減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法與流程
2023-06-12 17:41:26
本發明涉及半導體處理系統領域，特別是涉及一種減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法。
背景技術：
離子注入被用於集成電路的製造以及精確地向半導體晶圓中引入受控制量的摻雜雜質並且使半導體生產中的重要方法。在離子注入系統中，離子源使所希望的摻雜元素氣體電離成離子，並且所述離子以具有希望能量的離子束的形式從源中引出。離子束的引出通過使用高的電壓跨過適合成型的引出電極而實現，所述引出電極將孔合併成引出束的通道。然後，離子束在工件的表面，例如半導體晶圓上進行定向，以便向所述工件植入摻雜元素。所述離子束中的離子穿透所述工件的表面以形成具有所希望的導電率的區域。
目前通常使用的幾種類型的離子源包括：使用熱電電極並且通過電弧提供能源的Freeman以及Bernas類型、使用磁控管的微波型、直接加熱的陰極源以及RF等離子體源。離子源通過向填充有摻雜氣體(通常稱為「原料氣體」)的電弧室中引入電子來產生離子。電子與氣體中的摻雜院子和分子的碰撞引起了由正的和負的摻雜離子組成的電離的等離子體的產生。具有負的或正的偏壓的引出電極會相應地允許正的或負的離子作為準直離子束通過孔並且從離子源中出來。
隨著半導體技術向更小的工藝進展，離子注入工藝對離子注入機臺及離子束束流的均勻性提出了更高的要求。
目前在離子注入工藝中所使用的摻雜氣體包括但不限於BF3、PF5、AsF5、N2、Ar、GeF4以及SiF4等；例如，在P型離子注入時，所需的B+、F+及BF2+都是從BF3氣體中萃取出來的。當使用含F元素的氣體例如BF3作為摻雜氣體時，在離子源的電弧室及電弧室內的組件表面容易形成沉積物。主要的原因在於，在電弧室電離期間，BF3會被電離形成F離子或F自由基，而F離子會與電弧室及組件表面的材料(主要是鎢)發生反應而生成揮發性氣體氟化鎢(WFx)，而這些氟化鎢受熱易分解，當其遷移到電弧室中的更熱區域時會分解並在該區域形成鎢沉積。F與W發生反應生成易揮發性氟化鎢，氟化鎢受熱分解的原理如下：
6F(g)+W(s)→WF6(g)
WF6(g)+heat→W(s)+3F2(g)
式中，g表示相應的物質為氣態，s表示相應的物質為固態，heat表示對WF6加熱。
由如上兩個公式可知，含F元素的摻雜氣體在電弧室被電離，F與電弧室及組件表面的 W會發生反應生成氣態的WF6，而WF6遷移至電弧室中更熱的區域時，會受熱分解為固態的W和氣態的F2；受熱分解得到的固態的W就會在該區域沉積下來形成沉積物。
在離子注入過程中，表面經常形成沉積物的地方除了電弧室，還包括陰極、排斥電極及接近燈絲的區域等組件。當所述電弧室及所述陰極及排斥電極處沉積鎢以後，隨著時間的推移，沉積物逐漸積累，使得所述電弧室與陰極之間的距離變小，甚至會使得所述電弧室與陰極相連，進而發生電弧短路(ARC short)；鎢在所述電弧室及陰極上的沉積，會導致所形成的離子束束流均勻性較差，使得所述離子注入機的壽命變短；為了避免此類情況出現，就必須對離子源進行維護，整個維護過程耗時耗力，大大增加了維護設備的成本。
針對上述問題，現有技術中一般採用氬氣作為清洗氣體在循環過程中或離子注入工藝之後來清除部分鎢在電弧室及其組件表面的沉積，但使用氬氣作為清洗氣體清除鎢沉積物的效果並不理想，其只能去除部分鎢沉積物，並不能從根本上完全消除鎢在電弧室及其組件表面的沉積。
技術實現要素：
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法，用於解決現有技術中的電弧室及陰極表面沉積鎢沉積物以後而導致的離子束束流均勻性差、離子注入機壽命變短、增加離子源維修次數和維修成本的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法，其中，所述離子源包括電弧室及一個或一個以上的位於所述電弧室內的組件，所述方法包括：
將摻雜氣體引入所述電弧室內，所述摻雜氣體至少包括第一元素，所述第一元素在電離條件下可以與所述電弧室及組件表面的材料發生反應並生成氣體化合物，且生成的所述氣體化合物受熱易分解；
