[发明专利]在半导体处理系统中离子源的清洗

说明书

技术领域

本发明涉及半导体处理系统、特别是离子植入系统的部件上材料沉积的监测、控制以及清洗。

背景技术

离子植入被用于集成电路的制造以精确地向半导体晶片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方法。在这种植入系统中，离子源使所希望的掺杂元素气体电离成离子并且该离子以具有所希望能量的离子束的形式从源中引出。引出通过施用高的电压跨过适合成型的引出电极而实现，该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，例如半导体晶片上进行定向，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以形成具有所希望的导电率的区域。

几种类型的离子源在商业的离子植入系统中是通常使用的，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，所有这些典型地在真空中运行。离子源通过向填充有掺杂气体(通常称为“原料气体”)的真空室中引入电子来产生离子。电子与气体中的掺杂原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，该准直离子束向着工件被加速。原料气体包括，但不限于BF₃、B₁₀H₁₄、B₁₈H₂₂、PH₃、AsH₃、PF₅、AsF₅、H₂Se、N₂、Ar、GeF₄、SiF₄、O₂、H₂、以及GeH₄。

目前，在现有技术的装置的制造中存在10-15个以上的植入步骤。增加晶片大小、减小临界尺寸、以及生长电路的复杂性就更好的处理控制、低能量下高束电流的释放、以及平均无故障时间(MTBF)减小而言正在对离子植入工具提出了更多的要求。

需要最多维护的离子植入机工具的部件包括：离子源，该离子源必须在大约100到300小时的运行之后进行检修(取决于其运行条件)；引出电极以及高电压绝缘子(绝缘体)，其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。此外，离子源的丝极在运行后可能要求更换。

在理想的情况下，所有的原料分子均会被电离并且引出，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沉积以及污染。例如，磷的残余物(例如，来源于使用原料气体例如磷化氢)迅速地沉积在该离子源区域中的表面上。该残余物可以在离子源中的低电压的绝缘子上形成，引起电短路，这可以中断产生热电子所需要的电弧。这种现象通常称为“源闪烁”，并且它是离子束不稳定性的重要因素，并且可以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引出电极的表面)上形成，引起高能的高电压发电花。这种电花是束流不稳定性的另一个因素，并且由这些电花所释放的能量可以损坏灵敏的电子部件，导致增加的设备故障以及差的MTBF。

对于使用Sb₂O₃作为固体掺杂材料的锑(Sb+)的植入，会发生另一个常见的问题，这可以通过甚至仅在Sb+植入几小时之后流入硼(B)而恶化。该硼束电流可以使明显受损的离子源的性能和寿命显著地变坏。这种性能退化的原因归因于在源的室及其部件上过度沉积的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，所以离子源的故障显著地降低了植入机的生产率。由于Sb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)装置的浅结结构的n-型掺杂，因此本领域中需要开发一种方法，该方法在Sb+用作掺杂剂时，特别是在Sb植入之后转换成B时可以去除沉积在源的室及其部件上的Sb。

此外，掺杂原子例如B、Ge、Si、P、和As可以沉积在离子源涡轮泵中、以及与其关联的真空前级管道的下游中。经时间的推移，这些沉积物积累起来并且需要清洗，在过去这是手动完成的。但是有些沉积物(例如固体磷)是生火花的并且可以在手动维护操作的过程中着火。这不仅是着火的危险，而且还可以释放出有毒的化合物。因此在本领域中需要开发一种改进的方法，该方法使用气体清洗剂可以期望地原位地清洗该沉积物。