低温离子布植技术

摘要

一种低温离子布植技术。在一特定较佳实施例中，所述技术可表现为低温离子布植装置。该装置可包含预冷站。预冷站靠近离子布植机中的终端站。该装置也可包含位于预冷站内的冷却机构。该装置可更包括与预冷站和终端站相连接的装载组件。所述装置可另包括控制器。控制器与装载组件及冷却机构通信，藉以将晶圆载入预冷站、使晶圆冷却到预定温度范围以及将冷却后的晶圆载入终端站。在终端站中，对冷却后的晶圆进行离子布植制造工艺。

权利要求

1.一种低温离子布植装置，包括：

预冷站，靠近离子布植机的终端站，所述预冷站用以对单个晶圆进行预冷；

冷却机构，位于所述预冷站内，所述冷却机构用以将所述晶圆冷却至预定温度范围；

装载组件，与所述预冷站和所述终端站相连；以及

控制器，与所述装载组件及所述冷却机构通信，藉以调节将晶圆载入所述预冷站、使所述晶圆冷却到预定温度范围以及将冷却后的所述晶圆载入所述终端站，在所述终端站中冷却后的所述晶圆接受离子布植制造工艺。

2.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述预冷站内含第一真空空间，且所述终端站内含第二真空空间，所述第一真空空间与所述第二真空空间相互独立。

3.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述离子布植机为单晶圆离子布植机，在所述终端站内一次处理一个所述晶圆。

4.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述控制器更包括使所述装载组件在所述离子布植制造工艺完成后立即将所述晶圆从所述终端站移出。

5.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述终端站包括平台，所述平台在所述离子布植制造工艺中用于固定所述晶圆，且其中所述晶圆与所述平台呈绝热状态。

6.根据权利要求5所述的低温离子布植装置，其中所述平台包括支撑所述晶圆的多个台面结构，使得所述平台和所述晶圆间的总接触面积比所述晶圆表面小。

7.根据权利要求5所述的低温离子布植装置，其中所述平台便于所述晶圆的倾斜和旋转。

8.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述预冷站包括固定平台，可在冷却时将所述晶圆固定住。

9.根据权利要求8所述的低温离子布植装置，其中所述固定平台包含升降元件，可供所述装载组件用以装卸所述晶圆。

10.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中在所述晶圆载入所述预冷站之后以及在将所述晶圆冷却至所述预定温度范围之前，所述晶圆被附着在物体上，以获得更大的热质量，以使所述晶圆在所述离子布植制造工艺中受到较小的温升。

11.根据权利要求10所述的低温离子布植装置，其中所述物体为比所述晶圆重的承板。

12.根据权利要求11所述的低温离子布植装置，其中所述晶圆被附着于具有二氧化碳的所述承板上，并低于二氧化碳的升华温度。

13.根据权利要求11所述的低温离子布植装置，其中所述承板包括有至少一个热感应器，所述热感应器嵌在所述承板中。

14.根据权利要求11所述的低温离子布植装置，其中所述承板嵌有冷却/加热机构。

15.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述离子布植制造工艺为等离子体掺杂制造工艺的一部分。

16.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述冷却机构冷却所述晶圆采用的一项或多项技术选自由气冷、冷却剂循环、冷却剂相变、帕尔贴热传以及内置式低温泵所构成的族群。

17.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中预计由所述离子布植制造工艺所导致的所述晶圆的温升量，且其中所述控制器进一步经配置以使所述晶圆至少部分在预计的所述温升量的基础上得以冷却，以避免所述晶圆在所述离子布植制造工艺中过热。

18.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述预冷站为与所述终端站相连的真空预备室的一部分。

19.根据权利要求1所述的低温离子布植装置，其中所述预冷站和所述冷却机构中的至少部分并入所述装载组件中。

20.一种低温离子布植的方法，包括：

将晶圆载入第一真空空间；

将所述第一真空空间中的所述晶圆冷却到预定的温度范围；

将冷却后的所述晶圆载入与所述第一真空空间相分离的第二真空空间；以及在所述第二真空空间对冷却后的所述晶圆进行离子布植制造工艺。

21.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，更包括：将承板附到所述晶圆的背面，以获得更大的热质量，使所述晶圆在所述离子布植制造工艺中微小地升温。

22.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，更包括：在所述离子布植制造工艺完成后，立即将所述晶圆从所述第二真空空间取出。

23.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，更包括：在离子布植制造工艺完成后，加热所述晶圆以使温度升至露点以上。

24.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，更包括：预计由所述离子布植制造工艺所导致的所述晶圆的温升量；以及使所述晶圆至少部分在预计的所述温升量的基础上得以冷却，以避免在所述离子布植制造工艺中所述晶圆过热。

