二十硼烷注入方法和系統的製作方法

2023-05-18 17:14:11

專利名稱：二十硼烷注入方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及半導體注入，更具體地說，涉及將二十硼烷、三十硼烷和四十硼烷離子注入半導體內的方法和系統。
背景技術：
用於半導體等工件摻雜的普通離子注入系統包含一個離子源，它將所希望的摻雜元素電離，然後加速形成規定能量的離子束。離子束向著工件表面運動，將摻雜元素注入工件內。具有一定能量的離子束中的離子穿過工件表面埋入工件材料的晶格中，形成一個具有所需導電率的區域。注入過程一般都在高真空室內進行，以防止由於與殘餘氣體分子碰撞而產生離子束色散，並使得工件被空氣中的微粒汙染的風險最小。
用於確定特定離子種類的注入步驟的兩個最重要的變數是離子劑量和能量。離子劑量與給定半導體材料中注入離子的濃度有關。一般高劑量注入採用大電流注入機(通常離子束電流大於10毫安(mA))，而低劑量應用採用中等電流注入機(通常離子束電流小於1毫安(mA)左右)。
離子能量用來控制半導體器件中結的深度。構成離子束的離子能量決定注入離子的深度。用來在半導體器件中形成退減阱的高能處理要求達幾百萬電子伏(MeV)的注入，而淺結可能只要求1仟電子伏(keV)的能量，超淺結可能只要求低至250電子伏(eV)的能量。
不斷要求半導體器件越來越小的趨勢，要求注入機的離子源在較低能量下不斷提供更大的束電流。較大的束電流可提供所需的劑量水平，而低能量水平允許淺注入。例如，在互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件中的源/漏結就要求採用這種大電流和低能量注入。
傳統離子源是利用一種可電離的摻雜劑氣體，它可以直接從壓縮氣體源得到，或者間接從一種汽化固體得到。典型的源元素為硼(B)、磷(P)、鎵(Ga)、銦(In)、銻(Sb)、砷(As)。這些源元素中的大多數通常都可以以固態和氣態兩種形式使用，只是硼除外，它幾乎只能以氣態形式提供，例如，三氟化硼(BF3)，或者十硼烷(B10H14)這種固態粉狀形式的化合物。
對於硼注入來說，十硼烷(B10H14)可能是一種極佳的注入材料源，因為當每個十硼烷分子(B10H14)汽化和電離時，可提供一種包含10個硼原子的分子型離子。這種源特別適合於用來產生淺結的高劑量/低能量注入過程，因為分子型十硼烷離子束能注入的每單位電流的硼劑量是單原子硼的離子束的十倍。另外，由於十硼烷分子在工件表面分裂成差不多十分之一原來束能量的十個單個硼原子，所以此束可以傳輸的能量為相當劑量單原子硼離子束的十倍。(由電壓V加速的10個相同的硼原子的單電荷十硼烷分子(B10HX+)中的每個獨立硼原子具有能量eV/10，因而離子束可以以十倍於所要求的能量被引出)。這個特徵使分子型離子束避免了在一般低能離子束輸運中將發生的傳輸損失。
最近在工藝流程和離子源方面的改進，使得能產生將來可能證明對於十硼烷注入的生產應用是足夠的離子束電流。這些改進的關鍵是離子源的冷卻機構，它們能防止十硼烷分子的離解，及所要求的分子型母離子(B10HX+)碎裂成硼烷碎片和元素硼。此外，在現有的十硼烷離子源(如美國專利6,107,634中所示的那種源)中，維持的是一個低密度等離子體，以防止等離子體本身引起這種離解和碎裂。
