CN103765550A - 用于低压工艺的等离子体浸没模式离子注入机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子注入机，所述离子注入机包括：-壳体ENV，壳体与泵送装置VAC相连接，-负电极化HT的基体座PPS，其被布置在该壳体ENV中，-等离子体供给装置AP，其具有在初始段和终段之间延伸的圆柱形本体的形状，该装置包括配有电离池BC1、ANT1的主腔室PR，主腔室PR配有气体供应孔ING，所述主腔室的末段CL配有减小部件，以相对于本体AP产生阻力损耗。此外，等离子体供给装置AP还包括布置在末段之外的辅助腔室AUX，该辅助腔室在所述终段处通到壳体ENV中。

Description

用于低压工艺的等离子体浸没模式离子注入机
技术领域
本发明涉及用于低压工艺的一种等离子体浸没模式离子注入机。
本发明的领域是实施等离子体的离子注入机的领域，换句话说是以等离子体浸没模式操作的离子注入机。
背景技术
基体的离子注入在于将基体浸没在等离子体中和在于以数十伏到数十千伏（通常小于100kV）的负电压使之极化，这用以产生能将等离子体的离子向基体加速的电场。
离子的穿透深度通过其加速能量确定。穿透深度一方面取决于施加在基体上的电压和另一方面取决于离子和基体各自的属性。
出于与物理相关的原因，等离子体的触发和维持需要相对高的压力，通常在10-3mbar到10-1mbar。这种较大的压力产生并不期望的副作用。基体是再沉积和不适宜的蚀刻的所在部位。此外，气体的消耗直接地取决于作业压力。
从而试图尽可能降低这种压力。然而，这种降低产生等离子体触发的困难和等离子体密度的显著降低。
现今，接受的是，最优的作业压力取决于产生和维持等离子体的电离源的类型：
-微波源：10-2mbar到10-1mbar，
-射频源：10-3mbar到10-1mbar。
热源（灯丝源）允许降低压力，不过热源由于蒸发产生污染。
放电源也允许以低压作业，不过这有损于等离子体的密度。
因此，专利文献US2001/0046566描述一种等离子体浸没模式离子注入机，其包括：
-壳体，其连接到泵送装置，
-负电极化的基体座，其布置在壳体中，
-等离子体供给装置，其包括腔室，腔室配有电离池，该腔室具有在初始段和通到壳体中的终段之间延伸的圆柱形本体，
腔室配有气体供应孔，
终段具有相对于本体的阻力损耗。
该注入机允许产生具有相对高压的等离子体，这显著减轻上文所述及的副作用。
不过，首先，产生阻力损耗的网格出于电磁考量被优化而并非是从其所产生的阻力损耗的角度。
其次，该网格应是导电的和该网格从而用金属材料实施，这会引起等离子体的污染。实际上，网格在接触等离子体处将被蚀刻（化学和离子蚀刻）。源自这种蚀刻的金属污染与某些应用领域如微电子领域是不可兼容的。此外，在与等离子体接触的壁体上，即腔室的壁体上，寄生沉积现象是显著的。
第三，金属网格旨在闭锁使等离子体起弧的电磁场，以使之束限于腔室中和避免传播到仅仅离子被加速的壳体中。加速离子的静电场在基体和网格之间产生和规定这些离子的轨迹，这避免谓之“共形的”三维注入，如当等离子体围绕基体存在时借助于查尔德-朗缪尔离子鞘可获得的。
第四，腔室直接地通到壳体中，这并不再利于等离子体在该壳体中的传播。
本发明的目的从而在于改善这种情形。
发明内容
根据本发明，离子注入机包括：
-壳体，壳体与泵送装置相连接，
-负电极化的基体座，其被布置在该壳体中，
-等离子体供给装置，具有在初始段和终段之间延伸的圆柱形本体的形状，该等离子体供给装置包括配有电离池的主腔室，
该主腔室配有气体供应孔，
主腔室的末段配有减小部件，用于相对于本体产生阻力损耗；
此外，该等离子体供给装置还包括布置在末段之外的辅助腔室，该辅助腔室在所述终段处通到所述壳体（ENV）中。
优选地，所述辅助腔室配有第二电离池。
有利地，等离子体供给装置具有的容积小于壳体的容积。
