等离子体掺杂装置.pdf

本发明的掺杂装置具有其中限定有室的真空容器。所述容器具有由电介质材料制成的一个部分，该部分具有将被掺杂在基片中的杂质，其中所述基片设置在所述室中。同样，在所述室中设置用于产生等离子体的等离子体源，所述等离子体源通过形成穿过所述容器的所述部分的电场来产生等离子体。利用所述装置，等离子体中的离子撞击容器的所述部分，从而将从所述容器的所述部分中出来的杂质供至所述室中。

1.  一种等离子体掺杂装置，包括：
其中限定有室的真空容器，所述容器具有由电介质材料制成的一个部分，该部分具有将被掺杂在基片中的杂质，其中所述基片设在所述室中；以及
等离子体源，所述等离子体源通过形成穿过所述容器的所述部分的电场来在所述室中产生等离子体，使等离子体中的离子撞击所述容器的所述部分，以将杂质从所述容器的所述部分中取出并进入到所述室中。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述杂质沉积在所述容器的所述部分的表面上。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述杂质设置在所述容器的所述部分中。

4.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述等离子体源具有线圈或天线以及功率源，所述功率源用来向所述线圈或天线的一端施加高频功率，从而在所述室中产生等离子体，所述功率源具有第一电源和第二电源，其中所述第一电源用来提供具有第一频率(f1)的第一功率，所述第二电源用来提供具有第二频率(f2)的第二功率。

5.  根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述线圈或天线的另一端接地。

6.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述等离子体源具有线圈或天线、向所述线圈或天线施加第一高频功率从而在所述室中产生等离子体的第一功率源、设在所述线圈或天线与所述容器的所述部分之间的偏压电极以及向所述偏压电极施加第二高频功率的第二功率源。