25.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，更包括：暂停所述离子布植制造工艺；

重新将所述晶圆冷却至需要的温度；以及

恢复所述离子布植制造工艺。

26.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，其中所述离子布植制造工艺为等离子体掺杂制造工艺的一部分。

27.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，更包括：在进行所述离子布植制造工艺前对所述晶圆除气。

28.根据权利要求20所述的低温离子布植的方法，更包括：在完成所述离子布植制造工艺后，进行无扩散退火。

29.一种讯号，包含在至少一载波中，用以藉由至少一处理器发送可读的电脑指令程序，从而指示所述至少一处理器运行电脑程序来执行如权利要求20所述的低温离子布植的方法。

30.一种处理器可读的载波，用以储存电脑指令程序，藉由至少一处理器而可读，从而指示所述至少一处理器运行电脑程序来执行如权利要求20所述的低温离子布植的方法。

31.一种离子布植机，包括：

至少一终端站；

至少一预冷站，靠近所述至少一终端站，所述至少一预冷站具有冷却机构，所述预冷站用以对单个晶圆进行预冷，所述冷却机构用以将所述晶圆冷却至预定温度范围；

装载组件，与所述至少一终端站和所述至少一预冷站相连接；以及控制器，使晶圆在载入所述至少一终端站以进行离子布植制造工艺之前，被载入所述至少一预冷站，并冷却到预定温度范围。

32.一种离子布植及掺质活化的方法，包括：

对晶圆进行离子布植制造工艺，其中，在所述离子布植制造工艺中，将所述晶圆的温度保持在低于室温的范围内；以及在完成所述离子布植制造工艺后，对所述晶圆进行无扩散退火。

33.根据权利要求32所述的离子布植及掺质活化的方法，其中，在执行所述离子布植制造工艺之前，将所述晶圆预冷到需要的温度范围，且其中，在所述离子布植制造工艺中，将所述晶圆放在平台上，所述平台与所述晶圆至少部分绝热。

34.根据权利要求32所述的离子布植及掺质活化的方法，其中将所述晶圆的温度保持在一定范围内采用的一项或多项技术选自由气冷、冷却剂循环、冷却剂相变、帕尔贴热传以及内置式低温泵所构成的族群。

35.根据权利要求32所述的离子布植及掺质活化的方法，其中用激光进行所述无扩散退火。

说明书

低温离子布植技术

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体制造技术，更涉及一种低温离子布植技术。

背景技术

[0002] 随着半导体元件日趋小型化，人们对超浅接面(ultra-shallowjunction)的需求也日益增强。例如，为满足对现代互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)元件的需求，人们大力创造更加活化、更浅层以及更陡峭的源/漏极延伸接面(source-drainextension junction)。

[0003] 举例来说，要在晶体硅晶圆中创造一个陡峭超浅接面，需要使晶圆表面非晶化。通常，优先采用相对较厚的非晶硅层，因为使用薄的非晶硅层会导致非晶硅层中出现较多的大的隧穿(channeling)和较少的掺杂原子，且会致使较多的间隙(interstitial)驻留在非晶态-晶态交界面以外的末端区域中。由此，较薄的非晶硅层会导致较深的接面深、较不陡峭的掺杂分布、掺质活化不充分且在退火后引起较多的末端缺陷(end-of-rangedefect)。所有这些都是现代互补金属氧化物半导体(CMOS)元件小型化过程中的主要障碍，源/漏极延伸掺杂尤其如此。

[0004] 研究发现，在离子布植过程中采用较低的晶圆温度有利于硅晶圆非晶化。在当前的离子布植应用中，通常会在布植过程中采用冷却器(chiller)通过气体辅助制造工艺(gas-assisted process)使晶圆冷却。一般来说，上述冷却技术会将晶圆温度控制在冷却器温度(如，15℃)和为保持光阻完整性而采用的上限温度(如，100℃)之间。如此高温会增强自退火效应(self-annealing effect)，即，点缺陷对(Frenkel pairs)(由离子束轰击产生的填隙空位偶(vacancy-interstitial pairs))湮灭。由于仅当大量硅原子被束离子移开时才会发生硅非晶化，因此高温下点缺陷对湮灭增强会对亟需的非晶化过程产生不利影响，结果导致非晶化剂量阈值(dosethreshold)偏高，而理想的浅接面减少。

[0005] 在其他参数相同的情况下，非晶硅层的厚度会随因自身退火效应减弱所致布植温度的下降而增加。非晶层较厚时，尾部隧穿(tail channeling)会较小。更多的由束离子引起的损坏被限制在非晶区内，而紧靠非晶态-晶态交界面外侧的晶态区中损坏较少。此外，在随后的退火过程中，由于固相磊晶过程(solid-phase epitaxy process)使替代位置上出现更多的掺质，因此可得到更好的活化效果。

