專利名稱：無損結(jié)形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及結(jié)形成,且更明確地說,涉及在沉積之前使用離子植入的結(jié)形成。
背景技術：
離子植入(ion implantation)是用于將導電性更改雜質(zhì)(conductivity-altering impurity)引入工件(workpiece)中的標準技術。將所要的雜質(zhì)材料在離子源中離子化，對離子進行加速以形成具有規(guī)定能量的離子束，且引導所述離子束到工件表面處。離子束中的高能離子穿透到工件材料塊中，且嵌入到工件材料的晶格(crystalline lattice)中以形成具有所要導電性的區(qū)。在硅工件中，一個硅原子通常以四面體形式結(jié)合到四個相鄰硅原子以在整個工件中形成次序井然的晶格。這可稱為金剛石立方晶體結(jié)構(diamondcubic crystalstructure)。相反,這種次序在非晶硅中并不存在。而是,非晶硅中的硅原子形成隨機網(wǎng) 絡，硅原子可能不以四面體形式結(jié)合到四個其它硅原子。實際上，一些硅原子可具有懸掛鍵(dangling bond)。使用非晶化植入(amorphizing implant)(例如非晶化前植入(pre-amorphizingimplant, PAI))來對工件的晶格進行非晶化。在非晶化植入之前,工件通常具有具長程次序(long-range order)的晶格,例如以四面體形式結(jié)合的晶體結(jié)構。這種有序晶格可允許所植入的離子移動穿過晶格或?qū)嵸|(zhì)上位于晶格的原子之間的溝道。因為工件將缺乏長程次序，通過對工件進行非晶化，可防止或減少摻雜劑在稍后植入期間發(fā)生穿溝。因此，因為離子將不會更深地穿溝到工件中，摻雜劑植入輪廓(dopant implant profile)可變得較淺。隨著半導體裝置尺寸減小，形成無損的、高活性的突變電學結(jié)(abruptelectrical junction)變得更具挑戰(zhàn)性。對于極薄絕緣體上石圭(extremelythinsilicon-on-insulator,ETSOI)或鰭式場效應晶體管裝置(FinFet)來說尤其是這樣。盡管已使用了沉積系統(tǒng)和擴散爐,但難以控制摻雜劑擴散到裝置中到達精確深度。因此，此項技術中需要一種進行精確植入的改進型方法，且更明確地說,改進型結(jié)形成。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種摻雜方法。所述方法包含將惰性氣體植入到工件中到達第一深度。在所述工件的表面上沉積摻雜劑。對所述工件進行退火,使得所述摻雜劑擴散到所述第一深度。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種摻雜方法。所述方法包含將惰性氣體植入到工件的多個非平面表面中到達第一深度。在所述多個非平面表面上沉積摻雜劑。對所述工件進行退火,使得所述摻雜劑擴散到所述多個非平面表面的所述第一深度。根據(jù)本發(fā)明的第三方面,提供^-種摻雜方法。所述方法包含將工件放置到處理腔室中。在所述處理腔室中形成真空。在所述處理腔室中形成惰性氣體等離子體。將惰性氣體離子植入到所述工件中到達第一深度。用摻雜劑物質(zhì)填充所述處理腔室,且在所述工件上沉積所述摻雜劑物質(zhì)。從所述處理腔室移除所述工件且破壞所述真空。對所述工件進行退火，使得所述摻雜劑擴散到所述工件的所述第一深度。


為了更好理解本發(fā)明，參看附圖，所述附圖以引用的方式并入本文中且在附圖中圖I為等離子體摻雜系統(tǒng)的框圖；圖2到圖5為說明對工件進行摻雜的第一實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖6到圖9為說明對工件進行摻雜的第二實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；以及
圖10到圖13為說明對工件進行摻雜的第三實施例的框圖。
