專(zhuān)利名稱(chēng)：一種等離子體浸沒(méi)注入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理技術(shù)和設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體浸沒(méi)注入裝置。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體工藝中，主流的雜質(zhì)摻雜技術(shù)都采用束線離子注入技術(shù) (Ionlmplantation, II)，這種方法是由離子源產(chǎn)生等離子體，再通過(guò)質(zhì)譜分析將所需的離 子組分提取出來(lái)，對(duì)離子加速到一定能量并注入到半導(dǎo)體基片中(如硅片)。這種方法需要 復(fù)雜的質(zhì)譜分析和掃描裝置，注入效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本極高。隨著集成電路特征尺寸的進(jìn)一步縮小，離子注入能量需要進(jìn)一步降低到一千電子 伏特以下(亞KeV)，然而離子束能量降低后會(huì)出現(xiàn)束流分散、均勻性變差、效率進(jìn)一步降低 等一系列負(fù)面效應(yīng)。因而近年提出了新型的等離子體浸沒(méi)注入技術(shù)(Plasma Immersion Ion Implantation, PHI)來(lái)避免以上問(wèn)題。常用的PIII裝置結(jié)構(gòu)在用于上述應(yīng)用中時(shí)，存在一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題就是注入劑量不 均勻。引起PIII注入不均勻的原因眾多，其中一個(gè)主要原因是施加在基片上的注入偏壓， 在基片的邊緣形成了注入電場(chǎng)，然而此注入電場(chǎng)呈現(xiàn)彎曲狀，從而導(dǎo)致注入離子聚焦效應(yīng)。 圖1與圖2中所示為常用的等離子體浸沒(méi)注入腔室結(jié)構(gòu)示意圖。圖1所示結(jié)構(gòu)為單腔室注 入結(jié)構(gòu)，基片放在基片臺(tái)11上，脈沖負(fù)偏壓電源12向基片提供注入偏壓，進(jìn)而加速等離子 體13中的正離子，使之注入到在基片臺(tái)11上放置的基片中，整個(gè)腔室壁10接地。圖2為雙 室結(jié)構(gòu)，等離子體13在上方等離子體源區(qū)產(chǎn)生，通過(guò)一個(gè)開(kāi)有空洞的電極14進(jìn)入下面的工 藝腔室，隨后正離子被偏壓電場(chǎng)加速注入到在基片臺(tái)上承載的基片中。圖1、圖2中的基片 臺(tái)接負(fù)高壓端，整個(gè)腔室壁接地，偏壓電場(chǎng)方向由腔室壁指向基片臺(tái)。接地腔室壁包圍著基 片臺(tái)，偏壓電場(chǎng)在基片臺(tái)周?chē)纬蓤D1、圖2中由標(biāo)號(hào)20、21所示的電場(chǎng)。離子沿著電場(chǎng)線 運(yùn)動(dòng)到基片，在基片臺(tái)11邊緣處，偏壓電場(chǎng)方向并不垂直于基片臺(tái)面，邊緣彎曲的電場(chǎng)20 會(huì)使本垂直入射的離子以與基片臺(tái)表面呈小于90°的角度注入到基片，起到對(duì)注入離子的 聚焦作用(即注入離子聚焦效應(yīng))，而引起注入不均勻。這種由于偏壓電場(chǎng)不均勻而引起的 注入離子聚焦效應(yīng)不僅在基片臺(tái)邊緣存在，而且在基片臺(tái)中心位置亦存在。這是因?yàn)樵趫D 2中電場(chǎng)20、21的作用下，在基片臺(tái)周?chē)纬闪藞D3中的橢圓狀等離子鞘層14，鞘層中離子 將以垂直于鞘層邊界15的角度入射到基片，這樣在偏壓電場(chǎng)下形成的等離子鞘層就像一 個(gè)離子透鏡對(duì)注入離子起聚焦作用而使注入不均勻，且這種聚焦作用不僅僅只發(fā)生在基片 臺(tái)的邊緣處，。N. Holtzer, E. Stanmate, H. Toyoda, and H. Sugai , Thin Sol id Films 515(2007)4887-4891中敘述了聚焦效應(yīng)引起的注入不均勻性，文中也提到了兩種解決辦 法，其一為增大基片臺(tái)尺寸，將邊緣電場(chǎng)的離子聚焦拉得遠(yuǎn)離基片，從而減小注入不均勻 性；另一種方法是在基片周?chē)泳劢弓h(huán)以達(dá)到同樣目的。