如前所述，將來半導體中的超淺結很可能要求以低至250eV的注入能量進行硼注入。在這麼低的能量下，離子束的電流密度必然要減小。即使採用最先進的十硼烷注入技術，半導體注入的產率仍將降低，除非對於同樣水平的離子束電流能增大注入劑量。另外，還希望在不增加被注入的各單個硼原子的能量水平的情況下增加離子束能量輸運水平。因而，這些就是本發明的目的。
發明概要本發明將提供一種將已電離的二十硼烷(B20HX)、三十硼烷(B30HX)和四十硼烷(B40HX)注入工件的方法，它包括以下步驟(i)使離子源(50)中的十硼烷汽化和電離以產生等離子體；(ii)通過源孔(126)引出等離子體內的已電離二十硼烷、三十硼烷和四十硼烷，以形成一個離子束；(iii)用質量分析磁體(127)對離子束作質量分析，以使已電離二十硼烷(B20HX+)或其它高次硼烷中的一種通過；(iv)將已電離二十硼烷(B20HX+)或其它高次硼烷中的一種注入工件。汽化和電離十硼烷的步驟包括一些子步驟(i)在汽化器(51)內使十硼烷汽化和(ii)在電離器(53)內使已汽化的十硼烷電離。
附圖簡介

圖1是按照本發明原理製造的一種離子注入機的離子源第一實施例的局部橫剖面圖；圖2是沿圖1的2-2線剖開的離子源另一種實施例的連接管剖面圖；圖3是圖1離子源的電離器部分的局部橫剖面圖；圖4和圖5一起表示利用圖1的離子源獲得的離子束的電流與原子質量單位關係曲線，表明有二十硼烷、三十硼烷和四十硼烷成分存在。
本發明的優選實施方案的詳細描述現在來參照圖1-3，首先看圖1，這是一個按本發明製造的離子源50，包括一個汽化器51和一個電離器53。汽化器51包含一個不起反應的導熱升華器或坩堝52，加熱媒質容器54，加熱媒質泵55，溫度控制器56，和質量流控制器60。電離器53在圖3更詳細地示出。坩堝52離電離器53很遠，通過送氣管62與後者相連，管子由石英或不鏽鋼製成。在提供的實施方案中，送氣管62幾乎沿其全部長度用一個單室外環護套90包圍著。
坩堝52提供一個容器64，它圍成的腔66用來盛源材料68。這個容器最好用適當的不起反應(惰性)的材料來做，如不鏽鋼、石墨、石英或氮化硼等，而且還要能裝下足夠量的源材料，如十硼烷(B10H14)。
通過裝在容器54內的加熱媒質70加熱容器64的壁，使十硼烷通過升華過程而汽化。十硼烷一般以細粉末的形式存在，它在室溫下的蒸氣壓為0.1乇，在100℃下為19乇。完全汽化的十硼烷通過送氣管62從坩堝52中出來並進入質量流控制器60，後者控制蒸汽流量並測量送入電離器53的汽化十硼烷總量。
本發明的另一種實施方案中，送氣管62做成毛細管的形狀，且護套90做成同軸雙室套的形狀，包括內套90A和環繞它的外套90B(見圖2)。加熱媒質可以用泵送至內套90A(處在與毛細管62相鄰的位置)，而從外套90B(半徑方向處於內套90B的外面)抽出。在此第二實施裝置中，質量控制器60由處在送氣管/電離器交界面上的加熱關閉閥(未示)所代替，而質量流通過直接改變容器54的溫度而增減。
圖3較詳細地展示了電離器53。電離器53包含一個普通園柱體96和一個普通園環形底座或安裝法蘭98，在優選實施例中這兩者都用鋁來做。鋁質本體96由通過入口102供應的進口冷卻通道100，通過出口106從本體96排出的出口冷卻通道104來冷卻。冷卻媒質可以是水或任何其它高熱容量的適當液體。進口和出口冷卻通道提供一個連續的通道，水通過這個通道冷卻電離器本體96。雖然圖3中只用虛線表示了通道的一部分，但這個通道可以按任何已知的形狀延伸到本體外周邊附近，以保證整個本體都被有效地冷卻。
冷卻本體96保證了電離室108所處的溫度能使電離室中十硼烷的壓力足夠高。曾經發現，電離室應維持在足夠低的溫度(低於350℃，最好是在300℃至350℃之間)，以防被電離的十硼烷分子離解和碎裂。
