專利名稱：脈沖等離子體式離子注入機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖等離子體式離子注入機(jī)。
本發(fā)明的領(lǐng)域是以等離子體浸沒方式工作的離子注入機(jī)。因此，襯底的離子注入包括將所述襯底浸沒于等離子體中，并使襯底極化而帶上負(fù)電壓，從幾十伏到幾十千伏不等(一般低于100千伏)，以形成一電場，所述電場能夠朝所述襯底方向加速所述等離子體中的離子。
所述離子的穿透深度由其加速能量確定。所述穿透深度一方面取決于施加在所述襯底上的電壓，另一方面取決于所述離子和所述襯底各自的特性。注入的離子濃度取決于劑量和所述注入深度，所述劑量表示為每平方厘米的離子數(shù)。
基于等離子體物理學(xué)方面的原因，施加所述電壓幾個納秒后，在所述襯底周圍生成了離子云(gaine ionique，離子鞘，離子殼層)。負(fù)責(zé)將所述離子朝所述襯底方向加速電勢差存在于所述離子云的邊緣。
所述離子云隨時間的增加遵循下述Child-Langmuir方程jc=49ϵ0(2eM)1/2V03/2S2]]>這里，jc電流密度∈0真空介電常數(shù)e離子電量M離子質(zhì)量V0穿過離子云的勢差S離子云的厚度通過規(guī)定所述電流密度等于單位時間穿過所述電子云邊界的電量，并用ds/dt代表所述邊界的移動速度dsdt=29S02U0S2]]>表達(dá)式中s0等于
S0=(2ϵ0V0en0)1/2]]>其中，U0＝(2eV0/M)是所述離子的特征速度，n0是所述等離子體密度。
所述離子云的厚度主要和所施加的電壓、所述等離子體密度和所述離子質(zhì)量相關(guān)。
決定所述注入電流的所述等離子體的等效阻抗直接正比于所述離子云的厚度的平方。因此，當(dāng)所述離子云增大時，所述注入電流很快衰減。
過去一定時間之后，必須進(jìn)行重新初始化(reinitialisation)。在實踐中，當(dāng)所述離子云達(dá)到腔室的壁，因此阻止了所述注入機(jī)制發(fā)揮作用時，這顯得是必不可少的。
為了重新初始化所述系統(tǒng)，幾乎所有的離子注入機(jī)制造商切斷所述襯底上的高電壓，同時保持所述等離子體。因此，必須設(shè)置脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生高電壓脈沖。
另外，所述注入要求盡可能穩(wěn)定的加速能量，因此，應(yīng)該滿足下面的規(guī)范◆加壓和減壓的時間小于1微秒；◆脈沖產(chǎn)生時高電壓的穩(wěn)定性；◆極大的瞬時電流，1到300安；◆承受等離子體中的電弧的能力。
所述等離子體浸沒式離子注入具有一定的不足。
首先，脈沖高電壓供電很昂貴，經(jīng)常是很脆弱的且直接決定完成的注入的品質(zhì)。
其次，所述等離子體在腔室中的連續(xù)存在造成了不良的副效應(yīng)◆產(chǎn)生粒子，◆對襯底的加熱效應(yīng)，◆對腔室的侵蝕，產(chǎn)生對被處理的工件產(chǎn)生金屬污染的風(fēng)險，◆造成充電效應(yīng)，這在微電子應(yīng)用的情況下特別礙事。
為了減小所述的副效應(yīng)，VARIAN公司提出了一種脈沖等離子體方法名曰“PLAD”(對應(yīng)英語詞匯“等離子體摻雜”(PLAsmaDoping))。所述方法是在ElsevierScience B.V出版的雜志《表面與涂層技術(shù)》 n°156(2002)《第六屆國際等離子體離子注入專題會議文集(PBII-2001)，Grenoble，法國，6月25-28日，2001》(Surface andCoatings Technology n°156(2002)″Proceedings of the VlthInternational Workshop on Plasma-Based Ion Implantation (PBII-2001)，Grenoble，F(xiàn)rance，25-28 June，2001″)的兩篇文章中介紹的◆S.B.Felch等人“用于制造超淺結(jié)的等離子體摻雜”(S.B.Felchet al.