專利名稱：低溫離子植入技術(shù)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是關于半導體制造，特別是關于低溫離子植入技術(shù)。
技術(shù)背景隨著半導體元件逐漸小型化(miniaturization)，半導體工業(yè)對于超淺 型接面(ultra-shallow junction)的需求也逐漸增加。例如，人們付出了 大量的努力來創(chuàng)造更具活性的、更淺的且更陡峭的源才及-漏4及(source-drain) 延伸接面(extension junction)， 以滿足目前互補金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)元件的要求。例如，要在結(jié)晶(crystalline)珪晶圓(silicon wafer)中產(chǎn)生陡峭 的超淺型接面，就需要將晶圓表面非晶化(amorphization)。通常，較佳的 是比較厚的非晶硅層，因為執(zhí)行完固相晶膜生長(solid-phase epitaxial growth)之后，因離子植入(ion implant)而產(chǎn)生的格隙(interstitial) 中，有少部分會剩下而成為后期植入退火(post-implant anneal )的一部分。 薄的非晶層會導致有較多的格隙留在非晶-結(jié)晶界面(interface)之外的末 端區(qū)域(end-of-range area )。這些格隙會導致離子植入摻質(zhì)(dopant)的 瞬間增強擴散(transient enhanced diffusion, TED),使得到的摻雜輪廓(dopant profile )(例如，P-N或N-P接面)加深與/或失去想要的陡峭度。 因此，較薄的非晶層會4吏得電子元件的短通道效應(short channel effect) 較為嚴重。格隙也可能會導致非活性團簇(inactive cluster)形成，這種 非活性團簇(尤其是硼(boron))可降低摻質(zhì)的活性。在活化退火過程中， 沒有被清除掉的非晶-結(jié)晶界面之外的格隙可結(jié)合起來形成復合的末端損傷(end-of-range damage )。這種末端損傷可導致接面漏電(junction leakage ) 與良率下降(yield loss)。在后面的熱工藝(thermal process)中，可通 過釋放可能促使摻質(zhì)擴散與摻質(zhì)反活化(deactivation)的格隙來挽救上述 的末端損傷。目前已發(fā)現(xiàn)，在離子植入過程中，較低的晶圓溫度有利于硅晶圓的非晶 化。在目前的離子植入應用中，典型地是通過氣體輔助工藝，在植入工藝中， 以晶圓冷卻器(chiller)來冷卻晶圓。多數(shù)情況下，這種冷卻技術(shù)可使晶圓 溫度介于冷卻器溫度(例如，15°C )與較高溫度之間，為了保護光阻(photoresist)的完好無損，此較高溫度具有上限(例如，IO(TC )。此較 高溫度可增強自退火效應(self-annealing effect),而4吏Frenkel對(因 離子束轟擊(ion beam bombardment)而產(chǎn)生的空位-格隙對)消失(annihilation)(在植入過程中的)。因為只有當離子束置換足夠量的硅 原子時才會發(fā)生硅非晶化，而在高溫下Frenkel對消失的程度會增加，這將 不利于非晶化工藝，使得非晶化的劑量臨界值(dose threshold)偏高，因 而無法得到理想的淺接面。在其他參數(shù)相同的情形下，如果自退火效應減弱，那么非晶硅層的厚度 可隨著植入溫度的降低而增大。如此一來，元件性能可得到較好的工藝式控 制與預測。一般來說，利用快速熱退火來活化(activate)植入的摻質(zhì)，在快速熱 退火過程中，晶圓在5秒鐘內(nèi)被加熱至(例如)IOO(TC。非擴散式退火 (diffusion-less anneal )則為較佳的后期植入工藝，在這種非擴散式退火 過程中，利用(例如)激光(laser)或閃光燈(flash lamp)作為熱源使晶 圓的溫度快速上升(例如，在5毫秒內(nèi)上升至IOO(TC )。這些極快的速熱工 藝使得摻質(zhì)無法有效地擴散，而植入損傷也沒有充足的時間來進行修復。而 低溫離子植入可提高這種非擴散式退火過程中的植入損傷修復的程度。此外，還有其他采用低溫離子植入的原因。雖然目前已采用低溫離子植入，不過現(xiàn)有的方法中存在著許多缺點。例如，目前的低溫離子植入技術(shù)的發(fā)展著重在批量晶圓式(batch-wafer )離子 植入機，但半導體工業(yè)的當前趨勢較傾向于單晶圓式(single-wafer)離子 植入機。批量晶圓式離子植入機通常是處理裝在一個真空室(vacuum chamber)里的多個晶圓(批量)。如果要使同一真空室里同時存在著多個冷 卻的晶圓(通常持續(xù)較長時間)，就需要有特殊的原地(in-situ)冷卻性能。 