TWI404127B - 利用氟之離子源清潔 - Google Patents

Description

利用氟之離子源清潔

一般而言，本發明與半導體元件製造及離子植入相關，更特別地與使用氟清潔離子植入系統的離子源相關。

離子植入是用於半導體元件製造的物理過程，其選擇性地把摻雜劑植入到半導體以及/或是晶圓材料中。因此，植入的行為不倚賴於摻雜劑及半導體材料之間的化學相互作用。對於離子植入來說，將摻雜劑原子/分子離子化、加速、形成束線、分析並且跨過晶圓掃描或是晶圓跨過束線掃描。摻雜劑離子實質上轟擊晶圓、進入表面並且在與能量有關的表面下深度停止。

離子植入機或是離子植入系統通常包括一個離子源，其包括一個電離室以將中性的氣體電離而產生帶電粒子集合，也就是離子及電子，在下文稱為電漿，該氣體來自氣體饋料或是由固體或是液體饋料的蒸氣產生。透過在來源電漿及電極之間或是一系列電極產生的電場，將離子從離子源電漿中抽提出來以形成離子束。束線穿越在每一個電極中特定形狀的孔徑。典型的束線抽出系統是三或是四個電極的系統，雖然其他變化包括極長的系統是可能的，其中最終束線在晶圓附近完成減速。一個標準的三電極系統通常包括一個俗稱電漿電極或是電弧狹縫電極或是電離室電極的第一電極，其可以在與離子源相同的大正電壓下來偏壓。該電位決定束線的能量。一個俗稱抑制電極的第二電極在適當的負電壓下以避免電子流回來源腔。一個俗稱接地電極的第三及最終電極在接地電位。抽離電場由電離室電極及抑制電極之間的電位差、它們的形狀細節以及它們之間的距離決定。在很多離子植入製程裡，為了產生不同的摻雜特性，必需產生非常不同能量以及物種的束線，例如用於源極－汲極延伸的5kV硼以及用於擊穿止點的80kV砷。由電極產生的電場強度必須調變以調整為與期望的抽離束線電流配合而保持良好離子束光學。這個過程稱為電子管電導係數匹配。取得良好電子管電導係數匹配的最普遍方法是使抑制及接地電極相對於離子源移動，更明確地相對於電離室電極移動。電離室電極與抑制電極之間的距離稱為抽出間隙，其中電離室電極界定電離室孔徑並且抑制電極界定抑制孔徑。當離子源以分子填充氣體或是蒸氣操作時，也產生除了需求植入物種之外的其他物種，其具有非常低的蒸氣壓並且在來源的內表面上產生凝結。這些固體沉積可能干擾長時間的離子源操作，例如改變壁的電特性或是部分阻檔離子源的電極孔徑，因此降低可用的離子電流。除去這些沉積的一個方法是將離子源從系統移除然後實質上將來源清潔的費時方法。另一種方法是使高反應性的氣體流通過來源當場將來源清潔，其中選擇氣體物種使得其與沉積材料反應而產生一種高蒸氣壓物質，其以氣體形式離開離子源並且抽出系統之外。一個具有需求特性的物種是原子氟，通常由在電漿裡的NF₃ 解離而產生。不過，反應性氣體需要相對大的流量以進行適當的離子源表面清除。相對大的流量有害地影響工具費用及操作費用。

在下面提供的簡化概要用來說明本發明之一或多個觀點的基本理解。此概要並非本發明的擴大概述，並且不在於用來指定本發明的關鍵或是重要要素，也不在於用來描寫其範圍。相對地，概要的主要目的係用來以簡化形式描述本發明的一些概念，作為以下本發明之更詳細描述的前言。

本發明的幾個觀點使用清潔材料，例如原子氟進行在離子源內的表面清潔，以方便離子植入過程。清潔透過使用一個節流閥裝置而以比傳統更低的氟清潔流量進行，其至少部分陷住例如在離子源內的氟以方便清潔離子源。

從離子源內表面除去沉積的沉積清潔系統包括一個氟源、一個節流閥裝置以及一個控制器。氟源將氟提供到離子源以作為清潔材料。節流閥裝置透過至少部分覆蓋源孔徑，以減輕通過離子源孔徑的氟損失。控制器控制從氟源到離子源的供應及流量並且也控制節流閥裝置的位置。也包括其他系統、方法以及檢測器。

