СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОМ РЕЖИМЕ Российский патент 2018 года по МПК H01J37/32 

Настоящее изобретение относится к способу управления устройством для ионной имплантации в плазменно-иммерсионном режиме.

Изобретение относится к устройствам для ионной имплантации, работающим в плазменно-иммерсионном режиме. 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 с обеспечением имплантации ионов в подложку. Атомы, имплантированные таким образом, называются «легирующими атомами».

Глубина проникновения ионов определена их энергией ускорения. Прежде всего, она зависит от напряжения, приложенного к подложке, а также от соответствующих свойств ионов и подложки. Концентрация внедренных атомов зависит от дозы, выражающейся в виде количества ионов на квадратный сантиметр, и от глубины имплантации.

По причинам, связанным с физикой плазмы, через несколько наносекунд после приложения напряжения вокруг подложки создается оболочка из ионов. Разность потенциалов, влияющая на ускорение ионов в направлении к подложке, находится вне границ этой оболочки.

Рост этой оболочки является функцией времени согласно уравнению Чайлда-Лэнгмюра:

где:

j_c - плотность тока;

ε₀ - электрическая постоянная;

е - заряд иона;

М - масса иона;

V₀ - разность потенциалов на оболочке; и

s - толщина оболочки.

Условие, согласно которому плотность тока равна сумме зарядов, проходящих через границы оболочки в единицу времени, ds/dt представляет скорость перемещения этой границы:

S₀ выражено:

Следует понимать, что u₀=(2eV₀/M) - характеристическая скорость иона, а n₀ - плотность плазмы.

Толщина оболочки по существу связана с прикладываемым напряжением, плотностью плазмы и массой ионов.

Эквивалентное сопротивление плазмы, обуславливающее ток для имплантации, прямо пропорционально квадрату толщины оболочки. Таким образом, ток для имплантации очень быстро уменьшается по мере утолщения оболочки.

После истечения конкретного времени необходимо осуществить повторную инициализацию. Это особенно важно, как только оболочка достигает стенок корпуса, останавливая тем самым процедуру имплантации.

Для повторной инициализации системы практически все производители реализуют возможность выключения напряжения на подложке при поддержании плазмы в воспламененном состоянии. Следовательно, необходимо обеспечить наличие импульсного генератора, производящего высоковольтные импульсы.

Таким образом, в публикации WO 01/15200 со ссылкой на фиг. 1 предложено приложение напряжения смещения к подложке посредством источника питания, содержащего:

- генератор GEN с заземленным положительным полюсом;

- конденсатор, соединенный параллельно с генератором;

- первый переключатель IT1, первый полюс которого соединен с отрицательным полюсом генератора GEN, и второй полюс которого соединен с выходным разъемом О источника питания; и

- второй переключатель IT2, первый полюс которого присоединен к выходному разъему О, и второй полюс которого заземлен.

Способ включает следующие стадии:

- стадию имплантации, на которой:

- приводят в действие источник питания плазмы;

- замыкают первый переключатель IT1 и

- размыкают второй переключатель IT2;

- стадию нейтрализации, на которой:

- размыкают первый переключатель IT1 и

- замыкают второй переключатель IT2.

Непрерывное присутствие плазмы внутри корпуса приводит к нежелательным побочным явлениям:

- возникновению частиц;

- подаче тепла на подложку;

- бомбардированию корпуса, что создает вероятность того, что обрабатываемые части пострадают от металлических примесей;

- эффекты возникновения зарядов, особенно нежелательные для микроэлектроники; и

- на стадиях, когда напряжение, приложенное к подложке, увеличивается и уменьшается, имплантация происходит при ускоряющем напряжении, которое не стабилизируется.

Далее, в публикации US 2007/069157 изложена следующая последовательность действий:

- приведение в действие источника питания подложки;

- приведение в действие источника питания плазмы для длительности одного импульса после истечения конкретной задержки по времени;

- отключение источника питания плазмы; и

- отключение источника питания подложки после истечения определенного периода времени.

Следовательно, в течение указанного периода времени, источник питания подложки приводят в действие и отключают источник питания плазмы, что соответствует стадии релаксации.

На этапе имплантации электроизолированные зоны подложки приобретают положительный заряд, причем это происходит с нарастанием. Разумеется, такая ситуация нежелательна, по меньшей мере по причине нарушений, возникающих в результате процесса имплантации. Поэтому необходимо нейтрализовать эти положительные заряды путем подачи электронов.

