CN101922046B - 一种等离子体浸没注入装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体处理技术和设备领域，具体涉及一种等离子体浸没注入装置，包括气源、功率源、工作腔室、基片台和真空系统，所述基片台上方设有栅电极。本发明通过在现有装置中增加栅电极，使基片台上方特别是基片上方的电场分布变成了两个平行板之间的电场分布；当栅电极接地时，基片上方的偏压电场分布垂直于基片表面，平行且均匀，使得穿过栅电极的离子在电场加速下垂直注入到基片中，而不存在注入离子聚焦效应，从而可以使离子注入均匀。
Description
技术领域
本发明涉及半导体处理技术和设备领域，具体涉及一种等离子体浸没注入装置。
背景技术
在半导体工艺中，主流的杂质掺杂技术都采用束线离子注入技术(IonImplantation，II)，这种方法是由离子源产生等离子体，再通过质谱分析将所需的离子组分提取出来，对离子加速到一定能量并注入到半导体基片中(如硅片)。这种方法需要复杂的质谱分析和扫描装置，注入效率低，结构复杂，成本极高。
随着集成电路特征尺寸的进一步缩小，离子注入能量需要进一步降低到一千电子伏特以下(亚KeV)，然而离子束能量降低后会出现束流分散、均匀性变差、效率进一步降低等一系列负面效应。因而近年提出了新型的等离子体浸没注入技术(Plasma Immersion Ion Implantation，PIII)来避免以上问题。
常用的PIII装置结构在用于上述应用中时，存在一个严重问题就是注入剂量不均匀。引起PIII注入不均匀的原因众多，其中一个主要原因是：施加在基片上的注入偏压，在基片的边缘形成了注入电场，然而此注入电场呈现弯曲状，从而导致注入离子聚焦效应。图1与图2中所示为常用的等离子体浸没注入腔室结构示意图。图1所示结构为单腔室注入结构，基片放在基片台11上，脉冲负偏压电源12向基片提供注入偏压，进而加速等离子体13中的正离子，使之注入到在基片台11上放置的基片中，整个腔室壁10接地。图2为双室结构，等离子体13在上方等离子体源区产生，通过一个开有空洞的电极14进入下面的工艺腔室，随后正离子被偏压电场加速注入到在基片台上承载的基片中。图1、图2中的基片台接负高压端，整个腔室壁接地，偏压电场方向由腔室壁指向基片台。接地腔室壁包围着基片台，偏压电场在基片台周围形成图1、图2中由标号20、21所示的电场。离子沿着电场线运动到基片，在基片台11边缘处，偏压电场方向并不垂直于基片台面，边缘弯曲的电场20会使本垂直入射的离子以与基片台表面呈小于90°的角度注入到基片，起到对注入离子的聚焦作用(即注入离子聚焦效应)，而引起注入不均匀。这种由于偏压电场不均匀而引起的注入离子聚焦效应不仅在基片台边缘存在，而且在基片台中心位置亦存在。这是因为在图2中电场20、21的作用下，在基片台周围形成了图3中的椭圆状等离子鞘层14，鞘层中离子将以垂直于鞘层边界15的角度入射到基片，这样在偏压电场下形成的等离子鞘层就像一个离子透镜对注入离子起聚焦作用而使注入不均匀，且这种聚焦作用不仅仅只发生在基片台的边缘处，。
N.Holtzer，E.Stanmate，H.Toyoda，and H.Sugai，Thin Solid Films 515(2007)4887-4891中叙述了聚焦效应引起的注入不均匀性，文中也提到了两种解决办法，其一为增大基片台尺寸，将边缘电场的离子聚焦拉得远离基片，从而减小注入不均匀性；另一种方法是在基片周围加聚焦环以达到同样目的。虽然上述两种方法在一定程度上减小了电场对离子的聚焦效应，使注入不均匀性得以改善，但并没有从本质上改变基片台上方偏压电场的空间分布。文献X.B.Tian andPaul.K.Chu，Appl.Phys.Lett.，Vol.81，No.20，11 November 2002中指出聚焦效应不仅仅存在于基片11(图1、图2所示)，而是在整个基片台上方都存在。因而上述两种方法并不能完全消除聚焦效应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种等离子体浸没注入装置，解决因偏压电场产生的离子聚焦效应所引起的离子注入不均匀问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种等离子体浸没注入装置，包括气源、功率源、工作腔室、基片台和真空系统，所述基片台上方设有栅电极。
