專利名稱：用于等離子體摻雜的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過利用等離子體摻雜或等離子體注入技術(shù)將一種雜質(zhì)離子摻雜到例如半導體基片的基體中的方法和裝置。
背景技術(shù)：
美國專利No.4912065公開了一種等離子體摻雜法，通過這種方法，離子化的雜質(zhì)通過減小的能量被注入到基片之中。日本專利No.2718926也公開了一種用于控制注入雜質(zhì)濃度的方法，其中在放電的同時對高頻電流進行檢測以便加以控制。
然而，這種控制方法有一個缺點，就是高頻功率的變化，從而控制高頻電流引起不希望的電子密度、等離子體中的雜質(zhì)離子密度以及作用在基片上的離子能量的變化，進而導致濃度的無法控制性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種可以容易地控制摻雜濃度的方法和裝置。
根據(jù)一種用于本發(fā)明的離子摻雜的方法和裝置，基片被定位在一個工作臺上，工作臺被安裝在將被抽成真空且將被輸入雜質(zhì)的腔體中。將第一高頻電源加載在等離子體產(chǎn)生元件上，從而在腔體中產(chǎn)生等離子體，以便將腔體中的雜質(zhì)注入到基片中。工作臺還被加上了第二高頻電源。對腔體中等離子體的狀態(tài)和工作臺中的電壓或電流進行檢測?？刂破鞲鶕?jù)檢測到的等離子體狀態(tài)和/或檢測到的電壓或電流，對第一和第二高頻電源中的至少一個進行控制，從而控制所要注入雜質(zhì)的注入濃度。
在本發(fā)明的另一方面中，對通過電容連接到工作臺上的電極上的電壓或電流進行檢測。然后，控制器根據(jù)檢測到的等離子體狀態(tài)和/或檢測到的電壓或電流，對第一和第二高頻電源中的至少一個進行控制，從而控制所要注入雜質(zhì)的注入濃度。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一種實施例的摻雜裝置的一個示意性的剖面圖。
圖2是顯示發(fā)射強度與硼濃度之間關(guān)系的曲線圖。
圖3是顯示高頻電壓與硼濃度之間關(guān)系的曲線圖。
圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二種實施例的摻雜裝置的一個示意性的垂直剖面圖。
圖5是匹配電路的電路圖，同時其示出了工作臺的結(jié)構(gòu)。
圖6是顯示對匹配電路的變更形式的電路圖。
圖7是摻雜裝置的變更形式的示意性剖面圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖，對用于本發(fā)明的等離子體摻雜方法和裝置的各種參照圖1，其顯示了一種根據(jù)本發(fā)明的等離子體摻雜裝置，總體由附圖標號10來表示。摻雜裝置10具有圓柱容器12，其限定腔體14。容器12具有限定容器12的側(cè)壁18和底壁20的第一部分16，以及限定容器12的頂壁24的第二部分22。容器12的第一部分16由導電材料制成，例如鋁和不銹鋼，并電氣接地到地上。容器12的第二部分22，即頂壁24由電介質(zhì)材料制成，例如硅玻璃，通過它高頻電場被感應到腔體14中。底壁20中限定有開口26，開口26與例如渦輪分子泵這樣的真空泵28液體連通。在腔體14中且鄰近開口26的地方，安裝著由提升裝置(圖中未示出)所支承的閥部件30，使得開口26的開口程度以及腔體12中的真空通過閥部件30的提升被控制在一個特定值，例如0.04Pa。
腔體14中安裝有由例如鋁和不銹鋼這樣的導電材料制成的工作臺32。工作臺32被許多絕緣支架34支承在腔體的中央，與頂部電介質(zhì)壁24相距一定的距離，從而限定一個用于形成等離子體的特定容量的空間36。工作臺32還具有一個用于支承諸如硅片的基片38的頂部平面，基片中要注入預定的離子。
等離子氣體供給源40，即雜質(zhì)源被液體連通到腔體14中，使得含有氬(Ar)和乙硼烷(B2H6)的特定氣體可以從雜質(zhì)源輸送到腔體14中。例如，氬和乙硼烷氣體的含量可以分別被控制在10sscm(標準立方厘米/每分鐘)和5sscm。
