專利名稱：保形性、應(yīng)力和化學(xué)氣相沉積層成分獨(dú)立可變的甚低溫化學(xué)氣相沉積工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積工藝，特別涉及一種保形性、應(yīng)力和化學(xué)氣相沉積層成分獨(dú)立可變的甚低溫化學(xué)氣相沉積工藝。
相關(guān)申請的互見參照本申請是正在審查中的申請?zhí)枮?0/786,410、2004年2月24日提交的、名稱為“使用等離子體浸沒離子植入的含硅絕緣體結(jié)構(gòu)的制造”、申請人為丹·梅丹等的美國專利申請的部分繼續(xù)申請；申請?zhí)枮?0/786,410的申請又是正在審查中的申請?zhí)枮?0/646,533、2003年8月22日提交的、名稱為“使用具有低離解和低的最小等離子體電壓的等離子體源的等離子體浸沒離子植入工藝”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請的部分繼續(xù)申請；申請?zhí)枮?0/646,533的申請又是正在審查過程中的申請?zhí)枮?0/164,327、2002年6月5日提交的、名稱為“具有磁性控制離子分布的外激環(huán)形等離子體源”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請的部分繼續(xù)申請。
下述申請含有與本發(fā)明相關(guān)的主題申請?zhí)枮?0/646,458、2003年8月22日提交、名稱為“包括具有低離解和低最低等離子體電壓的等離子體源的等離子體浸沒離子植入設(shè)備”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請；申請?zhí)枮?0/646,460、2003年8月22日提交、名稱為“包括具有低離解和低最低等離子體電壓的電感耦合等離子體源的等離子體浸沒離子植入系統(tǒng)”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請；申請?zhí)枮?0/646,467、2003年8月22日提交、名稱為“使用具有低離解和低最低等離子體電壓的電感耦合等離子體源的等離子體浸沒離子植入工藝”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請；申請?zhí)枮?0/646,526、2003年8月22日提交、名稱為“包括具有低離解和低最低等離子體電壓的電容耦合等離子體源的等離子體浸沒離子植入系統(tǒng)”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請；申請?zhí)枮?0/646,527、2003年8月22日提交、名稱為“包括具有低離解和低最低等離子體電壓的電容耦合等離子體源的等離子體浸沒離子植入系統(tǒng)”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請；申請?zhí)枮?0/646,528、2003年8月22日提交、名稱為“包括具有低離解和低最低等離子體電壓的電感耦合等離子體源的等離子體浸沒離子植入設(shè)備”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請；申請?zhí)枮?0/646,532、2003年8月22日提交、名稱為“包括具有低離解和低最低等離子體電壓的電容耦合等離子體源的等離子體浸沒離子植入設(shè)備”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請；申請?zhí)枮?0/646,612、2003年8月22日提交、名稱為“使用具有低離解和低最低等離子體電壓的電容耦合等離子體源的等離子體浸沒離子植入工藝”、申請人為肯尼斯·柯林斯等的美國專利申請。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積工藝能夠在半導(dǎo)體基板或中間層上形成高質(zhì)量的層或膜。該膜可以是一層氧化膜或薄的氧化膜、氮化硅鈍化層或蝕刻阻擋層，或者隔離槽填充層。該膜形成的速度往往較低。然而，有兩種能夠以較高速率沉積膜的化學(xué)氣相沉積工藝，即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)工藝和高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDPCVD，High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)工藝。PECVD工藝通過以大約1.5托(Torr)相對高室壓在半導(dǎo)體晶片上產(chǎn)生高濃度工藝氣體的操作獲得高沉積速率。HDPCVD工藝通過產(chǎn)生高密度等離子體獲得高沉積速率。這兩種工藝可能不適用某些新的集成電路技術(shù)的CVD工藝，特別是不適用特征大小為納米級的65納米技術(shù)。
PECVD工藝不適宜制造65納米元件，因?yàn)樵摴に囉脕硖岣逤VD沉積速率的高室壓會(huì)產(chǎn)生高離子再結(jié)合率，所以等離子體離子密度較小(大約10-5ions/cc)。如此小的等離子體離子密度減小了其對晶片表面等離子體離子碰撞的CVD化學(xué)反應(yīng)能量所產(chǎn)生的作用。所以，所需的CVD反應(yīng)能量的獲得只能加熱晶片到較高溫度以通過熱力學(xué)上的辦法提供所需化學(xué)能量。而且，除非晶片被加熱到約400℃，否則高室壓會(huì)導(dǎo)致高CVD沉積速率，使得沉積膜具有片狀結(jié)構(gòu)。這具有沉積時(shí)在晶體生長中使片狀缺陷退火的效果。因而為了生長或沉積高質(zhì)量膜，PECVD工藝中需要較高的晶片溫度。在使用這樣的PECVD工藝制造65納米晶片時(shí)就產(chǎn)生了問題。400℃的晶片溫度通過熱熔化或摻雜使得晶片中的精細(xì)特征和其它特征變形，導(dǎo)致65納米特征變形或毀壞。例如，摻雜的P-通道或N-通道區(qū)之間的臨界源極-漏極通道長度可能被減小到元件出現(xiàn)故障的臨界點(diǎn)之下。由熱擴(kuò)散引起上述特征的變形大小與擴(kuò)散長度對應(yīng)，對應(yīng)關(guān)系定義如下D＝k[t·T]1/2公式中，D是在特定溫度和特定時(shí)間下原子擴(kuò)散的平均距離，t是晶片加熱的期間或時(shí)間，T是晶片被加熱的溫度。在PECVD工藝中沉積高質(zhì)量層所需要的溫度下，摻雜和其它特征在完成工藝所需的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散超出65nm臨界距離。為防止擴(kuò)散超出65nm臨界距離而降低晶片溫度會(huì)導(dǎo)致無法接受的劣質(zhì)膜。所以，使用高室壓的PECVD工藝不適宜在65納米元件上沉積高質(zhì)量膜。
HDPCVD工藝采取相反的方法，使用非常低的室壓(1.5毫托(mTorr))來獲得非常高的等離子體離子密度(10-1ions/cc)。高等離子體離子密度導(dǎo)致晶片表面上為生長反應(yīng)提供所需化學(xué)能量的高等離子體離子流量，從而改善生長工藝以實(shí)現(xiàn)高生長率。HDPCVD工藝中使用低頻電感耦合等離子體源，產(chǎn)生非常高的等離子體離子密度，離子產(chǎn)生區(qū)非常接近晶片表面。在這樣的低室壓和低頻下工作的電感耦合反應(yīng)器，只有使用較大的源功率，比如2KW(最低限度)才能點(diǎn)燃或維持等離子體。在該最低功率大小下，最小的等離子體離子密度非常高。這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，即最小的等離子體離子密度導(dǎo)致晶片的等離子體過度加熱，迫使晶片溫度達(dá)到約400℃。因?yàn)樵谟糜诘入x子體引燃或維持的反應(yīng)器的最小源功率下出現(xiàn)這種情況，所以HDPCVD反應(yīng)器中的晶片溫度對于65nm元件來說必然是太高了。
PECVD和HDPCVD工藝的另一缺點(diǎn)與元件特征尺寸無關(guān)，而是由PECVD工藝中所需的高晶片溫度所引起的，在HDPCVD工藝中不可避免在上述工藝中不能使用光刻膠掩膜，因?yàn)楦呔瑴囟瘸^了導(dǎo)致光刻膠被毀壞或?qū)⑵鋭冸x晶片的溫度。所以，PECVD和HDPCVD工藝只能在不需要光刻膠掩膜的工藝步驟中應(yīng)用，這通常極大限制了化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝的應(yīng)用。
PECVD工藝典型地使用高室壓(1.5托(Torr))。該P(yáng)ECVD反應(yīng)器電容耦合中等功率大小(例如600W)的高頻(HF)(例如13.56MHz)射頻源功率，獲得較低的等離子體離子/中性粒子比率(10-5)，并施加中等功率大小(例如2kW)的低頻(LF)(例如在400KHZ以下)射頻(RF)偏壓功率，獲得100V以下的偏壓或晶片殼層電壓。加熱器加熱晶片到所需的高溫。得到的CVD沉積速率大約為5000/min(埃/分鐘)。
HDPCVD工藝典型地使用適宜低室壓(1.5毫托(mTorr))的電感耦合反應(yīng)器。HDPCVD反應(yīng)器施加甚高功率等級(例如10kW)的低頻(LF)(例如2MHz)射頻(RF)源功率，獲得甚高等離子體離子/中性粒子比率(10-1)，并施加0至2kW功率范圍的高頻(HF)(例如13.56KHZ)的射頻(RF)偏壓功率，獲得相當(dāng)于0至300V的偏壓或晶片殼層電壓。因高的等離子體離子密度，等離子體加熱使得晶片加熱到高溫。得到的CVD沉積速率大約為5000/min。
前述對PECVD工藝中的小源功率大小和HDPCVD工藝中的大源功率大小的要求分別妨礙了這些源功率的大幅度變化。這限定了任一個(gè)工藝中CVD層的保形性。這是因?yàn)楸怀练e的CVD層的保形性取決于源功率大小。(CVD工藝中的保形性是指側(cè)壁沉積速度與水平面沉積速度之間的比值。)所以，PECVD和HDPCVD工藝各自有一個(gè)固定的、只能改變工藝才能進(jìn)行較大改變的保形性特征。特別是HDPCVD工藝需要一個(gè)產(chǎn)生高度保形的CVD層的甚高(10kW)源功率大小。對該規(guī)律的任何改變將需要減小源功率，繼而減小等離子體離子密度。但這是不可行的，因?yàn)镠DPCVD工藝依賴甚高等離子體離子密度來提供所需能量以執(zhí)行CVD生長或沉積反應(yīng)。這使得HDPCVD沉積層具有不能規(guī)避的很高程度的保形性。所以，HDPCVD工藝中沉積層的保形性必然很高。同樣，PEDVD工藝產(chǎn)生具有低保形性的層。但是，通常不認(rèn)為這是一個(gè)問題，因?yàn)樯鲜龉に嚥⑽幢豢醋魇窃诟弑Ｐ涡院头潜Ｐ涡灾g調(diào)節(jié)保形性的工具。
在研發(fā)下述的本發(fā)明中，我們想要得到一種保形性能夠在大約0.1(非保形性)到大約0.5或超過0.5(保形性)之間變化、能夠分別形成有保形性與非保形性的不同的層、晶片能在不降低層品質(zhì)和過度降低生產(chǎn)率情況下維持在低溫(使得工藝適用于65nm元件的制造)的CVD工藝。
傳統(tǒng)CVD工藝的另一個(gè)問題存在于具有高縱橫比的孔例如深或淺的隔離槽的填充方面。該問題是，在填充上述溝槽的CVD工藝過程中，側(cè)壁沉積會(huì)在填充前改變該溝槽的底部，在完成的結(jié)構(gòu)中留下不允許的空隙。為了避免這樣的問題，在常規(guī)操作中必須使用具有最高程度的非保形性工藝(使側(cè)壁沉積最小化)。但是這樣做限制了能用于溝槽填充的工藝，而且還要求工藝工程師們在溝槽填充(CVD)工藝中具有維持高程度非保形性的能力。所以，我們希望獲得一種CVD工藝，該工藝對高縱橫比的孔例如溝槽的填充不一定需要非保形性CVD層的沉積。

發(fā)明內(nèi)容
一種在工件上沉積含硅、氮、氫或氧中的任何元素的涂層的低溫工藝，包括將該工件放置在反應(yīng)室中并面向反應(yīng)室工藝區(qū)，將含硅、氮、氫或氧中的任何元素的工藝氣體注入反應(yīng)室，通過向在反應(yīng)室外部、形成再進(jìn)入路徑一部分的再進(jìn)入管的一部分施加大約10MHz大小的高頻(HF)射頻(RF)等離子體源功率，在通過工藝區(qū)的再進(jìn)入路徑中產(chǎn)生環(huán)形射頻等離子體流，向工件施加一或幾MHz大小的低頻(LF)射頻等離子體偏壓功率，維持工件的溫度在大約100℃以下。
反應(yīng)室內(nèi)的壓力可以限制在閾值壓力以下，相對來說，閾值壓力以下，工件溫度不超過大約100℃時(shí)，涂層的沉積沒有瑕疵。
涂層的保形性可以選擇設(shè)置在保形性和非保形性的范圍內(nèi)，而涂層上的壓力可以設(shè)置在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之間。設(shè)置保形性是通過在使涂層保形性沉積的最大源功率和使涂層非保形性沉積的最小源功率之間設(shè)置任意大小的射頻等離子體源功率來完成的。設(shè)置涂層上的壓力是通過設(shè)置以壓應(yīng)力沉積涂層的最大偏壓功率和以拉應(yīng)力沉積涂層的最小偏壓功率來完成的。


圖1所示為維持上部環(huán)形等離子體流路徑的第一種情況。
圖2是圖1所示情況的側(cè)視圖。
圖3是表示等離子體中游離氟濃度隨晶片到室頂間隙距離變化而變化的圖表。
圖4是表示等離子體中游離氟濃度隨工件上施加的射頻偏壓功率變化而變化的圖表。
圖5是表示等離子體中游離氟濃度隨線圈天線上施加的射頻源功率變化而變化的圖表。
圖6是表示等離子體中游離氟濃度隨反應(yīng)室壓力變化而變化的圖表。
圖7是表示等離子體中游離氟濃度隨稀釋用惰性氣體例如氬氣的部分壓力變化而變化的圖表。
圖8是表示工藝氣體的離解度與施加在電感耦合反應(yīng)器和根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的反應(yīng)器的源功率的函數(shù)關(guān)系圖表。
圖9所示為圖1所示情況的變化情況。
圖10和圖11所示為圖1的情況中使用了密閉磁芯的變化情況。
圖12所示為本發(fā)明中環(huán)形等離子體流路徑從反應(yīng)室下方通過的另一種情況。
圖13所示為圖10的情況中對繞在密閉磁芯的末端部分的線圈施加等離子源功率的變化情況圖14所示為建立兩個(gè)平行環(huán)形等離子體流的情況。
圖15所示為建立多個(gè)獨(dú)立控制的平行環(huán)形等離子體流的情況。
圖16所示為圖15的情況中平行環(huán)形等離子體流通過垂直側(cè)壁而非室頂進(jìn)入和離開等離子室的變化情況。
圖17A所示為維持越過工件表面的一對相互垂直的環(huán)形等離子體流的情況。
圖17B所示為在圖17A的情況中使用了多個(gè)徑向葉片的情況。
圖18和19所示為本發(fā)明的環(huán)形等離子體流情況，該環(huán)形等離子體流是通過適合加工大型晶片的寬路徑的寬帶。
圖20所示為圖18的情況中環(huán)形等離子體流路徑外部被收縮的變化情況。
圖21所示為圖18的情況中使用了軸向位置可調(diào)節(jié)以適應(yīng)晶片表面的離子密度分布的柱形磁芯的變化情況。
圖22所示為圖21的情況中一對線圈是環(huán)繞一對柱形磁芯繞組的變化情況。
圖23所示為圖22的情況中單個(gè)共用線圈是環(huán)繞兩組磁芯的變化情況。
圖24和25所示為維持一對相互垂直的環(huán)形等離子體流的情況，該等離子體流是適合加工大型晶片的寬帶。
圖26所示為圖25的情況中使用磁芯來提高電感耦合的變化情況。
圖27所示為圖24的情況中垂直等離子帶區(qū)通過垂直側(cè)壁而不是通過橫向室頂進(jìn)入和離開反應(yīng)室的改進(jìn)情況。
圖28A所示為圖24的情況中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)環(huán)形等離子體流的實(shí)施情況。
圖28B所示為圖28A的情況中包括磁芯的一種情況。
圖29所示為本發(fā)明的較佳情況，其中提供了一種連續(xù)循環(huán)充氣空間來包圍環(huán)形等離子體流。
圖30是圖29的俯視剖面圖。
圖31A和31B是圖30的正視剖面圖和側(cè)視剖面圖。
圖32所示為圖29的情況中在成120度夾角的連續(xù)充氣空間下方使用三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)射頻線圈的變動(dòng)情況。
圖33所示為圖32的情況中在120度相角下驅(qū)動(dòng)三個(gè)射頻線圈，提供成一定方位角旋轉(zhuǎn)的等離子體的變化情況。
圖34所示為圖33的變化情況，其中，射頻驅(qū)動(dòng)線圈繞在各磁芯垂直外端，磁芯的相對端在充氣空間下方以對稱分布角水平延伸。
圖35是圖17的情況中互為橫向的中空管象圖20所示那樣被變窄的情況。
圖36是在圖24的基礎(chǔ)上使用了一對連接各射頻功率源的帶有各自線圈3630、3640的磁芯3610、3620的情況。
圖37是與圖35對應(yīng)的情況，但含有三個(gè)而非二個(gè)再進(jìn)入管道，總共有6個(gè)再進(jìn)入反應(yīng)室的端口。
圖38是與圖38對應(yīng)的情況，但具有三個(gè)而非二個(gè)再進(jìn)入管道，總共有6個(gè)再進(jìn)入反應(yīng)室的端口。
圖39是與圖35對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間3910連接在一起。
圖40是與圖36對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4010連接在一起。
圖41是與圖37對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4110連接在一起。
圖42是與圖38對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4210連接在一起。
圖43是與圖17對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4310連接在一起。
圖44所示的反應(yīng)器與圖1類似，具有用于控制等離子體離子密度均勻度的磁極靴。
圖45所示的反應(yīng)器與圖44類似，其中，磁極靴在室頂表面附近的直徑被減小，室頂是雙區(qū)的氣體分布板。
圖46、47和48表示極靴的不同形狀。
圖49所示為氣體分布板的一個(gè)實(shí)施例。
圖50是圖49中氣體注入口的詳細(xì)圖示。
圖51是顯示能夠產(chǎn)生磁極靴的磁場圖表。
圖52是磁場大小與半徑的函數(shù)圖表。
圖53和54所示為控制工藝氣體流動(dòng)的不同方式。
圖55A和55B所示為環(huán)形等離子體路徑中分離器的使用。
圖56A、56B和56C顯示，環(huán)形等離子體流在使用的分離器處垂直進(jìn)入反應(yīng)室。
圖57和58所示為分離器的不同形狀。
圖59A和59B所示為環(huán)形等離子體流徑向進(jìn)入反應(yīng)室的分離器的使用情況。
圖60、61、62和63所示為環(huán)形等離子體在反應(yīng)室拐角位置被垂直注入的分離器的使用情況。
圖64所示為分離器可以只延伸到部分工藝區(qū)高度的情況。
圖65A、65B和66所示為一種適合增加具有特定的反應(yīng)室直徑的反應(yīng)室內(nèi)部環(huán)形等離子體流的有效徑向路徑長度的分離器設(shè)計(jì)。
圖67所示為帶有圖1中環(huán)形等離子體流源的MERIE磁體的使用情況。
圖68和69所示為較好的將環(huán)形等離子體流限定在工藝區(qū)的散熱片的使用情況。
圖70、71A和71B所示為具有分布電感的射頻功率施加器。
圖72所示為相當(dāng)于圖70、71A和71B的分布電感。
圖73所示為圖72中分布電感的環(huán)形排列。
圖74顯示與圖71A和71B對應(yīng)的分布電感和電容的排列。
圖75和76所示為使用圖71A和71B的磁芯的電感耦合射頻功率的不同方式的示意圖。
圖77所示為使用絕緣層來使圖44的終端部分和環(huán)形管電絕緣的情況。
圖78所示為均勻控制磁體或磁極可以設(shè)置在晶片支承底座下方的方式。
圖79所示為帶有射頻偏壓功率施加器的電感耦合等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器。
圖80A、80B和80C所示分別為施加的脈沖D.C.偏壓，對應(yīng)的殼層電壓方式和施加的射頻偏壓。
圖81A、81B、81C和81D所示分別為離子流的能量分布，施加的射頻偏壓周期，離子飽和流和D.C.偏壓的函數(shù)關(guān)系，以及用于不同射頻偏壓頻率的離子流的能量分布。
圖82A和82B所示為源功率發(fā)生器的功率輸出波形和推拉模式的偏壓功率發(fā)生器之間的時(shí)間關(guān)系。
圖82C和82D所示為源功率發(fā)生器的功率輸出波形和同步模式下偏壓功率發(fā)生器之間的時(shí)間關(guān)系。
圖82E和82F所示為源功率發(fā)生器的功率輸出波形和對稱模式下偏壓功率發(fā)生器之間的時(shí)間關(guān)系。
圖82G和82H所示為源功率發(fā)生器的功率輸出波形和非對稱模式下偏壓功率發(fā)生器之間的時(shí)間關(guān)系。
圖83A和83B所示為帶有射頻偏壓施加器的電容耦合等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器的不同形式。
圖84所示為具有再進(jìn)入環(huán)形路徑等離子體源的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器。
圖85所示為具有包含兩個(gè)交叉閉合等離子體路徑的環(huán)形等離子體源的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器。
圖86所示為圖85中反應(yīng)器頂部的內(nèi)表面。
圖87所示為圖85中反應(yīng)器的氣體分布板。
圖88是圖85中的反應(yīng)器經(jīng)改進(jìn)后包括等離子體控制中心電磁體的部分視圖。
圖89A和89B分別是圖88中的反應(yīng)器另外有一個(gè)等離子體控制外部電磁體的形式的側(cè)視圖和俯視圖。
圖90A，90B和90C是圖89A中具有用于控制磁流的底板的不同間隙距離的外部電磁體的側(cè)面剖視圖。
圖91所示為圖85中反應(yīng)器內(nèi)的射頻偏壓功率耦合電路。
圖92顯示了根據(jù)偏壓控制特征的射頻偏壓波形。
圖93是顯示根據(jù)圖92所示特征控制偏壓的控制系統(tǒng)的框圖。
圖94是圖85中反應(yīng)器內(nèi)使用的真空控制閥的俯視圖。
圖95是圖94中控制閥在關(guān)閉位置的側(cè)面剖視圖。
圖96是圖95中控制閥直角方向的殼體內(nèi)表面的側(cè)視圖。
圖97是用在圖85中反應(yīng)器內(nèi)的高壓晶片支承底座的側(cè)面剖視圖。
圖98是圖97中顯示了扣合件的晶片支承底座的剖視面的放大圖。
圖99是包括等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器的離子植入工藝系統(tǒng)的框圖。
圖100是顯示電子密度與施加于圖79中電感耦合等離子體浸沒植入反應(yīng)器和圖85中環(huán)形源等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器上的等離子體源功率的函數(shù)圖表。
圖101是顯示游離氟密度與施加于圖79中電感耦合等離子體浸沒植入反應(yīng)器和圖85中環(huán)形源等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器上的等離子體源功率的函數(shù)圖表。
圖102是顯示電子密度與施加于圖83A中電容耦合等離子體浸沒植入反應(yīng)器和圖85中環(huán)形源等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器上的等離子體源功率的函數(shù)圖表。
圖103是顯示摻雜濃度和圖85中反應(yīng)器和傳統(tǒng)的離子束植入器內(nèi)用于不同離子能量結(jié)深的函數(shù)圖表。
圖104所示為在后-植入快速熱退火之前或之后摻雜濃度的圖表。
圖105是顯示圖85中環(huán)形源等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器和傳統(tǒng)的離子束植入器內(nèi)動(dòng)表面退火之前或之后摻雜濃度的圖表。
圖106是顯示離子植入和退火后的晶片和通過圖85中使用動(dòng)表面退火的反應(yīng)器和使用快速熱退火的共用離子束植入器獲得的結(jié)深之間的函數(shù)關(guān)系圖表。
圖107是顯示動(dòng)表面退火之前和之后通過圖85中反應(yīng)器獲得的植入摻雜濃度的圖表。
圖108是圖85中反應(yīng)器內(nèi)射頻偏壓(左邊的縱坐標(biāo))和束線植入器內(nèi)束線電壓(右邊的縱坐標(biāo))與結(jié)深之間的函數(shù)關(guān)系圖表。
圖109是源極與漏極接觸器和晶片管的多晶硅選通電極的離子植入過程中晶片表面的剖視圖。
圖110是晶體管源極和漏極延伸部分的離子植入過程中晶片表面的剖視圖。
圖111是顯示使用圖85中的反應(yīng)器執(zhí)行離子植入工藝的流程圖。
圖112是顯示在圖99所示的系統(tǒng)中使用圖85中的反應(yīng)器執(zhí)行可能會(huì)出現(xiàn)的預(yù)植入、離子植入以及可能會(huì)出現(xiàn)的后植入工藝順序的流程圖。
圖113是顯示能夠使用圖1中環(huán)形源極反應(yīng)器的低溫CVD工藝的框圖。
圖114A是圖113的工藝中沉積層的保形率(縱軸)與所使用的射頻源功率(橫軸)之間的函數(shù)關(guān)系的圖表。
圖114B是圖示術(shù)語“保形性”含義的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖表。
圖115是顯示CVD沉積速率(縱軸)和所使用的源功率(橫軸)的函數(shù)關(guān)系圖表。
圖116是顯示通過圖113所示工藝沉積的涂層上的壓力和偏壓功率之間的函數(shù)關(guān)系圖表。
圖117是顯示按照圖113所示步驟對晶片進(jìn)行一系列后CVD離子植入處理步驟的框圖。
圖118A是圖113所示CVD沉積工藝之前的晶硅片的剖面圖。
圖118B是顯示執(zhí)行圖113所示工藝后覆有一層CVD沉積層的基層的剖面圖。
圖118C是顯示圖118A所示晶硅片按照圖113所示工藝進(jìn)行離子植入步驟的剖面圖。
圖119A、119B和119C分別以簡要方式顯示與圖118A、118B和118C對應(yīng)的薄膜晶片結(jié)構(gòu)。
圖120A所示為CVD沉積物例如氮在圖118A所示離子植入步驟之前和之后的深度曲線圖。
圖120B所示為按照圖118C所示步驟提高CVD沉積層的附著性的所需離子植入深度曲線圖。
圖121所示為在所選的沉積種類例如氮的CVD沉積層內(nèi)添加內(nèi)容的所需離子植入深度曲線圖。
圖122A顯示了根據(jù)圖121所示植入步驟之前CVD沉積層和基層的結(jié)構(gòu)。
圖122B顯示了植入步驟之后沉積層和基層的結(jié)構(gòu)。
圖123A至圖123H是顯示在包含p-頻和n-頻場效晶片管(FETs)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)裝置上形成載流子遷移率增強(qiáng)鈍化層的低溫等離子體CVD工藝中一系列步驟結(jié)果的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖124是與圖123A至123H所示結(jié)果對應(yīng)一致的工藝步驟框圖。
圖125是顯示能夠使用圖1中環(huán)形源反應(yīng)器填充高縱橫比孔隙的低溫CVD工藝的框圖。
圖126是顯示氧(實(shí)線)和氮(虛線)氣流率與需要填充圖125所示工藝中孔隙的持續(xù)時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系圖表。
圖127是沉積層中氧量和圖125所示工藝中深度曲線之間的函數(shù)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
對環(huán)形源反應(yīng)器的說明參照圖1，由筒形側(cè)壁105和室頂110圍起的等離子體反應(yīng)室100包含用來支承半導(dǎo)體晶片或工件120的晶片底座115。工藝氣體供應(yīng)源125通過延伸穿過側(cè)壁105的氣體入口管130a-130d向反應(yīng)室100提供工藝氣體。真空泵135控制反應(yīng)室100內(nèi)的壓力，典型地是將壓力控制在0.5毫托(mT)以下。半環(huán)形中空管狀圍繞體或管道150在室頂上以半環(huán)形延伸。盡管管道150從室頂110外部向外延伸，但是該管道150仍然是反應(yīng)器的一部分，形成反應(yīng)室的壁。其內(nèi)部和反應(yīng)器內(nèi)其他地方一樣，都被抽成真空。事實(shí)上，真空泵135可以另外和管道150連接，而不是和圖1中的反應(yīng)室主體底部連接。管道150的一個(gè)開口端150a環(huán)繞密封于反應(yīng)室頂110上的第一開口155，另一端150b環(huán)繞密封于反應(yīng)室頂110上的第二開口160。兩個(gè)開口或端口150、160通常設(shè)置在晶片支承底座115的相對側(cè)。中空管150是可再進(jìn)入的，因?yàn)樵撝锌展芴峁┝藦囊粋€(gè)開口流出反應(yīng)室主體部分、從另一開口再次流入的流動(dòng)路徑。在本說明書中，管道150可以描述為半環(huán)形，因?yàn)樵摴艿朗强盏模峁┝说入x子體可以在其中流動(dòng)的一部分閉合路徑，即通過流經(jīng)晶片支承底座115上方的整個(gè)工藝區(qū)完成的整個(gè)路徑的一部分。盡管使用了術(shù)語“環(huán)形”，但是該路徑的路線以及該路徑的代表形狀或是管道150可以是環(huán)形或非環(huán)形，并且可以是正方形，矩形或是任意其他規(guī)則或不規(guī)則形。
管道150外部可以由較薄的導(dǎo)體例如金屬片形成，但是應(yīng)足夠堅(jiān)固以承受室內(nèi)的真空。為了抑制中空管150金屬片中的渦流(以便于耦合射頻感應(yīng)場至管道150的內(nèi)部)，絕緣間隙152為了將中空管150隔成兩個(gè)筒形部分而延伸穿過或通過該管道。該間隙152通過絕緣環(huán)154例如用陶瓷代替金屬片外殼填充，以使得該間隙真空密閉?？梢蕴峁┑诙^緣間隙153，使得管道150的一部分是電懸浮的。偏壓射頻發(fā)生器162通過阻抗匹配元件164向晶片底座115和晶片120施加射頻偏壓功率。
中空管150可以由機(jī)械加工金屬形成，例如鋁或鋁合金。用于液體冷卻或加熱的通道可以合并到該中空管的管壁內(nèi)。
另一種選擇是，中空管150可以用非導(dǎo)體材料而不用導(dǎo)體金屬片形成。例如非導(dǎo)體材料可以是陶瓷。在這樣一個(gè)可選擇的情況下，間隙152或153都不是必需的。
天線170例如為設(shè)置在中空管150一側(cè)、和繞在與半環(huán)形管對稱軸平行的軸上的繞組或線圈165，通過阻抗匹配元件175和射頻功率源180連接。該天線170可以進(jìn)一步包括設(shè)置在中空管150相對側(cè)、在和第一繞組165同樣的方向被纏繞的第二繞組185，從結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁場。
