CN101981661A - 在半导体处理系统中离子源的清洗 - Google Patents

在半导体处理系统中离子源的清洗 Download PDF

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Abstract

本发明披露了利用能够生长/侵蚀电弧室的离子源内的丝极的反应性清洗剂通过适当地控制电弧室内的温度来清洗离子植入系统或其部件，以实现所希望的丝极生长或可替换的丝极侵蚀。还描述了反应性气体例如XeFx、WFx、AsFx、PFx以及TaFx在用于在环境温度、升高的温度或等离子体条件下以原位或离位清洗配置来清洗离子植入机的区域或植入机的部件中的应用，其中x具有化学计量适当的值或值的范围。在具体的反应性清洗剂中，BrF3被描述为可用于以原位或离位清洗配置来清洗离子植入系统或其一个或多个部件。还描述了一种清洗离子植入系统的前级管道用于从所述前级管道中至少部分地去除与电离作用有关的沉积物的方法，该方法包括使所述前级管道与清洗气体进行接触，其中所述清洗气体与所述沉积物具有化学反应性。还描述了一种改进离子植入系统的性能并延长离子植入系统的寿命的方法，包括使阴极与气体混合物进行接触。

Description

在半导体处理系统中离子源的清洗
技术领域
本发明涉及半导体处理系统、特别是离子植入系统的部件上材料沉积的监测、控制以及清洗。
背景技术
离子植入被用于集成电路的制造以精确地向半导体晶片中引入受控制量的掺杂杂质并且是微电子/半导体生产中的重要方法。在这种植入系统中，离子源使所希望的掺杂元素气体电离成离子并且该离子以具有所希望能量的离子束的形式从源中引出。引出通过施用高的电压跨过适合成型的引出电极而实现，该引出电极将孔合并成引出束的通道。然后，离子束在工件的表面，例如半导体晶片上进行定向，以便向该工件植入掺杂元素。该束中的离子穿透该工件的表面以形成具有所希望的导电率的区域。
几种类型的离子源在商业的离子植入系统中是通常使用的，包括：使用热电电极并且通过电弧提供能源的Freeman以及Bernas类型、使用磁控管的微波型、直接加热的阴极源、以及RF等离子体源，所有这些典型地在真空中运行。离子源通过向填充有掺杂气体(通常称为“原料气体”)的真空室中引入电子来产生离子。电子与气体中的掺杂原子和分子的碰撞引起了由正的和负的掺杂离子组成的电离的等离子体的产生。具有负的或正的偏压的引出电极会相应地允许正的或负的离子作为准直离子束通过孔并且从离子源。中出来，该准直离子束向着工件被加速。原料气体包括，但不限于BF3、B10H14、B18H22、PH3、AsH3、PF5、AsF5、H2Se、N2、Ar、GeF4、SiF4、O2、H2、以及GeH4。
目前，在现有技术的装置的制造中存在10-15个以上的植入步骤。增加晶片大小、减小临界尺寸、以及生长电路的复杂性就更好的处理控制、低能量下高束电流的释放、以及平均无故障时间(MTBF)减小而言正在对离子植入工具提出了更多的要求。
需要最多维护的离子植入机工具的部件包括：离子源，该离子源必须在大约100到300小时的运行之后进行检修(取决于其运行条件)；引出电极以及高电压绝缘子(绝缘体)，其在运行几百小时之后通常需要清洗；离子植入真空系统的前级管道以及真空泵，包括离子源涡轮泵及其关联的前级管道。此外，离子源的丝极在运行后可能要求更换。
在理想的情况下，所有的原料分子均会被电离并且引出，但是实际上会发生一定量的原料分解，这导致了在离子源区域上的沉积以及污染。例如，磷的残余物(例如，来源于使用原料气体例如磷化氢)迅速地沉积在该离子源区域中的表面上。该残余物可以在离子源中的低电压的绝缘子上形成，引起电短路，这可以中断产生热电子所需要的电弧。这种现象通常称为“源闪烁”，并且它是离子束不稳定性的重要因素，并且可以最终引起该源的过早损坏。残余物还在离子植入机的高电压部件(例如该源的绝缘子或引出电极的表面)上形成，引起高能的高电压发电花。这种电花是束流不稳定性的另一个因素，并且由这些电花所释放的能量可以损坏灵敏的电子部件，导致增加的设备故障以及差的MTBF。
对于使用Sb2O3作为固体掺杂材料的锑(Sb+)的植入，会发生另一个常见的问题，这可以通过甚至仅在Sb+植入几小时之后流入硼(B)而恶化。该硼束电流可以使明显受损的离子源的性能和寿命显著地变坏。这种性能退化的原因归因于在源的室及其部件上过度沉积的Sb。因为产量由于更频繁的预防性维护或更少的束电流而降低，所以离子源的故障显著地降低了植入机的生产率。由于Sb植入广泛地用于类似的双极器件中，并且还用作对于MOS(金属氧化物半导体)装置的浅结结构的n-型掺杂，因此本领域中需要开发一种方法，该方法在Sb+用作掺杂剂时，特别是在Sb植入之后转换成B时可以去除沉积在源的室及其部件上的Sb。
此外，掺杂原子例如B、Ge、Si、P、和As可以沉积在离子源涡轮泵中、以及与其关联的真空前级管道的下游中。经时间的推移，这些沉积物积累起来并且需要清洗，在过去这是手动完成的。但是有些沉积物(例如固体磷)是生火花的并且可以在手动维护操作的过程中着火。这不仅是着火的危险，而且还可以释放出有毒的化合物。因此在本领域中需要开发一种改进的方法，该方法使用气体清洗剂可以期望地原位地清洗该沉积物。
在另一个离子源故障的原因中，各种材料(例如钨，W)可以在长期的离子植入工艺过程中累积在阴极上。一旦这些达到了一临界水平，阴极电源不能再保持足以满足束电流设定点的温度。这引起离子束电流的损失，需要更换离子源。所产生的离子源性能退化和寿命缩短降低了离子植入机系统的生产率。
又一个离子源故障的原因是阴极材料的侵蚀(或溅射)。例如，来自阴极的金属材料(例如W、Mo等)被电弧室中的等离子体中的离子溅射。因为溅射受到等离子体中的最重的离子的控制，所以随着离子质量增加，溅射效果可能变坏。事实上，材料的连续的溅射使阴极“变薄”，最后导致在阴极中形成孔洞(“阴极穿通”)。结果是离子源的性能和寿命大大降低。因此本领域继续寻求能够在阴极上保持材料的累积与腐蚀之间的平衡的方法来延长离子源的寿命。
另外的残余物可能从源材料与离子植入系统的部件之间的反应产生，这取决于系统内的条件。这种反应可以导致残余物沉积在系统的另外的部件上。
沉积物在离子源元件例如丝极以及反射极电极上很常见。这种内部沉积物总体上是由电弧室材料组成的，并且最常见的是当具有氟化物源原料的高等离子体电源与由钨和钼构成的电弧室结合而运行时。尽管使用非含卤化物的源材料的离子植入系统的离子源的预期寿命一般是大约100小时到300小时，在有些含卤化物材料例如GeF4的情况下，由于在源运行中内部沉积物的有害影响，离子源的寿命可以低至10小时到50小时。
除了由于在离子植入机中的残余物引起的运行困难之外，由于为了清洗而移动部件时散发出有毒或腐蚀性蒸气，还存在重大的人身安全问题。安全问题会在残余物存在的任何地方发生，但特别受关注的是在离子源区域中，因为离子源是离子植入机最经常维护的部件。为了最小化停机时间，经常在显著高于室温的温度下将受污染的离子源从植入机中移开，这增加了蒸汽的散发并且加重了安全问题。
处理以上困难的现有方法已包括尝试阻止沉积物的形成以及清洗在引出电极和离子源上产生的沉积物(即，在引出电极上，如公布的美国专利申请2006/0272776、公布的美国专利申请2006/0272775以及公布的国际专利申请WO 2005/059942 A2中所讨论的)。然而，依然需要清洗离子植入系统的所有元件的另外的方法。
因此，在离子植入领域中希望提供一种具有单独的清洗位置的离位清洗方法，由此可以安全地对已经从植入机上移开的受污染部件进行清洗而没有任何可能损害精细部件例如石墨电极的机械磨损。因此，提供离线清洗位置还将是离子植入领域中的显著进步，该离线清洗位置可以用来在部件从植入系统移开之后选择性并且非破坏性地清洗部件，而停机时间最短。
提供一种原位清洗方法也将是离子植入领域中的显著进步，该方法用于在植入过程中有效地、选择性地去除不必要的遍及植入机(特别是在离子源区域中)沉积的残余物。这种原位清洗会提高人身安全并且有助于植入设备的稳定的、不间断的运行。
可以进行原位清洗过程而不拆开处理室。对于原位过程，使气体试剂流过(流动通过)该处理室以便以连续的、脉冲的、或混合的连续-脉冲方式中任何一个去除累积的薄膜。取决于情况，等离子体可以在或不在这种清洗过程中产生。
