具有腔室处理与处理层等离子体放电以释放晶片的等离子体浸没离子注入工艺

具体实施方式

通过以工艺相容材料所构成的处理膜(seasoning films)涂布腔室内部空间表面，能预防离子注入工艺的金属污染，举例来说，可使用二氧化硅或其他薄膜(硅或碳系)。处理膜或处理层可厚达至其后，将晶片引入腔室中并执行等离子体浸没离子注入工艺。在注入工艺期间，等离子体蚀刻掉一部分的处理膜，而减少处理膜的厚度。如果初始的处理膜厚度不足，可能会有部分的处理膜被移除掉而暴露出下方的金属材料。欲防止此情况发生，沉积的处理膜厚度需足以在经历至少一个晶片的等离子体浸没离子注入之后该处理膜仍然存在。在移除该晶片后，处理膜在一单独的等离子体蚀刻工艺中遭受蚀刻或被移除，并且在进行下一个晶片的离子注入之前沉积新的处理膜。

在一实施例中，通过沉积处理薄膜达到足够的厚度，该厚度足以在经过数个晶片(例如，五个)的离子注入之后仍然存在并且直到已在反应器中连续进行数片晶片离子注入后才更换(replacing)该处理层，可大幅提高生产力。问题在于增加处理层的厚度会让处理层在沉积工艺期间相应地累积较大量的残留静电荷。处理层中的残留电荷增加会产生某些问题。具体说来，残留电荷能对抗固持晶片的静电夹盘所施加的静电夹钳力(electrostatic clamping force)。结果，晶片可能在后续的等离子体浸没离子注入步骤期间从静电夹盘弹出。随着处理层厚度增加，此问题更为恶化。因此，在多个晶片的注入期间只使用单一处理层的应用中，处理层的增加程度大幅受限，仅限用于少数片晶片，或仅限用于单一片晶片。

因此，期望能够使用单一处理层又不会因为处理层中的残留电荷而损失晶片静电夹钳力的情况下增加晶片数目，以提高生产力。

通过增加以单一处理层进行等离子体浸没离子注入所能处理的晶片数来提高生产力。沉积该处理层达到一初始厚度，该初始厚度足够大，使得在经过大量晶片的等离子体浸没离子注入之后该处理层仍然存在。初始厚度不需要为了避免处理层中的残留电荷效应而受到限制。取而代之的是，紧接在处理层沉积后，于没有晶片的情况下，在处理层上方产生高密度惰性气体等离子体，而从处理层移除残留电荷。在一实施例中，用于移除残留电荷的气体为具有低离子化能量及高等离子体导电率的物种，例如，氩。仅需要维持此等离子体数秒以使处理层完全放电。之后，熄灭等离子体，并且将连续多个晶片中的第一个晶片引入腔室中以进行等离子体浸没离子注入。

现叙述环形源等离子体浸没离子注入反应器，处理层沉积工艺及等离子体浸没离子注入工艺可在该反应器中执行。参照图1，等离子体浸没离子注入反应器具有以圆柱形侧壁105、地板110及顶板115所圈围出的腔室100。位于腔室100内部的晶片支撑基座120可为静电夹盘，其能够以静电方式将半导体晶片125夹钳(clamping)在夹盘120的晶片支撑表面130上。夹盘120可能由接地导电基底层140、位于基底层140上的绝缘层145、位于绝缘层145上的薄阴极电极150，以及位于阴极电极150上方且形成晶片支撑表面130的顶部绝缘层155所组成。绝缘层145、155的材料可为陶瓷材料。阴极电极150可为由钼构成的薄金属网。

图1的反应器具有环形等离子体源(toroidal plasma source)，环形等离子体源包含一对横向外部回流导管160、165，外部回流导管160、165各自延伸横越腔室100的直径并且其末端通过顶板115中的端口112耦合至腔室100的内部空间。射频功率施加器170、175分别耦合射频功率至回流导管160、165的内部空间中。射频功率施加器170由缠绕导管160的磁性穿透环180、缠绕在部分的环180上的导电线圈182以及透过射频阻抗匹配元件186耦合至线圈182的射频功率产生器184所组成。射频功率施加器175由缠绕导管165的磁性穿透环180’、缠绕在部分的环180’上的导电线圈182’以及透过射频阻抗匹配元件186’耦合至线圈182’的射频功率产生器184’所组成。

