УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ПРИ НИЗКОМ ДАВЛЕНИИ
DEVICE FOR PLASMA-IMMERSION ION IMPLANTATION AT LOW PRESSURE

Настоящее изобретение относится к устройству для плазменно-иммерсионной ионной имплантации при низком давлении.
Изобретение относится к ионно-имплантационным устройствам с применением плазмы, т.е. ионно-имплантационным устройствам, работающим в плазменно-иммерсионном режиме.
Таким образом, имплантация ионов в подложку включает погружение подложки в плазму и подачу на нее отрицательного напряжения от нескольких десятков вольт (эВ) до нескольких десятков киловольт (кэВ) (обычно меньше 100 кВ) с целью создания электрического поля, обеспечивающего ускорение ионов плазмы в направлении подложки.
Глубина проникновения ионов определена их энергией ускорения. Прежде всего, она зависит от напряжения, приложенного к подложке, а также от соответствующих свойств ионов и подложки.
-3
-1
По причинам физического характера для воспламенения и поддержания плазмы необходимо относительно высокое давление, обычно от 10 миллибар (мбар) до 10 мбар. Такое высокое давление приводит к возникновению нежелательных побочных эффектов. Подложка становится местоположением повторного осаждения и травления. Кроме того, существует прямая зависимость расхода газа от рабочего давления.
Поэтому были предприняты попытки насколько возможно понизить давление. Однако понижение давления осложняет воспламенение плазмы и значительно сокращает ее плотность.
В настоящее время допустима зависимость оптимального рабочего давления от типа ионного источника, создающего и поддерживающего плазму:
2
-1
- микроволновые источники: от 10  мбар до 10 мбар и
-3
-1
- радиочастотные источники: 10 мбар до 10 мбар.
Тепловые источники (источники с нитью накала) обеспечивают понижение давления, но приводят к возникновению загрязнения при выпаривании.
Разрядные источники также обеспечивают работу при низком давлении, но негативно влияют на плотность плазмы.
Таким образом, в документе US 2001/0046566 раскрыто устройство для плазменно-иммерсионной ионной имплантации, содержащей:
- корпус, присоединенный к насосному устройству;
- отрицательно заряженный держатель подложки, размещенный в корпусе; и
- плазмоподающее устройство, содержащее камеру, снабженную ионизационной ячейкой, причем камера выполнена в форме по существу цилиндрического тела, проходящего между начальным участком и завершающим участком, сообщающимся с корпусом, и
камеру, снабженную газоподводящим отверстием; и
завершающий участок, обеспечивающий уменьшение напора относительно указанного тела.
Устройство для имплантации обеспечивает образование плазмы при относительно высоком давлении со значительным уменьшением упомянутых побочных эффектов.
Однако, во-первых, решетка, создающая уменьшение напора, оптимизирована с учетом электромагнитных факторов, а не с точки зрения создаваемого ею уменьшения напора.
Во-вторых, эта решетка имеет проводимость и, следовательно, выполнена из металлического материала, что может привести к загрязнению плазмы. Решетка подвергается травлению при контакте с плазмой (химическое и ионное травление). Металлическое загрязнение в результате такого травления в определенных областях применения, таких как микроэлектроника, исключено. Кроме того, возникает существенное явление нежелательного осаждения, происходящего на стенки, контактирующие с плазмой, т.е. стенки камеры.
В-третьих, использование металлической решетка способствует блокированию электромагнитного поля для воспламенения плазмы с целью удержания его в камере и предотвращения его распространения в корпус, где ускоряются ионы. Ускоряющее ионы электростатическое поле возникает между подложкой и решеткой и задает ионам траекторию следования, предотвращая таким образом так называемую «конформную» трехмерную имплантацию, полученную посредством слоя Чайлда-Лэнгмюра, когда плазма окружает подложку.
В-четвертых, камера напрямую сообщается с корпусом, в результате чего также происходит нежелательное проникновение плазмы в корпус.
Задача настоящего изобретения заключается в усовершенствовании известных устройств.
Согласно изобретению предложено ионно-имплантационное устройство, содержащее
- корпус, соединенный с насосным устройством;
- отрицательно поляризованный держатель подложки, размещенный в указанном корпусе; и
- плазмоподающее устройство, выполненное в форме по существу цилиндрического тела, проходящего между начальным участком и завершающим участком, при этом указанное устройство содержит главную камеру, снабженную ионизационной ячейкой;
главная камера снабжена газоподводящим отверстием;
конечный участок главной камеры снабжен средствами уменьшение напора для создания перепада давления относительно указанного тела;
кроме того, плазмоподающее устройство дополнительно содержит вспомогательную камеру, размещенную вне конечного участка, при этом вспомогательная камера сообщается с корпусом на завершающем участке.