7.  一种器件，具有利用如权利要求1所述的装置来将杂质掺杂在其上的一部分或全部基片。

等离子体掺杂装置
技术领域
本发明涉及一种利用等离子体掺杂或等离子体植入技术将杂质离子掺杂到基片，如半导体基片上的装置。
背景技术
图11示出了一种由标号200指示的传统等离子体掺杂装置。该装置200具有在其中限定有真空室204的容器202和设置在室204中用来支撑基片208的电极或平台(table)206。容器202既与提供掺杂气体，如B₂H₆的气体供应件210相连，又与能在室204中产生真空的真空泵212相连。同样，能发出微波并且使微波通过窗216进入室的微波导向器214和用来将所述微波引导至基片208的磁装置218均设置在容器202上。窗216是由电介质材料，如石英玻璃制成的。平台206通过电容器220连到高频功率源222来控制平台206的电压，从而使许多杂质离子掺杂到基片中。工作中，掺杂气体被供入室204中，在室204中掺杂气体被微波与直流(DC)磁场之间的相互作用离子化，从而形成微波等离子体，即回旋共振等离子体224。接着，离子化的硼借助于功率源222被植入基片208的表面。例如，基片208在掺杂表面形成金属线层。另外，在所述的金属线路层上产生薄的氧化层。最后，利用传统沉积技术，例如CVD(化学气相沉积)技术，使门电极在表面上形成，这样制成了MOS(金属氧化物)晶体管。
然而，通常认为，包括当被加入到诸如二氧化硅基片等基片中时显示电气活性的硼的诸如B₂H₆等掺杂气体是有毒物质。同样，依据所述等离子体掺杂，在掺杂气体中的所有材料被掺杂到基片中。例如，对于B₂H₆，尽管硼是唯一有效的材料，但是不仅硼离子，而且氢离子也被掺杂到基片中。那么，掺杂的氢离子在后续热处理，例如外延生长过程中会导致基片中产生晶格缺陷。
为了克服这个问题，在JP 9-115851(A)中已提出了另一种掺杂装置，如图12所示。由标号230指示的掺杂装置具有包含有杂质且设在室204中的块体(block)232。块体232由固定支撑件234支撑，支撑件234通过电容器236与高频功率源238电气连接。通过这种结构，从气体供应件210供入的气体，例如氩气被离子化以形成等离子，所述等离子区离子依次撞击平台，以从那里取出杂质离子来植入基片。这种装置当然消除了在图11中的前述装置的缺点；但是由于包括支撑件234在内的附加结构使装置体积变大。而且，由于块体232和基片208的不对称设置，导致从块体232中取出来的杂质离子被不均匀地植入到基片208中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的等离子体掺杂装置，它能均匀地将杂质掺杂到基片中。
根据本发明的等离子体掺杂装置，它具有其中限定有室的真空容器。所述容器具有包含有将被掺杂到基片中的杂质的一部分，其中所述基片设在所述室中。等离子体发生器设在所述装置上，用于通过形成穿过所述室的所述部分的电场来在所述室中产生等离子体，它使等离子体中的离子撞击所述容器的所述部分，以将杂质从容器的所述部分中取出来并使杂质进入所述室中。
附图说明
图1A是根据本发明第一个实施例的掺杂装置的横截面示意图。
图1B是图1A中顶壁的放大横截面示意图。
图1C是本发明另一个实施例的顶壁的放大横截面示意图。
图2是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图3是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图4是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图5是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图6A是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图6B是图6A所示掺杂装置中使用的电极的俯视图。
图7是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图8A是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图8B是图8A所示掺杂装置中使用的电极的示意性透视图。
图9是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图10是本发明另一种掺杂装置的横截面示意图。
图11是传统掺杂装置的横截面示意图。
图12是另外一种掺杂装置的横截面示意图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的等离子体掺杂方法和装置的不同实施例。
参见图1A，示出根据本发明的由标号10指示的掺杂装置。掺杂装置10具有其中限定有室14的容器12。容器12具有限定容器12的侧壁18和底壁20的第一部分16和限定容器12的顶壁24的第二部分22，所述第二部分22可拆装地连接在第一部分16上。容器12的第一部分16由导电材料，如铝和不锈钢制成，并且电气接地。容器12的第二部分22，即顶壁24由电介质材料，如硅酮、石英玻璃和氮化硅制成，通过所述第二部分22将高频电场引入室14中。底壁20上具有限定在其中的开口26，所述开口26流体连接(fluidly connect)至真空泵28，例如涡轮分子泵。阀门构件30设置在室14中并且在开口26附近，所述阀门构件30由图中未示出的提升装置支撑，以便通过提升阀门构件30将开口26的打开率(open ratio)及室12的真空度控制在一个特定值，如0.04Pa。