使用三氟化氯(ClF3)以及其它的氟源材料(例如，CF4、NF3、C2F6、C3F8、SF6以及ClF3)的无等离子体的或干燥清洗方法可以用于从半导体处理室中去除固体残余物，例如通过与固体残余物进行反应以形成通过真空或其它的去除条件从处理室中可移去的挥发性反应产物，并且在这种情况下，这些清洗剂可能需要提高的温度的清洗条件。参见Y.Saito等，“Plasmaless Cleaning Process of Silicon Surface Using Chlorine Trifluoride”，APPLIED PHYSICS LETTERS，vol.56(8)，pp.1119-1121(1990)；还参见D.E.Ibbotson等，“Plasmaless Dry Etching of Silicon with Fluorine-Containing Compounds”，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，vol.56(10)，pp.2939-2942(1984)。
美国专利号4,498,953描述了一种原位清洗方法，其中使一种卤间化合物，例如BrF5、BrF3、ClF3、或IF5连续地流动通过处理室，同时在该室中保持预定的压力。在处理结束时，终止卤间化合物气体的流动。这种方法可以产生含Cl、Br、或I的副产物，连同含氟的副产物，由此产生大量的需要处理或其它处置的危险废料。此外，这种连续流动清洗在非常低的压力条件下进行，在该压力条件下实质上降低了清洗效率。
在某些离子源应用中，已经进行了BF3、PH3、和/或AsH3的策略性排序以便获得更长的离子源寿命。
另外，已经使用GeF4、SiF4和/或BF3作为清洗气体，但是总是在该源室中在等离子体投射的情况下使用。
氟基或含氟的卤间化合物用于清洗半导体处理设备的应用具有限制其商业活力的相关不足。氟基和含氟的卤间化合物，包括ClF3，具有高度腐蚀性特点。此外，卤间化合物是对人类呼吸道的强烈刺激物。例如，ClF3蒸汽的临界人体耐受水平可以低到100ppb，LC50为在300ppm下1小时的级别。
本领域继续寻求新的清洗剂以及离位和原位系统和方法、以及相关的监测和控制装置和方法。
发明内容
本发明总体上涉及用于监测、控制、以及清洗离子植入系统或其部件的装置和方法，也涉及有效地用于这种清洗的组合物。
在一个方面，本发明提供了一种在系统运行过程中监测离子植入系统的丝极状态的方法，该方法包括：(a)在离子源的电弧室中使用足以在所述电弧室中产生等离子体的初始电流向丝极供电；(b)测量对该丝极的电流输入以将该电弧室中的等离子体保持在连续的等离子体产生的预定时间；(c)将在该预定时间测量的电流输入与该初始电流进行比较；以及(d)从这种比较中确定材料是否已经沉积在该丝极上或是否已经发生该丝极的侵蚀(刻蚀)，其中，相对于该初始电流，在该预定时间的更大的电流表示材料在该丝极上沉积，而相对于该初始电流，在该预定时间的更小的电流表示该丝极的侵蚀。
在另一个方面，本发明提供了一种在离子植入系统运行过程中控制离子植入系统的丝极状态的方法，包括：(a)在离子源的电弧室中使用足以在所述电弧室中产生等离子体的初始电流向丝极供电；(b)测量对该丝极的电流输入以将该电弧室中的等离子体保持在连续的等离子体产生的预定时间；(c)将在该预定时间测量的电流输入与该初始电流进行比较；(d)从这种比较中确定材料是否已经沉积在该丝极上或是否已经发生该丝极的侵蚀，其中，相对于该初始电流，在该预定时间的更大的电流表示材料在该丝极上的沉积，而相对于该初始电流，在该预定时间的更小的电流表示该丝极的侵蚀，以及(e)响应于该确定，从该丝极去除沉积的材料或在该丝极上沉积附加的材料，至一程度，在该程度上重新建立该初始电流输入、或在所述初始电流输入的预定范围内的电流输入。
在又一个方面，本发明提供了一种运行在离子源的电弧室中包括丝极的离子植入系统以保持该离子源的运行效率的方法，所述方法包括使该丝极在选自由下述组成的组中的条件下与钨试剂进行接触：
(a)实现钨在该丝极上沉积的条件；以及
(b)实现从该丝极上侵蚀沉积的材料的条件。
本发明在进一步方面涉及一种清洗离子植入系统的一个或多个部件的方法，用于从所述一个或多个部件上至少部分地去除与电离作用有关的沉积物，所述方法包括使清洗气体在选自由下述组成的组中的条件下流动通过该系统：
(a)实现材料在该丝极上沉积的条件；以及
(b)实现从该丝极上侵蚀沉积的材料的条件。
本发明的另外的方面涉及一种保持电弧室中的离子源的丝极的预定的电阻的方法，该方法包括使该丝极与取决于该电弧室中的温度对在该丝极上沉积材料或从该丝极上侵蚀材料有效的试剂进行接触，并且控制在该电弧室中的温度来实现在该丝极上沉积或侵蚀材料，以便保持所述预定的电阻。
在另一个方面，本发明涉及一种清洗离子植入系统或其一个或多个部件以从中去除与电离作用有关的沉积物的方法，该方法包括使该离子植入系统或其一个或多个部件在其中所述BrF3与该沉积物具有化学反应性的条件下与BrF3接触以实现它们至少部分地去除。
在另一个方面，本发明涉及一种清洗离子植入系统的前级管道以从中去除与电离作用有关的沉积物的方法，该方法包括使离子植入系统的前级管道与清洗气体在其中所述清洗气体与该沉积物具有化学反应性的条件下进行接触以至少部分地去除它们。这种方法可以改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命。
在另一个方面，本发明涉及一种改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，该方法包括使该阴极与包含至少一种清洗气体以及至少一种沉积气体的气体混合物进行接触，其中所述气体混合物平衡了材料在阴极上的沉积以及该沉积材料或其它材料从该阴极上的腐蚀。
本发明的其它方面、特征以及实施方式从随后的披露内容以及所附专利要求将会更加完全显而易见。
附图说明
图1是在引入原位清洗处理之前和之后的源寿命数据的图，示出了由于处理而引起的寿命增加。
图2是示出了如在实施例1中详述的XeF2对抑制器泄漏电流的影响的图。
图3A和3B是示出了证明如在实施例1中详述的原位清洗的清洗效果的照片。
图4A和4B示出了如在实施例5中详述的原位清洗的清洗效果。
图5A和5B是用XeF2流经过实耗时间段的丝极重量增加(图5A)以及丝极电流(图5B)的图。
图6是对于用XeF2流在该系统中的钨输送，丝极重量变化作为丝极电流的函数的图。
具体实施方式
本发明涉及用于监测、控制以及清洗半导体处理系统和/或其部件的装置和方法，并且涉及用于这种清洗的组合物。
在一个方面，本发明涉及从该半导体处理系统或半导体处理系统的部件中去除沉积物，其中使该系统或系统部件与包括气相反应性材料的清洗组合物进行接触。
如这里所使用，术语“气相反应性材料”旨在宽泛地解释为指以下材料，包括：一种或多种卤化物化合物(卤素化合物)和/或络合物(以气体或蒸汽的形式)，这样的一种或多种化合物和/或络合物的离子和等离子体形式，以及衍生自这样的一种或多种化合物、一种或多种络合物以及离子和等离子体形式的元素和离子。如在本发明的宽泛的实施中所使用的气相反应性材料还可以不同地指，但不限于，“气相反应性组合物”、“清洗剂”、“清洗气体”、“侵蚀气体”、“气态卤化物”、“气态清洗剂”、“反应性卤化物”、“清洗化合物”、“清洗组合物”、“清洗蒸汽”、“侵蚀蒸汽”或此类术语的任何组合。
如这里所使用，关于离子植入机，“离子源区域”包括真空室、源电弧室、源绝缘子、引出电极、抑制电极、高电压绝缘子、源套管、丝极以及反射极电极。
本发明考虑了半导体处理系统及其部件的清洗，连同其它基质和装置，该基质和装置在其正常处理操作过程中易受到其上形成的沉积物的影响。
本发明在不同的方面提供了一种离子植入系统，该系统具有以下能力：通过适当地控制在电弧室中的温度而生长/侵蚀在电弧室的离子源内的丝极以进行所希望的丝极生长或可替代的丝极侵蚀。
本发明的另外的方面涉及反应性气体例如WFx、AsFx、PFx和TaFx(其中x具有化学计量适当的值或值的范围)在用于在原位或离位清洗配置(安排)中在等离子体或升高的温度条件下清洗离子植入机的区域或植入机的部件中的应用。
本发明还有的另外的方面涉及BrF3在用于在原位或离位清洗配置中在环境温度、提高的温度、或等离子体条件下清洗离子植入系统或其一个或多个部件中的应用。
离子植入系统的运行导致在该系统和其部件中与电离作用有关的材料的沉积。本发明考虑了监测、控制和/或清洗该离子植入系统和/或其一个或多个部件，用于从该系统和/或其部件上至少部分地去除这种与电离作用有关的沉积物。该清洗方法涉及将该系统和/或其部件与包括气相反应性材料的清洗组合物在能够使该气相反应性材料与该沉积物进行反应的条件下进行接触以实现它们至少部分的去除。
除了由原料气体本身引起的与电离作用有关的沉积物之外，还已经发现了在离子植入系统内形成的沉积物或残余物可能起因于原料气体与构成该系统部件的材料的反应性。例如，离子植入系统的真空室可以使用不锈钢或铝构成。在该真空室内的系统部件可以使用石墨(例如，标准的或玻璃质的)，绝缘材料(例如，氮化硼)和/或密封材料例如Teflon
