TWI437608B - 離子源清潔方法及其裝置 - Google Patents
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Description
本發明之實施例是關於半導體元件製造領域。更確切地說，本發明是關於用於清潔離子植入裝備中使用的離子源腔室的裝置及其方法。
離子植入是一種用於將雜質離子植入至半導體基板中以獲得所要的元件特性的過程。將離子束自離子源腔室朝基板引導。植入至基板中的深度是基於離子植入能量以及在源腔室中產生的離子的質量。離子植入器(ion implanter)一般包含一產生特定物種(species)之離子的離子源腔室、一系列用以控制所述離子束的射線組件、以及一用以緊固接收所述離子束的晶圓的壓板(platen)。所述射線組件可包含：一系列用以自源腔室提取離子之電極；一質量分析器(mass analyzer)，其經組態而具有特定磁場，從而僅使具有所要質荷比(mass-to-charge ratio)之離子能夠穿過所述分析器；以及一校正磁鐵(corrector magnet)，其用以提供一帶狀射束，所述帶狀射束在晶圓表面上相對於離子束正交地掃描，從而將離子植入至晶圓基板中。離子在與基板中之電子以及核碰撞時失去能量，並基於加速能量(acceleration energy)而停留於基板內的所要深度處。
離子源腔室通常包含一經加熱燈絲，所述燈絲使引入至腔室中之饋入氣體離子化，從而形成帶電離子以及電子
(電漿)。加熱元件可例如為間接加熱陰極(indirectly heated cathode，IHC)。將不同的饋入氣體供應至離子源腔室以獲得具有特定摻雜特性之離子束。舉例而言，在相對高的腔室溫度下引入的H2
、BF3
及AsH3
分解為具有高植入能量之單原子。高植入能量通常與大於20keV的值相關聯。對於超淺離子植入，在較低的腔室溫度下將諸如十硼烷、碳硼烷等較重的帶電分子引入至源腔室中，較低的腔室溫度保持具有較低植入能量之離子化分子的分子結構。低植入能量通常具有20keV以下的值。特定離子腔室可經組態而藉由使用不同的饋入氣體以及提取組件來提供單原子或重分子物種。或者，特定離子腔室可經組態而供應高植入能量的單原子以及低能量植入分子兩者，以經由使用各種提取組件而植入至半導體基板中。然而，當將特定饋入氣體供應至源腔室以產生所要之離子物種時，亦可產生額外的不當物種，所述物種為離子或中性物種(neutrals)。此等不當物種通常具有非常低的蒸氣壓，且可能會凝結並附著於源腔室之內表面。舉例而言，當將磷化氫(PH3
)饋入至源腔室中時，磷(P)沈積物可形成於腔室壁上。當將諸如十硼烷以及碳硼烷之重分子饋入至源腔室中時，源腔室壁以及電極上的不當沈積物更多。此等固體沈積物可能會改變腔室壁之電特性(電壓不穩定性)且可能干擾提取離子之腔室孔，因而導致不穩定之源操作以及不均勻之射束提取。此外，當在一次循環中使用一種類型的饋入氣體污染了用於後續的使用不同饋入氣體之循環的源腔室時，
可能會發生摻雜劑交叉污染(dopant cross contamination)。產生單原子之源腔室可能在運轉了一週或一週以上後就須進行清潔。相反，產生較重的分子物種之源腔室可能僅經過幾小時的操作便需要清潔。因此，在雙重模式(單原子以及分子物種)下操作的源腔室可能需要更頻繁地清潔。
一種用於清潔離子源腔室之方法包含引入清潔氣體，諸如三氟化氮(NF3
)或六氟化硫(SF6
