CN111105971B - 一种离子注入装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种离子注入装置，属于半导体处理技术和设备领域，解决了现有技术中束线离子注入技术保型性差以及等离子掺杂技术易引入杂质、掺杂源受限的问题。本申请的离子注入装置，沿离子的运动方向，包括依次设置的起弧室和离子注入单元，离子注入单元包括底电极和横向电极；底电极位于衬底远离离子束线的一面，横向电极位于衬底的侧面，底电极与横向电极之间周期性地施加射频。本申请离子注入装置可用于衬底的保型掺杂。

Description

一种离子注入装置
技术领域
本申请涉及半导体处理技术和设备领域，具体涉及一种离子注入装置。
背景技术
等离子掺杂技术和束线(Beamline)离子注入技术是目前常用的两种离子掺杂技术。
其中，对于束线离子注入技术是应用较早的一种离子掺杂技术，其具有使用掺杂源范围广、掺杂气体种类多等特点，但是，由于其自身结构特点，其对于三维立体结构器件掺杂保型性较差，难以实现各注入面的均匀掺杂。
等离子掺杂技术是继束线离子注入技术之后出现的一种新型离子掺杂技术，具有效率高、能量低、保型性好等特点。但是，由于等离子体掺杂技术在设计时舍弃了传统离子注入机的离子分选器，使得掺杂气体直接进入靶室电离后进行掺杂，这样不可避免的会将气体源中的H、F等杂质同时注入到了衬底中，对器件的可靠性存在一定潜在风险。此外，由于等离子掺杂技术要求的掺杂源必须为气态，仅限AsH3、PH3和BF3等常规气体掺杂材料，而无法使用In、Ga和Sb等传统的固态源材料，从而也限制了其在功函数调节等方面的应用。
发明内容
鉴于上述的分析，本申请旨在提供一种离子注入装置，同时解决了现有的束线离子注入技术保型性差以及等离子掺杂技术易引入杂质、掺杂源受限的问题。
本申请的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本申请提供了一种离子注入装置，沿离子的运动方向，包括依次设置的起弧室和离子注入单元，离子注入单元包括底电极和横向电极；底电极位于衬底远离离子束线的一面，横向电极位于衬底的侧面，底电极与横向电极之间周期性地施加射频。
在一种可能的设计中，底电极与横向电极之间设有接地保护电极。
在一种可能的设计中，横向电极靠近离子束线一端的内壁设有朝向衬底的斜面。
在一种可能的设计中，横向电极内壁的形状与衬底侧面的形状相匹配。
在一种可能的设计中，射频的频率控制在1.00MHz～13.56MHz，功率控制在2500W～3500W。
在一种可能的设计中，离子注入单元的离子注入电流为小于或等于 20mA。
在一种可能的设计中，还包括设于起弧室与离子注入单元之间的引出加速电极。
在一种可能的设计中，还包括设于引出加速电极与离子注入单元之间的减速电极，减速电极的电压与引出加速电极的电压大小相等且方向相反，使得离子进入离子注入单元时的能量为零。
在一种可能的设计中，底电极施加脉冲偏置电源。
在一种可能的设计中，脉冲偏置电源正负脉冲占空比为(1～10)∶ 1，脉冲功率为2500～3500W。
在一种可能的设计中，起弧室与减速电极之间设有扫描电场，扫描电场的形状与衬底的形状相匹配。
在一种可能的设计中，从扫描电场出来的离子束线横截面的特征尺寸大于或等于衬底横截面的特征尺寸。
在一种可能的设计中，还包括设于起弧室与离子注入单元之间的离子分选单元。
在一种可能的设计中，离子分选单元包括第一离子分选器、第二离子分选器以及设于第一离子分选器与第二离子分选器之间的聚焦透镜。
在一种可能的设计中，底电极采用He冷却，He压力不高于10mtorr。
与现有技术相比，本申请至少可实现如下有益效果之一：
a)本申请提供的离子注入装置中，衬底的侧面设有横向电极，通过在底电极与横向电极之间周期性地施加射频，并调整射频频率，在多电极(底电极和横向电极)的作用下形成包围性电场，能够使离子分别周期性地通过衬底的上表面或侧面注入衬底，完成衬底上表面和侧面的离子注入，实现保型掺杂。