要完成上述及相關的目的，本發明包括在下文完整描述以及在申請專利範圍中特別指出的特徵。下列描述以及圖式詳細說明本發明的特定說明性觀點及實施例。不過，這些說明是各種本發明可應用之原則中的幾個。當配合圖式來閱讀以下詳細說明時，便可清楚地瞭解本發明其他目標、優點以及新穎特徵。

現在本發明將參考圖式一起描述，其中相似元件符號係代表全文的相似元件。熟習該項技術者將理解本發明不限於在下文描述的範例實施例及所說明的觀點。

可以使用原子氟(氟活化物)以清潔離子源的表面。純氟是有毒的並且難以處理。因此，通常以氟化合物例如NF₃ 作為原子氟的來源使用。原子氟由NF₃ 在電漿裡解離產生。在一個範例中，電漿可以遠離清潔表面然後將解離的氣體傳輸到表面。替代地，原子氟可以在離子源內形成或是產生以清潔表面。不論在何種情況都需要大流量的NF₃ ，因為例如原子氟在遠端來源及要清潔的離子源表面之間的重新結合以及未結合原子氟透過來源孔逸出離子源。

本發明的一個觀點在離子源的源孔徑上或附近使用一個節流閥裝置。節流閥裝置降低原子氟從孔徑的損失並且導引氟原子回到來源內要被清潔的表面。另外，節流閥裝置可以導引原子到孔徑的外邊緣，因此提供這些表面的清除改善。在正常的離子源操作時，節流閥裝置放置在不干擾操作的位置。

圖1係以區塊圖來說明適合實現本發明之一或多個觀點的離子植入系統。

系統100包括離子源102，其沿著一個束線路徑產生離子束104。離子源102包括例如一個電漿源106以及一個電源108。電漿源106可以包括例如一個相當長的電漿限制腔體，從其中抽出並加速離子束。

除要求物種之外的其他物種可能在離子源102的操作期間產生。這些物種可能具有非常低的蒸氣壓力，並且因此在離子源102的內表面上凝結。這些長期的固體沉積可能干擾離子源操作，例如透過壁電特性的改變或是部分離子源孔徑的阻檔而降低可用離子電流。

離子源102包括一個氟清潔系統122，其可以除去離子源內表面的這些沈積物。氟清潔系統122使高活性氣體通過離子源102流動，氣體物種選擇為例如使用氟使得其與沈積材料反應而產生一種高蒸氣壓物質，以氣體形式離開離子源102並且抽出系統之外。清潔系統122也包括節流閥裝置，其限制或避免未反應的反應性氣體成分例如原子氟離開離子源102而沒有與沈積物起反應。由於節流閥裝置的使用，與傳統清潔系統相比可以使用相對較低的反應性氣體流量而獲得離子源102內的合適表面清潔。

清潔系統122可以週期性地或是如期望地接合，以使離子源102內表面的沉積降低或是除去。不過，在離子植入期間，清潔系統122的節流閥裝置通常停止接合以容許離子束穿過離子源孔徑的路徑。或是可以接合節流閥裝置以減輕未反應的反應性氣體成分透過孔徑離開離子源102。

束線組件110在離子源102的下游提供以接收束線104。束線組件110包括一個質量分析器112、一個包括例如一或多個間隙的加速結構114。束線組件110沿著路徑放置以接收束線104。質量分析器112包括一個場產生構件例如一塊磁體(不顯示)，並且作用以提供穿過束線路徑的場，因而根據質量(也就是荷質比)將離子偏移開離子束104到不同的軌跡。通過磁場的離子受到一個力量，其沿著束線路徑導引具有期望質量的個別離子並且將非期望質量的離子偏移離開束線路徑。

操作在加速結構114內的複數個加速間隙或是一個間隙，將束線內的離子加速以及/或是減速以取得工件的要求植入深度。因此，應理解雖然在此使用加速器以及/或是加速間隙術語描述本發明的一或多個觀點，但是這種術語不該狹窄地解釋而限制了加速器的文意，而是應從寬解釋以包括減速及方向的改變。將更進一步理解，加速/減速機構可以在以質量分析器112進行磁場分析之前及之後使用。另外，在一些觀點中加速結構114也可以是離子源的一部分，並且省略為束線組件的一部分。