回到圖3，在電離室本體96內是一個送氣管62的延伸物(它由環形護套90所包圍)，直至電離室108終止。在電離室108內裝有一個熱陰極110和一個反陰極或反射極112。熱陰極110包含一個加熱的鎢絲114，它由一個鉬筒116包圍著並由鎢端蓋118蓋住。被加熱的燈絲114通過電源饋線120和122供電，它們通過鋁本體96並與它電絕緣。反射極112也與本體96電絕緣，這是通過一種導熱的電絕緣材料(如蘭寶石)來實現的，由這種材料將反射極物理上與冷卻的電離室108相連接。
工作時，通過送氣管62在電離器入口119將汽化的十硼烷粉末注入電離室。當在饋線120和122兩端加上電壓而給鎢絲114通電時，燈絲髮射電子並向前加速撞擊端蓋118。等到端蓋118受到電子轟擊而變得足夠熱時，它反過來發射電子進入電離室108，這些電子與汽化氣體分子碰撞而在室內產生離子。
這樣就產生了低密度離子等離子體，通過源孔126從室中將等離子體引出形成離子束。此等離子體包含十硼烷離子(B10HX+)(其中X為小於14的整數)、二十硼烷離子(B20HX+)(其中X為小於28的整數)、三十硼烷離子(B30HX+)(其中X為小於42的整數)、四十硼烷離子(B40HX+)(其中X為小於56的整數)，所有這些都能注入到工件內。「二十硼烷」一詞表示包含B20HX分子和/或兩個十硼烷的組。「三十硼烷」 一詞表示包含B30HX分子和/或三個十硼烷的組。「四十硼烷」一詞表示包含B40HX分子和/或四個十硼烷的組。然後對引出的離子束通過質量分析磁體127進行質量分析，使得只允許具有規定電荷質量比的離子通過。在室108內的低密度十硼烷/二十硼烷等離子體部分是由維持在源內的較低電弧放電功率(在5mA時為5瓦(W))提供的。
電離器53中低密度等離子體的成分以曲線形式示於圖4和5，二圖合在一起表示用圖1的離子源獲得的離子束成分的電流與原子質量單位(AMU)的關係曲線。如圖所示，可單獨識別的峰在圖4中代表十硼烷(B10HX)和二十硼烷，在圖5中代表B30HX和B40HX。圖4中的十硼烷峰在117AMU出現，而二十硼烷峰在236AMU出現。在圖5中，B30HX峰約在350AMU出現，而B40HX峰約在470AMU出現。
圖1中的源50用到離子注入機中，將全部十硼烷分子(十個硼原子)注入工件內。分子在工件表面碎裂，使得每個硼原子的能量大約為十個硼原子組(在B10H14的情況下)能量的十分之一。因此，離子束可以十倍於所要求的硼注入能量運輸，從而實現很淺的注入而無明顯的束傳輸損失。此外，在給定的束電流下，每單位電流可將十倍的劑量傳至工件。最後，由於每單位劑量的電荷是單原子束注入電荷的十分之一，故對於給定的劑量定額，工件的帶電問題遠沒有那麼嚴重。
至於通過源孔126從離子源引出的離子束的二十硼烷(B20HX)分量，我們認為它是由十硼烷與源50的電離器53內的H或H2離子輻射而形成的。在特定的源條件下，在電離器53內的十硼烷蒸氣產生質量從130AMU至240AMU(見圖4)的相鄰亞譜，它看起來與十硼烷譜類似。因此，通過離子源孔126引出的離子束除了碎裂的十硼烷譜外，還包含一種碎裂的十硼烷「二聚物」(也叫做雙團分子十硼烷或二十硼烷(B20HX))。電離後的二十硼硼烷(B20HX+)在硼粒子電流高達1.6mA時，在每個硼原子能量低於500eV甚至低到250eV，是可以注入的。