b)本申请提供的离子注入装置中，由于上述离子注入装置是基于束线离子注入装置的改进，因此，其掺杂源既可以为气态源，也可以为固态源，对掺杂源的要求不苛刻，应用范围广。
c)本申请提供的离子注入装置中，通过接地保护电极能够在底电极和横向电极之间形成隔离，使得底电极和横向电极无法导通，从而能够避免横向电极与底电极之间产生短路，保证在离子注入过程中离子注入装置的工作稳定性和安全性。
d)本申请提供的离子注入装置中，横向电极靠近离子束线一端的内壁设有朝向衬底的斜面，通过上述斜面的设置，能够在底电极和横向电极之间更好地形成包围性电场，从而使得离子能够在衬底的侧面均匀注入，进一步提高上述离子注入装置的掺杂保型性。
e)本申请提供的离子注入装置中，引出加速电极与离子注入单元之间设有减速电极，减速电极的电压与引出加速电极的电压大小相等且方向相反，离子能够在不受外力的作用条件下进入离子注入单元，在进行离子注入时，仅考虑控制离子注入单元的各个参数，便能够实现离子在衬底的上表面和侧面均匀注入，完成保型掺杂，而无需额外考虑离子进入离子注入单元时所受的外力作用。
f)本申请提供的离子注入装置中，当射频频率为0时，脉冲偏置电源能够为进入离子注入单元的离子提供能量，使其能够进行沿垂直衬底上表面方向的注入。
g)本申请提供的离子注入装置中，从起弧室出来的离子经过离子分选单元的分选，目标离子进入离子注入单元注入衬底，非目标离子(例如，H、F等杂质)被排除，不进入离子注入单元，从而避免H、F等杂质注入衬底的情况，提高了器件的可靠性。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本申请的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本申请实施例一提供的离子注入装置的结构示意图；
图2为本申请实施例一提供的离子注入装置中离子注入单元的结构示意图；
图3为本申请实施例一提供的离子注入装置中的横向电极与底电极的结构示意图；
图4为本申请实施例一提供的离子注入装置中射频信号示意图；
图5为本申请实施例一提供的离子注入装置中脉冲偏置电源的电压信号示意图；
图6为本申请实施例一提供的离子注入装置中衬底侧向离子注入的示意图。
附图标记：
1-起弧室；2-引出加速电极；3-第一离子分选器；4-第二离子分选器； 5-聚焦透镜；6-扫描电场；7-衬底；8-减速电极；9-横向电极；10-接地保护电极；11-底电极；r-斜面法线与衬底法线的夹角。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理。
实施例一
本实施例提供了一种离子注入装置，参见图1至图6，沿离子的运动方向，包括依次设置的起弧室1和离子注入单元，离子注入单元包括底电极11和横向电极9，底电极11和横向电极9构成容纳衬底7的靶室，底电极11和横向电极9包围衬底7，底电极11位于衬底7远离离子束线的一面，底电极11与衬底7同电位，横向电极9位于衬底7的侧面，底电极11与横向电极9之间周期性地施加射频。
实施时，起弧室1中产生的热电子在电场的作用下轰击气体分子，使之电离产生离子；离子进入离子注入单元，当底电极11与横向电极9 之间的射频频率为0(即不施加射频)时，离子通过衬底7的上表面注入衬底7；当射频频率不为0时，底电极11和横向电极9形成电场，离子通过衬底7的侧面注入衬底7。
与现有技术相比，本实施例提供的离子注入装置中，衬底7的侧面设有横向电极9，通过在底电极11与横向电极9之间周期性地施加射频，并调整射频频率，在多电极(底电极11和横向电极9)的作用下形成包围性电场，能够使离子分别周期性地通过衬底7的上表面或侧面注入衬底7，完成衬底7上表面和侧面的离子注入，实现保型掺杂。
同时，由于上述离子注入装置是基于束线离子注入装置的改进，因此，其掺杂源既可以为气态源，也可以为固态源，对掺杂源的要求不苛刻，应用范围广。
需要说明的是，若掺杂源为固态源，则需对固态源进行加热蒸发，使其变为气相后再引入到起弧室1的电场中。