[0006] 除较厚非晶硅层带来的好处外，在低温下实施离子布植还可将点缺陷对在布植过程中的移动降到最低。因此，同高温布植情况相比，伸入非晶态-晶态交界面外区域的点缺陷对相对较少。大多数点缺陷对会在固相磊晶过程中逐渐回到晶格中，不会导致过多的间隙产生而引起瞬间增强扩散或形成扩展缺陷。过量间隙越少，源/漏极延伸掺杂对通道的影响越小，或是环形掺杂(halo doping)影响就越小。伸入通道的间隙越少、或是伸入通道区的环形掺质越少，负偶合(如，逆短通道效应)也就越小。因而，就可以更好地控制制造工艺，获得元件的预期性能。

[0007] 通常采用快速加热退火加热晶圆(如，在5秒钟内加热至1000℃)来活化植入的掺质。无扩散退火(diffusion-less anneal)日渐成为人们青睐的布植后制造工艺(post-implant process)，其中激光作为热源可使晶圆温度上升速度更快(如，在5毫秒内上升至1000℃)。这些超快速热处理作用如此之快，以致掺质来不及大范围地扩散，但也没有太多时间对植入损坏进行修复。相信低温离子布植可提高上述无扩散退火过程中的植入损坏修复程度。

[0008] 此外，优选低温离子布植也还有其他方面的原因。

[0009] 尽管采用了低温离子布植，但现有方法还是存在许多缺陷。首先，现有的大多数低温离子布植技术都是开发用于批量晶圆(batch-wafer)离子布植机的，而目前半导体产业的趋势更看好单晶圆(single-wafer)离子布植机。批量晶圆离子布植机主要对一个真空箱中的多个晶圆(成批)进行处理。若干冷却晶圆同时放在同一个真空箱中(通常时间更长)需要具有超强的现场(in-situ)冷却能力。对整批晶圆进行预冷并非易事，因为各晶圆在等待被植入时会经历不同的温升。而且，真空箱暴露于低温晶圆会导致残留水分结冰。

[0010] 其次，几乎现有的所有低温离子布植机都是在离子布植过程中直接冷却晶圆。除在制造工艺反应室中引起结冰问题外，直接冷却需要将冷却元件(如，冷却剂输送管道、热泵和额外的电力配线)并入晶圆平台(wafer platen)中。一般说来，现代晶圆平台已经相当精密，很难进行改造。因此，改造现有的离子布植机或设计新的离子布植机来适应低温制造工艺会因成本过高使人望而止步，只能设法做些边际改进。而且，为了低温离子布植而改造晶圆平台还会对离子布植机的室温离子布植能力造成不利影响。此外，现场冷却常常会严重减缓整个离子布植制造工艺，导致产量降低。

[0011] 鉴于上述原因，需要一种能克服上述不足和缺点的低温离子布植解决方案。

发明内容

[0012] 本发明的目的是揭露一种低温离子布植技术。在一种特定较佳实施例情况下，所述技术可以实现为一种低温离子布植装置。该装置可包含预冷站(pre-chill station)。预冷站靠近离子布植机中的终端站(endstation)。该装置也可包含位于预冷站内的冷却机构。该装置可更包括与预冷站和端站相连接的装载组件(loading assembly)。此外，所述装置可另包括与装载组件及冷却机构通信的控制器，藉以将晶圆载入预冷站、使晶圆冷却到预定温度范围以及将冷却后的晶圆载入终端站。在终端站中，对冷却后的晶圆进行离子布植制造工艺。

[0013] 在本特定较佳实施例的其他实施方式中，预冷站内含第一真空空间，且所述终端站内含第二真空空间，两个真空空间相互独立。

[0014] 在本特定较佳实施例的更多实施方式中，离子布植机为单晶圆离子布植机，在所述终端站内一次处理一个晶圆。

[0015] 在本特定较佳实施例的补充实施方式中，控制器还可用以使装载组件在离子布植制造工艺完成后立即将晶圆从终端站移出。

[0016] 在本特定较佳实施例的一种实施方式中，终端站包括一个平台(platen)，该平台在离子布植制造工艺中用于固定晶圆，且晶圆实质上与平台呈绝热状态。平台包括多个支撑晶圆的台面结构(mesa structures)，使得平台和晶圆间的总接触面积实质上比晶圆表面小。此外，平台可便于晶圆的倾斜和旋转。

[0017] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，预冷站包括一个固定平台(fixed platen)，可在冷却时将晶圆固定住。固定平台包含升降元件，可供装载组件用以装卸晶圆。

[0018] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，晶圆被附着在一个物体上，以获得更大的热质量，以使晶圆在离子布植制造工艺中受到较小的温升。该物体是一个承板，其重量大于晶圆。晶圆被附着于承板上，并低于二氧化碳的升华温度，其中承板至少要包含一个嵌入的热感应器。承板中有嵌入的冷却/加热机构。