雖然上述兩種方法在一定程度 上減小了電場(chǎng)對(duì)離子的聚焦效應(yīng)，使注入不均勻性得以改善，但并沒(méi)有從本質(zhì)上改變基片 臺(tái)上方偏壓電場(chǎng)的空間分布。文獻(xiàn) X. B. Tian andPaul. K. Chu, Appl. Phys. Lett.，Vol. 81，No. 20，11 November 2002中指出聚焦效應(yīng)不僅僅存在于基片11 (圖1、圖2所示)，而是在 整個(gè)基片臺(tái)上方都存在。因而上述兩種方法并不能完全消除聚焦效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種等離子體浸沒(méi)注入裝置，解決因偏壓電場(chǎng)產(chǎn) 生的離子聚焦效應(yīng)所引起的離子注入不均勻問(wèn)題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種等離子體浸沒(méi)注入裝置，包括 氣源、功率源、工作腔室、基片臺(tái)和真空系統(tǒng)，所述基片臺(tái)上方設(shè)有柵電極。上述方案中，所述柵電極與基片臺(tái)平行設(shè)置。上述方案中，所述柵電極的形狀為圓形，所述柵電極的直徑Rstu、所述工作腔室的 外直徑Rqs、所述基片臺(tái)的直徑R_、所述基片臺(tái)上基片的直徑I^p、所述柵電極與基片臺(tái)之間 的距離H之間的關(guān)系為=Rjp彡Rjpt彡2RJP，Rjpt彡Rsdj彡Rqs, 0 < H彡2RJpt。上述方案中，所述柵電極上均勻設(shè)置若干通孔。上述方案中，所述通孔總面積與柵電極面積比即通孔占空比K滿足如下條件，0 < K < 0. 9。上述方案中，所述通孔的的形狀為圓形，所述通孔直徑Rk滿足如下條件， Imm ^ Rk ^ 50mmo上述方案中，所述柵電極是由導(dǎo)電絲構(gòu)成的導(dǎo)電絲網(wǎng)。上述方案中，所述導(dǎo)電絲網(wǎng)上的通孔形狀為多邊形。上述方案中，所述導(dǎo)電絲網(wǎng)上的通孔用一個(gè)最小圓覆蓋，所述最小圓的直徑Rtk滿 足如下條件，1讓(Rtk ( 100mm。上述方案中，所述基片的直徑Rjp為四英寸、八英寸或十二英寸。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下本發(fā)明通過(guò)在現(xiàn)有裝置中增加?xùn)烹姌O，使基片臺(tái)上方的電場(chǎng)分布，特別是基片上 方的電場(chǎng)分布變成了兩個(gè)平行板之間的電場(chǎng)分布。當(dāng)柵電極接地時(shí)，基片上方的偏壓電場(chǎng) 分布垂直于基片表面，平行且均勻，使得穿過(guò)柵電極的離子在此平行且均勻的偏壓電場(chǎng)的 加速下垂直注入到基片中，而不存在注入離子聚焦效應(yīng)，從而可以使離子注入均勻。




圖1為現(xiàn)有技術(shù)中單腔室等離子體浸沒(méi)注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中雙腔室等離子體浸沒(méi)注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中基片臺(tái)周?chē)入x子鞘層形狀示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的等離子體浸沒(méi)注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的等離子體浸沒(méi)注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中柵電極與基片臺(tái)之間電場(chǎng)分布示意圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中基片臺(tái)上方電場(chǎng)分布模擬結(jié)果示意圖； 圖8為不帶柵電極基片臺(tái)上方電場(chǎng)分布模擬結(jié)果示意圖； 圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖11為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種等離子體浸沒(méi)注入裝置，包括氣源、功率 源、工作腔室、基片臺(tái)11和真空系統(tǒng)，工作腔室70包括等離子體源，基片臺(tái)11上方設(shè)置于 基片臺(tái)11平行的柵電極50。