來自于反應(yīng)室100的工藝氣體充滿中空管150。另外，一個(gè)分離的工藝氣體供應(yīng)源190可以通過進(jìn)氣口195直接向中空管150供應(yīng)工藝氣體。在外部中空管150上的射頻磁場使管內(nèi)氣體離子化產(chǎn)生等離子體。由環(huán)形線圈天線170感應(yīng)的射頻磁場使得管道150內(nèi)形成的等離子體穿過晶片120和室頂110之間的區(qū)域，完成包括半環(huán)形中空管150在內(nèi)的環(huán)形路徑。此處使用的術(shù)語“環(huán)形”，指的是該路徑的閉合和整體的特性，但并不是指定或限定它的可以是環(huán)形、非環(huán)形或正方形等形狀的截面形狀或路線。等離子體循環(huán)流過(振蕩)可以認(rèn)為是閉合等離子體電路的整個(gè)環(huán)形路徑或區(qū)域。環(huán)形區(qū)域延伸穿過晶片120的直徑，在某些情況下，該區(qū)域具有在晶片表面上可以覆蓋整個(gè)晶片表面的足夠?qū)挾取?br> 線圈天線170產(chǎn)生的射頻感應(yīng)場包括自身被封閉的磁場(象所有的磁場一樣)，所以沿著本說明書所述的閉合環(huán)形路徑感應(yīng)產(chǎn)生等離子體流。可以認(rèn)為射頻感應(yīng)場產(chǎn)生的能量一般在沿閉合路徑的每一位點(diǎn)被吸收，所以等離子體離子沿著整個(gè)路徑產(chǎn)生。由多種因素決定的射頻能量吸收和等離子體離子產(chǎn)生率可能隨著閉合路徑上的不同位點(diǎn)發(fā)生變化。盡管等離子流密度可能變化，但是其沿著閉合路徑的長度通常是均勻分布的。該等離子流以施加在天線170上的射頻信號頻率輪流交替。但是，由于由射頻磁場感應(yīng)產(chǎn)生的等離子體流是閉合的，該等離子體流必須環(huán)繞閉合路徑的電路存儲(chǔ)，因此在閉合路徑任一部分流動(dòng)的等離子體流量通常和該路徑的其他部分相同。在如下的說明中，上述情況在本發(fā)明中被充分利用以發(fā)揮最大優(yōu)勢。
等離子體流流經(jīng)的閉合環(huán)形路徑受到在各種不同的、限制路徑的傳導(dǎo)面上形成的等離子體殼層的限制。這些傳導(dǎo)面包括中空管150的金屬片、晶片(和/或晶片支承底座)和晶片上方的室頂。在這些傳導(dǎo)面上形成的等離子體殼層是由于少量負(fù)電子的較大流動(dòng)性和大量陽離子的較小流動(dòng)性導(dǎo)致電荷不均衡的結(jié)果所產(chǎn)生的電荷消耗區(qū)。這樣的等離子體殼層產(chǎn)生和該殼層下方的局部表面垂直的電場。因此，穿過晶片上方工藝區(qū)的射頻等離子體流被收縮，從與面向晶片的室頂表面和面向氣體分布板的晶片表面這兩個(gè)面垂直的兩個(gè)磁場之間通過。該殼層(具有施加于工件或其他電極上的射頻偏壓)的厚度要比電場集中的小區(qū)域例如晶片上方的殼層厚一些，而比其他位置例如覆蓋室頂和大面積的相鄰室壁表面的殼層要薄一些。因此，覆蓋在晶片上的等離子體殼層要厚的多。晶片殼層和室頂/氣體分布板殼層的電場通常相互平行，與工藝區(qū)中射頻等離子體流的流向垂直。
當(dāng)射頻功率首先施加于線圈天線170時(shí)，中空管150內(nèi)穿過間隙152發(fā)生放電，點(diǎn)燃來源于氣體的電容耦合等離子體。超過閾值功率大小，放電和等離子體流會(huì)在通過中空管150的長度和沿著整個(gè)環(huán)形路徑的空間中連續(xù)不間斷。然后，由于通過中空管150的等離子體流增加，因此射頻場的電感耦合變得更占優(yōu)勢，使得等離子體成為電感耦合等離子體。
為了防止晶片外圍的邊緣效應(yīng)，端口150、160之間的間距大于晶片的直徑。例如，對于直徑為12英寸的晶片，端口150、160大約相隔14到22英寸。對于直徑為8英寸的晶片，端口150、160大約相隔9到16英寸。
盡管使用了術(shù)語“晶片”，但是該工件可以是任何形狀，例如矩形。該工件材料可以是半導(dǎo)體、絕緣體或是不同材料的結(jié)合體。該工件也可以具有二維或三維結(jié)構(gòu)。
優(yōu)點(diǎn)一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，射頻感應(yīng)場產(chǎn)生的能量在整個(gè)較長(即相對晶片和反應(yīng)器室頂之間的間隙長度而言的“長”)的閉合環(huán)形路徑被吸收，所以射頻能量吸收分布在大范圍區(qū)域內(nèi)。結(jié)果晶片到反應(yīng)器室頂間隙(即圖2中清楚顯示的工藝區(qū)121，不要和絕緣間隙152混淆)附近的射頻能量密度較低，減少了由射頻場引起設(shè)備損毀的可能性。相反，在先前的電感耦合反應(yīng)器中，所有射頻能量在從晶片到室頂?shù)莫M窄間隙內(nèi)被吸收，所以大部分集中在那個(gè)區(qū)域。而且，這種情況經(jīng)常(因?yàn)橐獙で笃渌麅?yōu)點(diǎn)而)限制了縮窄晶片-室頂間隙的能力，或者，另一種選擇是，在晶片區(qū)需要更大的射頻能量濃度。所以本發(fā)明克服了工藝中對長持續(xù)時(shí)間的限制，這方面通過如前所述的顯著縮小晶片上方工藝區(qū)或工藝帶的體積進(jìn)而減少反應(yīng)氣體的停留時(shí)間來提高一些應(yīng)用中的工藝質(zhì)量。
一個(gè)相關(guān)甚至更重要的優(yōu)點(diǎn)是，晶片表面的等離子體密度能夠在不增加施加在線圈天線170上的射頻功率的情況下顯著增加(導(dǎo)致更高的功效)。這是通過縮減底座表面和晶片120附近的環(huán)形路徑的截面面積(相對于剩下的其他路徑而言)來完成的。所以僅通過收縮晶片附近的等離子體流的環(huán)形路徑，晶片表面附近的等離子體密度就會(huì)成比例增加。這是因?yàn)橥ㄟ^中空管150的環(huán)形路徑的等離子體流必須至少幾乎和穿過底座到室頂(晶片到室頂)間隙之間的等離子體流相同。
與已有技術(shù)的顯著差異是，不但射頻場遠(yuǎn)離工件，晶片表面上的離子密度可以在不增加施加的射頻場情況下增加，而且等離子體離子密度和/或施加的射頻場可以在不增加晶片到室頂?shù)淖钚￠g隙長度情況下增加。以前，例如增加等離子體密度必須增加晶片到室頂?shù)拈g隙以防止晶片表面上的強(qiáng)磁場。相反，本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了無須增加任何晶片到室頂間隙即可提高等離子體密度，從而避免了晶片表面上射頻磁場的相應(yīng)增加。這是因?yàn)槭┘拥纳漕l場遠(yuǎn)離晶片，而且不需要增加射頻場來實(shí)現(xiàn)晶片表面上等離子體密度的增加。結(jié)果是，晶片到室頂間隙能夠減小到基本界限從而獲得許多優(yōu)勢。例如如果晶片上方的室頂表面是傳導(dǎo)性的，那么減小晶片到室頂間隙改進(jìn)了由傳導(dǎo)室頂表面提供的電氣或接地基準(zhǔn)。晶片到室頂間隙最小長度的基本界限是晶片表面和室頂表面上等離子體層殼的總厚度。
本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)樯漕l感應(yīng)場施加在沿射頻等離子體流的整個(gè)環(huán)形路徑(使得射頻感應(yīng)場的吸收按如下所述分布)，所以室頂110，和大多數(shù)其他的電感功率反應(yīng)器不同，不需要發(fā)揮充當(dāng)感應(yīng)場窗戶的作用，所以可以包括例如如下所述的傳導(dǎo)氣體分布板。結(jié)果，室頂110穩(wěn)定提供穿過整個(gè)底座或晶片120表面的可靠電位或接地基準(zhǔn)。
增加等離子體離子密度一種通過減小晶片表面上方等離子體路徑的截面面積來實(shí)現(xiàn)晶片表面高等離子體密度的方式是減小晶片到室頂間隙的長度。這可以通過簡單地減小室頂高度，或者在晶片上方加上傳導(dǎo)氣體分布板或傳導(dǎo)氣體分布噴頭來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。圖2中的氣體分布噴頭包括和氣體供應(yīng)源125連接并且通過多個(gè)氣體噴嘴口125與晶片120上方的工藝區(qū)連通的氣體分布充氣空間220。傳導(dǎo)噴頭210的優(yōu)點(diǎn)有兩方面第一，依靠接近于晶片的近位點(diǎn)，收縮晶片表面上方的等離子體路徑，從而增加在那附近的等離子體流密度；第二，提供了靠近和穿過整個(gè)晶片表面的統(tǒng)一的電位基準(zhǔn)或接地導(dǎo)體。
為了避免在穿過孔230時(shí)走弧線，每一個(gè)孔230可以相對小一些，為毫米級，(例如孔徑大約為0.5mm)。相鄰的孔間距可以在大約幾毫米內(nèi)。
因?yàn)榈入x子體殼層環(huán)繞浸在等離子體中的噴頭表面的一部分而形成，所以傳導(dǎo)噴頭210是收縮等離子體路徑而非提供通過它的短路。該殼層對等離子體流具有比晶片120和噴頭210之間的空間更大的阻抗，所以事實(shí)上所有等離子體流都環(huán)繞傳導(dǎo)噴頭210流動(dòng)。
沒有必要使用噴頭(例如噴頭210)來收縮晶片上方工藝區(qū)附近的環(huán)形等離子體流或路徑。在工藝區(qū)內(nèi)的路徑收縮和隨后的等離子體密度增加可以通過類似于減小晶片到室頂?shù)母叨榷挥脟婎^210來實(shí)現(xiàn)。如果在這種方式下除去噴頭210，那么工藝氣體可以通過傳統(tǒng)的進(jìn)氣口噴嘴、氣體擴(kuò)散器或氣槽(圖中未顯示)的方式向室內(nèi)供應(yīng)氣體。
噴頭210的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，例如具有不同混合比例的活性和惰性工藝氣體混合物可以通過不同半徑的不同通孔230被注入，以精細(xì)調(diào)節(jié)光刻膠上等離子體效果的均勻性。所以，例如惰性氣體與活性氣體比率較大的氣體混合物可以供應(yīng)給半徑超過中間半徑的孔230，而活性氣體與惰性氣體比率較大的氣體混合物可以供應(yīng)給半徑小于中間半徑的孔230。
如下所述的環(huán)形等離子體流路徑可以被收縮在晶片上方工藝區(qū)(為了增加晶片上方等離子體離子密度)的另一種方法是，通過增加施加于晶片支承底座的射頻偏壓功率來增加等離子體殼層厚度。如前所述，因?yàn)榇┻^工藝區(qū)的等離子體流限制在晶片表面和室頂(或噴頭)表面的等離子體殼層之間，所以增加晶片表面的等離子體殼層厚度就有必要減小工藝區(qū)內(nèi)環(huán)形等離子體流部分的截面面積，從而增加工藝區(qū)內(nèi)等離子體離子密度。所以，本說明書中后面會(huì)更全面的描述，當(dāng)晶片支承底座上的射頻偏壓功率增加時(shí)，晶片表面附近的等離子體離子密度會(huì)相應(yīng)增加。
高蝕刻速率下的高蝕刻選擇性本發(fā)明解決了有時(shí)伴隨高密度等離子體出現(xiàn)的劣質(zhì)蝕刻選擇性的問題。當(dāng)提供接近高密度電感耦合等離子體反應(yīng)器的高蝕刻速率時(shí)，圖1和2的反應(yīng)器具有和電容耦合等離子體反應(yīng)器一樣高的二氧化硅-光刻膠的蝕刻選擇性(約7∶1)。可以認(rèn)為對于這種工藝的原因是因?yàn)閳D1和2的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)減小了活性工藝氣體的離解度，以碳氟化合物氣體為典型，從而減小了晶片120上方等離子體區(qū)域游離氟的發(fā)生率。因此等離子體中游離氟與從碳氟化合物氣體離解出的其他類物質(zhì)的相對比例就如愿以償?shù)臏p少了。這些其他類物質(zhì)包括起保護(hù)作用的富含碳的聚合物前體，它們在等離子體內(nèi)由碳氟化合物氣體產(chǎn)生，作為保護(hù)性聚合物膜沉積在光刻膠上。這些其他類物質(zhì)還包括活性較小的蝕刻劑類物質(zhì)例如CF和CF2，它們在等離子體內(nèi)由碳氟化合物氣體產(chǎn)生。游離氟往往會(huì)象腐蝕二氧化硅那樣用力腐蝕光刻膠和在其上形成的保護(hù)性聚合物膜，從而減小了氧化物至光刻膠的蝕刻選擇性。另一方面，具有較小活性的蝕刻劑類物質(zhì)例如CF和CF2往往對光刻膠和其上形成的保護(hù)性聚合物膜的腐蝕速度會(huì)更慢一些，所以提供了較好的蝕刻選擇性。
可以認(rèn)為本發(fā)明等離子體物質(zhì)到游離氟的離解的減少是通過減少活性氣體在等離子體內(nèi)的停留時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)橐婚_始在等離子體內(nèi)由碳氟化合物工藝氣體離解出的更復(fù)雜的物質(zhì)例如CF和CF2，其自身最終被離解成包括游離氟在內(nèi)的更單一種類，該最終離解步驟的程度由等離子體內(nèi)氣體停留的時(shí)間決定。本說明書中使用的術(shù)語“停留時(shí)間”或“居留時(shí)間”一般與工藝氣體分子和該分子離解出的物質(zhì)存在于工件或晶片上方的工藝區(qū)內(nèi)的時(shí)間對應(yīng)。這個(gè)時(shí)間或期間為從一開始?xì)怏w分子注入工藝區(qū)直到該氣體分子和/或它的離解物質(zhì)沿著如上所述的延伸通過工藝帶的閉合環(huán)形路徑穿出工藝區(qū)的時(shí)間。
還可以認(rèn)為通過和傳統(tǒng)的電感耦合等離子體源比較，減少施加的等離子體源功率的功率密度來實(shí)現(xiàn)減少等離子體物質(zhì)離解出的游離氟。如上所述，來源于射頻感應(yīng)場的能源在整個(gè)較長的閉合環(huán)形路徑被吸收(即相對晶片和室頂之間的間隙長度而言的“長”)，因此射頻功率吸收分布在一個(gè)大面積范圍上。結(jié)果，在晶片到室頂間隙附近的射頻功率密度(即圖2清楚顯示的工藝區(qū)121，不要和絕緣間隙152混淆)較低，從而減少了氣體分子的離解。
綜上所述，本發(fā)明通過減少碳氟化合物工藝氣體在工藝區(qū)的停留時(shí)間提高了蝕刻選擇性。該停留時(shí)間的減少通過收縮晶片120和室頂110之間的等離子體體積來實(shí)現(xiàn)。
晶片到室頂間隙或體積的減小具有某些有益的效果。第一，它增加了晶片上方的等離子體密度進(jìn)而提高了蝕刻速率。第二，停留時(shí)間隨著體積的減小而減少。參照上述，本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)小體積是可能的，因?yàn)楹蛡鹘y(tǒng)的電感耦合反應(yīng)器不同的是，射頻源功率沒有設(shè)置在晶片上方的工藝區(qū)的范圍內(nèi)，而是沿著等離子體流的整個(gè)閉合環(huán)形路徑分布能量沉積。所以，晶片到室頂?shù)拈g隙可以小于射頻感應(yīng)場的透入深度，事實(shí)上可以小到極大減小注入工藝區(qū)的活性氣體的停留時(shí)間，這是一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。
有兩種減小等離子體路徑截面進(jìn)而減小晶片120上方體積的方法。一種是減小晶片到噴頭間隙距離，另一種是通過增加由射頻偏壓發(fā)生器162產(chǎn)生并施加于晶片底座115的偏壓射頻功率來增加等離子體殼層厚度。使用光學(xué)發(fā)射光譜學(xué)(OES)技術(shù)可以觀察到，任一種方法都導(dǎo)致了晶片120附近等離子體中游離氟濃度的減少(隨后增加電介質(zhì)到光刻膠上的蝕刻選擇性)。
本發(fā)明另外有三種減少游離氟濃度以改進(jìn)蝕刻選擇性的方法。一種方法是向等離子體中注入沒有化學(xué)活性的惰性氣體例如氬。氬氣可以通過從第二工藝氣體供應(yīng)源190直接注入中空管150，然后引入到工藝區(qū)的上方或外部，而具有化學(xué)活性的工藝氣體(碳氟化合物氣體)僅通過噴頭210進(jìn)入反應(yīng)室。在這種有利的安排下，氬離子、中性粒子和激發(fā)核在環(huán)形路徑等離子體流中擴(kuò)散，并且通過穿越晶片表面的工藝區(qū)，將最新注入的活性(例如碳氟化合物)氣體稀釋，進(jìn)而有效的減少了這些活性氣體在晶片上方的停留時(shí)間。減少等離子體游離氟濃度的第二種方法是減少反應(yīng)室壓力。第三種方法是減少施加在線圈天線170上的射頻源功率。
圖3是顯示本發(fā)明中觀察到的等離子體中游離氟濃度隨晶片-噴頭間距減小而減小的走向圖。圖4是顯示等離子體中游離氟濃度隨施加在晶片底座115的等離子體偏壓功率的減小而減小的圖表。圖5是顯示等離子體中游離氟濃度隨施加在線圈天線170的射頻源功率的減小而減小的圖表。圖6是顯示等離子體中游離氟濃度隨著反應(yīng)室壓力減小而減少的圖表。圖7是顯示等離子體中游離氟濃度隨著稀釋劑(氬氣)注入中空管150的流速的增加而減少的圖表。圖3-7僅僅是對從多個(gè)OES觀察中推斷出的等離子體行為趨勢作解釋性說明，并非真實(shí)數(shù)據(jù)的描述。
寬大的工藝窗反應(yīng)室壓力通常小于0.5T并且能夠達(dá)到1mT的低壓。工藝氣體可以是通過氣體分布噴頭以大約15cc/m的流速注入反應(yīng)室100的C4F8以及以15cc/m的流速注入的氬，反應(yīng)室壓力維持在大約20mT。另一種選擇是，氬氣流速可以增加到650cc/m，反應(yīng)室壓力維持在60mT。天線170可以以13MHz約50瓦的射頻功率增加能量。晶片-噴頭間距可以大約為0.3-2英寸。施加在晶片底座的偏壓射頻功率可以是13MHz、2000W(Watts)。也可以選擇其他頻率。施加在線圈天線170上的源功率可以低到50kHz，高到13MHz的N倍之多。施加在晶片底座的偏壓功率亦是如此。
用于圖1和2中反應(yīng)器的工藝窗比傳統(tǒng)的電感耦合反應(yīng)器的工藝窗寬大的多。圖8中的圖表顯示了游離氟的比中性通量分別與用于傳統(tǒng)的電感反應(yīng)器和用于圖1和2中反應(yīng)器的射頻源功率的函數(shù)關(guān)系。圖8顯示出，對于傳統(tǒng)的電感耦合反應(yīng)室，游離氟的比通量在源功率超過50和100W之間時(shí)迅速增加，相反，圖1和2中的反應(yīng)器在游離氟的比通量迅速增加之前能夠承受接近1000W的源功率大小。所以，本發(fā)明中的源功率工藝窗幾乎比傳統(tǒng)的電感耦合反應(yīng)室的工藝窗寬近一個(gè)數(shù)量級，這是一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。
雙重優(yōu)點(diǎn)在晶片或工件附近的環(huán)形等離子體流路徑的收縮產(chǎn)生兩個(gè)無法被任何其他性能標(biāo)準(zhǔn)所有益替代的獨(dú)立優(yōu)點(diǎn)(1)晶片上方的等離子體密度的增加不需要增加等離子體源功率，(2)如上所述，增加了對光刻膠或其他材料的蝕刻選擇性。在先前的等離子體反應(yīng)器中，假設(shè)有可能通過增加蝕刻選擇性的相同步驟來增加等離子體離子密度一直被認(rèn)為是不切實(shí)際的。因此，由本發(fā)明的環(huán)形等離子體源實(shí)現(xiàn)的雙重優(yōu)點(diǎn)顯示出對以前的工藝的革命性創(chuàng)新。
其他實(shí)施例圖9所示為對圖1所示情況的改進(jìn)，其中，側(cè)部天線170被換成安裝在室頂110和中空管150之間空間內(nèi)的更細(xì)的天線910。天線910是以中空管150為中心的單個(gè)線圈繞組。
圖10和11顯示對圖1的改進(jìn)情況，其中，附加了一個(gè)延伸穿過室頂110和中空管150之間空間的閉合滲透磁芯1015。磁芯1015改善了從天線170到中空管150內(nèi)的等離子體的電感耦合。
阻抗匹配可以不需要阻抗匹配電路175，而使用環(huán)繞磁芯1015并與調(diào)諧電容器連接的第二繞組1120來實(shí)現(xiàn)。該調(diào)諧電容器1130的電容被選擇用來使第二繞組1120發(fā)生射頻功率源180的頻率共振。對于固定調(diào)諧電容器1130，動(dòng)態(tài)的阻抗匹配可以通過頻率調(diào)諧和/或正向傳輸功率補(bǔ)償來提供。
圖12所示為本發(fā)明的一種情況，其中中空管狀環(huán)繞體1250在反應(yīng)器底部周圍環(huán)繞延伸，通過反應(yīng)室底板上的一對開口1260、1265和反應(yīng)室內(nèi)部連通。線圈天線1270按圖1所示的情形，沿著中空管狀環(huán)繞體1250提供的環(huán)形路徑側(cè)面而行。盡管圖12顯示了和主反應(yīng)室底部連接的真空泵135，但是該真空泵也可以和下面的管1250連接。
圖13顯示了圖10和11所示情況的變化情況，其中，天線170被換成環(huán)繞在磁芯1015上部的電感繞組1320。為方便起見，繞組1320環(huán)繞在管道150上方(而不是在下方)的部分磁芯1015上。但是，繞組1320可以環(huán)繞在磁芯1015的任何部位。
圖14顯示了對圖13所示概念的擴(kuò)充，其中第二中空管環(huán)繞體1450和第一中空管150平行，為第二環(huán)形等離子體流提供了平行的環(huán)形路徑。管狀環(huán)繞體1450的每一端分別通過室頂110上的開口和反應(yīng)室內(nèi)部連通。磁芯1470從管狀環(huán)繞體150、1450下方并穿過線圈天線170延伸。
圖15顯示了對圖14所示概念的擴(kuò)充，其中平行排列的中空管環(huán)繞體1250a、1250b、1250c、1250d提供了多個(gè)通過反應(yīng)室的等離子體流路徑。在圖15所示情況中，等離子體離子密度在每一個(gè)單獨(dú)的中空管1250a-1250d中分別受到分別由獨(dú)立射頻功率源180a-180d驅(qū)動(dòng)的單個(gè)線圈天線170a-170d的獨(dú)立控制。單個(gè)的筒形開口鐵心1520a-1520d可以分開插入各線圈天線170a-170d中。這種情況下，相對的中心-邊緣離子密度分布可以通過分別調(diào)節(jié)單獨(dú)的射頻功率源180a-180d的功率大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖16顯示了對圖15所示情況的改進(jìn)，其中管狀環(huán)繞體1250a-1250d的排列延伸通過反應(yīng)器的側(cè)壁而非室頂110。圖16所示的另一處改進(jìn)是使用了靠近所有管狀環(huán)繞體1520a-1520d、且天線170環(huán)繞在其周圍的單個(gè)共同磁芯1470，所以單個(gè)射頻源為所有管狀環(huán)繞體1250a-1250d中的等離子體增加能量。
圖17A顯示了一對相互垂直、分別延伸穿過室頂110上的端口、且分別由線圈天線170-1和170-2提供能量的管狀環(huán)繞體150-1和150-2。單個(gè)磁芯1015-1和1015-2分別在線圈天線170-1和170-2內(nèi)。這種情況增加了兩個(gè)在晶片120上方的相互垂直的環(huán)形等離子體路徑，用于增強(qiáng)均勻性。這兩個(gè)相互垂直的環(huán)形或閉合路徑是分開的，獨(dú)立受到上述的能量供應(yīng)，除了在晶片上方的工藝區(qū)交叉外，其他情況下不會(huì)相交。為了確保分開控制施加在每一個(gè)垂直路徑上的等離子體源功率，圖17中的射頻發(fā)生器180a，180b的頻率分別不同，因此阻抗匹配電路175a、175b的運(yùn)行被去偶。例如，射頻發(fā)生器180a可以產(chǎn)生11MHz的射頻信號而射頻發(fā)生器180b可以產(chǎn)生12MHz的射頻信號。另一種選擇是，可以通過錯(cuò)開兩個(gè)射頻發(fā)生器180a，180b的相位來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。
圖17B顯示可以使用徑向葉片181來控制通過晶片支承上方工藝區(qū)的每個(gè)管道150-1、150-2中的環(huán)形等離子體流。徑向葉片181從反應(yīng)室側(cè)面附近的每個(gè)管道中間延伸至晶片支承邊緣。徑向葉片181防止等離子體從一個(gè)環(huán)形路徑轉(zhuǎn)向另一個(gè)環(huán)形路徑，所以兩個(gè)等離子體流只能在晶片支承上方的工藝區(qū)內(nèi)相交。
適合大直徑晶片的情況近來的工業(yè)發(fā)展趨勢除了向更小的設(shè)備尺寸和更高的設(shè)備密度發(fā)展以外，另一種趨勢是向更大的晶片直徑發(fā)展。例如，12英寸的晶片正進(jìn)入流水作業(yè)生產(chǎn)，而且將來可能會(huì)出現(xiàn)更大直徑的晶片。其優(yōu)點(diǎn)是由于每片晶片可有更多的集成電路晶片模具而具有更高濃的產(chǎn)量。其缺點(diǎn)是在等離子體工藝中，維持均勻的等離子體穿過大直徑晶片變得更加困難。本發(fā)明下面的實(shí)施例特別適合于越過大直徑晶片表面，例如直徑為12英寸的晶片，提供均勻的等離子體離子密度分布。
圖18和19顯示了包括絕緣間隙1852的、圖1的中空管150的寬扁平矩形樣式1850的中空管環(huán)繞體1810。這種樣式產(chǎn)生了更適于均勻覆蓋諸如直徑為12英寸的晶片或工件的大直徑晶片的等離子體寬“腰帶”。該管狀環(huán)繞體和室頂110上的一對孔1860、1862的寬度W可以超出晶片的大約5％或者更多。例如，如果晶片直徑為10英寸，那么矩形管狀環(huán)繞體1850和孔1860、1862的寬度大約為11英寸。圖20顯示了圖18和19中矩形管狀環(huán)繞體1850的改進(jìn)樣式，其中管狀環(huán)繞體1850的部分外表面1864被收縮成窄形。
圖20進(jìn)一步顯示在環(huán)繞體1850的收縮和未收縮部分之間的過渡位置上可自由選擇使用調(diào)焦磁體1870。調(diào)焦磁體1870促進(jìn)等離子體在環(huán)繞體1850的收縮和未收縮部分之間更好的移動(dòng)，特別是當(dāng)?shù)入x子體通過環(huán)繞體1850的收縮部分1864和未收縮部分之間過渡位置時(shí)促進(jìn)等離子體更加均勻的展開。
圖21顯示多個(gè)柱形磁芯2110可以插入由管狀環(huán)繞體1850圍繞的外部區(qū)域2120中的情況。柱形磁芯2110通常和管狀環(huán)繞體1850的對稱軸平行。圖22顯示對圖21所示情況進(jìn)行的改進(jìn)，其中被管狀環(huán)繞體1850圍繞、且完全延伸穿過外部區(qū)域2120的磁芯2110被換成一對各占一半外部區(qū)域2120的縮短的磁芯2210、2220。側(cè)面線圈165、185被換成一對分別環(huán)繞磁芯對2210、2220的線圈繞組2230、2240。這種情況下，可以改變磁芯對2210、2220之間的位移D以調(diào)整晶片中心附近相對于晶片周圍的離子密度。更寬的位移D減小了晶片中心附近的電感耦合，繼而減小晶片中心的等離子體離子密度。圖23顯示了圖22的變化情況，其中，分開的繞組2230、2240被換成中心為2210、2220磁芯對的單個(gè)中心繞組2310。
圖24和25顯示提供了等離子體穿過晶片表面時(shí)的甚至更加均勻的離子密度分布的情況。在圖24和25的情況下，兩個(gè)環(huán)形等離子體流路徑彼此橫向且相互垂直設(shè)置，這是通過提供了第二個(gè)相對第一個(gè)管狀環(huán)繞體1850橫向且垂直延伸的寬矩形中空環(huán)繞體2420來實(shí)現(xiàn)的。第二個(gè)管狀環(huán)繞體2420通過穿過室頂110的一對孔2430、2440和反應(yīng)室內(nèi)部連通，并且包括絕緣間隙2452。一對沿著第二管狀環(huán)繞體2420側(cè)面的側(cè)面線圈繞組2450、2460維持其中的等離子體，通過阻抗匹配電路2480由第二射頻功率供應(yīng)源2470驅(qū)動(dòng)。從圖24中可以看出，兩個(gè)垂直等離子體流在晶片上方重合，在晶片表面上提供了更均勻的等離子體覆蓋面。預(yù)計(jì)這種情況特別有利于在諸如10英寸或更大直徑晶片的工藝中使用。
與圖17所示情況一樣，圖24在晶片120上產(chǎn)生了兩個(gè)用于提高均勻性的相互垂直的環(huán)形等離子體流路徑。這兩個(gè)垂直環(huán)形或閉合路徑是分離的，并且如圖所示被分別獨(dú)立的供予能量，除了在晶片上方的工藝區(qū)發(fā)生交叉之外，不會(huì)相交或者轉(zhuǎn)向或者彼此混合。為了確保分開控制施加在每一個(gè)垂直路徑上的等離子體源功率，圖24中的各射頻發(fā)生器180、2470的頻率不同，因此阻抗匹配電路175、2480的運(yùn)行被去偶。例如，射頻發(fā)生器180可以產(chǎn)生11MHz的射頻信號而射頻發(fā)生器2470可以產(chǎn)生12MHz的射頻信號。另一種選擇是，可以通過錯(cuò)開兩個(gè)射頻發(fā)生器180、2470的相位來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。
圖26顯示了圖18中的變化情況，其中，改進(jìn)后的包括絕緣間隙2658的矩形環(huán)繞體2650通過反應(yīng)室側(cè)壁105而非室頂110與反應(yīng)室內(nèi)部連通。為了達(dá)到這個(gè)目的，矩形環(huán)繞體2650具有水平頂部2652、一對分別在頂部2652兩端向下延伸的腿2654以及一對分別從每一個(gè)向下延伸的腿2654底端分別延伸至側(cè)壁105上兩個(gè)孔2670、2680的水平向內(nèi)延伸的腿2654。
圖27顯示包括絕緣間隙2752的第二矩形管狀環(huán)繞體2710可加在圖26上的情況。第二管狀環(huán)繞體2710除了和第一管狀環(huán)繞體2650垂直外，和圖26中的第一管狀環(huán)繞體2650相同。第二矩形管狀環(huán)繞體分別通過穿過側(cè)壁105上的孔包括孔2720和反應(yīng)室內(nèi)部連通。和圖25一樣，管狀環(huán)繞體2650和2710產(chǎn)生相互垂直、在晶片表面重合以在更大直徑晶片上提供較好均勻性的環(huán)形等離子體流。等離子體源功率分別通過兩對側(cè)面線圈繞組165、185和2450、2460施加于管狀環(huán)繞體的內(nèi)部。
圖28A顯示側(cè)面線圈165、185、2450、2460可以換為一對相互垂直、位于由兩個(gè)矩形管狀環(huán)繞體2650、2710環(huán)繞的外部區(qū)域2860之內(nèi)的內(nèi)部線圈2820、2840。每一個(gè)線圈2820、2840分別產(chǎn)生與矩形管環(huán)繞體2650、2710對應(yīng)的環(huán)形等離子體流。線圈2820、2840可以在不同頻率下或者具有同相或不同相的相同頻率下被完全獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)。或者，線圈2820、2840可以在相同頻率下但不同相差(即90度)下被驅(qū)動(dòng)，該相差可引起合并到一起的環(huán)形等離子體流在源功率頻率下旋轉(zhuǎn)。如圖28A所示，這種情況下線圈2820、2840分別以共用信號發(fā)生器2880的正弦和余弦要素驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是，等離子體流路徑按一定角度以超出等離子體離子頻率的旋轉(zhuǎn)頻率旋轉(zhuǎn)通過晶片表面，所以和先前的工藝方法例如其中旋轉(zhuǎn)頻率低的多的MERIE反應(yīng)器相比，非均勻性被更好的抑制。
現(xiàn)在參照圖28B，通?？赏ㄟ^提供一對可在線圈2820內(nèi)相對或反向軸向移動(dòng)的柱形磁芯2892、2894和一對可在線圈2840內(nèi)相對或反向軸向移動(dòng)的柱形磁芯2896、2898來完成等離子體離子密度的徑向調(diào)節(jié)。當(dāng)每一對磁芯相對移動(dòng)時(shí)，每一個(gè)垂直等離子體流中心附近的電感耦合與該電流邊緣比較而言被提高，所以晶片中心上的等離子體密度通常被提高。從而可以通過移動(dòng)磁芯2892、2894、2896、2898來控制從中心到邊緣的等離子體離子密度。
