CN102484028B - 离子植入系统以及其离子源腔室清净的终点侦测的方法 - Google Patents

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Abstract

在离子植入机中，利用法拉第杯来接收在离子源清净期间产生的离子束。所侦测的束具有指示离子源清净过程何时完成的相关联的质谱。所述质谱产生由清净剂及包括所述离子源的材料组成的信号。此信号在所述离子源腔室正被清净时随时间而升高，且一旦沉积物被自所述源腔室蚀刻掉，此信号便将变平并保持恒定，藉此利用现有植入工具来在离子源清净期间判定终点侦测。

Description

离子植入系统以及其离子源腔室清净的终点侦测的方法
技术领域
本发明的实施例是有关于半导体元件制造的领域。更明确而言，本发明是有关于用于清净离子植入设备中所使用的离子源腔室的装置及方法。
背景技术
离子植入(Ion implantation)为用以将杂质离子(impurity ion)掺杂至半导体基板(semiconductor substrate)中以获得所要元件特性的制程。将离子束自离子源腔室(ion source chamber)导向基板。植入至基板中的植入深度是基于离子植入能量(ion implant energy)以及源腔室中所产生的离子的质量。图1为包含离子源腔室102的离子植入机(ionimplanter)100的方块图。电源(power supply)101将所需能量供应给源102，源102经组态以产生特定物种的离子。所产生的离子经由一连串电极(electrode)104而自所述源提取，且形成为穿过质量分析器磁体(mass analyzer magnet)106的束(beam)95。所述质量分析器以特定磁场(magnetic field)组态，以使得仅具有所要质荷比(mass-to-charge ratio)的离子能够行进通过分析器，以最大量地传输通过质量解析狭缝(massresolving slit)107。所要物种的离子自质量狭缝107穿过减速台(deceleration stage)108而到达校正器磁体(corrector magnet)110。使校正器磁体110通电，以使离子小束(ion beamlet)根据所施加的磁场的强度及方向而偏转，从而提供指向位于支撑件(support)(例如，压板(platen))114上的工件(work piece)或基板的带状束。在一些实施例中，第二减速台112可安置于校正器磁体110与支撑件114之间。离子在与基板中的电子及原子核相撞时损失能量，且基于加速能量(acceleration energy)而静止在基板内所要深度处。
离子源腔室102通常包含受热细丝(heated filament)，所述受热细丝使引入至腔室中的馈入气体(feed gas)离子化，以形成带电离子及电子(等离子体)。加热元件(heating element)可为(例如)伯纳斯源细丝(Bernas source filament)、间热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)总成或其他热电子源(thermal electron source)。将不同馈入气体供应至离子源腔室，以获得具有特定掺杂剂特性的离子束(ion beam)。举例而言，在相对较高的腔室温度下H2、BF3以及AsH3的引入被分解成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。对于低能量离子植入，将较重带电分子(诸如，癸硼烷、碳硼烷等)引入至处于较低腔室温度下的源腔室中，此举保存具有较低植入能量的经离子化的分子的分子结构。低植入能量通常具有低于20keV的值。在将特定馈入气体供应至源腔室102以产生所要离子物种时，亦可能产生额外非所欲物种(离子或中性粒子)。此等非所欲物种通常具有低蒸气压(vapor pressure)，且可冷凝并粘附至源腔室的内表面。举例而言，在将磷化氢(phosphine，PH3)馈入至源腔室中时，可能在腔室壁(chamberwall)上形成磷(P)沉积物。在将重分子(诸如，癸硼烷及碳硼烷)馈入至源腔室中时，源腔室壁及电极上的非所欲沉积物更多。此等固体沉积物可改变腔室壁的电特性(电压不稳定性)，且可能干扰从中提取离子的离子源孔(ion source aperture)，藉此引致不稳定的源操作及非均一的束提取。