Предпочтительно, вспомогательная камера снабжена второй ионизационной ячейкой.
Преимущественно, объем плазмоподающего устройства меньше объема корпуса.
В первом варианте реализации изобретения конечный участок выполнен в виде перегородки с множеством отверстий.
Во втором варианте реализации изобретения конечный участок содержит проем, площадь которого меньше площади любого другого участка указанного тела, размещенного между начальным участком и завершающим участком.
Дополнительно, первая ионизационная ячейка содержит катушку возбуждения и удерживающую катушку.
Предпочтительно, ось держателя подложки и ось плазмоподающего устройства являются отдельными осями.
При этом держатель подложки и плазмоподающее устройство отстоят друг от друга с возможностью регулировки.
Предпочтительно, конечный участок выполнен с возможностью удаления.
Предложенное устройство дополнительно может содержать по меньшей мере одно дополнительное плазмоподающее устройство.
Предпочтительно, устройство содержит:
- источник напряжения с заземленным положительным полюсом;
- конденсатор, соединенный параллельно с источником напряжения; и
- переключатель, соединенный между отрицательным полюсом источника напряжения и поворотной площадкой держателя подложки.
Кроме того, поворотная площадка держателя подложки выполнена с возможностью перемещения путем вращения вокруг своей оси.
Причем поворотная площадка держателя подложки выполнена в форме диска, а расстояние между поворотной площадкой держателя подложки и плазмоподающим устройством превышает диаметр держателя подложки.
Предпочтительно, средства уменьшение напора электрически изолированы.
Далее приведено подробное описание конкретных вариантов реализации изобретения со ссылками на чертежи, где
на фиг. 1 показано имплантационное устройство в разрезе;
на фиг. 2 изображена схема подачи напряжения на поворотную площадку держателя подложки, в частности
на фиг. 2а изображена схема согласно первому варианту реализации; и
на фиг. 2b изображена схема схема согласно второму варианту реализации;
на фиг. 3 показано плазмоподающее устройство в разрезе согласно второму варианту реализации.
Согласно фиг. 1 вакуумный корпус ENV представляет собой ионное имплантационное устройство. В микроэлектронике рекомендовано использовать корпус, выполненный из алюминиевого сплава с целью ограничения загрязнения металлами, такими как железо, хром, никель или кобальт. Кроме того, возможно использование покрытия из кремния или карбида кремния.
Насосные средства VAC размещены ниже корпуса ENV.
Поворотная площадка PPS держателя подложки выполнена в форме горизонтально размещенного диска, выполненного с возможностью перемещения относительно вертикальной оси АХТ, а также с возможностью размещения на нем подложки SUB для осуществления ее ионизации. Диск соединен с высоковольтной системой НТ электропитания через электрический изолятор PET, причем система электропитания заземлена. Диапазон отрицательного потенциала, прикладываемого к держателю подложки, в целом от нескольких десятков вольт до нескольких десятков киловольт.
Как правило, система электропитания содержит обычный источник постоянного тока (DC) с заземленным положительным полюсом. Однако изобретение применимо вне зависимости от средств, используемых для приложения отрицательного напряжения к подложке в условиях плазменно-иммерсионного режима имплантации, и вне зависимости от того, постоянное или переменное напряжение прикладывают. Подложка, особенно если она изолирующая, имеет тенденцию становиться положительно заряженной.
Согласно фиг. 2а в первом варианте реализации системы НТ электропитания обеспечено ограничение влияния заряда. Она содержит источник SOU напряжения постоянного тока с заземленным положительным полюсом. Соединительная ветвь, подключенная параллельно с источником напряжения, образована конденсатором CDS, соединенным последовательно с резистором RES, при этом резистор соединен с отрицательным полюсом источника SOU. Поворотная площадка PPS держателя подложки соединена с общей точкой между конденсатором CDS и резистором RES.
Конденсатор CDS имеет низкое значение емкости, чтобы во время стадии его разряжения обеспечить постепенное возвращение потенциала подложки к величине, близкой к нулю.
Даже с учетом того, что применение импульсной плазмы обеспечивает возможность ограничения влияния заряда, проблема остается, в частности в том случае, если потенциал подложки остается сильно отрицательным во время осуществления способа (при использовании конденсаторов большой емкости).