採用圖1的源50到離子注入機中，整個二十硼烷離子(二十硼原子)被注入工件內。離子在工件表面處碎裂，使得每個硼原子的能量約為20個硼原子組(在B20HX的情況下)能量的二十分之一。離子束可以20倍於所要求的硼注入能量輸運，從而實現很淺的注入而無明顯的束傳輸損失。此外，在給定的束電流下，每單位電流可將20倍的劑量傳至工件。最後，由於每單位劑量的電荷是單原子束注入電荷的二十分之一，故對於給定的劑量定額，工件的帶電問題遠沒有那麼嚴重。
正如本領域所知，可以對質量分析磁體127加以調節，以使只有在規定電荷質量比範圍內的粒子能夠通過。因而，可將質量分析磁體127調節成讓十硼烷或二十硼烷(B20HX)通過。還可以把磁體調節成允許離子束中的其它高次硼烷(B30HX和B40HX)中的任何一種通過。
那些由陰極110產生但不與電離室內十硼烷分子或高次硼烷中的一種碰撞形成十硼烷或二十硼烷離子的電子，將朝著反射極112運動，後者將這些電子反射回陰極。反射極最好用鉬來做，而且象陰極一樣與電離器本體96電絕緣。電離室108的壁128處於本地接地電位。陰極110連同端蓋118處於壁128電位以下約50至150伏的電位。燈絲114維持在低於端蓋118電位約200至600伏的電位。燈絲114和端蓋118間的較高電位差賦於從燈絲髮射的電子較高的能量以將端蓋118充分加熱，從而通過熱發射使電子進入電離室108。
離子源50提供一個控制機構，用來控制坩堝52的工作溫度和送氣管62的工作溫度，已汽化的十硼烷通過管62連續進入和通過電離器53。加熱媒質70在容器54內被電阻性或類似的加熱元件80加熱，並通過一個熱交換器冷卻。溫度控制裝置包括一個溫度控制器56，它通過熱偶92從容器54獲得一個輸入溫度反饋，並輸出一個控制信號至加熱元件80(下面將進一步說明)，使容器內的加熱媒質加熱至一個適當的溫度。
加熱媒質70可以是礦物油或其它具有高熱容量的媒質(如水)。油被加熱元件80加熱至20℃至50℃的溫度範圍，並通過泵55圍繞坩堝52及送氣管62(經由護套90)循環。泵55分別有一個入口和出口82和84。雖然加熱媒質圍繞坩堝52和送氣管62的流動方式，在圖2中是按單方向順時針的方向，但也可以是任何方式，只要能圍繞坩堝52和送氣管62提供適當的媒質循環。
現在回到圖1，為了使已汽化(升華)的十硼烷容易從坩堝52通過送氣管62傳輸至電離室108，對坩堝腔66加了壓。隨著腔66內的壓力增加，材料傳輸速率相應增大。電離室幾乎工作在真空狀態(約1毫乇)，因此沿著送氣管62整個長度，從坩堝52至電離室108存在一個壓力梯度。坩堝的壓力一般在1乇量級。
將坩堝52置於遠離電離室108的地方，使坩堝腔66內的材料與熱隔離，從而提供一個不受電離室溫度影響的熱穩定的環境。因而，坩堝腔66(十硼烷升華過程就在其中發生)的溫度可以不受電離室108工作溫度的影響而控制到很高的精度(1℃以內)。同時，通過保持汽化十硼烷的溫度在經由加熱送氣管62輸運至電離室的過程中不變，蒸汽不會發生冷凝或熱分解。
溫度控制器56通過控制加熱媒質容器70的加熱元件80的運行而控制坩堝52和送氣管62的溫度。熱偶92檢測容器的溫度並將溫度反饋信號93送至溫度控制器56。溫度控制器根據這個輸入反饋信號以已知的方式將控制信號94輸出到容器加熱元件80。這樣就能給固相十硼烷和汽化十硼烷暴露到的所有表面(直至電離室之前)提供均勻的溫度。