圖4所示裝置中的等離子體源是平面感應(yīng)耦合等離子體源(InductivelyCoupled Plasma, I CP)；圖5所示裝置中的等離子體源是是圓柱狀感應(yīng)耦合等離子體源；另外，等離 子體源還可以是電子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等離子體源。柵電極 50的形狀為圓形，柵電極50直徑Rsdj、工作腔室70外直徑Rqs、基片臺(tái)11直徑Rjpt、基片40直 徑Rjp、柵電極50與基片臺(tái)11之間的距離H具有如下關(guān)系Rjp彡Rjpt彡2RJP, Rjpt彡Rsdj彡Rqs, 0 < H彡2RJpt，基片40直徑Rjp可以為四英寸、八英寸或十二英寸。由于柵電極50的存在，基片臺(tái)11上方的電場(chǎng)分布，特別是基片40上方的電場(chǎng)分 布，將變成兩個(gè)平行板之間的電場(chǎng)分布；當(dāng)柵電極50接地時(shí)，基片40上方的偏壓電場(chǎng)分布 60垂直于基片40表面，平行且均勻，如圖6所示。帶有柵電極結(jié)構(gòu)的等離子體浸沒(méi)注入裝置中基片臺(tái)上方電場(chǎng)強(qiáng)度隨基片臺(tái)直徑 方向分布的模擬結(jié)果如圖7所示，沒(méi)有柵電極結(jié)構(gòu)的等離子體浸沒(méi)注入裝置中基片臺(tái)上方 電場(chǎng)強(qiáng)度隨基片臺(tái)直徑方向分布的模擬結(jié)果如圖8所示。圖7與圖8相比，帶有柵電極結(jié) 構(gòu)的等離子體浸沒(méi)注入裝置中基片臺(tái)上方的電場(chǎng)分布更加均勻。穿過(guò)柵電極50的離子在 電場(chǎng)60加速下垂直注入到基片40中，而不存在對(duì)離子聚焦效應(yīng)，從而可以使注入均勻。如圖9所示，柵電極50上均勻排布的通孔51的形狀為圓形，孔直徑Rk， Imm彡Rk彡50mm，所有通孔51總面積與柵電極50的面積比(通孔占空比)K滿足0 <Κ^0.9ο如圖10所示，柵電極50是由導(dǎo)電絲52構(gòu)成的導(dǎo)電絲網(wǎng)，通孔51的形狀還可 以是其它形狀，例如三角形、四邊形等多邊形；還可以是多種形狀的組合，例如三角形和六 邊形的組合，如圖11所示；無(wú)論通孔51的形狀如何，只要滿足占空比0 < K < 0. 9即可。 若將柵電極上的通孔用一個(gè)最小圓覆蓋，則該圓的直徑Rtk滿足Imm ( Rtk ( 100mm。本實(shí)施例提供的等離子體浸沒(méi)注入裝置工作時(shí)，整個(gè)工作腔室壁10接地，由機(jī)械 泵18、分子泵16和尾氣處理系統(tǒng)19組成的真空部分首先啟動(dòng)，當(dāng)工作腔室70的壓強(qiáng)達(dá)到 工作壓強(qiáng)時(shí)，工作氣體從氣源23到達(dá)勻氣裝置30進(jìn)入工作腔室70，勻氣裝置30會(huì)使工作 氣體更均勻地進(jìn)入工作腔室70。等離子體起輝所需的功率由射頻功率源20通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò) 21加到耦合線圈22上，耦合線圈將功率源的能量通過(guò)石英窗24耦合到工作腔室70內(nèi)。然 后，在工作腔室70內(nèi)的工作氣體起輝產(chǎn)生等離子體。等離子體中的正離子體與電子穿過(guò)柵 電極50上的通孔51，正離子在偏壓電場(chǎng)的加速作用下注入到基片40中，偏壓由負(fù)偏壓源 12提供?；?0放在基片臺(tái)11上，注入過(guò)程中冷卻系統(tǒng)17為基片散熱。注入劑量檢測(cè)部 分25在基片臺(tái)11上，控制離子注入劑量。