При использовании конденсатора малой емкости в сочетании с плазменным импульсом достаточной длины возникает следующее явление:
в начале импульса конденсатор заряжается, потенциал подложки устанавливают посредством зарядного напряжения, и ионы ускоряются на пути к подложке благодаря упомянутому механизму;
напряжение на клеммах конденсатора падает, потому что конденсатор разряжается в плазму, и
при превышении определенного потенциала, который в настоящей заявке указан как потенциал инверсии, положительный заряд, накопившийся на изоляционных зонах, создает электрическое поле, которое становится преобладающим и привлекает электроны плазмы; таким образом, происходит нейтрализация положительных зарядов и предотвращение вероятности дугообразования.
Указанный процесс нейтрализации особенно эффективен при низком рабочем давлении. Если длина свободного пробега электронов велика, то поток электронов, достигающий поверхности для нейтрализации влияния заряда, также значителен.
Поэтому условия, необходимые для создания этих механизмов, следующие:
соответственно малая емкость конденсатора CDS;
соответственно долгая продолжительность плазменного импульса для достижения потенциала инверсии прежде, чем накопленный на поверхности заряд приведет к возникновению дугообразвания, а также
соответственно низкое рабочее давление для того, чтобы благодаря длине свободного пробега электронов, созданных источником плазмы, облегчить достижение электронами подложки без угрозы столкновения и рекомбинации с молекулами газа и ионов, присутствующих внутри корпуса.
Функция резисторов RES заключается в ограничении тока, когда конденсатор CDS начинает заряжаться.
Кроме того, если этот резистор имеет сопротивление, превышающее эквивалентное сопротивление плазмы, а также служит для ограничения подзарядки конденсатора при осуществлении плазменого импульса, желательно его разрядить.
Для обычного сопротивления плазмы, равного 100 кОм (кΩ), сопротивление нагрузки предпочтительно находится в пределах от 200 кОм до 2000 кОм. Емкость конденсатора CDS такова, что он разряжается почти полностью в конце плазменного импульса.
Параметры, обычно используемые в этом режиме, следующие:
8
3
10
3
- плотность плазмы находится в диапазоне от 10 на кубический сантиметр (см) до 10/см;
- продолжительность плазменного импульса находится в диапазоне от 15 микросекунд (мкс) до 500 мкс;
- частота следования импульсов находится в диапазоне от 1 герца (Гц) до 3 килогерц (кГц);
-4
-3
- рабочее давление находится в диапазоне от 2Х10 мбар до 5Х10 мбар;
2
3
2
2
3
3
- используемый газ: N, BF, О, Н, РН, AsH или Ar;
- сопротивление резистора RES превышает 300 кОм (кΩ);
- емкость конденсатора CDS 500 пФ (pF), и
- напряжение смещения находится в диапазоне от -100 В до -10000 В.
Согласно фиг. 2В во втором варианте реализации системы НТ2 электропитания также обеспечено ограничение влияния заряда. Эта система питания содержит источник SOU напряжения постоянного тока с заземленным положительным полюсом. Конденсатор CDD соединен параллельно с источником. Переключатель SW соединен между отрицательным полюсом источника и поворотной площадкой PPS держателем подложки. Переключатель SW изготовлен согласно технологии металлооксидных полупроводников МОП или согласно технологии биполярного транзистора с изолированным затвором БИТЗ.
Когда переключатель SW открыт, конденсатор CDD заряжается положительно при номинальном напряжении источника SOU.
Когда переключатель SW закрыт, в то время как подача плазмы открыта, ток течет благодаря эквивалентной емкости устройства и емкости плазменного слоя. Эквивалентная емкость устройства представляет собой емкость всех элементов, входящих в него, в частности кабелей, электрических изоляторов, изолирующих трансформаторов, а также емкости, которая формируется между держателем подложки и корпусом.
Переключатель SW обычно остается закрытым от 5 мкс до 100 мкс, в течение которых происходит этап имплантации поскольку положительные ионы притягиваются к подложке, на которую подано отрицательное напряжение смещения. Конденсатор имеет такую большую емкость (обычно в диапазоне от 300 нанофарад (nF) до 1,5 мкФ (μF), что напряжение на выводах не падает во время имплантации.
После стадии имплантации переключатель SW открыт и снова происходит заряжение конденсатора CDD от источника SOU.