具體實施例方式本文中結(jié)合等離子體摻雜離子植入器(plasma doping ion implanter)來描述此工藝的實施例。然而，這些實施例可與半導體制造中所涉及的其它系統(tǒng)和工藝或使用植入或沉積的其它系統(tǒng)一起使用。舉例來說，在替代實施例中，束線離子植入器(beamline ionimplanter)與沉積系統(tǒng)(deposition system) 一起使用。因此,本發(fā)明不限于下文所描述的具體實施例。轉(zhuǎn)向圖1，等離子體摻雜系統(tǒng)(plasma doping system) 100包括處理腔室(processchamber) 102,其界定封閉容積(enclosed volume) 103。加載鎖(Ioadlock) 107連接到處理腔室102。當工件1.05在內(nèi)部時,加載鎖107可抽空到真空或向大氣排氣。處理腔室102或工件105可通過例如在加載鎖107內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(temperature regulation system)來冷卻或加熱。臺板(platen) 104可放置在處理腔室102中以支撐工件105。臺板104也可通過溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)來冷卻或加熱。因此，等離子體摻雜系統(tǒng)100可在一些實施例中并入熱或冷離子植入。在一個例子中，工件105可為具有圓盤形狀的半導體晶片，例如在一個實施例中，工件105可為具有300mm直徑的硅晶片。然而,工件105不限于硅晶片。工件105可通過靜電力或機械力箝位到臺板104的平坦表面。在一個實施例中，臺板104可包括導電引腳以用于形成到工件105的連接。等離子體摻雜系統(tǒng)100進一步包括源101,其經(jīng)配置以從處理腔室102內(nèi)的植入氣體(implant gas)產(chǎn)生等離子體106。源101可為RF源或所屬領域的技術人員已知的其它源。臺板104可被加偏壓。此偏壓可由DC或RF電源提供。等離子體摻雜系統(tǒng)100可進一步包括屏蔽環(huán)(shield ring)、法拉第傳感器(Faraday sensor)或其它組件。在一些實施例中，等離子體摻雜系統(tǒng)100為群集工具(duster tool)的一部分,或在單個等離子體摻雜系統(tǒng)100內(nèi)為以操作方式鏈接的處理腔室102。因此,許多處理腔室102可在真空中鏈接。在這些實施例中，一些處理腔室102可進行植入，而其它處理腔室進行沉積。在操作期間,源101經(jīng)配置以在處理腔室102內(nèi)產(chǎn)生等離子體106。在一個實施例中，源101為RF源,其使至少一個RF天線中的RF電流諧振以產(chǎn)生振蕩磁場(oscillatingmagnetic field)。所述振蕩磁場在處理腔室102中誘發(fā)RF電流。處理腔室102中的RF電流激發(fā)植入氣體并對其進行離子化以產(chǎn)生等離子體106。提供到臺板104且因此提供到工件105的偏壓將在偏壓脈沖接通周期期間將來自等離子體106的離子朝向工件105加速。脈沖臺板信號(pulsed platen signal)的頻率和/或脈沖的工作循環(huán)可經(jīng)選擇以提供所要劑量率(dose rate)。脈沖臺板信號的振幅可經(jīng)選擇以提供所要能量。在所有其它參數(shù)相等的情況下，較大能量將導致較大植入深度。如上所述,硅通常是晶體結(jié)構，其中每一硅原子以四面體形式結(jié)合到四個相鄰硅原子?？墒褂秒x子植入來在硅中形成非晶結(jié)構。在一個例子中，部分或完全非晶化的晶體結(jié)構可使用PAI來形成。通過用原子或離子(例如氦)來轟擊工件的此晶體結(jié)構，可更改硅的晶體結(jié)構。非晶結(jié)構缺乏長程次序，且包括一些具有懸掛鍵的原子。由于此晶格缺乏長程次序，所以晶格內(nèi)不存在溝道。因此,離子不能夠在工件的晶格之間穿溝。盡管PAI消除了穿溝問題,但其會導致其它問題。植入離子(尤其是例如鍺和硅等較重物質(zhì))在射程末端(end of range, E0R)處導致殘余損害。射程末端是工件內(nèi)植入 離子到達的最低深度。這些EOR缺陷在CMOS晶體管中造成后續(xù)泄漏(leakage)。