在系統100中也提供的終端站118給自束線組件110而來的離子束104。終端站118沿著束線路徑支撐一或多個工件例如半導體晶圓(不顯示)，以使用質量分析離子束104進行植入。終端站118包括一個目標掃描系統120，彼此相對傳送或是掃描一或多個目標工件及離子束104。目標掃描系統120可以提供批次或序列植入，例如如要求的在給定情況下操作參數以及/或是物體。

圖2係一區塊圖，說明根據本發明觀點的氟清潔系統。系統200用於從離子源202的一個相對低流量除去內表面包括孔徑的沉積。為了說明的目的，系統200係以氟來說明，但是也可以使用其他合適材料。

系統200在離子源202上操作並且包括一個節流閥裝置204、一個氟源206及一個控制器208。離子源202可以包括一個電離室以將來自氣體饋料或是由固體或液體饋料產生之蒸氣等中性氣體電離，產生帶電粒子集合，也就是離子及電子，其在下文稱為電漿。透過在來源電漿及電極或是一系列電極(不顯示)之間產生的電場，從離子源電漿中抽提出離子以形成離子束。束線移動穿過在每一個電極中形成的特定孔徑。典型的束線抽出系統係三或四電極的系統，雖然其他改變包括非常長的系統是可能的，其中最終束線在晶圓附近完成減速。標準的三極電極系統通常包括一個俗稱電漿電極或是弧狹縫電極或是電離腔電極的第一電極，其可以在與離子源相同的很大正電壓下偏壓。該電位決定束線能量。俗稱抑制電極的第二電極具有適當的負電壓以阻止電子回流到源腔體。俗稱接地電極的第三及最終電極係在接地電位。抽取電場由電離室電極及抑制電極之間的電位差、形狀細節以及其間的距離決定。對於一些植入製程，為了產生不同的摻雜特性，必需產生具有非常不同能量及不同物種的束線，例如5kV的硼以作為源極－汲極延伸以及80kV的砷作為穿孔止點。調變並調整透過電極產生的電場強度以匹配要求的抽取束線電流而保持良好的束線光學。這個處理俗稱為電子管電導係數匹配。一個取得良好電子管電導係數匹配的普遍方法係相對於離子源移動抑制電極及接地電極，更特別地相對電離室電極移動。電離室電極之間以及抑制電極之間的距離俗稱抽出間隙，電離室電極界定電離腔體孔徑，抑制電極界定抑制孔徑。

當離子源202以分子填充氣體或是蒸氣操作時，除了植入期望物種以外也生產了其他額外物種。這些物種可以有非常低的蒸氣壓產生例如在來源內表面的凝結。這些長時間的固體沉積可能干擾離子源的操作，例如改變壁的電特性或是阻檔離子源電極孔徑的一部分，因此降低可用的離子電流。例如當膦(PH₃ )流過離子源202時，在離子源202內表面上可以形成磷(P)沉積。

氟源206維持並且提供氟給離子源202，其與離子源202表面上形成的沈積反應然後將該沈積移除。氟源206提供氟作為原子氟(活化氟)，以清潔離子源202的表面。純氟是有毒的並且難以處理。因此，通常使用氟化合物例如NF₃ 作為原子氟的來源。原子氟由NF₃ 在電漿裡解離產生。解離的結果是NF₃ 解離成氮及氟原子，然後可以與沉積材料起反應。電漿可以遠離清潔表面然後將解離的氣體傳輸到表面。替代地，原子氟可以在離子源202內形成或是產生以將表面清潔。

節流閥裝置204避免或是減輕未反應的原子氟逸出離子源202。節流閥裝置204可以包括例如至少部分覆蓋源孔徑的阻檔構件(不顯示)。因此，至少部分阻止未反應的原子氟透過孔徑逸出離子源202。作為另一個範例，節流閥裝置204可以包括一個可移動抑制電極(不顯示)，其在清潔期間至少部分蓋住離子源孔徑，但是在正常操作期間移開而讓出並且產生離子束的路徑。