[0019] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，离子布植制造工艺为等离子体掺杂制造工艺的一部分。

[0020] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，冷却机构冷却晶圆所采用的一项或多项技术由下列技术所构成的族群中选出：气冷、冷却剂循环、冷却剂相变、帕尔贴(Peltier)热传以及内置式低温泵(built-in cryopump)。

[0021] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，预计由离子布植制造工艺所导致的晶圆的温升量，而进一步配置的控制器能使晶圆至少部分在预计的温升量的基础上得以冷却，以避免晶圆在离子布植制造工艺中过热。

[0022] 在本特定较佳实施例的更进一步的实施方式中，预冷站为与终端站相连的真空预备室(loadlock)的一部分。视需要，将预冷站和冷却机构的至少部分并入装载组件中。

[0023] 在另一种特定较佳实施例情况下，所述技术可以表现为一种低温离子布植的方法。所述方法包括将晶圆载入第一真空空间。所述方法还包括将第一真空空间中的晶圆冷却至预定的温度范围内。所述方法更包括将冷却后的晶圆载入与第一真空空间相分离的第二真空空间；所述方法另外还包括在第二真空空间中对冷却后的晶圆进行离子布植。

[0024] 在本特定较佳实施例的其他实施方式中，所述方法更包括将承板附着到晶圆的背面，以获得更大的热质量，使晶圆的温度在离子布植制造工艺中微小地升温。

[0025] 在本特定较佳实施例的更多实施方式中，所述方法更包括在离子布植过程完成后，立即将晶圆从第二真空空间取出。

[0026] 在本特定较佳实施例的额外实施方式中，所述方法更包括在离子布植过程完成后，加热晶圆以使温度升至露点以上。

[0027] 在本特定较佳实施例的一种实施方式中，所述方法更包括预计由离子布植制造工艺所导致的晶圆的温升量，且使晶圆至少部分在预计的温升量的基础上得以冷却，以避免在离子布植制造工艺中晶圆过热。

[0028] 在本特定较佳实施例的一种实施方式中，所述方法更包括暂停离子布植制造工艺、重新将晶圆冷却至需要的温度和恢复离子布植制造工艺。

[0029] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，离子布植制造工艺为等离子体掺杂制造工艺的一部分。

[0030] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，所述方法更包括在进行离子布植制造工艺前对晶圆除气。

[0031] 在本特定较佳实施例的又一种实施方式中，所述方法更包括在完成离子布植制造工艺后，进行无扩散退火。

[0032] 而在另一种特定较佳实施例情况下，所述技术可以表现为一种讯号，包含在至少一个载波中，用以藉由至少一台处理器发送可读的电脑指令程序，从而指示至少一台处理器运行电脑程序来执行上述方法。

[0033] 在另一种特定较佳实施例情况下，所述技术可以表现为一种处理器可读的载波，用以储存电脑指令程序，藉由至少一台处理器而可读，从而指示所述至少一台处理器运行电脑程序来执行上述方法。

[0034] 在另一种特定较佳实施例情况下，所述技术可以表现为一种离子布植机。离子布植机包括至少一个终端站、至少一个位置靠近至少一个终端站的预冷站，所述至少一个预冷站具有冷却机构、与至少一个终端站和至少一个预冷站相连接的装载组件、以及控制器，控制器的配置可以使晶圆在载入终端站进行离子布植制造工艺之前被载入至少一个预冷站，并使晶圆冷却到预定温度范围内。

[0035] 在另一种特定较佳实施例情况下，所述技术可以表现为一种离子布植掺质活化的方法。所述方法包括对晶圆进行离子布植制造工艺，其中，在离子布植制造工艺中，将晶圆温度保持在低于室温的范围内。所述方法还包括在完成离子布植制造工艺后，对晶圆进行无扩散退火。在执行离子布植制造工艺之前，将晶圆预冷到需要的温度范围内，在离子布植制造工艺过程中，将晶圆放在平台上，该平台与晶圆至少部分绝热。视需要，将晶圆温度保持在一定范围内所采用的一项或多项技术可由下列技术所构成的族群中选出：气冷、冷却剂循环、冷却剂相变、帕尔贴热传以及内置式低温泵。可采用激光进行无扩散退火。

