CN102113094A - 离子源清洁方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
在离子源腔室的清洁过程中，定位于所述离子源腔室外部的电极包含抑制插塞。当将清洁气体引入至所述源腔室中时，所述抑制插塞可与所述源腔室的提取孔啮合，以便调整所述腔室内的气压，从而经由等离子增强化学反应而增强腔室清洁。可在清洁过程期间调整所述源腔室孔与所述抑制插塞之间的气体传导率，以便提供最佳清洁条件并排出不当沉积物。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体元件制造领域。更确切地说，本发明涉及用于清洁离子植入装备中使用的离子源腔室的装置及其方法。
背景技术
离子植入是一种用于将杂质离子植入至半导体基板中以获得所要的元件特性的过程。将离子射束自离子源腔室朝基板引导。植入至基板中的深度是基于离子植入能量以及在源腔室中产生的离子的质量。离子植入器(ionimplanter)一般包含一产生特定物种(species)的离子的离子源腔室、一系列用以控制所述离子射束的射线组件、以及一用以紧固接收所述离子射束的晶圆的压板(platen)。所述射线组件可包含：一系列用以自源腔室提取离子的电极；一质量分析器(mass analyzer)，其经组态而具有特定磁场，从而仅使具有所要质荷比(mass-to-charge ratio)的离子能够穿过所述分析器；以及一校正磁铁(corrector magnet)，其用以提供一带状射束，所述带状射束在晶圆表面上相对于离子射束正交地扫描，从而将离子植入至晶圆基板中。离子在与基板中的电子以及核碰撞时失去能量，并基于加速能量(accelerationenergy)而停留于基板内的所要深度处。
离子源腔室通常包含一经加热灯丝，所述灯丝使引入至腔室中的馈入气体离子化，从而形成带电离子以及电子(等离子)。加热元件可例如为间接加热阴极(indirectly heated cathode，IHC)。将不同的馈入气体供应至离子源腔室以获得具有特定掺杂特性的离子射束。举例而言，在相对高的腔室温度下引入的H2、BF3及AsH3分解为具有高植入能量的单原子。高植入能量通常与大于20keV的值相关联。对于超浅离子植入，在较低的腔室温度下将诸如十硼烷、碳硼烷等较重的带电分子引入至源腔室中，较低的腔室温度保持具有较低植入能量的离子化分子的分子结构。低植入能量通常具有20keV以下的值。特定离子腔室可经组态而藉由使用不同的馈入气体以及提取组件来提供单原子或重分子物种。或者，特定离子腔室可经组态而供应高植入能量的单原子以及低能量植入分子两者，以经由使用各种提取组件而植入至半导体基板中。然而，当将特定馈入气体供应至源腔室以产生所要的离子物种时，亦可产生额外的不当物种，所述物种为离子或中性物种(neutrals)。此等不当物种通常具有非常低的蒸气压，且可能会凝结并附着于源腔室的内表面。举例而言，当将磷化氢(PH3)馈入至源腔室中时，磷(P)沉积物可形成于腔室壁上。当将诸如十硼烷以及碳硼烷的重分子馈入至源腔室中时，源腔室壁以及电极上的不当沉积物更多。此等固体沉积物可能会改变腔室壁的电特性(电压不稳定性)且可能干扰提取离子的腔室孔，因而导致不稳定的源操作以及不均匀的射束提取。此外，当在一次循环中使用一种类型的馈入气体污染了用于后续的使用不同馈入气体的循环的源腔室时，可能会发生掺杂剂交叉污染(dopant cross contamination)。产生单原子的源腔室可能在运转了一周或一周以上后就须进行清洁。相反，产生较重的分子物种的源腔室可能仅经过几小时的操作便需要清洁。因此，在双重模式(单原子以及分子物种)下操作的源腔室可能需要更频繁地清洁。
一种用于清洁离子源腔室的方法包含引入清洁气体，诸如三氟化氮(NF3)或六氟化硫(SF6)，其经由等离子增强化学反应蚀刻掉不当的所沉积材料且以气体形式离开源腔室。此等清洁气体的引入在原位(in situ)执行，且可在装备停机时及/或在物种改变间与掺杂剂物种同时引入或作为单独的清洁等离子而引入。为了提供稳定的源操作并避免交叉污染，可能需要多达4至5个清洁循环来移除特定的不当沉积物。因此，需要增强腔室清洁以提高效率以及不必要的装备停机时间。可藉由改变腔室中的反应温度以及馈入气体的流率而调谐清洁过程。此外，在清洁循环期间增加腔室内部的压力是另一种增强清洁过程的方法。较高压力下的等离子反应一般会促进活性中性物种(例如F*)的产生，所述物种为有效的沉积蚀刻剂。然而，由于气体例如经由源腔室孔而损失，所以难以将源腔室中的压力增加至足够高的位准。此外，在清洁期间无法藉由缩小孔来增加腔室压力，因为提取电流与对分子束提取处理而言特别重要的孔面积成正比。