預先冷卻整批晶圓并不容易，因為每個晶圓在進行植入過程前會經(jīng)歷不同的 溫升。此外，曝露于真空室的低溫晶圓可導致殘留水份結(jié)冰(icing)。在研 究中，已有在單晶圓式離子植入機中執(zhí)行低溫離子植入，但通常是在由樣品 操作裝置所機械支撐的小基板上執(zhí)行。再者，這種研究性的植入不須考慮大 基板的生產(chǎn)價值、產(chǎn)能以及金屬及微粒污染低的問題。鑒于以上所述，本發(fā)明提供一種能夠克服上述缺點與不足，而能應用于 單晶圓式高處理量離子植入機的低溫離子植入方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開了一種低溫離子植入技術(shù)。在一實施例中，低溫離子植入技 術(shù)可以 一種低溫離子植入裝置來執(zhí)行。這種低溫離子植入裝置可包括晶圓支 撐機構(gòu)，在離子植入過程中支撐著晶圓，且?guī)椭A在至少一維(one dimension)空間里移動。此4氐溫離子才直入裝置也可包括冷卻才幾構(gòu)(cooling mechanism)，耦接到晶圓支撐機構(gòu)。此冷卻機構(gòu)可包括制冷單元 (refrigeration unit); 閉環(huán)(closed loop)岡'J性管(rigid pipe)， 讓 至少一種冷卻劑(coolant )從制冷單元循環(huán)流動到晶圓支撐機構(gòu)；以及一個 或多個旋轉(zhuǎn)式軸承(rotary bearing)，耦接剛性管，以幫助晶圓在至少一 維空間里移動。在另 一實施例中，低溫離子植入技術(shù)可以一種低溫離子植入方法來執(zhí)行。 這種低溫離子植入方法可包括將晶圓放置在臺板(platen)上，此臺板配置成可至少在一維空間里移動晶圓。此低溫離子植入方法也可包括將閉環(huán)剛性 管耦接到臺板，此閉環(huán)的至少兩部分經(jīng)由一個或多個旋轉(zhuǎn)式軸承來連接，以幫助晶圓在至少一維空間里移動。此低溫離子植入方法可更包括經(jīng)由閉環(huán) 剛性管，讓至少一種氣態(tài)冷卻劑循環(huán)流到臺板，以在晶圓的離子植入過程中使晶圓保持在預定溫度范圍內(nèi)。下面將參照附圖所示實施例來詳細描述本發(fā)明。雖然以下是參照實施例來描述本發(fā)明的，不過應當明白的是，本發(fā)明并不局限于實施例。對此技術(shù) 具有通常知識且已了解了本文的教導的本領域技術(shù)人員將會認可本文所述的 本發(fā)明范圍內(nèi)的額外實施方法、改動及實施例以及其他的應用領域，本發(fā)明 也非常適用于這些額外的實施方法、改動、實施例以及其他應用領域。為讓本發(fā)明上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳 實施例，并配合所附圖式，作詳細"i兌明如下。
圖1所示為傳統(tǒng)的離子植入機；圖2所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的可改裝為低溫離子植入的晶圓支撐組 裝的截面圖；圖3所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的用于低溫離子植入的晶圓支撐組裝的 立體圖；圖4所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的旋轉(zhuǎn)式軸承的設計圖； 圖5所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的用于低溫離子植入的熱交換系統(tǒng)的方 塊圖；圖6所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的臺板中的冷卻通道；圖7所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的靜電夾的示范性電極模式。
具體實施方式
9本發(fā)明的實施例通過改良的晶圓支撐及冷卻系統(tǒng)設計，以在低溫離子植 入過程中進行直接晶圓冷卻。在離子植入機中，冷卻劑剛性管可經(jīng)由一個或 多個旋轉(zhuǎn)式軸承來互連，且耦接到臺板，其中此冷卻劑剛性管在相對高壓下可調(diào)節(jié)冷卻劑循環(huán)，且旋轉(zhuǎn)式軸承幫助臺板移動。可用真空罩(casing)來 隔離冷卻劑剛性管，以避免熱損耗與冷凝(condensation)。較佳的使用氣 態(tài)冷卻劑，因為少量的氣態(tài)冷卻劑滲漏不會污染離子植入機。為了精確地控 制晶圓溫度，冷卻系統(tǒng)可包括加熱元件。本文所公開的技術(shù)并不局限于束線(beam-line)離子植入機，其也可應 用于其他類型的離子植入機，例如可執(zhí)行電漿摻雜(plasma doping, PLAD) 或浸沒式電漿離子植入(plasma immersion ion implantation, PIII)的離 子植入機。