Таким образом, возможно использование волокна, которое, однако, имеет тенденцию к испарению. Кроме того, возможно использование электронной пушки, однако, она представляет собой относительно обременительное дополнительное оборудование.

Задача настоящего изобретения заключается в облегчении нейтрализации положительных зарядов.

Поставленная задача решена тем, что предложен способ управления устройством для ионной имплантации, содержащим источник питания плазмы и источник питания подложки, причем источник питания подложки содержит:

- электрогенератор с заземленным положительным полюсом;

- первый переключатель, первый полюс которого соединен с отрицательным полюсом генератора, и второй полюс которого соединен с выходным разъемом источника питания подложки; и

- второй переключатель, первый полюс которого соединен с выходным разъемом, а второй полюс которого соединен с нейтрализующим разъемом;

при этом способ включает стадию имплантации, на которой:

- приводят в действие источник питания плазмы;

- замыкают первый переключатель и

- размыкают второй переключатель;

причем способ включает стадию нейтрализации, на которой:

- размыкают первый переключатель и

- замыкают второй переключатель;

при этом способ отличается тем, что:

- он дополнительно включает стадию релаксации, которая по времени накладывается на стадию имплантации и стадию нейтрализации, причем на стадии релаксации источник питания плазмы отключен; и

- стадия нейтрализации включает предварительный этап замыкания второго переключателя, после предварительного этапа следует отменяющий этап для приведения в действие источника питания плазмы.

Таким образом, на отменяющем этапе положительные заряды на подложке нейтрализованы электронами из плазмы.

Предпочтительно, после отменяющего этапа следует инактивирующий этап для отключения указанного источника питания плазмы.

Предпочтительно, за этапом инактивации следует этап прерывания, на котором размыкают второй переключатель.

Кроме того, если напряжение, приложенное к подложке, изменяется во время воспламенения плазмы, параметры имплантации меняются соответственно. В частности, это относится к глубине проникновения легирующих примесей, которая напрямую зависит от ускоряющего напряжения.

Таким образом, второй задачей настоящего изобретения является стабилизация параметров имплантации.

Согласно изобретению стадия имплантации включает инициализирующий этап для замыкания первого переключателя, после этого инициализирующего этапа следует период стабилизации на активирующем этапе для активации источника питания плазмы.

Следовательно, плазма зажигается после стабилизации напряжения, приложенного к несущей подложке.

В предпочтительном варианте осуществления, за активирующим этапом следует этап угасания для отключения источника питания плазмы.

Кроме того, после этапа угасания следует этап приостановки для размыкания первого переключателя.

В результате, напряжение, приложенное к держателю подложки, поддерживается постоянным в течение всего периода подачи энергии к плазме.

Согласно изобретению также предложено устройство для ионной имплантации, содержащее средства для выполнения предложенного способа, изложенного в описании.

Далее настоящее изобретение описано и проиллюстрировано более подробно в контексте его реализации со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан высоковольтный источник питания согласно известному аналогу;

на фиг. 2 показано устройство для ионной имплантации, снабженное управляющим модулем;

на фиг. 3 показан высоковольтный источник электропитания согласно предложенному изобретению;

на фиг. 4 изображена временная диаграмма, графически иллюстрирующая способ согласно предложенному изобретению.

Элементы устройства, изображенные более, чем на одной фигуре, обозначены одинаковыми номерами позиций.

Согласно фиг. 2 устройство для ионной имплантации содержит множество составных частей, размещенных внутри и снаружи вакуумной камеры ENV. В микроэлектронике рекомендовано использование камеры, выполненной 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.

Пластина PPS держателя подложки имеет форму горизонтально размещенного диска, выполненного с возможностью вращения относительно своей вертикальной оси АХТ, а также с возможностью размещения на нем подложки SUB для осуществления ее ионной имплантации.

Верхняя часть камеры ENV содержит цилиндрический корпус CS источника плазмы, расположенный на вертикальной оси АХР. Указанный корпус выполнен из кварца. Снаружи он окружен, во-первых, удерживающими катушками Boci и BOCj, а во-вторых, внешней радиочастотной антенной ANT. Входное отверстие ING для плазмообразующего газа расположено соосно вертикальной оси АХР корпуса CS источника. Вертикальная ось АХР пересекает поверхность пластины PPS держателя подложки, на которой размещена подложка SUB для ионной имплантации.