通過控制加熱媒質在系統中的循環(通過泵55)及加熱媒質的溫度(通過加熱元件80)，可將離子源50控制在20℃至250℃(±1℃)的工作溫度。與控制最接近電離室的送氣管端部的溫度相比，精確地控制坩堝的溫度對於控制坩堝的壓力，因而是控制蒸氣流出坩堝的速度來說更為關鍵。由於採用本發明離子源的等離子體密度較低(在1010/cm3量級)以防止十硼烷/二十硼烷分子結構離解，若採用傳統尺寸的源孔，則引出的總離子束流將很低。假定束流密度差不多，本發明的電離器53內的孔126要做得足夠大才能保證有適當的離子束流輸出。1cm2(.22cm×4.5cm)的孔可以在工件上獲得大約每平方釐米100微安(μA/cm2)的束流密度，及從源中引出1mA/cm2以下的束流。(提供給工件的實際聚焦束流只是總引出束流的一部分)。在某些注入機中可以有5cm2的孔尺寸，這樣可在工件上產生500μA左右的B10HX+束流。在超低能(ULE)注入機中，孔的尺寸還可以更大(直至13cm2)。
上面描述了一種注入十硼烷或二十硼烷的改進方法和系統的優選實施方案。但是，考慮到上面的描述只是作為一個實例，應明白本發明並不只限於這裡所描述的特定實例，而是可以對它們實行各種調整、修改和替換，而不超出本發明的範圍，本發明的範圍將由下面的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種將電離的高次硼烷注入工件的方法，包括以下步驟(i)使離子源(50)中的十硼烷汽化和電離，以產生等離子體；(ii)通過一源孔(126)引出等離子體中的已電離的高次硼烷，以形成一離子束；(iii)採用質量分析磁體(127)對離子束作質量分析，以使一種選定的已電離的高次硼烷通過；(iv)將選定的電離的高次硼烷注入工件內。
2.如權利要求1所述的方法，其中汽化和電離離子源(50)中的十硼烷包括下述子步驟(i)(a)在汽化器(51)內汽化十硼烷，(i)(b)在電離器(53)內電離已汽化的十硼烷。
3.如權利要求2所述的方法，其中高次硼烷包括二十硼烷(B20HX)，三十硼烷(B30HX)和四十硼烷(B40HX)，其中選定的已電離的高次硼烷是已電離的二十硼烷(B20HX+)。
4.如權利要求2所述的方法，其中高次硼烷包括二十硼烷(B20HX)、三十硼烷(B30HX)和四十硼烷(B40HX)，其中選定的已電離的高次硼烷是已電離的三十硼烷(B30HX+)。
5.如權利要求2所述的方法，其中高次硼烷包括二十硼烷(B20Hx)、三十硼烷(B30Hx)和四十硼烷(B40HX)，其中選定的已電離的高次硼烷是已電離的四十硼烷(B40HX+)。
6.如權利要求2所述的方法，其中電離器(53)設有一個電離室(108)，該方法還包括在電離已汽化的十硼烷的步驟中，有效地冷卻所述電離室(108)的壁(128)的步驟。
7.如權利要求6所述的方法，其中冷卻電離室壁(128)的步驟使該壁的溫度維持在350℃以下，以防止已汽化的十硼烷分子離解。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述壁的溫度維持在300℃至350℃之間。
9.如權利要求2所述的方法，其中源孔(126)的尺寸確定為在＜1mA/cm2的束電流密度下提供100-500uA的聚焦離子束流。
10.如權利要求9所述的方法中，電離室(108)內等離子體的密度在1010/cm3量級。
全文摘要
本發明提供一種將已電離的二十硼烷(B
文檔編號C23C14/48GK1489639SQ0182266
公開日2004年4月14日 申請日期2001年12月11日 優先權日2000年12月15日
發明者A·S·佩雷爾, A S 佩雷爾 申請人:艾克塞利斯技術公司