CN1199223C - 用来在过程中使离子源清洁的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用来使离子源(12)清洁的方法和***。该离子源包括等离子体腔室(22)，可电离的掺杂气体源(66)和用来把可电离掺杂气体引进等离子体腔室中的质量流量控制器(68)，清理气体源(182)和用来把清理气体引进等离子体腔室中的质量流量控制器(184)，至少部分地设置在腔室内的射频天线(130)，用来把能量赋予可电离的掺杂气体和清理气体，以在等离子体腔室内产生等离子体。等离子体包括掺杂气体的被分解和被电离的组分和清理气体的被分解和被电离的组分。

Description

用来在过程中使离子源清洁的***和方法
技术领域
一般说来，本发明涉及离子注入器的领域，更具体地说，涉及一种改进的用来在过程中使冷壁离子源清洁的***和方法。
背景技术
离子注入已经成为工业优选用来在大规模制造集成电路中用杂质搀入半导体的技术。离子的剂量和离子的能量是用来确定注入步骤的两个最重要的变量。离子剂量涉及对于一种给定的半导体材料所注入的离子的浓度。典型地说，对于大剂量的注入物采用高电流注入器(通常离子束电流大于10毫安(mA))，而对于较低剂量的注入采用中等电流注入器(通常离子束电流可以高到大约1mA)。
离子能量是用来控制在半导体装置中结(junction)的深度的主要参量。组成离子束的离子的能量大小决定了离子的注入深度。高能过程，比如用来在半导体装置中形成反向势阱(retrograde well)的过程，要求高到几百万电子伏(MeV)的注入，而浅的结可能只要求低于一千电子伏(1KeV)的极低的能量(ULE)。
典型的离子注入器包括三段或三个子***：(i)用来输出离子束的一个离子源，(ii)包括用来把离子束的质量分开的质量分析磁铁的束线(beamline)，以及(iii)一个靶室，它包括要被离子束注入的半导体晶片或其它的基底。半导体装置趋向于越来越小的持续不断的趋势要求束线结构用来在低的能量下发送出高的束电流。高的束电流提供必要的剂量，而低的能量可以实现浅的注入。例如，在半导体装置中的源/漏(source/drain)结要求使用这种低能量的大电流。
在离子注入器中的离子源产生离子束典型地是通过在源腔室中使一种源气体电离，此源气体的一个组分是所要求的掺杂物元素，并以离子束的形式把被电离的源气体抽出。一个激发装置实现此电离过程，该激发装置的形式可以为被加热的丝或者为射频(RF)天线。被加热的丝用热离子发射的方式发出高能电子，而射频天线把高能射频信号输送到源腔室中。在属于Benveniste等人的美国专利No.5661308给出了大电流低能量离子源的一个示例，该专利为本发明的受让人所共同拥有，在这里它的全部内容被结合进来作为参考。
可以使用高能电子(在被加热的激发装置的情况下)或者射频信号(在射频激发装置的情况下)把能量赋予源腔室中的源气体，从而把它电离。组成源气体的所要求的元素的例子包括磷(P)或砷(As)。在用被加热的丝进行电离的离子源中，源腔室典型地达到1000摄氏度量级的温度。这样高的温度(高于400摄氏度)通常足以防止在源腔室的内壁上形成磷或砷的沉积物。然而，在采用射频天线的离子源中，源腔室的运行温度典型地要低得多，为50摄氏度的量级。常常把这样的被射频激发的源称为″冷壁″源。结果，这种离子源腔室的内壁可能由于在运行过程中形成磷或砷的沉积物而被污染。
