采用具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性的制作方法

文档序号:8923752阅读:446来源:国知局
采用具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及材料改性,具体涉及一种采用具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性。
【背景技术】
[0002]基于离子的材料改性用于半导体制造的一种重要工艺。例如,基于离子的材料改性可被用来非晶化结晶材料、合金,使材料的多个层稠密或混合,辅助材料的去除,或者向材料引入掺杂物。在基于离子的材料改性期间,离子被加速以轰击工件表面(例如,半导体衬底)。离子可以是正离子或负离子,包括相对于工件表面在化学上活跃或惰性的物质或元素。因此,离子可改变工件表面的物理、化学或电特性。
[0003]当前,基于离子的材料改性主要采用束线离子注入系统执行。在束线离子注入系统中,离子束由离子源导出并在朝着工件加速之前通过磁分析器按照质量、电荷和电能进行过滤。然而,如刘维定理所述,离子束的传递效率随着离子能量的减小而下降。因此,对于低能量处理,束线离子注入系统承受低束流,因此要求较长的处理时间来实现期望的剂量。而且,离子束的截面显著地小于工件面积,其中在任意给定时刻仅仅可以处理工件表面的一部分。因此,离子束或衬底必须被扫描以均匀地处理工件的整个表面。结果,束线离子注入系统存在针对高剂量的低吞吐量、低能量注入工艺的不足。
[0004]基于等离子体的材料改性系统是束线离子注入系统的替代方案。图1描绘了示例性基于等离子体的材料改性系统100。基于等离子体的材料改性系统100包括与处理腔104耦接的等离子体源腔102。等离子体源腔102中产生包含离子、不带电物质和电子的等离子体106。工件118被支撑结构116支撑在处理腔104中。在该示例中,基于等离子体的材料改性系统100具有布置在等离子体106和工件118之间的一个或多个偏置栅格120以从等离子体106提取离子束112并使得离子束112向工件118加速。然而,在其它示例中,基于等离子体的材料改性系统100可以不包括栅格120。相反,工件118可在电势下偏置并通过支撑结构116沉入等离子体106中。因此,离子从等离子体106经由等离子体106和工件118之间形成的等离子壳层向工件118加速。在一些情况下,工件118可由来自等离子体106的离子和中性物质处理。当前,大部分传统的基于等离子体的材料改性系统不具有栅格。
[0005]不同于束线离子注入系统,基于等离子体的材料改性系统不采用磁分析器来按照质量或能量来过滤离子。相反,工件由直接来自很近的等离子体的离子处理。因此,基于等离子体的材料改性系统可在比束线离子注入系统显著更高的离子流下处理工件。此外,基于等离子体的材料改性系统的等离子体源可具有比工件面积大的截面面积。这就使得工件的大部分或整个表面能够被同时处理,而无需扫描工件。因此,基于等离子体的材料改性系统针对高剂量、低流的处理提供了显著更高的生产能力。
[0006]然而,传统的基于等离子体的材料改性系统存在较差的系统可靠性和工艺控制。由于等离子体靠近处理腔,来自等离子体的中性物质流入处理腔,并碰到工件。中性物质产生了诸如处理腔的壁上的以及工件表面上的刻蚀、氧化和膜沉积之类的不期望的寄生效果。在传统基于等离子体的材料改性系统中,这种寄生效果是严重的而且会导致频繁的工艺偏移以及低产率。