控制器208控制離子源206及節流閥裝置204的操作。在這個觀點，控制器208控制提供到離子源202的清潔材料流量以及/或是組成以及清潔操作的啟動及其時間。控制器208也控制節流閥裝置204的接合。通常，節流閥裝置204在清潔操作或是清潔循環期間接合並且在正常操作期間不接合。另外，控制器208也可以透過離子源的孔徑控制排氣率。例如，控制器208可以使節流閥裝置204完全蓋住孔徑或是蓋住孔徑的選定百分比，以提供選定的排氣率。另外，控制器208可以在一些但不是所有觀點中偵測以及/或是測量在離子源202表面的沈積物累積。基於測量以及/或是偵測的沈積物，控制器208可以選擇地起動或是制止清潔循環或是操作的進行。

圖3說明根據本發明一個觀點的離子源沉積清潔系統300。系統300使用可移動節流閥構件308以減輕或是避免未反應的清潔成份在清潔操作或是循環時逸出離子源302。

離子源302可操作產生離子束，其包括一或是更多種選定的摻雜劑。離子源302可以包括例如一個電漿源以及電源。電漿源可以例如包括一個相當長的電漿限制腔體以從其中抽出離子束。利用在上面描述的電極，通過孔徑306抽出或是形成離子束。在離子束的操作或是產生期間，摻雜劑以及/或是摻雜劑材料可在離子源302內的表面上(包括孔徑306)沉積以及/或是形成。

一個入口或是閥門304提供清潔材料(例如NF₃ )或是原子氟到離子源302。清潔材料與形成的沉積反應產生一種氣體，然後從離子源302排出。

節流閥構件308作用為一個節流閥裝置以限制或是減輕未反應清潔材料透過離子源302孔徑306逸出。節流閥構件308描述為具有彎曲的上部分，以方便未反應清潔材料返回離子源302以及較低的部分或是手臂。注意到本發明的替代觀點包括不同形狀的節流閥構件，其部分地阻檔孔徑306並且減輕未反應清潔材料從離子源302逸出。

另外，在這個範例中，節流閥構件308具有接合狀態310以及解開狀態312。在也稱為清潔狀態的接合狀態310中，構件308定位成使得至少部分蓋住孔徑306並且減輕未反應清潔材料從離子源302逸出。注意到在接合狀態310時通常避免離子束產生。構件308以一段稱為節流閥間隙的距離或是間隙的位置離開孔徑306而定位。增加這段距離允許更多從離子源302的排氣，減少這段距離允許更少從離子源302的排氣。

在解開狀態時，構件308定位成離開離子源孔徑306的位置以允許正常離子束繼續產生。構件308描述為相對於較低部分或是手臂旋轉或是轉動，以將構件308移動離開孔徑306。但是應理解，可以用其他技術正確地移動構件308然後允許正常離子束的產生，例如使構件308滑動到高於或低於所顯示的接合狀態310。注意到，構件308在解開狀態312時仍然提供清潔材料，但是通常會需要更大清潔材料流量。

圖4A係根據本發明一個觀點的節流閥裝置400俯視圖。節流閥裝置400使用一個抑制電極402以限制或是減輕未反應清潔材料透過孔徑從離子源逸出。節流閥裝置400可以順著一個側軸移動或是滑動，以可控制方式抑制離子源孔徑。

節流閥裝置400包括一個抑制電極402以及操縱手臂404。抑制電極402與電漿電極以及接地電極(不顯示)配合操作，電漿電極係放置在離子源(不顯示)內，接地電極定位於下游以在束線產生期間抽出並且形成具有需求形狀、電流等等的離子束。操縱手臂404握住並且支撐電極402。抑制孔徑406在電極402上設定，透過電極402離子束形成並且通過。在束線產生期間，電極402順著側軸放置使得其孔徑在離子源孔徑上或是附近。

另外，抑制電極402也包括節流閥部分408，其在電極上/內界定或是形成，以減輕或是限制未反應清潔材料在清潔操作或是循環期間逸出離子源。節流閥部分408可以例如是電極402的實體部分。替代地，節流閥部分408可以形成為具有特定形態以及/或是以其他材料形成的電極402。

注意到在圖4內描述的裝置400僅僅是合適於根據本發明觀點的一個電極範例。應理解，接地電極可以以相似模式使用，以限制未反應清潔材料的逸出。

圖4B係根據本發明一個觀點的圖4A節流閥裝置400側視圖。這個視圖說明離子源410與節流閥裝置400一起在接合狀態416或是在解開狀態418。節流閥裝置400使用抑制電極402以限制或是減輕未反應清潔材料透過孔徑從離子源逸出。