因为使用多种过程配方运行离子注入器，所以为了得到包括所要求的掺杂物离子的离子束在源腔室中要使用不同类型的源气体。然而，如果源腔室壁被在前面的过程配方中形成的沉积物(例如包含磷)污染，这种交叉污染可能会影响后面的过程配方(例如包括砷)。因此，在过程配方之间的设备停机时间内，必须由源腔室内壁上除去所积累的沉积物，把污染后来的过程配方的危险减到最小。
已经知道，采用一种清理气体比如三氟化氮(NF3)来使等离子体处理腔室清洁(例如见属于Watatani等人的美国专利No.5620526)。可以现场进行这样的清理，而不需要拆开离子源。然而，在过程之间现场清理离子源腔室浪费了宝贵的时间，在此时间内，离子注入器没有被用来制造产品。
因此，本发明的一个目的是提供一种离子源，它可以对源腔室进行过程中的清洁，同时此离子注入器在运行。本发明的另一个目的是提供实现一种对离子源进行过程中的清洁的方法。
发明内容
提供了一种用来在过程中使离子源清洁的方法和***。该离子源包括：(i)一个等离子体腔室，它由腔室壁构成，这些壁界定了一个电离区域；(ii)一个可电离的掺杂气体源和一用来把所述可电离掺杂气体引进所述等离子体腔室中的质量流量控制器；(iii)一个清理气体源和一用来把所述清理气体引进所述等离子体腔室中的质量流量控制器；以及(iv)一个至少部分地设置在所述腔室内的射频天线，用来把能量赋予所述可电离的掺杂气体和所述清理气体，以在所述等离子体腔室内产生等离子体。
此等离子体包括所述掺杂气体的被分解和被电离的组分和所述清理气体的被分解和被电离的组分。所述清理气体的被分解和被电离的组分与所述掺杂气体的被分解和被电离的组分反应，防止在所述腔室壁的表面上形成包括在所述可电离的掺杂气体内的元素的沉积层。所述清理气体可以为三氟化氮(NF3)，而所述可电离的掺杂气体可以为磷化氢(PH3)或砷化氢(AsH3)。质量流量控制器控制引进所述等离子体腔室中的清理气体与可电离掺杂气体的比，此比值大于0∶1，并且，最好至少为3∶1。
为实现上述目的，本发明提供一种用来输出离子束的离子源，它包括：一个等离子体腔室，它由腔室壁构成，这些壁界定出一个电离区域；一个可电离的掺杂气体源和用来把该可电离掺杂气体引进等离子体腔室中的质量流量控制器；一个清理气体源和用来把该清理气体引进等离子体腔室中的质量流量控制器；一个至少部分地设置在腔室内的射频天线，用来把能量赋予可电离的掺杂气体和清理气体，以在等离子体腔室内产生等离子体，等离子体包括掺杂气体的被分解和被电离的组分和清理气体的被分解和被电离的组分；以及其中，清理气体的被分解和被电离的组分与掺杂气体的被分解和被电离的组分反应，以防止可电离的掺杂气体内所含元素在腔室壁的表面上形成沉积层。在本发明的其它方面，清理气体为三氟化氮，可电离的掺杂气体为磷化氢，而元素的沉积层包括磷的沉积层。可电离的掺杂气体为砷化氢，元素的沉积层包括砷的沉积层。被引进等离子体腔室的清理气体与可电离的掺杂气体的比大于0∶1。被引进等离子体腔室的清理气体与可电离的掺杂气体的比至少为3∶1。射频天线由金属材料构成，并且是水冷的。离子源还包括一个孔板，可以通过该孔板由等离子体腔室中把离子束抽出。腔室壁是导电的，并且是水冷的。
本发明还提供一种在过程中清理离子源的方法，它包括如下步骤：把一种可电离的掺杂气体引进离子源的一个等离子体腔室中；把一种清理气体引进等离子体腔室中；激发腔室内的可电离的掺杂气体和清理气体，以产生由掺杂气体的被分解和被电离的组分和清理气体的被分解和被电离的组分构成的等离子体；以及使清理气体的被分解和被电离的组分与掺杂气体的被分解和被电离的组分反应，以防止在腔室的腔室壁上形成包括在可电离的掺杂气体内的元素的沉积层。在本发明的其它方面，清理气体为三氟化氮。可电离的掺杂气体为磷化氢，元素的沉积层包括磷的沉积层。可电离的掺杂气体为砷化氢，元素的沉积层包括砷的沉积层。质量流量控制器把清理气体和可电离的掺杂气体引进等离子体腔室。被引进等离子体腔室的清理气体与可电离掺杂气体的比大于0∶1。被引进等离子体腔室的清理气体与可电离掺杂气体的比至少为3∶1。用一个射频天线实现激发等离子体腔室内的可电离的掺杂气体和清理气体的步骤。该方法还包括对射频天线进行水冷的步骤，还包括通过一个孔板由等离子体腔室中把离子束抽出的步骤，以及等离子体腔室的腔室壁是导电的，并且是水冷的。