圖1所示為一種傳統(tǒng)的離子植入系統(tǒng)IOO,在此離子植入系統(tǒng)IOO中， 可根據(jù)本發(fā)明的一實施例來實施低溫離子植入技術(shù)。像大多數(shù)離子植入系統(tǒng) 一樣，系統(tǒng)100是位于高度真空環(huán)境中。離子植入系統(tǒng)IOO可包括離子源(ion source) 102，電源、101只于其施力口{扁壓至1」某一電4立(potential);以 及一系列復合的束線元件，離子束10會穿過這些束線元件。這一系列束線元 件可包括(例如)提取電極(extraction electrode) 104、 90°石茲分析器(magnet analyzer) 106、第一減速(Dl)臺108、 70° f茲準直器(magnet collimator) 110以及第二減速(D2 )臺112。跟操縱光束的一系列光學透鏡(optical lenses) —樣，這些束線元件在將離子束10轉(zhuǎn)向(steer)目標 晶圓之前可先過濾且聚焦(focus)離子束10。在離子植入過程中，目標晶 圓通常被放置在臺板114 (有時稱為"roplat")上，此臺板114可通過一 種裝置而在一維或多維空間里移動(例如，移動、旋轉(zhuǎn)以及傾斜)。圖2所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的可改裝成低溫離子植入的晶圓支撐組 裝(assembly) 200的截面圖。此晶圓支撐組裝200可通過或在內(nèi)部保持高 度真空的終端臺(end-station) 26中實施。此終端臺26的外部可處于大氣壓下或接近大氣壓。晶圓支撐組裝200可包括臺板28、上面部件70、下面部 件65以及氣浮式岸義軸(air bearing shaft) 50，這些元件經(jīng)由一個或多個 軸承與/或接合面(joint)而耦接在一起。晶圓27可放置在臺板28上，而 離子束12可對晶圓27進行離子才直入。氣浮式承軸50穿過終端臺26的墻壁，且可幫助晶圓27進行垂直掃描式 移動(如雙箭頭52所指示)。在此移動過程中，空氣軸承55可使終端臺26 的墻壁與氣浮式承軸50之間保持真空密封狀態(tài)。氣浮式承軸50也可繞著縱 軸60旋轉(zhuǎn)到(例如)±2° ，以補正離子束12的轉(zhuǎn)向誤差。為了清楚起見， 圖2中沒有示出氣浮式承軸50的元件，例如為此技術(shù)領域中眾所周知的線性 馬區(qū)動馬達(linear drive motor)、線寸生編石馬器(linear encoder)與角編 碼器(angular encoder)、差動真空泵浦(differential vacuum pump)、 移動控制系統(tǒng)以及其他元件。晶圓支撐組裝200的下面部件65可安裝在氣浮式承軸50的頂端。晶圓 支撐組裝200的上面部件70可沿著傾斜軸80而連在下面部件65上。這兩個 部件65與70可以流體方式(fluid)相通以及與氣浮式承軸50相通，使這 些元件內(nèi)部可處于大氣壓或接近大氣壓下，這跟終端臺26內(nèi)的高度真空相 反。晶圓27可以相對于水平面(例如)±60°而繞著傾斜軸80傾斜，以便 于執(zhí)行有角度的離子植入。晶圓27也可繞著軸90旋轉(zhuǎn)，以便于執(zhí)行(例如) 具有高處理量的雙極模式(bi-mode)或四極模式(quad-mode)植入。此技 術(shù)領域里眾所周知的軸承、真空密封、馬達、編碼器以及其他部件沒有示于 圖2中。在現(xiàn)有的低溫離子植入機的設計中，冷卻系統(tǒng)可并入或耦接于晶圓支撐 組裝200。此冷卻系統(tǒng)通常包括冷卻劑軟管95，供應液態(tài)冷卻劑于臺板28; 冷卻劑盤管(coolant coil) 105,幫助臺板28旋轉(zhuǎn)移動；以及冷卻劑環(huán)路 (coolant lo叩)101，使液態(tài)冷卻劑在臺板28內(nèi)循環(huán)。晶圓27在離子植入 過程中可^皮冷卻以:J氐消沉積在晶圓27中的射束能量(beam energy)的熱效應。晶圓27可以靜電方式(electrostatically )固定在臺板28上，且晶圓 27與臺板28之間通常有8微米的間隙，以便能夠引入背面氣體(backs ide gas) 來改善晶圓27與臺板28之間的熱傳導(thermal conduction)。為了清楚 起見，關于背面氣體的循環(huán)沒有示于圖2中。晶圓27可通過背面氣體將熱量 傳遞到臺板28上，然后流經(jīng)冷卻劑環(huán)路101的液態(tài)冷卻劑可將這些多余的熱 量帶走。舉例來說，60keV射束能量與20mA射束電流(beam current )下的砷(As ) 植入，可沉積大約1200W能量到終端臺26中。在此離子植入工藝中，晶圓 27與臺板28之間的溫度差可能是40。C。外部的水冷式(water-cooled)熱 交換器(heat exchanger)(沒有示出)可將水流冷卻至20。