CN1577746A - 用于等离子体掺杂的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
根据一种用于注入杂质的方法，基片被定位在安装于腔体中的工作台上，所述腔体将被抽成真空且被输入所要注入的杂质。第一高频电源被加载到等离子体产生元件上，从而产生等离子体，以使腔体中的杂质被注入到基片中。另外，第二高频电源被加载到工作台上。对腔体中等离子体的状态和工作台中的电压和电流进行检测。控制器根据检测到的等离子体的状态和/或检测到的电压或电流，对第一和第二高频电源中的至少一个进行控制，从而控制所要注入杂质的注入浓度。
Description
技术领域
本发明涉及用于通过利用等离子体掺杂或等离子体注入技术将一种杂质离子掺杂到例如半导体基片的基体中的方法和装置。
背景技术
美国专利No.4912065公开了一种等离子体掺杂法，通过这种方法，离子化的杂质通过减小的能量被注入到基片之中。日本专利No.2718926也公开了一种用于控制注入杂质浓度的方法，其中在放电的同时对高频电流进行检测以便加以控制。
然而，这种控制方法有一个缺点，就是高频功率的变化，从而控制高频电流引起不希望的电子密度、等离子体中的杂质离子密度以及作用在基片上的离子能量的变化，进而导致浓度的无法控制性。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提出一种可以容易地控制掺杂浓度的方法和装置。
根据一种用于本发明的离子掺杂的方法和装置，基片被定位在一个工作台上，工作台被安装在将被抽成真空且将被输入杂质的腔体中。将第一高频电源加载在等离子体产生元件上，从而在腔体中产生等离子体，以便将腔体中的杂质注入到基片中。工作台还被加上了第二高频电源。对腔体中等离子体的状态和工作台中的电压或电流进行检测。控制器根据检测到的等离子体状态和/或检测到的电压或电流，对第一和第二高频电源中的至少一个进行控制，从而控制所要注入杂质的注入浓度。
在本发明的另一方面中，对通过电容连接到工作台上的电极上的电压或电流进行检测。然后，控制器根据检测到的等离子体状态和/或检测到的电压或电流，对第一和第二高频电源中的至少一个进行控制，从而控制所要注入杂质的注入浓度。
附图说明
图1是根据本发明的第一种实施例的掺杂装置的一个示意性的剖面图。
图2是显示发射强度与硼浓度之间关系的曲线图。
图3是显示高频电压与硼浓度之间关系的曲线图。
图4是显示根据本发明的第二种实施例的掺杂装置的一个示意性的垂直剖面图。
图5是匹配电路的电路图，同时其示出了工作台的结构。
图6是显示对匹配电路的变更形式的电路图。
图7是掺杂装置的变更形式的示意性剖面图。
具体实施方式
以下将参照附图，对用于本发明的等离子体掺杂方法和装置的各种
实施例进行说明。
参照图1，其显示了一种根据本发明的等离子体掺杂装置，总体由附图标号10来表示。掺杂装置10具有圆柱容器12，其限定腔体14。容器12具有限定容器12的侧壁18和底壁20的第一部分16，以及限定容器12的顶壁24的第二部分22。容器12的第一部分16由导电材料制成，例如铝和不锈钢，并电气接地到地上。容器12的第二部分22，即顶壁24由电介质材料制成，例如硅玻璃，通过它高频电场被感应到腔体14中。底壁20中限定有开口26，开口26与例如涡轮分子泵这样的真空泵28液体连通。在腔体14中且邻近开口26的地方，安装着由提升装置(图中未示出)所支承的阀部件30，使得开口26的开口程度以及腔体12中的真空通过阀部件30的提升被控制在一个特定值，例如0.04Pa。
腔体14中安装有由例如铝和不锈钢这样的导电材料制成的工作台32。工作台32被许多绝缘支架34支承在腔体的中央，与顶部电介质壁24相距一定的距离，从而限定一个用于形成等离子体的特定容量的空间36。工作台32还具有一个用于支承诸如硅片的基片38的顶部平面，基片中要注入预定的离子。
等离子气体供给源40，即杂质源被液体连通到腔体14中，使得含有氩(Ar)和乙硼烷(B2H6)的特定气体可以从杂质源输送到腔体14中。例如，氩和乙硼烷气体的含量可以分别被控制在10sscm(标准立方厘米/每分钟)和5sscm。