发明内容
本发明的例示性实施例是针对用于清洁离子植入器中的离子源腔室的装置及其方法。在一例示性实施例中，离子植入器包含一离子源腔室，所述腔室具有内表面以及孔，离子射束是经由所述孔而被提取。离子源腔室经组态以接收清洁气体，所述清洁气体用于移除形成于腔室内表面上的沉积物。位于离子源腔室外部且接近所述孔的电极包含至少一槽(slot)，所述槽提供一提取路径，以供离子射束离开源腔室孔。一抑制插塞经安置于电极上但远离所述槽。所述电极经组态而相对于离子源孔位移，其中在第一位置，抑制插塞允许离子射束经由未受抑制的槽而被提取，以及在第二位置，其中抑制插塞至少部分地抑制自源腔室孔提取离子射束，从而增加腔室内的压力。以此方式，随着清洁气体的流率被引入至腔室中，离子源腔室内的压力增加，因而提高经由等离子增强化学反应的清洁效率。
附图说明
图1为根据本发明的一实施例的离子源以及具有抑制插塞安置在其上的提取电极的横截面方块图。
图2为说明根据本发明的一实施例的自离子源提取的离子射束的横截面方块图。
图3为说明根据本发明的一实施例的抑制插塞与离子源的提取孔啮合的横截面方块图。
图4为说明根据本发明的一实施例的安置于抑制电极的第一末端的抑制插塞的横截面方块图。
图5为说明根据本发明的一实施例的自离子源提取的离子射束的横截面方块图。
图6为说明根据本发明的一实施例的抑制插塞与离子源的提取孔啮合的横截面方块图。
具体实施方式
现在将在下文中参看附图更全面地描述本发明，附图中绘示本发明的较佳实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施，且不应被理解为限于本文中阐述的实施例。相反，提供此等实施例是为了使本揭示内容透彻且完整，并将本发明的范围全面地传达给本领域技术人员。在各图中，相同数字始终指代相同元件。
图1为大体说明用于产生供植入至基板中的离子的离子源腔室10的横截面方块图。腔室10包含经加热的灯丝(未图示)，所述灯丝使引入至腔室中的馈入气体离子化，从而形成离子以及电子(等离子)。源腔室10包含孔11，可经由所述孔提取离子。经由标准三(3)电极组态自源腔室10提取离子，所述标准三电极组态包括弧形槽电极(arc slot electrode)15、抑制电极20以及接地电极25，以用于产生电场。虽然图1至图6中将抑制电极20绘示为与接地电极25隔开，但此仅是出于说明的目的，且所述电极经由绝缘体而彼此实体上接触。弧形槽电极15可以与离子源腔室10施加相同的大电位偏压。抑制电极20连接至一电源，且通常施加适中的负值偏压，从而防止电极返回进入源腔室10。接地电极25定位于抑制电极20下游，且处于接地电位(ground potential)。可将所述电极产生的电场的强度调谐为所要的射束电流，以便自腔室10中所产生的离子中提取特定类型的离子射束。
电极20及25可为双重模式电极，从而使其可用于高能量植入应用以及低能量植入应用两者。确切地说，抑制电极20包含多个槽21、22，在源腔室10中产生的离子穿过所述槽21、22。槽21可经组态而最佳化低能量(lowenergy，LE)离子提取，而槽22可经组态而最佳化高能量(high energy，HE)离子提取。类似地，接地电极25包含槽26及27，所述槽可经组态而分别用于低能量离子提取以及高能量离子提取。腔室孔11与槽21或22之间的距离称为提取间隙(extraction gap)，所述提取间隙可依据待提取的所要离子物种而调整。电极20及25可在y-z平面内参照源腔室10而位移，以经由HE或LE槽而提取最大量的离子射束电流。电极20及25的此位移可使用致动器、控制器以及使用者界面系统(未图示)而执行。
