[发明专利]脉冲阳极等离子体浸没注入

说明书

本专利申请是Shao等人于1996年10月10日提交的待审美国专利申请号08/727.000的继续，其题目为“脉冲平板等离子体注入系统”。

本发明涉及离子注入系统，通过把工件浸入离子等离子体中并加速等离子体中的注入工件的离子，用离子杂质来处理工件。

商用离子注入系统所用离子源包括源室，源室与注入室彼此隔开，在注入室中，从源中来的离子将处理一个或多个工作件。在源室中有一个出口，它使离子能离开源以便被成形、分析和加速为离子束。离子束沿撤离束轨迹直接进入离子注入室，在注入室里离子束碰撞一个或多个工作件，一般是些已放入注入室里的园晶片。离子束的能量足以使碰撞晶片的离子穿入注入室中的那些晶片。在该种系统的一个典型应用中，晶片是硅晶片，离子用来“掺杂”晶片形成半导体材料。利用这种现有技术的注入机，用掩模和钝化层进行选择注入就可加工集成电路。这种注入技术所用设备庞大、复杂、费用高，并且在低能离子注入时其性能受限。

Conrad申请的题为“等离子体源离子注入方法和设备”的美国专利US4,764,394公开了用离子轰击方法处理靶的离子注入系统。在密封室中，通过在靶的周围形成电离的等离子体以完成三维靶表面的离子注入。一旦在围绕靶的一个区域建立起等离子体，等离子体中离子从各个方向打入靶目标而不需要用离子束扫描靶。这种注入的完成是通过向一个或多个靶工件提供重复高压负脉冲。这些脉冲导致离子打入靶的被暴露出的表面。关于建立等离子体的’394专利中讨论的一个技术是在靶的周围引入中性气体，然后用电离辐射电离该气体。Conrad的’394专利公开的系统在围绕工件的区域建立等离子体，然后选择性地脉冲调节支持工件的电极以吸引等离子体中带电离子趋向工件。

Lieberman的关于等离子体实现过程的理论研究表明当一个突然负电压加到靶工件上时，在纳秒时间范围内，表面附近电子被从围绕工件的区域赶走，留下一个均匀密度的离子阵鞘套。M.A.Lieberman，“等离子体浸没离子注入模型”，应用物理，66卷(1989)，2926页。接下来，在反相离子等离子体频率时刻，鞘套中的离子被加速进入一个或多个工件。依次，这将使鞘套边界越来越远离靶工件，暴露出更多的打入工件的离子。在较大时间范围内，一般形成一个稳态离子空间电荷条件。在毫秒时间范围内，形成厚约1厘米的鞘套。例如参看，M.M.Shamim等人的“等离子体源离子注入中高能离子轰击产生的电子发射的测量”，应用物理，70(1991)4756页。

等离子体中的电场很低，实质上，提供于靶上用来加速离子的全部电压存在于鞘套两端。一般，当从等离子体中出来的离子碰撞到靶面上时将产生二次电子。这些电子通过鞘套间压降被加速离开靶，终至于密封室的壁上。有关二次发射系数的一般讨论，例如可参看s.Qin等人的“微波多极桶式等离子体对具有有限上升时间的高压脉冲的响应”，IEEE，Trans.plas.，sci，20(1992)569页。

一些离子注入系统，例如Conrad公开的，维持注入室于地电位而加于靶工件上相对负的电位脉冲。对于要求在一个面上处理的实际平面靶工件，例如半导体晶片或平板显示基底，给靶上加负脉冲的注入系统可能就不适宜。在这种离子注入系统中，靶工件一般不得不被抬高到高的负电位上。这会使装架工件更困难、用一些监视仪器如法拉第杯或量热计来监视电位复杂化，电位是被送到靶工件上电荷收集极上的，这是因为这些监视仪器也得经受高的负电位。

本发明提供了一种用于靶工件离子注入的新的和改进的方法和设备。根据本发明，靶工件维持在一个参考电位上，工件表面附近的电场是由用正电压脉冲加到工件附近的导电电极上产生的。

为了减少能量消耗，减少了注入室中相对正脉冲电极为负电位的表面面积。注入所需总电流被减小，因此注入所需总能量也被减小。

在本发明的优先实施例中，一个或多个工件由导电工件支架支撑，该支架在注入室内部区域支撑一个或多个工件。注入室包括邻近室内部的一个导电内壁部分。在注入室中还置有一个导电电极，其被安置在与导电工件支架相对应的地方。中性荷电气体分子被注入到注入室中，接下来被电离以便在工件的注入表面附近形成被电离的气体或离子等离子体。根据本发明的特征，导电工件支架，工件和注入室的导电壁部分都维持在一个参考电位上。然后在导电电极上加上相对该参考电位为正的脉冲以提供一个电场，通过该电场气体分子中形成的离子在碰撞工件注入面之前被加速。