超淺結(jié)還需要能夠在目標溫度附近具有毫秒(millisecond,MS)熱預算的退火技術。MS退火的兩個缺點是無法完全移除來自較重物質(zhì)的植入損害,尤其是上文描述的EOR缺陷，以及缺乏摻雜劑的橫向擴散，這在裝置內(nèi)造成疊加電容問題。氦植入不僅可防止離子穿溝，而且可實現(xiàn)毫秒(millisecond, MS)退火。氦植入具有部分或完全使工件非晶化以防止離子穿溝的能力。另外，已發(fā)現(xiàn)，氦植入在退火之后不會造成殘余損害或造成的殘余損害程度較低。氦PAI還將借助固相外延(solid phaseepitaxy, SPE)退火或MS退火完全修復。另外，因為不存在殘余損害，所以氦PAI還將不會造成實質(zhì)泄漏，這不同于鍺PAI。另外,在氦植入之后的退火工藝期間，一些植入摻雜劑離子(例如硼、砷、磷或其它)將遷移到由氦植入形成的原始非晶-結(jié)晶界面。測試已表明，這些植入離子并不擴散超過原始非晶-結(jié)晶界面，而是停止在此界面處。此遷移現(xiàn)象給予氦定制結(jié)深度(X」.)和/或橫向擴散(Yj)的能力。氦PAI可因此通過克服與橫向擴散相關聯(lián)的問題來實現(xiàn)MS退火。盡管此處明確地指明氦，但例如惰性氣體等其它物質(zhì)也可具有相同作用。圖2到圖5為說明對工件進行摻雜的第一實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。在圖2中，工件105可在表面上具有氧化物涂層200。噴射物質(zhì)201 (例如氬或某其它惰性氣體)用以從工件105移除氧化物層200。當然，氧化物層200也可在植入之前不移除或可不存在。在替代實施例中，使用等離子體蝕刻或濕式剝離步驟來移除氧化物層200。在圖3中，使用植入物質(zhì)202來執(zhí)行PAI。植入物質(zhì)202可為氦、另一惰性氣體或所屬領域的技術人員已知的另一 PAI物質(zhì)。將植入物質(zhì)202在工件105內(nèi)植入到第一深度204 (圖3中由虛線表示)。這在工件105的第一深度204與表面之間形成非晶化區(qū)203。在一個特定例子中，PAI的劑量或能量經(jīng)配置以使得PAI:不會完全使工件105非晶化。而是,PAI僅部分地使工件105非晶化。部分非晶化可在晶體結(jié)構內(nèi)產(chǎn)生非晶化空穴。因此，可使某一區(qū)非晶化，而相鄰區(qū)仍可為晶態(tài)的，且并不破壞工件105的晶格內(nèi)的所有鍵。在圖4中，在工件105上沉積摻雜劑205。舉例來說,此摻雜劑可為含有硼、磷、砷、鍺、碳或所屬領域的技術人員已知的其它摻雜劑的原子或分子物質(zhì)。在圖5中，對工件105進行退火,且摻雜劑205擴散到第一深度204。這在與非晶化區(qū)203相同的區(qū)中形成摻雜區(qū)206(在圖5中通過陰影來說明)。在一個特定實施例中，執(zhí)行毫秒(millisecond,MS)退火。
使用PAI來控制摻雜劑205的擴散。摻雜劑205將僅擴散到位于第一深度204處的非晶-結(jié)晶界面。針對PAI使用氦或其它惰性氣體還減少植入損害且實現(xiàn)MS退火的使用。氦或其它惰性氣體還增強活性且使得能夠在退火期間進行Xj和Yj控制。圖6到圖9為說明對工件進行摻雜的第二實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。盡管圖2中的工件105為平面的,但圖6中的工件105為非平面的。舉例來說,工件105可為鰭式場效應晶體管、一系列溝槽或某三維裝置。除圖6到圖9中所說明的結(jié)構以外的其它三維或非平面結(jié)構也是可能的。圖6中的工件105可在表面上具有氧化物涂層200。使用噴射物質(zhì)201 (例如氬或某其它惰性氣體)來從工件105移除氧化物層200。當然,氧化物層200也可在植入之前不移除或可不存在。在替代實施例中，使用等離子體蝕刻或濕式剝離步驟來移除氧化物層200。