圖29顯示了本發(fā)明可選擇的一種情況，其中，兩個(gè)管狀環(huán)繞體2650、2710被合并成單個(gè)圍繞反應(yīng)器中心軸延展360度、構(gòu)成單個(gè)充氣空間的環(huán)繞體2910。在圖29中，充氣空間2910有一個(gè)半圓頂形下壁2920和一個(gè)通常與下壁一致的半圓頂形上壁2930。所以充氣空間2910是指上圓頂壁2920和下圓頂壁2930之間的空間。絕緣間隙2921可以環(huán)繞上圓頂壁2920延伸和/或絕緣間隙2931可以環(huán)繞下圓頂壁2930延伸。充氣空間2910通過室頂110上以360度延伸環(huán)繞反應(yīng)室對稱軸的環(huán)形口2925和反應(yīng)室內(nèi)部連通。
充氣空間2910完全將室頂110上方的區(qū)域2950包圍在內(nèi)。在圖29中，等離子體源功率通過一對相互垂直的線圈2960、2965與充氣空間2910的內(nèi)部耦合。經(jīng)由穿過充氣空間2910中心的垂直管道2980進(jìn)入線圈2960、2965。線圈2960、2965最好是如圖28所示通過正交驅(qū)動(dòng)來獲得成一定方位角循環(huán)的環(huán)形等離子體流(即在晶片水平面內(nèi)循環(huán)的等離子體流)。旋轉(zhuǎn)頻率是施加的射頻功率的頻率。線圈2960、2965可以選擇分別由不同頻率驅(qū)動(dòng)。圖30是圖29的俯視圖。圖31A和31B分別是對應(yīng)圖30的主視圖和側(cè)視圖。
相互垂直的線圈對2960、2965可以被換成任何數(shù)量n的具有以360/n度分開排列的線圈軸的各驅(qū)動(dòng)線圈。例如，圖32顯示兩個(gè)線圈2960、2965被換成三個(gè)具有以120度間隔排列的線圈軸、分別由三個(gè)射頻源3240、3250、3260驅(qū)動(dòng)的線圈。為了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的環(huán)形等離子體流，三個(gè)線圈3210、3220、3230受到來自于圖33所示共用功率源3310相位之外的120度相角驅(qū)動(dòng)。圖32和33所示的情況優(yōu)于圖29中只有兩個(gè)線圈的情況，因?yàn)榭梢哉J(rèn)為線圈之間的多數(shù)相互垂直耦合將會(huì)環(huán)繞而非穿過垂直管道2980。
圖34中，三個(gè)線圈處于包圍區(qū)2950外部，而它們的電感分別通過延伸穿過管道2980的垂直磁芯3410耦合于包圍區(qū)2950。每一個(gè)磁芯3410的一端向管道2980上方延伸，該管道分別被各線圈3210、3220、3230環(huán)繞。每一個(gè)磁芯3410的底部處于包圍區(qū)2950內(nèi)部并且有一個(gè)水平腿。這三個(gè)磁芯3410的水平腿被確定為120度間隔方向從而向充氣空間2910內(nèi)部提供近似于如圖32中包圍區(qū)內(nèi)部三個(gè)線圈所提供的電感耦合。
圖18-28中，水平矩形管狀環(huán)繞體的優(yōu)點(diǎn)是，該管狀環(huán)繞體的較大寬度和較低高度迫使環(huán)形等離子體流形成更穩(wěn)定覆蓋大直徑晶片整個(gè)表面的寬薄帶狀等離子體。管狀環(huán)繞體的整個(gè)部分沒必要全都是最大寬度。相反，如上參照圖20所述，離反應(yīng)室內(nèi)部最遠(yuǎn)端的管狀環(huán)繞體外部可以縮窄些。這種情況下，最好在寬部1851和窄部1852之間的過渡拐角處提供調(diào)焦磁體1870以迫使存在于窄部1852處的等離子體流完全擴(kuò)散通過寬部1851的整個(gè)寬度。如果需要使晶片表面的等離子態(tài)離子濃度最大化，那么最好窄部1852的截面積至少大致與寬部1851的截面積相等。例如，窄部1852可以是其高度與寬度大致相同的通道，而寬部1851的高度可以小于其寬度。
這里所述的空心線圈(即沒有磁芯的線圈)的各種情況可以使用在隨后附圖所示的開放磁路型或閉合磁路型的磁芯來替代。而且這里所述的具有由不同射頻驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)或三個(gè)環(huán)形路徑的各種情況可以被換為在相同頻率和相同相位或不同相位下被驅(qū)動(dòng)。
圖35為圖17的情況中相互橫向的中空管按照圖20所示被縮窄的情形。
圖36在圖24基礎(chǔ)上使用了一對磁芯3610、3620，它們分別帶有纏繞在其周圍、與附近射頻功率源分別連接的繞組3630、3640。
圖37是與圖35對應(yīng)的情況，但具有三個(gè)而非二個(gè)再進(jìn)入管道，總共有6個(gè)再進(jìn)入反應(yīng)室的端口。具有比兩個(gè)(如圖37所示)更多的多個(gè)對稱排列的管道和再進(jìn)入端口被認(rèn)為特別有利于直徑為300mm或更大的晶片的工藝操作。
圖38是與圖38對應(yīng)的情況，但具有三個(gè)而非二個(gè)再進(jìn)入管道，總共有6個(gè)再進(jìn)入反應(yīng)室的端口。
圖39是與圖35對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間3910連接在一起。
圖40是與圖36對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4010連接在一起。
圖41是與圖37對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4010連接在一起。
圖42是與圖38對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4210連接在一起。
圖43是與圖17對應(yīng)的情況，其中外部管道與共用充氣空間4310連接在一起。
有益的特征收縮晶片附近的環(huán)形等離子體流不僅改善蝕刻選擇性而且通過增加等離子體離子密度同時(shí)增加了蝕刻速率。可以認(rèn)為以前沒有通過在工件上方增加蝕刻速率或等離子離子密度的相同機(jī)理來增加蝕刻選擇性的反應(yīng)器。
通過收縮晶片或工件附近的環(huán)形等離子體流改進(jìn)蝕刻選擇性能夠通過本發(fā)明中多種方式中的任一種方式來實(shí)現(xiàn)。一種方式是減少從底座到室頂或從晶片到室頂?shù)母叨?。另一種方式是在晶片上方引入一種收縮環(huán)形等離子體離子流的氣體分布板或噴頭。再一種方式是增加施加于晶片或工件的射頻偏壓功率。技術(shù)熟練的工人在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，可以選擇使用前述改善蝕刻選擇性方法的任一種或任一組合。
本發(fā)明中，通過局部(即晶片或工件附近)注入活性工藝氣體而從遠(yuǎn)處(即注入管道或充氣空間)注入惰性氣體(例如氬)可以進(jìn)一步改善蝕刻選擇性。這可以通過直接在工件支承上方并面向工件支承位置提供氣體分布板或噴頭并且通過噴頭專門(或者至少是主要的)注入活性工藝氣體，同時(shí)惰性氣體從遠(yuǎn)離晶片或工件上方工藝區(qū)的管道井內(nèi)注入。環(huán)形等離子體流從而不僅成為用于晶片上材料的活性離子蝕刻的等離子體離子源，而且另外，在等離子體引起的離解工藝被執(zhí)行到產(chǎn)生不合要求的游離氟數(shù)量的分界點(diǎn)之前，成為用來帶走活性工藝氣化物及其等離子體離解產(chǎn)物的清除劑。對活性工藝氣化物停留時(shí)間的減少提高了涉及光刻膠或其他材料的蝕刻選擇性，這是一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。
向環(huán)形等離子體流施加射頻等離子體源功率，具有很大的靈活性。如上所述，功率是典型地通過天線與環(huán)形等離子體流電感耦合。在許多情況下，天線主要與外管或與在其附近或鄰接的充氣空間連接。例如，線圈天線可以沿著管道或充氣空間延伸。但是，在另一些情況下，天線被限制在管道或充氣空間與主反應(yīng)器殼體(例如室頂)之間的區(qū)域。后一種情況中，天線可以考慮設(shè)在管道下方而不是沿著管道設(shè)置。具有延伸穿過包圍區(qū)(管道和主反應(yīng)室殼體之間)的磁芯(芯體)和包圍區(qū)上方的延伸以及環(huán)繞芯延長體的天線的情況甚至提供了更大的靈活性。這種情況下，天線通過磁芯被電感耦合因此不需要靠近管道中的環(huán)形等離子體流。在這樣一種情況下，一種封閉磁芯被使用，上述天線被纏繞在最大限度遠(yuǎn)離環(huán)形等離子體流或管道的芯體部分。因?yàn)樘炀€經(jīng)由磁芯而遠(yuǎn)距離與環(huán)形等離子體流耦合，所以，實(shí)際上幾乎可以將天線設(shè)在任何位置，例如完全遠(yuǎn)離等離子體室的位置。
最后，特大直徑晶片或工件的表面上方的等離子體分布是均勻的。在一種情況下，通過將環(huán)形等離子體流的形狀改變成具有最好超出晶片寬度的寬形等離子體帶來實(shí)現(xiàn)。另一種情況下，越過晶片表面的等離子體離子密度的均勻度通過提供兩個(gè)或兩個(gè)以上相互橫向或垂直、在晶片上方工藝區(qū)內(nèi)交叉的環(huán)形等離子體流來實(shí)現(xiàn)。環(huán)形等離子體流的流向以360/n相互偏移。每一個(gè)環(huán)形等離子體流可以成形為等離子體寬帶來覆蓋特大直徑晶片。每一個(gè)環(huán)形等離子體流可以由沿著一個(gè)環(huán)形等離子體流方向排列的單個(gè)線圈天線提供能量。在一種較佳情況下，均勻度提高是通過分別施加不同相位射頻信號于每一個(gè)線圈天線從而獲得在晶片上方工藝區(qū)的旋轉(zhuǎn)環(huán)形等離子體流來提高均勻度。在這種較佳情況下，最佳結(jié)構(gòu)是，其中環(huán)形等離子體流流向環(huán)形連續(xù)的充氣空間，該充氣空間通過室頂或側(cè)壁上的環(huán)形連續(xù)的環(huán)孔與主反應(yīng)室連通。后一種特征允許整個(gè)環(huán)形等離子體流以連續(xù)方式成一定角度旋轉(zhuǎn)。
控制等離子體離子密度的徑向分布圖44所示為與圖17A類似的具有一對垂直的外部再進(jìn)入管150-1、150B2的等離子體反應(yīng)器。如上參照圖17A所述，射頻功率分別通過由各射頻驅(qū)動(dòng)線圈170-1、170-2的環(huán)形磁芯1015-1、1015-2與這些管耦合。但是，圖44中外部管150-1、150-2的截面形狀如圖24所示為矩形，而非圓形。而且，下管150-1的橫向部分并非平面，而是中間有一個(gè)下陷4410。下陷4410準(zhǔn)許上外部管150-2靠近反應(yīng)器頂110嵌套。這一特征縮短了上管150-2的路徑長度，從而減少上管150-2中的等離子體損耗。事實(shí)上，下陷4410的形狀可以選擇為至少幾乎等于通過上下外管150-1、150-2的路徑長度。圖44中的反應(yīng)器，和圖2和圖26的反應(yīng)器一樣，在反應(yīng)器頂110上(或構(gòu)成該頂110本身)且晶片120上方有氣體分布板。
下陷4410被限定于室頂110頂面和在下管150-1上、下陷4410的頂點(diǎn)位置形成的底角4422之間留下的縱向空間。該縱向空間內(nèi)置有提高晶片120中心上方等離子體離子密度的電磁組4430。該電磁組4430包括狹窄細(xì)長的由可磁化金屬例如鐵或鋼加工成形的柱形磁極靴4440和纏繞該磁極靴4440的絕緣傳導(dǎo)金屬絲(例如銅絲)線圈。該磁極靴4440的柱軸和筒形室100的對稱軸一致，所以磁極靴4440的柱軸貫穿晶片120的中心。線圈4450可以直接在磁極靴4440上被包起來或者如圖45所示，可以纏繞在環(huán)繞磁極靴4440的芯棒4460上。圖45顯示線圈4450可以纏繞在室頂110上方延伸的磁極靴4440的一部分4440-1上。處在室頂110內(nèi)部的磁極靴4440的下部4440-2在氣體分布板210的氣體多支管220內(nèi)終止。
為了功效，最好將等離子體限制磁場源放置在不干擾氣體分布板210內(nèi)的氣流的、盡可能靠近等離子體的位置。為了這個(gè)目的，氣體多支管220內(nèi)的磁極靴下部4440-2是一個(gè)非常狹窄的、使磁極靴4440終止的柱形端塊4470。該端塊4470延伸了接近氣體分布板底部的磁極靴4440的磁場線以提高等離子體上的磁場效應(yīng)。端塊4470的直徑充分減小，所以它一點(diǎn)沒有干擾氣體分支管210內(nèi)的氣體流。而且，該減小的直徑導(dǎo)致磁場徑向部分的峰值更接近中心軸。
圖46顯示端塊4470具有錐形底部4475，在奶嘴狀位置4477終止的情況。圖47顯示端塊4470的底部4476為平面的情況。圖48顯示端塊4470的底部4478為圓形的情況。
在一實(shí)施例中，磁極靴4440具有約3.5cm的直徑(這樣，大約60圈線圈4450的直徑約為6cm)，約12cm長。該磁極靴4440被延長約2cm(總長約14cm)，直徑延長了約1cm的較小長度。磁極靴4440延長區(qū)的底部離等離子體區(qū)的頂部約1.5cm。構(gòu)成磁極靴4440的材料選擇為具有足夠高的滲透率(例如μr≥100)和高飽和磁通密度(例如Bsat＞1000高斯)，從而用最小磁化力和電流使磁極靴4440下方區(qū)域的磁流密度最大化。注意因?yàn)榇艠O靴4440磁路是相對磁極靴4440開放的(而沒有封閉在磁極靴內(nèi))，有效滲透率與該材料的滲透率相比較被減小了。依賴于磁極靴4440的長度/直徑比，μr“有效的”典型地被減小到近似于10。
可任選的磁性材料屏蔽4479例如鐵，遮蔽了電磁組4430的D.C.磁場管150-1、150-2中的等離子體。該屏蔽4479包括頂板4479a和柱形邊緣4479b。
在圖45所示的氣體分布板210中，頂板4480在徑向被分成每一部分具有許多延伸穿過該部分的小氣流孔4481的內(nèi)部和外部4480a、4480b，該內(nèi)外部具有環(huán)形凸緣4482-1、4482-2、4482-3、4482-4，形成支撐室頂210底面的豎直壁，同時(shí)還形成由環(huán)形凸緣4482-2、4482-3形成的豎壁所分隔開的內(nèi)外部氣體分支管4483a、4483b。一種情況下，在內(nèi)外部氣體分支管之間沒有隔壁，從而避免了由該壁引起的室內(nèi)氣體分配的任何不連續(xù)。頂板4480下方的氣體混合層4484使完全豎直方向流動(dòng)的氣流轉(zhuǎn)向，從而導(dǎo)致可促進(jìn)不同分子重量的氣體均勻混合的多種方向(或混亂的)氣流。氣流的這種完全向下流動(dòng)方向的轉(zhuǎn)向還具有抑制高速氣流影響的效果，其中通過直接在晶片上方的氣體分布板孔進(jìn)入的高速氣流將會(huì)在晶片表面形成破壞工藝均勻性的局部高濃度工藝氣體。對高速氣流影響的抑制提高了均勻性。
氣體混合層4484可以包括工藝中眾所周知的金屬或陶瓷泡沫材料?；蛘呷鐖D49所示，氣體混合層4484可以包括多孔板4484-1、4484-2，每個(gè)多孔板上鉆有許多穿過該板的小氣孔，一個(gè)多孔板上的孔和另一個(gè)多孔板上的孔之間相互錯(cuò)開。氣體分布板210的底板4485上鉆有許多亞毫米氣體注入孔4486(圖50)和底板4485頂部的大擴(kuò)孔4487。舉例來說，亞毫米孔直徑在10和30毫寸之間，擴(kuò)孔直徑大約0.06英寸，底板4485有大約0.4英寸厚。通過室頂110的內(nèi)外氣體供應(yīng)管道4490、4492向內(nèi)外頂板4480a、4480b供應(yīng)氣體，所以反應(yīng)室的徑向內(nèi)外區(qū)的氣流可以按照調(diào)節(jié)工藝均勻度的方式予以獨(dú)立控制。
可以認(rèn)為電磁組4430產(chǎn)生的D.C.磁場的徑向部分影響等離子體離子密度的徑向分布，能夠利用該磁場的這種徑向部分來增加反應(yīng)室中心附近的等離子體離子密度?？梢哉J(rèn)為這種晶片中心上方等離子體離子密度的增加是由等離子體流D.C.磁場徑向部分和在晶片表面產(chǎn)生成一定方位角的、往往限制晶片中心附近的等離子體的等離子體殼層電場之間的交互作用所引起。在不存在D.C.磁場的情況下，在晶片中心等離子體離子密度減小的現(xiàn)象擴(kuò)展在限制于晶片120中心附近的非常小的圓形區(qū)上方，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，甚至沒有校正磁場，圖44中的反應(yīng)器也往往有異常均勻的等離子體離子密度。所以，中心低的等離子體離子密度分布需要有較大徑向部分、非常接近于反應(yīng)室或晶片120中心的D.C.磁場。小直徑的磁場磁極靴4440產(chǎn)生非常接近于晶片120中心(或反應(yīng)室中心)、具有大徑向部分的磁場。依照常規(guī)做法，該中心為筒形反應(yīng)室的對稱軸，半徑為0。
圖51顯示了在晶片120和氣體分布板210之間、晶片120上方的工藝區(qū)主視圖中的磁場分布情況。圖51中的向量是代表不同位置磁場方向的校正向量。圖52顯示磁場徑向部分的磁流密度是徑向位置的函數(shù)，一條曲線代表氣體分布板210底面附近的徑向磁流密度，另一條曲線代表晶片120表面附近的徑向磁流密度。徑向磁場部分的磁流密度的峰值非常接近中心，即在室頂和晶片上僅大約1英寸的范圍。所以，磁場徑向部分緊密集中在非常小的、等離子體密度往往最低的直徑區(qū)域附近。因而，由電磁組4430產(chǎn)生的D.C.磁場徑向部分的分布通常與反應(yīng)室中心附近的低的等離子體離子密度區(qū)域保持一致。
如上所述，可以認(rèn)為，D.C.磁場的徑向部分與晶片中心附近的等離子體殼層的縱向電場之間發(fā)生交互作用，產(chǎn)生通常與等離子體徑向移動(dòng)相對的成一定方位角的定向力。結(jié)果，晶片中心附近的等離子體被限制增強(qiáng)在該區(qū)域內(nèi)的工藝。
在蝕刻反應(yīng)器中利用電磁組4430的基本方法是提供一種線圈D.C.電流，通過典型地增加晶片中心的等離子體離子密度，來產(chǎn)生通過晶片表面的最均勻的蝕刻速率徑向分布。在晶片-室頂間隙較小(例如1英寸)的情況下，這是最合適的方法，因?yàn)檫@樣的小間隙典型地導(dǎo)致晶片中心低的蝕刻速率分布。對于具有較大間隙(例如2英寸或更大)的反應(yīng)器，蝕刻速率分布可能不是中心低，所以可能需要不同的D.C.電流。當(dāng)然，在要求具備通過晶片表面的改進(jìn)的等離子體離子密度均勻度的應(yīng)用中，電磁組4430并未受到限制。一些使用電磁組的應(yīng)用中可能需要引起等離子體離子密度較小均勻度的電磁線圈電流。例如，這樣的應(yīng)用可能包括的情況是，要被蝕刻的場效氧化薄膜層具有非均勻的厚度分布，所以只能通過提供非均勻的等離子體離子密度分布來彌補(bǔ)非均勻場效氧化膜厚度分布從而獲得那種均勻的效果。在這樣的情況下，電磁阻的D.C.電流能夠選擇用來提供必需的非均勻等離子體離子分布。
如圖45所示，等離子體反應(yīng)器可以包括一套能夠在蝕刻工藝中，觀察通過晶片120的蝕刻速率分布的可改變形狀的速率監(jiān)控器4111。當(dāng)接觸孔正在被蝕刻時(shí)，每一個(gè)監(jiān)控器4111觀測到該接觸孔底部經(jīng)光線反射后形成的干擾帶。該光線可以是激光或者是等離子體發(fā)光。這樣的實(shí)時(shí)監(jiān)測能夠通過改變施加在電磁組4430上的D.C.電流，使得確定能即刻彌補(bǔ)的通過晶片的蝕刻速率分布的變化成為可能。
圖53顯示了一種獨(dú)立控制工藝氣體流進(jìn)入內(nèi)外部工藝供應(yīng)管4490、4492的方式。圖53中，一套和內(nèi)部氣體供應(yīng)管4490連接的氣流控制器5310、5320、5330分別向內(nèi)部氣體供應(yīng)管4490供應(yīng)氬氣、氧氣和碳氟化合物氣體，例如C4F6。另一套氣流控制器5340、5350、5360分別向內(nèi)部氣體供應(yīng)管4492供應(yīng)氬氣、氧氣和碳氟化合物氣體，例如C4F6。圖54顯示了另一種獨(dú)立控制工藝氣體流進(jìn)入內(nèi)外部工藝供應(yīng)管4490、4492的方式。圖54中，單套氣流控制器5410、5420、5430向氣體分離器5440供應(yīng)工藝氣體(氬氣、氧氣和碳氟化合物氣體)。該氣體分離器5440有一對分別和內(nèi)外氣體供應(yīng)管4490、4492連接的氣體或質(zhì)量流控制器(MFC)5442、5444。另外，可任選的另一種氣流控制器5446向外部氣體供應(yīng)管4492供應(yīng)吹掃用的氣體，例如氬氣或氖氣。
加工大直徑晶片中的一個(gè)問題是，環(huán)形或再進(jìn)入等離子體流必須在晶片的大范圍表面上均勻的擴(kuò)展開。管道150的寬度典型地小于工藝區(qū)。那么有必要在等離子體流離開端口155或160時(shí)擴(kuò)寬等離子體流來更好的覆蓋大范圍的工藝區(qū)。相關(guān)的問題是，圖44中的反應(yīng)器(或圖1-43中的任一反應(yīng)器)能夠承受非均勻等離子體離子密度問題和隨后在再進(jìn)入管150的端口155或160附近出現(xiàn)的“熱點(diǎn)”或甚高等離子體密度的小區(qū)域5505，如圖55A所示。參照圖55A-56B，通過在每一個(gè)端口嘴位置設(shè)置一個(gè)等離子體流分離器5510可以解決這些問題。分離器5510往往會(huì)促使等離子體流加寬，而同時(shí)減小在可能另外形成熱點(diǎn)的區(qū)域5505附近的等離子體離子密度。管道150可以在端口155處有一段被加寬的尾部5520，該尾部5520的直徑幾乎是管道150其他部分直徑的兩倍。圖55A的等離子體流分離器是三角形，一個(gè)頂點(diǎn)面向管道150內(nèi)部，促使等離子體流從管道150流向反應(yīng)室100時(shí)擴(kuò)展開，并更好的充滿更大直徑的尾部5520。這種由三角形分離器5510擴(kuò)展等離子體的結(jié)果往往是擴(kuò)寬了等離子體流，并減小或消除了區(qū)域5505內(nèi)的“熱點(diǎn)”。
分離器5510的最佳形狀至少部分取決于相對的端口155、160中心之間的間距S。如果分離器在等離子體流動(dòng)的方向上(即圖55A中的豎直方向)太長，那么沿被分開的路徑流動(dòng)的等離子體流往往是不均衡的，所有的等離子流都沿分離器5510的一側(cè)流動(dòng)。另一方面，如果分離器5510太短，兩條路徑會(huì)在等離子體流被明顯加寬前重新結(jié)合。
例如，在加工直徑為12英寸晶片的反應(yīng)室中，間距S可以大約為20.5英寸，管道寬度W為5英寸，管深d為1.75英寸，被擴(kuò)寬的尾部寬度W為8英寸。這種情況下，端口155相對于12英寸晶片的并置情況將如圖56C的平面圖所示。在這個(gè)特例中，分離器5510的高度h將大約為2.5英寸，分離器的頂角5510a大約為75度，如圖57所示。另外，尾部5520的長度L將和分離器5510的高度h相同。
另一方面，對于16.5英寸的間距S來說，最佳分離器5510′如圖58所示。這種情況下，該分離器的頂角最好約為45度，在矩形部分終止的三角部分的寬度為1.2英寸，使得分離器5510′的高度h為2.5英寸。分離器5510或5510′的高度和頂角必須足以減小區(qū)域5505的等離子體密度，以防止該處形成熱點(diǎn)。但是，為了避免減少晶片中心的等離子離子密度，高度h必須有所限制。
圖59A和59B顯示了用于解決再進(jìn)入管2654再進(jìn)入口附近的等離子體離子密度的非均勻性問題的分離器，其中，通過每一個(gè)入口的等離子體流的流向是在通過反應(yīng)室側(cè)壁105的水平方向上，如圖26所示的反應(yīng)器。每一個(gè)分離器5910的頂點(diǎn)5910a朝向端口2680。
圖60、61和62顯示了類似于圖17所示的實(shí)施情況，不同的是，反應(yīng)室側(cè)壁105為矩形或正方形，通過室頂110的垂直面對的端口140-1、140-2、140-3和140-4分別在矩形或正方形105的拐角105a、105b等上方。與晶片120在一個(gè)水平面上的基底6020面向每一個(gè)端口，并和矩形側(cè)壁105的拐角部分一起，推動(dòng)進(jìn)入的等離子體流轉(zhuǎn)向晶片120上方的工藝區(qū)。為了減小或消除在區(qū)域6030的等離子體離子密度中的熱點(diǎn)，三角形等離子體流的流動(dòng)分離器6010分別設(shè)置在每一個(gè)拐角105a、105b等附近，分離器頂點(diǎn)6010a面向該拐角。在圖61的實(shí)施例中，分離器頂點(diǎn)6010a是圓形的，但在另一實(shí)施例中，它可能不那么圓，或者事實(shí)上可能是尖角形。圖63顯示了同樣布局的一部分，但其中，面向晶片120的分離器6010的邊緣6010b設(shè)在非?？拷?20的位置，并成形為與晶片120的環(huán)形邊緣一致的弓形。而圖60中的分離器6010從基底6020延伸至室頂110，圖64顯示的分離器6010的高度可能低一些，以允許一些等離子體流從分離器6010上方通過。
在下面的某些實(shí)施例中將會(huì)非常詳細(xì)的敘述到，再進(jìn)入等離子體流通過的整個(gè)路徑長度影響晶片表面的等離子體密度。這是因?yàn)檩^短的路徑長度使得晶片上方的工藝區(qū)內(nèi)有較高比例的等離子體，減少了等離子體密度的依賴于長度的路徑損耗，并減少因等離子體與再進(jìn)入管表面交互作用引起的表面區(qū)域損耗。所以，較短長度的管道(與較短的端口間距S對應(yīng))的效率更高。另一方面，較短的間距S為通過三角形分離器5510從中心分開的等離子體流在通過分離器5510后再次進(jìn)入中心區(qū)域提供了較少的機(jī)會(huì)，并避免了在晶片中心的低的等離子體離子密度。所以，在為避免每一個(gè)再進(jìn)入管端口附近出現(xiàn)等離子體熱點(diǎn)的努力中，似乎在較小端口間距S的較高效率和降低晶片中心的等離子體離子密度的風(fēng)險(xiǎn)之間將有一種折衷。
在圖65A、65B和66的情況下，通過使用至少幾乎延伸穿過端口尾部5520的整個(gè)寬度W并成形為促使等離子體流的流動(dòng)遠(yuǎn)離端口的內(nèi)部邊緣6610和朝向端口的外部邊緣6620的三角形分離器6510，這種折衷被改進(jìn)或消除。這種特征沒有改變端口的間距S(可能和所希望的一樣短)，但卻有效地延長了從分離器的頂點(diǎn)6510a到晶片120中心的等離子體流路徑。這為通過分離器6510分離的等離子體流的流動(dòng)在通過分離器5510后，到達(dá)晶片或晶片中心之前，在其中心再次匯集提供了較大的機(jī)會(huì)。這種特征較好的避免了降低晶片中心的等離子體離子密度同時(shí)抑制在再進(jìn)入管端口形成等離子體熱點(diǎn)。
如圖65A、65B和66所示，每一個(gè)分離器6510的主視面顯示為等腰三角形(圖65B)，俯視面為矩形(圖65A)。圖66中的側(cè)視圖顯示了斜背面6610c，該斜背面促使等離子體流朝向背部邊緣6620繼而有效延長從分離器的頂點(diǎn)6510a到晶片120中心的長度，是如上所述的想要獲得的特征。端口150的矩形口在徑向(短尺寸)被縮窄成頂部大約為2″、底部大約為3/4″的斜壁或斜背面6610b，這增加內(nèi)部端口邊緣1-1/4″，在徑向離晶片更遠(yuǎn)了一些(從而獲得所想要的有效端口間距的增加)。另外，端口150在成一定方位角的方向(開口150的長或8″寬的尺寸)上有完全的三角形分離器6510。
等離子體流分離器5510或6510內(nèi)部可以有冷卻口連接于反應(yīng)器體內(nèi)的類似口的冷卻系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)分離器的溫度。為了這個(gè)目的，等離子體流分離器5510或6510由金屬形成，因?yàn)樵摬牧虾苋菀桌鋮s，易于加工形成內(nèi)部冷卻管道。但是，分離器5510或6510可以另外用別的材料，例如石英形成。
圖67顯示了改進(jìn)圖24中的環(huán)形源反應(yīng)器中等離子體均勻性的另一種方法，即沿反應(yīng)室外圍設(shè)置一套4個(gè)電磁體6710、6720、6730、6740，每個(gè)電磁體繞組被一個(gè)磁流控制器6750控制。4個(gè)電磁體中的電流可以以三種模式的任一種被驅(qū)動(dòng)第一種模式為正弦曲線模式，線圈受到相位正交的相同的低頻電流驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生在源低頻時(shí)繞反應(yīng)室對稱軸旋轉(zhuǎn)的磁場；第二種模式為可配置磁場模式，四個(gè)電磁體6710、6720、6730，6740組合成反向相鄰電磁體對，每一對電磁體受到不同D.C.電流的驅(qū)動(dòng)，在反向相鄰電磁體對之間產(chǎn)生對角延伸的磁場梯度，這個(gè)組合被旋轉(zhuǎn)使得磁場梯度被旋轉(zhuǎn)，從而在晶片上方全向分布它的作用；第三種模式是4個(gè)電磁體都由同樣的D.C.電流驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生具有與反應(yīng)室的對稱軸基本一致的對稱軸的三角尖頂形磁場。
如圖1所示，在筒形晶片支承底座115和筒形側(cè)壁105之間形成一個(gè)泵吸環(huán)面，氣體通過真空泵135經(jīng)由該泵吸環(huán)面被抽空。等離子體流在每個(gè)再進(jìn)入管150相對端口之間的流動(dòng)能夠流過這個(gè)泵吸環(huán)面，從而避免流過晶片120和氣體分布板210之間的工藝區(qū)。如果反應(yīng)室壓力較高，晶片-室頂間隙較小和/或等離子體的傳導(dǎo)率較低，等離子體流環(huán)繞工藝區(qū)流動(dòng)的這種轉(zhuǎn)向是能夠發(fā)生的。達(dá)到了發(fā)生這種情況的程度，工藝區(qū)的等離子體離子密度被降低。這一問題的解決如圖68和69所示，引入徑向葉片6910、6920、6930、6940來阻擋成一定方位角的等離子體流流過泵吸環(huán)面。在一實(shí)施例中，葉片6910、6920、6930、6940延伸至但不超出晶片120的水平面，允許晶片插入和移除。但是，在另一實(shí)施例中，葉片可以收縮延伸至晶片的水平面上方，較好的限制了等離子體流在晶片120上方的工藝區(qū)內(nèi)的流動(dòng)。例如，這可以通過使晶片支承底座115能夠相對葉片上下移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。任一種情況下，葉片6910、6920、6930、6940防止等離子體流流過泵吸環(huán)面，并且如果這些葉片能夠被移動(dòng)到晶片120的上方，它們還減少了等離子體流在泵吸環(huán)面上方的上部區(qū)域的流過。所以通過防止等離子體流的流動(dòng)轉(zhuǎn)向而遠(yuǎn)離晶片上方的工藝區(qū)，不僅增加在該區(qū)域的等離子體離子密度，而且工藝的穩(wěn)定性也得以改善。
前面提到，用來耦合射頻功率于再進(jìn)入管150的磁芯在高射頻功率等級下，往往會(huì)裂開或破碎。可以認(rèn)為，這種問題的產(chǎn)生，是因?yàn)榄h(huán)繞芯體的磁流分布不均勻。通常，環(huán)繞芯體的一個(gè)繞組帶有高射頻功率等級的高電流。例如，這個(gè)繞組可以是與連接于射頻發(fā)生器發(fā)生共振的第二繞組。該第二繞組通常被限制為一個(gè)環(huán)繞芯體的窄帶，這個(gè)窄帶內(nèi)的磁流和熱量非常高，而芯體其他部分的磁流和熱量卻低得多。該磁芯必須具有合適的滲透率(例如滲透率大約在100到200之間)，以避免高頻的自共振。好的磁芯往往是不良導(dǎo)熱體(低導(dǎo)熱性)，易于加熱(高比熱)，所以對局部加熱很敏感。因?yàn)樵诟唠娏鞯牡诙@組附近局部加熱，并且芯體往往容易碎，所以芯體在高射頻功率等級(例如5KW的持續(xù)功率)下會(huì)裂開或破碎。