当提取高能量射束时，抑制电极20以及接地电极25在y方向上位移，以使抑制电极20的槽22以及接地电极25的槽27与腔室孔11对准。当提取低能量射束时，抑制电极20以及接地电极25在y方向上位移，以使抑制电极20的槽21以及接地电极25的槽26与腔室孔11对准。抑制电极20还包含抑制插塞23，所述抑制插塞23安置于槽21与22之间。抑制插塞23经组态而具有一对应于源腔室10的孔11的几何形状的形状。抑制插塞23可与抑制电极20一体式形成，且可例如由钨形成。抑制电极20必须经组态而与槽21及22相隔足够距离且在槽21与22之间具有足够距离，使得当此等槽中的任一者与孔11对准时，抑制插塞23不会干扰自源腔室10提取的离子射束。图2中说明了此安置，图2绘示经由抑制电极20的低能量槽21以及接地电极25的低能量槽26自腔室10提取离子射束30。将抑制插塞23置放于低能量槽21与高能量槽22之间并不会干扰射束30，且不会提供槽21附近的等电位线的改变，且因此无损于相关联的射束光学特性。或者，抑制电极20以及接地电极25可与源腔室10对准，用以分别适应经由高能量槽22及26的离子射束提取。同样，抑制插塞23安置于低能量槽21与高能量槽22之间，使得其不会干扰经由高能量槽22及27提取的离子射束。虽然以上描述涉及使用具有双重模式电极20及25的抑制插塞23，但抑制插塞23亦可经组态以与单模式抑制电极配合使用。将具有单模式抑制电极的抑制插塞置放成不会干扰经由单模式槽而提取的离子射束。
图3为说明在源腔室清洁期间抑制插塞23与提取孔11的啮合的横截面方块图。确切地说，抑制电极20在y方向上位移，以便使抑制插塞23与源孔11对准。抑制电极20在z方向上进一步充分位移，以便使抑制插塞23与源腔室孔11对准，从而调整经由孔11的气体传导率(gas conductance)。一旦将抑制插塞23定位于源孔11上或非常接近源孔11，便将清洁气体(例如，三氟化氮(NF3)或六氟化硫(SF6))馈入至离子源腔室10中。此操作在源腔室10内部产生等离子增强化学反应，从而将不当的沉积材料自腔室的内壁蚀刻掉。举例而言，通常将三氟化氮(NF3)用作清洁气体，从而藉由将NF3解离为氮原子以及氟原子而产生反应性原子氟。此等反应性介稳态(meta-stable)原子与腔室10的内壁上的不当沉积物反应。藉由将抑制插塞23定位成接近孔11，可在给定流率下显著增加源腔室10内部的气压。已发现将腔室压力增加到100毫托(mTorr)至1000mTorr(其显著高于典型的压力范围)会产生更好的清洁效率。可取决于源腔室10内部的压力要求来调整抑制插塞23的位置，藉此实现最佳的清洁。举例而言，若清洁需要适中的压力，则可设定孔11与抑制插塞23之间的合理间隙，从而允许源腔室10内部的压力增加，以及允许蚀刻剂气体泄漏。若清洁需要最大压力，则可在清洁过程期间周期性调整抑制插塞23的位置，例如自完全关闭孔11以抑制气体泄漏调整成与孔11相隔特定距离，从而允许气体形式的所蚀刻沉积材料自腔室10泄漏。可在清洁过程期间调整抑制插塞23往返于孔11的周期性移动，例如每分钟1至100次。与离子射束反应的清洁气体经由孔11逸出，因此经由气态废流移除不当沉积物。藉由并入抑制插塞23作为抑制电极20的一部分，可避免对源腔室11进行高成本修改或定位于腔室与电极之间的用于在清洁期间增加腔室内压力的额外机械元件。以此方式，藉由改变抑制电极20的组态，提供一种用以在清洁循环期间增加源腔室10内的压力的构件。
图4为本发明的另一实施例的横截面方块图，其中抑制插塞53安置于抑制电极50的第一末端。抑制电极50包含用以适应低能量离子射束提取的第一槽51以及用以适应高能量离子射束提取的第二槽52。类似地，接地电极55定位于抑制电极50的下游，且同样包含用于低能量离子射束提取的低能量槽56以及用于高能量离子射束提取的高能量槽57。抑制电极50以及接地电极55至少在y方向上位移，以便使各别槽与离子源10的孔11对准。确切地说，当使用源腔室10产生高能量射束电流时，抑制电极50以及接地电极55在y方向上位移，以便使抑制电极50之槽52以及接地电极55之槽57与腔室孔11对准。当提取低能量射束时，抑制电极50以及接地电极55在y方向上位移，以便使抑制电极50的槽51以及接地电极55的槽56与腔室孔11对准。
