TW201401326A

TW201401326A - 用於以低壓法的電漿浸沒模式來植入離子的機器

Info

Publication number: TW201401326A
Application number: TW101121915A
Authority: TW
Inventors: Frank Torregrosa; Laurent Roux
Original assignee: Ion Beam Services
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-01
Also published as: TWI587348B

Abstract

本發明設置離子植入機器，包含：封閉體(ENV)，其係連接到泵裝置(VAC)；負極性(HT)基板載體(PPS)，其係配置在該封閉體(ENV)內部；以及電漿饋送裝置(AP)，係為延伸在開始段和終點段之間的一般圓柱形本體的形式，裝置具有設置有離子化單元(BC1、ANT1)之主室(PR)；該主室(PR)係設置有氣體傳送口(ING)；以及該主室的最後段(CL)係設置有落差損失裝置，用以產生有關該本體(AP)的壓降。而且，該電漿饋送裝置(AP)亦包括輔助室(AUX)，係設置為超出該最後段之外，在該終點段中該輔助室打開到該封閉體(ENV)內。

Description

用於以低壓法的電漿浸沒模式來植入離子的機器

本發明係相關於用於以低壓法的電漿浸沒模式來植入離子的機器。

本發明的領域在於利用電漿之離子植入機器，換言之，以電漿浸沒模式操作之離子植入器。

如此，植入離子在基板中在於將基板浸沒於電漿中，以及以幾十伏特(V)至幾十千伏特(kV)(通常低於100 kV)的負電壓來偏壓基板，以便產生能夠加速電漿的離子朝向基板之電場。

離子的滲透深度係藉由其加速度能量來決定。首先依據施加到基板的電壓，第二依據離子和基板的各自本質。

基於與物理學相關聯的理由，點燃和維持電漿需要相當高的壓力，通常為10^-3毫巴(mbar)至10^-1 mbar。此高壓產生不想要的副作用。基板為不想要的再沉積和蝕刻之所在地。而且，氣體消耗直接依據工作壓力而定。

因此試圖盡可能降低此壓力。儘管如此，此種壓力降低導致難以點燃電漿及其密度明顯降低。

當今，接受最佳工作壓力依據產生和維持電漿之離子化源的類型而定：微波源：10^-2 mbar至10^-1 mbar；以及射頻源：10^-3 mbar至10^-1 mbar。

熱源(具有燈絲的熱源)能夠降低壓力，但是它們由於蒸發而產生污染。

放電源亦能夠以較低壓力來工作，但是其損害電漿密度。

因此，文件US 2001/0046566說明以電漿浸沒模式來植入離子的機器，包含：封閉體，其係連接到泵裝置；負偏壓基板載體，其係配置在封閉體中；以及電漿饋送裝置，具有設置有離子化單元之室，室係為延伸在開始段和打開到封閉體內的終點段之間的一般圓柱形本體的形式；室係設置有氣體傳送口；以及終點段，具有有關本體的落差損失。

那植入機器能夠以相當高的壓力來產生電漿，且明顯降低上述副作用。

儘管如此，首先，產生落差損失之柵格對電磁考量是最佳的，而非從柵格產生之落差損失的觀點。

第二，柵格必須導電的及因此係由金屬材料所製成，如此會使電漿受污染。柵格變成與電漿相接觸來蝕刻(化學及離子蝕刻)。由於此蝕刻的金屬污染與諸如微電子等某些應用領域不相容。而且，發生在與電漿相接觸之壁(即、室的壁)上的不想要再沉積現象明顯。

第三，金屬柵格試圖阻隔用以點燃電漿之電磁場，以便將其侷限在室中，及防止它傳播到只加速離子之封閉體內。用以加速離子之靜電場係產生在基板與柵格之間，且其強力施加了離子遵循軌跡，藉以當電漿存在於基板四周時，防止一種所謂的“保形”三維植入，其可經由蔡爾德-朗謬爾鞘(Child Langmuir sheath)來獲得。