为了避免横向电极9与底电极11之间产生短路，底电极11与横向电极9之间设有接地保护电极10。通过接地保护电极10能够在底电极 11和横向电极9之间形成隔离，使得底电极11和横向电极9无法导通，从而能够避免横向电极9与底电极11之间产生短路，保证在离子注入过程中离子注入装置的工作稳定性和安全性。
值得注意的是，横向电极9与底电极11之间形成的包围性电场是实现衬底7侧面离子注入的关键因素，为了提高衬底7侧面离子注入的均匀性，横向电极9靠近离子束线一端的内壁设有朝向衬底7的斜面，斜面法线与衬底法线的夹角r小于90°，示例性地，夹角r小于45°，参见图3。通过上述斜面的设置，能够在底电极11和横向电极9之间更好地形成包围性电场，从而使得离子能够在衬底7的侧面均匀注入，进一步提高上述离子注入装置的掺杂保型性。
为了进一步调节离子侧向注入的能量，上述射频的频率控制在 1.00MHz～13.56MHz，功率控制在2500W～3500W(例如，3000W)。通过控制射频频率、射频功率能够进一步调节离子侧向注入的能量，实现衬底7侧面离子注入可控。
对于离子注入效率的控制，可以通过调节离子注入电流的大小来实现，具体来说，上述离子注入单元的离子注入电流控制在小于或等于 20mA，例如，5mA～18mA。
为了能够使从起弧室1中出来的离子获得更大的能量，上述离子注入装置还包括设于起弧室1与离子注入单元之间的引出加速电极2。通过引出加速电极2的高压能够提高从起弧室1中出来的离子能量，使离子获得所需要的速度，减少离子在运动过程中的损失，从而提高离子注入效率。
值得注意的是，离子进入离子注入单元时所受的外力会影响掺杂保型性，因此，上述离子注入装置还包括设于引出加速电极2与离子注入单元之间的减速电极8，减速电极8的电压与引出加速电极2的电压大小相等且方向相反，使得离子进入离子注入单元时的能量为零。这样，离子能够在不受外力的作用条件下进入离子注入单元，在进行离子注入时，仅考虑控制离子注入单元的各个参数，便能够实现离子在衬底7的上表面和侧面均匀注入，完成保型掺杂，而无需额外考虑离子进入离子注入单元时所受的外力作用。
需要说明的是，由于减速电极8的设置，离子进入离子注入单元时的能量为零，这样不利于衬底7上表面的离子注入，因此，上述底电极 11需要施加脉冲偏置电源。这是因为，当射频频率为0时，脉冲偏置电源能够为进入离子注入单元的离子提供能量，使其能够进行沿垂直衬底7 上表面方向的注入。为了进一步控制离子从衬底7上表面注入衬底7的能量，上述脉冲偏置电源正负脉冲占空比为(1～10)∶1，脉冲功率为 2500～3500W(例如，3000W)，通过负电压控制离子纵向注入能量。
考虑到从起弧室1出来的离子束线的横截面形状与衬底7的形状匹配性较差，因此，上述起弧室1与减速电极8之间还设有扫描电场6，扫描电场6的形状与衬底7的形状相匹配。
例如，衬底7的形状为圆形，那么，相应地，上述扫描电场6的形状需要设置为圆环形，从而使得从扫描电场6出来的离子束线的横截面展开为圆形。
为了使离子束线能够完全覆盖衬底7的上表面，从扫描电场6出来的离子束线横截面的特征尺寸需要大于或等于衬底7横截面的特征尺寸，示例性地，从扫描电场6出来的离子束线横截面的特征尺寸比衬底7的特征尺寸大6％～12％(例如，10％)。
需要说明的是，上述离子束线横截面的特征尺寸是指四倍的离子束线的横截面面积与离子束线的横截面周长的比值，举例来说，当离子束线的横截面的形状为圆形，其特征尺寸＝4πR/2πR＝2R，也就是说，圆形的特征尺寸为其直径D，其中，R为圆形的半径，D为圆形的直径；当离子束线的横截面的形状为长方形，其特征尺寸＝4AB/2(A+B)其中，A为长方形的宽，B为长方形的长。
同样地，上述衬底7的特征尺寸是指四倍的衬底7的横截面面积与衬底7的横截面周长的比值，举例来说，当衬底7的横截面的形状为圆形，其特征尺寸＝4πR/2πR＝2R，也就是说，圆形的特征尺寸为其直径D，其中，R为圆形的半径，D为圆形的直径；当衬底7的横截面的形状为长方形，其特征尺寸＝4AB/2(A+B)其中，A为长方形的宽，B为长方形的长。