上述方案中，所述栅电极与基片台平行设置。
上述方案中，所述栅电极的形状为圆形，所述栅电极的直径Rsdj、所述工作腔室的外直径Rqs、所述基片台的直径Rjpt、所述基片台上基片的直径Rjp、所述栅电极与基片台之间的距离H之间的关系为：Rjp≤Rjpt≤2Rjp，Rjpt≤Rsdj≤Rqs，0＜H≤2Rjpt。
上述方案中，所述栅电极上均匀设置若干通孔。
上述方案中，所述通孔总面积与栅电极面积比即通孔占空比K满足如下条件，0＜K≤0.9。
上述方案中，所述通孔的的形状为圆形，所述通孔直径Rk满足如下条件，1mm≤Rk≤50mm。
上述方案中，所述栅电极是由导电丝构成的导电丝网。
上述方案中，所述导电丝网上的通孔形状为多边形。
上述方案中，所述导电丝网上的通孔用一个最小圆覆盖，所述最小圆的直径Rtk满足如下条件，1mm≤Rtk≤100mm。
上述方案中，所述基片的直径Rjp为四英寸、八英寸或十二英寸。
与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：
本发明通过在现有装置中增加栅电极，使基片台上方的电场分布，特别是基片上方的电场分布变成了两个平行板之间的电场分布。当栅电极接地时，基片上方的偏压电场分布垂直于基片表面，平行且均匀，使得穿过栅电极的离子在此平行且均匀的偏压电场的加速下垂直注入到基片中，而不存在注入离子聚焦效应，从而可以使离子注入均匀。
附图说明
图1为现有技术中单腔室等离子体浸没注入装置结构示意图；
图2为现有技术中双腔室等离子体浸没注入装置结构示意图；
图3为现有技术中基片台周围等离子鞘层形状示意图；
图4为本发明实施例提供的等离子体浸没注入装置结构示意图；
图5为本发明另一实施例提供的等离子体浸没注入装置结构示意图；
图6为本发明实施例中栅电极与基片台之间电场分布示意图；
图7为本发明实施例中基片台上方电场分布模拟结果示意图；
图8为不带栅电极基片台上方电场分布模拟结果示意图；
图9为本发明实施例提供的栅电极的结构示意图；
图10为本发明另一实施例提供的栅电极的结构示意图；
图11为本发明另一实施例提供的栅电极的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图4所示，本发明实施例提供了一种等离子体浸没注入装置，包括气源、功率源、工作腔室、基片台11和真空系统，工作腔室70包括等离子体源，基片台11上方设置于基片台11平行的栅电极50。
图4所示装置中的等离子体源是平面感应耦合等离子体源(InductivelyCoupled Plasma，ICP)；图5所示装置中的等离子体源是是圆柱状感应耦合等离子体源；另外，等离子体源还可以是电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)等离子体源。栅电极50的形状为圆形，栅电极50直径Rsdj、工作腔室70外直径Rqs、基片台11直径Rjpt、基片40直径Rjp、栅电极50与基片台11之间的距离H具有如下关系：Rjp≤Rjpt≤2Rjp，Rjpt≤Rsdj≤Rqs，0＜H≤2Rjpt，基片40直径Rjp可以为四英寸、八英寸或十二英寸。
由于栅电极50的存在，基片台11上方的电场分布，特别是基片40上方的电场分布，将变成两个平行板之间的电场分布；当栅电极50接地时，基片40上方的偏压电场分布60垂直于基片40表面，平行且均匀，如图6所示。