根据第一实施方式，末段具有钻有多个孔洞的分隔体的形状。
根据第二实施方式，末段具有开口，开口的面积相对于包含在初始段和终段之间的本体的任一段部的面积是减小的。
根据本发明的一附加特征，第一电离池包括激励线圈和约束线圈。
期望的是，基体座的轴线和等离子体供给装置的轴线是两个相区别的轴线。
在此情形中，基体座托台和等离子体供给装置具有轴线偏矩，轴线偏矩优选是可调节的。
根据本发明的另一优点，末段是可拆卸的。
如有需要，离子注入机包括至少一附加等离子体供给装置。
有利地，离子注入机包括：
-电压发生器，电压发生器的正极连接到地线，
-电容器，电容器在所述电压发生器上并联安装，
-开关，开关在电压发生器的负极与基体座托台之间连接。
另一方面，基体座托台围绕其轴线在转动方面是活动的。
此外，基体座托台呈盘体的形状，在该基体座托台与等离子体供给装置之间的距离大于基体座的直径。
优选地，减小部件是电绝缘的。
附图说明
本发明现在将在下面参照附图作为典型给出的实施例的描述的范围中更为详细地得到展示，附图中：
-图1示出离子注入机的剖面示意图，
-图2示出基体座托台的极化电路，更具体地：
-图2a，该极化电路的第一实施方式，
-图2b，该极化电路的第二实施方式，
-图3示出等离子体供给装置的第二实施方式的剖面示意图。
具体实施方式
在多个附图上存在的元件用唯一的和相同的数字标记。
如在图1上所示，真空室ENV表示离子注入机。对于微电子应用，如果期望限制金属元素如铁，铬，镍或钴的污染，主张使用铝合金制的壳体。也可使用硅或碳化硅涂层。
泵送部件VAC布置在真空室ENV的下部分。
呈水平盘形状的围绕其竖直轴AXT是活动的基体座托台PPS接纳应经历离子注入的基体SUB。基体座托台通过高压电通路PET连接到高压电源HT，该电源另一方面连接到地线。施加在基体座上的负电势通常包含在数十伏到数十千伏之间。
常见地，这种电源可包括单一的直流电压发生器，其正极连接到地线。然而，本发明应用于在等离子体浸没模式注入的范围内在基体上施加负电极化的任意部件，无论这种极化是恒定的或可变的。实际上，基体趋于带正电地充电，特别是如果基体是电绝缘的基体。
参照图2a，这种电源HT的第一实施方式允许限制电荷效应。电源包括直流电压发生器SOU，其正极连接到地线。在该发生器上并联安装的分路由串联的电阻RES和电容器CDS形成，该电阻连接到发生器SOU的负极。基体座托台PPS连接到在电容器CDS和电阻RES之间的公共点。
电容器CDS具有低值电容，以便使得基体的电势逐渐地回到在其放电相位时接近零的一值。
实际上，即便脉冲等离子体的使用允许限制电荷效应，该问题仍存在，尤其是如果基体的电势在工艺中保持是非常负的（使用强电容的电容器的情形）。
在使用弱电容的电容器和足够长的等离子体脉冲的情形中，产生以下的现象：
-在脉冲开始时，电容器被充电，基体的电势由充电电压固定和离子根据前文所描述的机制向基体加速；
-电容器端子的电压下降，这是因为电容器在等离子体中放电；
-在命名为反转电势的一定电势的上方，聚集在绝缘区域上的正电荷产生主电场，主电场吸引等离子体的电子；因而有这些正电荷的中和以及弧击穿风险的消除。
作业压力越小，这种中和越有效。实际上，如果电子的平均自由行程较大，到达表面用于中和电荷效应的电子流本身也是可观的。
建立这种机制所需的条件因此是：
-电容器CDS的电容足够弱，
-等离子体脉冲的时间足够长，用以在聚集在表面的电荷没有造成弧击穿之前，达到反转电势，和
-作业压力足够弱，以使得由等离子体源产生的电子的平均自由行程允许电子到达基体，而没有在壳体中存在的离子与气体的分子碰撞和再复合的风险。
电阻RES具有在电容器CDS充电开始限制电流的作用。此外，如果该电阻大于等离子体的等效阻抗，电阻还允许在期望使之放电的等离子体脉冲中限制该电容器的再充电。
对于典型地等于100kΩ的等离子体阻抗，负载电阻将优选地包含在200kΩ到2000kΩ之间。电容器CDS的电容是这样的：在等离子体脉冲结束时其放电实际上是完成的。