″Plasma doping for the fabrication of ultra shallowjunctions″)，229-236頁；◆D.Lenoble等人“用等離子體摻雜制造先進(jìn)晶體管”(，D.Lenoble et al.″The fabrication of advanced transistors with plasmadoping″)，262-266頁。
該方法也涉及用脈沖高電壓使所述襯底極化。然而，所述襯底和與之相對的接地電極間產(chǎn)生的電場可以使所述等離子體脈動。所述襯底周圍的電場線(場力線，電力線)可以完成所述離子的加速和注入。在該方法中，所述脈沖等離子體一方面可以避免部分前述的副效應(yīng)，但與高電壓脈沖發(fā)生器的使用相關(guān)的限制仍然存在。而且，所述等離子體的特性不能和所述極化電壓分離。為此，所述機(jī)器的通用性很差其加速電壓范圍小，且總是難以注入弱等離子體化(peu plasmagène)的核素。
另外一方面，文獻(xiàn)US 5558 718給出了一種脈沖源離子注入設(shè)備和方法。所述離子注入設(shè)備沒有高電壓脈沖發(fā)生器。其使用脈沖等離子體源以及通過一電源(能量源)施加在靶上的恒定電壓。在使用需要大電流的大尺寸靶的情況下，與所述電源并聯(lián)設(shè)置高電容電路。所述包括串聯(lián)的電阻和電容的電路有一些的限制。
首先，其耗能大。其次，其必須設(shè)計得適應(yīng)要離子化的靶的體積。最后，所述并聯(lián)電路的時間常數(shù)必須大于所述發(fā)生器發(fā)出的脈沖的寬度。
還可參考文獻(xiàn)DE 195 38 905，其提出了配有等離子體源、襯底支承臺和所述臺的電源的設(shè)備。所述設(shè)備包括設(shè)置于所述臺和所述電源間的電阻；接地的電容和所述電源與所述電阻的公共點相連。除了前面文獻(xiàn)提及的限制外，這里用于限制所述起弧電流(courantsd’arcage)的電阻在其端子上產(chǎn)生壓降。所述壓降取決于注入電流，因此而嚴(yán)重干擾對作用于所述襯底支承臺的所述加速電壓的控制。
本發(fā)明致力于改善所述情況。
根據(jù)本發(fā)明，離子注入機(jī)包括脈沖等離子體源、襯底支承臺和直接接于所述襯底支承臺和大地之間的電源；而且，其包括接于大地和所述襯底支承臺之間的電容。
根據(jù)本發(fā)明的第一種實施方式，所述臺的電源包括與負(fù)載阻抗串聯(lián)的直流電壓源。
在這種情況下，其包括使所述脈沖等離子體源發(fā)出的等離子體脈沖寬度介于15微秒和500微秒之間的裝置。
優(yōu)選地，所述阻抗為介于100和1000千歐之間的電阻。
同樣地，所述電容大小介于5納法和5微法之間。
本發(fā)明還旨在提供一種使用所述離子注入機(jī)的注入方法，該方法包括周期性地重復(fù)至少下面4個階段◆通過所述電壓源對所述電容，直到達(dá)到放電電壓的充電階段，◆所述等離子體的開啟階段；◆所述電容的放電階段，和◆預(yù)定延遲后，所述等離子體的熄滅階段。
根據(jù)本發(fā)明的第二種實施方式，所述臺的電源為直流電流源。
在這種情況下，所述注入機(jī)包括使所述脈沖等離子體源發(fā)出的等離子體脈沖寬度介于15微秒和500微秒之間的裝置。
有利地是，所述電容大小介于5納法和5微法之間。
對應(yīng)于所述第二種實施方式的注入方法和上面結(jié)合所述第一種實施方式定義的注入方法相同。
通常地，所述方法規(guī)定所述等離子體的開啟持續(xù)時間介于1微秒和10毫秒之間。