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、Kel-FTM、PEEKTM、DelrinTM、VespelTM、VitonTM、Buna-N、硅等构成。可以在该离子植入系统中存在的并且对其中产生沉积物的化学反应敏感的其它材料包括但不限于陶瓷、含氧化铅的环氧组合物、氮化铝、氧化铝、二氧化硅、以及氮化硼。
该离子源本身可以由钨、石墨、钼或钽构成，有时具有少量的铜和银。该离子源电弧室通常由钨或钼构成、或具有内衬有钨或钼的石墨体。在这种情况下，一种氟化物源的进料材料，例如BF3、GeF4、SiF4、AsF5、AsF3、PF5、和/或PF3在运行温度下与电弧室的材料，例如来自该室或该室的衬里的钨或钼进行反应，以形成中间副产物，该副产物进而可以在该系统中迁移并且分解以沉积钨或钼并释放出氟。
例如，原料气体例如GeF4会在该离子源室中解离并且产生的游离的氟化物会侵蚀该电弧室中的材料，例如钨。在更冷的表面上在钨的情况下将会发生这种反应，所以如果投射等离子体并且因此该丝极是热的，则该氟化物会与钨在电弧室的壁上进行反应，侵蚀该壁并形成WF6气体。然后，WF6会在该热的丝极上沉积钨，引起其尺寸的增长。
当GeF4产生大量游离的氟时，原料气体例如BF3或SiF4产生更少量的游离氟以及相应地在丝极上较少水平的钨沉积，它尽管较少，但仍然很重要。
不含氟的原料气体，例如PH3和AsH3，有问题的是可以引起来自丝极的金属沉积在电弧室的壁上，而结果使丝极变细。
因此，本发明考虑了清洗离子植入系统或其一个或多个部件，用于至少部分地去除与该电弧室的材料相同的与电离作用有关的沉积物。
根据本发明的清洗可以在离子植入系统中进行，其中将多种原料气体同时引入该系统中。原料气体还可以与一种或多种气相反应性材料同时使用，或可以与一种或多种气相反应性材料交替脉冲到该系统中。
本发明的清洗方法所指的与电离作用有关的沉积物包括多种材料，该材料可以例如通过在离子源或其它电离过程的设备中形成并且累积来干扰离子植入系统的正常运行。沉积的材料可以不同地包括、构成为、或实质上由下述构成：硅、硼、磷、锗、砷、钨、钼、硒、锑、铟、碳、铝和/或钽。
在离子源电弧室以及在引出电极上的与电离作用有关的沉积物可以成片脱落并且形成小的颗粒。这些颗粒一旦形成，则能够以离子束例如植入到晶片中的掺杂离子的束输送。如果这种输送的颗粒到达该晶片，则在该晶片上产生的颗粒污染可以严重地降低可以在该晶片上制造的有用器件的产率。本发明的清洗方法在这种与电离作用有关的沉积物能够形成薄片和颗粒之前将其去除，并且由此实现在产品晶片上颗粒的减少并且提高半导体器件的产率。
根据本发明的用于清洗的气相反应性材料或清洗气体可以包括对至少部分地去除该离子植入系统中与电离作用有关的沉积物有效的任何材料。
本发明还考虑了使用气相反应性材料以通过适当地控制反应而从不希望的位置去除与电离作用有关的沉积物，和/或在希望的位置沉积材料。在本发明的具体的实施方式中，钨构成了作为不希望的沉积物的去除的材料，而在其它实施方式中，钨被期望地沉积在受益于其存在的表面上。因此，反应性地形成一种钨氟化物中间体产物的气体，例如XeF2、GeF4、SiF4、BF3、AsF5、AsF3、PF5、和/或PF3，可以用于本发明的控制和清洗方法中。另外，钨氟化物气体例如WF6、WF5、和/或WF4可以直接用于本发明的控制和清洗方法中。同样，本发明的气相反应性材料包括，但不限于XeF2、GeF4、SiF4、BF3、AsF5、AsF3、PF5、PF3、F2、TaF3、TaF5、WF6、WF5、和/或WF4。
在不同的具体的实施方式中，该气相反应性材料可以与增加该气相反应性材料的挥发性的“清洗增强剂”或“共反应剂”共同施用，导致比使用无清洗增强剂或共反应剂的气相反应性材料更多的沉积物的去除。例如，用XeF2去除铱沉积物可以通过路易斯碱以及电子回馈键种类的共同施用而增强。在特定的应用中，可以使用一氧化碳、三氟膦、以及三烷基膦。
作为另外的实例，在离子植入系统中，其中进料气体在具有钨壁的电弧室中被电离成连续的等离子体，在该钨壁上，一边安装有丝极而另一边安装有反射极并且其通过陶瓷的绝缘子与该壁分开，该电弧室的部件可能会被进料气体的分解产物、电弧室的元素以及碳污染。
在这种情况下，有用于去除形成挥发性氟化物的金属污染物例如钨的清洗剂(例如XeF2)可以与含氧添加剂进行组合，该含氧添加剂通过将污染物碳转变成CO、CO2、和/或COF2而有效地用于将其去除。在本发明的具体的实施方式中，有用于这种目的的含氧添加剂组分包括但不限于NO、N2O、NO2、CO2和/或O2。
因此，本发明考虑了包括有效用于去除金属污染物(通过形成这种金属的挥发性(气态)氟化物化合物的反应)的清洗剂、以及有效用于去除碳污染物(通过由其形成挥发性氧化物或氟氧化物)的清洗剂两者的清洗组合物。这些清洗剂可以同时地或顺序地流入该电弧室中。
在一个实施方式中，这些试剂在电离作用的条件下同时流入该电弧室中，使得两种清洗剂均进行电离以将金属和碳污染物转变成从该室中通过将其机械泵送而容易去除的挥发性化合物。
能够使气相反应性材料与沉积物进行反应的条件可以包括任何适当的温度、压力、流速、组成等条件，在该条件下，该气相反应性材料与污染物进行接触并且化学上与污染物相互作用以便从基质(例如受所沉积材料污染的植入机设备的表面)中去除这种材料。
可以使用的不同条件的实例包括但不限于，环境温度、超过环境温度的温度、存在等离子体、没有等离子体、低于大气压力、大气压力、以及超过大气压力。
在不同的实施方式中，用于气相反应性材料接触以去除沉积物的具体温度可以从大约0℃到大约1000℃的范围。接触可以包括气相反应性材料在载气中，或以纯的形式，或在与另外的清洗剂、掺杂剂等的混合物中进行递送。该气相反应性材料可以进行加热为了与在环境温度下的沉积物进行化学反应，以便提高反应动力学。
该气相反应性材料与污染物沉积物之间的反应可以基于改变清洗剂与污染物之间的反应特性进行监测和/或调节。这种反应特性可以包括压力、时间、温度、浓度、具体物质的存在、压力改变的速度、浓度改变的速度(具有具体种类)、电流的改变等。因此，向系统中引入该气相反应性材料可以基于预定的反应特性的实现而终止，例如在真空室中的预定压力、渡过预定量的时间、或预定的温度、在该系统中具体元素的浓度、具体副产物的存在、在该系统中的反应产物或其它物质、或在监测操作中预定的电流条件的实现。
钨沉积物可以由进料气体与植入机系统的电弧室的反应产生。用于清洗这种沉积物的方法可以取决于该系统的温度梯度和/或流到以及流过丝极的电流、和/或有效地确定并且能够监测的任何其它特性。
例如，来自进料材料的氟可以与电弧室在第一温度下进行反应以通过反应(1)或(2)形成WF6：
3F2(g)+W(s)→WF6(g)    (1)
6F(g)+W(s)→WF6(g)    (2)
还可以存在清洗气体与电弧室的钨材料之间的反应，例如：
3XeF2+W→3Xe+WF6      (3)
可替换地，WF6(或WF5或WF4)可以直接地提供给该系统。
在该系统中曾经形成或者另外存在的钨氟化物然后可以迁移到该系统中的另一个位置。取决于其它位置的温度，该钨氟化物会在该位置侵蚀或沉积钨。在该丝极上，温度将主要取决于通过它的实际电流流量。在该电弧室中其它位置的温度可以取决于具体的位置以及电弧室的设计、丝极电流、以及其它非丝极电流进行变化。
如果第二位置处于高温，则钨氟化物分解，钨被沉积而氟被释放，只要钨氟化物继续存在，钨沉积物的尺寸就会增长。沉积反应可以包括以下反应(4)、(5)和/或(6)：
WF6→W+3F2            (4)
2WF5→2W+5F2          (5)
WF4→W+2F2            (6)
相反，如果第二位置处于中等温度，则钨氟化物可以侵蚀该位置，在反应产物中去除钨并且保留氟，使得侵蚀的位置随着侵蚀的进行而缩小。这种侵蚀反应可以包括以下反应(7)、(8)和/或(9)：
WF6(g)+2W(s)→3WF2(g)  (7)
2WF6(g)+W(s)→3WF4(g)  (8)
5WF6(g)+W(s)→6WF5(g)  (9)
因此，对于钨沉积物的去除，可以选择带有沉积物的部件的温度以使去除的速度和范围最大化。
在本发明的其它实施方式中，在电弧室中的硼和/或钼沉积物以相应的方式去除。
在本发明的方法中，清洗剂与处理设备的接触可以通过监测在接触过程中的压力变化而进行，当压力变化为零时，接触终止。
可替换地，该接触可以通过监测气相反应性材料、或由此得到的反应物、或在该接触中产生的反应产物的分压而进行，当该分压达到预定的值，即，一终点时，该接触终止。这种终点监测可以例如使用合适的终点监测器进行，例如如在美国专利号6,534,007以及美国专利申请号：10/273,036、10/784,606、10/784,750、和10/758,825中更全面描述的一种类型的终点监测器，或热电堆红外(TPIR)或其它红外探测器。
