半导体制造系统中的离子源清洁方法

半导体制造系统中的离子源清洁方法
【专利摘要】一种半导体制造系统中的离子源清洁方法。本发明系关于藉由监测阴极偏压功率且取决于比较值采取校正动作而藉由利用能够生长/蚀刻在一离子植入系统之间接加热的阴极中的该阴极的温度及/或反应性清洗试剂来蚀刻或再生长该阴极以清洗一离子植入系统或其部件。
【专利说明】半导体制造系统中的离子源清洁方法

【技术领域】
[0001] 本发明系关于半导体处理系统，特别是离子植入系统之部件上的材料沈积的监 测、控制以及清洗。

【背景技术】
[0002] 离子植入被用于集成电路的制造以便精确地向半导体晶圆中引入受控制量的掺 杂杂质并且是微电子/半导体生产中的重要制程。在此类植入系统中，一离子源使一所希 望的掺杂元素气体电离成离子并且该等离子以具有所希望能量的一离子束的形式从源中 萃取。萃取系藉由施加一高的电压跨过合适成型的萃取电极而实现，该等萃取电极将多个 孔合并成了萃取束的通道。离子束然后在工件的表面，例如一半导体晶圆上进行定向，以便 向该工件植入掺杂元素。该束中的离子穿透该工件的表面来形成具有所希望的导电率之区 域。
[0003] 几种类型的离子源一般用于商业的离子植入系统中，包括：使用热电电极并且藉 由一电弧供电的弗里曼（Freeman)以及贝尔纳（Bernas)类型、使用一磁控管的微波型、间 接加热的阴极源、以及RF电浆源，所有该等离子源通常在一真空中运行。离子源藉由向填 充了掺杂气体（一般称为「原料气体」）的一真空室中引入电子来产生离子。电子与气体 中的掺杂原子及分子的碰撞引起了由正的及负的掺杂离子组成的电离电浆的产生。具有一 负的或正的偏压的萃取电极将分别允许该正的或负的离子作为一准直离子束通过孔并且 从离子源中出来，该离子束向着工件被加速。原料气体包括但不限于BF 3、B1(iH14、B18H22、PH 3、 AsH3、PF5、AsF5、H2Se、N 2、Ar、GeF4、SiF4、02、H2、以及 GeH4。
[0004] 目前，在现有技术的器件的制造中达10-15个植入步骤。增加晶圆大小、减小临界 尺寸、以及生长电路的复杂性正在提出对离子植入工具就更好的处理控制、低能高束电流 的释放、以及平均无故障时间（MTBF)减小而言更多的要求。
[0005] 最需要维护的离子植入机工具的部件包括：离子源，它必须在大约100到300小时 的运行时间之后进行检修（取决于其运行条件）；萃取电极以及高电压绝缘子，它们在运行 几百小时之后通常需要清洗；离子植入真空系统的前级管道以及真空泵，包括离子源涡轮 泵及其关联的前级管道。另外，离子源之各种部件（诸如丝极、阴极及其类似者）在运行后 可能需要更换。
[0006] 在理想的情况下，所有的原料分子均会被电离并且萃取，但是实际上会发生一定 量的原料分解，这导致了在离子源区域上的沈积以及污染。举例而言，磷的残余物（例如由 使用诸如磷化氢之原料气体得来）迅速地沈积在该离子源区域的表面上。该残余物可在离 子源中之低电压绝缘子上形成，引起电短路，这可能中断产生热电子所需要的电弧。这种现 象通常称为「源闪烁（glitching)」，并且它系离子束不稳定性的重要因素，并且可能最终 引起该源的过早损坏。残余物还在离子植入机的高电压部件（例如该源的绝缘子或萃取电 极的表面）上形成，引起高能的高电压发电花。此类电花系束流不稳定性的另一因素，并且 由该等电花所释放的能量可以损坏灵敏的电子部件，导致增加的装备故障以及差的MTBF。
[0007] 对于使用Sb2O3作为固体掺杂材料的锑（Sb+)的植入，会发生另一常见的问题，这 可以藉由甚至仅在Sb+植入几小时之后流入硼（B)而恶化。该硼束电流可以使该明显受损 的离子源的性能及寿命显着地变坏。此类性能退化的原因归因于在源的室及其部件上过度 沈积的Sb。因为产量由于更频繁的预防性维护或更少的束电流而降低了，所以离子源的故 障显着地降低了植入机的生产率。由于Sb的植入广泛地用于类似的双极器件中，并且还用 作对于MOS (金属氧化物半导体）器件的浅接面形成的η-型掺杂，因此本领域有发展一方 法的需要，即当Sb+用作掺杂剂时，特别是Sb植入之后转换成B时，该方法可以从源的腔室 及其部件上移除沈积的Sb。
[0008] 此外，掺杂原子（例如B、Ge、Si、P及As)可沈积在离子源涡轮泵、其关联的真空 前级管道的下游，及位于前级管道下游的低真空泵中。经时间的推移，该等沈积物积累起来 并且需要清洗，其中过去系手动完成的。但是有些沈积物（例如固体磷）系生火花的并且 可能在手动维护的操作过程中着火。这不仅是火灾危险，而且还可能释放出有毒的化合物。 因此在本领域存在着发展一改良的方法的需要，该方法可使用一气体清洗剂来如愿地原位 清洗该等沈积物。