)，其經由電漿增強化學反應蝕刻掉不當之所沈積材料且以氣體形式離開源腔室。此等清潔氣體之引入在原位(in situ
)執行，且可在裝備停機時及/或在物種改變間與摻雜劑物種同時引入或作為單獨的清潔電漿而引入。為了提供穩定的源操作並避免交叉污染，可能需要多達4至5個清潔循環來移除特定的不當沈積物。因此，需要增強腔室清潔以提高效率以及減少不必要的裝備停機時間。可藉由改變腔室中之反應溫度以及饋入氣體的流率而調諧清潔過程。此外，在清潔循環期間增加腔室內部之壓力是另一種增強清潔過程之方法。較高壓力下之電漿反應一般會促進活性中性物種(例如F*)的產生，所述物種為有效之沈積蝕刻劑。然而，由於氣體例如經由源腔室孔而損失，所以難以將源腔室中之壓力增加至足夠高的位準。此外，在清潔期間無法藉由縮小孔來增加腔室壓力，因為提取電流與對分子束提取處理而言特別重要的孔面積成正比。
本發明之例示性實施例是針對用於清潔離子植入器中之離子源腔室的裝置及其方法。在一例示性實施例中，離子植入器包含一離子源腔室，所述腔室具有內表面以及孔，離子束是經由所述孔而被提取。離子源腔室經組態以接收清潔氣體，所述清潔氣體用於移除形成於腔室內表面上之沈積物。位於離子源腔室外部且接近所述孔之電極包含至少一槽(slot)，所述槽提供一提取路徑，以供離子束離開源腔室孔。一抑制插塞經安置於電極上但遠離所述槽。所述電極經組態而相對於離子源孔位移，其中在第一位置，抑制插塞允許離子束經由未受抑制的槽而被提取，以及在第二位置，其中抑制插塞至少部分地抑制自源腔室孔提取離子束，從而增加腔室內的壓力。以此方式，隨著清潔氣體的流率被引入至腔室中，離子源腔室內的壓力增加，因而提高經由電漿增強化學反應的清潔效率。
現在將在下文中參看附圖更全面地描述本發明，附圖中繪示本發明之較佳實施例。然而，本發明可以許多不同形式實施，且不應被理解為限於本文中闡述之實施例。相反，提供此等實施例是為了使本揭露內容透徹且完整，並將本發明之範圍全面地傳達給熟習此項技術者。在各圖中，相同數字始終指代相同元件。
圖1為大體說明用於產生供植入至基板中之離子的離子源腔室10之橫截面方塊圖。腔室10包含經加熱之燈絲(未圖示)，所述燈絲使引入至腔室中之饋入氣體離子化，
從而形成離子以及電子(電漿)。源腔室10包含孔11，可經由所述孔提取離子。經由標準三(3)電極組態自源腔室10提取離子，所述標準三電極組態包括弧形槽電極(arc slot electrode)15、抑制電極20以及接地電極25，以用於產生電場。雖然圖1至圖6中將抑制電極20繪示為與接地電極25隔開，但此僅是出於說明之目的，且所述電極經由絕緣體而彼此實體上接觸。弧形槽電極15可以與離子源腔室10施加相同的大電位偏壓。抑制電極20連接至一電源，且通常施加適中的負值偏壓，從而防止電極返回進入源腔室10。接地電極25定位於抑制電極20下游，且處於接地電位(ground potential)。可將所述電極產生之電場的強度調諧為所要之射束電流，以便自腔室10中所產生之離子中提取特定類型的離子束。
電極20及25可為雙重模式電極，從而使其可用於高能量植入應用以及低能量植入應用兩者。確切地說，抑制電極20包含多個槽21、22，在源腔室10中產生之離子穿過所述槽21、22。槽21可經組態而最佳化低能量(low energy，LE)離子提取，而槽22可經組態而最佳化高能量(high energy，HE)離子提取。類似地，接地電極25包含槽26及27，所述槽可經組態而分別用於低能量離子提取以及高能量離子提取。腔室孔11與槽21或22之間的距離稱為提取間隙(extraction gap)，所述提取間隙可依據待提取之所要離子物種而調整。電極20及25可在y-z平面內參照源腔室10而位移，以經由HE或LE槽而提取最大量