通過圖70-74所示的環(huán)繞環(huán)形芯體更均勻地分布射頻磁流密度的方式可以解決這個(gè)問題。圖70顯示了圖17A中的一個(gè)典型的磁芯1015。芯體1015由高導(dǎo)磁性材料形成，例如鐵素體。主繞組170包括大約兩圈、通過阻抗匹配元件175以任意方式連接于射頻發(fā)生器180的細(xì)銅帶。線圈1015內(nèi)的高磁流所需的高電流出現(xiàn)在環(huán)繞芯體1015的第二共振繞組7010內(nèi)。副繞組7010內(nèi)的電流大約比主繞組內(nèi)電流大一個(gè)數(shù)量級。為了均勻分布環(huán)繞芯體1015的磁流，副繞組7010被分成均勻環(huán)繞環(huán)形芯體1015的數(shù)個(gè)部分7010a、7010b、7010c等。副繞組的部分7010a等被并聯(lián)在一起。如圖71A和71B所示，通過一對環(huán)繞磁芯1015相對側(cè)面的環(huán)形銅線7110、7120很容易進(jìn)行這樣的并聯(lián)。每一個(gè)副繞組7010a、7010b等的相對端和相對的兩個(gè)銅線7110、7120連接。銅線7110、7120非常粗以提供甚高電導(dǎo)和低電感，所以副繞組部分7010a、7010b等的任何特定一個(gè)的方位位置很小或沒有區(qū)別，如果所有副繞組部分和主繞組等距，則所有這些副繞組部分都發(fā)揮作用。這種方式下，磁偶被均勻地環(huán)繞整個(gè)芯體1015分布。
因?yàn)橛汕笆鎏卣魉@得的均勻磁流分布，所以主繞組可以設(shè)置在任何合適的位置，典型地是在從數(shù)個(gè)分布的副繞組部分7110a、7110b、7110c等中挑選出的一個(gè)繞組部分的附近。但是，在一個(gè)實(shí)施例中，主繞組卻纏繞或包裹在選出的一個(gè)繞組部分上。
圖72畫出了通過平行的副繞組部分7010a、7010b等形成的分布平行電感。圖73表示這些分布電感的環(huán)形布局。為了形成射頻發(fā)生器180的頻率的共振，數(shù)個(gè)分布的電容器7130平行穿過兩個(gè)銅線7110，7120，數(shù)個(gè)電容器7030成一定方位角環(huán)繞磁芯1015分布。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)電容器7030大約是100pf(皮法拉)。和副繞組7010發(fā)生聯(lián)系的分布電感和電容的等效電路見圖24所示。
參照圖71B，副繞組部分7010a、7010b等，可以有同樣的圈數(shù)。在圖71B中，有6個(gè)副繞組部分7010a-7010f，每一部分有三個(gè)繞組。技術(shù)熟練的工人能容易地選擇副繞組部分的數(shù)量、每一部分的繞組數(shù)和分布式電容器7030的電容，以獲得射頻發(fā)生器180的頻率共振。例如，用來形成環(huán)繞芯體1015的主、副繞組的銅帶坯料可以為0.5英寸寬、0.020英寸厚的銅皮。兩個(gè)銅線7110、7120非常厚(例如厚度為0.125英寸到0.25英寸)并且非常寬(例如0.5英寸寬)，因此它們形成極其低的電阻、低的電感電流路徑。芯體1015可以包括一對疊在一起的、1英寸厚的、外直徑10英寸、內(nèi)直徑8英寸的鐵氧體磁芯。該鐵氧體磁芯1015的導(dǎo)磁系數(shù)μ為40。前述細(xì)節(jié)僅通過舉例闡述，前述的任何一個(gè)或所有值可能需要針對不同的應(yīng)用進(jìn)行修改(例如，舉例來說，對射頻發(fā)生器的頻率進(jìn)行更改)。
我們發(fā)現(xiàn)，圖71A和71B中的分布電感的特征解決了磁芯在經(jīng)受持續(xù)高射頻功率等級(例如5kW)后的破損問題。
圖75顯示了由芯體和圖71A與71B所示繞組形成的等效電路。除環(huán)繞芯體1015的主、副繞組170和7010外，圖75還顯示了由電感耦合于芯體1015的等離子體表現(xiàn)出的等效電感和電容負(fù)載。圖70-75所示為變壓器耦合電路。副繞組7010的目的是要為經(jīng)過芯體的增強(qiáng)功率耦合提供環(huán)繞磁芯1015流動(dòng)的高電流。副繞組7010通過射頻發(fā)生器的頻率共振達(dá)到這個(gè)目的。所以，在副繞組7010上出現(xiàn)經(jīng)過磁芯1015的高電流和功率耦合，因此事實(shí)上芯體1015的加熱都出現(xiàn)在副繞組7010上。通過這樣分布環(huán)繞芯體1015整個(gè)周圍的副繞組7010，這種加熱類似于環(huán)繞芯體分布，避免了局部加熱繼而防止高射頻功率等級下芯體發(fā)生破碎。
圖71A和71B中的分布式繞組特征，能用來實(shí)現(xiàn)其它的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如圖76中的自耦變壓器電路。在圖76的自耦變壓器電路中，環(huán)繞芯體1015的繞組7010被分布(按上面參照圖70-74所述的方式)并具有一條通過阻抗匹配電路175與射頻發(fā)生器180連接的支線7610。分布電容器7030提供共振(按上述方式)。如圖70所示，芯體7010纏繞在再進(jìn)入管150上，所以功率電感耦合于該管150的內(nèi)部。圖75和76中的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅僅是可以使用環(huán)繞磁芯1015的分布式繞組的不同布局的兩個(gè)例子。
在一個(gè)實(shí)施例中，阻抗匹配電路175a、175b使用了頻率調(diào)諧，其中每一個(gè)射頻發(fā)生器180a、180b的頻率按照使反射功率最小化和正向功率或輸出功率最大化的這樣一種方式被控制在反饋電路中。在這樣的實(shí)施例中，每一個(gè)發(fā)生器180a、180b的頻率調(diào)諧范圍是特定的，所以它們的頻率總是不同，典型地是0.2至2MHz的大小差異。此外，它們的相位關(guān)系也是隨機(jī)的。這種頻率差異能夠改善穩(wěn)定性。例如，如果使用相同的頻率來激發(fā)兩個(gè)垂直相交的管150-1、150-2中的等離子體，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。例如，這樣的不穩(wěn)定性能引起等離子體流只流過四個(gè)端口155、160中的三個(gè)端口。這種不穩(wěn)定性可能和管道中的環(huán)形等離子體流的相位差有關(guān)系。一種促進(jìn)等離子體穩(wěn)定性的因素是垂直相交的管150-1、150-2中的兩股等離子體流之間的隔離。這種隔離主要通過兩股等離子體流的等離子體殼層來完成。每一個(gè)再進(jìn)入管150-1、150-2的D.C.裂縫或間隙152也會(huì)提高等離子體穩(wěn)定性。
盡管圖44所顯示的每個(gè)垂直相交的管的D.C.裂縫或間隙152在離室頂110較遠(yuǎn)的上方，事實(shí)上，它們也可以非常接近或靠近室頂。在圖77的實(shí)施例中使用了這樣的一種安排，其中圖55A所示情況被改進(jìn)，這樣尾部5520是電懸浮的，它的電壓隨著等離子體電壓的震蕩而震蕩。這解決了歸因于每一個(gè)端口155、160附近的“空心陰極”效應(yīng)所產(chǎn)生的非均勻等離子體分布的問題。這種效應(yīng)可以歸因于電子倍增空腔效應(yīng)。通過容許一個(gè)端口附近的所有傳導(dǎo)材料跟隨等離子體電壓的震蕩，空心陰極效應(yīng)被減小或完全消除。這可以通過在再進(jìn)入管尾部5520和室頂110的頂部或外部表面之間的接合點(diǎn)設(shè)置D.C.裂縫或間隙152′從而電隔離尾部5520和接地的反應(yīng)室體來實(shí)現(xiàn)。(間隙152′可以另外加上或代替圖44中的間隙152。)間隙152′用絕緣環(huán)7710填補(bǔ)，圖77中的尾部5520有一個(gè)側(cè)翼7730，擱在絕緣環(huán)7710的上部。另外，在室頂110和尾部5520之間還有一個(gè)約0.3至3mm寬的絕緣真空間隙7730。在一實(shí)施例中，管道150和尾部5520一體形成一個(gè)單獨(dú)部分。尾部5520最好由金屬形成，這樣在那兒可以形成內(nèi)部冷卻管。
圖44-77顯示了均勻性控制磁體在工藝區(qū)上方的情況。圖78顯示磁極4440可以設(shè)置在工藝區(qū)下方，或晶片支承底座115下方。
實(shí)施例蝕刻工藝是在室壓為40mT，晶片底座上的射頻偏壓為13.56MHz、4800W，施加在每個(gè)再進(jìn)入管150上的射頻源功率為11.5MHz和12.5MHz、1800W的工藝條件下，在氧化物膜晶片上進(jìn)行的。在連續(xù)的操作步驟中，電磁組4430產(chǎn)生的磁場大小設(shè)置如下(a)0高斯(Gauss)，(b)6高斯(Gauss)和(c)18高斯Gauss(這兒，晶片中心的軸向磁場部分要比更相關(guān)的徑向部分更容易測定出)。分別測定出被觀測的晶片表面上的蝕刻速率為(a)0高斯時(shí)，中心低大約2％的標(biāo)準(zhǔn)偏差；(b)6高斯時(shí)，中心略微快大約1.2％的標(biāo)準(zhǔn)偏差；(c)中心快大約1.4％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這些例子顯示了提供幾乎理想的補(bǔ)償(步驟b)和過度補(bǔ)償?shù)墓β?步驟c)的能力。
為了檢測有效壓力范圍，室壓增加到160mT，電磁場按從(a)0高斯，到(b)28高斯，最后到(c)35高斯(這兒，晶片中心的軸向磁場部分要比更相關(guān)的徑向部分更容易測定出)的三個(gè)步驟增加，觀測到的蝕刻速率分別為，中心慢大約2.4％的標(biāo)準(zhǔn)偏差，中心略微快大約2.9％的標(biāo)準(zhǔn)偏差，中心快大約3.3％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。顯然，從0到28高斯的步驟導(dǎo)致過分補(bǔ)償，所以，稍微小一點(diǎn)的磁場會(huì)比較理想，而整個(gè)過程顯示了電磁組4430輕松控制甚高室壓范圍的能力。該檢測非常嚴(yán)格，因?yàn)樵诟叩氖覊合?，蝕刻速率分布往往會(huì)有更嚴(yán)重的中心緩慢，而同時(shí)，高室壓的碰撞距離或平均自由路徑長度的減小使得特定磁場更難于對等離子體電子或離子產(chǎn)生效應(yīng)，這是因?yàn)槿绻鄳?yīng)的等離子體電子或離子的拉莫爾半徑(取決于磁場和電子或離子質(zhì)量的長度)超出等離子體碰撞距離，那么磁場可能根本沒有效應(yīng)。因?yàn)榕鲎簿嚯x隨著壓力增加而減小，所以必須成比例地增加磁場長度以減小拉莫爾半徑。前述例子闡述了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場以滿足小拉莫爾半徑的需要的電磁組能量。
另一套蝕刻工藝是在室壓為35mT，施加在電磁組4430上的電流按照從(a)0安培、(b)5安培、(c)6安培、(d)7安培、和(e)8安培的5個(gè)步驟增加，以及其它類似條件下，在用光刻膠形成圖案的氧化物晶片上進(jìn)行的。(這個(gè)檢測中，測定晶片中心的軸向磁場部分，5安培的電流產(chǎn)生的磁場大約為6高斯。)在每個(gè)步驟中，測定晶片中心和外圍上高縱橫比接觸孔的蝕刻深度，來檢測中心-邊緣蝕刻速率均勻度的控制。測定出的中心-邊緣蝕刻速率的差異分別是(a)中心低13.9％、(b)中心低3.3％、(c)中心低0.3％、(d)中心高2.6％和(e)中心高16.3％。從前述可知，對于較佳的中心-邊緣均勻度，理想的電磁電流容易確定，這種情況下，大約是6安培。
在氧化物膜晶片上進(jìn)行了一套蝕刻工藝來檢測圖44中的雙區(qū)氣體分布板210的功效。第一步，通過兩區(qū)的氣流速度相等，第二步，內(nèi)區(qū)的氣流速度是外區(qū)的4倍，第三步外區(qū)氣流速度是內(nèi)區(qū)的4倍。每個(gè)步驟中，電磁組4430上不施加電流，這樣測量結(jié)果將只反應(yīng)雙區(qū)氣體分布板210的效果。在第一步兩區(qū)的氣流速度相等時(shí)，蝕刻速率分布是略微中心高大約2.3％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在內(nèi)區(qū)的氣流速度是外區(qū)的4倍時(shí)，蝕刻速率分布是中心快大約4％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在外區(qū)氣流速度是內(nèi)區(qū)的4倍時(shí)，蝕刻速率分布是中心慢大約3.4％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這表明，能利用氣體分布板210的雙區(qū)差別氣流速度的特征來對蝕刻速率分布作一些修正。但是，因?yàn)檫M(jìn)來的氣體沒有(或?qū)?被離子化，所以氣流速度的控制僅直接影響中性粒子的分布。另一方面，蝕刻速率直接受到等離子體離子分布的影響，而受中性粒子的影響沒那么強(qiáng)烈，至少不是直接受影響。所以，通過雙區(qū)氣體分布板對蝕刻速率分布進(jìn)行控制，雖然有一些效果，但是必然沒有像通過磁組4430的磁場限制來直接影響等離子體電子和離子那樣有效。
對電磁組4430對再進(jìn)入環(huán)形等離子體流的依賴性進(jìn)行了探究。首先在氧化物膜晶片上進(jìn)行一系列蝕刻工藝，其中，對環(huán)形等離子體源不施加功率，只對晶片底座施加3kW的射頻偏壓功率。電磁線圈電流按4個(gè)步驟增加(a)0安培、(b)4安培、(c)6安培和(d)10安培。在下述步驟中觀測到的蝕刻速率分布為(a)中心高2.87％的標(biāo)準(zhǔn)偏差；(b)中心高3.27％的標(biāo)準(zhǔn)偏差；(c)中心高2.93％的標(biāo)準(zhǔn)偏差和(d)中心高大約4％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。所以，發(fā)現(xiàn)施加在電磁組4430的較高D.C.電流對均勻性只有小的改善。然后，在除了施加在每個(gè)垂直相交的管150-1、150-2上的功率為1800kW外，其他條件都類似的情況下，進(jìn)行一系列蝕刻工藝。電磁線圈電流按6個(gè)步驟增加(a)0安培、(b)2安培、(c)3安培、(d)4安培、(e)5安培和(f)6安培。蝕刻速率分布分別為(a)中心低1.2％的標(biāo)準(zhǔn)偏差；(b)中心低1.56％的標(biāo)準(zhǔn)偏差；(c)中心高1.73％的標(biāo)準(zhǔn)偏差和(d)中心高2.2％的標(biāo)準(zhǔn)偏差；(e)中心高2.85％的標(biāo)準(zhǔn)偏差和(d)中心高4.25％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。顯然，最均勻的分布是在從中心低向中心高過渡的2和3安培之間的范圍。使用線圈電流變化很小的更小線圈電流產(chǎn)生等離子體分布的更大變化，所以，再進(jìn)入環(huán)形等離子體流的存在似乎增強(qiáng)了電磁組4430的磁場效應(yīng)。當(dāng)?shù)入x子體源被激活時(shí)，這種增強(qiáng)可以因可能增加的偏壓功率而擴(kuò)大。在沒有其存在的情況下，該等離子體的傳導(dǎo)性減小，等離子體殼層變得更厚，施加在晶片底座上的偏壓射頻功率必然受到限制。但環(huán)形等離子體源被激活(例如施加在每一個(gè)垂直相交的管150-1、150-2上功率為1800kW)，等離子體具有更高的傳導(dǎo)性，等離子體殼層變薄，能夠施加的偏壓功率越高。如前所述，D.C.磁場的效應(yīng)可能依賴D.C.磁場和等離子體殼層電場之間的交互作用，繼而依賴于施加在底座上的射頻偏壓功率。而且，由于前述假設(shè)的D.C.磁場和等離子體殼層電場之間的交互作用，再進(jìn)入環(huán)形等離子體流可能被吸引到中心等離子體區(qū)，進(jìn)一步增強(qiáng)該區(qū)域的等離子體離子密度。
另一系列在氧化物膜晶片上進(jìn)行的蝕刻工藝中，對圖55A中的端口-端口的間距S的效果進(jìn)行了探究。在間距S分別為16.5英寸和20.5英寸的反應(yīng)器中進(jìn)行同樣的蝕刻工藝。每個(gè)反應(yīng)器中，在施加于每個(gè)垂直相交的管150-1、150-2的功率為1800W、施加于電磁組4300的電流為0的條件下，具有較小間距的反應(yīng)器中的蝕刻速率比具有較大間距的反應(yīng)器中的蝕刻速率大31％(即，6993∶5332埃/分鐘)。
圖55-56中的端口-端口的間距S的效果還可以利用另一系列在以光刻膠形成圖案的氧化物膜晶片上進(jìn)行的蝕刻工藝來探究。在施加于電磁組4300的電流為3.7安培的情況下，使用較小源極(16.5英寸)間距S與使用較大源極(20.5英寸)間距S的蝕刻速率比值為10450∶7858埃/分鐘。在具有較大間距(20.2英寸)S的反應(yīng)器中，對增加功率的效果作了探究。在施加于每個(gè)垂直相交的管150-1、150-2的源功率為1800W，然后在2700W的特定條件下，在該反應(yīng)室中進(jìn)行同樣的蝕刻工藝。蝕刻速率成比例地發(fā)生了很小的增加，即從7858埃/分鐘增加到8520埃/分鐘。所以，端口-端口的間距S對等離子體離子密度和蝕刻速率的影響效果不容易通過改變離子源功率來補(bǔ)償。這顯示出象圖65A、65B和66所示的情況的重要性，盡管端口-端口的間距S較短，但實(shí)際上卻延長了等離子體流在被分離器5440分離后被允許對稱的距離。
極靴4440已經(jīng)被揭示為或者是永久磁鐵，或者是被線圈4450環(huán)繞的電磁芯。但是，該極靴4440可以去除，只保留線圈4450作為空氣線圈電感器，產(chǎn)生和極靴4440所產(chǎn)生的方向類似的磁場?？諝饩€圈電感器4450可以象這樣代替極靴4440。所以，總之，要求產(chǎn)生必需的徑向磁場的限定為長柱形的部件可以是極靴4440，或者是沒有極靴的空氣線圈電感器，或者可以是兩者的結(jié)合體。限定為柱形的部件的直徑較窄，可適當(dāng)限制徑向磁場的峰值。
等離子體浸沒離子植入?yún)⒄請D79，與本發(fā)明的一個(gè)外觀一致的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器包括具有一個(gè)支承在環(huán)形側(cè)壁8020上的室頂?shù)恼婵帐?010。晶片支承底座8025支承一個(gè)半導(dǎo)體(例如硅)晶片或工件8030。真空室8035和限定在底座8025和側(cè)壁8020之間的泵吸環(huán)面相連接。蝶形閥8037調(diào)控進(jìn)入泵8035入口的氣流并控制室壓。氣體供應(yīng)源8045通過包括圖中顯示的注入口8048在內(nèi)的氣體注入口系統(tǒng)向室8010供應(yīng)含有摻雜的工藝氣體。例如，如果晶片8030是其一部分要被植入p型傳導(dǎo)率摻雜的晶硅片，那么氣體供應(yīng)源8045可以供應(yīng)BF3和/或B2H6氣體到室8010中，其中硼是摻雜類物質(zhì)。通常含摻雜的氣體是包括摻雜的化合物，例如硼(在硅上的p型傳導(dǎo)率摻雜)或磷(在硅上的n型傳導(dǎo)率摻雜)和易揮發(fā)類物質(zhì)例如氟和/氫。所以，氟和/或硼、磷的氫化物或者其他摻雜類物質(zhì)例如砷、銻等，可以是摻雜氣體。在含有摻雜的氟化物和/氫化物氣體例如BF3的等離子體中，分布有各種不同離子類物質(zhì)，例如BF2+，BF+，B+，F(xiàn)+，F(xiàn)-和其他物質(zhì)(例如惰性添加物)。所有各類物質(zhì)可以加速通過殼層，并植入晶片表面。在以非常高的能量與晶片碰撞時(shí)，摻雜原子(例如硼或磷原子)典型地從易揮發(fā)類原子(例如氟或氫原子)中分離出來。盡管摻雜離子和易揮發(fā)類離子都加速?zèng)_向晶片表面，但是一部分易揮發(fā)類原子往往會(huì)在離子植入工藝之后的退火工藝中，離開晶片，留下?lián)诫s原子被植入到晶片中。
等離子體是由室內(nèi)8010的含摻雜的氣體，通過包括經(jīng)由阻抗匹配電路8060和射頻等離子體源功率發(fā)生器8055連接的室頂上方的線圈天線8050在內(nèi)的電感射頻功率施加器而產(chǎn)生。通過經(jīng)由阻抗匹配電路8060和晶片支承底座8025連接的射頻等離子體偏壓功率發(fā)生器8065將射頻偏壓施加在晶片8030上。第二射頻等離子體源功率發(fā)生器8057通過阻抗匹配電路8062，可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)徑向外部的線圈天線8052。
晶片8030上的射頻偏壓使得來自等離子體的離子加速穿過等離子體殼層，進(jìn)入晶片表面，在那兒它們通常被射入晶片晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置。離子能量、離子質(zhì)量、離子流密度和總量可以足以使晶片結(jié)構(gòu)變形(或毀壞)。摻雜(例如硼)離子在晶片表面和表面結(jié)構(gòu)的聚集和動(dòng)能決定了摻雜離子在晶片表面下方的深度。這由施加在晶片支承底座8025上的射頻偏壓控制。離子植入工藝完成后，要對晶片進(jìn)行退火工藝，以使得植入的摻雜原子進(jìn)入晶片晶體上的置換原子位置。如果在等離子體浸沒植入工藝之前，基板表面被預(yù)非晶化或者等離子體浸沒植入工藝中的離子能量、離子質(zhì)量、離子流密度和總量足以使得晶片的結(jié)構(gòu)非晶化，那么該基板表面可以不是晶體。在這樣的一種情況下，退火工藝會(huì)使得不定形(被毀壞)的層，通過植入原子的結(jié)合和活化而再結(jié)晶。
隨后的退火工藝完成后，半導(dǎo)體植入?yún)^(qū)的傳導(dǎo)率由活化的摻雜物的結(jié)深和體積密度決定。例如，如果p型傳導(dǎo)率摻雜例如硼被植入之前已被摻入n型摻雜的硅晶體中，然后沿著新植入的p型傳導(dǎo)率區(qū)的邊界形成p-n結(jié)合，該p-n結(jié)合的深度(結(jié)深)為退火后p型摻雜的活化植入深度。結(jié)深由晶片上的偏壓(和退火工藝)決定，其中該偏壓由射頻等離子體偏壓功率發(fā)生器8065控制。植入?yún)^(qū)的摻雜含量由植入過程中晶片表面的摻雜離子流(“總量”)和離子流持續(xù)時(shí)間決定。摻雜離子流由電感射頻功率施加器8050發(fā)射出的射頻功率決定，其中電感射頻功率施加器8050受射頻等離子體源功率發(fā)生器8055的控制。這種安排能使植入時(shí)間、植入?yún)^(qū)的傳導(dǎo)率和結(jié)深被獨(dú)立控制。在傳導(dǎo)率和結(jié)深滿足目標(biāo)值時(shí)，通常選擇控制參數(shù)例如射頻等離子體偏壓功率發(fā)生器8065的功率輸出來使植入時(shí)間最小化。對于離子能量的更直接控制，偏壓發(fā)生器可以把“電壓”而不是“功率”作為它的輸出控制變量。
電感射頻等離子體源功率施加器8050的優(yōu)點(diǎn)是，離子流(摻雜劑量速度)可以通過增加射頻源功率發(fā)生器8055的功率值來予以增加。當(dāng)電感射頻等離子體源功率被增加，從而增加離子流(摻雜劑量速度)，而沒有顯著增加等離子電壓時(shí)，偏壓值被射頻源功率發(fā)生器控制在一個(gè)預(yù)先選定的大小(被選擇用于達(dá)到想要的植入深度)上。這種特征使得因反應(yīng)室的濺射或蝕刻引起的污染最小化。它還進(jìn)一步減小反應(yīng)室內(nèi)因等離子體濺射而隨時(shí)間推移發(fā)生磨損的耗材部分的消耗。因?yàn)榈入x子體電壓不一定隨著離子流增加，所以最小植入能量不受限制(增加)，從而允許用戶選擇比其它可能的結(jié)深更淺的結(jié)深。相反，可以回顧一下，因?yàn)槲⒉‥CR等離子體源的特點(diǎn)在于具有較高的最小等離子體電壓，所以會(huì)限制最小植入能量和限制最小結(jié)深。
晶片上施加射頻偏壓功率(替代D.C.偏壓)的優(yōu)點(diǎn)是，如果射頻偏壓頻率選擇合適的話，離子植入更有效(所以傳導(dǎo)率更高)，如圖80A、80B和80C所示。圖80A顯示常規(guī)做法中在晶片上施加的1毫秒D.C.脈沖，而圖80B顯示晶片表面得到的離子能量。圖80A中的D.C.脈沖電壓處在目標(biāo)偏壓附近，該目標(biāo)偏壓下退火時(shí)離子在所想要的結(jié)深位置成為置換離子。圖80B表示與圖80A中的脈沖相對應(yīng)的離子能量，因晶片表面的抗電容效應(yīng)，而逐漸衰減的情況。結(jié)果，圖80A的1毫秒的D.C.脈沖中只有大約第一微秒(或更少)是真正有用的，因?yàn)橹挥忻}沖的這1微秒部分產(chǎn)生的離子能量，能夠植入在所想要的結(jié)深位置成為置換(退火過程中)離子。
D.C.脈沖的初始周期(1毫秒)可歸因于RC時(shí)間。在D.C.脈沖的剩下部分的期間，離子不能獲得有效能量來到達(dá)所想要的結(jié)深或在退火時(shí)成為置換離子，并且不能穿透晶片表面，導(dǎo)致聚集在阻擋進(jìn)一步植入的沉積膜上。通過增加脈沖電壓不能解決這個(gè)問題，因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生大量比所想要的結(jié)深植入的更深的離子。所以，離子只在大約前10％的時(shí)間里植入到所想要的結(jié)深。這增加了在所想要的結(jié)深達(dá)到目標(biāo)植入密度的所需時(shí)間。得到的能量范圍還減小了結(jié)合的陡度。相反，在圖80C中的1MHz射頻偏壓的1毫秒脈沖里，每一個(gè)射頻周期有一個(gè)不超過圖80B中所謂的RC時(shí)間的射頻周期時(shí)間。結(jié)果，與脈沖D.C.偏壓對抗的抗電容效應(yīng)通常被足夠頻率的射頻偏壓所避免。所以，離子在圖80C的1MHz射頻偏壓的更大的百分比時(shí)間里，被植入到所想要的結(jié)深。這減小了在所想要的結(jié)深達(dá)到目標(biāo)植入密度的所需時(shí)間。因此，在晶片上使用射頻偏壓，根據(jù)所選擇的射頻頻率，比使用D.C.脈沖電壓，產(chǎn)生更大的效率和生產(chǎn)率。
所選擇的射頻偏壓頻率要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)射頻偏壓頻率必須足夠高，使得穿過底座(陰極)絕緣層的電壓下降可以忽略不計(jì)，對晶片正面和背面的介電薄膜的敏感性減到最小，并且對室壁面的條件或等離子體副產(chǎn)品的沉積的敏感性減到最小。而且，該頻率必須足夠高，使得其周期在抗電容(RC)效應(yīng)減少離子能量到目標(biāo)能量以下超過2％之前，不會(huì)顯著超出初始周期(例如1毫秒)，如上面直接所述。此外，射頻偏壓頻率必須足夠高，從而穿過絕緣電容，例如晶片表面的膜、晶片支承底座的絕緣層、室壁的膜或者室壁的沉積膜耦合。(偏壓射頻耦合于晶片的優(yōu)點(diǎn)是，這樣的耦合不依賴歐姆接觸，受存在晶片和支承底座之間的表面條件的改變或變化的影響較小。)但是，射頻偏壓頻率應(yīng)該足夠低，不會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的等離子殼層震蕩(這個(gè)任務(wù)留給等離子體源功率施加器來完成)。更重要的是，射頻偏壓功率應(yīng)該對離子來說足夠低，以回應(yīng)晶片表面上方等離子體殼層電場的震蕩?，F(xiàn)在參照圖81A-81D來闡述對最后這種需求的考慮。
圖81A顯示了晶片表面的等離子體離子飽和流和施加在晶片上的D.C.偏壓的函數(shù)關(guān)系，在較高電壓區(qū)離子飽和流最大(斜向上)。圖81B顯示了圖80C中的射頻電壓的震蕩。圖80A所示的不對稱離子飽和流引起，由圖80B中的射頻偏壓產(chǎn)生的離子能量分布按照相同的方式向較高能量區(qū)斜進(jìn)，如80C所示。離子能量分布主要集中在圍繞對應(yīng)晶片上射頻偏壓的峰間電壓的能量上。但是只要射頻偏壓頻率對離子來說足夠低，能跟隨等離子體殼層電場的震蕩便可如此。這種頻率通常是大約100kHz至3MHz的低頻，但是依賴于殼層厚度和離子的荷質(zhì)比。殼層厚度是殼層邊緣的等離子體電子密度和殼層電壓的函數(shù)。參照圖81D，這種頻率從低頻(圖81D中F1標(biāo)記)增加到中頻(圖81D中F2標(biāo)記)，最后增加到高頻例如13MHz(圖81D中F3標(biāo)記)，離子跟隨等離子體殼層電場震蕩的能力被減小，使得能量分布變窄。在圖81D中的高頻下，離子沒有跟隨等離子體殼層電場震蕩，相反，獲得與射頻偏壓的平均電壓對應(yīng)的能量，即大約峰間射頻偏壓的一半。
結(jié)果，當(dāng)射頻偏壓頻率增加到高頻(用于恒定射頻偏壓)時(shí)，離子能量被減少一半。另外，在中頻下，我們發(fā)現(xiàn)等離子體行為不穩(wěn)定，因?yàn)樗诘皖l行為(在該行為中，離子具有與峰間射頻偏壓對應(yīng)的能量)和高頻行為(在該行為中，離子具有與大約峰間射頻偏壓一半對應(yīng)的能量)之間會(huì)偶爾發(fā)生改變。所以，通過將射頻偏壓頻率維持在對離子來說足夠低的頻率以跟隨等離子體殼層電場的震蕩，需要滿足特定離子植入深度需求的峰間射頻偏壓，相對于中頻(F2)或高頻(F3)行為，就被減小到將近一半。這是一個(gè)意義重大的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@種所需的射頻偏壓的減小(例如減小到二分之一)極大減小了高壓造成晶片支承底座彎放電的風(fēng)險(xiǎn)和毀壞晶片上的薄膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。這非常重要，因?yàn)樵诒菊f明書中后面談到的至少一個(gè)特定的等離子體浸沒離子植入源中，如果等離子體射頻偏壓是傳統(tǒng)的離子束植入器的加速電壓的2倍，那么離子能量與通過傳統(tǒng)的離子束植入器獲得的離子能量相稱。所以，在高頻等離子體射頻偏壓下，離子能量往往是低頻下獲得的能量的一半，對于特定的離子能量大小，所需的等離子體射頻偏壓是傳統(tǒng)的離子束植入器的加速電壓的4倍。因此，在等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器中，利用低頻射頻偏壓的優(yōu)點(diǎn)來避免需要過高的射頻偏壓，是非常重要的。
所以將射頻偏壓功率頻率限制在10kHz和10MHz的低頻率范圍內(nèi)可以獲得較佳效果，將射頻偏壓頻率限制在50kHz到5MHz的窄范圍內(nèi)可以獲得更佳效果，將射頻偏壓頻率限制在100kHz到3MHz的更窄范圍可以獲得更佳效果。我們發(fā)現(xiàn)最佳效果在大約2MHz上下浮動(dòng)5％。
射頻源功率發(fā)生器8055和射頻偏壓發(fā)生器8065都可以分別向電感功率施加器8050和晶片底座8025施加連續(xù)射頻功率。但是，發(fā)生器8055和8065的兩個(gè)或兩個(gè)之一可以在由控制器8075控制的觸發(fā)模式下工作。如果有外部線圈天線8075的話，控制器8075也可以在觸發(fā)模式下控制發(fā)生器8057?，F(xiàn)在闡述在一個(gè)實(shí)施例中不包括外部線圈天線8057的工作情況。每個(gè)發(fā)生器8055、8065產(chǎn)生的射頻信號可以予以脈沖調(diào)制，以產(chǎn)生脈沖連續(xù)的連續(xù)波(CW)射頻功率，例如，具有0.5kHz大小的重復(fù)頻率的1毫秒。射頻功率發(fā)生器8055、8065中的一個(gè)或者兩個(gè)可以在這種方式下工作。如果兩個(gè)都同時(shí)在這樣的觸發(fā)模式下工作，那么它們可以在下面將要談到的推拉模式、同步模式、對稱模式或者不對稱模式下工作。