在圖7中，使用植入物質(zhì)202來執(zhí)行PA I。植入物質(zhì)202可為氦、另一惰性氣體或所屬領域的技術人員已知的另一 PAI物質(zhì)。將植入物質(zhì)202在工件105內(nèi)植入到第一深度204(圖7中由虛線表示)。這在工件105的第一深度204與表面之間形成非晶化區(qū)203。如圖7中所說明，第一深度204跟隨工件105的輪廓。第一深度204可處于均一深度而不管此工件105輪廓如何。為了實現(xiàn)均一深度,可控制對植入物質(zhì)202的有角度分配。其次，非晶化區(qū)203可隨時間飽和，使得任何不均勻區(qū)將變得較均勻或均一。第三’形成非晶化區(qū)203的植入可繼續(xù)進行，直到實現(xiàn)均一深度為止。一旦工件105的晶體結(jié)構的一區(qū)段被非晶化，繼續(xù)進行非晶化便不能影響稍后結(jié)果。在一個特定例子中，PAI的劑量或能量經(jīng)配置以使得PAI不會完全使工件105非晶化。而是，PA]:僅部分地使工件105非晶化。在圖8中，在工件105上沉積摻雜劑205。舉例來說,此摻雜劑可為含有硼、磷、砷、鍺、碳或所屬領域的技術人員已知的其它摻雜劑的原子或分子物質(zhì)。均一地沉積摻雜劑205，而不管工件105輪廓如何。可使用低密度等離子體或等離子體殼層工程來在工件105的不同表面上均勻地沉積。等離子體殼層工程使用絕緣或偏壓板,其具有小孔來引導或聚集離子、原子或分子。此板修改等離子體殼層內(nèi)的電場以控制等離子體與等離子體殼層之間的邊界的形狀。在圖9中，對工件105進行退火且摻雜劑205擴散到第一深度204。這在與非晶化區(qū)203相同的區(qū)中形成摻雜區(qū)206 (圖9中通過陰影來說明)0在一個特定實施例中，執(zhí)行毫秒(millisecond, MS)退火。圖6到圖9的實施例使得能夠在非平面表面上進行均一摻雜。使用植入物質(zhì)202的PAI可用以界定結(jié)深度。后續(xù)退火將在摻雜劑205中進行激活和驅(qū)動。圖10到圖13為說明對工件進行摻雜的第三實施例的框圖。在圖10到圖1.3的實施例中，可在不破壞真空的情況下處理工件105,工件105可為平面的或非平面的。在一個實例中，工件105可在不破壞真空的情況F保留在處理腔室102或加載鎖107中。在一個特定實施例中，當改變處理腔室102中的物質(zhì)時，將工件105移動到加載鎖107。在圖1.0中，將工件105放置在處理腔室102中?？墒褂脵C械手處置系統(tǒng)將工件105加載到臺板104上。可在將工件105放置在處理腔室102中之前或之后形成真空。在圖11中形成植入物質(zhì)202 (例如氦或另一惰性氣體)的等離子體。在一個例子中，對工件105和臺板104加偏壓,且將植入物質(zhì)202植入到工件105中到達特定深度。在圖12中，摻雜劑物質(zhì)(例如摻雜劑205)填充處理腔室102。舉例來說,摻雜劑205可為磷、砷、鍺、碳或硼。當將植入物質(zhì)202切換為摻雜劑205時,可將工件105從處理腔室102移動到加載鎖107。在工件105上沉積摻雜劑205。可在此沉積期間不對工件105或臺板104加偏壓。在圖13中，移除摻雜劑205。將工件105從處理腔室102移動到加載鎖107。接著破壞真空，且可將工件105移出等離子體摻雜系統(tǒng)100。在另一例子中,可在存在摻雜劑205時在真空下將工件105移動到加載鎖107。隨后，可對工件105進行退火,使得所沉積的摻雜劑205在工件105中擴散到特定深度。舉例來說,可使用MS退火。在替代實施例中，可針對圖10到圖13中所說明的步驟在不破壞真空的情況下使用多個處理腔室102。在替代實施例中，等離子體摻雜系統(tǒng)100可用以從工件105移除任何氧化物涂層。等離子體摻雜系統(tǒng)100可形成(例如)氬的等離子體，其用以噴射工件105。這也可在不破壞工件105周圍的真空的情況下發(fā)生。在一個例子中，可在噴射之后但在植入物質(zhì)202填充處理腔室102之前將工件105移動到加載鎖107。在另一例子中，工件105在噴射之后保留在臺板104 ....I::,同時植入物質(zhì)202填充處理腔室?！ねㄟ^在處理期間不破壞真空,可防止或減少工件105上的氧化物層生長?？煞乐褂靡砸瞥ぜ?05的表面上的氧化物層的噴射步驟，因為在工件105處于真空環(huán)境中的情況下氧化物生長減到最小。在另一例子中，從工件105噴射移除初始氧化物層,且等離子體摻雜系統(tǒng)100中的真空防止后續(xù)氧化物生長。因此,可避免使用多個噴射步驟。