顶板115包含气体分配板188。工艺气源190a、190b、190c、190d透过可由使用者控制的气体显示板195供应工艺气体给气体分配板188。以真空泵198排空腔室100。在一范例中，气源190a包含掺杂剂氢化物或掺杂剂氟化物气体。气体可为硼、磷、砷或锑的氢化物或氟化物，或其类似物。气源190b储存氩气。气源190c及190d储存处理材料(seasoning material)的气体前驱物，以在将晶片引入腔室之前用于处理层的等离子体增强化学汽相沉积。在一实施例中，欲沉积的处理层为二氧化硅(或氧化硅物种)，且气源190c储存硅烷(SiH₄)，而气源190d储存氧。

静电夹盘120进一步包含可由使用者控制的直流夹钳电压供应器200，其连接至网电极150。能够产生极高的射频偏压电压的射频偏压功率产生器210透过射频阻抗匹配电路215及透过选用性(optional)的绝缘电容220(可能包含在阻抗匹配电路215中)耦合至网电极150。为了在晶片125中提供有用的离子注入深度分布，射频偏压电压产生器210以足够高的功率大小进行操作，以在晶片表面处的整个等离子体鞘产生10kV或更大的射频偏压电压。此电压控制离子注入深度分布。

在一可实施的范例中，在腔室的内部空间表面上沉积相对厚的电介质处理层，其厚度约4000至此类厚处理层(seasoning layer)可用在大量晶片的整个连续离子注入处理期间，而没有处理层从内部腔室表面上损耗掉的风险。可使来自气源190c的硅烷气体及来自气源190d的氧气流入腔室，同时由射频等离子体源功率产生器184及184’其中一者或两者施加等离子体源功率，以沉积处理层。所产生的等离子体提供在内部腔室表面上的氧化硅处理层的化学汽相沉积。维持此等离子体，直到处理层已沉积到达所需厚度(例如，至)为止。之后，移除前述工艺气体。

在化学汽相沉积工艺期间，如同可能浸没在等离子体中的其他电介质表面(例如，陶瓷制成的电介质工艺环)般，所沉积的处理层累积有残留电荷。可利用特殊的处理层放电工艺来移除处理层中的残留电荷。通过产生适于释放该处理层残留电荷的等离子体来执行处理层放电工艺。为此目的，由具有低离子化能量且相对的非反应气体形成等离子体，并且倾向于产生具有相对高导电率的等离子体。这类气体为氩。在前文中，氩引入腔室中，且利用来自射频等离子体源功率产生器184、184’的源功率来产生氩等离子体。在一实施例中，氩气流率在50sccm至500sccm(标准立方厘米/每分钟)的范围之间，且源功率产生器184、184’提供的射频功率足以(例如，200瓦至500瓦)产生介于10¹⁰及10¹¹离子/立方厘米之间的氩等离子体。已发现以此步骤可使厚度约的氧化硅处理层在约2秒内完全释放残留电荷，然而可使用较长的放电时间(例如，15秒)。