本發(fā)明通過(guò)在現(xiàn)有裝置中增加?xùn)烹姌O，使基片臺(tái)上方的電場(chǎng)分布，特別是基片上 方的電場(chǎng)分布變成了兩個(gè)平行板之間的電場(chǎng)分布；當(dāng)柵電極接地時(shí)，基片上方的偏壓電場(chǎng) 分布垂直于基片表面，平行且均勻，使得穿過(guò)柵電極的離子在此平行且均勻的偏壓電場(chǎng)的加速下垂直注入到基片中，而不存在注入離子聚焦效應(yīng)，從而可以使離子注入均勻。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種等離子體浸沒(méi)注入裝置，包括氣源、功率源、工作腔室、基片臺(tái)和真空系統(tǒng)，其特征在于所述基片臺(tái)上方設(shè)有柵電極。
2.如權(quán)利要求1所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述柵電極與基片臺(tái)平 行設(shè)置。
3.如權(quán)利要求2所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述柵電極的形狀為圓 形，所述柵電極的直徑Rstu、所述工作腔室的外直徑Rqs、所述基片臺(tái)的直徑、所述基片 臺(tái)上基片的直徑&、所述柵電極與基片臺(tái)之間的距離H之間的關(guān)系為、彡Rjpt彡2RJP, Rjpt Rsdj Rqs' 0 < H < 2Rjpt。
4.如權(quán)利要求3所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述柵電極上均勻設(shè)置 若干通孔。
5.如權(quán)利要求4所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述通孔總面積與柵電 極面積比即通孔占空比K滿足如下條件，0 < K < 0. 9。
6.如權(quán)利要求5所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述通孔的的形狀為圓 形，所述通孔直徑Rk滿足如下條件，Imm ^ Rk ^ 50mm。
7.如權(quán)利要求3所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述柵電極是由導(dǎo)電絲 構(gòu)成的導(dǎo)電絲網(wǎng)。
8.如權(quán)利要求7所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述導(dǎo)電絲網(wǎng)上的通孔 形狀為多邊形。
9.如權(quán)利要求8所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述導(dǎo)電絲網(wǎng)上的通孔 用一個(gè)最小圓覆蓋，所述最小圓的直徑Rtk滿足如下條件，Imm ( Rtk ( 100mm。
10.如權(quán)利要求3所述的等離子體浸沒(méi)注入裝置，其特征在于所述基片的直徑為 四英寸、八英寸或十二英寸。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理技術(shù)和設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體浸沒(méi)注入裝置，包括氣源、功率源、工作腔室、基片臺(tái)和真空系統(tǒng)，所述基片臺(tái)上方設(shè)有柵電極。本發(fā)明通過(guò)在現(xiàn)有裝置中增加?xùn)烹姌O，使基片臺(tái)上方特別是基片上方的電場(chǎng)分布變成了兩個(gè)平行板之間的電場(chǎng)分布；當(dāng)柵電極接地時(shí)，基片上方的偏壓電場(chǎng)分布垂直于基片表面，平行且均勻，使得穿過(guò)柵電極的離子在電場(chǎng)加速下垂直注入到基片中，而不存在注入離子聚焦效應(yīng)，從而可以使離子注入均勻。
文檔編號(hào)C30B31/22GK101922046SQ20101026902
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者劉杰, 夏洋, 李勇滔, 李超波, 汪明剛, 趙麗莉, 陳瑤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所