一种用以清净离子源腔室的方法包含引入清净气体，例如，三氟化氮(NF3)、二氯(Cl2)、六氟化硫(SF6)等，其经由等离子体增强式化学反应(plasma-enhanced chemical reaction)来蚀刻掉非所欲的沉积材料。通常以高流率来将此等气体供应至离子源腔室。然而，一旦清净过程开始，便必须作出何时停止将清净气体供应至源腔室的判定。目前，此终点判定还需要除了离子植入机之外的设备。举例而言，残气分析器(Residual Gas Analyzer，RGA)或光发射光谱学(Optical EmissionSpectroscopy)可用于源腔室清净的终点侦测(endpoint detection)。RGA包含离子化器(ionizer)、质量分析器(mass analyzer)以及离子侦测器(ion detector)。RGA分析束线外的中性粒子，且输出光谱，所述光谱显示气体中存在的各种物种的相对强度。来自气体的离子藉由RGA的分析器按其质量来加以辨别。一旦RGA判定气体中存在的物种对应于组成离子源腔室的材料，便停止清净过程。然而，使用RGA进行终点侦测除了植入机自身外还需要另外一件设备。另外，RGA不侦测在离子源中产生并自离子源提取的离子，而是侦测发源自真空系统中的所有区域的中性气体原子及分子。因此，需要利用现有设备工具对离子源清净过程进行终点侦测。
发明内容
本发明的例示性实施例是针对一种用于离子源清净的终点侦测的装置及方法。在例示性实施例中，一种离子植入系统包括藉由导电材料的内壁界定的离子源腔室。所述腔室回应于清净气体的引入而产生离子。所述腔室包含孔，经由所述孔提取离子。质量分析磁体安置于离子源腔室下游。所述质量分析器磁体经组态以自离子束选择具有特定质荷比的离子。法拉第杯(Faraday cup)安置于质量分析磁体下游，且经组态以接收离子束。耦接至法拉第杯的测流计(current meter)经组态以提供表示法拉第杯所接收的离子的信号。所述信号表示与离子源腔室的导电材料以及清净气体相关联的离子。
在例示性方法中，在给定时段内将清净气体引入至离子源腔室中。离子源腔室具有由导电材料组成的内壁。所述气体在离子源腔室内离子化，且被提取以形成离子束。侦测离子束的离子的质谱(mass spectrum)，且在所述质谱指示离子源腔室的导电材料在所述给定时段内以相对恒定的比率存在于离子束中时，停止清净过程。
附图说明
图1说明代表性离子植入机的方块图。
图2为根据本发明的实施例的离子源的横截面方块图。
图3为根据本发明的实施例的离子植入机的例示性简化部分的方块图。
图4A为根据本发明的实施例的来自图2以及图3中所绘示的离子源的信号的例示性质谱。
图4B为根据本发明的实施例的XY+信号的光谱随时间而变的例示性曲线图。
图5为说明清净离子源腔室的过程的流程图。
具体实施方式
现将在下文参看附图来更充分地描述本发明，在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来体现，且不应被解释为限于本文中所陈述的实施例。相反，提供此等实施例是为了使本发明将较详尽且完整，且将本发明的范畴充分传达给熟习此项技术者。在图中，相同数字始终指代相同元件。
图2为大体上说明离子源腔室200的横截面方块图，离子源腔室200用以产生供植入至基板中的离子。腔室200包含孔220，经由所述孔220来提取离子。腔室200的内壁是导电的(例如，钨)，且界定离子化区，在所述离子化区内，将能量施与具有源元素(诸如，磷(P)及砷(As))的掺杂剂气体，以产生相关联的离子。借助于用以产生电场的标准三(3)电极组态，经由孔220自源腔室200提取由掺杂剂气体形成的离子，所述标准三电极组态包括等离子体电极(plasma electrode)215、抑制电极(suppression electrode)216以及接地电极(ground electrode)217。尽管将抑制电极216绘示为与接地电极217间隔开，但此仅用于达成说明性目的，且所述电极在实体上经由绝缘体彼此接触。可对等离子体电极215加偏压，使之处于与离子源腔室200相同的大电位。抑制电极216连接至电源，且通常对抑制电极216加偏压，使之处于适度的负值，以防止电子返回至源腔室200中。接地电极217位于抑制电极216下游，且处于接地电位。由所述电极产生的电场的强度可调谐至所要束电流，以自腔室200中产生的离子提取特定类型的离子束。