在残留电荷已从处理层(及任何其他邻近晶片的电介质表面)移除后，可在腔室中以等离子体浸没离子注入对大量晶片进行连续离子注入。使用同一个处理层重复执行等离子体浸没离子注入工艺来离子注入连续多个晶片。在一可行的范例中，用于各晶片的离子注入工艺如下所述：以5000伏特至10,000伏特范围之间的直流夹钳电压将晶片静电夹钳在夹盘120上。气体显示板195提供来自气源190a且具有50sccm至200sccm气体流率的含掺杂剂气体(例如，掺杂剂的氟化物或氢化物，如BF₃或B₂H₆)，以及来自气源190b且具有20sccm至300sccm气体流率的氩气给顶板的气体分配板188。环形等离子体源功率产生器184、184’各以约13.56MHz产生200至5000瓦的射频功率，两者的频率彼此稍微偏移不到1MHz。在其他实施例中，频率可为约1至60MHz范围之间的任何频率。偏压功率产生器210以约2MHz的频率提供足够的射频功率，以在晶片125上方的等离子体鞘产生约200至15,000伏特的射频偏压电压。在其他实施例中，偏压功率的射频频率可为0.5至60MHz范围之间的任何频率。真空泵198以足以维持3mT至100mT范围间的腔室压力的排空速度操作。在离子注入步骤实行足够时间以在晶片表面达到所需的注入剂量后，熄灭等离子体，将晶片从夹盘120上移除，并且对下一个晶片重复执行离子注入。在各晶片的等离子体浸没离子注入期间，由含有掺杂剂的工艺气体(例如，BF₃)产生蚀刻剂等离子体离子(例如，含氟等离子体离子)和蚀刻剂自由基，会蚀刻掉一部分的处理层并减少其厚度。

处理层的初始厚度足够大(例如，至)，以在经过大量(例如，十个)半导体晶片的连续等离子体浸没离子注入期间之后，处理层仍保持完整(例如，保留最小厚度)。此种大厚度是在不会损失晶片上的静电夹钳力的情况下所能容许的厚度，因为处理层已如上文所述般释放了残留静电荷(也就是处理层沉积期间积聚的静电荷)。在一范例中，初始处理层厚度为而在腔室中连续离子注入约10片晶片后，剩余的处理层厚度为由于处理层厚度可能于任何后续离子注入步骤期间进一步减少而增加金属污染的风险，因此无法进行进一步的晶片离子注入。

在经过所需数目(例如，十个)的半导体晶片的离子注入后，从腔室中移除最后一片晶片，并且移除处理层。可通过引入工艺气体至腔室中来移除处理层，该工艺气体为氧化硅蚀刻剂的前驱物，例如，包括碳氟化合物或氟代烃类型的含氟化合物。施加来自源功率产生器184、184’的等离子体源功率来产生及维持等离子体，直到所有处理层已移除为止。之后，如上文所述般沉积新的处理层，并接着进行等离子体放电以释放残留的静电荷，以为另一次连续半导体晶片的离子注入作准备。

图2A及2B绘示一实施例中的工艺。在将晶片引入腔室中之前，先以氧化硅处理层涂布腔室内部空间表面(步骤226)。此步骤是由下述方式来实现：引入含硅气体，例如硅烷(步骤226-1)，以及氧气或含氧气体，例如氮的气态氧化物(步骤226-2)，并施加来自产生器184、184’的射频等离子体源功率(步骤226-3)以产生及维持用于氧化硅处理层的等离子体增强化学汽相沉积的等离子体。执行此步骤直到氧化硅沉积层达到足够厚度，该足够厚度能够在厚度不会减少至低于最小“安全”厚度(例如，)的情况下，承受所需数目的连续晶片的连续等离子体浸没离子注入工艺(步骤228)。初始厚度可在至的范围之间。当达到所需的处理层厚度之后，移除处理层前驱物气体(例如，硅烷及氧)(步骤230)。如果使用硅烷，则处理层可能是由类似纯二氧化硅但含有小量氢的氧化硅化合物所构成。

下一步骤为执行电介质处理层中所积聚的残留电荷的等离子体放电(步骤232)。为此目的，在腔室中产生纯(或接近纯)氩的高密度等离子体(步骤234)，并以先前所述方式维持足够时间(例如，二秒)以释放所有(或接近所有)在处理层沉积步骤期间积聚在处理层上的残留电荷(步骤236)。