本發(fā)明在范圍上不應受本文中所描述的具體實施例限制。而是，除了本文中所描述的那些內(nèi)容之外,所屬領域的技術人員將從前述描述和附圖中容易明白本發(fā)明的其它各種實施例和修改。因此,此類其它實施例和修改既定屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外,雖然本文中已根據(jù)在特定環(huán)境中針對特定目的進行特定實施的____I::F文描述了本發(fā)明，但所屬領域的技術人員將認識到其有效性不限于此，且本發(fā)明可在任何數(shù)目的環(huán)境中針對任何數(shù)目的目的有益地實施。因此,應根據(jù)如本文中所描述的本發(fā)明的整個范圍和精神來解釋下文所陳述的權利要求書。
權利要求
1.一種摻雜方法,其包含 將惰性氣體植入到工件中到達第^-深度； 在所述工件的表面上沉積摻雜劑;以及 對所述工件進行退火，其中所述摻雜劑擴散到所述第一深度。
2.根據(jù)權利要求I所述的摻雜方法,其中所述植入使所述工件的晶格非晶化。
3.根據(jù)權利要求I所述的摻雜方法,其中所述工件在所述表面上具有氧化物涂層,且所述方法進一步包含在所述植入之前從所述表面移除所述氧化物涂層。
4.根據(jù)權利要求3所述的摻雜方法,其中所述移除包含用氬噴射。
5.根據(jù)權利要求I所述的摻雜方法，其中所述摻雜劑選自由硼、磷、砷、鍺和碳組成的群組。
6.根據(jù)權利要求I所述的摻雜方法,其中所述退火包含毫秒退火。
7.—種摻雜方法，其包含 將惰性氣體植入到工件的多個非平面表面中到達第一深度； 在所述多個非平面表面上沉積摻雜劑；以及 對所述工件進行退火，其中所述摻雜劑擴散到所述多個非平面表面的所述第一深度。
8.根據(jù)權利要求7所述的摻雜方法,其中所述植入使所述工件的晶格非晶化。
9.根據(jù)權利要求7所述的摻雜方法，其中所述工件在所述多個非平面表面上具有氧化物涂層,且所述方法進一步包含在所述植入之前從所述多個非平面表面移除所述氧化物涂層。
10.根據(jù)權利要求9所述的摻雜方法，其中所述移除包含用氬噴射。
11.根據(jù)權利要求7所述的摻雜方法，其中所述摻雜劑選自由硼、磷、砷、鍺和碳組成的群組。
12.根據(jù)權利要求7所述的摻雜方法，其中所述退火包含毫秒退火。
13.—種摻雜方法,其包含 將工件放置到處理腔室中； 在所述處理腔室中形成真空； 在所述處理腔室中形成惰性氣體的等離子體； 將惰性氣體離子植入到所述工件中到達第一深度； 用摻雜劑物質(zhì)填充所述處理腔室； 在所述工件上沉積所述摻雜劑物質(zhì)； 從所述處理腔室移除所述工件且破壞所述真空；以及 對所述工件進行退火，其中所述摻雜劑物質(zhì)擴散到所述工件的所述第一深度。
14.根據(jù)權利要求13所述的摻雜方法,其進一步包含在所述填充之前在所述真空下將所述工件移動到加載鎖。
15.根據(jù)權利要求13所述的摻雜方法，其中所述植入使所述工件的晶格非晶化。
16.根據(jù)權利要求13所述的摻雜方法，其中所述工件具有氧化物涂層，且所述方法進一步包含在所述植入之前從所述工件移除所述氧化物涂層。
17.根據(jù)權利要求16所述的摻雜方法,其中所述移除包含用氬噴射。
18.根據(jù)權利要求13所述的摻雜方法，其中所述摻雜劑物質(zhì)選自由硼、磷、砷、鍺和碳組成的群組。
19.根據(jù)權利要求13所述的摻雜方法,其中所述退火包含毫秒退火。
20.根據(jù)權利要求13所述的摻雜方法，其中所述形成所述真空發(fā)生在所述放置所述工件之前。
全文摘要
此摻雜方法的實施例可用以改進結(jié)形成。將例如氦或另一惰性氣體等植入物質(zhì)植入到工件中到達第一深度(204)。在所述工件的表面上沉積摻雜劑。在退火期間，摻雜劑擴散到所述第一深度。所述惰性氣體離子可在所述植入期間使所述工件至少部分非晶化。所述工件可為平面的或非平面的。所述植入和沉積可在不破壞真空的情況下在系統(tǒng)中發(fā)生。
文檔編號H01L21/336GK102918631SQ201180026745
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權日2010年6月2日
發(fā)明者克里斯多夫·R·漢特曼, 盧多維克·葛特 申請人:瓦里安半導體設備公司