C，而水流可通 過內(nèi)直徑為0. 188英寸的薄壁軟塑膠管，而以0. 6gpm (加侖/分鐘)的速率 循環(huán)流到臺板28。此水流可確保晶圓溫度不超過上限(例如100°C ，已知超 過此溫度，遮蓋晶圓的光阻就會祐L破壞)。圖3所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的用于低溫離子植入的晶圓支撐組裝 300的立體圖。與圖2所示的晶圓支撐組裝200相比，可用一系列與旋轉(zhuǎn)式 軸承120、 122與124互連的冷卻劑剛性管(例如，金屬管)126、 127與128 來取代冷卻劑軟管(95、 101與105 )，使得臺板28可分別繞著軸60、 80以 及90移動。旋轉(zhuǎn)式軸承120、 122與124在設計上可相同，也可不同。下面 將參照圖4來描述旋轉(zhuǎn)式軸承的一種示范性設計。冷卻劑剛性管126可經(jīng)由 界面盒(interface box) 130而進一步耦接到制冷系統(tǒng)145，且與絕緣軟線 135相連。晶圓支撐組裝300的兩部件65與70是以流體方式相通以及與氣浮式承 軸50相通，使得這些元件的內(nèi)部形成真空空間，此真空空間與終端臺真空空 間(沒有示出)是隔開的。此真空空間不僅可為冷卻劑管道(126、 127及128) 與旋轉(zhuǎn)式軸承(120、 122及124)提供熱絕緣，而且也可避免發(fā)生冷凝。真 空幫泵系統(tǒng)140 (例如旋轉(zhuǎn)式泵浦(rotary pump)或旋轉(zhuǎn)式泵浦與渦輪式泵浦(turbo pu即)相結(jié)合)可將氣體抽離界面盒130，借此來達到氣浮式承 軸50內(nèi)的真空程度。也可利用界面盒130來關閉氣浮式承軸50的末端，且 使內(nèi)腔能夠與終端臺26 (圖3中沒有示出)內(nèi)的高度真空空間相通，藉此來 達到真空程度。這種相通可用閥(valve)(沒有示出)來控制，如此一來， 可以在不影響終端臺的情況下，維持氣浮式承軸50內(nèi)的真空。除了維持氣浮 式承軸50內(nèi)部的真空環(huán)境外，也可以用干燥的惰性氣體(inert gas)來填 充或清理氣浮式承軸50的內(nèi)腔。另外，可能需要對冷卻劑管道(126、 127 及128 )與旋轉(zhuǎn)式軸承(120、 122及124 )進行絕緣。圖4所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的旋轉(zhuǎn)式軸承400的設計圖。此旋轉(zhuǎn)式 軸承400可包括內(nèi)轂(hub) 205與外轂200，其經(jīng)由軸承245與蓋板250來 耦接。內(nèi)轂205可在外轂200中繞著軸255旋轉(zhuǎn)。此外，在內(nèi)轂205保持靜 止不動的情形下，外轂200也可繞著軸255旋轉(zhuǎn)。第一導入管(ingress pipe) 210可經(jīng)由環(huán)形通道214而與第一導出管 (egress pipe) 220相通，從而形成第一流路(flow path)。第二導入管 212可經(jīng)由軸通道216而與第二導出管222相通，從而形成第二流路。請注 意，名稱"導入管，，與"導出管"只是為了便于描述，任一流路中的冷卻劑 流都可具有兩種流向中的一種。例如，冷卻劑可沿著第一流路進入，經(jīng)過臺 板(沒有示出)中的冷卻通道之后經(jīng)由第二流路返回，或者冷卻劑也可沿著 第二流路進入，然后經(jīng)由第一流路返回。值得注意的是，內(nèi)轂205的旋轉(zhuǎn)不會中斷第一流路或第二流路中的冷卻 劑流。可用軸承240與242來密封環(huán)形通道214與軸通道216。軸承240與 242的密封面可包括(例如)聚四氟乙烯(Teflon),石墨(graphite), 浸漬石墨的聚四氟乙烯，如氧化鋁(alumina)、氮氧化鋁(aluminum oxy-nitride)或碳化珪(silicon carbide)之類的陶資材料，或者金屬。 如圖所示，焊接在固定式轂200中的伸縮嚢(bellow) 230與232可維持密 封面之間的壓力。此外，在外轂200與伸縮嚢230、 232之間可能有第二組類似于軸承240與242的密封元件(沒有示出)。在不脫離本發(fā)明的精神的前提下，也可實施其他設計的旋轉(zhuǎn)式軸承。圖5所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的用于低溫離子植入的熱交換系統(tǒng)500 的方塊圖。此熱交換系統(tǒng)500可包括冷卻電路的主環(huán)路51與輔助環(huán)路52。主環(huán)路51可將作為主要冷卻劑的液態(tài)氮(LN2)(或冷卻的氣態(tài)氮)從 LN2箱502循環(huán)流動到LN廣N2熱交換器504，在此LN2-&熱交換器504中，液 態(tài)氮(LN2)可以冷卻輔助環(huán)路52的一部分。