的離子束電流。電極20及25的此位移可使用致動器、控制器以及使用者介面系統(未圖示)而執行。
當提取高能量射束時，抑制電極20以及接地電極25在y方向上位移，以使抑制電極20之槽22以及接地電極25之槽27與腔室孔11對準。當提取低能量射束時，抑制電極20以及接地電極25在y方向上位移，以使抑制電極20之槽21以及接地電極25之槽26與腔室孔11對準。抑制電極20更包含抑制插塞23，所述抑制插塞23安置於槽21與22之間。抑制插塞23經組態而具有一對應於源腔室10的孔11之幾何形狀的形狀。抑制插塞23可與抑制電極20一體式形成，且可例如由鎢形成。抑制插塞23必須經組態而與槽21及22相隔足夠距離且在槽21與22之間具有足夠距離，使得當此等槽中之任一者與孔11對準時，抑制插塞23不會干擾自源腔室10提取之離子束。圖2中說明了此安置，圖2繪示經由抑制電極20之低能量槽21以及接地電極25之低能量槽26自腔室10提取離子束30。將抑制插塞23置放於低能量槽21與高能量槽22之間並不會干擾射束30，且不會提供槽21附近的等電位線之改變，且因此無損於相關聯的射束光學特性。或者，抑制電極20以及接地電極25可與源腔室10對準，用以分別適應經由高能量槽22及27之離子束提取。同樣，抑制插塞23安置於低能量槽21與高能量槽22之間，使得其不會干擾經由高能量槽22及27提取之離子束。雖然以上描述涉及使用具有雙重模式電極20及25之抑制插塞23，但抑制插塞23
亦可經組態以與單模式抑制電極配合使用。將具有單模式抑制電極之抑制插塞置放成不會干擾經由單模式槽而提取之離子束。
圖3為說明在源腔室清潔期間抑制插塞23與提取孔11之嚙合的橫截面方塊圖。確切地說，抑制電極20在y方向上位移，以便使抑制插塞23與源孔11對準。抑制電極20在z方向上進一步充分位移，以便使抑制插塞23與源腔室孔11對準，從而調整經由孔11之氣體傳導率(gas conductance)。一旦將抑制插塞23定位於源孔11上或非常接近源孔11，便將清潔氣體(例如，三氟化氮(NF3
)或六氟化硫(SF6
))饋入至離子源腔室10中。此操作在源腔室10內部產生電漿增強化學反應，從而將不當的沈積材料自腔室之內壁蝕刻掉。舉例而言，通常將三氟化氮(NF3
)用作清潔氣體，從而藉由將NF3
解離為氮原子以及氟原子而產生反應性原子氟。此等反應性介穩態(meta-stable)原子與腔室10之內壁上的不當沈積物反應。藉由將抑制插塞23定位成接近孔11，可在給定流率下顯著增加源腔室10內部的氣壓。已發現將腔室壓力增加到100毫托(mTorr)至1000mTorr(其顯著高於典型的壓力範圍)會產生更好的清潔效率。可取決於源腔室10內部之壓力要求來調整抑制插塞23之位置，藉此實現最佳的清潔。舉例而言，若清潔需要適中的壓力，則可設定孔11與抑制插塞23之間的合理間隙，從而允許源腔室10內部之壓力增加，以及允許蝕刻劑氣體洩漏。若清潔需要最大壓力，則可在