附图说明

[0036] 图1为本发明实施例中一个较佳低温离子布植系统的示意图。

[0037] 图2为本发明实施例中另一个较佳低温离子布植系统的示意图。

[0038] 图3为本发明实施例中低温离子布植预冷站的示意图。

[0039] 图4为本发明实施例低温离子布植方法的流程图。

[0040] 图5A和图5B为本发明实施例用于低温离子布植的晶圆附着的示意图。

[0041] 20、30、502、506、508：晶圆

[0042] 22： 离子束 100、200：低温离子布植系统[0043] 102、300： 预冷站 104：终端站

[0044] 106： 晶圆装载组件 108：控制器

[0045] 110： 冷却装置 112：机械臂

[0046] 114、116、302：晶圆保持器 118、120、210、212：真空预备室[0047] 202： 制造工艺反应室 204：扫描机构

[0048] 205： 闸阀 206：晶圆平台

[0049] 208： 预冷器 211：真空阀

[0050] 214、216： 搬运机器臂 304：背面冷却组件

[0051] 306： 管道 308：正面冷却组件

[0052] 310： 升降元件 402～412：步骤

[0053] 504： 承板

具体实施方式

[0054] 本发明实施例提供一种低温离子布植技术，其中晶圆在载入离子布植平台前，预冷到需要的温度范围。在离子布植过程中，无需对晶圆进行主动或连续的冷却，但是晶圆要与晶圆平台绝热。将晶圆附着在另一物体上以得到更大的热质量(thermal mass)，可进一步减缓离子布植过程中的晶圆温升(temperature increase)。在此揭露的低温离子布植技术可应用于各种离子布植制造工艺(即制程，以下均称为制造工艺)以及等离子体(即电浆，以下均称为等离子体)掺杂(plasma doping，PLAD)，等离子体掺杂又称为等离子体浸没离子布植(plasma immersion ion implantation，PIII)。可简单改造现有离子布植机或制造新的离子布植机来提供预冷能力。

[0055] 本文中，“温度范围”指特定的温度值(如，-100℃)或两个规定温度点之间的温度范围(如，-110℃～-90℃)或大于/小于规定温度的温度范围(如，≥-150℃或≤80℃)。本文中，“终端站”指离子布植机的一部分，在离子布植过程中晶圆就夹持在此。终端站主要包括一个离子布植制造工艺反应室，可包括与终端站耦接或其他方式位于终端站附近的预冷站/室，详述如下。

[0056] 图1显示的是在本发明所提出的一种实施例中，较佳低温离子布植系统100的示意图。低温离子布植系统100是离子布植机的一个部分，包括预冷站102、终端站104、晶圆装载组件106和控制器108。

[0057] 预冷站102，也称为“热调节装置”，通常内含一个真空空间，该真空空间与终端站104所含的真空空间相互独立。在预冷站102内有一个晶圆保持器114和一个与晶圆保持器114耦接的冷却装置110。通常晶圆保持器114是一个固定平台，例如用静电力将晶圆固定在适当的位置上。冷却装置110采用一个或多个目前已知或后来开发的冷却技术将晶圆冷却至预定温度范围。通常，低温离子布植需要的温度范围远远低于室温，且常常低于纯水的冷凝点(freezing point)。虽然可能会需要达到液态氮的温度，但对于所有的离子布植这样极端的温度可以不需要或者无法实行。在一种实施例情况下，对于绝大多数应用来说，温度在-100℃至-50℃之间的范围内便足够了。尽管如此，本发明并未限定任何具体的温度范围。事实上，前述热调节理念也适用于晶圆温度高于室温的离子布植。

[0058] 终端站104可以是一个进行单晶圆离子布植的制造工艺反应室。终端站104具有独立的晶圆保持器116，可在离子布植过程中固定和/或移动晶圆。典型的晶圆保持器116可以是一个平台，便于倾斜和/或转动晶圆。在低温离子布植过程中，无须通过晶圆保持器116对晶圆进行主动或连续的冷却。同样，也不需要改造现有晶圆平台来装设冷却元件。假定是那样的话，晶圆保持器116最好能与固定在其上的晶圆绝热。采用静电夹具(electrostatic clamp，ESC)或静电式晶圆座(E-chuck)将晶圆固定在适当的位置上。此外，可以采用一个接触面积小的静电式晶圆座，其中小型台式结构可支承晶圆，而仅与晶圆背面保持最小面积的接触(例如，约为晶圆表面的1％)。为进一步减少晶圆和平台的热接触，在载入晶圆进行离子布植前，可对晶圆进行去气(outgas)处理。

[0059] 晶圆装载组件106可包含一个机械臂112，用以装卸预冷站102和终端站104中的晶圆。晶圆装卸组件106可以是典型自动化晶圆装卸系统的一部分。真空预备室118和真空预备室120可允许机械臂112分别进入预冷站102和终端站104。

[0060] 控制器108可以包括一个微处理器或微控制器或类似计算设备以及输入/输出和储存设备。控制器108可与冷却装置110和晶圆装载组件106进行通信，以便协调晶圆的装卸和冷却。在各晶圆进行离子布植前，控制器108会使晶圆装载组件106将晶圆装载在预冷站102中的晶圆保持器114上。随后，控制器108会指令冷却装置110将晶圆冷却至预定的温度范围内。当达到需要的温度范围时，控制器108会使晶圆装载组件106将晶圆从预冷站102中卸下，然后搬运到终端站104中。更确切地说，就是将晶圆放置在晶圆保持器116上，根据指定配方(recipe)接受离子布植。完成离子布植后，控制器108会发出指令将晶圆从终端站104中卸下。