[0009] 在离子源故障的另一原因中，各种材料（例如钨，W)可以在长期的离子植入过程 中累积在阴极上。一旦该等材料累积达到一临界程度，该阴极电源不再能保持足以满足束 电流设定点的温度。这引起离子束电流的损失，需要更换离子源。所产生的离子源性能退 化及寿命缩短降低了离子植入机系统的生产率。
[0010] 而离子源故障的另一原因系阴极材料的蚀刻（或溅镀）。举例而言，来自阴极的金 属材料（例如w、Mo等）被电弧室中电浆中的离子溅镀。因为溅镀受到电浆中的最重的离 子的控制，所以随着离子质量增加，溅镀效果可能变坏。事实上，连续的材料的溅镀使该阴 极「变薄」，最后导致在阴极上形成一孔洞（「阴极穿通」）。结果系离子源的性能及寿命大 大降低。因此本领域继续寻求能保持材料在阴极上的累积及腐蚀之间的平衡的方法来延长 离子源的寿命。
[0011] 其它残余物可能由该离子源材料与该离子植入系统的部件之间的反应产生，这取 决于系统内的条件。此类反应可以导致残余物沈积在系统的额外部件上。举例而言，钨须 晶可形成于电弧室萃取孔上，从而导致束不均匀性问题。
[0012] 沈积物在离子源的组件上很常见，例如丝极以及反射极电极。此类内部沈积物总 体上是由电弧室材料构成的，并且最常见的是当具有一氟化物源的原料的高电浆电源与由 钨或钥构成的一电弧室结合而操作时。尽管使用非含卤化物源的材料的离子植入系统的离 子源的预期寿命一般是大约100小时到300小时，而有些含卤化物材料（例如GeF4)由于 在离子源操作中内部沈积物的有害影响，离子源的寿命可以低至10小时到50小时。
[0013] 除了由于在该离子植入机中的残余物引起的操作困难之外，由于为了清洗而移除 部件时散发出有毒或腐蚀蒸气，还存在重大的人员安全问题。安全问题会在残余物存在的 任何地方发生，但特别受关注的是在离子源区域，因为离子源系离子植入机最经常维护的 部件。为了最小化停机时间，经常在显着地高于室温的温度下将受污染的离子源从植入机 中移除，这增加了蒸气的散发并且加深了安全问题。
[0014] 处理以上困难的已有方法已包括尝试阻止沈积物的形成以及清洗在萃取电极及 离子源上产生的沈积物（即，在该萃取电极上，如公布的美国专利申请2006/0272776、公布 的美国专利申请2006/0272775以及公布的国际专利申请WO 2005/059942 A2中所讨论）。 然而，依然需要清洗离子植入系统的所有元素的额外过程。
[0015] 因此在离子植入领域中希望提供具有一单独的清洗台的一离位的清洗方法，由此 可以安全地对已经从该植入机移除的受污染部件进行清理而没有任何机械磨损，该机械磨 损可能损害例如石墨电极之精细部件。因此提供一离线清洗台还将是在离子植入领域中的 一显着进步，它可以用来在部件从该植入系统移除之后选择性并且非破坏地清洗它们，而 停机时间最短。
[0016] 提供一原位的清洗方法也将是离子植入领域中的一显着进步，该方法用于在植入 过程中有效地、选择性地移除不必要的遍及该植入机（特别是该离子源区域）沈积的残余 物。这种原位清洗会提高人员安全并且促进稳定的、不间断的植入装备的操作。
[0017] 可以进行一原位清洗过程而不拆开该处理室。对于原位过程，将一气体试剂从该 处理室中流过以便以连续的、脉冲的或混合的连续-脉冲方式来移除累积的薄膜。取决于 情况，一电浆可以在或不在这种清洗过程中产生。
[0018] 使用三氟化氯（ClF3)以及其它的氟源的材料（例如，CF4、NF 3、C2F6、C3F8、SF 6以 及ClF3)的无电浆的或干燥清洗方法可用于从半导体处理室中移除固体残余物，例如藉由 与固体残余物进行反应以形成藉由真空或其它的移除条件从该处理室中可移除的挥发性 反应产物，并且在此类情况下，该等清洗试剂可能需要高温的清洗条件。见Y. Saito等， 「Plasmaless Cleaning Process of Silicon Surface Using Chlorine Trifluoride」， APPLIED PHYSICS LETTERS，第 56(8)卷，第 1119-1121 页（1990);还见 D.E. Ibbotson 等， 「Plasmaless Dry Etching of Silicon with Fluorine-Containing Compounds」，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，第 56(10)卷，第 2939-2942 页（1984)。
[0019] 美国专利号4, 498, 953描述了一原位清洗方法，其中将一种卤素间化合物（例如 BrF5、BrF3、ClF3、或IF5)连续地流过该处理室，同时维持在该室内的一预定的压力。在该处 理结束时，终止该卤素间化合物气体的流动。此类方法可以产生含Cl、Br、或I的副产物， 连同含氟的副产物，由此产生大量的需要处理或其它处置的危险废料。此外，此类连续流动 清洗在非常低的压力条件下进行，在此压力下清洗效率实质上降低了。