在该模式中通常使用的参数是：
-等离子体密度包含在108/cm3到1010/cm3之间，
-等离子体脉冲时间在15μs到500μs之间，
-脉冲的重复频率在1Hz到3kHz之间，
-作业压力在2.10-4mbar到5.10-3mbar之间，
-所使用的气体：N2，BF3，O2，H2，PH3，AsH3，或Ar，
-电阻RES大于300kΩ，
-电容CDS为500pF，
-极化电压在-100伏到-10000伏之间。
参照图2b，电源HT2的第二实施方式也允许限制电荷效应。该电源包括直流电压发生器SOU，其正极连接到地线。电容器CDD并联安装在该发生器上。开关SW连接在发生器SOU的负极和基体座托台PPS之间。该开关SW以“MOS”（英语术语Metal OxydeSemiconductor：金属氧化物半导体）技术或“IGBT”（英语术语Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管）技术实施。
当开关SW打开时，电容器CDD逐渐地充电到发生器SOU的额定电压。
当关闭该开关SW而等离子体被点燃时，继而产生由于注入机的等效电容与等离子体鞘的电容的电流吸引。注入机的等效电容是组成注入机的所有元件——特别是电缆、电通路、隔离变压器——的电容和在基体座和壳体之间形成的电容。
开关SW典型地在5μs到100μs之间保持是关闭的，在该阶段期间产生注入，这是因为正离子被吸引向被负电极化的基体。
电容器具有强电容（典型地在300nF到1.5μF之间），以使得在其端子的电压在注入时不降低。
在注入阶段后，开关SW是打开的和发生器SOU重新给电容器CDD充电。
在该时间期间，注入机的等效电容在等离子体中完全放电，和基体回到浮动电势。继而使得，等离子体的电子中和基体的隔离区域，基体的隔离区域在注入的过程中带正电地进行充电。
在其中开关SW保持打开的中和阶段典型地持续1μs到80μs。
一旦完成中和阶段，等离子体可在熄灭阶段被熄灭，这具有减少等离子体/表面的交互，减少热开支和最小化微粒产生的优点。该熄灭阶段典型地持续20μs到200μs，在该阶段期间开关SW保持是打开的。
从而可重复上文所述的循环：
-注入阶段，
-中和阶段，
-熄灭阶段。
通过用布置在基体座托台PPS和地线之间的第二开关加速注入机的等效电容的放电，可缩短中和阶段。该第二开关在中和阶段期间和在熄灭阶段期间是关闭的；该第二开关对于注入阶段是打开的。
回到图1，壳体ENV的上部分接纳等离子体供给装置AP。该装置呈在初始段（附图上位于上部）和终段（附图上位于下部）之间延伸的竖直轴为AXP的圆柱形本体的形状。连接法兰BR允许将装置AP的终段固定在真空室ENV上。初始段配有供应孔ING，供应孔用于输入产生等离子体的气体。该供应孔ING在竖直轴AXP上定中心。该竖直轴AXP与基体座托台PPS的表面交汇。
等离子体供给装置AP优选地以熔凝硅石（通常称为石英）或以氧化铝制成，以限制污染的问题。设置用于产生阻力损耗的减小部件，减小部件在此包括钻有多个通孔的分隔体CL。该分隔体CL有利地是电绝缘的，优选地以熔凝硅石制成，该分隔体被布置在该装置AP的初始段和终段之间。作为示例，对于直径大约为15cm的圆柱形本体，分隔体CL的孔的直径大约为数个毫米。为了方便维护操作，分隔体CL是可拆卸的。
由该分隔体CL与初始段界定的空间限定主腔室PR。分隔体CL从而体现主腔室的末段。该主腔室PR在外部被电离池（celluled’ionisation）围绕，电离池一方面包括射频天线ANT1，和附带地，另一方面包括约束线圈BC1。该天线ANT1这里由导电体——例如导管或铜片——的数个螺旋圈组成。
当然可能的是，使用各种类型的等离子体源：放电，ICP（英语术语“Inductively Coupled Plasma：电感耦合等离子体），螺旋波，微波，电弧。这些等离子体源应在足够小的压力水平下工作，使得在托台PPS与接地的真空室ENV之间产生的电场不会使放电等离子体点燃。