特别的是，如图2A所示，部分限定室14的顶壁24地下表面具有由植入杂质，如硼制成的层25A。硼层的优选厚度为大约10-100μm。有益的是，下限是考虑转换的频率而确定的，上限是考虑层的脱落而确定的。可选的是，如图2B所示，硼25B可以混合入顶壁24的内部。在这种情况下，在壁24的制造过程中混合加入硼。例如，如果顶壁是由二氧化硅玻璃制成的，那么粉状硼被均匀的加入熔融的二氧化硅中。另一方面，如果顶壁是由陶瓷材料制成的，那么硼在顶壁烧结前混合入陶瓷材料中。
平台(table)32也设置在室14中。平台32被多个支撑件34支撑在室14的中心，并与顶部电介质壁24分离开一定的距离，这样限定具有一定体积的空间36，用于形成等离子体。平台32具有顶部扁平表面，用来支撑预定离子植入其中的诸如硅板等基片38。
等离子体气体供应源40流体连接(fluidly connect)至室14，以便包含有氩气(Ar)的特定气体从所述等离子体气体供应源40供至室14中。例如，氩气量控制在10sccm(标准立方厘米每分钟)。
为了在等离子体形成空间36中产生等离子体42，尤其是感应耦合等离子体(ICP)，螺旋形线圈44以与圆柱形容器12同轴的形式设置在电介质壁24的上方且在室14的外部。如图所示，线圈44的中间末端部分46的位置高于相对的外围末端部分48，这样线圈44呈现为圆锥形构造。所述线圈44的中间末端部分46连接至能够提供如13.56MHz高频电力的第一个高频功率源50。另一方面，所述线圈44的外围末端部分48接地。
同样，为了向平台32和基片38提供相对于等离子体42的负极性，第二高频功率源52或电源也被电气连接到平台32上。
在所述的等离子体掺杂装置10的工作过程中，基片38被放置在平台32上，以便使基片38的大致整个表面与平台32的相对表面接触。在这种情况下，含有氩气的气体从等离子体气体供应源40供至室14中。泵28对室14进行真空化，阀门构件30的上和/或下运动调节开口26的打开率，从而控制真空度。进一步说，平台的温度保持在10℃。在这种条件下，高频功率800W和500W从功率源50分别作用在线圈44和平台32上。结果，在基片38上方的空间36中产生了等离子体42。这使得等离子体中的离子撞击顶壁24，从而依次使硼离子从硼层或顶壁内部中放射到室14中。然后，由于在等离子体42与基片38之间产生外壳电压(sheath voltage)，因此室14中的硼离子被植入基片的表面中，从而在基片38的表面上产生超薄硼植入层。
特别的是，由于螺旋形线圈44被设置成圆锥形，因此它的中间末端部分46与顶壁24之间的空间大于外围末端部分48与顶壁24之间的空间。这样使得充分均匀的高频电场施加在硼层25A和顶壁24的每个部分上，以便将硼离子从其中拉取出来，然后以充分均匀的方式植入基片中。
如图2所示，螺旋形线圈44可平行于顶壁24而设，这样使线圈44的每个部分与顶壁24之间留有恒定的距离。这样提高了硼层或顶壁中心部分的硼传递。因此，在这种情况下，顶壁24的外围部分可以比中心部分供以更多的硼，这样顶壁24的每个部分以充分均匀的方式供应硼。
参考图3，顶壁24可以具有半圆形穹顶部分60。在这个实施例中，线圈67或天线围在半圆形穹顶部分60的周围。与功率源66相连的磁性线圈64设置在线圈62的周围，用来产生通过半圆形穹顶部分60并朝向基片的磁场。这会产生螺旋形波等离子体或磁中性环路等离子体(magnetic neutral loop plasma)，所述的每种等离子体具有高于电感耦合等离子体密度的被提高密度。同样，通过控制从功率源66施加到电磁线圈64的电流，可以在室14中产生DC磁场或低于1KHz的低频磁场。
参考图4，两个电磁线圈68和70可以围绕线圈62的相对侧面对称而设，并且与各个功率源72和74相连，所述各个功率源72和74能施加流向不同的各个电流，以便在线圈62相对的两侧上产生相斥的磁场，这使得磁中性环路等离子体具有高于电感耦合等离子体的被提高密度。同样，通过控制从功率源到电磁线圈的电流，可以在室14中产生DC磁场或等于或低于1KHz的低频磁场。
图5显示了所述装置的另一种改变例。根据该改变例，天线或线圈46的中间末端部分也连接到另一个提供500KHz功率的高频功率源76上。所述装置还包括用来检测从线圈44返回到功率源50的13.56MHz反射波的反射波检测电路80。同样，检测电路80与带通滤波器82连接，用来防止电路80受来自功率源76的500KHz高频的不利影响。这样保证了检测电路80仅检测13.56MHz的分量，而不受可能由500Hz高频功率源引起的电介质壁24的外壳厚度变化而带来的不利影响，并允许检测可能由高频功率源50和/或没有直接显示的匹配电路引起的任何问题。线圈44的外围末端48通过如电容为1000皮法的电容器84接地。