而由液態(tài)氮(LN2)產(chǎn)生的氮蒸 汽(N2)可被捕獲到汽閘(vapor trap) 506中。作為輔助冷卻劑的氮氣可在輔助環(huán)路52將中循環(huán)。通過泵浦510,壓縮 機(compressor) 508可供應氮氣(N2)至LN2-比熱交換器504，在LN廣N2熱 交換器504中，氮氣冷卻下來，然后開始進行循環(huán)，其經(jīng)由真空界面盒514、 氣浮式承軸516以及臺板(roplat) 518而循環(huán)至真空室50內(nèi)的臺板520。冷 卻的氮氣(N2)可預先冷卻與/或持續(xù)冷卻臺板520所支撐的目標晶圓(沒有 示出)。冷卻的氮氣(N2)在冷卻臺板520后，溫度較高的氮氣可被泵浦到 LN廠N2熱交換器504以^便繼續(xù)循環(huán)。為了更加精確地控制輔助冷卻劑氮氣(N2 )的溫度，可將調(diào)溫加熱器(trim heater) 512耦接到輔助環(huán)路52。此外，也可將加熱元件(沒有示出)并入 臺板520。調(diào)溫加熱器512、 LN廣N2熱交換器504和/或泵浦510的泵浦速度的 調(diào)配，可以使輔助冷卻劑氮氣(N2)(從而使臺板520 )具有恒定的溫度或保持在想要的溫度范圍內(nèi)。真空泵浦系統(tǒng)501可用于熱交換系統(tǒng)500的多種元件中，例如泵浦510、 調(diào)溫加熱器512以及真空界面盒514。依據(jù)本發(fā)明的實施例，在低溫離子植入機中使用例如氮氣的氣體來作為 輔助冷卻劑有許多優(yōu)點。適當?shù)睦鋮s劑氣體可包括在化學上具有惰性的單一 氣體或氣體混合物，例如氮氣、純凈干空氣或氬氣(argon)。少量的冷卻劑 從輔助冷卻環(huán)路滲漏到離子植入機是允許的，只要上述的滲漏率(leak rate )14低于真空泵浦的抽走滲漏的冷卻劑氣體的能力即可。由于真空泵浦不易抽走氦氣(helium)或氬氣(hydrogen),所以最好不要選用它們作為冷卻劑氣 體。再者，惰性氣體的滲漏沒有腐蝕性且不會導致冷凝。與液態(tài)冷卻劑相比，氣態(tài)冷卻劑可能需要較高的流速。然而，舉例來說， 在現(xiàn)有的水冷式臺板中，水的流速只需要達到0. 6gpm即可。為了要達到較高 的流速，氣態(tài)冷卻劑的冷卻劑管道可具有較大的直徑。才艮據(jù)冷卻劑流動的數(shù) 學模型，希望能使冷卻劑管道中的氣態(tài)冷卻劑保持紊流(turbulent flow) 的狀態(tài)(而不是層流(laminar flow)狀態(tài))，以最大4t熱傳遞。不過，如 果冷卻劑氣體的流速太快(例如，超過0. 3馬赫或此氣體中聲速的30% )， 那么理想的氣體假設可能不再有效。使用氣態(tài)冷卻劑作為冷卻系統(tǒng)在商業(yè)上是可行的。Brooks Automation, Inc. (Chelmsford, MA)的PolyCold 系統(tǒng)PGCL2閉環(huán)氣體冷卻器就是一 個例子，美國專利第7，111，467號中有相關的描述。不過PolyCold⑩系統(tǒng)冷 卻器中使用的冷卻劑可用其他冷卻劑來代替，例如液態(tài)氮、固態(tài)二氧化碳 (carbon dioxide )或氛(ammonia)。為了4吏冷^卩劑氣體具有高力t速，車甫助 環(huán)路較佳的是圍成圈，以再循環(huán)冷卻劑氣體。為了避免因少量的冷卻劑氣體 滲漏而造成任何損耗，可使先準備好用于補充的冷卻劑氣體。不過，如果氣 體的保存不是太重要的話，那么也可使用開放式(open-ended)輔助冷卻系 統(tǒng)，例如Po 1 yCo 1 d 系統(tǒng)PGC氣體冷卻器。根據(jù)另一實施例，與圖5所示的熱交換系統(tǒng)(系統(tǒng)500 )相似，其可包 括兩個或多個熱交換器。例如，第一熱交換器可應用于室溫離子植入。第一 熱交換器可用水來與冷卻臺板的輔助環(huán)路進行熱量的交換。對于冷植入(cold implant)而言，輔助環(huán)路可通過(例如)閥系統(tǒng)來改變方向，以繞過第一熱 交換器，而利用第二熱交換器來將其冷卻到很低的溫度。根據(jù)另一實施例，可使用單個熱交換器來達到所有的溫度范圍，且可根 據(jù)想要的晶圓溫度來選擇不同的冷卻劑。例如，可選擇水來執(zhí)行室溫植入，且可選擇其他冷卻劑來執(zhí)行低溫植入。液態(tài)冷卻劑不可混合。較佳實施例可 使用氣體作為低溫冷卻劑，使用7jC作為室溫冷卻劑。執(zhí)行完室溫植入之后，(室溫或高于室溫的)氣體可用來清理熱交換器以及與之相關的冷卻通道中 的水，然后冷氣體循環(huán)到臺板。用單個熱交換器來控制氣態(tài)冷卻劑與液態(tài)冷 卻劑這兩種冷卻劑的流動，希望冷卻通道的截面尺寸能大到可以容納液流與 氣流。因為層流可能具有較低的熱傳遞性能，所以確保冷卻劑流動為紊亂有 許多優(yōu)點。