在另一个实施方式中，接触可以使用处理设备系统的部件通过气相反应性材料的受控制的流动而进行，该处理设备系统的部件允许调节气相反应性材料的分压并且因此控制反应速率。
在又一个实施方式中，使用以预定流速的气体反应性材料的连续流来进行清洗操作。
如在上文中关于反应(1)-(9)所讨论的，与电离作用有关的钨的沉积物可以在非常高的温度下进行沉积并且在低温至中等温度下进行侵蚀。在沉积或侵蚀的位置是植入机系统的丝极的情况下，温度和电流流量是彼此直接相关的。当该丝极被进行侵蚀时，丝极会变细而对电流的阻力会随着该丝极的截面的减小而增加，使得流过该丝极的电流流量会减小。如果该丝极的条件促进了在其之上的沉积，则对电流的阻力会随着不断的沉积而减小，因为该丝极的截面增加并且该丝极变粗，相应地其中通过的电流流量增加。
在另一个方面，本发明涉及一种监测在源丝极上的沉积以及所导致的丝极生长的方法，涉及通过该丝极的电流流量的监测。因为，由于沉积而引起丝极的截面增大，所以对电流的阻力会减小并且电流会增大以便保持该丝极处于支持电弧室中的等离子体所需要的温度。因此在电流中监测到的增大可以用来表示对丝极清洗的需要。
在另外的方面，本发明涉及一种经监测通过丝极的电流流量来监测该丝极的侵蚀或清洗的方法。因为由于侵蚀、溅射或蒸发而引起丝极截面减小，所以对电流的阻力会增大并且电流会减小以便保持该丝极处于支持电弧室中的等离子体所需要的温度。因此在这种电流中监测到的减小可以用来表示将附加的材料沉积在受侵蚀的丝极上的需要，或终止清洗或电离过程的需要。
本发明的另一个实现方式包括一种基于如以上详述的监测流过丝极的电流来控制该丝极的状态的方法。
在一个实施方式中，在受监测的丝极电流的减小提供了丝极接近中断的指示，响应于这个，气相反应性材料流入该系统中，例如当投射等离子体时，或者可替换地，在使等离子体关闭但是丝极仍然是热的(例如，～200℃)情况下，以诱发产生金属在该丝极上的沉积的反应，例如，来自电弧室壁上的钨。这种反应可以允许进行到直至该电流在用于有效运行离子植入系统的预定范围内，指示该丝极已经“再生长”到令人满意的程度。
在另一个实施方式中，所监测的丝极电流的增大提供了这样的指示，即，由于材料的沉积引起丝极正在生长。响应地，在允许丝极冷却预定的时间段之后，或冷却到预定的温度(其可以例如在从室温到高达约1200℃的范围内)之后，气相反应性材料流入该系统中，使得丝极被冷却到足以允许侵蚀该丝极。由该气相反应性材料促成的随后的侵蚀反应其后可以允许进行到直至电流在用于有效运行该离子植入系统的预定范围内，指示该丝极已经变细至适当的水平。
因此，本发明的方法可以通过使基质与气相反应性材料接触足以至少部分地从该基质上去除沉积物的时间而用于从该基质上去除包括硼、硅、砷、磷、锗、钨、钼、硒、锑、铟、钽以及碳中的至少一种的沉积物。用于这种目的的气相反应性材料可以包括XeF2、XeF4、XeF6、GeF4、SiF4、BF3、AsF5、AsF3、PF5、PF3、F2、TaF3、TaF5、WF6、WF5、WF4、NF3、IF5、IF7、KrF2、SF6、C2F6、CF4、Cl2、HCl、ClF3、ClO2、N2F4、N2F2、N3F、NFH2、NH2F、HOBr、Br2、BrF3、C3F8、C4F8、C5F8、CHF3、CH2F2、CH3F、COF2、HF、C2HF5、C2H2F4、C2H3F3、C2H4F2、C2H5F、C3F6、COCl2、CCl4、CHCl3、CH2Cl2、以及CH3Cl中的一种或多种。
在本发明的实施中，氟化的氙化合物可以用作清洗剂以及等离子体源试剂，并且可以包括任何合适数目的氟原子。相对于更低的F/Xe化合物，F与Xe的更高的比值使得能够相对更快并且更有效地进行清洗。更高的蒸汽压力提高了清洗剂的递送速率并且使得能够递送更多的材料。
在本发明的一个实施方式中，使用六氟化氙作为清洗剂或等离子体源试剂。尽管XeF6的蒸汽压力在室温下比XeF2的蒸汽压力大约高七倍，但XeF6，如同XeF4，是与水非常易反应的。XeF6最有利地是在不涉及水、烃、氢或还原剂的存在或生成的清洗环境中使用。然而，当使用具有更低蒸汽压力的清洗化合物时，可能需要调节流通线路以便避免在流通路径中不适当的压力降低并且保持清洗剂的适当高的递送速率。
实施本发明的方法的装置可以以任何适当的方式构成并配置，以向该清洗提供气相反应性材料。
在一个实施方式中，本发明提供了一种离子植入和清洗组件，包括：(i)离子植入系统，该离子植入系统包括一个或多个部件，在该系统中的离子植入处理的过程中在其上累积有与电离作用有关的沉积物；(ii)清洗组件，该清洗组件包括含有清洗组合物的清洗组合物源，该清洗组合物包括气相反应性材料，例如一种卤化物化合物，该卤化物化合物与沉积物具有反应性以实现在清洗条件下从一个或多个部件至少部分地去除沉积物，该清洗条件包括该清洗组合物与沉积物的接触；(iii)流通线路，该流通线路适合于将清洗组合物从清洗组合物源输送到一个或多个用于与其在清洗条件下进行接触的部件；以及(iv)流通部件(flow componentry)，该流通部件适合于控制在清洗状态的过程中清洗组合物流动通过该流通线路，以实现从一个或多个部件上至少部分地去除沉积物。
上述组件中的流通部件可以具有任何合适的类型，包括例如阀、阀致动器、限流器、调整器、泵、质量流量控制器、压力计、残余气体分析器、中央处理单元、隔膜等。这种流通部件是适合地匹配的以在所使用的具体清洗条件下工作。
在植入机装置中的一个或多个部件(该部件在该系统中的离子植入处理过程中在其上累积有与电离作用有关的沉积物)可以具有任何合适的类型，例如，真空室、电弧室、电极、丝极、高电压套管、电磁波导、晶片处理部件、卡环、轮、盘等。在一个实施方式中，该部件是真空室或包含在其中的部件。
清洗组合物源可以包括含有清洗组合物的材料存储和分配插件。该材料存储和分配插件包括容器，该容器可以例如具有限定其内体积的通常的圆柱形状。在一个具体的实施方式中，该清洗组合物在环境温度的条件下可以为固体并且这种清洗组合物可以支持在该容器内增强的表面积上。这种增强的表面积可以包括其中的结构体，例如托盘，如在美国专利号6,921,062中描述的，或多孔惰性泡沫，例如受过阳极化处理的铝、不锈钢、镍、青铜等，以提供该清洗材料的一致的蒸发速率并且进而提供用于进行相关的清洗过程的分配和电离步骤的足够的蒸汽压。在利用托盘的情况下，在分配操作中，清洗组合物可以支持在托盘的表面上，该托盘具有与其相关的流动通道管，用于使蒸汽在该容器中向上流动到其分配口。
在上述设备配置中的流通线路适合于将该清洗组合物在清洗条件下从该清洗组合物源输送到电弧室中。这种适合可以基于清洗组合物的不同特性。例如，当该清洗组合物具有低的蒸汽压力时，可以使用高的传导来避免在流通路径中的不必要的压降。最大化流导以及最小化流通压缩的方法在本领域中是众所周知的。
在本发明的所有清洗方法中，可以可选地使用另外的方法和装置应用于清洗从而延长离子植入系统特别是离子源的寿命。这种延长寿命的方法可以包括改变离子植入系统以适应具体的基质、沉积的材料和/或气相反应性材料。系统装置的改变可以包括但不限于提供：具有有源(自动，active)热控制系统的引出电极；降低放电的频率/发生的有源加热的引出电极(actively heated extraction electrode)；包括金属优选铝、钼或氧化铝(Al2O3)的引出电极；远程等离子体源；引出电极与加热器的结合；引出电极与冷却装置的结合；光滑的无特征的(featureless)引出电极；等离子体室，该等离子体室被配置为接收源气体，该源气体能够被等离子体分解以产生通过该室的出口以及导管的反应性气体的流，用于将该反应性气体输送到电离作用室；温度探测器，该温度探测器被设计为探测反应性气体与处理系统中的表面上的污染物的放热反应的实质上结束；在该处理设备中的部件的保护物，该部件易受气相反应性材料的损害(例如，在对气相反应性材料敏感的部件周围提供了对抗这种材料的屏蔽物)；和/或包括铝或氧化铝的系统部件的使用。
延长处理设备的寿命的方法可以包括但不限于：对引出电极进行有源加热以降低放电的频率和发生，在高于递送至离子源的源材料的冷凝温度加热引出电极，有源地控制适合于所使用的具体类型离子源的引出电极的温度(例如与加热或冷却的离子源组合，加热或冷却该电极)，和/或在引出过程中保持引出电极处于高温。这种附加的装置的改变和方法在美国专利申请公开号2006/0272776和2006/0272775以及国际专利公开号WO 05/059942中进行了更全面的描述，由此将其整体通过引用结合于此。
在一个具体的实施方式中，该离子植入系统包括电弧室以及掺杂剂源，其中该掺杂剂源可以例如包括BF3、XeF2、AsH3、PH3、GeF4、SiF4、H2Se、AsF5、AsF3、PF5、PF3或其它包含硼、硅、砷、磷或锗的掺杂剂源。