【发明内容】

[0007]在一个示例性实施例中,一种用于利用离子处理工件的基于等离子体的材料改性系统包括耦接至等离子体源腔的处理腔。配置成支撑工件的支撑结构布置在工艺腔内。等离子体源腔包括布置在等离子体源腔的第一端的端壁、以及至少一个侧壁,至少一个侧壁定义了等离子体源腔的第一端与第二端之间的腔体内部,第二端与第一端相对。等离子体源腔还包括布置在端壁上的第一多个磁体、布置在至少一个侧壁上并围绕腔体内部的第二多个磁体、以及延伸穿过腔体内部的第三多个磁体。端壁、至少一个侧壁、和第三多个磁体定义了腔体内部内的等离子体产生区域。等离子体源腔被配置成在等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。第三多个磁体被配置成限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子同时允许来自等离子体的离子穿过第三多个磁体而进入处理腔以用于工件的材料改性。
【附图说明】
[0008]图1图示出示例性基于等离子体的材料改性系统。
[0009]图2图示出示例性包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统的截面图。
[0010]图3图示出示例性等离子体源腔的截面图。
[0011]图4A和图4B分别图不出不例性等尚子体源腔的透视图和截面透视图。
[0012]图5A和图5B分别图不出不例性等尚子体源腔的透视图和截面透视图。
[0013]图6图示出基于等离子体的材料改性系统的示例性吸收器。
[0014]图7A图示出示流经例性没有吸收器的基于等离子体的材料改性系统的漂移区的离子在各种操作压力下的电流密度分布。
[0015]图7B图示出离开示例性基于等离子体的材料改性系统的漂移区中的吸收器的离子在各种操作压力下的电流密度分布。
[0016]图8图示出采用包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统的基于等离子体的材料改性的示例性处理。
【具体实施方式】
[0017]下述说明被呈现一使得本领域普通技术人员能够实现并使用各种实施例。具体系统、装置、方法和应用的描述被提供仅仅作为示例。对在此描述的示例的各种修改是本领域技术人员容易想到的,而且在此限定的总原理可应用至其它示例和应用而不脱离各种实施例的精神和范围。因此,各种实施例并非旨在限制成此处描述的示例,而是遵循与权利要求一直的范围。
[0018]在下文所述的示例性基于等离子体的材料改性系统中,等离子体源腔被耦接至工艺腔。配置成支撑工件的支撑结构处于工艺腔内。等离子体源腔被配置成在等离子体源腔的等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。等离子体源腔包括磁体,磁体围绕等离子体产生区域并且将等离子体的电子限制在等离子体产生区域内。例如,磁体可限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子。通过限制高能电子,磁体使得等离子体能够被稳定地产生并且保持在0.1Pa以下的压力下。期望更低的操作压力来降低中性物质相对于离子在等离子体源腔和工艺腔内的聚集。中性物质的更少的聚集导致了工件表面上的更少的寄生刻蚀、氧化、和膜沉积,因此导致较好的工艺控制、更少的装置损耗和更高的装置产率。此外,中性物质的更少的聚集导致了等离子体源腔和工艺腔的壁上的更少的膜沉积,这就降低了微粒污染并增大了工艺可重复性。由此,下文描述的基于等离子体的材料改性系统和处理可被用于半导体制造以实现更低的制造成本和更高的装置产率。
[0019]1、包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统。
[0020]图2描绘了包含具有磁约束的等离子体源的示例性基于等离子体的材料改性系统200。如图2所示,基于等离子体的材料改性系统200包括耦接至处理腔204的等离子体源腔202。等离子体源腔202被配置成在等离子体产生区域232内产生包含离子的等离子体220。支撑结构208被布置在处理腔204内并被配置成支撑工件206。一系列可选的栅格224被布置在等离子体源腔202和支撑结构208之间以从等离子体220提取离子束234并使得离子束234朝着工件206加速,从而造成工件206的材料改性。
[0021]在当前实施例中,等离子体源腔202包括处于等离子体源腔202的一端217的端壁216、以及定义了端壁216与等离子体源腔202的相对端之间的等离子体源腔202的内部的至少一个侧壁218。在该示例中,侧壁218是圆柱形的而且具有圆形截面。然而,在其它情况下,侧壁218可具有矩形截面。
[0022]如图2所示,等离子体源腔202具有内径236。内径236定义了等离子体源腔202的截面面积,因此至少部分地确定了等离子体220的截面面积以及离子束234的截面面积。由于离子向侧壁218的漂移或扩散损失,入射至栅格234的离子的电流密度可在外部区域处相当地低,该外部区域与离子束234的中心轴远离而相对于与离子束234的中心轴更靠近的中心区域更靠近腔壁。因此,期望仅仅利用与离子束234的中心轴更接近的离子束234的中心区域(此处电流密度更均匀)来注入工件206的整体区域。在当前示例中,等离子体源腔202的内径236大于工件206的直径。此外,栅格224的抽取面积大于工件206的面积。因此,离子束234被产生具有比工件206的面积大的截面面积。在一个示例中,内径236可大于45cm。在另一示例中,内径236可介于45和60cm之间。在具体示例中,内径236可以壁工件206的直径大50 %至100 %。
[0023]等离子体源腔202包括布置在端壁216上的第一组磁体210、布置在侧壁218上的第二组磁体212、以及延伸穿过腔202的内部的第三组磁体214。第三组磁体214中的每个磁体可被装在保护管中。端壁216、侧壁218和第三组磁体214定义了等离子体源腔202内部中的等离子体产生区域232。在该示例中,第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成将等离子体220的高能电子限制在等离子体产生区域232中。高能电子可被定义为能量大于1eV的电子。具体地,第三组磁体214被配置成限制等离子体产生区域232内能量大于1eV的等离子体220的大多数电子同时允许来自等离子体220的离子穿过第三组磁体214而进入处理腔204以用于工件206的材料改性。
[0024]如图2所示,基于等离子体的材料改性系统200可以可选地包括布置在第三组磁体214和支撑结构208之间的一系列栅格224。栅格224中的一个或多个栅格可耦接至一个或多个偏置电源248以便将偏压施加至栅格224。例如,偏置电源248可以是DC电源、脉冲式DC电源、RF电源或其组合。在该示例中,栅格224被配置成从等离子体220抽取离子束234并使得离子束234朝着工件206加速至期望能量水平。此外,栅格224可被配置成聚集离子束234并因此校准离子束234。应该理解的是,栅格224可被配置成从等离子体220抽取多个离子射束,离子束234因此可包括多个离子射束。
[0025]栅格224与第三组磁体214之间的距离影响了离子束234上的电流密度均匀性,因此影响了利用离子处理工件206的均匀性。将栅格224布置得太靠近第三组磁体214,将由于第三组磁体214的显著的离子遮蔽效应而导致离子束234上的较差的电流密度均匀性。然而,将栅格224布置得太远离第三组磁体214,则由于朝着腔壁的离子漂移或扩散损失随着离子在漂移区226上行进的距离增大而变得更明显,从而也将导致离子束234上的较差的电流密度均匀性。在当前示例中,栅格224被布置成与第三组磁体214相距一个优化距离228,从而最小化第三组磁体214的离子阴影和朝向腔壁的离子漂移或扩散损失的净效果。在一个示例中,距离228介于0.1OD和0.33D之间,其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中,距离228介于0.2D和0.3D之间。在又一示例中,距离228介于6cm和18cm之间。
[0026]如图2所示,基于等离子体的材料改性系统200可以可选地包括吸收器250,用于调节离子束234的电流密度分布。吸收器250被配置成吸收从等离子体220流向吸收器250的一小部分离子同时允许未被吸收的离子通过以接近支撑结构208。具体地,吸收器250被配置成使得吸收器250的离子透明度在吸收器250上变化。离子透明度被定义为入射至吸收器250的离子中允许通过吸收器250的离子的百分比。因此,与吸收
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