附图说明
图1为一个离子注入***的透视图，按照本发明的原理制作的一个离子源的一个实施例结合在该***中；
图2为图1所示的离子注入***的离子源的剖面图；
图3以图形表示出作为清理气体与源气体的数量比的函数的在图2所示的源的内壁上沉积物的形成；
图4以图形表示出采用三氟化氮作为清理气体而以磷作为源气体时离子束流组分的质量/电荷比的谱；以及
图5以图形表示出采用三氟化氮作为清理气体而以砷作为源气体时离子束流组分的质量/电荷比的谱。
具体实施方式
现在参见图，图1示出了一个离子注入器，其整体地用标号10表示，它包括一个离子源12、一个质量分析磁铁14、一个束线组件16以及一个靶或端站18。本发明的一种应用是在低能注入器比如在图1中所示出的装置中使用，在此装置中束线组件16相对较短，这是由于在它的传输过程中低能束有扩展(即Ablow-up)的趋势。
离子源12包括形成一个等离子体腔室22的一个壳体20和一个离子抽出组件24。束线组件16包括(i)分解器壳体26，由真空泵28把它抽空，且它包含一个端部孔30、一个分解孔32和一个标志法拉第效应部分(flag Faraday)34，以及(ii)一个使束中性化的装置36，它包含一个电子簇射器38，所有这些部分都不构成本发明的一部分。使束中性化的装置36的下游为端站18，它包括一个盘状的晶片支承件40，把要被处理的晶片安装在此支承件上。当在这里使用时，晶片将包括可以用离子束注入的任何类型的基底。
把能量赋予可电离的掺杂气体，在等离子体腔室22中产生离子。一般说来，产生正离子，但是本发明可以用于由源产生负离子的***。离子抽出器组件24把正离子通过在等离子体腔室22中的一个狭缝抽出，此组件24包括多个电极42。因此，离子抽出器组件的功能为通过一个抽出孔板46由等离子体腔室中把正离子的束44抽出，并使被抽出的离子加速，朝向质量分析磁铁14运动。
质量分析磁铁14的功能为只让有适当的荷质比的离子通过，到达束线组件16。质量分析磁铁14包括一个弯曲的束路径48，此路径由连接到源12上的一个铝制的束引导件50形成，真空泵28和54提供对它的抽真空。质量分析磁铁14所产生的磁场影响沿着此路径传输的离子束44。此磁场使得离子束44沿着弯曲的束路径48运动，由靠近离子源12的一第一或入口轨道56到达靠近分解壳体26的一第二或出口轨道58。由荷质比不适当的离子构成的束44的部分44′和44″由该弯曲的轨道偏离开，到达铝制的束引导件50的壁。这样，磁铁14只使束44中有所要求的荷质比的那些离子通过，达到束线组件16。
马达62使在端站18处的盘状晶片支承件40旋转。如在本技术中已经知道的那样，马达62使盘状晶片支承件40以一个不变的角速度旋转，并且，马达64和一个引导螺旋(未画出)使支承件40在竖直方向上运动(进出图1的纸面)。
把本发明结合进图1的注入器10的源12中，在图2中更详细地示出了此源。通过管道70借助于质量流量控制器68把直接以压缩气体形式由可电离的掺杂气体源66得到的可电离的掺杂气体注入等离子体腔室22中。典型的源元素为磷(P)和砷(As)。常常以气体的形式与其它元素相结合起来提供这些源元素，例如，磷以磷化氢(PH3)形式，砷以砷化氢(AsH3)形式。