在处理层的等离子体放电步骤之后，腔室准备开始在无需更换处理层的情况下执行所需数目(例如，十个)的连续等离子体浸没离子注入工艺。将第一晶片125引入腔室100中并且放置在晶片支撑表面130上，由夹钳电压供应器200施加静电夹钳力至夹盘120，如果欲施加大的射频偏压电压，则使用数千伏的电压(步骤250)。氩气以20至300sccm的流率供应给气体分配板(步骤252)。由源功率产生器184、184’施加等离子体源功率至射频功率施加器170、175，其各自的等离子体源功率大小约200至5000瓦且频率为13.56±5MHz(步骤254)。将10％B₂H₆及90％氦的混合物供应给气体分配板188(步骤256)。腔室100排空到3mT至100mT的压力(步骤258)。这些条件维持足够时间以达到所需的硼离子注入剂量。此剂量可相当于所注入的多晶硅栅极材料的电阻率介在100至1000欧姆/平方米范围之间。此时，完成离子注入工艺并暂停执行，且从夹盘120释放并移除晶片125(步骤260)。接着将下一个晶片夹钳在静电夹盘120上(步骤262)，并且对新的晶片重复前述的等离子体浸没离子注入工艺(步骤264)。在所需数目的晶片上，例如7片晶片，重复前述循环(步骤266)。

接着，移除处理层(步骤264)，以准备沉积欲用在下一组晶片的新处理层。可通过引入含氟工艺气体并接着进行等离子体轰击来移除处理层。具体说来，射频功率是由一对射频产生器184、184’所施加。维持此等离子体直到所有处理层已移除为止。接着回到步骤226而重复前述工艺(步骤270)。

在绘于图3A、3B、3C及3D的流程图的另一实施例中，增加可使用同一个处理层进行处理的晶片数目，例如，数目增加至大于十个，如15个或20个，且不需要进一步增加处理层的初始厚度。上述可通过在移除当前晶片之后，或介于连续离子注入工艺之间，以小量的额外氧化硅材料于各晶片的离子注入之后来增补或补充处理层而实现。所添加的材料足以取代(或接近取代)在先前离子注入工艺期间蚀刻掉的处理层的量。结果，处理层的初始厚度可小于处理层在连续晶片的连续离子注入期间(在过程中没有补充处理层)欲余留超过最小阈值所需的初始厚度。一优点在于，对给定的处理层厚度，可在更换处理层之前处理大量的晶片。图3A至3D绘示根据后者实施例的工艺。图3A至3D的工艺与图2A至2B的工艺的相异处在于，在图3A至3D的工艺中是在完成离子注入及移除当前晶片之后并且在引入下一个晶片之前执行下列步骤：沉积薄氧化硅层或额外的处理材料来补充在离子注入期间被部分移除或变薄的处理层，补充的薄氧化硅层或额外的处理材料足以将处理材料恢复至接近其初始厚度。所添加的处理材料或氧化硅的量可能是该初始厚度的一部分，例如，或更少。在图3A至3D的工艺中如下述般执行该补充或部分沉积：引入含硅气体，引入含氧气体，以及施加来自产生器184、184’的射频等离子体源功率。当处理层厚度已恢复到至少接近其初始厚度时，停止此补充沉积工艺。接着，将在此后续处理层补充沉积期间所积聚在处理层中的残留电荷释放掉。为达此目的，在腔室中产生纯(或接近纯)氩的高密度等离子体，并维持该等离子体足够时间(例如，二秒)以释放掉所有(或接近所有)在处理层补充沉积期间积聚在处理层上的残留电荷。其后，熄灭氩等离子体。以类似初始(注入前)的等离子体放电步骤来执行处理层的等离子体放电。在一范例中，氩气以20至500sccm的流率供应至腔室中，以及施加约200至500瓦范围之间且13.56MHz的射频源功率，以产生高密度等离子体约2秒或可能更短。这足以从处理层移除残留电荷。

以下为图3A至3D的工艺的完整叙述：在将晶片引入腔室之前，首先以氧化硅处理层涂布腔室内部空间表面(步骤326)。此步骤可通过下述方式来达成：引入含硅气体，例如硅烷(步骤326-1)，以及引入氧气或含氧气体，例如氮的气体氧化物(步骤326-2)，施加来自产生器184、184’的射频等离子体源功率(步骤326-3)以产生及维持用于氧化硅处理层的等离子体增强化学汽相沉积的等离子体。执行此步骤直到氧化硅沉积层达到足够厚度，该厚度能够承受所需数目的连续晶片的连续等离子体浸没离子注入工艺(步骤328)，而不会减少至低于最小“安全”厚度，例如初始厚度可在至的范围之间。达到所需的处理层厚度之后，移除处理层前驱物气体(例如，硅烷及氧)(步骤330)。如果使用硅烷，则处理层可能是由类似纯二氧化硅但含有小量氢的氧化硅化合物构成。