為了在等離子體形成空間36中產(chǎn)生等離子體42，特別是感應耦合等離子體(ICP)，在電介質(zhì)壁24上方且位于腔體14之外，以與圓柱容器12同軸的方式安裝著等離子體產(chǎn)生元件或螺旋線圈44。如圖所示，線圈44的中央端部46被定位在高于相對的圓周端部48的位置，使得線圈44形成了一個圓錐形結(jié)構(gòu)。線圈44的中央端部46被連接到一個可以施加高頻電力的第一高頻電源50上。第一高頻電源50是一個能夠通過頻率控制在300kHz和3GHz之間或者通過脈寬調(diào)節(jié)對電壓進行控制的電源，以改變腔體中所產(chǎn)生的等離子體的密度。在此實施例中，開始時，例如13.56MHz的頻率被加在線圈44上。另一方面，線圈44的圓周端部分48被接地到地上。
為了使工作臺32和基片38相對于等離子體42具有負極性，第二高頻電源52通過一個匹配電路54和一個電壓檢測器56(第二監(jiān)視器)被電氣連接到工作臺32上。被用于改變離子化能量的第二高頻電源52可以是相同或不同于第一高頻電源的傳統(tǒng)電源。例如，采用能夠通過頻率控制在300kHz和3GHz之間或者通過脈寬調(diào)節(jié)對電壓進行控制的電源。在此實施例中，例如開始時，工作臺32上被加上600kHz頻率。本實施例的注入裝置10還采用輻射光譜學(optical emission spectroscopy)來檢測腔體14中產(chǎn)生等離子體的情況，然后控制離子注入的劑量。為此，安裝了一個能夠探測并計量從腔體14中的等離子體輻射出的光的量的光探測器58(第一監(jiān)視器)。監(jiān)視器56和58被連接到控制器60上，其被依次連接到第一和第二電源50和52上，用于分別控制被加在線圈44和工作臺32上的高頻電源。
在如此構(gòu)成的離子注入裝置10的操作過程中，基片38被定位在工作臺32上，使得基片38與工作臺32的相對面進行充分的接觸。在此條件下，Ar和B2H6的混合氣體，被從等離子氣體供應源40輸入到腔體14中。另外，腔體14被泵28抽成真空，通過閥部件30的向上和/或向下移動，從而調(diào)節(jié)開口26的開啟程度，進而使真空度得到控制。在此情況下，一旦高頻電源50被打開而在腔體14中感應出高頻電場，空間36中的基片38的上方就會產(chǎn)生等離子體42。同時，等離子體42和基片38之間產(chǎn)生護套電壓(sheath voltage)，使硼被注入到基片38的頂面而形成一個超薄的硼注入層。
利用注入裝置來做測試，以確定當在工作臺和基片上加上1000V電壓時發(fā)射強度和注入的硼濃度之間的關(guān)系，以及當通過控制加在線圈上的交流電而使等離子體的發(fā)射強度被控制在0.5(a.u.)時加在第二高頻電源上的電壓和硼濃度之間的關(guān)系。圖2和圖3中分別展示了其結(jié)果，其顯示硼的濃度隨著發(fā)射強度和所加電壓而增大。這意味著每一種發(fā)射強度和電壓都表示等離子體的一種情況，且都與離子濃度具有直接的關(guān)系。這進而意味著通過控制由光檢測器58測量到的對應于等離子體42的光輻射的第一高頻電源50的輸出，和/或通過控制第二高頻電源52的輸出，即加在工作臺32上并由電壓檢測器56所測量到的電壓，硼濃度就得到了控制。因此，根據(jù)本發(fā)明的注入裝置10，控制器60被編程為對第一和第二高頻電源50和52中的任何一個或全部兩個進行控制，從而產(chǎn)生要注入到基片38的表面所需要的離子劑量。具體地說，在此過程中，第一電源受到反饋控制以使等離子體汽相穩(wěn)定，第二電源也受到控制以便獲得一個恒定的電壓或功率。
參照圖4，將對根據(jù)本發(fā)明的第二種實施例的另一種注入裝置進行說明，其總體上由附圖標號10A來標示。在此實施例中，采用了一種單探頭法來檢測腔體14中產(chǎn)生的等離子體的狀態(tài)，然后對離子注入的劑量進行控制。為此，一個由鎢制成的桿狀電極的單獨探頭62被插入到了腔體14中，并與等離子體形成空間36相鄰接。探頭62還與一個用于檢測電流強度的裝置64電氣連接，所述裝置64進而連接到控制器60上。電流強度對應于等離子體的發(fā)射強度，這意味著由裝置64所檢測到的電流強度被用于控制器60，以控制所產(chǎn)生的等離子體的狀態(tài)并進而控制基片中所注入硼的濃度。