离子源腔室200为间热式阴极腔室，其包含位于离子源腔室200的一末端处的阴极/细丝总成(cathode/filament assembly)230。细丝(filament)231位于离子腔室外部的阴极232附近。将电压供应给细丝231，此举产生通过细丝的足够电流，以对其进行加热且产生热电子(thermo-electron)。藉由给阴极施加比细丝更多的正偏压，经由细丝231来间接加热阴极232，此举致使此等热电子自细丝231朝着阴极232加速，藉此对阴极进行加热。阴极232发射热电子至离子源腔室200中，此举使引入至腔室中的掺杂剂气体离子化，从而形成等离子体。反射极(repeller)210通常位于离子源腔室200的相对末端上，且被加偏压至与阴极232相同的电压。所发射出的电子限于阴极232与反射极210之间，所述电子与掺杂剂馈入气体相撞，以产生具有所要性质的等离子体。
如上文所述，在将馈入气体供应至离子源腔室以产生所要离子物种时，亦可能产生额外的非所欲物种，所述非所欲物种沉积在腔室200的内壁上。在正常(非清净循环)离子源操作期间，使用管道212将掺杂剂气体引入至源腔室200中。在清净操作期间，使用管道212将清净气体引入至腔室200中，如箭头212所指示。举例而言，可经由管道212以相对较高的流率(例如，100sccm或更高)将反应性清净气体(诸如，三氟化氮(NF3)或二氯(Cl2))供应至腔室200中。此等清净气体的引入是就地(in situ)执行的，且可在设备停机时间期间及/或物种改变之间，随掺杂剂物种同时引入或作为单独的清净等离子体而引入。举例而言，在将NF3引入至腔室200中时，藉由使NF3解离成含氮及含氟的分子及原子而产生原子氟。此等含氟的清净气体在源腔室200内部，经由等离子体及/或热化学而经历化学反应，藉此产生氟的高反应性介稳(meta-stable)物种。此等物种蚀刻形成于腔室200的壁上的沉积物。以此方式，使用等离子体来移除腔室200内部上的沉积物。一旦所述沉积物被移除，所述沉积物便转化成气态或挥发性化合物，并藉由等离子体电极215、抑制电极216以及接地电极217自腔室200提取。
图3说明图1中所绘示的离子植入机的第一部分的简化方块图。详言之，离子植入机300的所述部分包含离子源200(省略提取电极)、质量分析器磁体206、质量解析狭缝260以及法拉第杯270。为便于阐释而省略下游组件，诸如减速台、校正器磁体以及工件压板。如上文所描述，将清净气体引入至源腔室200中、使其离子化且藉由提取电极来提取，以将束250向质量分析其磁体206供应。在离子行进通过磁场以传输通过具有孔261的质量解析狭缝260时，使用分析器磁体来选择所要离子物种。法拉第杯270位于质量解析狭缝260下游，以便在离子束行进至校正器磁体及/或下游的加速/减速台之前捕获整个束。法拉第杯用以量测经分析的束250的电流。在此组态中，法拉第杯270接收经分析的束250，且基于束250的代表性电流而产生电流。法拉第杯270连接至测流计，以侦测安培数(例如，mA)，且基于质量解析狭缝260的孔261的面积来判定法拉第杯270所接收的离子束的电流(例如，mA/cm2)。
在清净源腔室200期间，经由所提取的离子束来移除腔室的内壁上的沉积物。可将质量分析器磁体206设定为自清净过程产生的离子的质量，以使由法拉第杯270接收的所要束扫至质量狭缝261。详言之，所提取的离子束具有特定质谱信号，其由清净气体以及构成腔室200的内表面的材料(例如，钨)组成。图4A为在清净气体引入至腔室中且藉由法拉第杯270侦测时，自离子源腔室200提取的离子束的质谱的实例。所接收的离子束在特定压力下的质谱将具有表示为XY+的信号部分，所述信号部分是归因于组成腔室200的内部的材料与清净气体的反应而产生。举例而言，若腔室200是由钨制成，且清净气体为Cl2，则法拉第杯270所接收的离子束信号(表示为XY+)的质谱包括氯及钨。在清净过程开始时，钨的含量相对较低，因为清净剂正移除沉积于腔室200内的材料。随着清净过程继续，腔室200由此等沉积物覆盖的面积变小，且如质谱分析所说明的存在于离子束中的钨的量增加。此情形在图4B中得以说明，在图4B中，信号的包含清净气体及源腔室材料的XY+分量在清净过程开始时由于更多沉积物正被自腔室200移除而增加，但接着在时间t0时变平，此指示在XY+信号中正侦测到更多的腔室材料。由于所侦测到的腔室材料正变恒定，故此意谓无更多沉积物待移除，且腔室为清洁的。或者，仅可侦测到XY+信号中清净剂(例如，氯)的量。在此种情况下，清净剂的含量在清净过程开始时将为高，且在时间t0时跌至接近零，以指示腔室为清洁的。尽管离子束信号(XY+)的例示性质谱包含氯及钨，但所述系统可经组态以仅量测钨部分或构成腔室200的表面的内部的其他材料。藉由经由法拉第杯270侦测与腔室材料(及/或清净剂)相关联的离子的存在，可使用质谱分析来控制清净时间及条件。以此方式，可使用终点侦测方法，经由使用植入机工具来判定何时清净离子源腔室，而无需额外设备。