清潔過程期間週期性調整抑制插塞23之位置，例如自完全關閉孔11以抑制氣體洩漏調整成與孔11相隔特定距離，從而允許氣體形式之所蝕刻沈積材料自腔室10洩漏。可在清潔過程期間調整抑制插塞23往返於孔11的週期性移動，例如每分鐘1至100次。與離子束反應之清潔氣體經由孔11逸出，因此經由氣態廢流移除不當沈積物。藉由併入抑制插塞23作為抑制電極20的一部分，可避免對源腔室11進行高成本修改或定位於腔室與電極之間的用於在清潔期間增加腔室內壓力之額外機械元件。以此方式，藉由改變抑制電極20之組態，提供一種用以在清潔循環期間增加源腔室10內之壓力的構件。
圖4為本發明之另一實施例的橫截面方塊圖，其中抑制插塞53安置於抑制電極50之第一末端。抑制電極50包含用以適應低能量離子束提取之第一槽51以及用以適應高能量離子束提取之第二槽52。類似地，接地電極55定位於抑制電極50之下游，且同樣包含用於低能量離子束提取之低能量槽56以及用於高能量離子束提取之高能量槽57。抑制電極50以及接地電極55至少在y方向上位移，以便使各別槽與離子源10之孔11對準。確切地說，當使用源腔室10產生高能量射束電流時，抑制電極50以及接地電極55在y方向上位移，以便使抑制電極50之槽52以及接地電極55之槽57與腔室孔11對準。當提取低能量射束時，抑制電極50以及接地電極55在y方向上位移，以便使抑制電極50之槽51以及接地電極55之槽56與腔
室孔11對準。
類似於參看圖1至圖3所揭露之抑制插塞23，抑制插塞53經組態而具有對應於源腔室10的孔11的幾何形狀的形狀。抑制插塞53安置於抑制電極50的遠端，與低能量槽51相隔某一距離，且與高能量槽52相距甚至更大的距離。藉由將抑制插塞53安置於抑制電極50之一個末端，當高能量槽或低能量槽與孔11對準時，抑制插塞53不會干擾自源腔室10提取的離子束。此說明於圖5中，圖5繪示經由抑制電極50之低能量槽51以及接地電極55之低能量槽56自腔室10提取離子束60。抑制插塞53經置放成遠離抑制電極50之低能量槽51不會干擾或抑制射束60，且無損於相關聯的射束光學特性。或者，抑制電極50以及接地電極55可與源腔室10對準，用以分別適應經由高能量槽52及56之離子束提取。同樣，抑制插塞53經安置成遠離抑制電極50之低能量槽51，使其不會干擾經由接地電極55之高能量槽52及槽57提取的離子束。雖然圖4至圖5中未予說明，但抑制插塞53亦可安置於抑制電極50接近高能量槽52之第二末端上。同樣，抑制電極53定位於抑制電極50之另一末端，與高能量槽52相距足夠的距離，使得抑制插塞53不會干擾經由抑制電極50之高能量槽52以及接地電極55之高能量槽57提取的離子束。
圖6為說明在源腔室清潔期間抑制插塞53與提取孔11的嚙合之橫截面圖。確切地說，抑制電極50在y方向上位移，以便使抑制插塞53與源孔11對準。抑制電極50
在z方向上進一步位移，以便使抑制插塞53與源腔室孔11對準，用以調整經由孔11之氣體傳導率。一旦將抑制插塞53定位於源孔11上，便將清潔氣體(例如，三氟化氮(NF3
)或六氟化硫(SF6
))饋入至離子源腔室10中。隨後，如上所述，在源腔室10內部發生電漿增強化學反應，從而將不當沈積的材料自腔室之內壁蝕刻掉。藉由將抑制插塞53定位成接近孔11，可在給定流率下顯著增加源腔室10內部之氣壓。已發現將腔室壓力增加到100mTorr至1000mTorr(其顯著高於典型的壓力範圍)會產生更好的清潔效率。可取決於源腔室10內部之壓力要求來調整抑制插塞53的位置，以便抑制或允許自腔室10提取清潔氣體，從而實現最佳清潔。舉例而言，若清潔需要適中的壓力，則可設定孔11與抑制插塞53之間的合理間隙，從而允許源腔室10內部之壓力增加以及允許蝕刻劑氣體洩漏。