圖82A和82B顯示了推拉模式下的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形，這兩個(gè)圖中顯示了各射頻發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，其中兩個(gè)發(fā)生器8055、8065產(chǎn)生的射頻能量的脈沖在交替的時(shí)間窗期間發(fā)生。圖82A和82B分別顯示了發(fā)生器8055、8065的射頻功率波形，或反之亦然。
圖82C和82D顯示了同步模式下的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形，其中，兩個(gè)發(fā)生器8055和8065產(chǎn)生的射頻能量的脈沖同步。但是，它們可以不一定同相，特別是在兩個(gè)發(fā)生器8055和8065產(chǎn)生不同的射頻頻率的時(shí)候。例如，射頻等離子體源功率發(fā)生器8055可以有大約13MHz的頻率，而射頻等離子體偏壓功率發(fā)生器8065可以有大約2MHz的頻率。圖82C和82D分別表示發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，或反之亦然。
在前述例中，兩個(gè)射頻發(fā)生器8055和8065的脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率可以至少幾乎相同。但是，如果不同的話，兩個(gè)發(fā)生器8055和8065的脈沖之間的時(shí)間關(guān)系必須予以選擇。例如，在圖82E和82F所示的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形中，發(fā)生器8055和8065之一產(chǎn)生圖82F所示的較短的射頻脈沖，而另一個(gè)產(chǎn)生如圖82E所示的較長的射頻脈沖。該例中，兩個(gè)發(fā)生器8055和8065的脈沖對稱排列，其中，圖82F中的較短脈沖處于82E中的對應(yīng)的較長脈沖的中間。圖82E和82F分別表示發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，或反之亦然。
在另一例中，圖82G和82H所示的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形中，較短脈沖(圖82H)不在對應(yīng)的較長脈沖(圖82G)的中間，所以它們是不對稱排列的。具體地說，該例中，圖82H中的較短射頻脈沖與圖82G中的對應(yīng)的長射頻脈沖的后面部分一致。另一種選擇是，如圖82H所示的虛線中，圖82H中的短射頻脈沖可以另外與圖82G中的對應(yīng)的長射頻脈沖的前面部分一致。圖82G和82H分別表示發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，或反之亦然。
當(dāng)?shù)入x子體源功率(和離子流)增加時(shí)，圖79中的電感射頻源功率施加器8050往往顯示出，等離子體中的含氟類物質(zhì)離解的增加，從而引起植入工藝中晶片半導(dǎo)體膜的過度蝕刻。而這樣的蝕刻是不希望看到的。圖83A所示的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器，往往可以避免這種問題發(fā)生，該等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器具有電容源功率施加器，其構(gòu)成靠絕緣環(huán)8017與接地側(cè)壁8020電絕緣的傳導(dǎo)(金屬)或半導(dǎo)體室頂8015′的一部分。另一種選擇是，室頂可以是傳導(dǎo)或半導(dǎo)體金屬，并覆有絕緣、傳導(dǎo)或半導(dǎo)體層。射頻等離子體源功率發(fā)生器8055通過阻抗匹配電路8060，以電容板方式驅(qū)動(dòng)室頂8015′。與室頂8015′電容耦合的射頻功率產(chǎn)生的等離子體殼層經(jīng)震蕩產(chǎn)生等離子體。為增加該等離子體的產(chǎn)生，等離子體射頻源功率發(fā)生器8055的頻率較高，例如，在甚高頻率(VHF)范圍或30MHz以上。晶片底座8025可以充當(dāng)室頂8015′的對電極。室頂8015′可以充當(dāng)施加于晶片底座8025的射頻偏壓的對電極。另一種選擇是，室壁可以充當(dāng)晶片偏壓和室頂偏壓中的一個(gè)或兩個(gè)電壓的對電極。在一實(shí)施例中，含摻雜的氣體通過多個(gè)氣體注入口8048′并穿過室頂8015′被注入。
圖83A中的電容耦合等離子體離子浸沒注入反應(yīng)器，享有圖79中的電感耦合反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@兩種類型的反應(yīng)室都能對離子流(通過調(diào)節(jié)等離子體源功率發(fā)生器8055的功率大小)和離子能量或植入深度(通過調(diào)節(jié)等離子體偏壓功率發(fā)生器8065的功率大小)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。另外，當(dāng)?shù)入x子體源功率或離子流增加時(shí)，圖83A中的電容耦合等離子體離子浸沒反應(yīng)器顯示出，由摻雜氣體供應(yīng)源8045供應(yīng)的氣體中含氟類物質(zhì)的離解的小量增加，和會(huì)另外導(dǎo)致過度蝕刻或沉積問題的反應(yīng)副產(chǎn)物的小量增加。優(yōu)點(diǎn)是，離子流可以更隨意的增加，而不會(huì)引起離子植入工藝中不能接受的蝕刻沉積大小。
等離子體源功率發(fā)生器8055的更高頻的射頻功率控制等離子體密度繼而控制晶片表面的離子流，但不會(huì)極大影響殼層電壓或離子能量。偏壓功率發(fā)生器8065的更低頻的射頻功率控制殼層電壓繼而控制離子植入能量和(結(jié)合)深度，不會(huì)極大影響離子產(chǎn)生或離子流。等離子源功率發(fā)生器的頻率越高，加熱等離子體殼層的離子所消耗的源功率就越低，這樣就有更多的功率通過等離子體殼層的震蕩或加熱大量等離子體中的電子來產(chǎn)生等離子體離子。射頻偏壓功率發(fā)生器8065的更低頻率低于10MHz，而射頻等離子體源功率發(fā)生器8055的更高頻率高于10MHz。最好是，更低頻率低于5MHz，而更高頻率高于15MHz。低于3MHz的更低頻率和高于30MHz或者甚至高于50MHz的較高頻率可以獲得甚至更好的效果。一些情況下，源功率頻率可以高達(dá)160MHz或者甚至200MHz以上。源功率發(fā)生器8055的高頻和偏壓功率發(fā)生器8065的低頻之間的頻率間隔越大，兩個(gè)發(fā)生器8055、8065分別控制的等離子體離子植入流和等離子體離子植入能量就越多。
圖83B所示的變化中，射頻等離子體源功率發(fā)生器8055是與晶片底座連接，而不是與室頂8015′連接。這一特征的優(yōu)點(diǎn)是，室頂8015′的損耗(等離子體濺射或蝕刻引起)速度低于圖83A中的反應(yīng)器室頂，導(dǎo)致磨損較小，并且等離子體中的金屬雜質(zhì)較少。缺點(diǎn)是，兩個(gè)射頻發(fā)生器8055、8065彼此間的絕緣不如83A中的反應(yīng)器，因?yàn)樗鼈儍蓚€(gè)都和同一個(gè)電極連接，所以對離子流和離子能量的控制不如83A中的反應(yīng)器那樣獨(dú)立。
在任一個(gè)圖83A或83B中的反應(yīng)器中，控制器8075能以如上參照FIGS.82A-82H所述的方式工作，其中施加在室頂8015′和底座8025的各射頻功率波形是推拉模式(圖82A and82B)、同步模式(圖82C和82D)、對稱模式(圖82E和82F)或者是不對稱模式(圖82G和82H)。
圖83A和83B顯示射頻源功率發(fā)生器8055能驅(qū)動(dòng)室頂8015’(圖83A)，側(cè)壁8020和/或晶片支承底座8025與發(fā)生器8055射頻返回終端連接，或者，另一種選擇是，射頻源功率發(fā)生器8055能驅(qū)動(dòng)晶片支承底座8025，室頂8015’和/或側(cè)壁8020與發(fā)生器8055射頻返回終端連接。所以，射頻源功率發(fā)生器連接穿過晶片支承底座8025和側(cè)壁8020或室頂8015’(或兩個(gè))。和源功率發(fā)生器8055連接的極性可以顛倒，這樣發(fā)生器就驅(qū)動(dòng)側(cè)壁8020和/或室頂8015’，底座8025和發(fā)生器8055的射頻返回終端連接。
如上所述，圖79中的等離子體浸沒離子植入電感耦合反應(yīng)器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括(a)容納大量離子流/高等離子體離子密度的能力；(b)對離子能量的獨(dú)立控制；(c)低的最小離子能量(等離子體電壓)。圖83A中的等離子浸沒離子植入電容耦合反應(yīng)器比圖79中的電感耦合反應(yīng)器具有另外的優(yōu)點(diǎn)，即當(dāng)離子流增加時(shí)，對工藝氣體和反應(yīng)副產(chǎn)物的離解的可控制能力增強(qiáng)。所以，這兩種類型的反應(yīng)器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但都不包括所有的優(yōu)點(diǎn)。
圖84所示的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器具有前述的所有優(yōu)點(diǎn)，包括低的最小離子能量和低的工藝氣體離解度。該圖84中，圖79或83A的電感或電容耦合等離子體源被圖1-78所顯示的那一類環(huán)形等離子體源所代替。在圖84的基本結(jié)構(gòu)中，環(huán)形等離子體源包括在室頂8015上方的與圖1中的管道150對應(yīng)的再進(jìn)入中空管8150。圖84中的管道8150具有一個(gè)密封環(huán)繞于室頂8015上第一開口8155的開口端8150a，和另一相對的密封環(huán)繞于室頂8015上第二開口8165的開口端8150b。這兩個(gè)室頂上的開口或端口8155、8160處于晶片支承底座8025相對側(cè)邊的上方。雖然圖84中顯示開口8155、8160在室頂上，但是它們可以另外如圖12所示，處于反應(yīng)室的基板或基底上，或者如圖26所示，處于反應(yīng)室的側(cè)壁上，所以該管道8150可以通過室的上方或下方。來自于射頻發(fā)生器8055的射頻等離子體源功率通過任意的阻抗匹配電路8060和射頻等離子體源功率施加器8110，耦合于再進(jìn)入管。圖1-78所示的用于再進(jìn)入管的不同類型的任意一種源功率施加器，都可以施加于圖84中的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器。圖84所示的實(shí)施例中，射頻等離子體源功率施加器8110和圖13所示的近似，其中，呈圓環(huán)面形的滲透磁芯8115環(huán)繞管道8150的環(huán)形部分。射頻發(fā)生器8055通過任意的阻抗匹配電路和繞在磁芯8115上的傳導(dǎo)繞組8120連接。穿過繞組8120可以連接一個(gè)任意的調(diào)諧電容器8122。射頻發(fā)生器8055可以是調(diào)頻的，以維持阻抗匹配，所以阻抗匹配電路8060不是必需的。
反應(yīng)室包括晶片支承底座8025和室頂8015之間的工藝區(qū)8140。氣體供應(yīng)源8045通過室頂8015上的氣體注入口8048向反應(yīng)室8140提供摻雜氣體。在與源功率施加器8110連接的射頻源功率的作用下，等離子體循環(huán)(震蕩)通過再進(jìn)入管8150和工藝區(qū)8140。和圖13所示的反應(yīng)器一樣，再進(jìn)入管8150由傳導(dǎo)材料形成，有一個(gè)填塞了絕緣體8154的間隙或環(huán)形裂縫8152。當(dāng)替換晶片8030的半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，由氣體供應(yīng)源8045供應(yīng)的摻雜氣體含有供體(N型)或受體(P型)摻雜。例如，如果晶片是硅晶體，那么N型摻雜可以是砷或磷，P型摻雜可以是硼。由氣體供應(yīng)源8045供應(yīng)的摻雜氣體是摻雜和至少部分揮發(fā)類物質(zhì)例如氟的化合物。例如，如果P型傳導(dǎo)區(qū)由離子植入形成，那么摻雜氣體可以是硼和氟的化合物，如BF3，或者摻雜氣體可以是氫化物，如B2H6。摻磷可以通過使用氟化物如PF3或PF5或者氫化物例如PH3來完成。摻砷可以通過使用氟化物例如AsF5或氫化物例如AsH3來完成。
射頻偏壓功率發(fā)生器提供射頻偏壓，按前面參照圖81D的敘述來選擇射頻偏壓頻率。通過限制射頻偏壓功率頻率在10kHz和10MHz的低頻范圍可以獲得優(yōu)質(zhì)效果。限制射頻偏壓功率頻率在50kHz至5MHz的更窄范圍內(nèi)，可獲得更優(yōu)質(zhì)的效果。限制射頻偏壓功率頻率在100kHz至3MHz的甚至更窄的范圍內(nèi)，可獲得最佳效果。我們發(fā)現(xiàn)在大約2MHz上下浮動(dòng)5％的頻率下可獲得最佳效果。
圖84所示的反應(yīng)器中，射頻源功率發(fā)生器8055和射頻偏壓功率發(fā)生器8065可以分別向電感功率施加器8110和晶片底座8025施加連續(xù)射頻功率。但是，發(fā)生器8055、8065中的一個(gè)或兩個(gè)可以在由控制器8075控制的觸發(fā)模式下工作。每個(gè)發(fā)生器8055、8065產(chǎn)生的射頻信號可以進(jìn)行脈沖調(diào)制以產(chǎn)生脈沖連續(xù)的連續(xù)波，例如，具有0.5kHz大小的重復(fù)頻率的1毫秒。射頻功率發(fā)生器8055、8065中的一個(gè)或者兩個(gè)可以在這種方式下工作。如果兩個(gè)都同時(shí)在這樣的觸發(fā)模式下工作，那么它們可以在下面將要針對圖84中的反應(yīng)器談到的推拉模式、同步模式、對稱模式或者不對稱模式下工作。
圖82A和82B顯示了推拉模式下的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形，這兩個(gè)圖中顯示了各射頻發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，其中兩個(gè)發(fā)生器8055、8065產(chǎn)生的射頻能量的脈沖在交替的時(shí)間窗期間發(fā)生。圖82A和82B分別顯示了發(fā)生器8055、8065的射頻功率波形，或反之亦然。
圖82C和82D顯示了同步模式下的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形，其中，兩個(gè)發(fā)生器8055和8065產(chǎn)生的射頻能量的脈沖同步。但是，它們可以不一定同相，特別是在兩個(gè)發(fā)生器8055和8065產(chǎn)生不同的射頻頻率的時(shí)候。例如，射頻等離子體源功率發(fā)生器8055可以有大約13MHz的頻率，而射頻等離子體偏壓功率發(fā)生器8065可以有大約2MHz的頻率。圖82C和82D分別表示發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，或反之亦然。
在前述例中，兩個(gè)射頻發(fā)生器8055和8065的脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率可以至少幾乎相同。但是，如果不同的話，兩個(gè)發(fā)生器8055和8065的脈沖之間的時(shí)間關(guān)系必須予以選擇。例如，在圖82E和82F所示的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形中，發(fā)生器8055和8065之一產(chǎn)生圖82F所示的較短的射頻脈沖，而另一個(gè)產(chǎn)生如圖82E所示的較長的射頻脈沖。該例中，兩個(gè)發(fā)生器8055和8065的脈沖對稱排列，其中，圖82F中的較短脈沖處于82E中的對應(yīng)的較長脈沖的中間。圖82E和82F分別表示發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，或反之亦然。
在另一例中，圖82G和82H所示的當(dāng)時(shí)時(shí)域波形中，較短脈沖(圖82H)不在對應(yīng)的較長脈沖(圖82G)的中間，所以它們是不對稱排列的。明確一點(diǎn)的是，該例中，圖82H中的較短射頻脈沖與圖82G.中的對應(yīng)的長射頻脈沖的后面部分一致。另一種選擇是，如圖82H所示的虛線中，圖82H中的短射頻脈沖可以另外與圖82G中的對應(yīng)的長射頻脈沖的前面部分一致。圖82G和82H分別表示發(fā)生器8055和8065的射頻功率波形，或反之亦然。
圖84的環(huán)形等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器能在脈沖D.C.偏壓而非射頻偏壓下工作。這種情況下，偏壓功率發(fā)生器8065將是D.C.源而不是射頻源。所以，在前述82A至82H所示的不同工作模式下，脈沖射頻偏壓可以換成相同脈沖寬度的脈沖D.C.偏壓，只有源功率發(fā)生器8055產(chǎn)生射頻功率脈沖。
圖85顯示了對圖84中的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器的改進(jìn)情況，其中，具有和第一再進(jìn)入管相交的第二再進(jìn)入管8151，與圖44中的反應(yīng)器近似。等離子體功率從第二射頻等離子體源功率發(fā)生器8056經(jīng)由第二任意阻抗匹配電路8061到第二源功率施加器8111，最后耦合于第二管道8151，其中，該第二源功率施加器包括第二滲透磁芯8116和由第二射頻源功率發(fā)生器8056驅(qū)動(dòng)的第二芯體繞組8121。來自于氣體供應(yīng)源8045的工藝氣體可以通過氣體分布板(如圖44中的氣體分布板210)或與室頂8015成一體的噴頭注入反應(yīng)室。但是，圖85中的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器通過在室頂或側(cè)壁8020或別的位置上，例如反應(yīng)室基板，安裝少量的和摻雜氣體供應(yīng)源而非噴頭連接的工藝氣體注射器8048而使得其結(jié)構(gòu)被大大簡化。另外，室頂8015和晶片底座8025之間的間隙可以較大(例如2或6英寸)，氣體分布板被去除，以利于室頂8015上的分離的氣體注射器或散布器8048，或者側(cè)壁8020上的氣體注射器或散布器8049，因?yàn)闆]有必要在晶片表面附近產(chǎn)生等離子體。氣體注射器或散布器8049可以用一個(gè)環(huán)8049連在側(cè)壁8020上。通常需要的最大植入深度和離子能量越大，需要的室頂和晶片之間的間隙越大。例如，在10千伏(kV)的峰間射頻偏壓下，對產(chǎn)生穿過寬范圍氣體物質(zhì)的最好的等離子體均勻性和等離子體電子密度，4英寸的間隙要優(yōu)于2英寸的間隙。按照常規(guī)理解，術(shù)語“散布器”是指一類能從其中發(fā)射出廣角度的氣流分布的氣體分布裝置。
圖86是室頂8015內(nèi)表面的俯視圖，顯示了氣體注入口8048的排列，其中在室頂8015的中心有一個(gè)中心口8048-1，在外徑上有四個(gè)均勻間隔開的徑向外部口8048-2至8048-5。圖87顯示摻雜氣體供應(yīng)源8045可以作為氣體分布板使用。圖87中的氣體分布板或供應(yīng)源8045具有分離的氣體貯藏器8210-1至8210-11，其中裝有不同的含摻雜的氣體，包括硼的氟化物、硼的氫化物、磷的氟化物和磷的氫化物。另外，一些氣體貯藏器裝有用于共同植入(氫和氦)、材料增強(qiáng)(氮)、表面鈍化或共同植入(硅、鍺或碳的氟化物)的其他氣體。此外，中心口8048-1可以和氧氣的貯藏器連接，用于光刻膠移除和/或反應(yīng)室清潔?？刂瓢?220包括控制氣體從各貯藏器8210流向氣體注入口的控制閥8222。盡管氣體多支管8230可以用來分布外部氣體注入口8048-2至8048-5當(dāng)中的所選擇的氣體，但是氣體最好是在注入口處或附近混合。另一種選擇是，使用圖85中的噴嘴8049或散布器，工藝氣體可以從側(cè)壁8020的一個(gè)或多個(gè)位置注入。圖85顯示氣體注射器8049圍繞反應(yīng)室側(cè)壁8020設(shè)置，其向內(nèi)放射狀注入氣體。氣體可以平行于室頂和/或晶片注入，或者注入時(shí)，一些成分朝向室頂和/或晶片。對于一些應(yīng)用，利用每個(gè)充氣空間有自己的噴嘴排列的多個(gè)單個(gè)的氣體充氣空間，是有利的。這可以允許利用除真空外不會(huì)結(jié)合的化學(xué)作用，或者可以允許有一些氣體區(qū)域用于中性離子均勻性調(diào)整。為這個(gè)目的，再次參照圖85，和第一套的側(cè)壁注射器8049c連接的第一環(huán)體8049a充當(dāng)?shù)谝怀錃饪臻g，而和第二套分離的側(cè)壁注射器8049d連接的第二環(huán)體8049b充當(dāng)?shù)诙諝饪臻g。這兩個(gè)環(huán)體或充氣空間8049a、8049b由圖87中氣體板的分離的各套閥8222來提供。
圖88顯示了對圖85中的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器的改進(jìn)，其中，中央的電磁組8430安裝在室頂8015的中心上方。象圖44中的電磁組4430一樣，圖88中的電磁組8430控制等離子體離子密度均勻度，并包括由可磁化材料例如鐵或鋼形成的窄長柱形極靴8440和纏繞該極靴8440的絕緣傳導(dǎo)線圈8450。磁流控制器8442向線圈8450提供電流?？刂破?442控制通過線圈8450的電流，使得通過晶片表面的等離子體離子密度(離子流)的均勻度達(dá)到最佳。
圖89A和89B分別是加入徑向外部電磁組8460的進(jìn)一步改進(jìn)后的側(cè)視圖和俯視圖。外部磁組8460為圓環(huán)形，位于室頂8015的圓周邊緣附近的環(huán)形外部區(qū)域，靠近管道8150、8151的一對端口150、160。參照圖90A的剖視圖，外部電磁組8460包括含多個(gè)和電流控制器8442連接的單一導(dǎo)體繞組的線圈8462。為了在工藝區(qū)8140內(nèi)部聚集外部電磁組8460的磁場，有一個(gè)環(huán)繞線圈8462頂部和側(cè)面，不包括底部的覆蓋上方的磁罩8464。該磁罩8464允許線圈8462的磁場向下延伸到室頂下方進(jìn)入工藝區(qū)8140。通過獨(dú)立控制內(nèi)外部電磁組8430、8460上的電流，使得晶片表面的離子密度和徑向離子流分布的均勻度達(dá)到最佳。
為了避免在兩個(gè)管道8150、8151的端口150、160附近形成甚高等離子體離子濃度，磁性滲透材料(例如鐵或鋼)的獨(dú)立板8466設(shè)置在靠近各端口150、160的外部磁組8460的下方。每個(gè)板8466的周長范圍大約等于每個(gè)獨(dú)立端口150、160的寬度。圖90A、90B和90C是沿圖89B中90-90線的剖面圖。板8466和磁罩8464的底邊之間的距離可以予以調(diào)整以控制和每個(gè)獨(dú)立端口150、160附近工藝區(qū)的一部分耦合的磁場量。圖90A中，板8466和磁罩8464的底邊接觸，所以對應(yīng)端口(150、160)附近的磁場幾乎完全限制在由磁罩8464和板8466限定的包圍體內(nèi)。圖90B中，板8466略微離開磁罩8464的底邊，在中間產(chǎn)生小間隙，該間隙允許少量磁場進(jìn)入對應(yīng)端口(150、160)附近的工藝區(qū)8140。圖90C中，板8466和罩9464之間的間隙較大，該間隙允許較大磁場進(jìn)入對應(yīng)端口(150、160)附近的工藝區(qū)。
圖91顯示射頻等離子體偏壓功率發(fā)生器8065可以和晶片支承底座8025連接。電感器8510和可變電容器8520并聯(lián)在串聯(lián)電容器8530的一側(cè)和地面之間，串聯(lián)電容器8530的另一側(cè)和電感器8510連接。偏壓功率發(fā)生器8065的輸出和電感器8510的支線8560連接。選擇支線8560的位置和可變電容器8520的電容以提供偏壓功率發(fā)生器8065和晶片底座8065的等離子體負(fù)載之間的阻抗匹配?？勺冸娙萜?520可以由系統(tǒng)控制器8525控制以使匹配達(dá)到最佳。這種情況下，包括并聯(lián)的電感器和電容器8510、8520的電路充當(dāng)阻抗匹配電路。為了跟隨工藝中的等離子體負(fù)載電阻的變化，可以使用射頻功率發(fā)生器8065的頻率調(diào)諧，盡管這可能沒有必要。支線8560的位置可以手動(dòng)選擇，或者由系統(tǒng)控制器8525選擇，以使匹配達(dá)到最佳。另一種選擇是，電容器(圖中未示)可以連接在支線位置和地面之間或者連接在射頻偏壓發(fā)生器和支線點(diǎn)之間，作為可供選擇的匹配線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種可選擇的電容器可以由系統(tǒng)控制器8525控制以使匹配達(dá)到最佳。
選擇偏壓大小的一個(gè)問題是，只能通過典型地需要高功率的高偏壓大小來達(dá)到巨大的離子能量。高功率是促成離子流(離子密度或劑量率)的因素，能引起太高的劑量率，使得難以控制植入?yún)^(qū)的傳導(dǎo)率。一種控制高功率下的劑量率的方式是，使射頻偏壓功率脈沖化。但是，控制重復(fù)脈沖的脈沖速度和脈沖寬度來獲得所需的劑量率和傳導(dǎo)率，是困難的。一部分問題是，只有在偏壓充分上升(從脈沖或射頻脈沖開始)到與所需結(jié)深和離子能量對應(yīng)的閾值電壓之后，才能獲得在所需結(jié)深的離子植入。這個(gè)問題的解決辦法是避免偏壓功率的重復(fù)脈沖，另外使用足夠持續(xù)時(shí)間的單脈沖，來實(shí)現(xiàn)在所需結(jié)深的離子植入和植入?yún)^(qū)的傳導(dǎo)率，如圖92中的時(shí)域波形所示。可以使用定時(shí)器來保證射頻脈沖或脈沖持續(xù)所需的時(shí)間(T定時(shí)器)。但是，該定時(shí)器必須從殼層電壓達(dá)到在所需深度開始發(fā)生離子植入的閾值電壓(V閾值電壓)時(shí)開始計(jì)時(shí)。所以，圖92表示殼層電壓在幾個(gè)周期后，從起始的偏壓功率射頻脈沖(T開啟)上升到V閾值電壓。在那個(gè)點(diǎn)上，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，到T定時(shí)器期滿時(shí)，即T關(guān)閉，終止射頻脈沖。所以，問題是如何確定殼層電壓達(dá)到V閾值電壓的時(shí)間，即開始T定時(shí)器的時(shí)間。
另一個(gè)問題是如何確定通過殼層產(chǎn)生V閾值電壓的射頻功率發(fā)生器8065的必需的功率大小。
圖93顯示的電路，測定出產(chǎn)生所需殼層電壓的偏壓發(fā)生器功率大小，并測定出目標(biāo)殼層電壓達(dá)到射頻脈沖定時(shí)器開啟的時(shí)間。在下面的敘述中，與所需結(jié)深對應(yīng)的目標(biāo)偏壓已得到確定。另外，植入的閾值電壓也已確定，并且閾值電壓可以和目標(biāo)偏壓同義。最后，在目標(biāo)偏壓下施加射頻偏壓功率的持續(xù)時(shí)間已經(jīng)確定。射頻偏壓功率發(fā)生器8065由定時(shí)器8670控制，該定時(shí)器從射頻脈沖起始之后的某個(gè)時(shí)間開始計(jì)時(shí)，在預(yù)定的持續(xù)時(shí)間結(jié)束后終止計(jì)時(shí)。閾值比較器8672對由峰測器8674測出的晶片底座8025上的峰間電壓和所需的閾值電壓8676進(jìn)行比較。只有當(dāng)定時(shí)器8670收到光輻射探測器8678發(fā)出的標(biāo)志等離子體在反應(yīng)室內(nèi)被點(diǎn)燃的肯定信號后，才會(huì)開啟。如果該光輻射探測器8678發(fā)出肯定信號，那么比較器8672一測定出峰間電壓已達(dá)到所需開始值，定時(shí)器8670就開始計(jì)時(shí)。當(dāng)定時(shí)器8670終止計(jì)時(shí)(預(yù)定持續(xù)時(shí)間結(jié)束之后)，就關(guān)閉了射頻功率發(fā)生器的輸出，從而終止了射頻偏壓功率的電流脈沖。定時(shí)器8670和閾值比較器8672構(gòu)成定時(shí)器控制回路8680。
偏壓功率發(fā)生器8065的功率大小由電壓控制回路8682控制。工藝控制器8684(或者工藝設(shè)計(jì)器)確定所需的或“目標(biāo)”峰間偏壓。這可以和閾值電壓8676同義。減法器8686計(jì)算出誤差值作為由檢測器8674測定出的實(shí)際峰偏壓和目標(biāo)偏壓之間的差值。比例積分調(diào)節(jié)器8688將該誤差值乘以常數(shù)k，并且對該誤差值求積分。結(jié)果為對偏壓功率發(fā)生器8065的功率大小的估計(jì)校正值，這會(huì)使測定出的偏壓更接近于目標(biāo)偏壓。這個(gè)估計(jì)值和電流功率相加，得到估計(jì)的功率大小控制，然后施加于偏壓功率發(fā)生器8065的功率設(shè)定輸入。這個(gè)估計(jì)值只有當(dāng)?shù)入x子體被點(diǎn)燃后(即射頻脈沖期間)才有效。對于射頻脈沖之間的時(shí)間，控制射頻功率大小以和使目標(biāo)峰間偏壓與估計(jì)的偏壓功率大小相關(guān)聯(lián)的查找表8690保持一致。該查找表收到來自于工藝控制器8684的目標(biāo)偏壓，輸出估計(jì)的偏壓大小作為回應(yīng)。一對開關(guān)8694、8696通過等離子體點(diǎn)燃光輻射探測器以互補(bǔ)方式被啟動(dòng)。所以，開關(guān)8694接收傳感器8678的輸出，而開關(guān)8696接收傳感器8678的反相輸出。這樣在射頻脈沖期間，當(dāng)?shù)入x子體在反應(yīng)室中被點(diǎn)燃，比例積分調(diào)節(jié)器8688的輸出經(jīng)由開關(guān)8694施加于偏壓發(fā)生器8065的功率設(shè)置輸入。射頻脈沖之間，或者反應(yīng)室中等離子體沒有被點(diǎn)燃，查找表8690的輸出經(jīng)由開關(guān)8696施加于偏壓功率發(fā)生器8065的功率設(shè)置輸入。查找表8690的輸出可以考慮作為總估計(jì)值，用作每個(gè)射頻脈沖開始時(shí)，射頻偏壓功率大小的起始值，而比例積分調(diào)節(jié)器的輸出是建立在實(shí)際測量基礎(chǔ)上的更為精確的估計(jì)值，用作校正射頻脈沖期間偏壓功率大小。
圖89A中的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器中的一個(gè)問題是，大多數(shù)離子植入工藝的進(jìn)行必須對室壓精細(xì)控制。這需要室壓相對控制閥8073自其關(guān)閉狀態(tài)起始到一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行漸進(jìn)的變化。另一方面，包括反應(yīng)室清潔在內(nèi)的一些工藝需要非常高的氣流速率(例如清潔氣體的速率)和伴隨的由泵8035控制的高撤離速率。這要求真空控制閥8037具有大區(qū)域。