至少在向所述電弧室內引入所述摻雜氣體的同時引入清洗氣體，所述清洗氣體至少包括第二元素，所述第二元素適於阻止所述第一元素在電離條件下與所述電弧室及組件表面材料發生反應。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，所述電弧室及組件表面的材料包括W，所述第一元素為F元素。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，所述摻雜氣體至少包括BF3。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案， 所述第二元素為H元素。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，所述清洗氣體至少包括H2及惰性氣體。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，所述清洗氣體至少包括H2及Xe。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，向所述電弧室內同時引入的由所述摻雜氣體及所述清洗氣體組成的混合氣體中，H元素與F元素的原子比為：H：F≥1：1。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，向所述電弧室內引入所述清洗氣體一段時間之後，再向所述電弧室內引入所述摻雜氣體。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，同時停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體及所述清洗氣體。
作為本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的一種優選方案，在停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體之後，繼續向所述電弧室內引入所述清洗氣體一段時間。
如上所述，本發明的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法，具有以下有益效果：通過至少在引入摻雜氣體的同時引入可以阻止摻雜氣體與電弧室及組件表面材料發生反應的清洗氣體，可以從根本上杜絕含沉積物元素的氣態化合物的生成，進而提高了離子束束流的均勻性，延長了離子注入機的壽命，減少了離子源維護的次數，從而節約了離子源維護所需的時間和成本。
附圖說明
圖1顯示為本發明的的減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法的流程圖。
具體實施方式
以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。
請參閱圖1。須知，本說明書所附圖示所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，並非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影 響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如「上」、「下」、「左」、「右」、「中部」及「一」等的用語，亦僅為便於敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的範疇。
請參閱圖1，本實施例提供一種減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法，其中，所述離子源包括電弧室及一個或一個以上的位於所述電弧室內的組件，所述方法包括：
將摻雜氣體引入所述電弧室內，所述摻雜氣體至少包括第一元素，所述第一元素在電離條件下可以與所述電弧室及組件表面的材料發生反應並生成氣體化合物，且生成的所述氣體化合物受熱易分解；
至少在向所述電弧室內引入所述摻雜氣體的同時引入清洗氣體，所述清洗氣體至少包括第二元素，所述第二元素適於阻止所述第一元素在電離條件下與所述電弧室及組件表面材料發生反應。
作為示例，本實施例中，同時將所述摻雜氣體及所述清洗氣體引入所述電弧室。
作為示例，所述清洗氣體中的第二元素根據所述摻雜氣體中的第一元素或/和所述電弧室及組件表面的材料所選定。具體的，所述第一元素為F元素，此時，所述摻雜氣體包括但不僅限於BF3、PF5、AsF5、N2、Ar、GeF4以及SiF4等；優選地，本實施例中所述摻雜氣體為BF3。所述摻雜氣體被引入所述電弧室內以後，在電離條件下所述摻雜氣體會電離出F離子，又現有的離子源中電弧室及組件的表面均包括W，如此時電弧室內不存在可以有效阻止F離子與W發生反應的離子，被電離出的F離子會與W發生反應生成氣態的WF6，而WF6遷移至電弧室中更熱的區域時，會受熱分解為固態的W和氣態的F2；受熱分解得到的固態的W就會在該區域沉積下來形成沉積物。