等离子体腔室22有导电的腔室壁112，114，116，它们在腔室的内部界定出一个电离区域120。这些腔室壁提供了等离子体腔室的内表面积，在优选实施例中大约为2000平方厘米。侧壁114为关于等离子体腔室22的中心轴线115是圆对称的。朝向分解磁铁14的导电壁116被连接到等离子体腔室的支承件122上。壁116支承着有多个孔的孔板46，这些孔容许离子排出等离子体腔室22，并随后在多个分离开的电绝缘的抽出电极24的下游的一个位置结合起来形成离子束44。孔板46包括多个以特别的图案设置的开孔，这些孔与在分离开的抽出电极42中的有类似构形的多个孔对准。在图2中只示出了一个这样的孔。
金属天线130有一个暴露在腔室内部的金属表面132，用来把能量发射进该等离子体腔室22。在等离子体腔室22外面的一个能源供应装置134以大约13.56兆赫(MHz)的射频信号对金属天线130提供能量，在金属天线中建立起一个交变的电流，在等离子体腔室22内感应出进行电离的电场。天线的功率为500-3000瓦(W)的量级。在源腔室中的压力为1-10毫乇的量级。因此，源12被称为低压高密度感应源。等离子体腔室22也可以包括一个磁过滤器组件140，它在天线130与孔板46之间通过腔室内部的一个区域伸展。
一块可移开的支承板150把天线130定位在等离子体腔室22中。在一个位置有一个圆形切口152的侧壁114支承着此支承板150，天线穿过该切口伸展。把用于天线130的支承板150的尺寸做成装配进腔室壁114的切口152中，同时把天线130的暴露的U形金属部分132在电离区域120内定位。
支承板150形成容纳两个真空压力配件156的两个通道。在推天线130的细长的腿段157通过该配件之后，把端部帽盖158用螺纹拧到这些配件上，把配件156与腿段157之间的接触区域密封起来。天线130在它的发出辐射的区域最好为U形状，并最好由铝制成。管的外径的尺寸为能通过压力配件156。在使用时，天线由它的周围吸收热量。为了耗散这些热量，使一种冷却剂流过该管的中心。
板150有暴露给等离子体腔室的内部的大致平的表面160，并包括一个平行的外表面162，它朝向腔室的外面。板150的带凸缘的部分164覆盖着一个环形磁铁170，此磁铁围绕着壁114中的切口，并且，接头172把该磁铁装到壁114上。装到支承板150上的一个铁磁性***件174安装在磁铁170上，从而当把板150设置在切口152中时，铁磁性***件174和磁铁170彼此吸引，把板150紧固在其位置上，使天线130伸展进腔室内部。
在离子源运行过程中，产生热，而这些热量被壁112，114，116，118吸收。被引导通过配件176的冷却剂把所吸收的热量由腔室22带走，配件176用来把水通进经过壁的一个通道，并由一第二出口配件(未画出)流出腔室。这样，可以把壁的温度保持在低于100摄氏度。因此，此离子源12被称为冷壁离子源。
在离子注入器运行的过程中，天线130靠近支承板150的区域特别容易被溅射的材料涂布。为了把这种溅射作用的效果减到最少，在把天线插进支承板150之前，使两个屏蔽件180滑过铝天线。这些屏蔽件最好由铝制成，并靠这些屏蔽件与天线130的暴露的铝的外表面之间的摩擦配合保持在其位置。