問題是，具有如此大區(qū)域的真空控制閥無法提供從其關(guān)閉位置進(jìn)行特定旋轉(zhuǎn)后的壓力漸進(jìn)變化，該特定旋轉(zhuǎn)對于離子植入過程中室壓的精細(xì)控制非常必要。事實(shí)上，在有大面積開口區(qū)域與用閥瓣的情況下，當(dāng)閥瓣從關(guān)閉位置開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，室壓發(fā)生急速變化，所以將壓力細(xì)微控制在非常低的壓力范圍內(nèi)，這個(gè)范圍內(nèi)閥瓣必須幾乎關(guān)閉，是非常困難的。通過圖94、95和96中的真空控制閥可以解決這個(gè)問題。該控制閥包括平面殼體9410，殼體上有一環(huán)形開口9412。圓盤形的旋轉(zhuǎn)閥瓣9420由安在殼體9410上的鉸鏈支承在環(huán)形開口9412內(nèi)。在其關(guān)閉位置，閥瓣9420和平面殼體9410共平面。為了防止等離子體通過閥泄漏，旋轉(zhuǎn)閥瓣9420和殼體9410之間的間隙G很窄，而閥瓣9420和殼體9410的厚度T比間隙G大得多。例如，厚度T和間隙G的比值大約10∶1。這種特征提供了無摩擦操作的優(yōu)點(diǎn)。為了提供甚低壓范圍的室壓漸進(jìn)控制(即閥瓣9420幾乎在關(guān)閉位置時(shí))，在限定于開口9412邊緣的殼體9410內(nèi)表面9440上提供了圓錐形孔9430。一些孔9430和另一些孔9430相比，具有不同的軸向位置(沿開口9412的軸)。
在其關(guān)閉位置，閥瓣9420事實(shí)上不允許氣體泄漏，因?yàn)榭?430沒有暴露在外面。當(dāng)閥瓣9420開始從其關(guān)閉位置(即閥瓣9420和殼體9410共平面的位置)旋轉(zhuǎn)時(shí)，至少一些開口9430的小部分開始顯露出來，所以允許小量氣體流過閥。當(dāng)閥瓣9420繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，孔9430的更多部分顯露出來。另外，它開始顯露出其他一些由于不同孔9430的不同軸向位置而在旋轉(zhuǎn)的早期階段沒有顯露的孔9430，所以氣體從與閥瓣9420的旋轉(zhuǎn)成比例的更多孔9430流過。這樣閥瓣9430從完全關(guān)閉(共平面)的位置發(fā)生的旋轉(zhuǎn)引起氣流持續(xù)但是相對漸進(jìn)地通過孔9430，直到閥瓣9420的底部邊緣9420a到達(dá)殼體9410的頂面9410a。在這個(gè)點(diǎn)上，所有的孔9430都完全顯露出來，所以通過孔9430的氣流達(dá)到最大，不再增加。這樣當(dāng)閥瓣9420從其完全關(guān)閉的位置旋轉(zhuǎn)到閥瓣的底部邊緣9420a和殼體頂面9410a形成一條直線的那個(gè)點(diǎn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了氣流的持續(xù)漸進(jìn)增加(所以很容易實(shí)現(xiàn)具有很高精確度的控制)。在閥瓣的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小量的整個(gè)室壓的細(xì)微漸進(jìn)調(diào)節(jié)。該9420的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生閥瓣9420的外圍和大環(huán)形開口9412外圍之間的環(huán)形間隙，當(dāng)閥瓣9420繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過該間隙的氣流量增加。
在開口內(nèi)表面9440上的多個(gè)孔9430是錐形的半圓孔，其直徑朝殼體頂面9410a方向增加。這樣該錐形半圓孔9430限定為半圓錐形。但是，也可以使用其它合適的形狀，例如半圓柱狀。但是，半圓錐形的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行時(shí)，氣流隨閥瓣旋轉(zhuǎn)的增速可以提高，所以在閥瓣底邊9420a通過殼體頂面9410a的過渡點(diǎn)之后，氣流速度以相當(dāng)平穩(wěn)的方式繼續(xù)增加。
根據(jù)所需的結(jié)深，施加在晶片支承底座8025的射頻偏壓，對于淺結(jié)可以較小(例如500伏)，對于深結(jié)可以較大(例如5000伏)。一些應(yīng)用中可能需要10,000以上的射頻偏壓。如此高的電壓可能引起晶片支承底座8025內(nèi)的電荷放電。該放電使反應(yīng)器內(nèi)的工藝條件變形。為了使晶片支承底座8025能夠經(jīng)受高達(dá)例如10,000的偏壓而不會(huì)發(fā)生放電，晶片支承底座8025內(nèi)的空間填滿具有高擊穿電壓的絕緣填充材料，例如由C-Lec塑料制品公司生產(chǎn)的產(chǎn)品Rexolite。如圖97所示，晶片支承底座8025包括接地鋁基板9710、鋁靜電夾板9720和筒形側(cè)壁9730。絕緣填充材料9735充滿側(cè)壁9730和鋁靜電夾板9720之間的空間。絕緣填充材料9737充滿鋁靜電夾板9720和基板9710之間的空間。負(fù)載來自射頻發(fā)生器8065(圖97中未顯示)的射頻偏壓的共軸射頻導(dǎo)體9739終止在窄筒形傳導(dǎo)中心插頭9740內(nèi)，該插頭緊緊插入鋁靜電夾板9720的匹配傳導(dǎo)插座9742內(nèi)。晶片提升銷9744(三個(gè)當(dāng)中的一個(gè))延伸穿過底座8025。
提升銷9744通過絕緣填充材料的環(huán)繞包裹層9746緊緊固定在靜電夾板9720內(nèi)。容置提升銷9744的導(dǎo)向裝置9750的空間9748整個(gè)處于基板9710之內(nèi)，使得空間9748內(nèi)放電的風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到最小。參照圖98，將基板9710和鋁靜電夾板9720固定在一起的螺栓9754(一些當(dāng)中的一個(gè))，被其暴露部分周圍的絕緣層9756、9758完全封裝在內(nèi)，從而去除螺栓9754周圍的任何空間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)前述特征能夠使晶片支承底座承受10,000伏以上的射頻偏壓而不會(huì)發(fā)生放電。
圖99顯示包括如圖79、83A、83B、84、85、88、89A或93中的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器9910的離子植入系統(tǒng)。產(chǎn)生含氫原子團(tuán)或含氧氣體(例如O2)的反應(yīng)室清潔原子團(tuán)或氣體(例如象NF3的含氟氣體或含氟原子團(tuán)和/或其他清潔氣體例如象H2或氫化物的含氫氣體)獨(dú)立源9920和植入反應(yīng)器9910連接，在反應(yīng)室清潔操作中使用。圖99中的系統(tǒng)還包括后植入退火反應(yīng)室9930和離子束植入器9940，另外，還包括光學(xué)測量室9950。此外，該系統(tǒng)可以包括光刻膠熱解室9952，先后用于植入后和退火前進(jìn)行的光刻膠掩膜的移除。另一種選擇是，這可以在使用帶氧氣的射頻等離子體源功率與可選擇的偏壓功率的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器9910中來實(shí)現(xiàn)，和/或通過使用帶氧氣的獨(dú)立自我清潔源來實(shí)現(xiàn)。
圖99的系統(tǒng)還包括一個(gè)用于進(jìn)行晶片清潔的濕清潔室9956。濕清潔室9956使用公知的例如HF(氟化氫)的清潔物質(zhì)。濕清潔室9956可以對晶片在植入前或植入后進(jìn)行清潔。用濕清潔室9956進(jìn)行植入前清潔可以清除在工藝操作過程之間聚集在晶片上的薄層氧化物。用濕清潔室9956進(jìn)行植入后清潔可以替代光刻膠清除室從晶片清除光刻膠。圖99的系統(tǒng)中還可以包括第二臺(tái)(第三，第四或更多)如在圖79、83A、83B、84、85、88、89A或93中所述類型的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器9958。在一個(gè)例子中，第一臺(tái)PIII反應(yīng)器9910可以被設(shè)置成離子植入第一種物質(zhì)，第二臺(tái)PIII反應(yīng)器9958可以被設(shè)置成植入第二種物質(zhì)，因此一臺(tái)單獨(dú)的PIII反應(yīng)器不需要被設(shè)置成在每一個(gè)晶片上植入兩種物質(zhì)。而且，對于對立傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體(例如硼和磷)，第一和第二種物質(zhì)可能是摻雜質(zhì)，在這種情況下，第二臺(tái)PIII反應(yīng)器9958可以替代束植入工具9940?；蛘?，除了P型摻雜質(zhì)(硼)，也可以植入兩種N型摻雜質(zhì)(磷和砷)，例如其中硼植入在第一臺(tái)PIII反應(yīng)器9910中進(jìn)行，砷植入在離子束工具9940中進(jìn)行，磷植入在第二臺(tái)PIII反應(yīng)器9958中進(jìn)行。在另一個(gè)例子中，兩臺(tái)(或者更多)PIII反應(yīng)器可以設(shè)置成植入相同的物質(zhì)以提高系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。
一臺(tái)晶片轉(zhuǎn)移機(jī)械手9945在等離子體離子植入反應(yīng)器9910、退火室9930、離子束植入器9940、光刻膠熱解室9952、光測量室9950、濕清潔室9956和第二PIII反應(yīng)器9958之間轉(zhuǎn)移晶片。如果圖99的全部系統(tǒng)是在一臺(tái)單獨(dú)的設(shè)備或框架上，機(jī)械手9945是設(shè)備的一部分并固定在同一框架上。然而，如果圖99的系統(tǒng)的一些組成部分在一個(gè)工廠的單獨(dú)地方的單獨(dú)設(shè)備上，那么機(jī)械手9945由在每一臺(tái)設(shè)備或框架里的單獨(dú)的機(jī)械手和在工廠里的不同設(shè)備間運(yùn)輸晶片工廠接口，以公知的方式組成。所以，圖99的系統(tǒng)的一些或全部的組成部分可以在一臺(tái)單獨(dú)的設(shè)備上并有它自己的晶片機(jī)械手9945。作為選擇，圖99的系統(tǒng)的一些或全部的組成部分可以在各自的設(shè)備上，在這種情況下晶片機(jī)械手9945包括工廠接口。
工藝控制器8075可以接受來自光學(xué)測量室9950的前一個(gè)植入晶片的測量結(jié)果，并在等離子體植入反應(yīng)器中為后來的晶片調(diào)整植入工藝。工藝控制器8075可以使用建立的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對工藝進(jìn)行校正和控制。由于包括了粒子束植入器9940，系統(tǒng)便可執(zhí)行制造半導(dǎo)體所需要的離子植入的全部步驟，包括通過等離子體植入反應(yīng)器9910植入輕元素(例如硼或磷)和離子束植入器9940植入重元素(例如砷)。圖99的系統(tǒng)可以簡化。例如，第一種簡化只由室清潔基源9920，PIII反應(yīng)器9910和工藝控制器8075組成。第二種簡化包括前述第一種簡化的元素，再加上光學(xué)測量設(shè)備9950。第三種簡化包括前述第二種簡化的元素，再加上離子束植入器9940和/或第二PIII反應(yīng)器9958。第四種簡化包括前述第三種簡化的元素，再加上退火室9930。
環(huán)形源的離子植入性能圖85的等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器(PIII)體現(xiàn)了迄今為止在單獨(dú)的反應(yīng)器中沒有發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。特別是圖85的PIII反應(yīng)器具有最低的離子植入能(因?yàn)樗哂械偷牡入x子體電壓)，低污染性(因?yàn)樵倭魍ǖ牡入x子體一般無需與室表面相合來提供地回路)，對不需要的蝕刻的良好控制(因?yàn)樗@示低氟離解率)和對離子植入流的良好控制(因?yàn)樗鼘υ垂β曙@示了幾乎線性的等離子體電子密度反應(yīng))。
圖100顯示了對離子植入流的良好控制的好處，其中電子密度顯示為圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器和圖79所顯示的類型的電感耦合PIII反應(yīng)器的源功率大小的函數(shù)。電子密度是等離子體離子密度的指示器，因此也是離子植入流或?qū)闹踩雱┝康闹甘酒?。圖79的PIII反應(yīng)器的電感耦合源對施加的源功率具有高的非線性電子密度反應(yīng)，在閾值功率大小處，PICP，電子密度突然升高，在其之下斜率(反應(yīng))可忽略，在其之上斜率(反應(yīng))是如此陡，以至于電子密度(因此也包括離子植入流或劑量)幾乎不可能被控制在任何精細(xì)的程度內(nèi)。相反，圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器對閾值功率大小PTH之上的源功率值具有大體線性和漸進(jìn)的電子密度反應(yīng)，因此離子植入流(劑量)甚至在很高的源功率值處也可以容易地被精確控制。應(yīng)該注意到圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器的等離子體源功率水平是與各自的再進(jìn)入導(dǎo)管8150，8151耦合的兩個(gè)不同的源功率發(fā)生器8055，8056的函數(shù)。源功率的頻率可以是大約13.56MHz，盡管兩個(gè)源功率發(fā)生器8055，8056每一個(gè)的頻率都各自偏離這個(gè)頻率+100kHz和-100kHz，因此由源8110和8111建立的兩個(gè)環(huán)形等離子體流路徑通過相互失諧200kHz而相互去耦合。然而，它們的功率大體相同。操作頻率不限于此處所述的情況，兩個(gè)射頻源功率發(fā)生器8055，8056可以選擇另外的射頻和頻率偏差。
圖85的PIII反應(yīng)器低氟離解率優(yōu)點(diǎn)在阻止當(dāng)使用含氟的摻雜氣體，例如BF3時(shí)所出現(xiàn)的不需要的蝕刻時(shí)是很重要的。問題是如果BF3等離子體副產(chǎn)品離解成單一氟化合物，包括游離氟，蝕刻速率會(huì)增加到失控的程度。這一問題在圖85的PIII反應(yīng)器中通過限制甚至是在高功率等級和高等離子體密度時(shí)的氟的離解率得到解決。這一優(yōu)點(diǎn)顯示在圖101中，其中游離氟的密度(氟離解率的指示器)，為了對照顯示為圖85的PIII反應(yīng)器和圖79的電感耦合反應(yīng)器的源功率的函數(shù)。圖79的電感耦合反應(yīng)器顯示在一個(gè)特定的功率大小PDIS之上時(shí)游離氟的密度會(huì)突然上升，離解率也會(huì)以很高的變化速度上升，因此難以控制。相比之下，圖85的PIII反應(yīng)器在閾值源功率PTH之上大體顯示線性，游離氟密度的上升幾乎可以忽略(非常緩慢)。因此，在圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器中在用含氟的摻雜氣體離子植入時(shí)很少有不需要的蝕刻發(fā)生。如果晶片的溫度保持在低溫，例如100℃以下，更佳的溫度是60℃以下，最佳的溫度是20℃以下，蝕刻還會(huì)進(jìn)一步最小化。為這了達(dá)到一目的，晶片支承底座8025可以是用熱控制冷卻裝置8025a和/或控制半導(dǎo)體晶片和固定在支承底座8025所支持的晶片上表面的工件的溫度的加熱裝置8025b來保持和釋放晶片靜電的靜電夾盤。一些小的殘留蝕刻(例如通過圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器實(shí)現(xiàn))是可以接受的，實(shí)際上可以阻止在離子植入過程中在晶片上沉積不需要的膜。在離子植入過程中，一些等離子體副產(chǎn)品可以會(huì)作為膜沉積在晶片上。當(dāng)植入工藝是在低離子能量(低偏壓)的情況，特別是摻雜氣體是由摻雜質(zhì)的氫化物(例如硼或磷的氫化物)組成的情況下進(jìn)行時(shí)更加明顯。為了進(jìn)一步減少因摻雜氫化物(例如B2H6，PH3)而出現(xiàn)的不需要的沉積，工藝一方面是向摻雜氣體中加入氫和/或氦以消除在晶片表面的沉積。然而，就像圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器展示的那樣，所需要的蝕刻速率相比這一不需要的沉積是很慢的。
低最低離子植入能量的優(yōu)點(diǎn)是提高了圖85的PIII反應(yīng)器所能達(dá)到的結(jié)深的范圍(通過減小這一范圍的低限)。這一優(yōu)點(diǎn)顯示在圖102的曲線中，其中等離子體電壓為了比較而顯示為圖85的環(huán)形PIII反應(yīng)器和圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器的等離子體源功率的函數(shù)。由于等離子體電場在晶片上缺少任何偏壓，等離子體電壓就是晶片表面的離子電壓，因此也是離子能沉積的最小能量的指示器。圖102顯示當(dāng)圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器的源功率上升時(shí)等離子體電壓可以無限上升，因此在高等離子體密度或高離子植入流時(shí)，在此反應(yīng)器中的最低植入能量大大增加(植入能量/深度的范圍減小了)。相反，在閾值功率PTH之上，當(dāng)源功率上升時(shí)圖85的環(huán)形PIII反應(yīng)器的等離子體電壓會(huì)逐漸(幾乎覺察不到地)上升，因此甚至在高等離子體源功率或高離子密度(高離子植入流)時(shí)等離子體電壓也很低。因?yàn)樯踔猎诟唠x子流等級時(shí)最低能量依然很低，所以圖85的PIII反應(yīng)器的等離子體離子能量(離子植入深度)的范圍要大的多。
圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器的等離子體電壓可以通過增加源功率的頻率而減少。然而，當(dāng)結(jié)深和相應(yīng)的離子能量減少時(shí)這變得更困難。例如，為了達(dá)到低于500eV(對應(yīng)0.5kV的硼植入能量)的等離子體電壓，源功率頻率需要升高至完全進(jìn)入甚高頻范圍，并可能在甚高頻之上。相反，圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器的源功率頻率可以在提供低等離子體電壓的同時(shí)能夠保持在高頻范圍(例如13MHz)。
圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器超過圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器的更大優(yōu)點(diǎn)是環(huán)形源PIII反應(yīng)器具有更薄的等離子體層殼，其中可以成比例地減少離子非彈性碰撞的出現(xiàn)而使離子植入能量的分布不均。在薄的殼層里幾乎沒有碰撞。相反，圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器通過高頻或甚高頻射頻源在殼層產(chǎn)生等離子體離子，這會(huì)產(chǎn)生更厚的殼層。這一更厚的殼層產(chǎn)生多得多的碰撞，使離子能量的分布產(chǎn)生明顯的不均。結(jié)果是離子植入的結(jié)點(diǎn)截面遠(yuǎn)沒有那么突然。這一問題在通過更厚的殼層里的碰撞產(chǎn)生的能量不均占總離子能量的更大部分的更低離子能量(淺植入結(jié)點(diǎn))的情況下更加尖銳。圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器因此對離子植入能量的控制更精確，能夠產(chǎn)生更具陡度的植入結(jié)點(diǎn)，特別是對于更先進(jìn)(尺寸更小)技術(shù)所需要的更淺的結(jié)點(diǎn)。
圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器相比圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器的一個(gè)有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是可以在低的多的室壓下操作。圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器需要更厚的殼層以在便在殼層中產(chǎn)生等離子體離子，這反過來又需要更高的室壓(例如10-100mT)。圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器不需要在殼層附近用偏壓功率產(chǎn)生等離子體，所以在很多應(yīng)用操作中殼層最好是薄(幾乎無碰撞)的，因此室壓可以很低(例如1-3mT)。這使得環(huán)形源PIII反應(yīng)器具有更寬的離子植入工藝窗的優(yōu)點(diǎn)。然而，要討論的關(guān)于摻雜一個(gè)例如多晶硅柵的具有頂平面和垂直側(cè)壁的三維結(jié)構(gòu)，殼層中植入離子的散射速度使離子不但能植入多晶硅柵的頂平面還可以植入其側(cè)壁。這樣的工藝可以稱為保形性離子植入。保形性離子植入具有使摻雜的柵更具有各向同性和可以減少載流子在柵-薄氧化物界面的損耗的優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在下文講到。因此，為了使摻雜離子一部分從完全垂直的軌道產(chǎn)生離散，以便離散的部分植入多晶硅柵側(cè)壁，需要某些殼層厚度。(相反，在離子束植入器中，這樣的離散不是一個(gè)技術(shù)特征，以便植入只發(fā)生在柵的頂面。)等離子體殼層有限厚度(因此也是有限碰撞橫截面)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所有的離子從完全垂直的軌道產(chǎn)生輕微的離散(例如僅僅偏差幾度)，在某些情況下正如所希望那樣可以避免沿著晶片晶體的軸產(chǎn)生沉積，否則將會(huì)產(chǎn)生溝槽或者使植入過深或使結(jié)點(diǎn)截面不夠突然。同樣，離子的離散會(huì)置摻雜物于多晶硅柵的下面。通過控制多晶硅柵的下面和源極-漏極延伸區(qū)域的重疊部分的摻雜物，對優(yōu)化互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體(CMOS)元件的性能很有用，在說明書后文中將會(huì)有更詳細(xì)的說明。
圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器所顯示的低污染性主要是由于等離子體不與室表面相互作用的傾向，在一般平行室表面的環(huán)形路徑中震動(dòng)和循環(huán)，而不是面對室表面。特別是跟隨著等離子體流的一對環(huán)形路徑平行于圖85的各再進(jìn)入管道8150，8151的表面，平行于室頂8015的內(nèi)表面和晶片支承座8025。相反，等離子體源功率在圖83A的電容耦合PIII反應(yīng)器中產(chǎn)生的電場直接指向室頂和室的側(cè)壁。
圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器里，直接指向室表面的唯一有意義的電場是通過作用于晶片支承座8025的偏壓產(chǎn)生的，但是這一電場并不明顯產(chǎn)生圖85的實(shí)施例那樣的等離子體。偏壓可以是D.C.偏壓(D.C.脈沖)，在圖85的實(shí)施例中的偏壓是射頻電壓。射頻偏壓的頻率可以足夠低，所以在晶片表面的等離子體殼層不明顯參與產(chǎn)生等離子體。從而，圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器中的等離子體生產(chǎn)只產(chǎn)生大體與室內(nèi)表面平行的等離子體流，因而更不可能與室表面相互作用并產(chǎn)生污染。
通過在進(jìn)行離子植入工藝之前先在所有的室表面沉積一層鈍化層可以進(jìn)一步減少離子植入工藝的金屬污染。鈍化層可以是含硅層，例如二氧化硅、氮化硅、硅、碳化硅、氫化硅、氟化硅、硼或磷或砷摻雜硅，硼或磷或砷摻雜碳化硅，硼或磷或砷摻雜氧化硅。作為選擇，鈍化層可以是氟碳化合物或烴或氫氟碳化合物膜。鍺化合物也可用于鈍化層。作為選擇，鈍化層可以是含有摻雜物的層，例如硼、磷、砷、銻這些摻雜物是通過分解摻雜物前驅(qū)氣體的化合物例如BF3、B2H6、PF3、PF5、PH3、AsF3、AsH3形成的。使用與后來的等離子體浸沒植入工藝步驟所使用的氣體相近似的源氣體或源氣體混合物形成鈍化層是有利的。(這可以減少由后來的等離子體浸沒植入工藝步驟帶來的對鈍化層的所不需要的蝕刻。)作為選擇，將特定氣體的氟化物和氫化物結(jié)合起來對使得氟和/氫在鈍化層的存在，例如BF3+B2H6、PH3+PF3、AsF3+AsH3、SiF4+SiH4或GeF4+GeH4減少到最少是有利的。
圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器的射頻偏壓頻率要足夠低以不影響等離子體源功率施加器8110，8111的等離子體生產(chǎn)，其足夠低以允許等離子體殼層中的離子跟隨殼層的振動(dòng)，并因此獲得最高可與射頻偏壓功率作用于殼層的全峰間電壓相等價(jià)的動(dòng)能，這一電壓取決于壓力和殼層厚度。這減少了產(chǎn)生特定離子能量或植入深度所需要的射頻偏壓功率大小。另一方面，射頻偏壓頻率要足夠高，以避免穿過晶片支承座8025，室內(nèi)壁和晶片本身上的介電層的電壓的顯著降低。這對非常淺的連結(jié)離子植入特別重要，其中射頻偏壓相對地較小，例如對100埃的連結(jié)深度室大約150伏。穿過殼層時(shí)射頻電壓在150伏的總電壓中降低50伏將是不可接受的，因?yàn)檫@是總殼層電壓的三分之一。射頻偏壓頻率要足夠高以減小穿過介電層時(shí)的電容性電抗，以把穿過這一層時(shí)的電壓降落限制在低于總射頻偏壓的10％的水平。頻率足夠高以滿足這一后面的要求，足夠低使離子跟隨殼層的振動(dòng)，這一范圍是在100kHz到10MHz，更佳的范圍是500kHz到5MHz，最佳是2MHz。減小穿過晶片支承座的電容性電壓降落的好處是殼層電壓可以可以從施加于支承座的電壓那里更精確地估測出來。這一電容性電壓降落可以是穿過晶片前和后，晶片支承座頂端的介電層，和(在有靜電夾盤的情況下)夾盤頂端的介電層的電壓降落。
通過圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器產(chǎn)生的離子植入結(jié)果比那些用傳統(tǒng)的離子束植入器在漂移操作模式得到的結(jié)果好，后者比PIII反應(yīng)器慢的多。查閱圖13，曲線A和a表示為摻雜物(硼)在晶片晶體中的體積濃度，作為相同能量0.5keV下硼的深度的函數(shù)。(下文將會(huì)提到，為了達(dá)到與束植入器相同的離子能量，PIII反應(yīng)器的偏壓必須是離子束植入器加速電壓的兩倍。)盡管PIII反應(yīng)器(曲線A)比離子束植入器快四倍，植入曲線幾乎相同，具有相同的結(jié)點(diǎn)的陡度，大約是3納米(結(jié)點(diǎn)深度的變化)每十(摻雜物體積濃度)和結(jié)點(diǎn)深度(大約100埃)。曲線B和b比較了PIII反應(yīng)器的(B)和傳統(tǒng)的離子束植入器(b)在相同能量2keV下硼的植入結(jié)果，顯示在兩種情況下結(jié)合的陡度和結(jié)合深度(大約300埃)相同。曲線C和c比較了PIII反應(yīng)器的(C)和傳統(tǒng)的離子束植入器(c)在相同能量3.5keV下硼的植入結(jié)果，顯示在兩種情況下結(jié)合深度(大約500埃)相同。
圖103比較了PIII反應(yīng)器和傳統(tǒng)的在漂移操作模式下離子束植入器(其中束電壓對應(yīng)所期望的連結(jié)深度)的性能。漂移模式很慢，因?yàn)樵谌绱说偷氖芰肯率骱艿汀＿@可以通過使用高得多的束電壓，然后在其對晶片產(chǎn)生影響之前將能量減至正常值來說明。這一減速工藝是不完全的，因此留下一條能量“污染”的尾巴(圖104的A曲線)，其可以通過快速的加熱退火而減少最后得到具有更大陡度的更好的植入曲線(圖104的B)。然而，應(yīng)用局部融化或接近融化的溫度持續(xù)很短時(shí)間的動(dòng)力表面退火工藝，可以得到具有更大活性的摻雜物濃度。動(dòng)力表面退火工藝并不減少能量污染的尾巴，例如圖105的曲線C的能量污染的尾巴。相反，圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器不需要減速工藝，因?yàn)槠珘簩?yīng)所期望的植入深度，因此沒有能量污染的尾巴(圖105的曲線B)。因此，PIII反應(yīng)器可以使用動(dòng)力表面退火工藝形成很突然的極淺的結(jié)點(diǎn)截面，而在減速模式操作的傳統(tǒng)離子束植入器則不能。動(dòng)力表面退火工藝由通過一條或幾條激光束掃描晶片表面，加熱晶片表面的區(qū)域至接近其融化溫度(例如50℃到100℃)并持續(xù)很短的時(shí)間(例如幾納秒到幾十毫秒)組成。
圖106顯示通過動(dòng)力表面退火工藝能得到多大濃度的摻雜物。圖106的A曲線以歐姆每平方顯示晶片的電阻率作為使用離子束植入器和在1050℃的晶片的快速熱退火的連結(jié)深度的函數(shù)。摻雜物的濃度達(dá)到10E20每立方厘米。圖106的B曲線以歐姆每平方顯示晶片的電阻率作為使用圖85的環(huán)形源PIII反應(yīng)器和植入后在1300℃的動(dòng)力表面退火工藝的連結(jié)深度的函數(shù)。動(dòng)力表面退火后，摻雜物的濃度達(dá)到5×1020或快速熱退火達(dá)到濃度的五倍。圖107顯示在動(dòng)力表面退火過程中植入的摻雜物的profile變化有多大。圖107的A曲線是退火前摻雜物分布，而107的B曲線是退火后摻雜物分布。動(dòng)力表面退火工藝使摻雜物的擴(kuò)散小于10埃，而它不反向影響連結(jié)的陡度，其小于3.5納米/十。動(dòng)力表面退火工藝最小化摻雜物的擴(kuò)散傾向有利于形成極淺的結(jié)點(diǎn)。為了避免源極-漏極漏電需要(在更高速的元件里源極-漏極通道的長度減小了)更淺的連結(jié)。另一方面，更淺的連結(jié)需要高得多的活性摻雜物濃度(避免增加阻抗)，這可以通過動(dòng)力表面退火實(shí)現(xiàn)。如在本說明書其它部分討論的，通過用離子(例如硅或鍺離子)轟擊晶片可以在晶片的半導(dǎo)體晶體中產(chǎn)生晶格缺陷的晶片非晶化步驟，連結(jié)深度可以減小。我們通過植入和退火得到了具有高摻雜物濃度具有相應(yīng)低阻抗(500歐姆每平方)，極淺結(jié)深(185埃)和很陡峭的陡度(少于4納米/十)的連結(jié)。在某些情況下，無定型和離子轟擊的深度可以延伸至摻雜物植入連結(jié)深度以下。例如，在圖85的PIII反應(yīng)器中使用SiF4氣體和10kV峰間偏壓無定型化，形成大約150埃深的無定型層；摻雜物(硼)離子減速穿過1000伏峰間殼層電壓的植入深度只有大約100埃。
圖108顯示環(huán)形源PIII反應(yīng)器(左手縱坐標(biāo))的偏壓和離子束植入器(右手縱坐標(biāo))的束電壓為連結(jié)深度的函數(shù)。事實(shí)上，如果PIII反應(yīng)器的偏壓是束電壓的兩倍，PIII反應(yīng)器和離子束植入器產(chǎn)生同樣的結(jié)果。
