减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法与流程

本发明涉及半导体处理系统领域，特别是涉及一种减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法。

背景技术：

离子注入被用于集成电路的制造以及精确地向半导体晶圆中引入受控制量的掺杂杂质并且使半导体生产中的重要方法。在离子注入系统中，离子源使所希望的掺杂元素气体电离成离子，并且所述离子以具有希望能量的离子束的形式从源中引出。离子束的引出通过使用高的电压跨过适合成型的引出电极而实现，所述引出电极将孔合并成引出束的通道。然后，离子束在工件的表面，例如半导体晶圆上进行定向，以便向所述工件植入掺杂元素。所述离子束中的离子穿透所述工件的表面以形成具有所希望的导电率的区域。

目前通常使用的几种类型的离子源包括：使用热电电极并且通过电弧提供能源的Freeman以及Bernas类型、使用磁控管的微波型、直接加热的阴极源以及RF等离子体源。离子源通过向填充有掺杂气体(通常称为“原料气体”)的电弧室中引入电子来产生离子。电子与气体中的掺杂院子和分子的碰撞引起了由正的和负的掺杂离子组成的电离的等离子体的产生。具有负的或正的偏压的引出电极会相应地允许正的或负的离子作为准直离子束通过孔并且从离子源中出来。

随着半导体技术向更小的工艺进展，离子注入工艺对离子注入机台及离子束束流的均匀性提出了更高的要求。

目前在离子注入工艺中所使用的掺杂气体包括但不限于BF₃、PF₅、AsF₅、N₂、Ar、GeF₄以及SiF₄等；例如，在P型离子注入时，所需的B⁺、F⁺及BF²⁺都是从BF₃气体中萃取出来的。当使用含F元素的气体例如BF₃作为掺杂气体时，在离子源的电弧室及电弧室内的组件表面容易形成沉积物。主要的原因在于，在电弧室电离期间，BF₃会被电离形成F离子或F自由基，而F离子会与电弧室及组件表面的材料(主要是钨)发生反应而生成挥发性气体氟化钨(WF_x)，而这些氟化钨受热易分解，当其迁移到电弧室中的更热区域时会分解并在该区域形成钨沉积。F与W发生反应生成易挥发性氟化钨，氟化钨受热分解的原理如下：

6F(g)+W(s)→WF₆(g)

WF₆(g)+heat→W(s)+3F₂(g)

式中，g表示相应的物质为气态，s表示相应的物质为固态，heat表示对WF₆加热。

由如上两个公式可知，含F元素的掺杂气体在电弧室被电离，F与电弧室及组件表面的 W会发生反应生成气态的WF₆，而WF₆迁移至电弧室中更热的区域时，会受热分解为固态的W和气态的F₂；受热分解得到的固态的W就会在该区域沉积下来形成沉积物。

在离子注入过程中，表面经常形成沉积物的地方除了电弧室，还包括阴极、排斥电极及接近灯丝的区域等组件。当所述电弧室及所述阴极及排斥电极处沉积钨以后，随着时间的推移，沉积物逐渐积累，使得所述电弧室与阴极之间的距离变小，甚至会使得所述电弧室与阴极相连，进而发生电弧短路(ARC short)；钨在所述电弧室及阴极上的沉积，会导致所形成的离子束束流均匀性较差，使得所述离子注入机的寿命变短；为了避免此类情况出现，就必须对离子源进行维护，整个维护过程耗时耗力，大大增加了维护设备的成本。

针对上述问题，现有技术中一般采用氩气作为清洗气体在循环过程中或离子注入工艺之后来清除部分钨在电弧室及其组件表面的沉积，但使用氩气作为清洗气体清除钨沉积物的效果并不理想，其只能去除部分钨沉积物，并不能从根本上完全消除钨在电弧室及其组件表面的沉积。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法，用于解决现有技术中的电弧室及阴极表面沉积钨沉积物以后而导致的离子束束流均匀性差、离子注入机寿命变短、增加离子源维修次数和维修成本的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法，其中，所述离子源包括电弧室及一个或一个以上的位于所述电弧室内的组件，所述方法包括：

将掺杂气体引入所述电弧室内，所述掺杂气体至少包括第一元素，所述第一元素在电离条件下可以与所述电弧室及组件表面的材料发生反应并生成气体化合物，且生成的所述气体化合物受热易分解；

至少在向所述电弧室内引入所述掺杂气体的同时引入清洗气体，所述清洗气体至少包括第二元素，所述第二元素适于阻止所述第一元素在电离条件下与所述电弧室及组件表面材料发生反应。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，所述电弧室及组件表面的材料包括W，所述第一元素为F元素。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，所述掺杂气体至少包括BF₃。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案， 所述第二元素为H元素。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，所述清洗气体至少包括H₂及惰性气体。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，所述清洗气体至少包括H₂及Xe。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，向所述电弧室内同时引入的由所述掺杂气体及所述清洗气体组成的混合气体中，H元素与F元素的原子比为：H：F≥1：1。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，向所述电弧室内引入所述清洗气体一段时间之后，再向所述电弧室内引入所述掺杂气体。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，同时停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体及所述清洗气体。

作为本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的一种优选方案，在停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体之后，继续向所述电弧室内引入所述清洗气体一段时间。

如上所述，本发明的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法，具有以下有益效果：通过至少在引入掺杂气体的同时引入可以阻止掺杂气体与电弧室及组件表面材料发生反应的清洗气体，可以从根本上杜绝含沉积物元素的气态化合物的生成，进而提高了离子束束流的均匀性，延长了离子注入机的寿命，减少了离子源维护的次数，从而节约了离子源维护所需的时间和成本。