为了能够提高衬底7侧面离子注入的均匀性，上述横向电极9内壁的形状与衬底7侧面的形状相匹配，两者之间的间隙保持不变。例如，衬底7的形状为圆形，那么，相应地，上述横向电极9的形状为圆环形，且衬底7与横向电极9同心设置。
为了能够避免H、F等杂质影响器件的可靠性，上述离子注入装置还包括设于起弧室1与离子注入单元之间的离子分选单元，从起弧室1出来的离子经过离子分选单元的分选后，目标离子能够进入离子注入单元注入衬底7，非目标离子(例如，H、F等杂质)则被排除，不进入离子注入单元，从而避免H、F等杂质注入衬底7的情况，提高了器件的可靠性。
对于离子分选单元的结构，具体来说，其包括第一离子分选器3、第二离子分选器4以及设于第一离子分选器3与第二离子分选器4之间的聚焦透镜5。其中，第一离子分选器3用于对起弧室1出来的离子进行一次分选；聚焦透镜5用于将从第一离子分选器3出来的离子聚集，减少由于离子分散导致部分离子未能进入第二离子分选器4以及离子注入单元的情况发生，提高离子注入效率；第二离子分选器4用于对聚集后的离子进行二次分选，进一步去除离子中的H、F等杂质。
考虑到在底电极11在离子注入过程中会产生发热现象，从而影响放置在底电极11上的衬底7的性能，因此，上述底电极11采用He冷却， He压力不高于10mtorr。这是因为，上述离子注入装置中衬底7需要放置在底电极11上，与底电极11直接接触，在离子注入过程中，底电极 11会产生发热现象，如果底电极11散发的热量过大，温度过高，会导致衬底7表面的一些热敏感材料(例如，光刻胶等)发生分解或变性，通过He冷却能够促进底电极11的散热，从而保证衬底7表面的一些热敏感材料稳定性，进而保证离子注入后的衬底7的性能。
需要说明的是，在实际应用中，可以根据实际需要对起弧室1、离子注入单元、引出加速电极2、减速电极8、扫描电场6和离子分选单元的设置排列顺序进行适当调整，示例性地，本实施例中，沿离子的运动方向，上述离子注入单元包括依次设置的起弧室1、引出加速电极2、离子分选单元、扫描电场6、减速电极8和离子注入单元。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子注入装置，其特征在于，沿离子的运动方向，包括依次设置的起弧室和离子注入单元，所述离子注入单元包括底电极和横向电极；
所述底电极位于衬底远离离子束线的一面，所述横向电极位于衬底的侧面，所述底电极与横向电极之间周期性地施加射频。
2.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于，所述底电极与横向电极之间设有接地保护电极。
3.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于，所述横向电极靠近离子束线一端的内壁设有朝向衬底的斜面。
4.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于，所述横向电极内壁的形状与衬底侧面的形状相匹配。
5.根据权利要求1至4任一项所述的离子注入装置，其特征在于，还包括设于起弧室与离子注入单元之间的引出加速电极。
6.根据权利要求5所述的离子注入装置，其特征在于，还包括设于引出加速电极与离子注入单元之间的减速电极，所述减速电极的电压与引出加速电极的电压大小相等且方向相反，使得离子进入离子注入单元时的能量为零。
7.根据权利要求6所述的离子注入装置，其特征在于，所述底电极施加脉冲偏置电源。
8.根据权利要求6所述的离子注入装置，其特征在于，所述起弧室与减速电极之间设有扫描电场，所述扫描电场的形状与衬底的形状相匹配。
9.根据权利要求1至4任一项所述的离子注入装置，其特征在于，还包括设于起弧室与离子注入单元之间的离子分选单元。
10.根据权利要求9所述的离子注入装置，其特征在于，所述离子分选单元包括第一离子分选器、第二离子分选器以及设于第一离子分选器与第二离子分选器之间的聚焦透镜。
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