在等离子体供给装置AP的本体和壳体ENV之间的阻力损耗允许建立在这两个元件之间的压力差，压力差包含在一至两个量级之间。
由该分隔体CL和终段界定的空间限定辅助腔室AUX。
作为选择，该辅助腔室AUX也从外部被第二电离池围绕，第二电离池一方面包括约束线圈BC2和另一方面包括射频天线ANT2。
还可设置覆盖装置AP的两个腔室PR、AUX的单一约束线圈和单一天线。
无论何种等离子体品种可被注入。可来自气态前体如N2，O2，H2，He，Xe，Ar，BF3，B2H6，AsH3，PH3，SiH4，GeH4，C2H4，SiF4，GeF4，AsF5，CHF3，SF6，PF5。
这种布置允许非常大地减少多余的沉积和蚀刻现象。
不实施本发明的等离子体的典型参数如下：
-气体流量：10sccm到500sccm（“standard cubic centimeters perminute”每分钟标准立方厘米数）或法语为在标准压力和温度条件下每分钟立方厘米数；
-真空室中的压力：10-3mbar到10-1mbar；
-等离子体密度：每立方厘米109到1011。
本发明显著地改善这种情形，这是因为本发明允许获得以下值：
-气体流量：0.5sccm到50sccm；
-真空室中的压力：大约10-4mbar到10-2mbar；
-等离子体密度：每立方厘米109到1011。
这些结果借助于分隔体CL获得：分隔体CL在产生等离子体的地点——主腔室PR，和该等离子体被使用的地点之间引起显著的阻力损耗。从而可在主腔室中保持大约10-3mbar到10-1mbar的压力，同时显著地降低在真空室ENV中的这种压力。在主腔室中的压力允许容易地点燃等离子体。该等离子体的电子从而能够在由电离池所施加的静电场的作用下，经过分隔体CL到达真空室ENV，和能够引起等离子体在真空室中的点燃和传播。
这种阻力损耗构成本发明的本质。这种阻力损耗可以很多方式实施。
参照图3，作为示意给出等离子体供给装置的第二实施方式。
等离子体供给装置APB依旧呈在初始段和终段之间延伸的圆柱形本体的形状。连接法兰BR依旧具有相同的作用，即将装置APB的终段固定在真空室上。如之前所述，初始段配有用于引入气体的供应孔INL。相反地，阻力损耗不是通过钻孔的分隔体获得。这里，装置APB的本体组成主腔室PR2。不再存在辅助腔室，是终段ST本身具有开口VS，开口VS的面积与装置APB的中间段面积相比较而言被减小很多。
回到图1，注入机1的一附加特征允许使用于大尺寸基体的注入均匀化。
如前文所述及的，基体SUB置于通常是圆盘状的和围绕其竖直轴AXT活动的基体座托台PPS上。在转动或不转动的情况下，如果突出在基体SUB之上的等离子体供给装置ALP的轴线AXP接近托台PPS的轴线AXT，等离子体的传播沿着该轴线将是最大的，和相对于该轴线将具有分布梯度。在基体SUB中注入的剂量将具有非均质的分布。
如果两轴线AXT、AXP具有轴线偏矩，基体座托台PPS的转动允许相对于等离子体源的轴线AXP移动基体SUB。在基体SUB中注入的剂量将具有其均匀性将被显著改善的分布。
该系统的效率在直径为300mm的硅片上被验证，对于直径为300mm的硅片，对于以500eV和1015/cm2的BF3的注入，所获得的非均匀性被证明小于1%。
此外，在基体座托台取盘形形状的一般情形中，在基体座托台PPS和等离子体供给装置AP之间的距离优选地大于该基体座的直径。
自然地，本发明允许设置如上文所描述的多个等离子体供给装置，这些装置围绕基体座托台PPS的竖直轴AXT分布在壳体ENV上。
截止目前等离子体供给装置作为在真空室上嵌接的组件进行展示。如果该装置成为真空室的整体组成部分，本发明自然地适用。
上文所展示的本发明的实施例参照它们具体特征进行选择。然而不可能穷举性地罗列本发明所覆盖的所有实施方式。特别地，所描述的各种部件可通过等效的部件进行替代，而不超出本发明的范围。