另外，環(huán)繞著工作臺68安裝著由導電材料制成的環(huán)形監(jiān)控電極66，所述環(huán)形電極66也連接著匹配電路70。圖5顯示了匹配電路70的細節(jié)以及此實施例的工作臺68的結(jié)構(gòu)。如圖所示，工作臺68具有由絕緣材料制成的用于支承注入基片38的上部平板部分72，以及由導體材料支承的用于支承上部平板部分的下部平板部分74。上部平板部分72至少包括一對嵌入在其中的夾頭電極，第一電極76和第二電極78。第一和第二電極76和78被連接到一個直流電源80上，這樣在夾頭電極76和78之間施加特定的直流電壓，從而形成用于將基片38固定在工作臺68上的靜電力。
匹配電路70具有一個連接在高頻電源52和電容84之間的高頻輸入端子82。端子82還通過另一個電容86、線圈88、電容90、低通濾波器92、和帶有分壓計的監(jiān)控電路94連接到另一個端子96上，所述端子96連接著控制器60。另外，電容90的兩端連接到第一輸出端子98和第二輸出端子100上，所述第一輸出端子98連接著工作臺68的下部平板部分74，所述第二輸出端子100連接著環(huán)形監(jiān)控電極66。
通過采用上述結(jié)構(gòu)，高頻電能從電源52，通過電容86、線圈88、電容90和輸出端子100，被輸送到環(huán)形監(jiān)控電極66上。在這種情況下，環(huán)形監(jiān)控電極66的電壓與輸出端子100上的電壓相同，結(jié)果監(jiān)控電路94上獲得與監(jiān)控電極66的直流電壓成比例的電壓。所獲得的同時也與第一種實施例中工作臺電壓相對應的電壓然后被控制器60所采用，以控制注入硼的濃度。
還是在此匹配電路70中，電容90將監(jiān)控電極66從工作臺68的下板部分74上分隔開來，這防止了在下板部分74上產(chǎn)生大的負電壓，所述大的負電壓會導致上部平板72的絕緣性變差。低通濾波器92可以濾去高頻電能。
在前面的實施例中，環(huán)形監(jiān)控電極被電氣浮置在電路中，結(jié)果電路中沒有電流流動。與之相反，為了在電路中產(chǎn)生流動的電流并進而利用檢測到的電流來獲得電壓，可以作出如圖6所示的修改。具體地說，在此修改中，匹配電路54中的監(jiān)控電路102具有用于檢測流過的電流的第一電路部分(未示出)，和用于計算與檢測到的電流相對應的電壓的第二電路部分(未示出)。另外，安裝在第一電路中用于檢測電流的電阻通常具有降低的電阻，它會產(chǎn)生過熱并會導致監(jiān)控電路出錯。為了防止這一點，電阻104優(yōu)選以串連的形式被連接到環(huán)形監(jiān)控電極66上，以減小流入到監(jiān)控電路中的電流。如圖6所示，還可以在電容90和監(jiān)控電路102之間連接一個附加線圈106，以防止高頻電流流入到監(jiān)控電路102中。
采用圖6中所示的注入裝置來進行測試。在此測試中，基片被定位在工作臺上。包含有Ar和B2H6的注入混合氣體被輸送到腔體中。氬和乙硼烷的含量分別被控制在10sccm(標準立方厘米/每分鐘)和5sccm。腔體中的壓力被維持在0.04Pa。在此情況下，螺旋線圈和工作臺(下板部分)分別被施加來自電源50和52高頻電能。結(jié)果證實硼被注入到基片的表面中。
另外，在此測試中，加在螺旋線圈和工作臺(下板部分)上的高頻電能被改變。同時，對監(jiān)控電路中流動的電流，以及注入到與基片頂面相距1.0nm的基片內(nèi)部的硼的濃度進行檢測。
結(jié)果顯示，如果環(huán)形電極中的直流電流保持恒定，硼的濃度就隨著離子電流的強度大致成比例地增加，另一方面，如果離子電流的強度保持恒定，硼濃度就隨著環(huán)形電極中的直流電流而大致成比例地增加。這意味著，通過控制螺旋線圈中的高頻電源以保持離子電流強度恒定，并同時控制加在工作臺上的另一高頻電源而保持監(jiān)控電極中的電流恒定，就能夠精確地控制硼的濃度。