带有栅电极结构的等离子体浸没注入装置中基片台上方电场强度随基片台直径方向分布的模拟结果如图7所示，没有栅电极结构的等离子体浸没注入装置中基片台上方电场强度随基片台直径方向分布的模拟结果如图8所示。图7与图8相比，带有栅电极结构的等离子体浸没注入装置中基片台上方的电场分布更加均匀。穿过栅电极50的离子在电场60加速下垂直注入到基片40中，而不存在对离子聚焦效应，从而可以使注入均匀。
如图9所示，栅电极50上均匀排布的通孔51的形状为圆形，孔直径Rk，1mm≤Rk≤50mm，所有通孔51总面积与栅电极50的面积比(通孔占空比)K满足0＜K≤0.9。如图10所示，栅电极50是由导电丝52构成的导电丝网，通孔51的形状还可以是其它形状，例如三角形、四边形等多边形；还可以是多种形状的组合，例如三角形和六边形的组合，如图11所示；无论通孔51的形状如何，只要满足占空比0＜K≤0.9即可。若将栅电极上的通孔用一个最小圆覆盖，则该圆的直径Rtk满足1mm≤Rtk≤100mm。
本实施例提供的等离子体浸没注入装置工作时，整个工作腔室壁10接地，由机械泵18、分子泵16和尾气处理系统19组成的真空部分首先启动，当工作腔室70的压强达到工作压强时，工作气体从气源23到达匀气装置30进入工作腔室70，匀气装置30会使工作气体更均匀地进入工作腔室70。等离子体起辉所需的功率由射频功率源20通过匹配网络21加到耦合线圈22上，耦合线圈将功率源的能量通过石英窗24耦合到工作腔室70内。然后，在工作腔室70内的工作气体起辉产生等离子体。等离子体中的正离子体与电子穿过栅电极50上的通孔51，正离子在偏压电场的加速作用下注入到基片40中，偏压由负偏压源12提供。基片40放在基片台11上，注入过程中冷却系统17为基片散热。注入剂量检测部分25在基片台11上，控制离子注入剂量。
本发明通过在现有装置中增加栅电极，使基片台上方的电场分布，特别是基片上方的电场分布变成了两个平行板之间的电场分布；当栅电极接地时，基片上方的偏压电场分布垂直于基片表面，平行且均匀，使得穿过栅电极的离子在此平行且均匀的偏压电场的加速下垂直注入到基片中，而不存在注入离子聚焦效应，从而可以使离子注入均匀。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种等离子体浸没注入装置，包括气源、功率源、工作腔室、基片台和真空系统，其特征在于：所述基片台上方设有栅电极，所述栅电极与基片台平行设置，所述栅电极的形状为圆形，所述栅电极的直径Rsdj、所述工作腔室的外直径Rqs、所述基片台的直径Rjpt、所述基片台上基片的直径Rjp、所述栅电极与基片台之间的距离H之间的关系为：Rjp≤Rjpt≤2Rjp，Rjpt≤Rsdj≤Rqs，0＜H≤2Rjpt，所述栅电极上均匀设置若干通孔。
2.如权利要求1所述的等离子体浸没注入装置，其特征在于：所述通孔总面积与栅电极面积比即通孔占空比K满足如下条件，0＜K≤0.9。
3.如权利要求2所述的等离子体浸没注入装置，其特征在于：所述通孔的的形状为圆形，所述通孔直径Rk满足如下条件，1mm≤Rk≤50mm。
4.如权利要求1所述的等离子体浸没注入装置，其特征在于：所述栅电极是由导电丝构成的导电丝网。
5.如权利要求4所述的等离子体浸没注入装置，其特征在于：所述导电丝网上的通孔形状为多边形。
6.如权利要求5所述的等离子体浸没注入装置，其特征在于：所述导电丝网上的通孔用一个最小圆覆盖，所述最小圆的直径Rtk满足如下条件，1mm≤Rtk≤100mm。
7.如权利要求1所述的等离子体浸没注入装置，其特征在于：所述基片的直径Rjp为四英寸、八英寸或十二英寸。
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