另外，所述方法包括在所述熄滅階段之后的等待階段。
而且，所述等離子體對于2×10-4到5×10-3毫巴之間的工作壓強(qiáng)具有108到1010每立方厘米的密度。
通常，用于對所述臺供電的電壓介于-50伏和-100千伏之間。
通常，所述等離子體脈沖的頻率介于1赫和14千赫之間。
根據(jù)一附加特征，所述襯底支承臺可以繞其軸轉(zhuǎn)動。
優(yōu)選地，具有平行軸線的所述襯底支承臺和所述脈沖等離子體源存在可調(diào)的偏心(dexasage)。
本發(fā)明的更多細(xì)節(jié)將在后續(xù)描述中，通過說明性的實施例并結(jié)合附圖加以闡明，附圖包括

圖1示出了注入機(jī)的垂直剖面示意圖；圖2示出了所述臺的電源的第一種變型；圖3示出了所述臺的電源的第二種變型。
各部件在各圖中被賦予唯一的相同的附圖標(biāo)記。
如圖1所示，離子注入機(jī)IMP包括若干布置在真空腔室ENV的內(nèi)部和外部的部件。對于微電子應(yīng)用而言，如果想要限制金屬元素如鐵，鉻、鎳或者鈷的污染，提倡使用鋁合金腔室。也可以使用硅或者碳化硅的襯層。
襯底支承臺PPS為水平平面圓盤的形式，可繞著其垂直軸AXT運動，接納要進(jìn)行離子注入的所述襯底SUB。
設(shè)置于所述腔室ENV的下部的高電壓電通道PET將所述臺的垂直軸AXT從而將所述襯底支承臺PPS電連接到接地E的臺電源ALT。同樣接地E的電容C安裝于所述臺電源ALT的上游；換句話說，所述電容C連接于所述襯底支承臺PPS和大地E之間。
泵裝置PP、PS同樣設(shè)置于所述腔室ENV的下部。初級泵PP的入口通過配有閥門VAk的管道和所述腔室ENV相連，其出口通過排氣管道EXG通到大氣。次級泵PS的入口處通過配有閥門VAi的管道和所述腔室ENV相連，其出口通過配有閥門VAj的管道連接到所述初級泵PP的入口。所述管道均沒有用附圖標(biāo)記標(biāo)注。
所述腔室ENV的上部接納源的主體CS，所述主體為柱體形狀，其垂直軸線為AXP。所述主體是石英的。其外面部分環(huán)繞著約束線圈(bobine de confinement)BOCi、BOCj，部分環(huán)繞著外射頻天線ANT。所述天線通過調(diào)諧盒BAC(boite d’accord) 電連接到脈沖射頻電源ALP。等離子化氣體的入口ING和所述源主體CS的垂直軸AXP線是同軸的。所述垂直軸線AXP與上面放置要進(jìn)行離子注入的襯底SUB的所述襯底支承臺PPS的表面相交。
可以使用任何類型的脈沖等離子體源放電、ICP(對應(yīng)英語“Inductively Coupled Plasma”(感應(yīng)耦合等離子體))、螺旋波(Helicon)、微波、電弧。所述源須在足夠低的壓強(qiáng)下工作，以使所述高電壓臺PPS和所述接地腔室ENV之間產(chǎn)生的電場不會啟動放電等離子體(plasma de décharge)，所述放電等離子體會干擾所述源的脈沖功能。
源的選取須能獲得接近零的等離子體電勢。實際上，離子的加速能量是所述等離子體電勢和所述襯底電勢的差。所述加速能量因此只靠施加于所述襯底的電壓控制。如果想要極低的低于500電子伏特的加速能量(這是微電子應(yīng)用的情況)，這一點變得占主導(dǎo)地位。
對于要求低金屬污染的應(yīng)用而言，再舉微電子學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的工件處理為例，所述源不能有污染性的金屬元素和所述等離子體接觸。在所圖示的實施方式中，由石英管構(gòu)成的射頻源和外射頻天線ANT及如前述的磁約束線圈BOCi，BOCj相連。
圖1所示的裝置有三處優(yōu)點。
首先，所述等離子體的開啟要求的條件和所述襯底極化電壓之間的不相關(guān)性使得可用的能量范圍很寬。