若清潔需要最大的壓力，則可在清潔過程期間週期性調整抑制插塞53與孔11的接近性，例如自完全關閉孔11以抑制氣體洩漏調整成與孔11相隔特定距離，從而允許氣體形式之所蝕刻沈積材料自腔室10洩漏。應瞭解，抑制插塞53相對於孔11之位置可調整。可在清潔過程期間調整抑制插塞53往返於孔11之週期性移動，例如每分鐘1至100次。與離子束反應之清潔氣體經由孔11逸出，因此經由氣態廢流移除不當沈積物。以此方式，抑制插塞可與抑制電極一體式形成，從而提供用於減少在清潔循環期間自離子源腔室逸出的清潔氣體/電漿量的構件。此增加了
離子源腔室內之壓力，因而增加離子源腔室之內壁上的不當沈積物的清潔效率。
雖然已參照特定實施例揭露本發明，但在不脫離本發明之鄰域以及範圍的情況下，可對所描述之實施例進行眾多修改、更改以及改變，如隨附申請專利範圍所界定。因此，預期本發明不限於所描述的實施例，而是具有由以下申請專利範圍及其等效物的語言界定之完整範圍。
10‧‧‧離子源腔室
11‧‧‧孔
15‧‧‧弧形槽電極
20、50‧‧‧抑制電極
21、22、26、27、51、52、56、57‧‧‧槽
23、53‧‧‧抑制插塞
25、55‧‧‧接地電極
30、60‧‧‧離子束
圖1為根據本發明之一實施例的離子源以及具有抑制插塞安置在其上之提取電極的橫截面方塊圖。
圖2為說明根據本發明之一實施例的自離子源提取之離子束的橫截面方塊圖。
圖3為說明根據本發明之一實施例的抑制插塞與離子源的提取孔嚙合之橫截面方塊圖。
圖4為說明根據本發明之一實施例的安置於抑制電極的第一末端的抑制插塞之橫截面方塊圖。
圖5為說明根據本發明之一實施例的自離子源提取的離子束之橫截面方塊圖。
圖6為說明根據本發明之一實施例的抑制插塞與離子源的提取孔嚙合之橫截面方塊圖。
10‧‧‧離子源腔室
11‧‧‧孔
15‧‧‧弧形槽電極
20‧‧‧抑制電極
21、22、26、27‧‧‧槽
23‧‧‧抑制插塞
25‧‧‧接地電極
Claims (20)
- 一種離子植入器，包括：離子源腔室，其具有內表面以及經由其而提取離子束之孔，所述離子源腔室經組態而接收清潔氣體，以便自所述內表面移除沈積物；電極，其定位於所述離子源腔室外部且接近所述孔，所述電極具有至少一槽，所述槽提供提取路徑以供所述離子束離開所述孔；以及抑制插塞，其安置於所述電極上但遠離所述槽，所述電極經組態而相對於所述孔位移，其中當所述電極處於第一位置時，所述抑制插塞允許所述離子束經由未受抑制的所述槽而被提取，且當所述電極處於第二位置時，所述抑制插塞至少部分地抑制所述離子束自所述孔之提取，從而增加所述離子源腔室內之壓力。
- 如申請專利範圍第1項所述之離子植入器，其中所述電極之位置在所述第一位置與所述第二位置之間週期性調整。
- 如申請專利範圍第1項所述之離子植入器，其中所述電極處於第三位置，從而使所述抑制插塞與所述孔嚙合。
- 如申請專利範圍第3項所述之離子植入器，其中所述電極之位置在所述第一位置、所述第二位置以及所述第三位置之間週期性調整。
- 如申請專利範圍第1項所述之離子植入器，其中所述電極為抑制電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之離子植入器，其中所述槽為經組態而用於提取高能量離子束之第一槽，所述電極更包括第二槽，所述第二槽經安置成與所述第一槽相距一距離且經組態而用於提取低能量離子束，所述抑制插塞經安置於所述第一槽與所述第二槽之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之離子植入器，其中所述槽為經組態而用於提取高能量離子束之第一槽，所述電極更包括第二槽，所述第二槽經安置成與所述第一槽相距一距離且經組態而用於提取低能量離子束，所述抑制插塞經安置於所述電極之第一末端，與所述第一槽相距距離x且與所述第二槽相距距離y，其中x>y。