離子源410包括源孔徑412，藉由源孔徑412，摻雜劑或是離子形成一個離子束。在這個範例中，利用抑制電極402以及接地電極414抽出以及/或是形成離子束，兩者均由手臂404支撐在一起。

抑制孔徑406設定在電極402上，用以形成並且通過離子束。在束線產生期間，電極402順著側軸放置，因此孔徑406在離子源孔徑上或是附近，如在解開狀態418所顯示。藉由至少部分地阻檔源孔徑412，抑制電極402的節流閥部分408避免或是減輕清潔材料透過源孔徑412逸出離子源410。在清潔或是循環操作期間，如接合狀態416所顯示的節流閥部分係位於源孔徑412的附近。節流閥部分408在這個範例中描述為相對於抑制電極402為平的。

抑制孔徑406定位於離開離子源孔徑412的一段間隙距離420。在正常離子束線產生期間，電極402係在節流閥的解開狀態418並且選擇間隙距離420為所要求束線之生產特性的函數，例如束線電流、尺寸、形狀等等。在清潔循環期間，電極402係處在接合狀態416並且間隙距離420至少部分根據期望的排氣率或是清潔材料包含率來選擇。

圖4C係根據本發明一個觀點之節流閥裝置400另一側視圖。此側視圖與圖4B顯示的類似，但是節流閥部分408具有不同形態。其它構件與圖4B的相同，可以進一步描述引用。在這範例中節流閥部分408具有進一步方便阻檔清潔材料的曲率或是形態。該形態傾向於使逸出的清潔材料重新導引回到離子源孔徑412。

應理解，節流閥部分408的其他形態及變化是被考慮並且是根據本發明觀點的。

圖4D係根據本發明一個觀點的圖4A的節流閥裝置400立體圖。該視圖描述抑制電極402位於節流閥的解開狀態418以允許離子束產生。

該視圖包括離子源410以及源孔徑412。抑制電極402位於離子源的下游並且接地電極414位於抑制電極402的下游。在離子束產生期間，摻雜劑或是離子穿過源孔徑412從離子源410傳出，穿過抑制電極402的孔徑406並且穿過接地電極414的孔徑。

抑制電極402可以順著側軸移動使得抑制電極的節流閥區域408位於離子源孔徑412的附近而不是孔徑406在離子源孔徑412附近，以進行清潔操作及循環。

圖5係根據本發明一個觀點說明在離子源內表面的清潔沉積的方法500之流程圖。方法500在清潔過程中使用節流閥裝置以方便清潔並且允許一個較低的清潔材料(例如原子氟)流量。上述圖式及描述也可以引用本方法500以更進一步描述。

方法500在區塊502開始，其中提供一個離子源，具有內表面，內表面包含一個源孔徑。一些摻雜劑物種可能長期凝結或是在離子源的表面形成並且干擾離子源的操作，例如壁之電特性的改變或是離子源電極孔徑的部分阻塞而降低可用的離子電流。例如，當膦(PH₃ )流過離子源時可以形成磷(P)。

在區塊504，節流閥裝置接合，如此藉由至少部份覆蓋離子源孔徑而限制或是避免清潔材料從離子源逸出。節流閥裝置可以由例如一個節流閥滑到離子源孔徑上方而接合，或是移動一個具有節流閥區域的抑制電極，使得節流閥區域放置在離子源孔徑的附近。節流閥裝置可以根據選定的排氣率或是清潔材料的含有率來放置。

在區塊506，以一選定的流量引入離子源裡的清潔材料。清潔材料包括例如原子或是化合物，其與離子源表面的沈積物起反應以及/或是除去沈積物。作為一個範例，促成原子氟與硼沈積起反應產生一種可排出的氣體。這個反應產生的氣體通過離子源孔徑排出。

選擇的流量可以根據沉積量以及期望獲得的清潔而變化。注意到，節流閥裝置降低清潔操作所要求的流量。也注意到，流量可以在清潔循環期間變化。

在已經透過清潔材料除去至少一部分沉積之後，在區塊508，節流閥裝置不接合。可以由特定的持續時間或是一些沉積檢查裝置確認已除去沉積。另外，在至少一部分沉積已經透過清潔材料除去之後，在區塊510，中止清潔材料到離子源的流動。注意到，區塊510以及508可以不同次數進行。