第二，極低的極化電壓比如低于50或100伏的可能性，在電子元件的超薄結(jié)的制造中有優(yōu)勢。
第三，無需所述脈沖高電壓。
無論什么等離子體化的核素均可以被注入。可能的氣體前體比如有N2，O2，H2，He，Ar，BF3，B2H6，AsH3，PH3，SiH4，C2H4，液體前體比如有TiCl4，H2O，或者可以是固體前體。在所述最后一種情況下，可以使用熱蒸發(fā)系統(tǒng)(磷)或者電弧系統(tǒng)(英語的“中空陰極(Hollowcathode)”)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一種實施方式的臺電源ALTi模塊。所述臺電源ALTi包括直流電壓源STC，其與負(fù)載阻抗Z串聯(lián)，所述阻抗用于限制所述電容C充電開始時的電流。所述負(fù)載阻抗經(jīng)常是一電阻。其也可以表現(xiàn)為電感的形式，所述電感的大小是所述電容C和所述等離子體的阻抗的函數(shù)。
在所述方式中經(jīng)常使用的參數(shù)為◆等離子體密度介于108和1010每立方厘米之間，◆等離子體脈沖寬度介于15微秒和500微秒之間，◆脈沖重復(fù)頻率介于1赫和3千赫之間，◆工作壓強(qiáng)介于2×10-4到5×10-3毫巴之間，◆使用的氣體N2，BF3，O2，H2，PH3，AsH3或者Ar，◆負(fù)載阻抗Z為330KΩ±10％的電阻，◆15nF±10％的電容，◆極化電壓介于-100伏和-100千伏之間。
使用所述注入機(jī)IMP的注入方法包括周期性地重復(fù)下面4個或5個階段◆由所述直流電壓源STC經(jīng)過所述負(fù)載阻抗Z對所述電容C充電，直到達(dá)到放電電壓的充電階段(所述等離子體源SPL關(guān)閉)，◆所述等離子體的開啟階段，所述階段在所述襯底的電壓達(dá)到放電電壓時開始所述等離子體的阻抗不再是無窮大，所述電容C經(jīng)過它放電；◆所述電容C的放電階段，其間完成所述注入且所述離子云擴(kuò)大，和◆當(dāng)前一階段持續(xù)了一段期望的時間后開始的所述等離子體的熄滅階段所述等離子體的阻抗再次變成無窮大，且所述充電階段可以重復(fù)，◆可能的等待階段，其間無事發(fā)生，這個等待階段可以調(diào)節(jié)重復(fù)周期。
所述放電階段中，由電離氣體云構(gòu)成等離子體分布區(qū)域ZEP形成于所述源的主體CS和所述襯底支承臺PPS之間。粒子以可使其穿透至襯底SUB內(nèi)部的能量來撞擊所述待注入離子的襯底SUB。
圖3示出了第二種優(yōu)選的實施方式，其中所述臺的電源ALTj的接地E的外殼中包括直流電流CC源。
在所述方式中經(jīng)常使用的參數(shù)為◆等離子體密度介于108和1010每立方厘米之間，◆等離子體脈沖寬度介于15微秒和500微秒之間，◆脈沖重復(fù)頻率介于1赫和3千赫之間，◆工作壓強(qiáng)介于5×10-4到5×10-3毫巴之間，◆使用的氣體BF3，PH3，AsH3，N2，O2，H2或者Ar，◆大小為1微法的電容C，◆極化電壓介于-100伏和-100千伏之間。
在這種情況下使用所述注入機(jī)IMP的注入方法和前述的方法類似，只是沒有使用所述負(fù)載阻抗Z。
在這種情況下，直接使用電流源或者電容充電器，當(dāng)所述電容兩端子達(dá)到期望電壓時停止充電。所述第二種方式的優(yōu)點在于取消了所述負(fù)載阻抗Z，所述阻抗是耗能元件且于所述設(shè)備而言是脆弱的。
在本申請中，在將襯底SUB放置到襯底支承臺PPS上之后，所述初級泵PP和次級泵PS保證了所述腔室ENV的所期望的低壓強(qiáng)。