В это время эквивалентная емкость устройства полностью разряжается в плазму и подложка возвращается к плавающему потенциалу. В результате электроны в плазме нейтрализуют изоляционные зоны подложки, которая стала положительно заряженной при имплантации.
Стадия нейтрализации, в течение которой переключатель SW остается открытым, как правило длится от 1 мкс до 80 мкс.
После окончании стадии нейтрализации плазма может быть погашена на стадии исчезновения, с обеспечением, таким образом, преимущества уменьшения взаимодействий плазма/поверхность, снижения теплового баланса, а также сведения к минимуму образования частиц. Эта стадия погасания обычно длится от 20 мкс до 200 мкс, в течение которой переключатель SW остается открытым.
После этого можно повторить упомянутый цикл:
стадия имплантации;
стадия нейтрализации и
стадия исчезновения.
Стадия нейтрализации может быть сокращена путем ускорения разрядки эквивалентной емкости устройства посредством второго переключателя, расположенного между поворотной площадкой PPS держателя подложки и землей. Указанный второй переключатель закрыт на стадии нейтрализации и на стадии исчезновения, а открыт на стадии имплантации.
Согласно фиг. 1, в верхней части корпуса ENV размещено плазмоподающее устройство АР. Это устройство выполнено в виде по существу цилиндрического тела с вертикальной осью АХР, проходящей между начальным участком (на чертеже вверху) и завершающим участком (на чертеже внизу). Вакуумный корпус ENV снабжен соединительным фланцем BR на завершающем участке устройства АР. Начальный участок имеет подводящее отверстие ING для подачи газа, обеспечивающего возникновение плазмы. Центр подводящего отверстия ING находится на вертикальной оси АХР. Вертикальная ось АХР пересекает поверхность поворотной площадки PPS держателя подложки.
Предпочтительно, плазмоподающее устройство АР выполнено из кремниевого стекла (часто неверно называемого кварцем) или окиси алюминия с целью решения проблемы загрязнения. Предусмотрены средства уменьшения напора для создания перепада давления, которые в этом варианте реализации образованы перегородкой CL с множеством сквозных отверстий. Предпочтительно, перегородка CL электроизоляционная и выполнена предпочтительно из кремниевого стекла, причем перегородка размещена между начальным участком и завершающим участком устройства АР. Например, для цилиндрического тела с диаметром приблизительно 15 сантиметров (см) отверстия в перегородке CL имеют диаметр порядка нескольких миллиметров (мм). С целью облегчения технического обслуживания перегородка CL выполнена с возможностью отсоединения.
Главная камера PR сформирована пространством, образованным перегородкой CL и начальным участком. Таким образом, конечный участок главной камеры ограничен перегородкой CL. Главная камера PR снаружи окружена ионизирующей ячейкой, содержащей, во-первых, радиочастотную антенну ANT1, а во-вторых, в случае необходимости, удерживающую катушку ВС1. В этом варианте реализации антенна ANT1 включает несколько витков электрического проводника, например трубки или полоски из меди.
Разумеется, можно использовать любой тип источника плазмы: разрядный источник, источник индуктивно-связанной плазмы (ИСП), геликон, микроволновой источник или дугу. Эти источники должны работать при достаточно низких уровнях давления, чтобы электрическое поле, наведенное между поворотной площадкой PPS и заземленным корпусом ENV, не приводило к воспламенению плазмы разряда.
Уменьшение напора между телом плазмоподающего устройства АР и корпусом ENV обеспечивает возможность установления разности давлений между двумя компонентами, разность которых находится в диапазоне от одного до двух порядков величины.
Пространство, образованное перегородкой CL и завершающим участком, формирует вспомогательную камеру AUX.
Дополнительно вспомогательная камера AUX также окружена снаружи второй ионизирующей ячейкой, содержащей, во-первых, удерживающую катушку ВС2 и, во-вторых, радиочастотную антенну ANT2.
Кроме того, возможны одна удерживающая катушка и одна антенна, охватывающие обе камеры PR и AUX устройства АР.
2
2
2
3
2
6
3
3
4
4
2
4
4
4
5
3
6
5
Возможна имплантация любых плазмообразующих веществ. Допустимо начинать с использования газообразного исходного вещества, например N, О, Н, He, Xe, Ar, BF, BH, AsH, PH, SiH, GeH, СН, SiF, GeF, AsF, CHF, SF, PF.
Благодаря такой возможности обеспечено значительное ослабление явлений, препятствующих осаждению и травлению.