附图说明

图1显示为本发明的的减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法的流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影 响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中部”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，本实施例提供一种减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法，其中，所述离子源包括电弧室及一个或一个以上的位于所述电弧室内的组件，所述方法包括：

将掺杂气体引入所述电弧室内，所述掺杂气体至少包括第一元素，所述第一元素在电离条件下可以与所述电弧室及组件表面的材料发生反应并生成气体化合物，且生成的所述气体化合物受热易分解；

至少在向所述电弧室内引入所述掺杂气体的同时引入清洗气体，所述清洗气体至少包括第二元素，所述第二元素适于阻止所述第一元素在电离条件下与所述电弧室及组件表面材料发生反应。

作为示例，本实施例中，同时将所述掺杂气体及所述清洗气体引入所述电弧室。

作为示例，所述清洗气体中的第二元素根据所述掺杂气体中的第一元素或/和所述电弧室及组件表面的材料所选定。具体的，所述第一元素为F元素，此时，所述掺杂气体包括但不仅限于BF₃、PF₅、AsF₅、N₂、Ar、GeF₄以及SiF₄等；优选地，本实施例中所述掺杂气体为BF₃。所述掺杂气体被引入所述电弧室内以后，在电离条件下所述掺杂气体会电离出F离子，又现有的离子源中电弧室及组件的表面均包括W，如此时电弧室内不存在可以有效阻止F离子与W发生反应的离子，被电离出的F离子会与W发生反应生成气态的WF₆，而WF₆迁移至电弧室中更热的区域时，会受热分解为固态的W和气态的F₂；受热分解得到的固态的W就会在该区域沉积下来形成沉积物。

作为示例，所述第二元素为H元素。包括所述H元素的清洗气体与所述包括F元素的掺杂气体同时引入所述电弧室，在电离条件下，所述掺杂气体电离出F离子的同时所述清洗气体会电离出H离子，H离子的存在会有效地阻止所述F离子与W的反应，具体原理为：

F(g)+H(g)+W(s)→HF(g)+W(s)

式中，g表示相应的物质为气态，s表示相应的物质为固态。

由上式可知，H离子会优先与F离子发生反应生成气态的HF而被抽走，而W式中以固态形式存在，并未参加反应，即在整个过程中没有含有W元素的气态物质生成，亦即H离子有效地避免了W与F的反应。H离子的存在优先消耗掉了电弧室内的F离子，使得所述电弧室及组件表面的W没有机会与F离子发生反应，从而避免了含W元素的气体物质的生成，进而避免了W的迁移及沉积。

作为示例，所述清洗气体包括但不仅限于H₂及惰性气体，优选地，本实施例中，所述清洗气体至少包括H₂及Xe。所述清洗气体中包括Xe，在电离状态下，Xe会贡献电子给H₂，以便于H₂被电离成两个H离子，进而促进了H₂与F的反应。

需要说明的是，由上述可知，在H离子与F离子反应的过程中，一个H离子消耗一个F离子，为了使得所述掺杂气体电离出来的F离子被H离子完全消耗而不存在多余的F离子与W发生反应，由所述掺杂气体及所述清洗气体组成的混合气体在电离状态下电离出来的H离子数应大于或等于F离子数。为了保证在电离状态下电离出来的H离子数大于或等于F离子数，向所述电弧室内同时引入的由所述掺杂气体及所述清洗气体组成的混合气体中，H元素与F元素的原子比应为：H：F≥1：1。

作为示例，在本实施例中，将所述掺杂气体及所述清洗气体同时引入所述电弧室内，并在相关半导体工艺完成以后，同时停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体及所述清洗气体。

在另一实施例中，将所述掺杂气体及所述清洗气体同时引入所述电弧室内，但在相关工艺完成以后，在停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体之后，继续向所述电弧室内引入所述清洗气体一段时间。在停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体之后，继续向所述电弧室内引入所述清洗气体，可以在所述电弧室内电离出足够多的H离子，进而避免所述掺杂气体中有电离出的未与H离子完全反应F离子残留。

在又一实施例中，先向所述电弧室内引入所述清洗气体一段时间之后，再向所述电弧室内引入所述掺杂气体。先向所述电弧室内引入所述清洗气体一段时间之后，再向所述电弧室内引入所述掺杂气体，可以确保在所述掺杂气体被引入所述电弧室时，所述电弧室内已经电离出足够多的H离子与所述掺杂气体电离出的F离子发生反应，进而可以彻底避免所述F离子与W发生反应。在该实施例中，在相关半导体工艺完成以后，同时停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体及所述清洗气体。

在又一实施例中，先向所述电弧室内引入所述清洗气体一段时间之后，再向所述电弧室内引入所述掺杂气体，但在相关工艺完成以后，在停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体之后，继续向所述电弧室内引入所述清洗气体一段时间。在停止向所述电弧室内引入所述掺杂气体之后，继续向所述电弧室内引入所述清洗气体，可以在所述电弧室内电离出足够多的H离子，进而避免所述掺杂气体中有电离出的未与H离子完全反应F离子残留。

综上所述，本发明提供一种减少或防止在离子注入机的离子源内形成沉积物的方法，通过至少在引入含F元素的掺杂气体的同时引入含H元素清洗气体，在电离条件下，H离子优于W与F离子发生反应生成气态的HF而被抽走，从而避免了含W元素的气体物质的生成，进而避免了W的迁移及沉积；同时，清洗气体中包括Xe，Xe在电离条件下会贡献电子给 H₂，以便于H₂被电离成两个H离子，进而促进了H₂与F的反应。该方法提高了离子束束流的均匀性，延长了离子注入机的寿命，减少了离子源维护的次数，从而节约了离子源维护所需的时间和成本。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。