[0061] 图2显示的是在本发明所提出的一种实施例中，另一个较佳低温离子布植系统200的示意图。本图以实例说明如何改造现有离子布植机以适应低温离子布植。

[0062] 所述低温离子布植系统200基于现有离子布植机中的终端站。终端站包括一个制造工艺反应室202和真空预备室210和212。制造工艺反应室202中有晶圆平台206、预冷器208和搬运机器臂214和216。晶圆平台206在离子布植过程中会夹住晶圆，其中晶圆实质上与平台206呈绝热状态。

[0063] 预冷器208可以通过晶圆定位器改造而成。预冷器208不仅可以侦测出平边(flat edge)、缺角(notch)或其他明显的晶圆特征，还具有一个附加功能，即是在离子布植前将晶圆预冷至需要的温度范围内。视需要，预冷器208可仅用以对晶圆进行预冷，而晶圆定位功能可重新设置在离子布植机内部或外部的其他地方。如果预冷后的晶圆仍需要经过定位器，则需要对定位器进行绝热处理，以防止不必要的晶圆温升。为了将结冰问题减小到最低限度，需要将预冷器208设在真空空间或真空室中，而该真空空间或真空室与晶圆平台206的真空空间或真空室相互独立。上述独立真空空间或真空室还可同时进行一个晶圆的预冷和另一个晶圆的离子布植过程，而相互不会引起不当干扰。

[0064] 在操作中，大气机器臂(atmospheric robot)(图中未示出)会通过真空阀211将一个晶圆20从大气环境传入真空预备室210中。真空预备室210一旦被泵(图中未示出)抽空，通向制造工艺反应室202的闸阀205就会开启。搬运机器臂214会将晶圆20移出，然后放置在预冷器208上。预冷器208将晶圆20冷却至预定温度范围内。预冷器208还能侦测出晶圆20的中心及其晶向(crystal orientation)。一旦达到需要温度，另一个搬运机器臂216会将晶圆20载入晶圆平台206的中心位置上，使晶圆20的晶格处于选定晶向。本图所示的晶圆平台206处于水平装载位置。在上述位置上，晶圆所处高度要高于离子束22进入制造工艺反应室202的高度。一旦晶圆平台206通电并夹持晶圆20，扫描机构204便会带动晶圆20绕垂直于离子束22方向的水平轴旋转。然后，晶圆20上下通过离子束22并藉由扫描机构204进行扫描。在扫描过程中，晶圆20可能需要定位，譬如，根据离子布植制造工艺的要求处于垂向或介于±60°的范围内。

[0065] 由于在离子布植过程中不要求对晶圆进行现场冷却，因此无需为冷却目的而对晶圆平台206进行改造。但是，需要使晶圆平台206与晶圆绝热，以减少晶圆温升。

[0066] 完成离子布植后，搬运机器臂216会卸下晶圆20，并将晶圆20搬运至真空预备室212。视制造工艺反应室202和真空预备室212中的残留水分量比较情况，必要时，在晶圆
20被搬运至真空预备室212之前先将晶圆20加热至一定程度。在真空预备室212中，晶圆会自行升温或被辅助加热，直至温度高于露点。此时，可安全地打开真空预备室212，使之与大气相通，并卸下晶圆。视情况还可配备加热站，使低温离子布植制造工艺后的晶圆温度升至露点温度以上。加热站是一个热调节装置。尽管可采用组合式加热站/预冷器，但最好加热站和预冷器208分开。热感应器和相关的电子设备会在加热站中提供反馈控制(feedback control)，以确保晶圆被加热至需要的温度范围内。加热晶圆的方式多种多样，包括但不仅限于以下方式：加热灯组(如，红外线的或其他电磁频率的加热灯)、嵌入晶圆平台支架中的热电和/或电阻元件、和/或晶圆支架中受热液体的循环。

[0067] 在本发明提出的另一种实施例情况下，与前述情况不同的是，预冷制造工艺不在预冷器208中进行，而是在其中一个真空预备室中进行。例如：真空预备室210经改造后包括一个冷却机构或与一个冷却机构相连接，使载入真空预备室210中的一个或多个晶圆在载入制造工艺反应室202进行离子布植前得以在此冷却。换言之，真空预备室被改造为或用作预冷站。如果采用的是预冷器/真空预备室的组合，也需要具有加热能力，以便在低温离布植制造工艺后对晶圆进行加热。