Обычные параметры плазмы без учета реализации изобретения заключаются в следующем:
3
3
расход газа: от 10 стандартных кубических сантиметров в минуту (см/мин) до 500 см/мин при стандартных условиях давления и температуры;
-3
-1
давление внутри вакуумного корпуса до 10 мбар 10 мбар, и
9
3
11
3
плотность плазмы от 10/cm до 10/cm.
Настоящее изобретение обеспечивает значительное улучшение указанной ситуации благодаря возможности получения следующих значений:
3
3
расход газа: от 0,5 стандартных см/мин до 50 см/мин;
-4
-2
давление внутри вакуумной корпуса: порядка от 10 мбар до 10мбар, и
9
3
11
3
плотности плазмы от 10/cm до 10/cm.
-3
-1
Такие результаты получены благодаря перегородке CL, которая обеспечивает значительное уменьшение напора между местом, где происходит генерация плазмы, то есть главной камерой PR, и местом применения плазмы. Таким образом, обеспечена возможность сохранения давления порядка от 10 мбар до 10 мбар в главной камере при одновременном существенном снижении этого давления в вакуумном корпусе ENV. Благодаря такому давлению в главной камере облегчено воспламенение плазмы. Затем электроны плазмы под действием электростатических полей, наведенных ионизирующей ячейкой, достигают вакуумного корпуса ENV через перегородку CL и вызывают воспламенение плазмы и распространение плазмы в корпусе.
Изобретение основано на уменьшении напора. Оно может быть реализовано разными способами.
На фиг. 3 изображено для ознакомления плазмоподающее устройство согласно второму варианту реализации.
Плазмоподающее устройство АРВ также выполнено в форме по существу цилиндрического тела, проходящего между начальным участком и завершающим участком. Фланцевое соединение BR также имеет то же назначение, а именно соединения завершающего участка устройства АРВ и вакуумного корпуса. Согласно упомянутому, начальный участок снабжен подающим отверстием INL, в которое вводят газ. Однако уменьшение напора достигается не за счет перегородки с множеством отверстий. В этом варианте реализации главная камера PR2 образована посредством тела устройства АРВ. Вспомогательная камера в этом примере отсутствует, а завершающий участок ST представляет собой проем VS, площадь которого меньше площади среднего участка устройства АРВ.
На фиг. 1 представлена дополнительная характеристика имплантационного устройства 1, обеспечивающая более однородную имплантацию подложки больших размеров.
Согласно упомянутому, подложка SUB размещена на поворотной площадке PPS держателя подложки, выполненного по существу в форме диска и с возможностью перемещения относительно своей вертикальной оси АХТ. При вращении или в отсутствие вращения, если ось АХР плазмоподающего устройства ALP, вертикально размещенного над подложкой SUB, расположена близко к оси АХТ поворотной площадки PPS, диффузия плазмы максимальна вдоль этой оси и представляет собой градиент распределения относительно указанной оси. Поэтому доза, имплантированная в подложку SUB, представляет собой неравномерное распределение.
Если две оси АХТ и АХР отстоят друг от друга, то поворот поворотной площадки PPS держателя подложки SUB обеспечивает возможность перемещения источника плазмы относительно оси АХР. Тогда доза, имплантированная в подложку SUB, представляет собой значительно более равномерное распределение.
3
15
2
Эффективность этой системы была подтверждена на кремниевых пластинах с диаметром 300 мм, в отношении которых была установлена результирующая неравномерность менее чем 1% для имплантации BF с энергией 500 электрон-вольт (эВ) и 10 на квадратный сантиметр (см).
Кроме того, расстояние между поворотной площадкой PPS держателя подложки и плазмоподающим устройством АР предпочтительно превышает диаметр держателя подложки в общем случае, когда он имеет форму диска.
Разумеется, согласно предложенному изобретению осуществимы разнообразные варианты реализации плазмоподающего устройства, включая упомянутые в настоящей заявке, с последующим размещением устройства на корпусе ENV на вертикальной оси АХТ поворотной площадки PPS держателя подложки.
Плазмоподающее устройство в настоящей заявке представлено как компонент, присоединенный к вакуумному корпусу. Очевидно, что в предложенном изобретении также допустимо выполнение устройства как неотъемлемой части корпуса.
Выбор предложенных в заявке вариантов реализации изобретения осуществлен на основании их конкретных особенностей. Однако, исчерпывающе перечисление всех возможных вариантов реализации в рамках настоящего изобретения невозможно. В частности, любые из описанных средств могут быть заменены эквивалентным средствами без выхода за рамки настоящего изобретения.