實(shí)施例PIII反應(yīng)器的一個(gè)主要應(yīng)用是在半導(dǎo)體晶體中形成PN結(jié)。圖109和110所示為制造P-通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)沉積摻雜質(zhì)的不同階段。先說圖109，半導(dǎo)體(例如硅)晶片的一個(gè)區(qū)域9960可以摻雜N-型傳導(dǎo)率摻雜質(zhì)，例如砷或磷，圖109中區(qū)域9960標(biāo)有n表記是表示其傳導(dǎo)類型。一層很薄二氧化硅層9962沉積在晶片表面，包括n-型區(qū)域9960。多晶硅柵9964由在PIII反應(yīng)器中摻雜硼的空白多晶硅層在薄氧化物層9962上形成。在形成柵9964后在PIII反應(yīng)器中植入p-型摻雜質(zhì)以形成源極和漏極的延伸9972和9973。介電材料例如二氧化硅和/氮化硅的間隔層9966沿著柵9964的兩個(gè)垂直的對面9964a，9964b形成。使用圖85的PIII反應(yīng)器和由例如BF3或B2H6組成的工藝氣體，硼植入全部n-型區(qū)域9960上面。間隔層遮蔽了其下面來自硼的區(qū)域，因此如圖110所示P-型導(dǎo)體的源極和漏極接觸區(qū)域9968，9969在柵9964的任一面上形成。這一步驟在有含硼物質(zhì)，射頻偏壓能量的范圍從2到10kVpp(由圖85的射頻偏壓功率發(fā)生器8065控制)的情況下進(jìn)行。根據(jù)圖108的例子，圖5的PIII反應(yīng)器中作用于晶片支承座8025的射頻偏壓功率是所期望的硼能量的兩倍。植入在有足夠時(shí)間和離子流和離子密度(由圖85的射頻源功率產(chǎn)生器8055、8056控制)的進(jìn)行，硼的表面濃度超過5×1015個(gè)原子每平方厘米。通過遮蔽源極和漏極接觸區(qū)域9968，9969(例如，通過在上面沉積一層光刻膠)和進(jìn)行進(jìn)一步(補(bǔ)充)的硼植入步驟，硼在柵9964的濃度上升到期望的水平1×1016個(gè)原子每平方厘米。源極和漏極接觸區(qū)域9968，9969上的摻雜物濃度沒有達(dá)到高值(就像柵9964上的)是因?yàn)楦邠诫s物濃度與在每一個(gè)接觸區(qū)域9968，9969上形成金屬硅化物(在后面的步驟中)不相容。然而，柵9964上必須達(dá)到這一高摻雜物濃度以減少在柵9964和薄二氧化硅層9962之間的界面附近的柵9964的載流子損耗。這種在柵中的載流子損耗會(huì)減慢晶體管的開關(guān)速度。柵的摻雜截面必須很陡，以便在二氧化硅層9962附近的柵9964上得到高濃度摻雜物，而不會(huì)把摻雜物植入下面的薄氧化物層9962或薄氧化物層9962下面的源極-漏極通道。為進(jìn)一步提高柵的性能和元件的速度，可以采取的另一個(gè)措施是通過在薄二氧化硅層9962上植入氮使得(通過退火)在層9962中氮原子取代氧原子，以提高薄二氧化硅層9962的介電常數(shù)，這將在本說明書后文中描述。進(jìn)一步提高柵的性能的措施是保形性植入，其中通過在晶片的表面之上的等離子體殼層中的碰撞而偏離它們的垂直軌道的摻雜物離子可以植入柵9964的垂直側(cè)壁。這會(huì)進(jìn)一步提高薄與氧化物層9962的界面附近的柵9964的摻雜物濃度，并在柵中得到更一致和更具各向同性的摻雜物分布。還可以進(jìn)一步提高植入砷的N-通道元件的柵的性能的措施是在使用PIII反應(yīng)器的補(bǔ)充植入步驟中植入磷。砷比磷輕，會(huì)更容易地分布在半導(dǎo)體晶體中，在源極接觸區(qū)域產(chǎn)生較小陡度的結(jié)點(diǎn)截面。
源極和漏極接觸區(qū)域9968，9969的離子植入深度可以在400到800埃的范圍內(nèi)。如果柵9964比這個(gè)范圍還薄，那么柵9964必須在單獨(dú)的植入步驟中進(jìn)行植入以產(chǎn)生較小的植入深度，避免將任何摻雜物植入柵9964下的薄氧化物層9962。為了避免在臨近薄氧化物層9962的柵9964的區(qū)域的損耗，柵的植入必須盡可能延伸至柵/氧化物界面而不進(jìn)入薄氧化物層9962。因此柵的植入截面必須具有最可能高的陡度(例如3納米/十或更少)和更大的劑量(也就是1×1016個(gè)原子/平方厘米)。
參閱圖110，源極和漏極延伸9972、9973在沉積和形成圖109的間隔層之前就已經(jīng)形成。通過在整個(gè)9960區(qū)域進(jìn)行更淺和更輕的硼植入形成延伸層。其特點(diǎn)是源極和漏極延伸的連結(jié)深度只有大約100到300埃，植入劑量小于5×1015個(gè)原子/平方厘米。因此這一植入步驟對柵9964的植入截面或源極和漏極接觸區(qū)域9968、9969的影響很小，因此在對源極和漏極延伸9972、9973植入時(shí)不需要遮蔽這些區(qū)域。然而，如果遮蔽是期望的，必須用光刻膠進(jìn)行。源極和漏極延伸在相當(dāng)于硼能量0.5千伏，需要圖85中作用于晶片支承座8025的1.0kVpp的射頻偏壓的條件下植入。
圖109和110所示的相同結(jié)構(gòu)是在制造N-通道MOSFET的過程中形成的。然而，9960區(qū)域最初摻雜P-型導(dǎo)體例如硼，因此是P-型導(dǎo)體區(qū)域。對柵9964和源極和漏極接觸區(qū)域9968，9969的植入(圖109所示)是在粒子束植入器中(而不是PIII反應(yīng)器)使用P-型導(dǎo)體摻雜物例如砷進(jìn)行的。此外，將柵9964的摻雜劑濃度提高至1×1016個(gè)原子/平方厘米的補(bǔ)充植入是在PIII反應(yīng)器中使用含磷的工藝氣體植入磷(而不是砷)。這一后植入步驟首選磷是因?yàn)樗壬榈臄U(kuò)散更均一，因此提高了N通道元件中的柵9964的N-型摻雜曲線的質(zhì)量。植入砷的步驟(同時(shí)植入N-通道源極和漏極接觸區(qū)域9968，9969和N-通道柵9964)的粒子束電壓在15-30kV之間，并施加足夠的時(shí)間使摻雜物的表面濃度超過5×1015個(gè)原子/立方厘米。對柵的植入磷的補(bǔ)充植入是在粒子束電壓在2-5kV之間，時(shí)間足夠使在N-通道柵里摻雜物的表面濃度達(dá)到1×1016個(gè)原子/立方厘米。
包括磷和硼的植入步驟在PIII反應(yīng)器中進(jìn)行比在離子束植入器中進(jìn)行更有利，這是因?yàn)檫@些輕元素的離子能量如此低以至于離子束植入器中的離子流很低，植入時(shí)間很長(例如每個(gè)晶片半個(gè)小時(shí)到一個(gè)小時(shí))。在PIII反應(yīng)器里，在13.56MHz(如前述兩個(gè)環(huán)形等離子體流之間偏差200kHz)時(shí)源功率可達(dá)到800W，每個(gè)晶片的植入只需要5至40秒。
圖109和110描述的離子植入步驟序列可以修改，因?yàn)檩p淺源和圖110中的漏極延伸植入步驟可以在形成間隔層9966和隨后的對接觸區(qū)域9968，9969和柵9964的重植入之前或之后進(jìn)行。當(dāng)延伸植入在間隔層9966形成之后進(jìn)行時(shí)，在延伸植入進(jìn)行前必須移除間隔層9966。
圖111所示為制造互補(bǔ)MOSFETS(CMOS FETs)工藝的一個(gè)例子。在第一個(gè)步驟(9980框)中，CMOS元件的P-井和N-井區(qū)域是在單獨(dú)的步驟中植入的。然后，在整個(gè)晶片上形成空白的薄柵氧化物層和上面的空白多晶硅柵層(圖111的9981框)。P-井區(qū)域被遮蔽，暴露N-井區(qū)域(框9982)。位于N-井區(qū)域的部分多晶硅柵層然后在PIII反應(yīng)器中進(jìn)行硼植入(框9983)。P-通道柵(圖109中的9964)然后進(jìn)行光刻腐蝕限定和蝕刻，以暴露部分硅晶片(框9984)。圖109的源極和漏極延伸9972，9973與柵9964排成一行，然后在PIII反應(yīng)器中通過硼離子植入形成(框9985)。然后進(jìn)行所謂的“光環(huán)”植入步驟在每一個(gè)P-通道柵9964的邊緣下植入N-型摻雜物(框9986)。這是通過使用相對晶片表面的垂直方向傾斜30度的離子束植入砷并旋轉(zhuǎn)晶片完成的。
作為選擇，這一步驟可以通過在PIII反應(yīng)器中植入磷來完成，使用有助于大的殼層厚度促進(jìn)在殼層中使硼離子從垂直軌道偏轉(zhuǎn)的碰撞的室壓和偏壓。然后，間隔層9986在漏極延伸9972，9973的上方形成(框9987)，硼以更高的能量植入以形成深的源極接觸區(qū)域9969(框9988)，導(dǎo)致圖110的結(jié)構(gòu)。執(zhí)行相反的步驟9982，遮蔽N-井區(qū)域(也就是說P-通道元件)，暴露P-井區(qū)域(框9992)。隨后的9993至9998步驟對應(yīng)已經(jīng)描述的9983至9988步驟執(zhí)行，除了是在P-井區(qū)域而不是在N-井區(qū)域進(jìn)行，摻雜物是砷而不是硼，使用束線離子植入器而不是PIII反應(yīng)器。對于框9996的N-通道元件“光環(huán)”植入(對應(yīng)上述框9986的P-通道元件光環(huán)植入)，摻雜物是P-型摻雜物例如硼。在步驟9993至9998的N-通道元件植入的情況下，還需要執(zhí)行進(jìn)一步的植入步驟，也就是本說明書討論過的補(bǔ)充植入步驟(框9999)在多晶硅柵中植入的劑量。在框9999的補(bǔ)充植入步驟中，磷是N-型摻雜質(zhì)，使用PIII反應(yīng)器而不是離子束植入器(盡管離子束植入器也可以使用)。
如上文提到的，整個(gè)工藝可以翻轉(zhuǎn)使柵9964和源極、漏極接觸區(qū)域9968、9969在源極、漏極延伸9972，9973之前進(jìn)行植入。
在所有的離子植入完成以后，晶片要經(jīng)過一步退火工藝，例如用快速熱退火(RTP)的瞬間退火和/或本說明書早先討論的動(dòng)力學(xué)表面退火(DSA)。這樣的退火工藝使大多位于晶格空隙位置的植入摻雜離子移動(dòng)到原子位置，也就是說取代硅原子最初占據(jù)的位置?？梢詰?yīng)用多步退火步驟形成p型金屬氧化物半導(dǎo)體(pmos)和n型金屬氧化物半導(dǎo)體(nmos)元件，這些步驟可以活化和擴(kuò)散的觀點(diǎn)出發(fā)，適當(dāng)插入工藝流程。
前述包括輕元素(例如硼和磷)的離子植入工藝可以用PIII反應(yīng)器以先前描述的模式進(jìn)行。例如，選擇偏壓頻率以最大化離子能量而同時(shí)提供穿越介電層的低電阻耦合。如何完成在本說明書的前文中有描述。
上述離子植入工藝可以通過其它工藝增強(qiáng)。特別是，為了防止出現(xiàn)溝槽，為了提高退火中更參加取代的植入離子的比例，半導(dǎo)體晶片晶體可以經(jīng)過通過產(chǎn)生晶體缺陷使晶體部分無定型化的離子轟擊工藝。使用的離子應(yīng)當(dāng)適合晶片材料，可以在PIII反應(yīng)器中由一種或幾種下列氣體產(chǎn)生的等離子體形成氟化硅、氫化硅、氟化鍺、氫化鍺、氙、氬或氟化碳(也就是四氟化碳，八氟環(huán)丁烷等)或碳?xì)浠衔?也就是甲烷，乙炔等)或碳?xì)?氟化合物(也就是四氟乙烷，二氟乙烯等)氣體。PIII反應(yīng)器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其植入工藝沒有質(zhì)量選擇性(不象離子束植入器)。因此在離子植入一種摻雜質(zhì)例如硼，任何其它元素也可以同時(shí)倍植入，不管PIII反應(yīng)器中的離子質(zhì)量。因此，不像粒子束植入器，PIII反應(yīng)器可以在植入摻雜質(zhì)的同時(shí)進(jìn)行無定型化工藝。這可以用BF3氣體(提供摻雜離子)混合SiF4氣體(提供無定型化轟擊離子物質(zhì))實(shí)現(xiàn)。這一同時(shí)發(fā)生的離子植入工藝被稱作共植入工藝。這一無定型化工藝也可以在摻雜工藝之后進(jìn)行。除了無定型化，同時(shí)植入的摻雜和非摻雜原子例如氟，鍺，碳或其它元素注定要改變硅晶片的化學(xué)性質(zhì)。化學(xué)性質(zhì)的改變可以有助于提高摻雜物活性和減少摻雜物分散。
能在PIII反應(yīng)器中進(jìn)行的另一個(gè)工藝是表面增強(qiáng)工藝，其中為了在晶體中替代其它元素而植入某種離子。這種表面增強(qiáng)工藝的例子是氮取代。在這一工藝中，用氮原子替換二氧化硅膜中相當(dāng)高比例的氧原子，薄二氧化硅膜9962的介電常數(shù)得到了提高(為了提高元件的速度)。這是在PIII反應(yīng)器中，通過從含氮的氣體例如氨產(chǎn)生等離子體和把氮原子植入二氧化硅膜9962完成的。這一步驟可以在任何時(shí)間進(jìn)行，包括植入摻雜質(zhì)過程中，之前和之后。如果氮取代工藝至少部分地與與摻雜離子植入步驟同時(shí)進(jìn)行，那么氮取代工藝是共植入工藝。由于PIII反應(yīng)器的離子植入工藝是非質(zhì)量選擇性的，共植入工藝可以用任何合適的物質(zhì)進(jìn)行，其原子量無需與植入的摻雜質(zhì)的原子量相同或相關(guān)。因而，例如摻雜質(zhì)硼和表面增強(qiáng)物質(zhì)氮，具有完全不同的原子量，然而它們可以同時(shí)在PIII反應(yīng)器中植入。具有代表性的是氮取代可以在沒有摻雜原子植入的情況下進(jìn)行。
還涉及離子植入的工藝是表面鈍化。在這一工藝中，反應(yīng)室的內(nèi)表面，包括側(cè)壁和室頂，在引入產(chǎn)品晶片之前用含硅的鈍化材料(例如二氧化硅或氮化硅或氫化硅)涂覆。鈍化層阻止等離子體濺蝕或與等離子體反應(yīng)器內(nèi)的金屬表面發(fā)生作用。鈍化層的沉積是通過在反應(yīng)器內(nèi)點(diǎn)燃從含硅氣體例如硅烷與氧氣的混合物中產(chǎn)生的等離子體實(shí)現(xiàn)的。這一鈍化步驟與圖85的低污染環(huán)形源PIII反應(yīng)器相結(jié)合，在離子植入過程中產(chǎn)生極低金屬污染的硅晶片，其污染比以離子束植入器獲得的為代表的傳統(tǒng)產(chǎn)品低100倍。
在離子植入工藝完成的時(shí)候，鈍化層用合適的蝕刻氣體例如NF3清除，這種蝕刻氣體可以與合適的離子轟擊氣體源例如氬，氧或氫組合。在這一清潔步驟中，室表面可以倍加熱至60℃或更高以增強(qiáng)清潔工藝。在下一個(gè)離子植入步驟之前沉積新的鈍化層。
做為選擇，在植入序列的晶片之前可以沉積一層新的鈍化層，在序列工藝之后，可以用清潔氣體清除鈍化層和其它沉積。
圖112是顯示前述離子植入相關(guān)工藝與圖111的摻雜植入工藝的組合的不同選擇的流程圖。第一步是清潔反應(yīng)室，清除污染物或先前沉積的鈍化層(圖112的框9001)。其次，在引入要處理的晶片之前在室的內(nèi)表面沉積一層例如二氧化硅鈍化層(框9002)。再次，晶片被引入PIII反應(yīng)器，可能要經(jīng)過清潔或蝕刻工藝去除自從晶片最后被處理的短暫時(shí)間間隔內(nèi)在暴露的半導(dǎo)體表面聚集的薄氧化層(框9003)。例如通過用硅離子來離子轟擊晶片暴露的表面以進(jìn)行植入前晶片的無定型化工藝(框9004)。通過植入一種物質(zhì)比如把氮植入二氧化硅膜來進(jìn)行植入前表面的增強(qiáng)工藝(框9005)。然后進(jìn)行摻雜沉積工藝(框9006)。這一步驟是植入硼或磷的步驟中的單獨(dú)步驟，顯示在圖111的大工藝流程圖中。在框9006的摻雜植入工藝中，除了摻雜離子之外的其它離子可以在共植入工藝(框9007)中同時(shí)被植入。這樣的共植入工藝(框9007)可以是無定型化工藝，防止等離子體副產(chǎn)品在晶片表面聚集，增強(qiáng)摻雜物活性，減少摻雜物分散的輕蝕刻工藝或表面增強(qiáng)工藝。在摻雜離子植入工藝(9006)和任何共植入工藝(9007)完成以后，可以進(jìn)行各種后植入工藝。這些后植入工藝可以包括表面增強(qiáng)工藝(框9008)。所有的植入步驟一完成(包括框9008的步驟)，在移除晶片上的框9009的在先的晶片清潔步驟的光刻膠掩膜層后，可以進(jìn)行植入退火工藝。這一退火工藝可以是動(dòng)力學(xué)表面退火其中一束激光(或幾束激光)掃描過晶片表面并局部加熱表面至接近融化溫度(大約1300℃)或融化溫度，每一處局部區(qū)域加熱極其短的時(shí)間(例如幾納秒至幾十微秒)。在框9112的退火步驟之后進(jìn)行其它的后植入工藝，包括晶片清潔工藝(框9009)以去除在離子植入工藝中等離子體副產(chǎn)品沉積的層，在晶片上沉積一層臨時(shí)鈍化涂層以穩(wěn)定晶片表面(框9010)和室清潔工藝(框9011)，在晶片從PIII反應(yīng)器的反應(yīng)室移走后，從室內(nèi)表面移除先前沉積的鈍化層。
低溫CVD工藝低溫化學(xué)氣相沉積工藝使用例如圖17A所示類型的環(huán)形源反應(yīng)器，其中點(diǎn)燃和維持等離子體的最低等離子體源功率極低(例如100W)。結(jié)果，等離子體離子密度足夠低使晶片的等離子體加熱最小化，因此允許晶片在等離子體CVD工藝中保持在很低的溫度(例如100℃以下)。同時(shí)，等離子體離子密度與晶片偏壓相結(jié)合足夠高以提供足夠的等離子體離子能量使CVD沉積化學(xué)反應(yīng)成為可能(連結(jié)等離子體離子物質(zhì)和工件表面)。這消除了任何加熱工件以提供化學(xué)反應(yīng)所需要的能量的要求。因而，在整個(gè)等離子體CVD工藝中晶片可以保持很低的溫度(例如100℃以下)。
另外，室壓被減至適度的水平(例如大約15mTorr)，這足夠低以避免極高的CVD層沉積速度否則需要高溫(例如400℃)來避免有缺陷的(例如薄而易剝落的)CVD層。而且，低室壓避免過多的離子再結(jié)合，否則會(huì)使等離子體離子密度降至不用加熱工件就可維持CVD化學(xué)反應(yīng)的必需的等離子體離子密度之下。在工藝區(qū)域保持適度的等離子體離子密度避免了任何加熱晶片的需要，因此高質(zhì)量的CVD膜可以在很低的溫度(低于100℃)沉積，不像PECVD反應(yīng)器。等離子體密度不是很高和等離子體源功率不需要很高的事實(shí)，可以防止所不期望的對晶片的等離子體加熱(因此其溫度可以保持在100℃之下)不像HDPCVD反應(yīng)器。
CVD反應(yīng)能在環(huán)形源反應(yīng)器中在很低的源功率水平進(jìn)行的事實(shí)，如果需要，意味著一個(gè)源功率能從最低水平到最高水平(例如1000W)變化的，而晶片的等離子體加熱在相對低的室壓下仍舊最小的大窗口。這一窗口足夠大使CVD沉積層的保形性在非保形性(0.1保形率)和保形性(＞0.5保形率)之間變化。同時(shí)，CVD沉積層的應(yīng)力水平可以通過在對應(yīng)沉積層的拉應(yīng)力的低水平(例如500W)和對應(yīng)沉積層的壓應(yīng)力的高水平(例如3kW)之間的應(yīng)用于晶片的等離子體偏壓功率的變化而變化。結(jié)果，每一層等離子體CVD沉積層的保形性和應(yīng)力通過各自調(diào)整源和功率水平可以獨(dú)立調(diào)整，對不同的層或者是保形性的或非保形性的，具有拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力。非保形性膜用于填充深槽和產(chǎn)生光刻膠上的可移動(dòng)層。保形性膜用于蝕刻阻止層和鈍化層。具有壓應(yīng)力的層提高臨近P-通道MOSFETs或下面的載流子遷移率。而具有拉應(yīng)力的層提高臨近N-通道MOSFETs或下面的載流子遷移率。
圖17A的環(huán)形源等離子體反應(yīng)器的低的最小等離子體源功率和當(dāng)源功率增加時(shí)反應(yīng)器提供的高度可控的等離子體離子密度是從環(huán)形源等離子體反應(yīng)器的獨(dú)特的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)得處的。等離子體源功率作用于室外的區(qū)域(遠(yuǎn)離晶片)，作用于再進(jìn)入的外部管道，通過這一管道環(huán)形射頻等離子體流進(jìn)行循環(huán)，因此晶片遠(yuǎn)離等離子體離子的產(chǎn)生區(qū)域。這一特征使相比HDPCVD等離子體反應(yīng)器，在晶片表面的等離子體離子的密度高度可控，不會(huì)隨著等離子體源功率過分增加。而且，射頻源功率施加器在外部在進(jìn)入管道里對工藝氣體的高效耦合使點(diǎn)燃等離子體的最小等離子體源功率比傳統(tǒng)反應(yīng)器(例如HDPCVD反應(yīng)器)小的多。
低溫CVD工藝解決了為(例如)65納米的元件提供等離子體CVD工藝的問題，元件溫度不能相當(dāng)長時(shí)間超過100-200℃而不會(huì)破壞元件結(jié)構(gòu)。它還允許在光刻膠層上進(jìn)行等離子體沉積而不會(huì)破壞或摧毀下面的光刻膠。這可能開發(fā)下面描述的全新的工藝，其特別適合納米尺寸的設(shè)計(jì)規(guī)則，能在不影響元件上的光刻膠掩膜情況下進(jìn)行。
后CVD離子植入工藝可以在與用于進(jìn)行低溫CVD工藝相同的環(huán)形源反應(yīng)器中進(jìn)行。后CVD離子植入工藝包括的工藝有增強(qiáng)無定型或多晶硅CVD沉積層同其基層的粘結(jié)，提高CVD層中一種物質(zhì)的比例至超出化學(xué)計(jì)量比例，植入CVD層與等離子體CVD工藝不相容的物質(zhì)或植入CVD層中會(huì)改變層的特殊的材料性質(zhì)如介電常數(shù)或應(yīng)力的物質(zhì)。
低溫等離子體CVD工藝用于形成硅膜、氮化硅膜、硅-氫膜、硅-氮-氫膜和含有氧或氟的各種前述的膜。除了在很低的溫度下進(jìn)行CVD工藝，膜顯示優(yōu)良的性能，無開裂，剝落等。為了應(yīng)用于CMOS元件，具有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的鈍化層分別沉積在P和N-通道元件上，使用高非保形性的層使選擇性蝕刻，光刻膠掩蔽和移除成為可能，具有零(中性)應(yīng)力的蝕刻阻止層可以在具有高度保形性的情況下沉積在所有的元件上。
圖113所示為使用圖1的環(huán)形反應(yīng)器的低溫等離子體CVD工藝。第一步(圖113的框6105)，是供選擇的，是用鈍化層涂覆室的內(nèi)表面以阻止或最小化對晶片的金屬污染。鈍化層可以是例如與要沉積的CVD膜由相同的材料組成(例如含有硅和氮的材料)。室內(nèi)表面的鈍化涂覆是通過引入合適的工藝氣體混合物(例如硅烷和氮?dú)馊绻练e氮化硅膜)，并應(yīng)用等離子體源功率來產(chǎn)生環(huán)形射頻等離子體流來進(jìn)行，如上文實(shí)施例的描述。這一步驟進(jìn)行直至室的內(nèi)表面沉積有合適厚度的鈍化材料。然后，產(chǎn)品工件或半導(dǎo)體晶片被放置在晶片支承座上(圖113的框6107)。引入包含硅和其它物質(zhì)例如氫，氮或氧的工藝氣體(框6109)。室壓保持在低或適度的水平，例如從大約10到大約50mTorr(圖113的框6111)。一股再進(jìn)入環(huán)形等離子體流在環(huán)形源反應(yīng)器中產(chǎn)生(框6113)。環(huán)形等離子體流是通過應(yīng)用低到適度量的(例如100W到1kW)由射頻發(fā)生器180產(chǎn)生并作用于源功率施加器圖17A的170，1015的射頻等離子體源功率產(chǎn)生的(圖113的框6113-1)，應(yīng)用0到5kW之間的由射頻發(fā)生器162產(chǎn)生、作用于晶片支承座115的射頻偏壓等離子體偏壓(圖113的框6113-2)。源功率最好在高頻10MHz級(例如13.56MHz)，足以產(chǎn)生等離子體離子。偏壓功率最好在幾MHz級的低頻率，對于給定數(shù)量的偏壓功率可以有效的產(chǎn)生相對大的等離子體殼層電壓。
通過射頻發(fā)生器180傳送的源功率的大小調(diào)整至通過化學(xué)氣相沉積在晶片上沉積出所期望的保形性的膜。通過射頻發(fā)生器162傳送的偏壓功率的大小調(diào)整至沉積的膜具有期望的應(yīng)力，壓應(yīng)力或拉應(yīng)力(圖113的框6115)。
前述工藝進(jìn)行直至達(dá)到期望的沉積膜厚度。其后，可以進(jìn)行某些可選擇的后CVD離子植入工藝(圖113的框6119)。這些涉及圖117的后CVD離子植入工藝將會(huì)在本說明書的下文有描述。
圖114A是關(guān)于沉積層的保形率(豎軸)作為應(yīng)用的射頻源功率(橫軸)的函數(shù)關(guān)系的圖。如圖114B所示，在基層或基板6123(定義一個(gè)界面6122)上通過CVD工藝沉積的層6121的保形率是C/D的比，C是層6121(沉積在基層6123的一個(gè)垂直面6123a上)的一個(gè)垂直剖面6121a的厚度，D是層6121(沉積在基層6123的一個(gè)水平面6123b上)的一個(gè)水平剖面6121b的厚度。保形率超過0.5表示高保形性CVD沉積膜。保形率大約0.5表示非保形性CVD沉積膜。圖114A顯示圖17A的環(huán)形源反應(yīng)器的寬源功率窗口怎樣從非保形性(在大約100W的源功率處)到高保形性(在大約1kW的源功率處)跨越保形率范圍。圖114A表明同樣的環(huán)形源反應(yīng)器可以用于等離子體CVD沉積包含例如硅，氮，氫或氧的組合的保形性和非保形性膜。
圖115所示為化學(xué)氣相沉積的沉積率(豎軸)與所施加的電源功率(橫軸)之間的關(guān)系。射頻電源功率由0瓦上升至100瓦的過程中，在圖17A所示的環(huán)形電源反應(yīng)器中沒有等離子體產(chǎn)生，沉積率為零。沉積開始于電源功率大約100瓦，約13.56MHz，偏壓恒定在5kV、2MHz時(shí)，初始的沉積率大約是500埃/分鐘(電源功率為100W)，最終達(dá)到1000埃/分鐘(電源功率約為2千瓦)。優(yōu)點(diǎn)是沉積率足夠低，所以能形成高質(zhì)量的無缺陷化學(xué)氣相沉積膜，而無須任何象高沉積率時(shí)(例如5000埃/分鐘)形成的膜那樣需要加熱或退火來消除缺陷。因此，環(huán)形電源反應(yīng)器的電源功率能在無須加熱晶片的情況下，在保形和非保形(也就是200W到2kV)之間的所需要轉(zhuǎn)換的保形率的范圍內(nèi)任意變化，因此晶片能保持在低的工藝溫度，也就是說低于100℃。(為了得到高度保形性)提高環(huán)形電源反應(yīng)器的的電源功率而不會(huì)導(dǎo)致過高化學(xué)氣相沉積率的事實(shí)可以根據(jù)環(huán)形電源反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)(例如圖17A)得出，環(huán)形電源反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)可以避免晶片120上面的工藝區(qū)域中離子密度的過分增長。這種過大的離子密度沒有出現(xiàn)，部分是因?yàn)槊恳粋€(gè)等離子體電源功率施加器(也就是每一個(gè)芯1015環(huán)繞一個(gè)各自的閉合管150和相應(yīng)的主繞組170)施加于等離子體電源功率于反應(yīng)室100之外的閉合管150的一部分，而反應(yīng)室被側(cè)壁105和室頂110包圍，并遠(yuǎn)離晶片120上面的工藝區(qū)域。幸運(yùn)的是，關(guān)于圖17A所示的環(huán)形等離子體反應(yīng)器的的等離子體離子密度是很低的，因此其增加也是高度可控的，并伴隨著很低的(例如只有100瓦)的最小等離子體引發(fā)電源功率，這導(dǎo)致生成整個(gè)保形性范圍的寬闊的電源功率窗口。等離子體引發(fā)的最小電源功率大小是電源功率施加器170，1015和圖17A所示的閉合管150在高頻例如13.65MHz產(chǎn)生的環(huán)形射頻等離子體電流的獨(dú)特組合方式有效作用的結(jié)果。
圖17A所示的環(huán)形等離子體反應(yīng)器的另一個(gè)特征是反應(yīng)器操作的射頻等離子體偏壓的的范圍很廣(從0到10KV)，這一特征的一個(gè)方面在圖116中得到說明偏壓的操作范圍(圖116的橫軸)跨越化學(xué)氣相沉積膜的應(yīng)力范圍(圖116的縱軸)，從拉應(yīng)力(+1GPa)到壓應(yīng)力(-1GPa)。寬幅等離子體偏壓操作范圍的特征的另一個(gè)方面是離子能量可以被調(diào)整至與某一特定工藝或應(yīng)用相適應(yīng)的事實(shí)，例如在圖113所示的在與用于進(jìn)行低溫等離子體化學(xué)氣相沉積工藝的相同的環(huán)形電源反應(yīng)器中用高離子能量(高偏壓)在圖113所示的后化學(xué)氣相沉積離子植入工藝中進(jìn)行等離子體浸沒離子植入。這一化學(xué)氣相沉積離子植入的后處理將會(huì)在說明書的后文中予以說明。寬幅的射頻等離子體(殼體)偏壓通過使用象作為射頻偏壓電源發(fā)電機(jī)162的2赫茲的射頻電源的一臺(tái)低頻等離子體偏壓電源得到。此低頻在在晶體120表面的上方轉(zhuǎn)換為與等離子體殼層交叉的高阻抗，并具有更高且成比例的殼層電壓。所以相對較小的等離子體偏壓功率(5KW)能在晶片表面產(chǎn)生很高的殼層電壓(10KV)。這一相對較小的偏壓功率減小了晶片120上的熱負(fù)荷并減小了支持晶片的底座115的熱和電磁場負(fù)荷。當(dāng)然，圖17A所示的環(huán)形電源反應(yīng)器不需要這樣大的殼層電壓來引發(fā)或維持等離子體，偏壓功率能減小到5千瓦之下，如果需要的話，可以接近零，而不會(huì)使等離子體消失。
圖114A所示的(介于高度保形性和非保形性之間的)保形性選擇和圖116所示的(介于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間的)應(yīng)力選擇都通過獨(dú)立使用圖17A所示的環(huán)形電源反應(yīng)器的幅度很寬的電源功率和偏壓功率操作窗口進(jìn)行。因此圖17A所示的環(huán)形電源反應(yīng)器中進(jìn)行圖113所示的低溫化學(xué)氣相沉積工藝，不同的膜層通過選擇不同應(yīng)力(拉應(yīng)力，零或者壓應(yīng)力)和不同保形率(不保形和高度保形)沉積而成。
圖117所示為晶片的化學(xué)氣相沉積離子植入工藝的后處理系列步驟。圖117所示每一個(gè)步驟可以單獨(dú)作為化學(xué)氣相沉積離子植入工藝的后處理步驟，或者與圖117所示的其它步驟相結(jié)合，在這種情況下執(zhí)行這些步驟的順序可能與圖117所示的步驟不同。然而，后續(xù)的討論將按照圖中顯示的順序描述圖117的步驟。離子植入的每一步都可以在與圖17A所示的用于進(jìn)行圖113所示的等離子體化學(xué)氣相沉積工藝的環(huán)形等離子體電源反應(yīng)器相同的反應(yīng)器中進(jìn)行。把圖17A所示的環(huán)形等離子體電源反應(yīng)器作為等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器使用在本說明書中已經(jīng)有描述。
在圖117的6125框中，通過離子植入使低溫等離子體化學(xué)氣相沉積工藝沉積的膜和下面的基層或底層之間的附著或粘接作用得到提高。特別是當(dāng)沉積層傾向于具有無定型或多晶結(jié)構(gòu)，并/或在組成上與下面的底層不同時(shí)，這一步驟特別有用。在這些情況下，CVD沉積層不能復(fù)制下面的基層的結(jié)構(gòu)或結(jié)晶方式(如果有的話)，因此不是真正的晶體取向附生層。這樣的沉積層或者是多晶型的或者是無定型的，不會(huì)象晶體取向附生層那樣與下面的基層產(chǎn)生牢固的結(jié)合，這兩層的分界面上會(huì)出現(xiàn)裂縫。這一弱結(jié)合作用也可以歸因于那些在基層6123里并在位于分界面6122的硅原子具有飽和鍵的傾向，而這一傾向無法在沉積層6121中得到滿足。這一飽和傾向優(yōu)于CVD沉積工藝出現(xiàn)是因?yàn)樵诨鶎?123的表面的硅原子有一些軌道電子面對開放空間，這些未成鍵電子可以與臨近的未成鍵電子(例如臨近的硅原子)共享電子。所以，表面的硅原子傾向于自飽和，因此不與沉積層結(jié)合。