在另一个实现方式中，本发明涉及一种离子植入方法，该方法包括在离子植入系统的电弧室中由掺杂剂源气体产生等离子体，该掺杂剂源气体流动通过该电弧室以形成用于植入的掺杂剂源离子，其中在该掺杂剂源气体流动通过该电弧室的过程中的至少一部分时间过程中，气相反应性材料与掺杂剂源气体同时流动通过该电弧室，以实现在该离子植入系统中的清洗。
总体上，尽管掺杂剂源气体与气相反应性材料可以进行同时流动以实现原位清洗，但是通常是优选的以便以连续的方式进行清洗操作，例如当该离子源从第一掺杂剂源产生第一等离子体，并且随后该离子源从第二掺杂剂源产生第二等离子体时，使用介入的清洗步骤，其中气相反应性材料在有或没有等离子体生成的情况下流动通过该离子源。
在一个实施方式中，本发明提供了一种形成掺杂的硅基质的方法，该方法包括将Xe+离子植入硅基质中，并且其后在该硅基质中植入掺杂剂离子。在这种方法中，植入Xe+离子用于无定形化(amorphize)该基质的晶体结构。
在用于清洗的氟化的氙等离子体(例如XeF2等离子体)的产生中，Xe+离子可以进行一些源本身的低能溅射清洗。在引出之后，Xe+离子可以进行离子源下游部件，例如真空壁、离子光学部件、晶片盘以及晶片支架的一些高能溅射。
类似地，在使用钨氟化物种类，例如WF6、WF5、和/或WF4的情况下，游离的氟化物可以溅射洁净的、不同的离子源部件和/或钨可以沉积在离子源的不同部件上。在清洗以及沉积之间发生的动作取决于在系统中各个部件的温度。
本发明在不同的方面涉及用于清洗在微电子装置的制造中所使用的离子植入系统的离子源区域的方法和装置。该离子源区域可以例如包括直接加热的阴极源、弗里曼(Freeman)源或贝尔纳(Bernas)源。
本发明在一个实施方式中涉及从离子植入机以及其中所包括的部件通过使该真空室和/或部件与气相反应性卤化物组合物在足够的时间以及足够的条件下进行接触而原位去除残余物以至少部分地从该真空室和/或部件中去除残余物，并且涉及以这样的方式来完成，即，当残余物与构成真空室和/或部件的材料不同时，该气相反应性材料与残余物选择性地有反应性并且与构成离子植入机的真空室和/或部件的材料最低限度地有反应性(例如基本上没有反应性，并且优选完全没有反应性)；而当残余物与构成真空室和/或部件的材料相同时，则气相反应性材料可以与残余物以及真空室和/或部件均有反应性。
如这里所使用，如应用于该气相反应性卤化物与残余物的反应性的术语“选择性地”用于描述在该气相反应性卤化物与残余物之间的优先反应。尽管与构成离子植入机的真空室和/或部件的材料保持实质上没有反应性，但如果该真空室和/或部件包括与那些残余物本身相同或相似的元素，则气相反应性卤化物可以与构成离子植入机的真空室和/或部件的某些材料进行反应。例如，当选择性地有反应性并且从部件中去除钨沉积物时，该气相反应性材料可能也与在部件本身中的钨进行反应。对于这种共反应的发生，残余物以及部件不必精确地是相同的材料，但是会包括一些共同的材料。
在另一个实施方式中，在单独的专门的室中离位地清洗离子植入机部件，部件从离子植入机中移到单独的专门的室中。
进一步详细地考虑原位清洗，这种清洗主要取决于以下三个因素：清洗前体的反应性的性质、清洗反应副产物的挥发性、以及在化学清洗中所使用的反应条件。该清洗组合物必须去除不必要的残余物同时使构成植入机的材料的磨损最小化。通过清洗反应所产生的副产物必须是足够挥发性的以通过离子植入机的真空系统或其它泵送装置而方便于它们的去除。
由与植入机的一个或多个部件相同的材料形成的残余物的清洗会导致部件本身的一些磨损。具体地说，使用XeF2作为清洗剂以从利用钨电弧室的系统中去除钨沉积物会导致来自电弧室的内部的某些钨的去除。然而，为了使系统效率最大化，如果该系统不进行清洗并且允许钨沉积物累积在该系统中，当从系统性能降低的角度来看时，电弧室的某些内部材料的损失不是很重要的。
该气相反应性材料可以例如包括一种氟化的氙化合物蒸汽，例如XeF2蒸汽。XeF2是优选的反应性卤化物气体，并且在室温下会升华，但是可以使用加热器进行加热以增加升华速率。已知XeF2是有效的硅侵蚀剂并且已经在微电子机械系统(MEMS)装置处理中用作硅选择性侵蚀剂。具体地说，XeF2与硅根据以下反应进行反应。
2XeF2(g)+Si(s)→2Xe(g)+SiF4(g)  (10)
硅/XeF2反应可以不在活化的情况下，即，不在等离子体或热加热的情况下发生。XeF2与Si的反应速率大大高于XeF2与SiO2的反应速率，使得XeF2选择性地与Si反应。
XeF2或其它氟化的氙化合物作为用于金属硼的侵蚀剂有用地用于本发明的实施中。尽管不希望受到理论的束缚，但是认为根据以下反应(11)侵蚀硼：
3XeF2(g)+2B(s)→3Xe(g)+2BF3(g)  (11)
本发明考虑使用XeF2作为用于砷、磷以及锗的侵蚀剂，并且可以涉及以下反应：
5XeF2(g)+2As(s)→5Xe(g)+2AsF5(g)  (12)
5XeF2(g)+2P(s)→5Xe(g)+2PF5(g)    (13)
2XeF2(g)+Ge(s)→2Xe(g)+GeF4(g)    (14)
这种反应可以使用或不使用高能活化而进行。
当残余物材料与那些材料不同时，本发明的方法和装置用于至少部分地从离子植入机的部件中去除残余物，例如，去除至少25％，更优选至少50％并且最优选至少75％的这种残余物，并且以这样的方式来完成，即，对于构成离子植入机部件的材料，例如铝、钨、钼、石墨、绝缘材料、密封材料等，选择性地去除残余物。
当残余物和构成的部件材料是相同的材料时，希望有相似水平的残余物去除，同时将从部件中去除材料保持在低的水平，例如在微米或数十微米的范围内，以便不显著地影响部件的性能。此外，由于沉积物一般没有均匀的厚度或沉积，因此它们在清洗过程中可以比部件本身的材料更有反应性，使得该气相反应性材料组合物比与部件部分的反应更选择性地与该残余物进行反应。
可以采用几种方式将气相反应性材料组合物递送到用于原位清洗的离子源区域，包括不流动的方式、连续的方式、以及直接引入的方式。这种清洗方式更全面地描述于国际公开WO 07/127865中，连同在本发明的实施中有效使用的装置以及方法(方法学)。国际公开WO 07/127865的披露内容通过引用以其整体结合在此。尽管结合本发明的不同实施方式在此描述了使用XeF2作为清洗组合物，但是应当理解，可以使用其它氟化的化合物，例如WF6、WF5、和/或WF4，可替换或连同XeF2，或可以使用其它的以及额外的氟化的化合物。例如可以在没有等离子体的情况下使用BrF3来侵蚀钨。在另一个方面，本发明涉及一种改进使用固体掺杂材料的离子植入系统的性能并且延长使用固体掺杂材料的离子植入系统的寿命的方法，该方法包括使用XeF2或N2F4作为所述固体掺杂材料的载气。该固体掺杂材料包括，但不限于Sb2O3和InCl3。如本发明所考虑的，使用XeF2或N2F4作为Sb2O3、InCl3或其它固体掺杂材料的载气去除了沉积在该源室及其部件上的Sb、In以及其它掺杂剂。该瞬时方法即使在Sb植入之后切换为硼也具有效用。通过本发明的方法获得的优点至少是双重的：首先，它提供了实时的源清洗以防止或减少掺杂剂累积到该离子源室及其部件上，因此改进了离子源性能同时延长了离子源的寿命；第二，它增强和/或稳定了等离子体和/或束电流。
在另一个方面，本发明涉及一种改进使用气体掺杂材料的离子植入系统的性能并且延长使用气体掺杂材料的离子植入系统的寿命的方法，该方法包括使用XeF2或N2F4作为与所述气体掺杂材料的共流(并流)气体。该气体掺杂材料包括，但不限于GeH4。如本发明所考虑的，使用XeF2或N2F4作为与GeH4或其它气体掺杂材料的共流气体去除了沉积在源室及其部件上的Ge或其它掺杂剂。通过本发明的这种实施所获得的优点至少是双重的：首先，它提供了实时的源清洗以防止或减少掺杂剂累积到该离子源室及其部件上，从而改进了离子源性能并且延长了离子源寿命；第二，它增强和/或稳定了等离子体和/或束电流。
在另一个方面，本发明涉及一种清洗离子植入系统的前级管道以从中去除与电离作用有关的沉积物的方法，包括使离子植入系统的前级管道与清洗气体在以下条件下进行接触，其中所述清洗气体与该沉积物具有化学反应性以实现其至少部分的去除。沉积物包括，但不限于包括B、Ge、Si、P、和As、或它们的混合物的那些物质。该清洗气体包括但不限于XeF2、N2F4、F2、以及与如前述构成的沉积物具有反应性的其它氟化的物质。如本领域技术人员所理解的，所需要的清洗气体的量取决于存在的沉积物的量。类似地，在清洗气体与沉积物反应的过程中释放出的热的量取决于清洗气体的流速。从清洗过程中产生的副产物种类的识别和浓度取决于清洗气体的流速、沉积物的组成性构成、以及泵吹洗流速。仅出于非限制性说明的目的，以下对使用XeF2从前级管道中清洗磷的实例进行说明。