根據(jù)另一實施例，單個熱交換器可控制兩種不同液態(tài)冷卻劑的流 動，其中當從一種液態(tài)冷卻劑轉(zhuǎn)換為另一種液態(tài)冷卻劑時，可對熱交換器執(zhí) 行氣體清理流程。為了在不同晶圓溫度下的離子植入中使用靜電臺板，需要對臺板的設計 有特殊的思考和考慮。典型的靜電臺板包括多層。首先，此臺板可安裝在機械底座上，使此臺 板能夠附著在其余的工藝設備上。此機械底座通常是用例如鋁的金屬制造而成，其可包括冷卻通道，例如圖2所示的冷卻劑環(huán)路101。此機械底座層上 面可有絕緣層，此絕緣層是用例如氧化鋁或氮氧化鋁的陶瓷材料制造而成。 電極層可位于絕緣層上面，此電極層可以是沉積的金屬，且可由單個電極或 多個電極段組成。薄介電層可位于電極層上。當DC或AC電壓施加在電極上 時，可將晶圓裝載到介電層上，而以靜電方式將晶圓固定在臺板上。介電層 大致上會完全接觸晶圓的背面，但也可具有例如臺面式(mesa)結(jié)構(gòu)，使得 只有百分之幾的晶圓接觸介電層。例如，在一個臺板中，接觸面積只有晶圓 總面積的1%。然后，氣體可被輸送到晶圓與介電層之間，以增加從晶圓到 臺板的熱傳導。在臺板的熱循環(huán)(thermal cycling)過程中，若使用粘在機械支撐底座 上的絕緣層的傳統(tǒng)臺板，其可能會產(chǎn)生彎曲(bow),因為臺板中的不同材料 具有不同的熱收縮(t he rma 1 con t r a c t i on )。絕緣層與機械支撐底座之間的 黏結(jié)層的設定溫度也就是臺板平坦時的溫度。任何不同于此設定溫度的溫度都可能造成臺板彎曲。如果臺板的上表面產(chǎn)生彎曲，那么固定在其上的晶圓 就可能會隨著臺板表面而彎曲。這種現(xiàn)象會導致晶圓之上表面的不同部分的 方向隨著植入離子束的變化而變化，從而造成角分布廣以及處理不一致。因 此，需要減小或消除臺板中的彎曲，以適用于大范圍的工藝溫度。例如，希 望以相同的臺板設計來實施室溫植入與低溫植入。值得熟悉此技藝者關注的 是，這種臺板設計并不局限于離子植入，單個臺板也可應用于可能會經(jīng)受明 顯溫度變化的其他工藝。根據(jù)一 實施例，希望臺板的機才統(tǒng)座與絕緣層是用相同材料或單片材料 構(gòu)成。在較佳實施例中，機械底座與絕緣層是用單片陶瓷(例如氧化鋁)制 造而成。另一種方式或者另外，如果冷卻通道嵌入絕緣層中，且只有積4成底 座的周邊才有絕緣層，那么臺板的彎曲則可減小。減小臺板彎曲的其他實施例可包括(l)將冷卻通道放置在臺板的活性陶瓷中；(2)將連接器硬焊在陶 瓷上，以進入水通道；(3)將陶瓷附著在金屬底座的邊緣，借此以最小化熱彎 曲的方式將陶瓷連接到此金屬底座；(4)將電性連接區(qū)域以最小化熱彎曲的方 式連接到活性陶瓷層的中心；(5)將聚合物上表面用于上述臺板；(6)將平坦 硬陶瓷上表面用于上述臺板；(7)將接觸面積小的臺板用于上述臺板；(8)使 用上述臺板中的加熱元件來使系統(tǒng)達到操作溫度；以及/或(9)使用陶資底座。圖6所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的臺板中的冷卻通道。在本實施例中， 冷卻通道725被機械加工成單片材料700。此單片材料700可包括第一組 穿通孔(clearance hole ) 705，其用于晶圓升降銷(1 if t pin )(沒有示出); 以及第二組穿通孔710,用于電極接觸。冷卻劑可經(jīng)由入口通道720進入冷 卻通道725,且經(jīng)由出口通道715離開冷卻通道725 (或反之)。冷卻通道 725可以逆流(counter-flow)配置的方式來形成，4吏促4吏冷卻劑流向流轉(zhuǎn) 回環(huán)路(flow turnaround loop) 730的通道與那些促使冷卻劑反方向流動 的通道為相互交叉。在圖6中，冷卻劑的一種流向是用點線來標示，而與之 相反的流向則是用虛線來標示。乂人徑向上來看，每間隔一個冷卻通道的冷卻通道725輸送具有相同流向的冷卻劑。這種逆流模式與中心室735可使臺板 的溫度分布變均勻。圖7所示為依據(jù)本發(fā)明一實施例的靜電夾(electrostatic clamp, ESC) 750的示范性電極模式。以定相的AC電壓(通常為30Hz)來供電的典型靜電夾包括多個電極段 (例如，六個)，因而在有些電極段被供電(energize)(以施加晶圓夾持 力(clamping force))的同時，其他電極段從正電壓變?yōu)樨撾妷?以減小晶 圓夾持力或不施加晶圓夾持力)。在晶圓夾持力減小的過程中，背面的氣壓 可遍及偏轉(zhuǎn)電極段之間的空間而4吏晶圓向上撓曲(deflect)。晶國撓曲會造 成晶圓背面與臺板表面之間產(chǎn)生摩擦，從而導致微粒產(chǎn)生、晶圓背面微粒污 染、晶圓背面損壞以及臺板表面磨損。為了解決上述的晶圓撓曲問題，可實施一種狹窄指狀(narrow-finger) 的交叉指型(inter-digitated)的電極模式750，如圖7所示。此電極模式 750可包括六個電極752 ~ 762,這六個電極752 ~ 762形成用3相或6相電壓 供應器來供電的三對電極。