[0020] 在某些离子源应用中，已经进行了 BF3、PH3、及/或AsH3的策略性排序以便实现更 长的离子源寿命。
[0021] 氟基或含氟的卤素间化合物用于清洗半导体处理装备的应用有限制其商业活力 的相关不足。氟基或含氟的卤素间化合物（包括ClF 3)具有高度腐蚀的特点。此外，卤素 间化合物系对人类呼吸道的强烈刺激物。举例而言，对于ClF3蒸气的临限人体耐受水平可 以低到lOOppb，LC50为在300ppm下1小时的级别。
[0022] 本领域继续寻求新的清洗试剂以及离位及原位系统与方法，以及相关的监测及控 制装置及方法。


【发明内容】

[0023] 本发明总体上系关于用于监测、控制以及清洗离子植入系统或其部件的装置以及 方法，也系关于有效地用于此种清洗的组合物。
[0024] 在一态样本发明提供了在系统操作过程中监测一离子植入系统的丝极状态之方 法，该方法包含：(a)在一离子源的电弧室中使用足以在所述电弧室中产生一电浆的一初 始电流向一丝极供电；(b)在连续电浆生成的一预定时间量测对该丝极的电流输入以便保 持该电弧室中的电浆；（c)将在该预定时间量测的电流输入与该初始电流进行比较，并且 (d)根据此模拟较确定材料是否已经沈积到该丝极上或是否已经发生该丝极的蚀刻，其中， 相对于该初始电流在该预定时间的一更大的电流表示材料在该丝极上的沈积，而相对于该 初始电流在该预定时间的一更小的电流表示该丝极的蚀刻。
[0025] 在另一态样本发明提供了在该系统操作过程中控制一离子植入系统的一丝极的 状态之方法，包含：(a)在一离子源的电弧室中使用足以在所述电弧室中产生一电浆的一 初始电流向一丝极供电；(b)在连续电浆生成的一预定时间量测对该丝极的电流输入以便 保持该电弧室中的电浆；（C)将在该预定时间量测的电流输入与该初始电流进行比较，（d) 根据此模拟较确定材料是否已经沈积到该丝极上或是否已经发生该丝极的蚀刻，其中，相 对于该初始电流在该预定时间的一更大的电流表示材料在该丝极上的沈积，而相对于该初 始电流在该预定时间的一更小的电流表示该丝极的蚀刻，并且（e)回应于该确定，从该丝 极移除沈积的材料或在该丝极上沈积附加的材料，至一程度，在该程度重新建立了该初始 电流输入、或在所述初始电流输入的一预定范围内的一电流输入。在此态样之另一实施方 式中，步骤（a)至步骤（d)可在离子植入过程期间进行；步骤（e)可在离子植入过程之前、 之后或之间进行。
[0026] 在另一态样中，本发明提供了在系统操作期间控制一离子植入系统之一间接加热 的阴极（IHC)源之状态的方法，其包含：(a)藉由在一预定时间量测阴极偏压功率供应来确 定间接加热的阴极源的使用功率；(b)比较该预定时间的该使用功率与初始功率；及（C)响 应于该比较采取校正动作（i)或（ii)以控制该间接加热的阴极之状态，藉此（i)若在该预 定时间的该使用功率高于该初始功率，则蚀刻该间接加热的阴极；或（ii)若在该预定时间 之该使用功率低于该初始功率，则再生长该间接加热的阴极。初始功率包括在一预定时间 之量测之前的一时间的阴极偏压功率之值，例如，其可为启动时的功率，或正常操作条件下 的功率，或任何其它预设定时间点或值。如熟习此项技术者将理解，阴极偏压功率量测及初 始功率值取决于植入过程或其它情况可呈一范围或多个范围的形式。该（c) (i)的蚀刻包 括在足以蚀刻的低温至中等温度的条件下操作该间接加热的阴极。在此方面之低温至中 等温度经例示为自约室温高达约2000°C。该（c) (ii)的再生长包括使一氟化气体在一电 浆状况下在该间接加热的阴极上流动，其中该氟化气体包含以下中之一或多者：XeF 2、XeF4、 XeF6、GeF4、SiF4、BF3、AsF 5、AsF3、PF5、PF3、F2、TaF 3、TaF5、WF6、WF5、WF4、NF 3、IF5、IF7、KrF2、 SF6、C2F6、CF4、C1F3、N 2F4、N2F2、N3F、NFH 2、NH2F、BrF3、C3F8、C 4F8、C5F8、CHF3、CH 2F2' CH3F、C0F2、 册、(：2册5、(^# 4、(：2!^3、(：2!^2、(^#、(^ 6及此卩6。该（(3)(^)的再生长包括在足以发生金 属沈积的高温的状况下操作该间接加热的阴极。在此方面之高温经例示为大于2000°C。校 正步骤（c)可于离子植入过程之前、之后或之间进行。另外，针对再生长，若经植入的物质 系选自上文直接描述之氟化气体中之一者，则可在植入过程期间进行校正步骤。上文或本 文其它处所论述的方法步骤可由适当控制装置（诸如微控制器、控制器、微处理器等）及相 关联的电气、电子及/或机电部件进行，该等控制装置经适当程序化及/或经组态以进行离 子源的部件（诸如丝极、反射极电极、阴极及反电极）的自动修复或清洗。