雖然對各種實施例進行了說明，但是本發(fā)明的注入裝置可以通過各種方式進行修改和/或改進。例如，如圖7中所示，可以采用一個半球形圓頂108來取代圖1和圖4中的平板形頂壁。在此實施例中，線圈可以被構(gòu)造成一種非螺旋形的形式。還可以安裝一個用于產(chǎn)生穿過頂壁朝向基片的磁場的磁性線圈110，它可以產(chǎn)生螺旋形波等離子體(helicon waveplasma)或磁中性環(huán)等離子體(magnetic neutral loop plasma)，每一種都具有比感應耦合等離子體更高的強度。換種方式，也可以結(jié)合采用微波輻射天線和磁性線圈。在此實施例中，腔體中產(chǎn)生了一種電子回旋共振等離子體，它具有比感應耦合等離子體更高的強度。在這些變更形式中，通過控制磁性線圈中流動的電流，在腔體中可以產(chǎn)生直流磁場或低于1kHz的低頻磁場。
盡管被用作基片的是由硅制成的半導體平板，它也可以由任何材料制成。
另外，被用作注入雜質(zhì)即摻雜物的是硼，也可以替代注入或額外注入包括砷、磷、鋁和銻的其它摻雜劑。
另外，盡管采用氬Ar作為稀釋氣體，也可以采用其它氣體，例如由氮和氦構(gòu)成的氣體。
還有，盡管雜質(zhì)是以氣體形態(tài)即B2H6被引入的，雜質(zhì)也可以被復合在某一特定的基體(雜質(zhì)源)的內(nèi)部或表面，然后通過例如濺射進入到腔體中。
此外，盡管用于監(jiān)控腔體中等離子體狀態(tài)的輻射光譜法和單探頭方法已經(jīng)在先前的實施例中得到了描述，也可以采用其它替代方法，包括激光感應熒光法、紅外激光吸收光譜法、真空紫外線吸收光譜法、激光散射法、雙探頭法、三探頭法和四極質(zhì)譜法。
盡管在先前的實施例中對加在工作臺上的電壓進行了監(jiān)控，也可以代之以監(jiān)控流過的電流。
另外，盡管在先前的實施例中監(jiān)控的是監(jiān)控電極中的電壓和電流，也可以代之以監(jiān)控其中的高頻電流。
部件列表10離子注入裝置12容器14腔體16容器的第一部分18側(cè)壁20底壁22容器的第二部分24頂壁
26開口28真空泵30閥部件32工作臺34支架36空間38基片40等離子氣體供應源42等離子體44螺旋線圈46線圈的中心端部48線圈的圓周端部50第一高頻電源52第二高頻電源54匹配電路56電壓檢測器(第二監(jiān)控器)58光檢測器(第一監(jiān)控器)60控制器62探頭(單一探頭)64電流強度監(jiān)控裝置66環(huán)形監(jiān)控電極68工作臺70匹配電路72上板部分74下板部分76第一電極78第二電極80直流電源82端子84、86電容
88線圈90電容92低通濾波器94監(jiān)控電路96端子98輸出端子100輸出端子102監(jiān)控電路104電阻106線圈
權(quán)利要求
1.一種用于等離子體注入的裝置，其包括其內(nèi)部限定有真空腔體的真空容器；安裝在腔體中用于支承要被注入雜質(zhì)的基片的工作臺；安裝在腔體外的等離子體產(chǎn)生元件；用將第一高頻電能加載到所述元件上以在腔體中產(chǎn)生等離子體的第一電源；用于將第二高頻電能加載到所述工作臺上的第二電源；用于檢測等離子體狀態(tài)的第一檢測器；用于檢測工作臺中的電壓或電流的第二檢測器；和控制器，其用于根據(jù)由第一檢測器檢測到的等離子體的狀態(tài)和/或由第二檢測器檢測到的電壓或電流，來對第一和第二高頻電源中的至少一個進行控制，從而控制所要注入雜質(zhì)的注入濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于第一檢測器對所述狀態(tài)的檢測采用從以下方法中選擇的一種方法輻射光譜法、單探頭法、雙探頭法、三探頭法、激光感應熒光法、紅外線激光吸收光譜法、真空紫外線吸收光譜法、激光散射法和四極質(zhì)譜法。