使用图5所示的装置实施测试。在测试中，在将基片放置于平台上之后，平台32的温度保持在10℃。含氩气的气体以10sccm(标准立方厘米每分钟)的速度被供入室中。室中的压力保持在0.04Pa。接着，螺旋形线圈44被功率源50施加13.56MHz，800W的高频功率，并且同时被功率源76施加400W、500KHz的高频功率。同样，另一个高频功率从功率源52施加到平台32上。结果证实，硼被植入基片的表面中。
如对图2到图4中显示的实施例的描述，对于线圈、顶壁和电磁线圈可采取不同的改进和替换。
尽管在上述实施例中，13.56MHz(f1)和500KHz(f2)的高频功率被施加到线圈上，但是优选后者频率f2约是前者频率f1的十分之一。例如在上述实施例中，13.56MHz和500KHz被施加到线圈上，电容器84的关于较高和较低的高频f1和f2的电阻抗分量被分别计算如下：
      1/(2π×13.56×10⁶×1000×10^-12)＝12Ω     (1)
      1/(2π×500×10³×1000×10^-12)＝320Ω       (2)
在另一方面，假定线圈44的电感为0.8μH，线圈44的关于f1和f2的电阻抗分量分别计算如下：
      2π×13.56×10⁶×0.8×1000×10^-6＝68Ω     (3)
      2π×500×10³×0.8×1000×10^-6＝2.5Ω       (4)
那么，施加到线圈44和电容器84上的关于f1和f2电压比分别计算如下：
       68÷12＝5.7                                (5)
       2.5÷320＝0.0078                           (6)
这个结果表明，从f1的角度看，包括线圈和电容器的串联电路用作电感元件，而另一方面，从f2的角度看，串联电路用作电容元件。因此，当在高频f2的帮助下，线圈44与等离子体之间的电容耦合引起离子撞击顶壁24时，高频f1产生电感耦合等离子体。这样使得等离子体密度独立受控于高频功率f1的控制，并且使得离子的撞击独立受控于高频功率f2的控制，这只在频率f2大约等于或低于频率f1的十分之一的情况下才能实现。
另外，当线圈44的关于f1的电阻抗是电容器84的两倍时，或当所述线圈的关于f2的电阻抗不到所述电容器的五分之一时，f1和f2之间的差被有效地反映在施加到线圈44和电容器84的电压比上。可以理解，当使用设置在一个平面中的多个螺旋形线圈时，每个线圈和电容器的组合的电阻抗都要分析。
例如，可以理解，当电容器关于f1的电阻抗小于25Ω，而关于f2的电阻抗等于或大于250Ω时，有效差值(efficient difference)产生在施加到线圈44和电容器84上的电压中。如果线圈关于f1的电阻抗小于5Ω，并且线圈关于f2的电阻抗等于或大于50Ω，那么会产生同样的结果。
图6A显示了本发明掺杂装置的另一个实施例。在这个实施例中，特别的是，盘形电极90被设置在顶壁24的上面或上方，并且在线圈44之下。如图6B所示，电极90设计成具有许多分支，每个分支从与室14的轴线对应的电极中心对称地沿径向向外延伸。同样，电极90与高频功率源92相连，这样高频功率源92给电极提供900KHz的高频功率。通过这种结构，硼以均匀的方式从顶壁的表面或内部放出进入室14中。同样，电极的每个分支都垂直于螺旋形线圈而延伸，从而不会给线圈产生的磁场带来不利影响。
如图7所示，螺旋形线圈44可以设置在平行于顶壁的一个平面内，而不是以圆锥形设置。
同样，在图8A，图8B和图9中示出了关于图3和图4中所描述的装置的改变例，如果顶壁24具有半圆形穹顶部分60，那么在半圆形穹顶部分60和电磁线圈64之间设置与高频功率源96相连的电极94或天线。优选的是，电极94具有环绕半圆形穹顶部分60的环状部分和多个分支98，每个分支沿着半圆形穹顶部分60的外表面并且从所述环状部分沿径向相外延伸。
进一步说，如图10所示，可以设置外壳100，以便它覆盖半圆形穹顶部分60和电极94以围绕它们限定空腔102。空腔102连到用来产生微波的磁控管104上。根据这种装置，从磁控管104发出的微波通过空腔102传输到电极94上，从而使所述室14中的回旋共振等离子体的密度高于电感耦合等离子体的密度。
尽管目前描述了不同的实施例，但是本发明的植入装置还可以以不同的形式进行修改和改进。
同样，尽管由硅制成的半导体板被用作基片，但是基片可以由任何材料制成。
进一步说，尽管硼被用来作为植入杂质，即掺杂剂，但是包括砷，磷，铝和锑的另外的杂质可作为替代或附加杂质被植入。
进一步说，尽管氩Ar被用做稀释气体，但是可以用另外的、例如由氮和氦制成的气体来替换。
零件列表
10：离子掺杂装置
12：容器
14：室
16：容器的第一部分
18：侧壁
20：底壁
22：容器的第二部分
24：顶壁
25A：硼层
25B：硼
26：开口
28：真空泵
30：阀门构件
32：平台
34：支撑件
36：空间
38：基片
40：等离子体气体供应源
42：等离子体
44：螺旋形线圈
46：线圈的中间末端部分
48：线圈的外围末端部分
50：第一高频功率源
52：第二高频功率源
60：半圆形穹顶部分
62：线圈
64：电磁线圈
90：电极