[0027] 在另一态样中，本发明提供了操作在一离子源的电弧室中包括一丝极或阴极（或 可经蚀刻或具有诸如但不限于反电极、反射极及其类似者的沈积物的离子源的其它部件） 的离子植入系统的方法，来保持该离子源的操作效率，所述方法包含将该丝极或阴极或如 前述的离子源的其它部件在以下条件下与一钨试剂进行接触，该等条件选自构成如下的 组： (a) 实现钨在该丝极上沈积的条件；以及 (b) 实现从该丝极上蚀刻所沈积材料的条件。
[0028] 在此方面的一实施方式中，（例如）阴极、反射极（其分别对应于阴极及丝极）或 其类似者的其它离子源部件可具备适当加热组件以调整部件之表面温度，以选择性地蚀刻 来自其的材料或在其上沈积材料。
[0029] 在另一实施方式中，间接加热的阴极（IHC)离子源可包括两个阴极（替代阴极及 反电极）。在植入期间，一个阴极可作为反阴极来操作，且在修复或校正过程期间，两个阴极 之温度可根据需要经控制以沈积或蚀刻材料。
[0030] 本发明系关于在另一态样中系关于清洗一离子植入系统的一或多个部件的方法， 用于从所述一或多个部件至少部分地移除与电离作用有关的沈积物，所述方法包含将一清 洗气在以下条件下流过该系统，该等条件选自构成如下的组： (a) 实现材料在该丝极、阴极或如前述之其它离子源部件上沈积的条件；以及 (b) 实现从该丝极、阴极或如前述之其它离子源部件上蚀刻所沈积材料的条件。
[0031] 本发明的另一态样系关于将在一电弧室中的离子源的一丝极保持一预定的电阻 的方法，该方法包含将该丝极与取决于丝极的温度相对于该电弧室壁的温度有效地在该丝 极上沈积材料或有效地从该丝极上蚀刻材料的一试剂进行接触，并且控制该丝极的温度及 该电弧室壁中的温度来有效地在该丝极上沈积或蚀刻材料，以保持所述预定的电阻。总体 上，若在电弧室壁系低温至中等温度（小于丝极的温度）时，丝极的温度足够高（例如大 于2000°C)，则发生丝极上材料的沈积。若不考虑电弧室壁之温度（虽然电弧室壁的温度 小于或大于丝极的温度为较佳的），丝极的温度系低温至中等温度（例如，小于约1500°C至 2000°C )，则发生自丝极蚀刻材料。
[0032] 在另一态样中，本发明系关于清洗一离子植入系统或其一或多个部件以便从中移 除与电离作用有关的沈积物的方法，该方法包含将该离子植入系统或其一或多个部件在其 中BrF3与该等沈积物具有化学反应性的条件下与所述BrF 3接触以便实现它们至少部分地 移除。
[0033] 在另一态样中，本发明系关于清洗一离子植入系统的一前级管道以便从中移除一 与电离作用有关的沈积物的方法，该方法包含将一离子植入系统的前级管道与一清洗气体 在其中所述清洗气体与该沈积物具有化学反应性的条件下进行接触以便至少部分地移除 它们。此方法可以改良一离子植入系统的性能并且延长其寿命。
[0034] 在另一态样中，本发明系关于改良一离子植入系统的性能并且延长其寿命的方 法，该方法包含将该阴极与包含至少一种清洗气体以及至少一种沈积气体的一气体混合物 进行接触，其中所述气体混合物平衡了材料在阴极上的沈积以及该沈积材料或其它材料从 该阴极上的腐蚀。
[0035] 本发明的其它态样、特征以及实施方式从随后的揭示内容以及所附申请专利范围 将会更加明显。

【专利附图】

【附图说明】
[0036] 图1系在引入原位清洗过程之前及之后的源寿命数据的一图表，示出了由于该过 程而带来的寿命的延长。
[0037] 图2系图表显示了 XeF2对抑制器的泄漏电流的影响的一图表，如在实例1中所详 述。
[0038] 图3A及3B系示出了证明原位清洗的清洗效果的照片，如在实例1中所详述。
[0039] 图4A及4B示出了原位清洗的清洗效果，如在实例5中所详述。
[0040] 图5A及5B系用XeF2流经过一实耗时间段的增加的丝极重量（图5A)以及丝极 电流（图5B)的图表。
[0041] 图6系对于用XeF2流在该系统内的钨传送，丝极重量变化作为丝极电流的一函数 的一图表。
[0042] 图7系显示了阴极偏压功率的变化作为时间及气体类型的一函数的图表。
[0043] 图8系显示了阴极W重量变化作为偏压功率的一函数的图表。

【具体实施方式】
[0044] 本发明系关于用于监测、控制以及清洗半导体处理系统及/或其部件的装置以及 方法，并且系关于用于此种清洗的组合物。
[0045] 在一态样中，本发明系关于从该半导体处理系统或半导体处理系统的部件中移除 沈积物，其中将该系统或系统部件与包括一气相反应性材料的一清洗组合物进行接触。