类似于参看图1至图3所揭示的抑制插塞23，抑制插塞53经组态而具有对应于源腔室10的孔11的几何形状的形状。抑制插塞53安置于抑制电极50的远端，与低能量槽51相隔某一距离，且与高能量槽52相距甚至更大的距离。藉由将抑制插塞53安置于抑制电极50的一个末端，当高能量槽或低能量槽与孔11对准时，抑制插塞53不会干扰自源腔室10提取的离子射束。此说明于图5中，图5绘示经由抑制电极50的低能量槽51以及接地电极55的低能量槽56自腔室10提取离子射束60。抑制插塞53经置放成远离抑制电极50的低能量槽51不会干扰或抑制射束60，且无损于相关联的射束光学特性。或者，抑制电极50以及接地电极55可与源腔室10对准，用以分别适应经由高能量槽52及56的离子射束提取。同样，抑制插塞53经安置成远离抑制电极50的低能量槽51，使其不会干扰经由接地电极55的高能量槽52及槽57提取的离子射束。虽然图4至图5中未予说明，但抑制插塞53亦可安置于抑制电极50接近高能量槽52的第二末端上。同样，抑制电极53定位于抑制电极50的另一末端，与高能量槽52相距足够的距离，使得抑制插塞53不会干扰经由抑制电极50的高能量槽52以及接地电极55的高能量槽57提取的离子射束。
图6为说明在源腔室清洁期间抑制插塞53与提取孔11的啮合的横截面图。确切地说，抑制电极50在y方向上位移，以便使抑制插塞53与源孔11对准。抑制电极50在z方向上进一步位移，以便使抑制插塞53与源腔室孔11对准，用以调整经由孔11的气体传导率。一旦将抑制插塞53定位于源孔11上，便将清洁气体(例如，三氟化氮(NF3)或六氟化硫(SF6))馈入至离子源腔室10中。随后，如上所述，在源腔室10内部发生等离子增强化学反应，从而将不当沉积的材料自腔室的内壁蚀刻掉。藉由将抑制插塞53定位成接近孔11，可在给定流率下显著增加源腔室10内部的气压。已发现将腔室压力增加到100mTorr至1000mTorr(其显著高于典型的压力范围)会产生更好的清洁效率。可取决于源腔室10内部的压力要求来调整抑制插塞53的位置，以便抑制或允许自腔室10提取清洁气体，从而实现最佳清洁。举例而言，若清洁需要适中的压力，则可设定孔11与抑制插塞53之间的合理间隙，从而允许源腔室10内部的压力增加以及允许蚀刻剂气体泄漏。若清洁需要最大的压力，则可在清洁过程期间周期性调整抑制插塞53与孔11的接近性，例如自完全关闭孔11以抑制气体泄漏调整成与孔11相隔特定距离，从而允许气体形式的所蚀刻沉积材料自腔室10泄漏。应了解，抑制插塞53相对于孔11的位置可在各种中调整。可在清洁过程期间调整抑制插塞23往返于孔11的周期性移动，例如每分钟1至100次。与离子射束反应的清洁气体经由孔11逸出，因此经由气态废流移除不当沉积物。以此方式，抑制插塞可与抑制电极一体式形成，从而提供用于减少在清洁循环期间自离子源腔室逸出的清洁气体/等离子量的构件。此增加了离子源腔室内的压力，因而增加离子源腔室的内壁上的不当沉积物的清洁效率。
虽然已参照特定实施例揭示本发明，但在不脱离本发明的领域以及范围的情况下，可对所描述的实施例进行众多修改、更改以及改变，如随附权利要求所界定。因此，预期本发明不限于所描述的实施例，而是具有由所附权利要求范围及其等效物的语言界定的完整范围。
Claims (20)
1.一种离子植入器，包括：
离子源腔室，其具有内表面以及经由其而提取离子射束的孔，所述源腔室经组态而接收清洁气体，以便自所述内表面移除沉积物；
电极，其定位于所述离子源腔室外部且接近所述孔，所述电极具有至少一槽，所述槽提供提取路径以供所述离子射束离开所述源腔室孔；以及
抑制插塞，其安置于所述电极上但远离所述槽，所述电极经组态而相对于所述离子源孔位移，其中当所述电极处于第一位置时，所述抑制插塞允许所述离子射束经由未受抑制的所述槽而被提取，且当所述电极处于第二位置时，所述抑制插塞至少部分地抑制所述离子射束自所述源腔室孔的提取，从而增加所述腔室内的压力。
2.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述电极的位置在所述第一位置与所述第二位置之间周期性调整。
3.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述电极处于第三位置，从而使所述抑制插塞与所述源腔室孔啮合。