Возможно использование импульсного источника плазмы любого типа: индуктивно-связанной плазмы (ICP), геликонового, микроволнового, дугового. Эти источники должны работать при достаточно низких уровнях давлений, чтобы электрическое поле, создаваемое между пластиной PPS под высоким напряжением и камерой ENV, имеющей потенциал земли, не вызвало разряд плазмы, приводящий к нарушению работы источника в импульсном режиме.

Управляющий модуль устройства для ионной имплантации по существу содержит три части:

- источник PS питания подложки для подачи высокого напряжения на подложку SUB;

- источник АР питания плазмы для подачи энергии на радиочастотную антенну ANT и удерживающие катушки Boci, BOCj; и

- управляющая цепь СС для управления обоими источниками питания.

Согласно фиг. 3 источник PS питания подложки содержит:

- электрогенератор НТ с заземленным положительным полюсом;

- первый переключатель SW1, первый полюс которого соединен с отрицательным полюсом генератора НТ, а второй полюс которого соединен с выходным разъемом S источника питания;

- второй переключатель SW2, первый полюс которого соединен с выходным разъемом S, а второй полюс которого соединен с нейтрализующим разъемом N, напрямую, либо через разрядный резистор Rd, как правило, имеющий сопротивление 1 кОм (кΩ); и

- предпочтительно, регулирующий конденсатор Cr, соединенный параллельно с генератором НТ.

Выходной разъем S подключен к пластине PPS держателя подложки устройства для ионной имплантации.

Нейтрализующий разъем может быть заземлен. Аналогичным образом он может быть подключен к положительному полюсу источника напряжения, отрицательный полюс которого заземлен. Это положительное напряжение, обычно лежащее в диапазоне от 0 до 100 вольт (В), предпочтительно выбирают с обеспечением по существу его равенства потенциалу плазмы, находящемуся, как правило, в диапазоне +10 В до +20 В.

Согласно фиг. 4 управляющая цепь СС обеспечивает управление источником питания АР плазмы и двумя переключателями SW1 и SW2 источника питания PS подложки следующим образом.

В исходном состоянии, эти три части имеют следующую конфигурацию:

- источник питания плазмы отключен;

- первый переключатель SW1 разомкнут и

- второй переключатель SW2 разомкнут.

В начале цикла происходит стадия имплантации, которая начинается с этапа инициализации, представленного точкой А на фиг. 4.

Этап инициализации начинается при замыкании первого переключателя SW1. Он продолжается в течение периода стабилизации, который обычно длится в диапазоне от 1 микросекунды (мкс) до 5 мкс.

После этого этапа инициализации следует активирующий этап (точка В на фиг. 4), на котором приводят в действие источник питания АР плазмы. Продолжительность этого активирующего этапа, как правило, находится в диапазоне от 5 мкс до 100 мкс.

Затем следует этап угасания (точка С на фиг. 4), в начале которого источник питания АР плазмы отключается. Этот этап, в течение которого гаснет плазма, обычно длится от 20 мкс до 200 мкс. Указанный этап завершает этап имплантации.

Этап приостановки (точка D на фиг. 4) начинается с размыкания первого переключателя SW1 и заканчивается в начале стадии нейтрализации. Этот этап может быть относительно коротким, но продолжается до тех пор, пока первый переключатель SW1 не откроется полностью и плазма не погаснет полностью. Таким образом, его продолжительность составляет более 0,1 мкс и, как правило, лежит в диапазоне от 1 мкс до 10 мкс.

Стадия нейтрализации начинается с предварительного этапа (точка Е на фиг. 4), в начале которого второй переключатель SW2 замкнут. Этот предварительный этап продолжается до тех пор, пока напряжение на пластине носителя подложки не возвращается к значению напряжения, приложенного к нейтрализующему разъему N. Его продолжительность обычно лежит в диапазоне 1 мкс до 40 мкс.

Затем следует этап отмены (точка F на фиг. 4), во время которого источник АР питания плазмы приведен в действие. Электроны плазмы притягиваются к зонам подложки, которые заряжены положительно и нейтрализуют заряд. Длительность этого этапа отмены, как правило, лежит в диапазоне от 1 мкс до 80 мкс.

Затем следует инактивирующий этап (точка G на фиг. 4), в начале которого источник питания плазмы отключен. Продолжительность этого этапа, как правило, составляет несколько десятков микросекунд.

Цикл завершается на этапе прерывания (точка Н на фиг. 4), который начинается с размыкания второго переключателя SW2. Этот этап прерывания длится до полного размыкания второго переключателя и полного гашения плазмы, для возвращения на начальный этап.