[0046] 如此处所使用，术语「气相反应性材料」旨在宽泛地解释为指以下材料，包含：一 或多种卤化物及/或错合物（以气态或蒸气的形式），该一或多种化合物及/或错合物的 离子及电浆形式，以及从该一或多种化合物、一或多种错合物以及离子及电浆形式衍生的 元素以及离子。如在本发明的宽泛的操作中所使用的一气相反应性材料还可以不同地是指 (但不限于）一「气相反应性组合物」、一「清洗剂」、一「清洗气体」、一「蚀刻气体」、一「气态 卤化物」、一「气态清洗剂」、一「反应性卤化物」、一「清洗化合物」、一「清洗组合物」、一「清 洗蒸气」、一「蚀刻蒸气」或此类术语的任何组合。
[0047] 如此处所使用，就一离子植入机而言，「离子源区域」包括，但不限于真空室、源电 弧室、源绝缘子、萃取电极、抑制电极、高电压绝缘子、源套管、丝极、阴极以及反射极电极。 如熟习此项技术者将理解，用语「离子源区域」以其最广意义使用，例如，贝尔纳（Bernas) 或弗里曼（Freemen)离子源总成包括一丝极及反射极电极，且IHC源总成包括阴极及反阴 极。
[0048] 本发明考虑了半导体处理系统及其部件的清洗，连同其它基板及装置，该等基板 及装置在其正常处理操作中易受其上形成的沈积物影响。该操作包括，但不限于真空前级 管道及低真空泵的清洗。鉴于此处的描述，如熟习此项技术者将理解，清洗气体可能流经复 数个口中之选定口以绕过植入机的某些区及/或目标特定区。举例而言，XeF 2或其它清洗 气体可经递送通过接近需要清洗之区的口。清洗效能亦可增强，只要大多数清洗气体将沿 流通路径被引入目标区且不被与残余物进行之反应所耗尽（如在（例如）清洗气体仅引入 通过离子源室的情况下可能发生）。选定的口可预先存在或针对此目的而形成/产生。此 技术可用于清洗（但非限制）植入机的离子源区域、磁性/分析器区域、真空系统、处理室 等。清洗可藉由将清洗气体连续流动通过及/或穿过植入机的所要区或区域历经预定的时 间量来实现。替代地，或与之组合，清洗气体可经封闭于系统中历经预定的时间量来允许清 洗气体扩散且与不需要的残余物及/或沈积物反应。
[0049] 本发明在不同的态样提供了一离子植入系统，该系统具有以下能力：藉由适当地 控制在电弧室中的温度而生长/蚀刻在电弧室的离子源内的丝极以便实现所希望的丝极 的生长或可替代的丝极的蚀刻。
[0050] 本发明的额外态样系关于使用反应性的气体例如WFx、AsFx、PFx及TaFx(其中X 具有一化学计量地适当的值或值的范围）用于在原位或离位的清洗安排中在电浆或高温 条件下来清洗离子植入机的区域或离子植入机的部件。
[0051] 本发明的另一系关于态样系关于BrF3用于在原位或离位的清洗安排中在环境温 度、高温或电浆的条件下来清洗离子植入系统或其一或多个部件的用途。
[0052] -离子植入系统的操作导致在该系统或其部件中产生与电离作用有关的材料的 沈积。本发明考虑了监测、控制及/或清洗该离子植入系统及/或其一或多个部件，以便从 该系统及/或其部件上至少部分地移除此类与电离作用有关的沈积物。该清洗方法系关于 将该系统及/或其部件与包含一气相反应性材料的一清洗组合物在能够使该气相反应性 材料与该沈积物进行反应的条件下进行接触以实现它们至少部分的移除。
[0053] 除了由原料气体本身引起的与电离作用有关的沈积物之外，还已经发现了在一离 子植入系统内形成的沈积物或残余物可能起因于原料气体与构成该系统部件的材料的反 应性。举例而言，一离子植入系统的真空室可以使用不锈钢或铝来构成。在该真空室内的 系统部件可以使用石墨（例如，标准的或玻璃质的），绝缘材料（例如，氮化硼）及/或密封 材料（例如Teflon3<、、Kel-FTM、PEEKTM、DelrinTM、VespelTM、VitonTM、Buna-N、硅等）来构 造。可以在该离子植入系统中存在的并且对其中沈积物产生的化学反应易感的其它材料包 括但不限于陶瓷、含氧化铅的环氧组合物、氮化铝、氧化铝、二氧化硅以及氮化硼。
[0054] 该离子源本身可以是由钨、石墨、钥或钽、有时有少量的铜及银构成。该离子源电 弧室通常由钨或钥构成、或一石墨体，该石墨体衬有钨或钥。在这种情况下，一种氟化物源 的进料材料（例如8&、6逆 4、51匕3逆^逆3、？&、及/或？&)在操作温度下与电弧室的材 料（例如来自电弧室或该室的衬里的钨或钥）进行反应，以形成一中间副产物，该副产物进 而可以在该系统中迁移并且分解以沈积钨或钥并释放出氟。
[0055] 举例而言，一原料气体例如GeF4会在该离子源室中解离并且产生的游离的氟化物 会蚀刻腐蚀该电弧室中的材料，例如钨。在一更冷的表面上钨将会发生此种反应，所以如 果是在电浆经撞击并且因此该丝极系热的，则该氟化物会与钨在电弧室的该等壁上进行反 应，蚀刻该等壁并形成WF 6气体。WF6然后会在该热的丝极上沈积钨，引起其尺寸的增长。