第四，室直接打開到封閉體內，及同樣地對封閉室中的電漿之傳播是不利的。

因此，本發明的目的在於改良那情況。

根據本發明，離子植入機器包含：封閉體，其係連接到泵裝置；負極性基板載體，其係配置在封閉體內部；以及電漿饋送裝置，係為延伸在開始段和終點段之間的一般圓柱形本體的形式，裝置具有設置有離子化單元之主室；主室係設置有氣體傳送口；以及主室的最後段係設置有落差損失裝置，用以產生有關本體的壓降；而且，電漿饋送裝置亦包括輔助室，係配置為超出最後段之外，在該終點段中該輔助室打開到該封閉體內。

較佳的是，該輔助室係設置有第二離子化單元。

有利的是，電漿饋送裝置具有小於封閉體的體積之體積。

在第一實施例中，最後段係為被複數個孔穿入之隔板的形式。

在第二實施例中，最後段具有相對於置於開始段和終點段之間的本體之區段的任一者的面積為小之面積的開口。

根據本發明的其他特徵，第一離子化單元具有激勵線圈和限制線圈。

希望基板載體的軸和該電漿饋送裝置的軸為兩個不同的軸。

在此種環境下，基板載體和電漿饋送裝置具有可調整較佳的偏移。

根據本發明的另一有利點，最後段係可移除。

選用地，機器包括至少一個額外的電漿饋送裝置。

有利的是，機器包含：電壓源，其正極連接到地；電容器，與該電壓源並聯連接；以及開關，連接在電壓源的負極與該基板載體轉盤之間。

而且，基板載體轉盤繞著其軸可旋轉移動。

再者，基板載體轉盤為碟形，及該基板載體轉盤與該電漿饋送裝置之間的距離大於該基板載體的直徑。

較佳的是，落差損失裝置為電絕緣的。

如圖1所示，真空封閉體ENV表示離子植入機器。在微電子應用中，建議使用由鋁合金製成之封閉體，以便限制具有諸如鐵、鉻、鎳、鈷等金屬元素的污染。亦能夠使用矽或碳化矽的塗層。

泵機構VAC係配置在封閉體ENV下方。

基板載體轉盤PPS為繞著垂直軸AXT可移動之水平碟的形式，及其接收將經過離子植入之基板SUB。其係透過高壓電絕緣套PET連接到高壓電力供應HT，此電力供應亦被連接到地。施加到基板載體之負電位通常位在幾十伏特至幾十千伏特的範圍中。

照慣例，電力供應係由具有其正極連接到地的簡易直流(DC)電源所組成。儘管如此，不管在以電漿浸沒模式的植入中用以施加負偏壓到基板之機構為何，及不管偏壓為恆定或可變的都可應用本發明。尤其是基板若是絕緣的，基板傾向變成帶正電。

參考圖2a，電力供應HT的第一實施例用於限制電荷作用。其包含其正極連接到地的DC電壓源SOU。與來源並聯連接之分支連接係藉由與電阻器RES串聯之電容器CDS所形成，電阻器係連接到來源SOU的負極。基板載體轉盤PPS係連接到電容器CDS與電阻器RES之間的共同點。

電容器CDS具有低值的電容，以便使基板的電位在其放電階段期間逐漸回到接近零之值。

即使使用脈衝式電漿能夠限制電荷作用，但是問題仍存在，尤其是若在方法期間基板的電位維持極負的(當使用高電容電容器時)。

當使用低電容電容器時，連同長度足夠的電漿脈衝一起出現下面現象：‧在脈衝的一開始，電容器被充電，由充電電壓設定基板的電位，及藉由上述機制將離子朝向基板加速；‧在電容器的端子各處之電壓下降，因為電容器放電到電漿內；及‧在某種電位以上(此處稱作反轉電位)已累積在絕緣區上之正電荷產生電場，此電場變成支配性的並且吸引電漿的電子；如此正電荷被中性化及消除發弧的風險。