然而，為了解釋的簡單性，方法500描寫及說明為順序進行，應理解及了解本發明不限於所說明的順序，一些根據本發明的觀點可以在不同順序進行以及/或是與在此描述及敘述的其他觀點同時進行。而且，並不要求根據本發明觀點的所有說明特徵或是區塊以實現本方法。

雖然本發明已經針對一或多個實施例來說明及描述，熟習該項技術的其它人在閱讀並且理解本說明以及圖式之後想到有均等的改變以及修改。在特別針對各種由上述構件(組件、元件、電路、系統等等)進行的功能時，除非特別顯示，用來描述這種構件(包括稱為"機構")的術語係對應於任何可以進行所指定功能的構件(也就是功能上均等)，即使不是結構上均等於所揭露的結構(可以執行在此說明之本發明範例實施例的功能)。另外，雖然本發明的特定特徵只針對幾個實施例揭露，此種特徵可以與其它實施例的一或多個其他特徵相結合，而這是任何給定或是特定的應用所期望並且具有優點的。而且，術語”包含”、”有”、“具有”、“配有”或是用在詳細描述及申請專利範圍中的變形，這些術語類似於“包括”的術語。另外，術語“範例”係指出一個範例而不是最好或最優的觀點或實施例。

100．．．系統

102．．．離子源

104．．．離子束

106．．．電漿源

108．．．電源

110．．．束線組件

112．．．質量分析器

114．．．加速結構

118．．．終端站

120．．．目標掃描系統

122．．．氟清潔系統

200．．．系統

202．．．離子源

204．．．節流閥裝置

206．．．氟源

208．．．控制器

300．．．系統

302．．．離子源

304．．．閥門

306．．．孔徑

308．．．節流閥構件

310．．．接合狀態

312．．．解開狀態

400．．．節流閥裝置

402．．．抑制電極

404．．．操縱手臂

406．．．抑制孔徑

408．．．節流閥部分

410．．．離子源

412．．．源孔徑

416．．．接合狀態

414．．．接地電極

418．．．解開狀態

420．．．間隙距離

圖1係以區塊圖形式說明適合實施本發明之一個或多個觀點的離子植入系統。

圖2係根據本發明一個觀點的氟清潔系統之區塊圖。

圖3係說明根據本發明一個觀點的離子源沉積清潔系統。

圖4A係根據本發明一個觀點的節流閥裝置之俯視圖。

圖4B係根據本發明一個觀點的節流閥裝置之側視圖。

圖4C係根據本發明一個觀點之節流閥裝置的另一側視圖。

圖4D係根據本發明一個觀點的節流閥裝置之立體圖。

圖5係一流程圖，說明根據本發明一個觀點之在離子源內自表面來清潔沉積之方法。

100．．．系統

102．．．離子源

104．．．離子束

106．．．電漿源

108．．．電源

110．．．束線組件

112．．．質量分析器

114．．．加速結構

118．．．終端站

120．．．目標掃描系統

122．．．氟清潔系統

Claims (4)

1. 一個離子植入系統，包括：一個離子源，包括內表面以及源孔徑；一個沉積清潔系統，其使用節流閥裝置以從該離子源表面以及源孔徑去除沉積；一個束線組件，其接收來自該離子源的離子束並且處理該離子束；以及一個目標位置，其從該束線組件接收該離子束。
2. 根據申請專利範圍第1項的系統，其中該沉積清潔系統包括：一個氟源，其提供氟到該離子源；一個節流閥裝置，其減輕通過該源孔徑的氟損失；以及一個控制器，其控制從該氟源到該離子源的供應以及流量並且其控制該節流閥裝置的位置。
3. 根據申請專利範圍第2項的系統，其中該節流閥裝置包括一個節流閥構件，其包括彎曲的上部分及下部分，其中該彎曲的上部分至少部分覆蓋該源孔徑。
4. 根據申請專利範圍第2項的系統，其中該節流閥裝置包括一個可移動的電極，其包括一個節流閥區域，其中該可移動的電極之設置係使得該節流閥區域至少部分蓋住該源孔徑。