Далее может быть запущен новый цикл.

Очевидно, что стадия релаксации (между точками С и F на фиг. 4), в течение которой источник питания АР плазмы отключается, наложена на стадию имплантации и стадию нейтрализации.

Изложенный вариант реализации изобретения выбран по причине его конкретной природы. Однако исчерпывающее перечисление всех возможных вариантов реализации изобретения не представляется возможным. В частности, любая стадия или любые средства, раскрытые в описании, возможно заменить эквивалентными стадиями или эквивалентными средствами без выхода за рамки настоящего изобретения.

Изобретение относится к способу управления устройством для ионной имплантации, содержащим источник (АР) питания плазмы и источник (PS) питания подложки, причем источник питания подложки содержит: электрогенератор (НТ) с заземленным положительным полюсом; первый переключатель (SW1), первый полюс которого соединен с отрицательным полюсом указанного генератора (НТ), и второй полюс которого соединен с выходным разъемом (S) указанного источника питания подложки; и второй переключатель (SW2), первый полюс которого соединен с указанным выходным разъемом (S), а второй полюс которого соединен с нейтрализующим разъемом (N). Способ включает стадию (A-D) имплантации и стадию (Е-Н) нейтрализации. Способ дополнительно включает стадию (C-F) релаксации, когда источник (АР) питания плазмы отключен. Кроме того, стадия нейтрализации включает предварительный этап (E-F) замыкания второго переключателя (SW2), после предварительного этапа следует отменяющий этап (F-G) для приведения в действие источника (АР) питания плазмы. Технический результат - облегчение нейтрализации положительных зарядов и стабилизация параметров имплантации. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления устройством для ионной имплантации, содержащим источник (АР) питания плазмы и источник (PS) питания подложки, причем источник питания подложки содержит:

- электрогенератор (НТ) с заземленным положительным полюсом;

- первый переключатель (SW1), первый полюс которого соединен с отрицательным полюсом генератора (НТ), и второй полюс которого соединен с выходным разъемом (S) источника питания подложки; и

- второй переключатель (SW2), первый полюс которого соединен с выходным разъемом (S), а второй полюс которого соединен с нейтрализующим разъемом (N);

при этом способ включает стадию (A-D) имплантации, на которой:

- приводят в действие источник питания плазмы;

- замыкают первый переключатель (SW1) и

- размыкают второй переключатель (SW2);

причем способ также включает стадию (Е-Н) нейтрализации, на которой:

- размыкают первый переключатель (SW1); и

- замыкают второй переключатель (SW2); при этом способ отличается тем, что:

- он дополнительно включает стадию (C-F) релаксации, которая по времени наложена на стадию имплантации и стадию нейтрализации, причем в стадии релаксации источник (АР) питания плазмы не приведен в действие; а

- стадия нейтрализации включает предварительный этап (E-F) замыкания второго переключателя (SW2), причем после предварительного этапа следует отменяющий этап (F-G) для приведения в действие источника (АР) питания плазмы.

2. Способ согласно п. 1, отличающийся тем, что после отменяющего этапа (F-G) следует инактивирующий этап (G-H) для отключения указанного источника (АР) питания плазмы.

3. Способ согласно п. 2, отличающийся тем, что после указанного инактивирующего этапа (G-H) следует прерывающий этап, на котором размыкают второй переключатель (SW2).

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что стадия имплантации включает инициализирующий этап (А-В) для замыкания первого

переключателя, причем за этим инициализирующим этапом после периода стабилизации следует активирующий этап (В-С) для приведения в действие источника питания плазмы.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что после активирующего этапа (В-С) следует этап (C-D) угасания для отключения источника (АР) питания плазмы.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что после этапа (C-D) угасания следует этап (D-E) приостановки для размыкания первого переключателя (SW1).

7. Устройство для ионной имплантации, содержащее источник (АР) питания плазмы и источник (PS) питания подложки, причем источник питания подложки содержит:

- электрогенератор (НТ) с заземленным положительным полюсом;

- первый переключатель (SW1), первый полюс которого соединен с отрицательным полюсом генератора (НТ), и второй полюс которого соединен с выходным разъемом (S) источника питания подложки; и

- второй переключатель (SW2), первый полюс которого соединен с выходным разъемом (S), а второй полюс которого соединен с нейтрализующим разъемом (N);

причем устройство для ионной имплантации выполнено с возможностью осуществления операций способа по любому из пп. 1-6.