作為示例，所述第二元素為H元素。包括所述H元素的清洗氣體與所述包括F元素的摻雜氣體同時引入所述電弧室，在電離條件下，所述摻雜氣體電離出F離子的同時所述清洗氣體會電離出H離子，H離子的存在會有效地阻止所述F離子與W的反應，具體原理為：
F(g)+H(g)+W(s)→HF(g)+W(s)
式中，g表示相應的物質為氣態，s表示相應的物質為固態。
由上式可知，H離子會優先與F離子發生反應生成氣態的HF而被抽走，而W式中以固態形式存在，並未參加反應，即在整個過程中沒有含有W元素的氣態物質生成，亦即H離子有效地避免了W與F的反應。H離子的存在優先消耗掉了電弧室內的F離子，使得所述電弧室及組件表面的W沒有機會與F離子發生反應，從而避免了含W元素的氣體物質的生成，進而避免了W的遷移及沉積。
作為示例，所述清洗氣體包括但不僅限於H2及惰性氣體，優選地，本實施例中，所述清洗氣體至少包括H2及Xe。所述清洗氣體中包括Xe，在電離狀態下，Xe會貢獻電子給H2，以便於H2被電離成兩個H離子，進而促進了H2與F的反應。
需要說明的是，由上述可知，在H離子與F離子反應的過程中，一個H離子消耗一個F離子，為了使得所述摻雜氣體電離出來的F離子被H離子完全消耗而不存在多餘的F離子與W發生反應，由所述摻雜氣體及所述清洗氣體組成的混合氣體在電離狀態下電離出來的H離子數應大於或等於F離子數。為了保證在電離狀態下電離出來的H離子數大於或等於F離子數，向所述電弧室內同時引入的由所述摻雜氣體及所述清洗氣體組成的混合氣體中，H元素與F元素的原子比應為：H：F≥1：1。
作為示例，在本實施例中，將所述摻雜氣體及所述清洗氣體同時引入所述電弧室內，並在相關半導體工藝完成以後，同時停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體及所述清洗氣體。
在另一實施例中，將所述摻雜氣體及所述清洗氣體同時引入所述電弧室內，但在相關工藝完成以後，在停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體之後，繼續向所述電弧室內引入所述清洗氣體一段時間。在停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體之後，繼續向所述電弧室內引入所述清洗氣體，可以在所述電弧室內電離出足夠多的H離子，進而避免所述摻雜氣體中有電離出的未與H離子完全反應F離子殘留。
在又一實施例中，先向所述電弧室內引入所述清洗氣體一段時間之後，再向所述電弧室內引入所述摻雜氣體。先向所述電弧室內引入所述清洗氣體一段時間之後，再向所述電弧室內引入所述摻雜氣體，可以確保在所述摻雜氣體被引入所述電弧室時，所述電弧室內已經電離出足夠多的H離子與所述摻雜氣體電離出的F離子發生反應，進而可以徹底避免所述F離子與W發生反應。在該實施例中，在相關半導體工藝完成以後，同時停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體及所述清洗氣體。
在又一實施例中，先向所述電弧室內引入所述清洗氣體一段時間之後，再向所述電弧室內引入所述摻雜氣體，但在相關工藝完成以後，在停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體之後，繼續向所述電弧室內引入所述清洗氣體一段時間。在停止向所述電弧室內引入所述摻雜氣體之後，繼續向所述電弧室內引入所述清洗氣體，可以在所述電弧室內電離出足夠多的H離子，進而避免所述摻雜氣體中有電離出的未與H離子完全反應F離子殘留。
綜上所述，本發明提供一種減少或防止在離子注入機的離子源內形成沉積物的方法，通過至少在引入含F元素的摻雜氣體的同時引入含H元素清洗氣體，在電離條件下，H離子優於W與F離子發生反應生成氣態的HF而被抽走，從而避免了含W元素的氣體物質的生成，進而避免了W的遷移及沉積；同時，清洗氣體中包括Xe，Xe在電離條件下會貢獻電子給 H2，以便於H2被電離成兩個H離子，進而促進了H2與F的反應。該方法提高了離子束束流的均勻性，延長了離子注入機的壽命，減少了離子源維護的次數，從而節約了離子源維護所需的時間和成本。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。