當工作壓力低時，此中性化尤其有效。若電子的平均自由路徑大，則到達用以中性化電荷作用的表面之電子流亦相當大。

因此建立此機制所需的條件如下： ‧電容器CDS的電容夠小；‧在表面上的累積電荷產生電弧之前，電漿脈衝的持續期間夠長，以到達反轉電位；以及‧用於電漿源所產生之電子的平均自由路徑之工作壓力夠低，以使它們能夠到達基板，而沒有與存在於封閉體內部的氣體分子和離子碰撞和再組之風險。

電阻器RES的功能在於當電容器CDS開始充電時限制電流。而且，若此電阻器具有大於電漿的等效阻抗之電阻，則其在想要放電的電漿脈衝期間亦用於限制電容器的再充電。

對於等於100千歐姆(kΩ)的典型電漿阻抗而言，負載電阻在200 kΩ至2000 kΩ的範圍中較佳。電容器CDS 的電容係為在電漿脈衝的末端其已幾乎完成放電之電容。

此模式通用的參數如下：‧電漿密度在每立方公分(cm³)10⁸至10¹⁰/cm³的範圍中；‧電漿脈衝持續期間在15微秒(μs)至500 μs的範圍中；‧脈衝重複率在1赫茲(Hz)至3千赫茲(kHz)的範圍中；‧工作壓力在2×10^-4 mbar至5×10^-3 mbar的範圍中；‧使用的氣體：N₂、BF₃、O₂、H₂、PH₃、AsH₃、或Ar；‧電阻器RES的電阻大於300 kΩ；‧電容器CDS的電容為500微微法拉(pF)；以及‧偏壓在-100 V至-10000 V的範圍中。

參考圖2b，電力供應HT2的第二實施例亦使電荷作用被限制。此電力供應包含其正極連接到地的DC電壓源SOU。電容器CDD係與該電壓源並聯連接。開關SW係連接在電壓源SOU的負極與基板載體轉盤PPS之間。開關SW係由金屬氧化物半導體(MOS)技術所製成，或者由絕緣閘雙極電晶體(IGBT)技術所製成。

當開關SW被打開時，電容器CDD在電壓源SOU的標稱電壓中逐漸充電。

當電漿打開的同時開關SW被關閉時，由於機器的等效電容及電漿鞘的電容導致電流被牽曳。機器的等效電容為構成此機器的所有元件之電容，尤其是電纜、絕緣套、隔離變壓器；以及形成在基板載體與封閉體之間的電容。

在因為正離子被吸引朝向基板(此為負偏壓)而出現階段植入期間，開關SW典型上維持關著達5 μs至100 μs。

電容器具有大的電容(典型上位在300奈米法拉(nF)至1.5微法拉(μF)的範圍中)，使得其端子各處的電壓在植入期間未下降。

在植入階段之後，開關SW被打開及電壓源SOU再一次充電電容器CDD。

在此期間，機器的等效電容完全放電到電漿內，及基板回到浮動電位。結果，電漿中的電子使在植入期間已變成帶正電之基板的絕緣區中性化。

開關SW維持打開期間的中性化階段典型上持續達1 μs至80 μs。

一旦中性化階段結束，在熄滅階段期間電漿被熄滅，藉以具有降低電漿/表面相互作用、降低熱預算、及最小化粒子產生之有利點。此熄滅階段典型上持續達20 μs至200 μs，在此階段期間，開關SW維持打開。

然後能夠重複上述循環：‧植入階段；‧中性化階段；以及‧熄滅階段。

藉由以配置在基板載體轉盤PPS與地面之間的第二開關來加速機器的等效電容之放電，可縮短中性化階段。在中性化階段期間及在熄滅階段期間此第二開關被關閉；在植入階段期間被打開。