- 如申請專利範圍第1項所述之離子植入器，其中所述電極為抑制電極，所述離子植入器更包括接地電極，所述接地電極定位於所述抑制電極下游且遠離所述離子源腔室。
- 如申請專利範圍第1項所述之離子植入器，其中所述槽為經組態而用於提取低能量離子束之第一槽，所述電極更包括第二槽，所述第二槽經安置成與所述第一槽相距一距離且經組態而用於提取高能量離子束，所述抑制插塞經安置於所述電極之第一末端，與所述第一槽相距距離x且與所述第二槽相距距離y，其中x<y。
- 一種清潔離子植入器裝置中之離子源腔室的方法，包括：將清潔氣體引入至所述離子源腔室中； 在所述離子源腔室內將所述清潔氣體離子化；以及使電極與所述離子源腔室之提取孔對準，使得與所述電極相連之抑制插塞經定位成非常接近所述孔，以便至少部分地抑制自所述離子源腔室提取所述清潔氣體，從而增加所述離子源腔室內的壓力。
- 如申請專利範圍第10項所述之清潔離子源腔室的方法，更包括調整所述抑制插塞相對於所述孔之接近性，以便進一步抑制或允許自所述離子源腔室提取所述清潔氣體。
- 如申請專利範圍第10項所述之清潔離子源腔室的方法，更包括將所述抑制插塞相對於所述孔之所述接近性自第一位置調整成第二位置，在所述第一位置中所述抑制插塞使所述孔關閉，且在所述第二位置中所述抑制插塞與所述孔相距一指定距離，從而使得清潔氣體經由所述孔自所述離子源腔室洩漏。
- 如申請專利範圍第10項所述之清潔離子源腔室的方法，更包括使離子化的所述清潔氣體與蝕刻的沈積物一起自所述離子源腔室排出。
- 如申請專利範圍第10項所述之清潔離子源腔室的方法，其中在將所述清潔氣體引入至所述離子源腔室中的同時，執行使電極與所述離子源腔室的提取孔對準的步驟。
- 如申請專利範圍第10項所述之清潔離子源腔室的方法，更包括在將所述清潔氣體引入至所述離子源腔室中的同時，控制所述離子源腔室的溫度。
- 如申請專利範圍第10項所述之清潔離子源腔室的方法，更包括控制所述清潔氣體進入所述離子源腔室中之流率。
- 一種離子植入器，包括：離子源腔室，其具有內表面以及經由其而提取離子束之孔，所述離子源腔室經組態而接收清潔氣體，以便自所述內表面移除沈積物；電極，其定位於所述離子源腔室外部且靠近所述孔，所述電極具有至少一槽，所述槽提供提取路徑以供所述離子束離開所述孔；以及抑制插塞，其與所述電極一體式形成但遠離所述槽，所述電極經組態而相對於所述孔位移，其中當所述電極處於第一位置時，所述抑制插塞允許所述離子束經由未受抑制的所述槽而被提取，且當所述電極處於第二位置時，所述抑制插塞至少部分地抑制所述離子束自所述孔之提取，從而增加所述離子源腔室內的壓力。
- 如申請專利範圍第17項所述之離子植入器，其中所述電極之位置在所述第一位置與所述第二位置之間週期性調整。
- 如申請專利範圍第17項所述之離子植入器，其中所述電極處於第三位置，從而使所述抑制插塞與所述孔嚙合。
- 如申請專利範圍第19項所述之離子植入器，其中所述電極之位置在所述第一位置、所述第二位置以及所述 第三位置之間週期性調整。
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