關于實施多相夾持裝置的示范性方法，在美國專 利第5，452，177號(已整個并入本文)中有相關的描述。由于電極模式750 具有交叉指型，因而不論電壓相位如何，晶圓夾持力都能夠分布于晶圓區(qū)域 上。因此，晶圓可停止振動，從而可減少微粒的產(chǎn)生?？蓪㈦姌O模式750最 佳化到使產(chǎn)生的晶圓夾持力在整個晶圓區(qū)域上均勻分布，而不受所施加的AC 電壓周期的時間影響。這種示范性電極設計可將晶圓撓曲程度減小到如同用 MathCAD模型所預測的0. 3微米。這種電極模式或類似的電極模式可與全背 面接觸(full back-side contact)的介電層或接觸面積小的臺板一起使用。雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 本領域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作一些的修改與修 飾，因此本發(fā)明的保護范圍當以權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種低溫離子植入裝置，包括晶圓支撐機構(gòu)，在離子植入過程中支撐著晶圓，且?guī)椭鼍A在至少一維空間里移動；以及冷卻機構(gòu)，耦接到所述晶圓支撐機構(gòu)，所述冷卻機構(gòu)包括制冷單元；閉環(huán)剛性管，讓至少一種冷卻劑從所述制冷單元循環(huán)流動到所述晶圓支撐機構(gòu)；以及一個或多個旋轉(zhuǎn)式軸承，耦接所述剛性管，以幫助所述晶圓在所述至少一維空間里移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，其中至少一種所述冷卻劑 包括至少一種氣態(tài)冷卻劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫離子植入裝置，其中至少一種所述冷卻劑 是選自氮氣、氬氣與純凈干空氣所組成的族群。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫離子植入裝置，其中至少一種所述氣態(tài)冷 卻劑包括一種或多種干的化學惰性氣體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫離子植入裝置，其中至少一種所述氣態(tài)冷 卻劑是以紊流方式在所述剛性管中循環(huán)，以達到所需的熱傳遞率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，還包括護罩，在離子植入過程中，將所述閉環(huán)剛性管的至少一部分與支撐著所 述晶圓的第 一 真空空間隔開。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的低溫離子植入裝置，其中所述護罩提供第二真 空空間，以對所述閉環(huán)剛性管的所述至少一部分進行熱絕緣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的低溫離子植入裝置，還包括閥，位于所述護罩中，當所述閥打開時，所述第一真空空間與所述第二 真空空間之間能夠相通。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的低溫離子植入裝置，其中所述護罩包括氣浮式 承軸，所述氣浮式承軸穿過終端臺的壁，所述終端臺包圍著所述第一真空空 間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，其中每個旋轉(zhuǎn)式軸承經(jīng)配 置以耦接兩個導入管與兩個導出管，且其中第一導入管經(jīng)由環(huán)形通道與第一 導出管相通，第二導入管經(jīng)由軸通道與第二導出管相通，使得兩個所述導入 管的旋轉(zhuǎn)不會帶動兩個所述導出管旋轉(zhuǎn)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，其中所述制冷單元包括第 一熱交換器，利用選自液態(tài)氮、固態(tài)二氧化碳、液態(tài)氨以及混合冷卻劑所組 成的第一族群的一種或多種冷卻劑來冷卻所述閉環(huán)剛性管的一部分，所述第 一熱交換器使所述晶圓保持在第一溫度范圍內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的低溫離子植入裝置，還包括第二熱交換器，使所述晶圓保持在不同于所述第 一溫度范圍的第二溫度 范圍內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，還包括 調(diào)溫加熱器，加熱所述閉環(huán)剛性管的一部分，從而使所述晶圓支撐機構(gòu)所支撐著的所述晶圓保持在所需的溫度范圍內(nèi)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，其中至少一種所述冷卻劑 包括兩種冷卻劑，且所述低溫離子植入裝置還包括選擇機構(gòu)，選擇兩種所述冷卻劑之一來達成所需的晶圓溫度范圍。