用于确定在清洗过程中需要的XeF2的量的化学反应是：5XeF2(g)+2P(s)→5Xe(g)+2PF5(g)。形成的焓(以kJ/mol)获自Lange’s Handbook of Chemistry(14th ed)并且在此列出用于确定在反应过程中释放的热：XeF2(-164)；Xe(0)；P(0)；以及PF5(-1594.4)。XeF2的流速确定了清洗过程所需要的时间长度以及所释放的热。没有提供加热XeF2气瓶(钢瓶，cylinder)的手段，最大的持续流速是大约50sccm，假定有足够的递送管道传导率。如果通过使用加热夹套而使该气瓶保持在室温，则该流速可以增加到100sccm或更大。清洗磷沉积物所需的XeF2的量在表1中示出，在该清洗反应过程中释放的热的量在表2中示出。
表1
 磷沉积物的质量(g)  所需的XeF2的质量(g)
 10  137
 100  1367
 1000  13,666
表2
  XeF2的流速(sccm)   热产生的速率(瓦特)
  50   17.6
  100   35
  200   70
来自上述清洗反应的不同副产物的最大产生速率在表3中示出。
Figure BPA00001232766900211
如本领域技术人员所理解的，由于残余物的组成可能变化，因此在表3中示出的数据基于以下假设：对于每种元素假定该元素的100％组成性构成，确定副产物的量。此外，这些物质的最大浓度取决于在排气系统中的稀释流速。例如，如果低真空泵具有10slpm的氮气吹洗，则就在该泵的下游，PF3的最大稳定态浓度是3330ppm。如果XeF2的流速大于50sccm，则该值可以增加。
在上述方法的一个实施方式中，在涡轮泵关闭而低真空泵打开时该清洗气体流入该植入源室。此实施提高了在前级管道沉积物上方的清洗气体的流速，因此提供了更快的清洗过程。通过对在其中使该清洗气体存储达室温或室温以上的气瓶进行加热可以进一步提高清洗气体的速率。优选地，在此实施中，对从气瓶到离子植入机的递送管道类似地进行加热。
在上述方法的另一个实施方式中，该清洗气体以脉冲流来流入植入源室中，其中将植入源室、泵以及前级管道填充到某一压力并且然后抽吸到更低的压力。重复此过程直至去除离子植入系统的前级管道上的沉积物。此实施优选使用在低真空泵的进口上的隔离阀。
在一个优选的实施中，上述实施方式进一步包括对在其中使清洗气体存储在室温或室温以上的气瓶进行加热。
对于所有的实施方式，该方法优选进一步包括在该低真空泵出口的洗涤器(气体洗涤器，scrubber)以去除从清洗过程产生的挥发性副产物。
每个实施方式优选进一步包括如从Air Products and Chemicals，Inc.(PA，USA)可商购的Xe回收系统，并且描述在结合于此的http://www.fabtech.org/product_briefings/_a/new_product_air_products_offers_on_site_xenon_recovery.中。
清洗离子植入系统的前级管道的方法的另一个实施方式包括在涡轮泵下游提供该清洗气体并且将所述清洗气体连续地流到离子植入系统的前级管道。此实施优选清洗前级管道上的沉积物(即使当植入过程进行时)，由此减小离子植入操作的中断。
在上述的实施方式中，清洗气体优选存储在气瓶中；该方法优选进一步包括对在其中使该清洗气体存储在室温或室温以上的该气瓶进行加热。
上述实施方式优选进一步包括在该低真空泵的出口提供洗涤器以从该清洗过程中去除所产生的挥发性副产物。
上述实施方式进一步包括提供如从Air Products and Chemicals，Inc.(PA，USA)可商购的Xe回收系统，并且描述在结合于此的http://www.fabtech.orgg/roduct_briefings/_a/new_product_air_products_offers_on_site_xenon_recovery.中。
在另一方面，本发明涉及一种改进具有阴极的离子植入系统的性能并且延长具有阴极的离子植入系统的寿命的方法，该方法包括使该阴极与由至少一种清洗气体以及至少一种沉积气体组成的气体混合物进行接触，其中所述气体混合物平衡了材料在该阴极上的沉积和该沉积材料或其它材料从该阴极上的剥离。气体混合物的清洗气体去除了沉积在该阴极上的掺杂剂以及阴极的材料，而气体混合物的沉积气体直接或间接地引起掺杂剂沉积在该阴极上。这种气体混合物保持了在该阴极上掺杂材料的累积与该掺杂材料或其它材料的剥离之间的平衡，因此延长了离子源的寿命。该气体混合物在离子源植入机中的存储和分配可以通过使用下述来完成：吸附-解吸装置(被称为SDS-安全递送源)，它描述于美国专利号5,518,528中，并且其内容通过引用结合于此；流体存储和分配系统(被称为VAC真空致动气瓶)，该系统包括用于保持流体在所希望的压力下的容器，它描述于美国专利号6,101,816中并且其内容通过引用结合于此；或SDS和VAC的混合流体存储和分配系统(被称为VAC-Sorb)，它描述于美国专利号6,089,027中并且其内容通过引用结合于此。这些流体存储和分配系统提供了气体的低于大气压的递送，并且由此比高压流体存储和分配系统更安全并且更有效。此外，该气体混合物中的一些气体可以在SDS、VAC或VAC-Sorb系统下一起进行存储和分配，该气体混合物中的一些气体在高压流体存储和分配系统下的共存是不相容的。
在上述方法的一个实施方式中，气体混合物的气体同时地流动以与该阴极接触。
在上述方法的另一个实施方式中，气体混合物的气体顺序地流动以与该阴极接触。
在上述方法的另一个实施方式中，气体混合物包括至少一种含氢气体与至少一种含氟气体的组合，其中该含氢气体用作清洗气体而该含氟气体用作沉积气体。
在上述方法的另一个实施方式中，该气体混合物包括至少一种非掺杂气体(即不包含As、P、Ge、B、Si、或C的气体)与至少一种掺杂气体的组合，其中该非掺杂气体用作清洗气体而该掺杂气体用作沉积气体。
清洗气体的实例包括但不限于：Xe/H2、Ar/H2、Ne/H2、Xe/NH3、Ar/NH3、Ne/NH3、Ar/Xe、和Ar/Xe/H2。
沉积气体的实例是，但不限于：F2、N2F4、ClF3、WF6、MoF6、和NF3。
气体混合物的实例是，但不限于：AsH3/AsF3、AsH3/AsF5、PH3/PF3、PH3/PF5、SiH4/SiF4、H2/Xe/SiF4、GeH4/GeF4、H2/Xe/GeF4、H2/GeF4、B2H6/BF3、H2/BF3、F2/BF3、CO2/F2、CO2/CF4、CO/F2、CO/CF4、COF2/F2、COF2/CH4、COF2/H2。
本发明的特点和优点通过以下非限制性实施例更全面地示出。
实施例1
此实施例示出了离子源寿命的改进以及植入机的利用，这通过使用化学清洗剂去除沉积物而可以实现。优选地，沉积物以有规律的间隔(每隔一定时间)去除以防止植入机中的污染物薄片和传导膜(导电膜)的形成。
原位清洗通过从位于离子植入机的气体箱中的XeF2的供给容器以有规律的间隔引入XeF2来进行，而XeF2清洗蒸汽每日两次每次10-15分钟引入该离子源中。使用高电流植入机来试验以评估该清洗剂的流动动力学。确定了XeF2清洗特性并且证实了该清洗剂对植入机的束流管道部件没有不利的影响。于是，使用XeF2试剂的清洗过程对于以中等电流植入机装置使用是合格的。
图1是由这种中等电流植入机在原位清洗处理的实施之前和之后所编制的源寿命数据的图。该数据对于包括砷化氢以及磷化氢的掺杂组合物进行了显示。在清洗之前，受两种常见的故障模式的限制，该离子源具有大约250±90小时的平均运行寿命。
主要的故障模式是来自抑制器电压电源的过度泄露。为了成功地引出稳定的离子束，将抑制器电压施加到定位于电弧室之外的电极。该电极通过多个小的绝缘子(绝缘体)而电绝缘，并且在这些绝缘子的一个或多个上的传导膜的积累可以引起过度的抑制器泄露。
故障的第二模式是可归因于所沉积材料的薄片的电弧室中部件的短路。
发现这些故障模式通过原位化学清洗过程而最小化。定期每日两次清洗增加了生产中源的寿命。
XeF2对抑制器的泄露电流的影响在图2中进一步示出，图2是对于中等电流工具在引入原位清洗之前和之后泄露电流的图。每个数据点表示在需要植入晶片批次的时间过程中的平均抑制器电流，并且该点已经随着几个离子源的寿命而绘出。泄露的大小取决于从上一次预防性维护的绝缘子的更换开始的实耗时间。该数据示出了定期原位清洗大大降低了泄露电流，使得它从不达到1.5mA的上控制界限，在1.5mA的上控制界限处需要不定期的源维护。
还使用包括BF3和PH3的植入掺杂剂混合物(implant dopant mix)评估原位清洗的效果。该源在这些条件下运行497小时并且在涉及丝极上的钨沉积物的电弧限制状态下发生了故障，这可归因于BF3的化学性质。在试验系统上497小时的单个源寿命与在相同系统上长期的历史平均值299小时相比是有利的。这是单个的数据点，但是它适合所建立的模式。在这种情况下，源寿命的改进似乎是由于在源电弧室中用XeF2侵蚀钨沉积物而引起的。