4.根据权利要求3所述的离子植入器，其中所述电极的位置在所述第一位置、所述第二位置以及所述第三位置之间周期性调整。
5.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述电极为抑制电极。
6.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述槽为经组态而用于提取高能量离子射束的第一槽，所述电极还包括第二槽，所述第二槽经安置成与所述第一槽相距一距离且经组态而用于提取低能量离子射束，所述抑制插塞经安置于所述第一槽与所述第二槽之间。
7.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述槽为经组态而用于提取高能量离子射束的第一槽，所述电极还包括第二槽，所述第二槽经安置成与所述第一槽相距一距离且经组态而用于提取低能量离子射束，所述抑制插塞经安置于所述电极的第一末端，与所述第一槽相距距离x且与所述第二槽相距距离y，其中x＞y。
8.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述电极为抑制电极，所述植入器还包括接地电极，所述接地电极定位于所述抑制电极下游且远离所述离子源腔室。
9.根据权利要求1所述的离子植入器，其中所述槽为经组态而用于提取低能量离子射束的第一槽，所述电极还包括第二槽，所述第二槽经安置成与所述第一槽相距一距离且经组态而用于提取高能量离子射束，所述抑制插塞经安置于所述电极的第一末端，与所述第一槽相距距离x且与所述第二槽相距距离y，其中x＜y。
10.一种清洁离子植入器装置中的离子源腔室的方法，包括：
将清洁气体引入至所述离子源腔室中；
在所述腔室内将所述清洁气体离子化；以及
使电极与所述离子源腔室的提取孔对准，使得与所述电极相连的抑制插塞经定位成非常接近所述孔，以便至少部分地抑制自所述腔室提取所述清洁气体，从而增加所述离子源腔室内的压力。
11.根据权利要求10所述的清洁离子源腔室的方法，还包括调整所述抑制插塞相对于所述孔的接近性，以便进一步抑制或允许自所述腔室提取所述清洁气体。
12.根据权利要求10所述的清洁离子源腔室的方法，还包括将所述抑制插塞相对于所述孔的所述接近性自第一位置调整成第二位置，在所述第一位置中所述抑制插塞使所述孔关闭，且在所述第二位置中所述抑制插塞与所述孔相距一指定距离，从而使得清洁气体经由所述孔自所述腔室泄漏。
13.根据权利要求10所述的清洁离子源腔室的方法，还包括使离子化的所述清洁气体与蚀刻的沉积物一起自所述离子源腔室排出。
14.根据权利要求10所述的清洁离子源腔室的方法，其中在将所述清洁气体引入至所述离子源腔室中的同时，执行使电极与所述离子源腔室的提取孔对准的步骤。
15.根据权利要求10所述的清洁离子源腔室的方法，还包括在将所述清洁气体引入至所述腔室中的同时，控制所述离子源腔室的温度。
16.根据权利要求10所述的清洁离子源腔室的方法，还包括控制所述清洁气体进入所述离子源腔室中的流率。
17.一种离子植入器，包括：
离子源腔室，其具有内表面以及经由其而提取离子射束的孔，所述源腔室经组态而接收清洁气体，以便自所述内表面移除沉积物；
电极，其定位于所述离子源腔室外部且靠近所述孔，所述电极具有至少一槽，所述槽提供提取路径以供所述离子射束离开所述源腔室孔；以及
抑制插塞，其与所述电极一体式形成但远离所述槽，所述电极经组态而相对于所述离子源孔位移，其中当所述电极处于第一位置时，所述抑制插塞允许所述离子射束经由未受抑制的所述槽而被提取，且当所述电极处于第二位置时，所述抑制插塞至少部分地抑制所述离子射束自所述源腔室孔的提取，从而增加所述腔室内的压力。
18.根据权利要求17所述的离子植入器，其中所述电极的位置在所述第一位置与所述第二位置之间周期性调整。
19.根据权利要求17所述的离子植入器，其中所述电极处于第三位置，从而使所述抑制插塞与所述源腔室孔啮合。
20.根据权利要求19所述的离子植入器，其中所述电极的位置在所述第一位置、所述第二位置以及所述第三位置之间周期性调整。
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