在离子源12运行的过程中，在界定电离区域120的内壁112，114和116上可能形成掺杂物元素的沉积层。例如，当磷化氢(PH3)和砷化氢(AsH3)分别流过离子源时，可能形成磷(P)和砷(As)。因此，本发明提供了一个机构，用来与源气体同时流过一种辅助气体或清理气体，同时，离子源12在正常的运行条件下工作。一个清理气体源182和一个相应的质量流量控制器184提供了使清理气体比如三氟化氮(NF3)流过的机构。在被送到等离子体腔室22之前，把质量流量控制器184的清理气体输出与管道70中的质量流量控制器68的源气体的输出结合起来。另外，可以把源气体和清理气体分开地送到等离子体腔室。
NF3将大部分分解为氮原子和氟原子，它们中的某些将在等离子体腔室22中被电离成负离子。氟原子和离子与磷(P)或砷(As)反应，防止当分别采用磷化氢(PH3)和砷化氢(AsH3)作为源气体时这些元素在离子源的内壁112、114和116上形成。当然，可以设想采用其它的源气体，这包括但不限于锗烷(GeH3)，四氟化锗(GeF4)和乙硼烷(B2H6)。不管采用什么类型的掺杂气体，即使沉积物形成，氟原子和离子也帮助除去这些沉积物。因此，靠在过程中使用一种清理气体，避免了一个分开的清理步骤。″过程中″被理解为是在离子注入器处于正常的生产运行的同时实现清理过程。
图3示出了在图2的离子源的内壁上沉积物的形成的图形表示，它为在不变的束电流下一个小时内清理气体与源气体的数量比的函数。质量流量控制器68和184可以分别提供高达每分钟10标准立方厘米(sccm)的源气体和清理气体。在图3中，示出了源气体为砷化氢或者磷化氢，而清理气体为三氟化氮。沿着图3的纵轴线的沉积物的数量是归一化的。
典型的流速为5-10sccm的三氟化氮(NF3)和1-5sccm的砷化氢(AsH3)或者磷化氢(PH3)。预计，即使在其它的气体流速、射频功率和射频频率下，也将有效地实现清理过程。三氟化氮(NF3)的数量的增加将改善源的清理效率，但是对于射频天线要求更多的能量输入，从而降低了源的运行效率。在高的三氟化氮(NF3)对源气体的比值(即大于3∶1)下，没有由于在等离子体腔室22中高的三氟化氮(NF3)浓度而出现离子束明显地变稀薄。
图4和5示出的是采用四比一的比值的作为清理气体的三氟化氮和作为源气体的磷(图4)或砷(图5)时离子束流成份(例如离子、原子、分子)的质荷比谱的图形表示。采用多通道质谱计得到这些图形表示。如在图4中所示，与磷化氢(PH3)(用来掺杂磷)一起流过三氟化氮(NF3)形成原子和分子的物质(N、F、PF和PF2)，否则，这些物质不可能在等离子体腔室22出现。然而，通过调谐质量分析磁铁14(回过去参见图1)，可以有效地把这些不想要的原子和分子物质由束中过滤掉。如在图5中所示，与砷化氢(AsH3)(用来掺杂砷)一起流过三氟化氮(NF3)形成原子和分子的物质(N、F、NF、AsF和AsF2)，否则，这些物质不可能在等离子体腔室22出现。如在图4的情况那样，通过校准质量分析磁铁14，可以有效地把这些不想要的原子和分子物质由束中过滤掉，由束中除去荷质比不适当的粒子。
因此，已经描述了离子源的一个优选实施例和一种该源的过程中清理的方法。然而，在记住上面的描述的同时，应该理解到，这一描述只是以示例的方式进行的，本发明不限于这里所描述的具体的实施例，并且，关于上面的描述可以设想出多种重新排列、改型和替代，而不超出由下面的权利要求书和它们的等价物所确定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用来在离子注入***中输出离子束(44)的离子源(12)，其中，该离子源包括：一个等离子体腔室(22)，它由腔室壁(112，114，116)构成，这些壁界定出一个电离区域(120)；所述离子源的特征在于，
一个可电离的掺杂气体源(66)和用来把所述可电离掺杂气体引进所述等离子体腔室中的质量流量控制器(68)；
