用於離子源的十硼烷蒸發器的製作方法
2023-06-18 22:34:56
專利名稱：用於離子源的十硼烷蒸發器的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於離子注入設備的離子源，更具體地說，涉及用於離子源的十硼烷蒸發器。
離子注入已經成為工業上標準的已被接受的技術，以摻雜物對工件比如矽晶片或玻璃基底進行摻雜，大規模地製作比如集成電路或平板顯示裝置。傳統的離子注入系統包括一個離子源，它把所需要的摻雜元素電離，該元素隨後被加速，形成有預定能量的離子束。此離子束射向工件的表面，用被摻雜的元素對工件進行摻雜。離子束的高能離子穿透工件的表面，使得它們嵌入工件材料的晶格內，形成所要求的導電區域。摻雜過程典型地是在高真空處理腔室中進行，這防止了由於與殘餘氣體分子的碰撞使離子束分散，並使工件被大氣中的顆粒汙染的危險為最小。
離子劑量和離子能量是對於確定摻雜步驟的兩個最重要的變量。離子劑量涉及對於一種給定的半導體材料所摻雜的離子的濃度。典型地說，對於大劑量摻雜物使用高電流離子注入裝置(通常，高於10毫安(mA)的離子電流)，而對於較低劑量的應用使用中等電流離子注入裝置(通常，可能高到1mA的束電流)。使用離子能量來控制在半導體裝置中結的深度。組成離子束的離子的能量的大小決定被摻雜的離子的深度。高能過程比如用來在半導體裝置中形成退化阱的過程要求高到幾百萬電子伏(MeV)的摻雜物，而淺的結可能只要求低於一千電子伏(KeV)的能量。
半導體裝置越來越小的持續不斷的趨勢要求離子注入裝置的離子源以低能量發出高的束電流。這種高的束電流提供必要的劑量，而低的能量使得可以進行淺的摻雜。例如，在互補的金屬氧化物半導體(CMOS)裝置中的源/漏結要求這樣的高電流，低能量的應用。
在
圖1中示出了用來由固體形式得到用於電離的原子的一個典型的離子源10。該離子源包括一對蒸發器12和14，以及一個電離腔室16。每個蒸發器設有一個坩堝18，固體元素或固體化合物放置在此坩堝中，並且，用一個加熱線圈20加熱此坩堝，把固體的源材料蒸發。加熱線圈的導線22把電流傳導到加熱線圈，熱電偶24提供一個溫度反饋機構。也設置有空氣冷卻管道26和水冷管道28。
被蒸發的源材料通過一個噴嘴30，一個石墨的噴嘴固定裝置32把該噴嘴緊固到坩堝18上，被蒸發的源材料還通過蒸發器入口34，到達電離腔室16的內部。另外，也可以藉助於氣體入口36通過氣體管線38直接把壓縮氣體送進電離腔室。不論在哪種情況下，靠一個被加熱到以熱電離方式發射電子的電弧腔室細絲40把氣相的/被蒸發的源材料電離。
傳統的離子源採用可電離的摻雜物氣體，這種氣體可以或者由壓縮氣體源直接得到，或者由一種已經被蒸發的固體間接地得到。典型的源元素是硼(B)、磷(P)、鎵(Ga)、銦(In)、銻(Sb)和砷(As)。這些源元素中的大多數以固體形式提供，硼例外，硼典型地以氣體形式提供，例如作為三氟化硼(BF3)提供。
在摻雜三氟化硼的情況下，產生包括帶一個電荷的硼離子(B+)的等離子體。如果離子束的能量水平不是一個影響因素，通常，產生足夠高的硼的劑量並摻雜進基底中是不成問題的。然而，在低能應用中，硼離子束將處於被稱為「束吹開」的狀態，這是指在離子束內帶相同電荷的離子彼此相互排斥的趨勢。這種相互排斥使得離子束在傳送過程中直徑變大，因束線中的多個孔造成束的漸暈現象。當束的能量降低時，這嚴重地減少了束的傳送量。
十硼烷(B10H14)是一種迄今還沒有被用做用於硼摻雜的硼源的化合物。在圖1的離子源的坩堝中不能適當地控制十硼烷的蒸發，這是因為固體形態的十硼烷的熔點大約為100攝氏度。即使不給蒸發器的加熱器通電，在電弧腔室16內產生的熱量將使坩堝達到這樣的溫度，這是因為固相材料靠近電弧腔室造成對材料的輻射加熱。(在另一方面，在圖1的離子源的坩堝中可以精確地控制磷的蒸發，這是因為它的熔點大約為400攝氏度。)這妨礙了在源材料的局部環境內建立中等溫度(低於200攝氏度)的熱平衡。
然而，十硼烷是一種用於硼摻雜物的極好的供料材料源，因為當蒸發和電離時每個十硼烷分子(B10H14)可以提供包括十個硼原子的分子離子。這樣的源特別適用於高劑量/低能量摻雜過程，用來產生淺的結，因為與單原子的硼離子束相比，一個分子的十硼烷離子束在每單位電流可以摻雜十倍的硼劑量。另外，因為十硼烷分子在工件表面上碎裂成有大約十分之一原來的束能量的單個硼原子，所以可以以等劑量的單原子的硼離子束的能量的十倍運送此束。這一特點使得分子的離子束可以避免典型地由低能離子束運送所帶來的傳送量的損失。