Claims (14)

1.离子注入机，其包括：
-壳体（ENV），壳体与泵送装置（VAC）相连接，
-负电极化（HT）的基体座（PPS），其被布置在所述壳体（ENV）中，
-等离子体供给装置（AP），其具有在初始段和终段之间延伸的圆柱形本体的形状，该等离子体供给装置包括配有电离池（BC1，ANT1）的主腔室（PR，PR2），
所述主腔室（PR，PR2）配有气体供应孔（ING，INL），
所述主腔室的末段（CL）配有减小部件，用于相对于所述本体（AP）产生阻力损耗；
其特征在于，所述等离子体供给装置（AP）还包括布置在所述末段之外的辅助腔室（AUX），该辅助腔室在所述终段处通到所述壳体（ENV）中。
2.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，所述辅助腔室（AUX）配有第二电离池（BC2，ANT2）。
3.根据权利要求1或2所述的离子注入机，其特征在于，所述等离子体供给装置（AP）具有的容积小于所述壳体（ENV）的容积。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的离子注入机，其特征在于，所述末段具有钻有多个孔洞的分隔体（CL）的形状。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的离子注入机，其特征在于，所述末段（ST）具有开口（VS），开口的面积相对于包含在所述初始段和所述终段之间的所述本体（APB）的任一段部的面积是减小的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，第一电离池包括激励线圈（ANT1）和约束线圈（BC1）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，所述基体座（PPS）的轴线（AXT）和所述等离子体供给装置（AP）的轴线（AXP）是两个相区别的轴线。
8.根据权利要求7所述的离子注入机，其特征在于，所述基体座托台（PPS）和所述等离子体供给装置（AP）具有可调节的轴线偏矩。
9.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，所述末段是可拆卸的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，离子注入机包括至少一附加等离子体供给装置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，离子注入机包括：
-电压发生器（SOU），电压发生器的正极连接到地线，
-电容器（CDD），电容器在所述电压发生器（SOU）上并联安装，
-开关（SW），开关在所述电压发生器（SOU）的负极与所述基体座托台（PPS）之间连接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，基体座托台（PPS）能围绕其轴线（AXT）转动活动。
13.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，基体座托台（PPS）呈盘体的形状，在该基体座托台与所述等离子体供给装置（AP）之间的距离大于所述基体座的直径。
14.根据前述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，所述减小部件（CL，VS）是电绝缘的。
CN201280027771.9A 2011-06-09 2012-06-07 用于低压工艺的等离子体浸没模式离子注入机 Active CN103765550B (zh)

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