一个清理气体源(182)和用来把所述清理气体引进所述等离子体腔室中的质量流量控制器(184)；
一个至少部分地设置在所述腔室内的射频天线(130)，用来把能量赋予所述可电离的掺杂气体和所述清理气体，以在所述等离子体腔室内产生等离子体，所述等离子体包括所述掺杂气体的被分解和被电离的组分和所述清理气体的被分解和被电离的组分；
其中，所述清理气体的被分解和被电离的组分与所述掺杂气体的被分解和被电离的组分反应，以防止可电离的掺杂气体内所含元素在所述腔室壁的表面上形成沉积层。
2.按照权利要求1中所述的离子源(12)，其特征在于，所述清理气体为三氟化氮。
3.按照权利要求1中所述的离子源(12)，其特征在于，所述可电离的掺杂气体为磷化氢，而所述元素的沉积层包括磷的沉积层。
4.按照权利要求1中所述的离子源(12)，其特征在于，所述可电离的掺杂气体为砷化氢，所述元素的沉积层包括砷的沉积层。
5.按照权利要求1中所述的离子源(12)，其特征在于，被引进所述等离子体腔室(22)的清理气体与可电离的掺杂气体的比大于0∶1。
6.按照权利要求5中所述的离子源(12)，其特征在于，被引进所述等离子体腔室(22)的清理气体与可电离的掺杂气体的比至少为3∶1。
7.按照权利要求1中所述的离子源(12)，其特征在于，射频天线(130)由金属材料构成，并且是水冷的。
8.按照权利要求1中所述的离子源(12)，其还包括一个孔板(46)，可以通过该孔板由所述等离子体腔室(22)中把离子束抽出。
9.按照权利要求8中所述的离子源(12)，其特征在于，所述腔室壁是导电的，并且是水冷的。
10.一种在过程中清理离子源的方法，它包括如下步骤：
把一种可电离的掺杂气体引进离子源(12)的一个等离子体腔室(22)中；
把一种清理气体引进所述等离子体腔室(22)中；
激发所述腔室内的所述可电离的掺杂气体和所述清理气体，以产生由所述掺杂气体的被分解和被电离的组分和所述清理气体的被分解和被电离的组分构成的等离子体；以及
使所述清理气体的被分解和被电离的组分与所述掺杂气体的被分解和被电离的组分反应，以防止所述可电离的掺杂气体内所含元素在所述腔室的腔室壁(112，114，116)上形成沉积层。
11.按照权利要求10中所述的方法，其特征在于，所述清理气体为三氟化氮。
12.按照权利要求11中所述的方法，其特征在于，所述可电离的掺杂气体为磷化氢，所述元素的沉积层包括磷的沉积层。
13.按照权利要求11中所述的方法，其特征在于，所述可电离的掺杂气体为砷化氢，所述元素的沉积层包括砷的沉积层。
14.按照权利要求11中所述的方法，其特征在于，质量流量控制器(68，184)把所述清理气体和所述可电离掺杂气体引进所述等离子体腔室(22)。
15.按照权利要求13中所述的方法，其特征在于，被引进所述等离子体腔室(22)的清理气体与可电离掺杂气体的比大于0∶1。
16.按照权利要求15中所述的方法，其特征在于，被引进所述等离子体腔室(22)的清理气体与可电离掺杂气体的比至少为3∶1。
17.按照权利要求11中所述的方法，其特征在于，用一个射频天线(130)实现激发所述等离子体腔室内的所述可电离掺杂气体和所述清理气体的步骤。
18.按照权利要求17中所述的方法，其还包括对射频天线(130)进行水冷的步骤。
19.按照权利要求11中所述的方法，其还包括通过一个孔板(46)由所述等离子体腔室中把离子束抽出的步骤。
20.按照权利要求11中所述的方法，其特征在于，所述等离子体腔室的所述腔室壁是导电的，并且是水冷的。
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