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的低溫離子植入裝置，其中兩種所述冷卻劑包 括水，在室溫離子植入中冷卻所述晶圓；以及氣態(tài)冷卻劑，將所述晶圓冷 卻到實質(zhì)上低于室溫的溫度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的低溫離子植入裝置，其中兩種所述冷卻劑包 括兩種液態(tài)冷卻劑，且其中當兩種所述液態(tài)冷卻劑之間進行交換時，用氣體 來清理所述閉環(huán)剛性管。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，其中所述晶圓支撐機構(gòu)包 括多個冷卻通道，經(jīng)配置以形成逆流模式。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫離子植入裝置，其中所述晶圓支撐機構(gòu)包 括靜電夾，所述靜電夾具有多個交叉指型電極段。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的低溫離子植入裝置，其中所述靜電夾是用多 相電壓供應器來供電。
20. —種低溫離子植入方法，包括將晶圓放置在臺板上，所述臺板經(jīng)配置以在至少一維空間里移動所述晶圓；將閉環(huán)剛性管耦接到所述臺板，所述閉環(huán)的至少兩部分經(jīng)由一個或多個 旋轉(zhuǎn)式軸承來連接，以幫助所述晶圓在所述至少一維空間里移動；以及經(jīng)由所述閉環(huán)剛性管，讓至少一種氣態(tài)冷卻劑循環(huán)流到所述臺板，以在 所述晶圓的離子植入過程中使所述晶圓保持在預先確定的溫度范圍內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的低溫離子植入方法，還包括在離子植入過程中，將所述閉環(huán)剛性管的至少一部分與支撐著所述晶圓 的第一真空空間隔開。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的低溫離子植入方法，還包括 提供第二真空空間，以對所述閉環(huán)剛性管的所述至少一部分進行熱絕緣。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的低溫離子植入方法，還包括 允許所述第 一真空空間與所述第二真空空間之間經(jīng)由閥來相通。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的低溫離子植入方法，其中至少一種所述氣態(tài) 冷卻劑是以紊流方式在所迷剛性管中循環(huán)，以達到所需的熱傳遞率。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的低溫離子植入方法，還包括 加熱所述閉環(huán)剛性管的一部分，從而使所述晶圓支撐機構(gòu)所支撐著的所述晶圓保持在所需的溫度范圍內(nèi)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的低溫離子植入方法，更包括選擇不同于至少 一種所述氣態(tài)冷卻劑的第二種冷卻劑，以達成不同的晶 圓溫度范圍。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的低溫離子植入方法，其中所述第二種冷卻劑 包括水，在室溫離子植入中用來冷卻所述晶圓，且其中至少一種所述氣態(tài)冷 卻劑是在實質(zhì)上低于室溫的溫度下的離子植入中用來冷卻所述晶圓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫離子植入技術(shù)。在一特殊實施例中，此技術(shù)可體現(xiàn)為低溫離子植入裝置。此低溫離子植入裝置可包括晶圓支撐機構(gòu)，晶圓支撐機構(gòu)在離子植入過程中支撐著晶圓且?guī)椭A在至少一維空間里移動。此低溫離子植入裝置也可包括冷卻機構(gòu)，其耦接到晶圓支撐機構(gòu)。此冷卻機構(gòu)可包括制冷單元；閉環(huán)剛性管，讓至少一種冷卻劑從制冷單元循環(huán)流動到晶圓支撐機構(gòu)；以及一個或多個旋轉(zhuǎn)式軸承，耦接剛性管，以幫助晶圓在至少一維空間里移動。
文檔編號H01L21/00GK101563751SQ200780043672
公開日2009年10月21日 申請日期2007年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者D·杰弗里·里斯查爾, 喬納森·吉羅德·英格蘭, 理查·S·默卡 申請人:瓦里安半導體設備公司