3.一種用于等離子體注入的裝置，其包括其內(nèi)部限定有真空腔體的真空容器；安裝在腔體中用于支承要被注入雜質(zhì)的基片的工作臺；安裝在腔體外的等離子體產(chǎn)生元件；用于將第一高頻電能加載到所述元件以在所述腔體中形成等離子體的第一電源；用于將第二高頻電能加載到工作臺上的第二電源；與工作臺鄰接安裝并通過電容連接到工作臺上的電極；用于檢測等離子體狀態(tài)的第一檢測器；用于檢測電極中電壓或電流的第二檢測器；控制器，其用于根據(jù)由第一檢測器檢測到的等離子體狀態(tài)和/或由第二檢測器檢測到的電壓或電流，來對第一和第二高頻電源中的至少一個進行控制，從而控制所要注入雜質(zhì)的注入濃度。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于第一檢測器對所述狀態(tài)的檢測采用從以下方法中選擇的一種方法輻射光譜法、單探頭法、雙探頭法、三探頭法、激光感應熒光法、紅外線激光吸收光譜法、真空紫外線吸收光譜法、激光散射法和四極質(zhì)譜法。
5.一種用于將雜質(zhì)注入到基片中的方法，包括步驟將基片定位在安裝于腔體中的工作臺上；在腔體中產(chǎn)生真空；將雜質(zhì)輸入到腔體中；將第一高頻電能加載到等離子體產(chǎn)生元件上，從而產(chǎn)生等離子體，以使腔體中的雜質(zhì)注入到基片中；將第二高頻電能加到工作臺上；檢測腔體中的等離子體狀態(tài)；檢測工作臺中的電壓或電流；和根據(jù)檢測到的等離子體的狀態(tài)和/或檢測到的電壓或電流，對第一和第二高頻電源中的至少一個進行控制，從而控制所要注入到基片中的雜質(zhì)的注入濃度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于第一和第二電源中每一個的電源頻率都被控制在300kHz至3GHz的范圍內(nèi)。
7.一種裝置，其具有由基片構(gòu)成的零件，所述基片由權(quán)利要求5所述的方法被注入雜質(zhì)。
8.一種用于將雜質(zhì)注入到基片中的方法，包括步驟將基片定位在腔體中的工作臺上；在腔體中產(chǎn)生真空；將注入雜質(zhì)輸送到腔體中；將第一高頻電能加載到元件上，以產(chǎn)生等離子體，以使腔體中的雜質(zhì)被注入到基片中；將第二高頻電能加到工作臺上；檢測腔體中的等離子體的狀態(tài)；檢測經(jīng)電容連接到工作臺上的電極上的電壓或電流；和根據(jù)檢測到的等離子體狀態(tài)和/或檢測到的電壓或電流，對第一和第二高頻電源中的至少一個進行控制，以便控制要注入雜質(zhì)的注入濃度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于從第一和第二電源中的每個輸出的電能的頻率都被控制在300kHz至3GHz的范圍內(nèi)。
10.一種裝置，其具有由基片構(gòu)成的元件，所述基片要通過權(quán)利要求8所述的方法被注入雜質(zhì)。
全文摘要
根據(jù)一種用于注入雜質(zhì)的方法，基片被定位在安裝于腔體中的工作臺上，所述腔體將被抽成真空且被輸入所要注入的雜質(zhì)。第一高頻電源被加載到等離子體產(chǎn)生元件上，從而產(chǎn)生等離子體，以使腔體中的雜質(zhì)被注入到基片中。另外，第二高頻電源被加載到工作臺上。對腔體中等離子體的狀態(tài)和工作臺中的電壓和電流進行檢測。控制器根據(jù)檢測到的等離子體的狀態(tài)和/或檢測到的電壓或電流，對第一和第二高頻電源中的至少一個進行控制，從而控制所要注入雜質(zhì)的注入濃度。
文檔編號H01L21/223GK1577746SQ0315975
公開日2005年2月9日 申請日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月3日
發(fā)明者奧村智洋, 中山一郎, 水野文二 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社