图3A和3B的照片提供了清洗剂效果的另外的证据。在两幅照片中，示出了在每种情况下大约生产98天之后，移去周期性预防维护的离子源组件之后离子源壳的外观。对于图3A中的照片，每天两次进行原位清洗，而对于图3B中的照片，没有进行清洗。
在没有清洗时，存在实质量的沉积的材料，其中有些已经开始剥离和剥落。在定期维护动作过程中，使用手动擦洗来从壳的内表面去除沉积的材料。使用原位清洗，壳看上去更干净，需要花费较少时间或无需花费时间进行手动清洗。沉积物通过未反应的XeF2流出电弧室并且传到真空室的壁上而去除，而掺杂剂和其它沉积物通过化学反应而去除。
在离子源中以及在离子源周围的沉积物产生所谓的“植入机记忆效应”。当从一种掺杂剂源气体改变成另一种掺杂剂源气体时，在第一掺杂剂气体流动已经终止之后很长时间，来自第一掺杂剂元素的离子继续从离子源等离子体中引出。此效应在有些情况下引起所希望的离子束流的严重污染并且导致植入过程的恶化。
该植入机记忆效应的一个实例是在BF2植入中的P污染。这种污染对工艺产量的后果是如此严重的，使得许多半导体制造设施都避免将磷和硼的植入预先安排到相同的工具上。这是在预先安排植入操作时的实质性障碍。P/BF2污染起因于使用PH3的植入的源中的磷沉积物。当更换成BF3气体植入BF2 +时，一些氟反应以形成31P19F+。31P19F+的质量是50。这足以充分接近于对于11B19F2所希望的49的质量，使得PF+与BF2 +离子共植入。结果，BF2 +植入受到了在特定质量-能量范围具有最低限度的质量分辨能力的某些高电流系统的限制。
用来自PH3掺杂气体的P+离子束使用高电流植入机在模拟生产中运行大约200小时对XeF2清洗进行评估，以确定它对植入机记忆效应的影响。该系统切换成BF3气体并且使用高剂量(5×1015离子/cm2)的BF2 +实施裸露的硅监视器晶片的直接植入。在BF2 +植入的过程中，系统的分析磁体的分辨孔比通常更大地打开以确保污染结果对使用二次离子质谱(SIMS)分析的常规测量足够大。
通过运行这3种气体中的每一种然后通过用BF2 +植入监视器晶片周期地监测剩余污染物的量来比较BF3、氩以及XeF2的清洗效果。与BF2共植入的P的量通过SIMS进行测量。植入的磷的典型的SIMS谱在图4A中示出，其中在磷谱中的峰对应于从离子源引出的PF+离子的植入深度，并且该剂量对应于在BF2中大约3％PF的污染水平。
图4B是在BF3或XeF2的情况下污染水平作为清洗时间的函数的图，其中该图在从PH3转变成到BF3之后立即归一化到污染水平。当运行BF3等离子体时即使2小时之后对PF污染也几乎没有影响。当使用氩等离子体时，获得了类似的结果(未示出)。通过比较，PF污染在用XeF2原位清洗仅15分钟之后减少了两倍，而在用XeF2原位清洗30分钟之后减少了几乎5倍。
使用原位清洗之前，中等电流植入机单元每个月每个工具平均3.3次源更换，而平均的源更换以及随后的合格试验需要大约5小时，相当于每个工具每年的生产时间损失近200小时。源寿命通过原位清洗有效地加倍，对于每个中等电流工具产生了约100小时额外的生产时间。试验晶片产生的节省，以及制造时间和合格的晶片后处理所需的度量衡工具的节省(对于每个中等电流植入机每年进行高达40次合格试验)，证明了原位清洗的效力。
实施例2
该实施例证明了在示例性离子植入机系统的离子源中丝极生长的控制。
图5A是示出了就增加的丝极电流和重量而言XeF2流以及电弧功率变化的作用的图。该图示出了丝极重量(以克计)作为植入机系统的运行实耗时间(以小时计)的函数。该图中上面的线代表在每分钟2.2标准立方厘米(sccm)的XeF2流量以及100伏特/0.05安培的电弧功率下的运行，对此，在3小时运行之后确定了319毫克/小时的丝极重量增加。该图中下面的线反映了0.5sccm的XeF2流量以及40伏特/0.05安培的电弧功率，这在运行3小时持续时间产生了63毫克/小时的丝极重量增加。
图5B是示出了就丝极电流而言XeF2流量和电弧功率变化的作用的图。该图示出了丝极电流(以安培计)作为植入机系统的运行时间的函数。该图中上面的线代表在每分钟2.2标准立方厘米(sccm)的XeF2流量以及100伏特/0.05安培的电弧功率下的运行，对此，确定了16安培/小时的丝极电流增加。该图中下面的线反映了0.5sccm的XeF2流量以及40伏特/0.05安培的电弧功率，这在运行3小时持续时间产生了2.3安培/小时的丝极电流增加。
图6是丝极重量变化(以每小时毫克计)作为平均丝极电流(以安培计)的函数的图。该图使用对于低流量和高流量热丝极条件以及对于低流量和高流量等离子体条件的数据示出了热流量(非等离子体)和等离子体条件对于钨输送的影响。这些数据示出，钨在系统中的输送可以通过选择适当的处理条件选择性地进行调整以实现材料在丝极上的沉积或可替换的侵蚀。
虽然已经在这里参照不同的具体实施方式对本发明进行了描述，但应当理解，本发明并非因此受到限制，而且延伸到并涵盖如本领域普通技术人员所理解的不同的其它更改和实施方式。因此，本发明旨在根据所附的权利要求来进行宽泛地解释和说明。

Claims (49)

1.一种在离子植入系统的运行过程中监测所述系统的丝极状态的方法，包括：
(a)在离子源的电弧室中使用足以在所述电弧室中产生等离子体的初始电流向丝极供电；
(b)测量对所述丝极的电流输入以将所述电弧室中的等离子体保持在连续的等离子体产生的预定时间；
(c)将在所述预定时间测量的所述电流输入与所述初始电流进行比较；以及
(d)从这种比较中确定材料是否已经沉积在所述丝极上或是否已经发生所述丝极的侵蚀，其中，相对于所述初始电流，在所述预定时间的更大的电流表示材料在所述丝极上的沉积，而相对于所述初始电流，在所述预定时间的更小的电流表示所述丝极的侵蚀。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述丝极包含钨。
3.根据权利要求1所述的方法，包括从这种比较中确定材料已经沉积在所述丝极上。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，沉积在所述丝极上的所述材料包括选自由硼、硅、砷、磷、锗、钨、钼、硒、锑、铟、钽以及碳组成的组中的材料。
5.根据权利要求1所述的方法，包括从这种比较中确定已经发生所述丝极的侵蚀。
6.一种在离子植入系统的运行过程中控制所述系统的丝极状态的方法，包括：
(a)在离子源的电弧室中使用足以在所述电弧室中产生等离子体的初始电流向丝极供电；
(b)测量对所述丝极的电流输入以将所述电弧室中的等离子体保持在连续的等离子体产生的预定时间；
(c)将在所述预定时间测量的所述电流输入与所述初始电流进行比较；
(d)从这种比较中确定材料是否已经沉积在所述丝极上或是否已经发生所述丝极的侵蚀，其中，相对于所述初始电流，在所述预定时间的更大的电流表示材料在所述丝极上的沉积，而相对于所述初始电流，在所述预定时间的更小的电流表示所述丝极的侵蚀；以及
(e)响应于所述确定，从所述丝极去除沉积的材料或在所述丝极上沉积附加的材料，至一程度，在所述程度上重新建立所述初始电流输入或在所述初始电流输入的预定范围内的电流输入。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述从所述丝极去除沉积的材料或在所述丝极上沉积附加的材料包括使清洗气体流动通过所述离子源。
8.根据权利要求6所述的方法，包括将附加的材料沉积在所述丝极上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述附加的材料包括钨。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，正在产生等离子体。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，没有正在产生等离子体。
12.一种运行在离子源的电弧室中包括丝极的离子植入系统以保持所述离子源的运行效率的方法，所述方法包括使所述丝极在选自由下述组成的组中的条件下与钨试剂进行接触：
(a)实现钨在所述丝极上沉积的条件；以及
(b)实现从所述丝极上侵蚀沉积的材料的条件。
13.一种清洗离子植入系统的一个或多个部件用于从所述一个或多个部件上至少部分地去除与电离作用有关的沉积物的方法，所述方法包括使清洗气体在选自由下述组成的组中的条件下流动通过所述系统：
(a)实现材料在所述丝极上沉积的条件；以及
(b)实现从所述丝极上侵蚀沉积的材料的条件。
14.根据权利要求13所述的方法，包括实现将材料沉积在所述丝极上的条件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，材料的所述沉积包括钨的沉积。