[0068] 在本发明提出的另一种实施例情况中，通过改造搬运机器臂的末端执行器(end effector)(或其他部件)可提供部分或所有预冷和/或后热(post-heating)能力。此外，一个或多个热感应器和其他控制电子设备可连同搬运机器臂中的冷却/加热机构一并装设。

[0069] 如图2所示，仅需要依照本发明所述对现有的离子布植机做些许改造就能获得低温离子布植带来的种种优势。

[0070] 图3显示的是在本发明所提出的一种实施例中，低温离子布植的预冷站300的示意图。预冷站300包括一个晶圆保持器302，该晶圆保持器302可夹持晶圆30并将其冷却。晶圆保持器302可以是一个简单的固定平台，因为在其预冷过程中通常无须倾斜或旋转晶圆。在一种实施例情况下，可通过背面气体(如，氮)使晶圆与晶圆保持器302结合在一起。
如上所述，预冷站300包括一个冷却机构，该冷却机构应用任一冷却技术将晶圆30控制在需要的温度范围内。例如：背面冷却组件304可以冷却晶圆30的背面，且/或正面冷却组件308可以冷却晶圆30的正面。背面冷却组件304可以设有散热片(heat sink)(图中未明确示意)直接与晶圆30接触，并通过管道306循环冷却剂(如，水或液氮)。背面冷却组件304还可利用冷却剂(如，氨NH3)的相变(phase change)来持续冷却晶圆30，直至接近相同的温度。背面冷却组件304还包含一个内置低温泵(图中未明确示意)，可直接转移晶圆30背面的热量。视需要，背面冷却组件304也可包含(堆叠)帕尔贴(Peltier)元件的阵列(图中未明确示意)，用于热电致冷却(thermoelectriccooling)。正面冷却组件308也以同样的方式实现各种冷却技术，以便快速、准确地冷却晶圆30。

[0071] 除冷却能力外，晶圆保持器302还可提供自动晶圆装卸。例如：在此处可配备一组升降元件310，用以在机械臂装卸过程中将晶圆30保持在晶圆搬运平面内。

[0072] 图4显示的是在本发明所提出的一种实施例中，低温离子布植方法的制造工艺流程图。

[0073] 在步骤402中，将欲接受离子布植的晶圆载入预冷站中。预冷站位于靠近离子布植机的终端站的位置。同样，预冷站也最好具有真空空间，且该真空空间要与终端站的真空空间相互独立。在一些实施例情况下，为了缩短在预冷站中的预冷过程，载入的晶圆可来自真空预备室，该真空预备室包含一批已冷却至室温以下的晶圆。

[0074] 在步骤404中，将预冷站内的晶圆冷却至需要的温度范围内。如前所述，本预冷过程可应用任何已知或后来开发的冷却技术。由于预冷过程不在最终实施离子布植的终端站中发生，所以同现场冷却相比，预冷在冷却技术的选择和实施方面的限制要少得多。离子布植制造工艺的预冷过程要持续40秒至60秒，而离子布植制造工艺持续时间也大体相当。

[0075] 在步骤406中，视情况可将晶圆附着在另一物体上(如，承板)以增加热质量。由于晶圆和承板都处于预冷温度，因此需要从离子束转移大量的热来提高晶圆温度。由此，可减缓离子布植过程中的晶圆温升。

[0076] 图5A和图5B显示的是在本发明所提出的一种实施例中，用于低温离子布植的晶圆附着的示意图。图5A显示的是承板504附着在晶圆502背面。承板504可以是一个金属板，其质量比晶圆502重(例如是晶圆502重量的4至5倍)。由于从离子束传出的部分热会被承板504吸收，所以在离子布植过程中晶圆502会受到微小的温升。承板的设计可使静电夹具能装于静电式晶圆座之上。因而，承板可以包括具有适当的导电性和/或极化率的表面材料。例如，可使用具有用以夹持的薄层和良好导电性的合成金属承板。在一些实施例情况下，承板中嵌有加热和/或冷却机构；当承板接触到某个电触点时，所述加热和/或冷却机构会被启动。

[0077] 图5B显示的是一个晶圆506，其中有另一个晶圆508附着在晶圆506背面。晶圆508可与晶圆506型态和/或形状相同，也可不同。晶圆508最好能与晶圆506的重量相同，这样可有效地降低晶圆506的热容(heatcapacity)，至少降低一半。

[0078] 晶圆和其他重体(如，承板或另一个晶圆)间的附着方式多种多样。在一种实施例情况下，将晶圆背面可以夹持在带有化合物(如二氧化碳(CO2))的支承面上。随后，冷却晶圆和其附着件并维持在CO2升华温度之下，以保持紧密贴合。稍后，只需让晶圆升温并抽空CO2就可将晶圆与其附着件分开。有关晶圆夹持技术详细说明，见美国专利申请案第6,686,598号，该专利申请案均并入本案供参考。