[0056] 当GeF4产生大量游离的氟时，原料气体例如BF3或SiF 4产生更少量的游离氟以及 相应地在丝极上更少程度的钨沈积，它尽管少，但仍然很重要。
[0057] 不含氟的原料气体（例如PH3&AsH3)系有问题的，因为可能引起丝极上的金属沈 积到电弧室的壁上，而结果丝极变细。
[0058] 本发明因此考虑了清洗一离子植入系统或其一或多个部件，用于至少部分地移除 与该电弧室的材料相同的与电离作用有关的沈积物。
[0059] 根据本发明的清洗可以在一离子植入系统中进行，其中多种原料气体同时引入该 系统中。原料气体还可以与一或多种气相反应性材料同时使用，或可以与一或多种气相反 应性材料交替脉冲输入到该系统中。
[0060] 本发明的清洗方法所指的与电离作用有关的沈积物包括多种材料，该等材料可以 例如藉由在离子源或其它电离过程的装备中形成并且累积来干扰离子植入系统的正常操 作。所沈积的材料可以不同地包含、由以下组成、或基本由以下组成：硅、硼、磷、锗、砷、钨、 钥、硒、锑、铟、碳、铝及/或钽。
[0061] 在离子源电弧室中以及萃取电极上的与电离作用有关的沈积物可以形成薄片并 且形成小的颗粒。该等颗粒一旦形成，则能够以一离子束传送，例如植入到一晶圆中的一掺 杂离子的束。如果此类的传送颗粒到达该晶圆，则在该晶圆上产生的颗粒污染可能严重地 降低可以在该晶圆上制造的有用器件的产率。本发明的清洗方法在此类与电离作用有关的 沈积物能够形成薄片以及颗粒之前将其移除，并且由此实现在产品晶圆上颗粒的减少并且 提高半导体器件的产率。
[0062] 根据本发明用于清洗的气相反应性材料或清洗气体可以包括对至少部分地移除 该离子植入系统中的与电离作用有关的沈积物有效的任何材料。
[0063] 本发明还考虑了使用气相反应性材料以藉由适当地控制反应而从不希望的位置 移除与电离作用有关的沈积物，及/或在希望的位置沈积材料。在本发明的特别的实施方 式中，钨构成了作为不希望的沈积物经移除的材料，而在其它的实施方式中，钨被期望地沈 积在受益于其存在的表面上。因此，反应性地形成的氟化钨中间产物的一气体（例如XeF 2、 6逆4^匕、8&^逆5^逆3、？&、及/或？&)可以用在本发明的控制以及清洗方法中。另外， 多种钨氟化物气体例如WF 6、WF5、及/或WF4可以直接用于本发明的控制以及清洗方法中。 因而，本发明的气相反应性材料包括，但不限于XeF 2、GeF4、SiF4、BF3、AsF5、AsF 3、PF5、PF3、F2、 TaF3、TaF5、WF6、WF5、及 / 或 WF4。
[0064] 在不同的特别的实施方式中，该气相反应性材料可以与增加该气相反应性材料的 挥发性的一「清洗增强剂」或「共反应剂」共同施用，导致比使用无清洗增强剂或共反应剂 的气相反应性材料更多的沈积物的移除。举例而言，用XeF 2移除铱沈积物可以藉由刘易斯 (Lewis)碱以及电子回馈键种类的共同施用而增强。在特定的应用中，可以使用一氧化碳、 三氟膦，以及三烷基膦类。
[0065] 作为一另外的实例，在一离子植入系统中，其中进料气体在具有钨壁的一电弧室 中被电离成连续的电浆，在该等壁上，一边安装有一丝极而另一边安装有一反射极并且他 们藉由陶瓷的绝缘子与该等壁分开，该电弧室的部件可能会被进料气体的分解产物、电弧 室的元素以及碳污染。
[0066] 在这种情况下，有用于移除形成挥发性的氟化物的金属污染物（例如钨）的一清 洗剂（例如XeF2)可以与一含氧添加剂进行组合，该含氧添加剂藉由将污染物碳转变成C0、 CO2、及/或COF2而有效地将其移除。有用于此目的的含氧添加剂组分在本发明的特别的实 施方式中包括但不限于NO、N 20、N02、CO2及/或02。
[0067] 因此本发明考虑了包括有效移除一金属污染物（藉由反应形成此金属的一挥发 性（气态）的氟化物化合物）的一清洗剂以及有效移除碳污染物（藉由由其形成一挥发性 的氧化物或氟氧化物）的一清洗剂两者的清洗组合物。该等清洗试剂可以同时地或顺序地 流入该电弧室中。
[0068] 在一实施方式中，该等试剂在电离作用的条件下同时流入该电弧室中，这样该等 清洗剂均进行了电离以便将金属以及碳的污染物转变成从该室中藉由将其机械抽吸而容 易移除的挥发性化合物。
[0069] 能够使该气相反应性材料与沈积物进行反应的条件可以包括任何适当的温度、压 力、流速、组成等条件，在此等条件下，该气相反应性材料与污染物进行接触并且化学上相 互作用以便从该基板中（例如受所沈积材料污染的植入机装备的表面）移除此类材料。
[0070] 可以使用的不同条件的实例包括但不限于环境温度、超过环境温度的温度、存在 电浆、没有电浆、低于大气压力、大气压力以及超级大气压。