为了在等离子体形成空间36中产生等离子体42，特别是感应耦合等离子体(ICP)，在电介质壁24上方且位于腔体14之外，以与圆柱容器12同轴的方式安装着等离子体产生元件或螺旋线圈44。如图所示，线圈44的中央端部46被定位在高于相对的圆周端部48的位置，使得线圈44形成了一个圆锥形结构。线圈44的中央端部46被连接到一个可以施加高频电力的第一高频电源50上。第一高频电源50是一个能够通过频率控制在300kHz和3GHz之间或者通过脉宽调节对电压进行控制的电源，以改变腔体中所产生的等离子体的密度。在此实施例中，开始时，例如13.56MHz的频率被加在线圈44上。另一方面，线圈44的圆周端部分48被接地到地上。
为了使工作台32和基片38相对于等离子体42具有负极性，第二高频电源52通过一个匹配电路54和一个电压检测器56(第二监视器)被电气连接到工作台32上。被用于改变离子化能量的第二高频电源52可以是相同或不同于第一高频电源的传统电源。例如，采用能够通过频率控制在300kHz和3GHz之间或者通过脉宽调节对电压进行控制的电源。在此实施例中，例如开始时，工作台32上被加上600kHz频率。本实施例的注入装置10还采用辐射光谱学(optical emission spectroscopy)来检测腔体14中产生等离子体的情况，然后控制离子注入的剂量。为此，安装了一个能够探测并计量从腔体14中的等离子体辐射出的光的量的光探测器58(第一监视器)。监视器56和58被连接到控制器60上，其被依次连接到第一和第二电源50和52上，用于分别控制被加在线圈44和工作台32上的高频电源。
在如此构成的离子注入装置10的操作过程中，基片38被定位在工作台32上，使得基片38与工作台32的相对面进行充分的接触。在此条件下，Ar和B2H6的混合气体，被从等离子气体供应源40输入到腔体14中。另外，腔体14被泵28抽成真空，通过阀部件30的向上和/或向下移动，从而调节开口26的开启程度，进而使真空度得到控制。在此情况下，一旦高频电源50被打开而在腔体14中感应出高频电场，空间36中的基片38的上方就会产生等离子体42。同时，等离子体42和基片38之间产生护套电压(sheath voltage)，使硼被注入到基片38的顶面而形成一个超薄的硼注入层。
利用注入装置来做测试，以确定当在工作台和基片上加上1000V电压时发射强度和注入的硼浓度之间的关系，以及当通过控制加在线圈上的交流电而使等离子体的发射强度被控制在0.5(a.u.)时加在第二高频电源上的电压和硼浓度之间的关系。图2和图3中分别展示了其结果，其显示硼的浓度随着发射强度和所加电压而增大。这意味着每一种发射强度和电压都表示等离子体的一种情况，且都与离子浓度具有直接的关系。这进而意味着通过控制由光检测器58测量到的对应于等离子体42的光辐射的第一高频电源50的输出，和/或通过控制第二高频电源52的输出，即加在工作台32上并由电压检测器56所测量到的电压，硼浓度就得到了控制。因此，根据本发明的注入装置10，控制器60被编程为对第一和第二高频电源50和52中的任何一个或全部两个进行控制，从而产生要注入到基片38的表面所需要的离子剂量。具体地说，在此过程中，第一电源受到反馈控制以使等离子体汽相稳定，第二电源也受到控制以便获得一个恒定的电压或功率。
参照图4，将对根据本发明的第二种实施例的另一种注入装置进行说明，其总体上由附图标号10A来标示。在此实施例中，采用了一种单探头法来检测腔体14中产生的等离子体的状态，然后对离子注入的剂量进行控制。为此，一个由钨制成的杆状电极的单独探头62被插入到了腔体14中，并与等离子体形成空间36相邻接。探头62还与一个用于检测电流强度的装置64电气连接，所述装置64进而连接到控制器60上。电流强度对应于等离子体的发射强度，这意味着由装置64所检测到的电流强度被用于控制器60，以控制所产生的等离子体的状态并进而控制基片中所注入硼的浓度。
另外，环绕着工作台68安装着由导电材料制成的环形监控电极66，所述环形电极66也连接着匹配电路70。图5显示了匹配电路70的细节以及此实施例的工作台68的结构。如图所示，工作台68具有由绝缘材料制成的用于支承注入基片38的上部平板部分72，以及由导体材料支承的用于支承上部平板部分的下部平板部分74。上部平板部分72至少包括一对嵌入在其中的夹头电极，第一电极76和第二电极78。第一和第二电极76和78被连接到一个直流电源80上，这样在夹头电极76和78之间施加特定的直流电压，从而形成用于将基片38固定在工作台68上的静电力。
匹配电路70具有一个连接在高频电源52和电容84之间的高频输入端子82。端子82还通过另一个电容86、线圈88、电容90、低通滤波器92、和带有分压计的监控电路94连接到另一个端子96上，所述端子96连接着控制器60。另外，电容90的两端连接到第一输出端子98和第二输出端子100上，所述第一输出端子98连接着工作台68的下部平板部分74，所述第二输出端子100连接着环形监控电极66。