為了解決沉積層與基層之間的弱結(jié)合問題，圖118A-C所示為6125框中為提高結(jié)合作用而進(jìn)行的離子植入步驟的實(shí)現(xiàn)方式。先于圖113所示的CVD沉降工藝的結(jié)晶硅晶片6123的橫斷面如圖118A所示。其晶體結(jié)構(gòu)以簡化方式表示在圖119A中，其中每一個(gè)圓圈代表一個(gè)硅原子與四個(gè)鄰近的硅原子相連結(jié)。通過圖113所示的低溫等離子體CVD工藝所沉積的膜的結(jié)構(gòu)如圖118B所示，其中CVD沉積層6121位于基層6123之上。在所舉例子中，所沉積的膜是氮化硅。其最終結(jié)構(gòu)以簡化方式表示在圖119B中，其中大圓圈代表硅原子，小圓圈代表氮原子。在分界面6122之下，沉積層6121和基層6123之間，存在著純硅晶體，在分界面6122之上是純氮化硅無定型膜。因此，在材料結(jié)構(gòu)中有一個(gè)突然的轉(zhuǎn)變，穿過分界面6122產(chǎn)生次級的結(jié)合作用。這一突然的轉(zhuǎn)換表示在圖120A的實(shí)線圖中，其中氮濃度(豎軸)被繪制成深度的函數(shù)。在分界面6122的深度處氮的含量立刻由0至50％。
圖118C所示為離子植入步驟，其中圖118B所示為要經(jīng)受離子轟擊的結(jié)構(gòu)。離子的能量選在使植入的截面(圖120B)峰值在分界面6122的深度處。結(jié)果是氮和硅原子都穿過分界面6122，最終結(jié)果是在分界面6122之上氮原子有凈損失，在分界面6122之下氮原子有凈增加，凈損失和凈增加與到分界面6122的距離成比例。另外，基層6123表面6122的硅原子的自飽和鍵被離子轟擊破壞，以便有更多的原子可以結(jié)合。圖119C所示為最終的材料結(jié)構(gòu)，它表明一些在沉積層6121中的氮原子遷移到了基層6123，在沉積層6121中被從基層6123中遷移過來的硅原子取代。因此分界面分布到了更厚的區(qū)域，在穿過分界面的方向上氮的濃度的轉(zhuǎn)變更加光滑(如圖120A中的虛曲線所示)。因?yàn)榛旌蛯拥募雍窕蛘咿D(zhuǎn)換區(qū)域的形成，可以得到更強(qiáng)的結(jié)合，原子成鍵有更大的機(jī)會(huì)，因此在6121層和6123層之間會(huì)有更多的化學(xué)建和更強(qiáng)的結(jié)合。
在圖117的6127框中為后CVD離子植入步驟，其中的在CVD沉積層中的選擇物質(zhì)得到了富集。如果需要的話，可以進(jìn)行這一富集過程，使所選擇物質(zhì)的含量超過化學(xué)計(jì)量比。例如，如果CVD沉積層是氮化硅，氮原子可以被植入沉積層6121，以便沉積層中的氮含量得以富集使其化學(xué)計(jì)量比超過50％。圖121所示為圖117的6127框的步驟的離子植入截面，其中植入物質(zhì)的離子流量作為植入深度的函數(shù)作為縱軸，植入深度作為橫軸。植入步驟的截面或者分布跨越CVD沉積膜6121的厚度。這可以通過進(jìn)行其截面基本上跨越沉積層厚度(圖121的實(shí)曲線)的植入步驟來實(shí)現(xiàn)。作為選擇，通過在狹窄的范圍內(nèi)(對應(yīng)圖121中標(biāo)有“1”，“2”和“3”的虛線)，進(jìn)行三種植入可以得到相同的結(jié)果，它們的深度相抵消以至于累積的植入截面幾乎與圖121的實(shí)線相匹配。
圖122A所示為6121層和6123層在進(jìn)行圖117的6127框所示的植入步驟之前的結(jié)構(gòu)，圖122B所示為6121層和6123層在進(jìn)行6127框所示的植入步驟之后的結(jié)構(gòu)。就像前面的例子，6123層的底層或基層實(shí)硅，CVD沉積層6121是氮化硅，打圓圈表示硅原子，小原子表示氮原子。圖122B表示在沉積的氮化硅層6121之外的氮原子，以至于沉積層6121中氮的含量可以超過50％。
離子注入的富集工藝不限于前述例子中的物質(zhì)。例如，沉積層可以包含硅、氮、氫和/或氧等的任何組合?；鶎涌梢允枪杌蛉魏吻笆鑫镔|(zhì)的組合。
在圖117的6129框中，不包括在圖113所示的低溫CVD工藝中的等離子體CVD工藝氣體中的物質(zhì)，可以在CVD工藝完成后通過離子植入來加入。例如，在某些應(yīng)用中期望沉積成包括象氧或氟這樣的極端活潑的物質(zhì)的膜。期望的沉積層可能(例如)是由硅，氮和氟組合的陶瓷材料。然而，通過在CVD工藝完結(jié)后在CVD沉積層6121中通過離子植入氟原子，使沉積層能包括氟。氟離子植入的截面與圖121所示相似，因此氟原子會(huì)以相當(dāng)統(tǒng)一到方式分布在沉積層6121中。
在圖117的6131框中對CVD沉積層6121進(jìn)行離子植入以改變其特性。植入步驟在CVD沉積層中植入選擇的物質(zhì)，例如氮(改變沉積層的介電常數(shù))或者氫(改變CVD沉積層6121的應(yīng)力)。離子植入的截面與圖121所示相同，因此植入的物質(zhì)會(huì)以相當(dāng)統(tǒng)一到方式分布在沉積層6121中。
6125、6127、6129和6131框中的離子植入步驟可以隨意地跟隨很短暫的后植入退火步驟(框6133)，在此過程中晶片通過很短時(shí)間(毫秒或微秒)的加熱到提高了的溫度，加熱的持續(xù)時(shí)間要足夠短以便不違反納米元件設(shè)計(jì)規(guī)則中的極低熱量預(yù)算。作為選擇，退火的溫度可以很低(例如幾百攝氏度)。要求是擴(kuò)散長度小于幾個(gè)納米。擴(kuò)散長度與溫度和時(shí)間或提高了的溫度環(huán)境的持續(xù)時(shí)間的乘積的平方根成比例，并累積所有的工藝步驟。因而，通過在瞬間退火工藝(或動(dòng)力學(xué)表面退火工藝)中把退火時(shí)間限制在幾毫秒內(nèi)，擴(kuò)散長度可以保持在(例如)65nm的設(shè)計(jì)規(guī)則可以容忍的擴(kuò)散長度以下。
圖123A至123H所示是在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體元件(CMOS)上形成由P-通道和N-通道場效應(yīng)晶體管(FETs)組成的載流子遷移率增強(qiáng)鈍化層的低溫等離子體CVD工藝步驟序列的結(jié)果。這一工藝步驟的序列顯示在圖124中。這一工藝從其上面形成包括源極，漏極，薄柵極氧化層和柵極，但是缺少上面的鈍化層和蝕刻阻止層的CMOS晶體管的晶片開始。低溫CVD工藝形成將在下文描述的上面的膜層。
圖123A所示為低溫等離子體CVD沉積工藝的開始階段的CMOS結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)。CMOS結(jié)構(gòu)形成于晶片或者形成n-通道FET元件的p-型導(dǎo)體的半導(dǎo)體基層6135上。n-型導(dǎo)體的井6137形成于可以形成p-通道FET元件的的基層的不同位置。每一個(gè)n-通道元件包括n-型源極和在基層表面與6139深入接觸的漏極，n-型源極和在基層表面的漏極的延伸6141，基層表面的薄膜柵氧化物層6143和薄膜柵氧化物層6143上的金屬柵6145。環(huán)繞n-通道元件的窄隔離槽6147通過從基層6135蝕刻硅形成。每一個(gè)n-通道元件在n-型井6137中形成，包括p-型源極和在基層表面與6139’深入接觸的漏極，p-型源極和在基層表面的漏極的延伸6141’，基層表面上的薄膜柵氧化物層6143’和薄膜柵氧化物層6143’上的金屬柵極6145’。環(huán)繞p-通道元件的窄隔離槽6147’通過從基層6135蝕刻硅形成。
圖124的第一步是將光致抗蝕劑掩模放在所有的p-通道元件(圖124的6151框)。圖123B所示為光致抗蝕劑掩模6153在p-通道元件上。下面的步驟是在n-通道元件上沉積具有拉應(yīng)力的層(或介電層)以提高n-通道的載流子(電子)遷移率。其步驟如下在環(huán)形等離子體源反應(yīng)器中引入晶片和包含要沉積在膜上的前驅(qū)物質(zhì)的工藝氣體。如果膜要包含硅或氮，如果可能的話，還有氫，那么工藝氣體可以是硅烷與或者氮或者/和氨，還有可供選擇的氫(圖124中的框6155)的混合物。環(huán)形等離子體源反應(yīng)器中的射頻源功率的大小設(shè)置成適合非保形性CVD膜的沉積，和圖114A(圖124的6157框)的曲線相一致。環(huán)形等離子體源反應(yīng)器中的低頻偏壓功率的大小設(shè)置成適合拉應(yīng)力層(圖124的6159框)的CVD沉積，和圖116的曲線相一致。作為施加射頻等離子體源功率(框6161)的結(jié)果產(chǎn)生射頻環(huán)形等離子體流，而室壓保持在例如15mTorr(框6163)的低或中等水平。射頻環(huán)形等離子體流一直維持至晶片上沉積有適當(dāng)厚度的拉應(yīng)力非保形性層6165(圖123C)。拉應(yīng)力層6165同時(shí)沉積在n-通道元件隔離槽6147的上面和內(nèi)部，在沉積層6165的過程中隔離槽6147可以被完全填充(所以6165層位于槽的上方)，部分填充(所以6165層位于槽6147的底部和上方之間)，或者全空(所以6165層位于槽6147的基底)。
前述的沉積步驟大體對應(yīng)圖113的工藝，其中晶片的溫度保持在低溫(低于100℃)，所以光致抗蝕層6153沒有受到干擾。沉積的膜6151的非保形性使光致抗蝕層6153的垂直側(cè)壁6153a被全部或部分覆蓋。這使得光致抗蝕層6153和光致抗蝕層6153上面的層6151的部分通過引入例如象氟的溶劑的光致抗蝕劑移除劑從下一步驟(圖124的6167框)中移除。如同圖123D所示，最后這一步驟使直接位于n-通道元件上面的層6165的一部分完整無缺，而使p-通道元件暴露出來。
下面的一組步驟在p-通道元件上沉積出一層壓應(yīng)力非保形性層。第一，如圖123E所示，光致抗蝕劑掩模6159被放在n-通道元件(圖124的6171框)的上方。第二，晶片被放入同樣的環(huán)形等離子體源反應(yīng)器中，向反應(yīng)室中引入前驅(qū)氣體(圖124的6173框)。環(huán)形等離子體源反應(yīng)器中的射頻等離子體源功率的大小設(shè)置成適合非保形性CVD沉積層(6175框)，等離子體偏壓功率的大小設(shè)置成適合壓應(yīng)力CVD沉積層(6177框)。施加等離子體源功率產(chǎn)生的環(huán)形射頻等離子體流(6179框)導(dǎo)致在整個(gè)晶片上的壓應(yīng)力非保形性層6181的CVD沉積，如圖123F所示。壓應(yīng)力層6181同時(shí)沉積在p-通道元件隔離槽6147’的上面和內(nèi)部。在沉積層6181的過程中隔離槽6147’可以被完全填充(所以6181層位于槽的上方)，部分填充(所以6181層位于槽6147’的底部和上方之間)，或者全空(所以6181層位于槽6147’的基底)。接著光致抗蝕劑掩模6169被移除(圖124的6183框)，因此n-通道元件和它們上面的涂層6165暴露出來，如圖123G所示。
n-通道元件上面的拉應(yīng)力鈍化層6165和填充n-通道隔離槽6147的拉應(yīng)力沉積提高了n-通道元件的載流子(電子)遷移率。P-通道元件上面的壓應(yīng)力鈍化層6181和填充p-通道隔離槽6147’的壓應(yīng)力沉積提高了p-通道元件的載流子(空穴)遷移率。
在這一工藝的另一個(gè)工藝路線中，圖123A至圖123G所描述的步驟(也就是圖124中的6151步驟至6183步驟)可以通過在所有元件(P-通道和n-通道)上沉積拉應(yīng)力層6165(無光刻膠)，省略圖124中的光刻膠掩膜步驟6151但進(jìn)行6155至6167的CVD步驟得到簡化。執(zhí)行的一個(gè)照相平板步驟是屏蔽n-通道元件的6171步驟。然后，6173至6179的CVD步驟被向壓應(yīng)力膜6165(位于P-通道元件的上面)的未屏蔽部分離子植入(例如)氫或氦以把所述膜的部分由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力的步驟所取代。進(jìn)行這一離子植入步驟的偏壓是4KV，植入劑量是5×1016cm-2。這一工藝路線之所以被簡化，是因?yàn)橹恍枰粋€(gè)光致抗蝕劑掩蔽步驟，而不是兩個(gè)。由于在這一工藝路線中只需要沉積一個(gè)單層6165，光刻膠掩膜移除過程中無需移除膜層的這些部分，因此在這一工藝路線中無需苛求膜6165的非保形性。
圖124的低溫等離子體CVD工藝的最后一組步驟是在n-通道和P-通道元件的應(yīng)力鈍化層6165、6181上沉積一層蝕刻阻止層。步驟6185、6187、6189和6191對應(yīng)步驟6155、6157、6159和6161，除了在步驟6187中源功率大小設(shè)置成沉積高保形性層，在步驟6189中偏壓功率在CVD沉積層中設(shè)置成中性(零)應(yīng)力。圖123H所示的結(jié)果是用極好的步驟覆蓋涂覆晶片并具有零(中性)應(yīng)力的具有高度保形性的鈍化層6193。
如果至少一些或全部的層6165、6181、6193的組分是相同的，那么一個(gè)選擇是使環(huán)形等離子體源反應(yīng)器在步驟6155、6157、6159建立的狀態(tài)下于圖124的全部或至少部分工藝中持續(xù)運(yùn)行，而只把等離子體偏壓功率(例如象步驟6177和/或6189)切換至使沉積層的應(yīng)力在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間和/或中性應(yīng)力。在這種情況下，晶片會(huì)被臨時(shí)從只用于沉積步驟6151和6171中的光致抗蝕劑掩模的環(huán)形等離子體源反應(yīng)器中移走，也可以分別地，隨意地，移走步驟6167和6183中的光致抗蝕劑掩模。因此環(huán)形等離子體源反應(yīng)器可以在CVD沉積模式連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。作為選擇，環(huán)形等離子體源反應(yīng)器本身可以通過臨時(shí)移除前驅(qū)工藝氣體而暫時(shí)引入抗移除物質(zhì)來移除用于步驟6167、6183的光致抗蝕劑以在環(huán)形等離子體源反應(yīng)器中進(jìn)行步驟6167和6183。
n-通道隔離槽6147在相應(yīng)于圖113的合適的植入的單獨(dú)工藝中被填充。
在這樣的圖113的工藝的執(zhí)行中，通過最小化源功率(與圖114A對應(yīng))，批覆率可以被設(shè)成很低的水平，以保證非保形性CVD層免于在每一個(gè)狹窄隔離槽的頂端被夾斷。(在這里使用的夾斷一詞是指當(dāng)CVD沉積材料在孔的側(cè)壁的頂端聚集并隔離該孔使在孔的底部或中心區(qū)域的沉積被阻斷，從而使得對例如窄槽或窄接觸孔的高縱橫比的孔的完全填充被阻止的現(xiàn)象。)
類似地，p-通道隔離槽6147’在相應(yīng)于圖113的合適的植入的單獨(dú)工藝中被填充。如前述，在這樣的圖113的工藝的執(zhí)行中，保形率可以被設(shè)成很低的水平，以保證非保形性CVD層免于在每一個(gè)狹窄隔離槽6147’的頂端被夾斷。
例如隔離槽6147、6147’的高縱橫比孔填充已經(jīng)被描述為圖113的工藝的執(zhí)行，其中源功率的大小被減至產(chǎn)生非保形性層的水平，與圖114A一致。這是因?yàn)榉潜Ｐ涡訡VD沉積層不會(huì)或很少在例如隔離槽6147、6147’的垂直側(cè)壁上聚集。結(jié)果，很少或沒有CVD沉積膜在槽6147、6147’的垂直側(cè)壁的頂端聚集大傾向，否則會(huì)夾斷孔的頂端，并阻止在孔或槽的底端的沉積。高縱橫比孔的CVD沉積過程中的夾斷問題，在例如含有或不含有氫或氮的硅氧化合物的含氧材料的沉積中特別明顯，因此當(dāng)在高縱橫比孔中沉積上述材料時(shí)，保持非保形性CVD沉積截面時(shí)很重要的。
我們發(fā)現(xiàn)如果沉積材料是包含硅，氮和氫(任選)的化合物，又不包括象氧或氟這樣的活性物質(zhì)，那么可以避免在圖113的低溫環(huán)形等離子體CVD工藝中出現(xiàn)在等離子體CVD沉積或高縱橫比孔的填充中的夾斷問題。我們發(fā)現(xiàn)無論源功率水平低(適合非保形性層的沉積)或高(適合保形性層的沉積)都是如此。因此，圖113的工藝的一個(gè)可選擇之處是使用包括例如硅和氮(例如硅烷和氮?dú)?，但是不包含氧的工藝氣體混合物來填充高縱橫比的孔。這允許源功率被設(shè)置在包括對應(yīng)沉積高保形性CVD層的高功率的任何合適當(dāng)?shù)拇笮√帯?br> 由于不再需要為了達(dá)到沉積層的高保形性而把源功率限制在低水平處，這一方面提高了工藝的多功能性。因此應(yīng)用圖113的低溫環(huán)形等離子體CVD工藝填充高縱橫比孔的源功率窗口被大大加寬了。
在有關(guān)的另一方面，上述通過使用不含氧的硅-氮混合物來避免的在用保形性膜填充高縱橫比孔的CVD沉積過程中的夾斷問題，即使在沉積原料中包含氧的情況下也可以避免。這一令人吃驚的結(jié)果是在圖113的工藝的另一條工藝路線中，通過在高縱橫比孔主要(或幾乎)被填充之后提高工藝氣體中氧的含量(初始值為0％)得到。因此，圖113的等離子體CVD沉積工藝的工藝氣體開始時(shí)不含氧，在高縱橫比孔的填充達(dá)到一定百分?jǐn)?shù)(例如80％)，向工藝氣體中引入少量氧氣，增加氧氣所占的比例直到孔幾乎全部被填充(例如已填充95％，因此夾斷的風(fēng)險(xiǎn)降為0)，此時(shí)氧氣的含量很高。在一個(gè)實(shí)施例中，氮?dú)獾暮侩S著氧氣含量的持續(xù)升高而持續(xù)降低，因此填充高縱橫比孔的沉積層的頂部基本上是氧化物，例如二氧化硅。后一方面使得可以用由氧化物(或氟化物)組成的高保形性CVD層來填充高縱橫比的孔，同時(shí)避免夾斷問題。
這一工藝表示在圖125中。這一工藝包括圖113的工藝的全部步驟，即步驟6107、6109、6111、6113、6115和6117。這些步驟按照上述關(guān)于圖113的方式進(jìn)行，除了在框6107的步驟中引入的晶片具有在CVD工藝中要填充的高縱橫比的孔(例如隔離槽)。而且，在框6109的步驟中，最初引入的工藝氣體不包含氧或其它的例如氟的活性物質(zhì)。在框6115的步驟中，如果需要的話源功率的大小可以設(shè)置成高值(適于保形性涂層)而不存在出現(xiàn)高縱橫比的孔中的夾斷問題的風(fēng)險(xiǎn)。
在高縱橫比的孔被填充到一定百分?jǐn)?shù)(例如70％或80％，或至少50％以上)，向工藝氣體中引入活性物質(zhì)(例如氧氣)，開始的量比較小，隨著對孔的填充(圖125的框6195)的繼續(xù)而增加。另外(供選擇)，含氮?dú)怏w的流速隨著氧氣含量的增加而減小，因此在工藝氣體混合物中氧氣開始替換氮?dú)?圖125的框6197)。如果需要，步驟6195和6197的變化率可以足夠高，所以在孔幾乎被完全填充后(例如填充95％)，氮?dú)馔耆谎鯕馊〈?，沉積層的頂部是氧化物，例如二氧化硅。圖126所示為氧氣的流速(實(shí)線)和氮?dú)獾牧魉?虛線)作為填充孔所需持續(xù)時(shí)間的函數(shù)的示意圖。在圖126中，在50％的孔被填充后，開始引入氧氣，而氮?dú)獾牧魉匍_始相應(yīng)降低。到工藝完成時(shí)(當(dāng)孔被100％填充)，氧氣在工藝氣體混合物中完全取代氮?dú)?。圖127所示為沉積層中氧含量作為厚度的函數(shù)的示意圖。在孔(或者隔離槽)的底部，氧含量為零，在一半深度處氧含量開始增加，而在孔的頂部氧含量最高。
在圖113、124或125的工藝中CVD沉積膜的組成可以通過控制工藝氣體混合物來控制。為了沉積氮化硅(SiN)的等離子體CVD層，工藝氣體可以由硅烷氣體和氮?dú)饣虬睔饨M成。如果沉積層要包含相當(dāng)數(shù)量的氫，那么在工藝氣體混合物中加入氫氣(H2)。沉積層中氫的含量可以通過控制工藝氣體中的氫含量來控制。沉積層中的氫含量影響層中的應(yīng)力的類型，應(yīng)力可以在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之間變化。如果沉積層要包含氧，那么氧可以通過與注入硅烷的路徑分開的路徑注入反應(yīng)室。而且，為了避免硅烷和氧之間的急速反應(yīng)，必須將反應(yīng)室壓保持在低水平(例如15mTorr)。為此，一個(gè)單獨(dú)的工藝氣體注射器，可以通過類似圖1中的一個(gè)側(cè)壁注射器開口端130的一個(gè)單獨(dú)的注射器開口端注入氧氣。主工藝氣體混合物(例如硅烷和氮和/氨或氧)可以通過室頂?shù)南髨D45的氣體分布板210那樣的高架氣體分布板注入。氣體混合物的放射性分布可以通過各自調(diào)整圖45的內(nèi)外供氣出口4490、4492的氣流速度來加以控制，以確保例如晶片上方的工藝氣體分布的一致性。
工藝氣體混合物可以由任何下列組分組成硅烷和氮?dú)?；硅烷和氨氣；硅烷、氮?dú)夂蜌錃猓还柰?、氨氣和氫氣；硅烷和氧氣硅烷、氮?dú)夂脱鯕猓还柰?、氨氣和氧氣；硅烷、氮?dú)?、氮?dú)狻錃夂脱鯕?；硅烷、氨氣、氫氣和氧氣?br> 前述工藝氣體混合物，除了用于在晶片上進(jìn)行CVD沉積，也可用于在等離子體反應(yīng)室的內(nèi)表面沉積鈍化層。
如本說明書前文提到的，由低溫CVD工藝沉積成的氮化硅層可以通過在CVD工藝完成后在沉積層中植入氮(或者其它物質(zhì))得到加強(qiáng)。就象上文提到的，可以把環(huán)形源反應(yīng)器作為等離子體浸沒離子植入反應(yīng)器來進(jìn)行離子植入。
為強(qiáng)化物理特性而進(jìn)行的三維結(jié)構(gòu)離子植入(例如通過前述低溫CVD工藝沉積的層)可以在最小化結(jié)構(gòu)的水平表面的離子植入深度和垂直表面的離子植入深度之間的差異性的同時(shí)完成。這一結(jié)構(gòu)可以是，例如晶體管源極-漏極通道上面薄氧化物柵極。這樣的三維結(jié)構(gòu)具有一個(gè)水平的頂面和四個(gè)垂直的側(cè)面?；蛘哌@一結(jié)構(gòu)可以是縱橫比高達(dá)10∶1或者更高的高縱橫比的孔(例如深槽)。等離子體浸沒離子植入在垂直方向產(chǎn)生離子流，因此入射角和離子植入深度在結(jié)構(gòu)的水平表面最大，在垂直表面最小?？梢赃x擇等離子體偏壓功率來設(shè)定離子植入的深度。通過提高晶片表面附近的離子軌道的角分布，可以減小水平和垂直表面的離子植入深度的差異。從垂直方向離子軌道角度散布(或標(biāo)準(zhǔn)差)越大，在垂直表面離子植入的深度也越大，因此水平表面和垂直表面的離子植入深度之間的差異性也越小。工件表面附近的離子軌道角度分布與等離子體殼層厚度和室壓成比例。等離子體殼層厚度隨著等離子體射頻源功率降低，隨著室壓和等離子體射頻偏壓功率升高。因此，可以選擇偏壓功率實(shí)現(xiàn)一個(gè)全面的平均離子植入深度，同時(shí)調(diào)整室壓和射頻等離子體源功率降低離子軌道角度分布的散布或偏差，來減小水平和垂直表面的離子植入深度之間的差異至期望的閾值值。所以，把射頻等離子體源功率和室壓的值設(shè)置到離子軌道的的角度散布足以達(dá)到植入結(jié)構(gòu)的垂直表面所期望的最小離子植入深度，而不會(huì)使水平表面的離子植入深度超過某個(gè)最大值。
在一個(gè)實(shí)施例中，垂直表面的離子植入深度至少為100埃，水平表面不超過400埃。射頻偏壓可以大約4kV，源功率可以是大約500瓦，室壓可以是大約25mT。植入劑量由植入時(shí)間設(shè)定，可以設(shè)定在約20-30秒。前面是參照優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行的詳細(xì)說明，但是如所周知，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的前提下，可以作出變更和修改。
權(quán)利要求
1.一種在工件上沉積含半導(dǎo)體元素、氮、氫或氧中的任何元素的涂層的低溫工藝，其特征是上述工藝包括將工件放置在反應(yīng)室中并面對反應(yīng)室中的工藝區(qū)；向反應(yīng)室中注入含半導(dǎo)體元素、氮、氫或氧中的任何元素的工藝氣體；通過向在反應(yīng)室外部并構(gòu)成再進(jìn)入路徑一部分的再進(jìn)入管的一部分施加第一頻率的射頻等離子體源功率，在通過工藝區(qū)的再進(jìn)入路徑中產(chǎn)生環(huán)形射頻等離子體流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括向工件施加第二頻率的射頻等離子體偏壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括將涂層的保形性設(shè)置在保形性和非保形性的范圍之間，同時(shí)將涂層的應(yīng)力設(shè)置在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的范圍之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝，其特征是設(shè)置保形性的步驟包括在涂層被保形性沉積的最高源功率和涂層被非保形性沉積的最低源功率的范圍之間設(shè)置任意大小的射頻等離子體源功率，設(shè)置應(yīng)力的步驟包括通過施加與期望應(yīng)力大小相應(yīng)的射頻偏壓來控制應(yīng)力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工藝，其特征是通過射頻偏壓控制應(yīng)力的步驟包括向上述工件施加射頻偏壓，該射頻偏壓與在涂層被壓應(yīng)力沉積的最高偏壓功率和涂層被拉應(yīng)力沉積的最低或0偏壓功率的范圍之間的任意大小相對應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工藝，其特征是上述最高源功率對應(yīng)于超過0.5的保形率，上述最低電源功率對應(yīng)于不超過0.1的保形率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工藝，其特征是上述最低偏壓功率對應(yīng)于涂層的應(yīng)力大小是約+1G帕，所述最高偏壓功率對應(yīng)涂層應(yīng)力大小是約-1G帕。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括在把工件放入反應(yīng)室之前，用含硅、氮、氫或氧中的至少一種元素的涂層涂覆反應(yīng)室的內(nèi)表面來預(yù)處理反應(yīng)室。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括在涂層的沉積完成后，通過在再進(jìn)入路徑中產(chǎn)生包括要植入離子的環(huán)形射頻等離子體流，并向工件施加與期望的離子植入深度對應(yīng)的偏壓來執(zhí)行對工件的后沉積離子植入工藝。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，其特征是上述后沉積離子植入工藝包括用具有同涂層與下方的涂層被沉積的工件層之間的界面距離相當(dāng)?shù)闹踩肷疃认鄳?yīng)的動(dòng)能的離子來對工件進(jìn)行離子轟擊，以便提高涂層的附著力。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，其特征是上述后沉積離子植入工藝包括植入離子到選定物質(zhì)的涂層中，以提高涂層中所述物質(zhì)的含量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工藝，其特征是上述含量被提高至超過化學(xué)計(jì)量比。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工藝，其特征是上述選定物質(zhì)包括氮，使得上述后沉積離子植入工藝提高了涂層的介電常數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工藝，其特征是上述選定物質(zhì)是一類包括氫或者氦的輕物質(zhì)，使得上述后沉積離子植入工藝調(diào)整了涂層的應(yīng)力。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，其特征是上述后沉積離子植入工藝包括把離子植入與等離子體化學(xué)氣相沉積不相容的選定物質(zhì)的涂層中。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括至少具備下列特征之一的瞬間退火步驟(1)足夠低的溫度，(2)持續(xù)時(shí)間足夠短，以限制工件里的擴(kuò)散長度至幾十納米級的特征尺寸以下。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征是上述工件具有要填充涂層的高縱橫比孔，上述的工藝進(jìn)一步包括在沉積工藝開始時(shí)使用含氮的工藝氣體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括當(dāng)高縱橫比孔開始被填充涂層時(shí)提高工藝氣體中氧的含量，同時(shí)降低所述工藝氣體中的含氮量，直到當(dāng)高縱橫比的孔至少幾乎被填滿涂層時(shí)，至少幾乎所有的氮被氧取代。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的工藝，其特征是設(shè)置上述等離子體源功率大小以產(chǎn)生非保形性涂層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的工藝，其特征是設(shè)置上述等離子體源功率大小以產(chǎn)生至少幾乎保形性的涂層。
21.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征是上述第一頻率是高頻，上述第二頻率是低頻。
22.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征是上述的第一頻率和第二頻率相同。
23.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括在沉積涂層之前，連續(xù)遮蔽下列其中之一(1)工件中的一組N-通道元件結(jié)構(gòu)，(2)工件中的一組P-通道元件結(jié)構(gòu)，同時(shí)不遮蔽另外一組，如果未遮蔽的組由P-通道元件組成，將所述的射頻偏壓大小設(shè)置在涂層被壓應(yīng)力沉積的大小，如果未遮蔽的組由N-通道元件組成，將上述的射頻偏壓大小設(shè)置在涂層被拉應(yīng)力沉積的大小。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征是進(jìn)一步包括保持工件的溫度在100℃附近或低于100℃。
全文摘要
一種在工件上沉積含硅、氮、氫或氧中的任何元素的涂層的低溫工藝，包括將該工件放置在反應(yīng)室中并面向反應(yīng)室工藝區(qū)，將含硅、氮、氫或氧中的任何元素的工藝氣體注入反應(yīng)室，通過向在反應(yīng)室外部、形成再進(jìn)入路徑一部分的再進(jìn)入管的一部分施加約10兆赫大小的高頻射頻等離子體源功率，在通過工藝區(qū)的再進(jìn)入路徑中產(chǎn)生環(huán)形射頻等離子體流，向工件施加一或幾兆赫大小的低頻射頻等離子體偏壓功率，維持工件的溫度在大約100℃以下。
文檔編號H01J37/32GK1693537SQ200510068280
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月3日
發(fā)明者廣二 塙, 卡里提克·拉瑪瓦米, 肯尼思·S·柯林斯, 阿米爾·阿爾巴亞提, 柏周·伽羅, 安德魯·阮 申請人:應(yīng)用材料公司