[0079] 在本发明提出的一种实施例情况中，晶圆附着件(如，承板或另一个晶圆)中可以嵌有温度感应器(或热感应器)和/或相关的电子设备。温度感应器在预冷、晶圆搬运和/或离子布植过程中对晶圆温度进行监测。譬如：温度感应器可通过有线连结或无线连结传输测量资料，以便于预冷过程的反馈控制。

[0080] 在步骤408中，预冷的晶圆(及其附着件，如有)被载入离子布植的终端站中。通常终端站可以是一个单晶圆制造工艺反应室。在离子布植过程中，晶圆要与终端站中的所有元件绝热，使传给晶圆的热仅来自于离子束或背景辐射。由于离子布植在高度真空中进行，因此对晶圆的隔离主要是晶圆和晶圆平台间的适当绝热。即使晶圆和平台间的绝热并不是十分理想，但是他们间的残余热传导将非常微小，常常可忽略不计。

[0081] 例如，可使用温差电偶(thermocouple)或高温计(pyrometer)对晶圆在离子布植过程中的温度变化进行监测。在一种实施例情况下，在离子布植制造工艺反应室中安装一个温度感应器(最好是非接触式)，用以进行现场温度监测。视情况可将温度感应器嵌入用以附着晶圆的承板中。在这两种实施例情况下，可通过有线连结或无线连结向控制器传输温度测量资料。上述温度测量资料用以对离子布植制造工艺进行反馈控制。如果晶圆温度上升过快，则有必要中断离子布植制造工艺，以及重新冷却晶圆。这时，一个离子布植配方会在冷却与布植的交替中通过多步骤完成。在一种实施例情况下，晶圆先预冷至-70℃，然后在离子布植制造工艺结束时升温至-50℃。

[0082] 对于规定的离子布植配方，特定晶圆的温升量是可以预测的。因此，可基于上述预测将晶圆预冷至一定的温度范围，使离子布植制造工艺结束时的晶圆温度得以控制在容许范围内。

[0083] 在步骤410中，离子布植一经完成，晶圆被立即从终端站中移出。最好尽量减少终端站(及其元件)与低温晶圆接触，以减少或避免结冰问题。此外，为避免离子束继续加热，在完成离子布植制造工艺后，需要完全阻止离子束进入终端站。

[0084] 在步骤412中，晶圆在接触空气前，可以加热以使温度高于露点。加热制造工艺可以是被动的，也可以是主动的。在被动加热过程中，晶圆会自行慢热起来；而在主动加热过程中，采用灯或其他加热元件来加热晶圆。视需要，可让晶圆暴露于干燥和/或暖气体中来加热。

[0085] 图4所示过程可分为布植前阶段(如，步骤404)、离子布植阶段(如，步骤408)和布植后阶段(如，步骤410)。在本发明提出的一种实施例情况中，所述三个阶段都需要将晶圆温度控制在适当的范围内。离子布植阶段中的晶圆温度通常控制在大约-200℃至0℃的范围内。例如：在一个特定的离子布植制造工艺中，离子布植阶段的晶圆温度范围在-100℃至-70℃之间。可计算出离子布植所引起的预料的晶圆温升量，从而为布植前阶段选择相应较低的温度范围(即，预冷温度)。布植后阶段的温度范围可根据露点温度和终端站各部件中的残留水分来选定。尽管较低温度范围更适合于低露点，但常用的布植后晶圆温度范围是20℃至40℃。通常，离子布植制造工艺反应室都处于最高真空状态，且湿度最低。在将晶圆从制造工艺反应室中卸下前，最好先将晶圆加热至一定程度。在一种实施例情况中，可以提供一个布植后加热站，其湿度要与制造工艺反应室一样低，这样在完成离子布植后就可将冷晶圆立即从制造工艺反应室中移出。加热站接着可加热晶圆，直至能安全地搬运晶圆至真空预备室进行卸载。

[0086] 在一些实施例情况下，上述和/或任何其他低温离子布植技术可与无扩散退火制造工艺结合使用，如此既可使掺质得以快速活化也可提高植入损坏修复度。

[0087] 在这一点上，应注意本发明的低温离子布植技术在某种程度上涉及到输入资料的处理和输出资料的生成。输入资料处理和输出资料生成可通过硬件或软件来实现。例如：在离子布植机或类似或相关的电路中应用特定的电子元件，按照上述本发明内容来实现与低温离子布植相关的功能。视需要，依照储存的指令运行的一个或多个处理器可根据上述本发明内容来实现与低温离子布植相关的功能。如果是那样的话，将上述指令储存在一个或多个处理器可读载体(processor readable carrier)上(如，磁片)，或通过一个或多个讯号传输到一个或多个处理器上也在本申请专利范围内。

[0088] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺的人，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。