回到圖1，封閉體ENV的頂部接收電漿饋送裝置AP。此裝置為延伸在開始段(在圖式的頂部)和終點段(在圖式的底部)之間的垂直軸AXP之一般圓柱形本體的形式。耦合凸緣BR使裝置AP的終點段能夠在真空封閉體ENV上。開始段具有傳送口ING，用以插入產生電漿之氣體。此傳送口ING位在垂直軸AXP的中心。垂直軸AXP與基板載體轉盤PPS的表面交叉。

電漿饋送裝置AP係由矽土玻璃(通常誤稱作石英)或者礬土製成較佳，以便限制污染問題。設置用以產生壓降之落差損失裝置，及在此實施例中，它們係由被複數個通孔穿入之隔板CL所構成。隔板CL有利於電絕緣，由矽土玻璃製成較佳，及係配置在裝置AP的開始段與終點段之間。經由例子，對於具有約15公分(cm)之直徑的圓柱形本體而言，隔板CL中的孔具有幾毫米(mm)等級的直徑。為了有助於維修操作，隔板CL可移除。

由隔板CL和開始段所界定的空間界定主室PR。因此隔板CL標示主室的最後段。由離子化單元從外部包圍主室PR，離子化單元首先包含射頻天線ANT1，第二若需要的話為限制線圈BC1。在此實施例中，天線ANT1係由如銅管或銅條等幾匝電導體所構成。

自然地，能夠使用任何類型的電漿源：放電源、電感耦合式電漿(ICP)源、螺旋錐、微波源、或電弧。這些來源必須能夠以低壓位準操作，此低壓位準足夠低到使產生在轉盤PPS與接地封閉體ENV之間所產生的電場不會有點燃放電電漿之風險。

電漿饋送裝置AP的本體與封閉體ENV之間的落差損失能夠建立兩元件之間的壓力差，此差位在一至兩等級強度的範圍中。

由隔板CL與終點段所界定的空間界定輔助室AUX。

選用地，輔助室AUX亦從外部由第二離子化單元所包圍，第二離子化單元首先包含限制線圈BC2，及第二為射頻天線ANT2。

亦能夠設置覆蓋裝置AP的室PR和AUX二者之單一限制線圈和單一天線。

可植入任何電漿產生物種。能夠開始於氣體先驅物，諸如N₂、O₂、H₂、He、Xe、Ar、BF₃、B₂H₆、AsH₃、PH₃、SiH₄、GeH₄、C₂H₄、SiF₄、GeF₄、AsF₅、CHF₃、SF₆、PF₅等。

此種配置能夠大大減少干擾沉積和蝕刻之現象。

在沒有實施本發明之下用於電漿的典型參數如下：‧氣體流率：在標準壓力和溫度條件之下，每分鐘10標準立方公分(sccm)至500 sccm；‧真空封閉體內部壓力為10^-3 mbar至10^-1 mbar；以及‧電漿密度為10⁹/cm³至10¹¹/cm³。

本發明大幅改良此情況，因為其能夠獲得下面值： ‧氣體流率：0.5 sccm至50 sccm；‧真空封閉體內部壓力：10^-4 mbar至10^-2 mbar等級；以及‧電漿密度為10⁹/cm³至10¹¹/cm³。

這些結果係藉由隔板CL所獲得，隔板CL在產生電漿的位置(即、主室PR)與使用電漿的位置之間引進相當大的落差損失。如此能夠在明顯降低真空封閉體ENV中的壓力同時保存10^-3 mbar至10^-1 mbar等級的壓力在主室中。存在於主室中之壓力能夠容易點燃電漿。在藉由離子化單元所施加的靜電場效果之下，電漿的電子然後能夠經由隔板CL到達真空封閉體ENV，並且能夠使電漿在其內點燃和傳播。