[0071] 用于气相反应性材料的接触来移除沈积物的确切温度在不同的实施方式中可以 在从大约〇°C到大约2000°C的范围中。接触可以包括该气相反应性材料在一载气中、或以 一纯的形式、或在与一另外的清洗剂、掺杂剂等的混合物中进行递送。该气相反应性材料可 以进行加热以便与在环境温度下的沈积物进行化学反应，以提高反应动力学。
[0072] 该气相反应性材料与污染物沈积物之间的反应可以基于改变清洗剂与污染物之 间的反应特性进行监测及/或调节。此类反应特性可以包括压力、时间、温度、浓度、一具体 物质的存在、压力改变的速度、（一具体种类）浓度改变的速度、电流的改变等等。因此，向 系统中引入该气相反应性材料可以基于一预定的反应特性的实现而终止，例如在真空室中 的一预定电压、渡过了一预定的时间量、或一预定的温度、在该系统中一具体元素的浓度、 一具体副产物的存在、在该系统中的反应产物或其它的物质、或在该监测操作中一预定的 电流条件的实现。
[0073] 钨沈积物可以由进料气体与一植入机系统的电弧室的反应引起。用于清洗此类沈 积物的方法可以取决于该系统的温度梯度及/或流到以及经由丝极的电流、及/或有效地 确定并且能够监测的任何其它特性。
[0074] 举例而言，来自进料材料的氟可以与该电弧室在一第一温度下进行反应，藉由以 下反应⑴或⑵形成WF6 : 3F2(g)+ff(s) -WF6(g) (I) 6F(g)+ff(s) -WF6(g) (2) 还可以存在清洗气体与该电弧室的钨材料之间的反应，例如： 3XeF2+W - 3Xe+WF6 (3) 替代地，WF6 (或WF5或WF4)可以直接地提供给该系统。
[0075] 在该系统中曾经形成或者以其它方式存在的钨氟化物然后可以迁移到该系统的 另一位置。取决于其它位置的温度，该钨氟化物会在该位置蚀刻或沈积钨。在该丝极上，温 度将主要取决于通过它的实际电流通量。在该电弧室的其它位置的温度可以变化，这取决 于具体的位置以及电弧室的设计、丝极电流、连同其它非丝极电流。
[0076] 如果第二位置系在高温，则钨氟化物分解，钨被沈积而氟被释放，只要钨氟化物继 续存在，钨沈积物的尺寸就会生长。沈积反应可以包括以下的反应（4)、（5)及/或（6): WF6 - W+3F2 (4) 2WF5 - 2W+5F2 (5) WF4 - W+2F2 (6) 相反，如果第二位置系在中等温度，钨氟化物可以蚀刻该位置，移除钨并且在反应产物 中保留氟，这样蚀刻的位置随着蚀刻的进行而缩小。此蚀刻反应可以包括以下反应（7)、（8) 及/或（9):

【权利要求】
1. 一种操作一离子植入系统以维持其操作效率的方法，所述方法包括： 监控在所述离子植入系统的离子源中一种或多种实现由于引入到所述离子源的掺杂 剂气体所带来的沉积或蚀刻的状态； 对这种监控做出响应，（i)将所述离子源中的温度调整至足以发生沉积或蚀刻的温度， 以及（ii)向所述离子源引入调整沉积或蚀刻的调整气体，以便维持所述离子植入系统的 操作效率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子源中的长丝或阴极的温度调整 至足以发生刻蚀的温度。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子源中的长丝或阴极的温度调整 至足以发生从所述调整气体沉积材料的温度。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述温度高于2000°C。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述温度低于200(TC。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂气体包括选自由BF3、XeF2、 PH3、AsH3、PF5、AsF3、SiF 4、PF3、AsF5、H2Se 和 GeF4 组成的组中的气体。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂气体包括用于硼、硅、砷、磷、 硒、锑、铟或锗的掺杂剂气体源。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整气体包括选自由XeF2、XeF4、 XeF6、GeF4、SiF4、BF3、AsF 5、AsF3、PF5、PF3、F2、TaF 3、TaF5、WF6、WF5、WF4、NF 3、IF5、IF7、KrF2、 SF6、C2F6、CF4、C1F3、N 2F4、N2F2、N3F、NFH 2、NH2F、BrF3、C3F8、C 4F8、C5F8、CHF3、CH 2F2' CH3F、COF2、 HF、C2HF5、C2H2F4、C 2H3F3、C2H4F2、C 2H5F、C3F6和MoF6组成的组中的气体，其中该调整气体不同 于所述掺杂剂气体。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整气体包括气体卤化物。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂气体包括含氟气体，所述调 整气体包括含氢气体。
11. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂气体和所述调整气体是作为 一个气体混合物共同流向所述离子源。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述气体混合物选自由AsH3/AsF3、 AsH3AsF5、PH3/PF3、PH 3/PF5、S iH4/S iF4、H2/Xe/S iF4、GeH4/GeF4、H2/Xe/GeF 4、H2/GeF4、B2H6/BF 3、 H2/BF3、F2/BF3、C02/F 2、C02/CF4、C0/F2、C0/CF4、C0F 2/F2、C0F2/CH4、C0F2/H 2 组成的组。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述气体混合物中的所述调整气体不 包含 As、P、Ge、B、Si 或 C。
14. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整气体包括多种气体。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述调整气体选自由Xe/H2、Ar/H2、N e/ H2、Xe/NH3、Ar/Xe 和 Ar/Xe/H2 组成的组。
16. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂气体和调整气体包含PH3和 NF30
17. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控的状态包括所述离子源中长丝 的电流消耗。
18. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控的状态包括所述离子源中阴极 的使用功率。
19. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控的状态包括所述离子源中长丝 的电阻。
20. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控的状态包括所述离子源中长丝 的温度和所述离子源所在电弧室的电弧室壁的温度。
21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法包括控制所述离子源中长丝 的温度和所述电弧室壁的温度，以影响在长丝上的材料沉积或蚀刻，便于维持预先确定的 电阻。
22. -种离子植入系统，其特征在于，该系统包括： 一间接加热阴极源； 一控制所述系统的控制器； 其中，该控制器 a) 藉由在一预定时间测量阴极偏压功率来确定所述间接加热的阴极源的使用功率； b) 比较该预定时间的该使用功率与初始功率；以及 c) 响应于该比较采取校正动作⑴或（ii)以控制该间接加热的阴极的状态，藉此 (i) 若该预定时间的该使用功率高于该初始功率，则蚀刻该间接加热的阴极； (ii) 若该预定时间的该使用功率低于该初始功率，则再生长该间接加热的阴极。
23. -种离子植入系统，其特征在于，该系统包括： 一离子源的电弧室； 一位于所述电弧室内的阴极； 一控制所述系统的控制器； 其中，该控制器在选自由下列组成的组的状态下将所述阴极与钨试剂接触： a) 实现钨沉积在所述阴极上的状态；以及 b) 实现从所述阴极上蚀刻所沉积的材料的状态； 并且所述接触根据一个时间表进行，该时间表维持所述阴极在预先确定的限制内的使 用功率、并且控制该阴极的温度和该电弧室壁的温度，以实现该阴极上的材料的沉积或蚀 亥IJ，来维持预先确定的电阻。
【文档编号】H01J37/317GK104217981SQ201410367226
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2009年8月12日 优先权日:2009年2月11日
【发明者】约瑟·D·史威尼, 莎拉德·N·叶达夫, 欧利格·拜, 罗伯·金姆, 大卫·艾德瑞吉, 丰琳, 史蒂芬·E·毕夏普, W·卡尔·欧兰德, 唐瀛 申请人:先进科技材料公司