下一步骤是执行电介质处理层中的积聚残留电荷的等离子体放电(步骤332)。为此目的，在腔室中产生纯(或接近纯)氩的高密度等离子体(步骤334)，并以先前所述方式维持足够时间(例如，二秒)以释放掉所有(或接近所有)在处理层沉积步骤期间积聚在处理层上的残留电荷(步骤336)。

在处理层的等离子体放电后，腔室准备开始在不更换处理层的情况下执行所需数目(例如，十个)的连续等离子体浸没离子注入工艺。第一晶片125引入腔室100中并放置在晶片支撑表面130上，且由夹钳电压供应器200施加静电夹钳力至夹盘120，如果欲施加大的射频偏压电压，则使用数千伏等级的电压(步骤350)。氩气以20至300sccm的流率供应给气体分配板(步骤352)。源功率产生器184、184’各自以约200至5000瓦的功率及13.56±1MHz的频率(步骤354)施加等离子体源功率至射频功率施加器170、175。将含10％B₂H₆及90％氦的混合物供应给气体分配板188(步骤356)。腔室100排空至3mT至100mT的压力(步骤358)。这些条件维持足够时间，以达到所需的硼离子注入剂量。此剂量可相当于已注入的多晶硅栅极材料的电阻率介在100至1000欧姆/平方米的范围之间。此时，离子注入工艺完成并暂停，且从夹盘120上释放并移除晶片125(步骤360)。

可以薄氧化硅层或额外的处理材料沉积来补充在离子注入期间被部分移除或变薄的处理层，补充薄氧化硅层或额外处理材料足以使处理材料恢复至接近其初始厚度。所添加的处理材料或氧化硅的量可为一部分的初始厚度，例如，或更少。在图3A至3D的工艺中如下述般实行步骤327的补充或部分沉积：引入含硅气体(步骤327-1)，引入含氧气体(步骤327-2)，以及施加来自产生器184、184’的射频等离子体源功率(步骤327-3)。当处理层厚度已恢复到至少接近其初始厚度时，暂停此补充沉积工艺(步骤327-4)。接着，释放掉在此后者(也就是步骤327的)处理层补充沉积期间积聚在处理层中的残留电荷(步骤329)。为此目的，在腔室中产生纯(或接近纯)氩的高密度等离子体(步骤329-1)，并维持该等离子体足够时间(例如，二秒)以释放所有(或接近所有)在步骤327的处理层补充沉积期间积聚在处理层上的残留电荷。其后，熄灭该氩等离子体(步骤329-2)。以类似于步骤232及234的初始(注入前)等离子体放电步骤的方式来执行该处理层等离子体放电。在一范例中，氩气以20至500sccm的流率供应至腔室中，并且施加约200至500瓦范围之间及13.56MHz的射频源功率，以产生高密度等离子体约2秒或可能更短。这足以从处理层移除残留电荷。

下一个晶片接着夹钳在静电夹盘120上(步骤362)，且对新的晶片重复前述的等离子体浸没离子注入工艺(步骤364)。在所需数目的晶片(例如，7个晶片)上重复前述循环(步骤366)。

接着，移除处理层(步骤364)，以准备沉积欲用在下一组晶片的新处理层。可通过引入含氟工艺气体并接着形成等离子体来移除处理层。具体说来，由一对射频产生器184、184’施加射频功率。维持此等离子体直到所有处理层已移除为止。接着回到步骤326的步骤而重复前述工艺(步骤370)。

虽然以上内容已揭示本发明的数个实施例，但可在不偏离本发明基本范围的情况下做出本发明的其他及进一步实施例，且本发明范围当由后附权利要求范围决定。