通过采用上述结构，高频电能从电源52，通过电容86、线圈88、电容90和输出端子100，被输送到环形监控电极66上。在这种情况下，环形监控电极66的电压与输出端子100上的电压相同，结果监控电路94上获得与监控电极66的直流电压成比例的电压。所获得的同时也与第一种实施例中工作台电压相对应的电压然后被控制器60所采用，以控制注入硼的浓度。
还是在此匹配电路70中，电容90将监控电极66从工作台68的下板部分74上分隔开来，这防止了在下板部分74上产生大的负电压，所述大的负电压会导致上部平板72的绝缘性变差。低通滤波器92可以滤去高频电能。
在前面的实施例中，环形监控电极被电气浮置在电路中，结果电路中没有电流流动。与之相反，为了在电路中产生流动的电流并进而利用检测到的电流来获得电压，可以作出如图6所示的修改。具体地说，在此修改中，匹配电路54中的监控电路102具有用于检测流过的电流的第一电路部分(未示出)，和用于计算与检测到的电流相对应的电压的第二电路部分(未示出)。另外，安装在第一电路中用于检测电流的电阻通常具有降低的电阻，它会产生过热并会导致监控电路出错。为了防止这一点，电阻104优选以串连的形式被连接到环形监控电极66上，以减小流入到监控电路中的电流。如图6所示，还可以在电容90和监控电路102之间连接一个附加线圈106，以防止高频电流流入到监控电路102中。
采用图6中所示的注入装置来进行测试。在此测试中，基片被定位在工作台上。包含有Ar和B2H6的注入混合气体被输送到腔体中。氩和乙硼烷的含量分别被控制在10sccm(标准立方厘米/每分钟)和5sccm。腔体中的压力被维持在0.04Pa。在此情况下，螺旋线圈和工作台(下板部分)分别被施加来自电源50和52高频电能。结果证实硼被注入到基片的表面中。
另外，在此测试中，加在螺旋线圈和工作台(下板部分)上的高频电能被改变。同时，对监控电路中流动的电流，以及注入到与基片顶面相距1.0nm的基片内部的硼的浓度进行检测。
结果显示，如果环形电极中的直流电流保持恒定，硼的浓度就随着离子电流的强度大致成比例地增加，另一方面，如果离子电流的强度保持恒定，硼浓度就随着环形电极中的直流电流而大致成比例地增加。这意味着，通过控制螺旋线圈中的高频电源以保持离子电流强度恒定，并同时控制加在工作台上的另一高频电源而保持监控电极中的电流恒定，就能够精确地控制硼的浓度。
虽然对各种实施例进行了说明，但是本发明的注入装置可以通过各种方式进行修改和/或改进。例如，如图7中所示，可以采用一个半球形圆顶108来取代图1和图4中的平板形顶壁。在此实施例中，线圈可以被构造成一种非螺旋形的形式。还可以安装一个用于产生穿过顶壁朝向基片的磁场的磁性线圈110，它可以产生螺旋形波等离子体(helicon waveplasma)或磁中性环等离子体(magnetic neutral loop plasma)，每一种都具有比感应耦合等离子体更高的强度。换种方式，也可以结合采用微波辐射天线和磁性线圈。在此实施例中，腔体中产生了一种电子回旋共振等离子体，它具有比感应耦合等离子体更高的强度。在这些变更形式中，通过控制磁性线圈中流动的电流，在腔体中可以产生直流磁场或低于1kHz的低频磁场。
尽管被用作基片的是由硅制成的半导体平板，它也可以由任何材料制成。
另外，被用作注入杂质即掺杂物的是硼，也可以替代注入或额外注入包括砷、磷、铝和锑的其它掺杂剂。
另外，尽管采用氩Ar作为稀释气体，也可以采用其它气体，例如由氮和氦构成的气体。
还有，尽管杂质是以气体形态即B2H6被引入的，杂质也可以被复合在某一特定的基体(杂质源)的内部或表面，然后通过例如溅射进入到腔体中。
此外，尽管用于监控腔体中等离子体状态的辐射光谱法和单探头方法已经在先前的实施例中得到了描述，也可以采用其它替代方法，包括激光感应荧光法、红外激光吸收光谱法、真空紫外线吸收光谱法、激光散射法、双探头法、三探头法和四极质谱法。
尽管在先前的实施例中对加在工作台上的电压进行了监控，也可以代之以监控流过的电流。
另外，尽管在先前的实施例中监控的是监控电极中的电压和电流，也可以代之以监控其中的高频电流。
部件列表：
10：离子注入装置
12：容器
14：腔体
16：容器的第一部分
18：侧壁
20：底壁
22：容器的第二部分
24：顶壁
26：开口
28：真空泵
30：阀部件
32：工作台
34：支架