16.根据权利要求13所述的方法，包括实现从所述丝极上侵蚀沉积的材料的条件。
17.根据权利要求7或权利要求13所述的方法，其中，所述清洗气体包括XeF2、XeF4、XeF6、GeF4、SiF4、BF3、AsF5、AsF3、PF5、PF3、F2、TaF3、TaF5、WF6、WF5、WF4、NF3、IF5、IF7、KrF2、SF6、C2F6、CF4、Cl2、HCl、ClF3、ClO2、N2F4、N2F2、N3F、NFH2、NH2F、HOBr、Br2、BrF3、C3F8、C4F8、C5F8、CHF3、CH2F2、CH3F、COF2、HF、C2HF5、C2H2F4、C2H3F3、C2H4F2、C2H5F、C3F6、COCl2、CCl4、CHCl3、CH2Cl2、以及CH3Cl中的一种或多种。
18.根据权利要求8或权利要求13所述的方法，其中，所述丝极是热的。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述条件包括等离子体产生。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述条件包括没有等离子体产生。
21.根据权利要求8或权利要求13所述的方法，其中，所述丝极处于环境温度。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述侵蚀在从25℃到1200℃范围内的温度下进行。
23.一种保持电弧室中的离子源的丝极的预定的电阻的方法，包括使所述丝极与取决于所述电弧室中的温度对在所述丝极上沉积材料或从所述丝极上侵蚀材料有效的试剂进行接触，并且控制在所述电弧室中的温度以实现在所述丝极上沉积或侵蚀材料，以便保持所述预定的电阻。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述预定的电阻是在电阻值的预定运行范围内的电阻。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述试剂包括选自由XeF2、XeF4、XeF6、GeF4、SiF4、BF3、AsF5、AsF3、PF5、PF3、F2、TaF3、TaF5、WF6、WF5、WF4、NF3、IF5、IF7、KrF2、SF6、C2F6、CF4、Cl2、HCl、ClF3、ClO2、N2F4、N2F2、N3F、NFH2、NH2F、HOBr、Br2、BrF3、C3F8、C4F8、C5F8、CHF3、CH2F2、CH3F、COF2、HF、C2HF5、C2H2F4、C2H3F3、C2H4F2、C2H5F、C3F6、COCl2、CCl4、CHCl3、CH2Cl2、以及CH3Cl组成的组中的一种或多种化合物。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述试剂包括选自由钨氟化物、砷氟化物、磷氟化物以及钽氟化物组成的组中的一种或多种氟化物化合物。
27.一种清洗离子植入系统的前级管道以从中去除与电离作用有关的沉积物的方法，包括使离子植入系统的前级管道在其中所述清洗气体与所述沉积物具有化学反应性的条件下与所述清洗气体接触以实现至少部分地去除所述沉积物。
28.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，其中，所述沉积物包括B、Ge、Si、P、或As、或它们的混合物。
29.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，其中，所述清洗气体包括XeF2、N2F4、F2、或与根据权利要求28所述的沉积物具有反应性的其它氟化的物质。
30.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，其中，所述植入系统进一步包括涡轮泵以及低真空泵，并且其中在所述涡轮泵关闭而所述低真空泵打开时所述清洗气体流入植入源室。
31.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，其中，所述清洗气体存储在气瓶中，所述方法进一步包括对在其中使所述清洗气体存储在室温或室温以上的所述气瓶进行加热。
32.根据权利要求31所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，其中，递送管道连接所述气瓶并且将所述离子植入系统加热到室温以上。
33.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，包括通过脉冲流动使所述清洗气体流入植入源室中，其后排出所述植入源室中的气体，并且可选地重复所述脉冲和排出直到去除所述离子植入系统的前级管道中的所述沉积物。
34.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，包括在涡轮泵的下游提供所述清洗气体并且使所述清洗气体连续地流入所述离子植入系统的所述前级管道中。
35.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，进一步包括在所述低真空泵的出口提供洗涤器以去除从所述清洗过程产生的挥发性副产物。
36.根据权利要求27所述的清洗离子植入系统的前级管道的方法，进一步包括提供Xe回收系统。
37.一种改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，所述离子植入系统具有阴极，所述方法包括使所述阴极与由至少一种清洗气体以及至少一种沉积气体组成的气体混合物进行接触，其中所述气体混合物平衡了材料在所述阴极的沉积以及沉积材料或其它材料从所述阴极上的剥离。
38.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述气体混合物的气体同时流动以与所述阴极接触。
39.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述气体混合物的气体顺序地流动以与所述阴极接触。
40.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述气体混合物包括至少一种含氢气体与至少一种含氟气体的组合。
41.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述清洗气体选自Xe/H2、Ar/H2、Ne/H2、Xe/NH3、Ar/NH3、Ne/NH3、Ar/Xe、以及Ar/Xe/H2。
42.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述沉积气体选自F2、N2F4、ClF3、WF6、MoF6、以及NF3。
43.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述气体混合物包括至少一种非掺杂气体与至少一种掺杂气体的组合。
44.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述气体混合物选自AsH3/AsF3、AsH3/AsF5、PH3/PF3、PH3/PF5、SiH4/SiF4、H2/Xe/SiF4、GeH4/GeF4、H2/Xe/GeF4、H2/GeF4、B2H6/BF3、H2/BF3、F2/BF3、CO2/F2、CO2/CF4、CO/F2、CO/CF4、COF2/F2、COF2/CH4、以及COF2/H2。
45.根据权利要求37所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述气体混合物通过SDS、VAC或VAC-Sorb系统一起进行存储并且分配。
46.一种改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，所述离子植入系统采用固体掺杂材料，所述方法包括使用根据权利要求17所述的XeF2、N2F4或其它清洗气体作为用于所述固体掺杂材料的载气。
47.根据权利要求46所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述固体掺杂材料是Sb2O3、InCl3或其它植入固体源材料。
48.一种改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，所述离子植入系统采用气体掺杂材料，所述方法包括使用XeF2或N2F4作为用于所述气体掺杂材料的共流气体。
49.根据权利要求48所述的改进离子植入系统的性能并且延长离子植入系统的寿命的方法，其中，所述气体掺杂材料是GeH4。
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