下面的參數(shù)在所述兩種實施方式中通常被采用◆所述等離子體源的開啟時間為1到1000微秒，◆等離子體密度介于108和1010每立方厘米之間，◆工作壓強(qiáng)介于2×10-4到5×10-3毫巴之間，◆極化電壓介于-100伏和-100千伏之間，◆等離子體脈沖頻率介于1赫和14千赫之間，
◆射頻電源的脈沖頻率為13.56MHz±10％。
所述極化電壓可以從0(不是對低電壓的限制)到-100千伏，超過的話，有很大的產(chǎn)生電弧的風(fēng)險。
所述電容的大小應(yīng)該根據(jù)需要來選定。
為得到在所述注入階段盡可能穩(wěn)定的襯底電壓，大電容是必需的。因此，所述儲存的電量遠(yuǎn)大于所述注入階段消耗的電量。
小電容可以在所述注入階段中降低所述襯底電壓。在這種情況下，所述儲存的電量小于所述注入階段消耗的電量，這有助于在高襯底電壓和高壓強(qiáng)下工作時所述等離子體的關(guān)閉。在這種情況下，存在由于所述臺和所述腔室壁之間的放電自動開啟的風(fēng)險。
注入的平均電流取決于所述等離子體密度、所述極化電壓、所述等離子體的脈沖寬度和頻率。對于固定的瞬時條件而言，所述電流可以通過調(diào)整所述重復(fù)周期加以調(diào)節(jié)。對于50千電子伏下的注入，所述電流的調(diào)節(jié)范圍會是從1微安到100毫安。對于500電子伏下的注入，從1微安到10毫安。
所述襯底電壓的最小值取決于放電時間和所述電容大小，所述放電時間等同于所述等離子體的開啟時間。
所述襯底電壓的最大值取決于所述電容的電量。
大電容的使用可以獲得脈沖期間的準(zhǔn)恒定的加速電壓。在這種情況下，所述等離子體阻抗和所述電容的乘積遠(yuǎn)大于所述脈沖的寬度。
圖1所示的注入機(jī)的一附加特征可以對于大尺寸襯底均勻地完成所述注入。
如前述，所述襯底SUB位于襯底支承臺PPS上，所述臺通常是圓盤形的且可繞著其垂直軸AXT運動。不管有沒有轉(zhuǎn)動，如果所述等離子體源SPL的在所述襯底SUB的上方的軸線AXP接近所述臺PPS的軸線AXT，則等離子體的擴(kuò)散沿該軸線將會是最大的，且相對于該軸線呈梯度分布。所述襯底SUB中注入的劑量就將呈不均勻分布。
如果所述兩軸線AXT、AXP偏心，則所述襯底支承臺PPS的轉(zhuǎn)動可以使所述襯底SUB相對于所述等離子體源的軸線AXP移動。所述襯底SUB中注入的劑量的分布的均勻性將得以明顯改善。
所述系統(tǒng)的有效性在直徑200毫米的硅晶片上已經(jīng)得以驗證，對于所述硅片，在500電子伏下以1015每平方厘米注入BF3獲得的不均勻度低于2.5％。
上述的本發(fā)明的實施例是根據(jù)其具體的特性選擇的。然而，窮盡列舉本發(fā)明覆蓋的所有的實施方式是不可能的。特別地，所述的各種部件可以由等效部件替換而不超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.離子注入機(jī)IMP，包括脈沖等離子體源SPL、襯底支承臺PPS和電源ALTi、ALTj，所述電源直接接于所述襯底支承臺和大地E之間，其特征在于，其包括連接于大地E和所述襯底支承臺PPS之間的電容C。
2.按照權(quán)利要求1所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述電源ALTi包括與負(fù)載阻抗Z串聯(lián)的直流電壓源STC。
3.按照權(quán)利要求2所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，其包括使所述脈沖等離子體源SPL發(fā)出的等離子體脈沖寬度介于15微秒和500微秒之間的裝置。
4.按照權(quán)利要求2或3中的任意一條所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述負(fù)載阻抗為介于100和1000千歐之間的電阻。