图5为说明利用质谱分析以判定终点判定来清净离子植入机的离子源腔室的过程的流程图。在步骤S-10处，经由管道212将清净气体(诸如，三氟化氮(NF3)、二氯(Cl2)、六氟化硫(SF6)等)引入至离子源腔室200中。在步骤S-20处，藉由提供处于适合温度及流率的清净气体来使清静气体在所述腔室内离子化。在步骤S-30处，在清净气体正在源腔室内离子化及/或分解成高反应性蚀刻剂原子时，自源腔室提取出离子束。在步骤S-40处，将离子植入工具的质量分析器磁体设定为自清净过程产生的离子的质荷比。在步骤S-50处，藉由法拉第杯270侦测离子束，且在步骤S-60处，判定具有XY+信号的离子束的质谱。当在离子束的质谱中侦测到腔室材料的存在，且此存在随时间而变平时，在步骤S-70处停止腔室清净过程。以此方式，可使用现有的在线植入工具设备(in-line implant tool equipment)，经由使用所接收的自离子源产生的离子束的质谱分析来侦测用于清净离子植入机的离子源腔室的过程的终点。
虽然已参考某些实施例揭示了本发明，但在不脱离如附加的权利要求中所界定的本发明的范围及范畴的情况下，所描述实施例的众多修改、更改以及改变是可能的。因此，本发明并不意欲限于所描述的实施例，而是本发明具有由附加的权利要求及其等效物的语言所界定的整个范畴。

Claims (10)

1.一种离子源腔室清净的终点侦测的方法，包括：
在给定时段内将清净气体引入至所述离子源腔室中，所述离子源腔室具有由导电材料组成的内壁；
使所述气体在所述离子源腔室内离子化；
自所述离子源腔室提取所述经离子化的气体以形成离子束；
侦测所述离子束中的离子的质谱；以及
判定所述离子束中的所述离子的所述质谱何时指示所述离子源腔室的所述导电材料在所述给定时段内以相对恒定的比率存在于所述离子束中，
其中所述方法更包括在所述质谱指示所述导电材料以所述相对恒定的比率存在于所述离子束中时，停止清净气体至所述离子源腔室的所述引入。
2.根据权利要求1所述的方法，其中侦测所述离子束中的所述离子的所述质谱包含产生表示所述清净气体的信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中侦测所述离子束中的所述离子的所述质谱包含产生表示所述导电材料的信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中侦测所述离子的所述质谱包含使用法拉第杯来侦测所述离子束中的所述离子。
5.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述离子源腔室的所述经离子化的气体包含来自所述腔室的所述内壁的沉积物。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述导电材料为钨。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述导电材料为石墨。
8.一种离子植入系统，包括：
离子源腔室，其由导电材料的内壁界定，所述腔室回应于引入至所述腔室中的清净气体而产生离子，所述腔室具有孔，经由所述孔提取所述离子以形成离子束；
质量分析磁体，其安置于所述离子源腔室下游，所述质量分析磁体经组态以自所述离子束选择具有特定质荷比的离子；
法拉第杯，其安置于所述质量分析磁体下游，所述法拉第杯经组态以接收所述离子束；以及
测流计，其耦接至所述法拉第杯，所述测流计经组态以提供表示由所述法拉第杯接收的所述离子束中所述离子的信号，所述信号表示与所述离子源腔室的所述导电材料以及所述清净气体相关联的离子，其中在表示与所述导电材料相关联的离子的所述信号在给定时段内相对较恒定时，不将所述清净气体引入至所述腔室中。
9.根据权利要求8所述的离子植入系统，其中所述清净气体为三氟化氮。
10.根据权利要求8所述的离子植入系统，其中所述清净气体为二氯。
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