36：空间
38：基片
40：等离子气体供应源
42：等离子体
44：螺旋线圈
46：线圈的中心端部
48：线圈的圆周端部
50：第一高频电源
52：第二高频电源
54：匹配电路
56：电压检测器(第二监控器)
58：光检测器(第一监控器)
60：控制器
62：探头(单一探头)
64：电流强度监控装置
66：环形监控电极
68：工作台
70：匹配电路
72：上板部分
74：下板部分
76：第一电极
78：第二电极
80：直流电源
82：端子
84、86：电容
88：线圈
90：电容
92：低通滤波器
94：监控电路
96：端子
98：输出端子
100：输出端子
102：监控电路
104：电阻
106：线圈
Claims (10)
1.一种用于等离子体注入的装置，其包括：
其内部限定有真空腔体的真空容器；
安装在腔体中用于支承要被注入杂质的基片的工作台；
安装在腔体外的等离子体产生元件；
用将第一高频电能加载到所述元件上以在腔体中产生等离子体的第一电源；
用于将第二高频电能加载到所述工作台上的第二电源；
用于检测等离子体状态的第一检测器；
用于检测工作台中的电压或电流的第二检测器；和
控制器，其用于根据由第一检测器检测到的等离子体的状态和/或由第二检测器检测到的电压或电流，来对第一和第二高频电源中的至少一个进行控制，从而控制所要注入杂质的注入浓度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一检测器对所述状态的检测采用从以下方法中选择的一种方法：辐射光谱法、单探头法、双探头法、三探头法、激光感应荧光法、红外线激光吸收光谱法、真空紫外线吸收光谱法、激光散射法和四极质谱法。
3.一种用于等离子体注入的装置，其包括：
其内部限定有真空腔体的真空容器；
安装在腔体中用于支承要被注入杂质的基片的工作台；
安装在腔体外的等离子体产生元件；
用于将第一高频电能加载到所述元件以在所述腔体中形成等离子体的第一电源；
用于将第二高频电能加载到工作台上的第二电源；
与工作台邻接安装并通过电容连接到工作台上的电极；
用于检测等离子体状态的第一检测器；
用于检测电极中电压或电流的第二检测器；
控制器，其用于根据由第一检测器检测到的等离子体状态和/或由第二检测器检测到的电压或电流，来对第一和第二高频电源中的至少一个进行控制，从而控制所要注入杂质的注入浓度。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于第一检测器对所述状态的检测采用从以下方法中选择的一种方法：辐射光谱法、单探头法、双探头法、三探头法、激光感应荧光法、红外线激光吸收光谱法、真空紫外线吸收光谱法、激光散射法和四极质谱法。
5.一种用于将杂质注入到基片中的方法，包括步骤：
将基片定位在安装于腔体中的工作台上；
在腔体中产生真空；
将杂质输入到腔体中；
将第一高频电能加载到等离子体产生元件上，从而产生等离子体，以使腔体中的杂质注入到基片中；
将第二高频电能加到工作台上；
检测腔体中的等离子体状态；
检测工作台中的电压或电流；和
根据检测到的等离子体的状态和/或检测到的电压或电流，对第一和第二高频电源中的至少一个进行控制，从而控制所要注入到基片中的杂质的注入浓度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于第一和第二电源中每一个的电源频率都被控制在300kHz至3GHz的范围内。
7.一种装置，其具有由基片构成的零件，所述基片由权利要求5所述的方法被注入杂质。
8.一种用于将杂质注入到基片中的方法，包括步骤：
将基片定位在腔体中的工作台上；
在腔体中产生真空；
将注入杂质输送到腔体中；
将第一高频电能加载到元件上，以产生等离子体，以使腔体中的杂质被注入到基片中；
将第二高频电能加到工作台上；
检测腔体中的等离子体的状态；
检测经电容连接到工作台上的电极上的电压或电流；和
根据检测到的等离子体状态和/或检测到的电压或电流，对第一和第二高频电源中的至少一个进行控制，以便控制要注入杂质的注入浓度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于从第一和第二电源中的每个输出的电能的频率都被控制在300kHz至3GHz的范围内。
10.一种装置，其具有由基片构成的元件，所述基片要通过权利要求8所述的方法被注入杂质。
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