此落差損失構成本發明的精髓。可經由許多方式來實施。

參考圖3，可看見有經由指示所給定之電漿饋送裝置的第二實施例。

電漿饋送裝置APB仍舊為延伸在開始段與終點段之間的一般圓柱形本體的形式。耦合凸緣BR仍舊具有相同功能，即、將裝置APB的終點端繫緊到真空封閉體。如上述，開始段係設置有插入氣體之傳送口INL。相反地，落差損失未經由被穿孔的隔板獲得。在此實施例中，裝置APB的本體構成主室PR2。不再具有輔助室，及其為終點段ST本身，終點段ST具有比裝置APB的中間段之面積小很多的面積之開口VS。

回到圖1，植入器1的額外特徵使大尺寸的基板之植入能夠更均勻。

如上述，基板SUB位在基板載體轉盤PPS上，基板載體轉盤PPS通常為碟形並且繞著其垂直軸AXT可移動。在會或不會旋轉之下，若垂直於基板SUB上方之電漿饋送裝置ALP的軸AXP接近轉盤PPS的軸AXT，則沿著此軸最大化電漿擴散，及具有有關該軸的分佈梯度。植入於基板SUB中之劑量因此具有不均勻的分佈。

若兩軸AXT及AXP偏移，則轉動基板載體轉盤PPS能夠使基板SUB相對於電漿源的軸AXP移動。植入於基板SUB中之劑量然後具有明顯提高的均勻分佈。

已在具有直徑300 mm的矽晶圓上驗證此系統的功效，對此而言，已發現在500電伏特(eV)及每平方公分(cm²)10¹⁵中植入BF₃，最後的非均勻性低於1%。

而且，基板載體轉盤PPS與電漿饋送裝置AP之間的距離大於碟形的事例中之基板載體的直徑較佳。

自然地，本發明使諸如上述那些等各種電漿饋送裝置能夠被實施，裝置然後係在約基板載體轉盤PPS的垂直軸AXT四周之封閉體ENV上。

上文將電漿饋送裝置說明成裝附於真空封閉體的組件。若裝置形成封閉體的整體部位，則當然亦可以應用本發明。

因為它們的具體性質所以選擇上述本發明的實施例。儘管如此，無法徹底地表列本發明所涵蓋的所有實施例。尤其是，在不超過本發明的範圍之下，可由同等機構取代所說明之機構的任一者。

1‧‧‧植入器

ENV‧‧‧封閉體

VAC‧‧‧泵機構

PPS‧‧‧基板載體轉盤

SUB‧‧‧基板

AXT‧‧‧垂直軸

AXP‧‧‧垂直軸

PET‧‧‧高壓電絕緣套

HT‧‧‧電力供應

HT2‧‧‧電力供應

SOU‧‧‧電壓源

CDS‧‧‧電容器

RES‧‧‧電阻器

CDD‧‧‧電容器

SW‧‧‧開關

AP‧‧‧電漿饋送裝置

APB‧‧‧電漿饋送裝置

ALP‧‧‧電漿饋送裝置

ING‧‧‧傳送口

INL‧‧‧傳送口

CL‧‧‧隔板

PR‧‧‧主室

PR2‧‧‧主室

ANT1‧‧‧射頻天線

ANT2‧‧‧射頻天線

BC1‧‧‧限制線圈

BC2‧‧‧限制線圈

AUX‧‧‧輔助室

BR‧‧‧耦合凸緣

ST‧‧‧終點段

VS‧‧‧開口

從下面經由圖解所給予的實施例之說明及參考附圖，於下文更詳細呈現本發明，其中：圖1為離子植入機器的剖面圖；圖2為用以偏壓基板載體轉盤之電路圖，及尤其是：圖2a為此電路的第一實施例圖；及圖2b為此電路的第二實施例圖；以及圖3為電漿饋送裝置的第二實施例之剖面圖。

出現在一個以上的圖式中之元件給予它們每一個相同的元件符號。