應氣體的氣體混合物產生等離子體；在所述基板表面上和在基板特征結構的至少一水平表面上沉積材料層；通過各向同性工序而將來自所述等離子體的離子注入到所述基板中、到至少一水平表面中和到至少一垂直表面中；以及通過各向異性工序而蝕刻所述基板表面上和所述至少一個水平表面上的所述材料層。
文檔編號H01L21/265GK102203912SQ200980143441
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月27日 優先權日2008年10月31日
發明者彼得·I·波爾什涅夫, 馬修·D·斯科特奈伊-卡斯爾, 馬耶德·阿里·福阿德 申請人:應用材料股份有限公司