5.按照前述權(quán)利要求2到4中的任意一條所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述電容C大小介于5納法和5微法之間。
6.使用按照權(quán)利要求2到5中的任意一條所述的注入機(jī)IMP的注入方法，其特征在于周期性地重復(fù)至少下面4個階段◆所述電壓源STC對所述電容C充電，直到達(dá)到放電電壓的充電階段，◆所述等離子體的開啟階段；◆所述電容C的放電階段，和◆預(yù)定延遲后，所述等離子體的熄滅階段。
7.按照權(quán)利要求1所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述臺電源ALTj為直流電流源SCC。
8.按照權(quán)利要求7所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，其包括使所述脈沖等離子體源SPL發(fā)出的等離子體脈沖寬度介于15微秒和500微秒之間。
9.按照權(quán)利要求7或8的任意一條所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述電容C大小介于5納法和5微法之間。
10.使用按照權(quán)利要求7到9中的任意一條所述的注入機(jī)IMP的注入方法，其特征在于周期性地重復(fù)至少下面4個階段◆所述電壓源STC對所述電容C充電，直到達(dá)到放電電壓的充電階段，◆所述等離子體的開啟階段；◆所述電容C的放電階段，和◆預(yù)定延遲后，所述等離子體的熄滅階段。
11.按照權(quán)利要求6或10的任意一條所述的使用注入機(jī)IMP的注入方法，其特征在于，所述等離子體源的開啟持續(xù)時間為1微秒到10毫秒。
12.按照權(quán)利要求6或10中的任意一條所述的注入方法，其特征在于，其包括在所述熄滅階段之后的等待階段。
13.按照權(quán)利要求1到5或7到9中的任意一條所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述等離子體對2×10-4到5×10-3毫巴的工作壓強(qiáng)具有108到1010每立方厘米的密度。
14.按照權(quán)利要求1到5或7到9或13中的任意一條所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，用于對所述臺PPS供電的電壓介于-50伏和-100千伏之間。
15.按照權(quán)利要求1到5或7到9或13到14中的任意一條所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述等離子體脈沖頻率介于1赫和14千赫之間。
16.按照權(quán)利要求1到5或7到9或13到15中的任意一條所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，所述襯底支承臺PPS可繞著其軸AXT轉(zhuǎn)動。
17.按照權(quán)利要求16所述的注入機(jī)IMP，其特征在于，軸為AXT的所述襯底支承臺PPS和軸線為AXP的所述脈沖等離子體源SPL具有可調(diào)的偏心。
全文摘要
本發(fā)明涉及離子注入機(jī)IMP，包括脈沖等離子體源SPL、襯底支承臺PPS和所述臺的電源ALT。所述注入機(jī)還包括電容C，所述電容直接接地E且安裝于所述臺電源ALT的上游。本發(fā)明還涉及使用所述注入機(jī)的方法。
文檔編號C23C8/36GK1989269SQ200580024715
公開日2007年6月27日 申請日期2005年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月16日
發(fā)明者弗蘭克·托瑞格羅薩, 吉勒斯·馬修, 勞蘭特·洛克斯 申請人:離子射線服務(wù)公司