因此，本發明的一個目的是提供用於離子摻雜裝置的離子源，它可以精確地和可控地蒸發十硼烷或其它適當的摻雜材料，克服已知的離子源的缺陷。
提供了用於離子注入裝置的離子源，它包括(ⅰ)一個升華裝置，它有一個腔室，用來容納被升華的源材料，並用來使此源材料升華；(ⅱ)一個電離腔室，用來把升華了的源材料電離，所述電離腔室遠離所述升華裝置；(ⅲ)一根送料管，用來把所述升華裝置連接到所述電離腔室上；以及，(ⅳ)一種加熱介質，用來加熱所述升華裝置和所述送料管的至少一部分。設置了一個控制機構，用來控制所述加熱介質的溫度。該控制機構包括用來把加熱介質加熱的加熱件，用來使所述加熱介質循環的泵，用來提供來自所述加熱介質的溫度反饋信號的至少一個熱電偶，以及一個控制器，它對所述溫度反饋信號作出響應，對所述加熱件輸出一個控制信號。
因為把升華裝置設置在遠離電離腔室，在升華裝置中的溫度被熱絕緣，從而提供了不被電離腔室內的溫度影響的熱穩定環境。這樣，可以把出現十硼烷升華過程的升華裝置的溫度與電離腔室的運行溫度無關地控制到很高的精度(在1攝氏度以內)。
圖1為用於離子注入裝置的傳統離子源的部分為剖面的透視圖；圖2為按照本發明的原理構造出的用於離子注入裝置的離子源的第一實施例的部分為剖面的簡圖；圖3為圖2所示的離子源的另一個實施例的連接管沿著線3-3截取的剖面圖；圖4A為沿著如圖2中所示的連接管的第一實施例的長度的壓力梯度的圖線表示；以及圖4B為沿著如圖3中所示的連接管的第二實施例的長度的壓力梯度的圖線表示。
現在參見圖2，該圖示出了按照本發明構造出的離子注入裝置的離子源50的第一實施例。該離子源50包括不反應的導熱的升華裝置或坩堝52、加熱介質儲存室54、加熱介質泵55、溫度控制器56、電離腔室58以及(在第一實施例中)一個質量流量控制器60。坩堝52位於遠離電離腔室58的位置，並由石英或不鏽鋼製成的送料管62把坩堝連接到電離腔室。在此第一實施例中，沿著它的基本上整個長度，送料管62被外面的單一腔室的管狀鞘套90圍繞著。
坩堝52提供了包圍著腔室66的一個容器64，用來包含源材料68。該容器最好由適當的不反應(惰性)的材料比如不鏽鋼、石墨、石英或氮化硼製成，且它可以裝足夠數量的源材料，比如十硼烷(B10H14)。雖然下面只對十硼烷描述本發明，但是，可以設想，本發明的原理可以用於其它分子的固體源材料，比如氯化銦(InCl)，這些源材料的特徵在於有低的熔點(即升華溫度為20℃到150℃之間)，並且，有較大的蒸汽壓(即在10-2到103乇之間)。
通過用包含在儲存室54中的加熱介質70加熱容器64的壁，經過一種升華過程使十硼烷蒸發。升華的過程包括把十硼烷由固態轉換成氣態，而不進入中間的液態。一個絲網71防止未蒸發的十硼烷離開坩堝52。完全蒸發的十硼烷通過送料管62推出坩堝52，並進入質量流量控制器60，該控制器控制蒸汽的流量，並因此對供應給電離腔室的蒸發的十硼烷的數量進行計量，如在本技術中已經知道的那樣。
電離腔室58把由質量流量控制器60供應的蒸發的十硼烷電離，或者另外把來自一個壓縮氣體源的氣體進入供料72電離。對一個射頻激發器74比如一個天線提供能量，發射出射頻信號，它把蒸發的十硼烷分子電離，以產生等離子體。一個磁過濾器76過濾該等離子體，而位於電離腔室58的出口孔78外面的抽拉電極(未畫出)把等離子體通過該孔拉出，如在本技術中已經知道的那樣。此被拉出的等離子體形成一個離子束，對此離子束進行處理，並把它導向靶工件。在美國專利No.5661308中示出了這樣的電離腔室58的一個示例，該專利已經轉讓給本發明的受讓人，此專利在這裡被結合進來作為參考，就好象它被全文描述那樣。
本發明的離子源50提供了一個控制機構，用來控制坩堝52的運行溫度，以及送料管62的溫度，蒸發的十硼烷在它到達電離腔室58的路上將通過該送料管。一個電阻或類似的加熱件80在儲存室54內把加熱介質70加熱。溫度控制裝置包括一個溫度控制器56，它通過熱電偶92得到來自儲存室54的輸入溫度反饋信號，並向加熱件80輸出一個控制信號，如下面將進一步描述的那樣，從而把儲存室中的加熱介質70加熱到一個適當的溫度。
加熱介質70包括礦物油或其它提供高的熱容量的適用介質(例如水)。加熱件80把油加熱到20℃到150℃範圍內的一個溫度，泵55使它通過鞘套90圍繞著坩堝52和送料管62循環。泵55分別設有一個入口和一個出口82和84，儲存室54類似地分別設有一個入口86和一個出口88。雖然在圖2中以單一的順時針方向示出了加熱介質關於坩堝52和送料管62的流動圖形，但是，此流動圖樣可以是關於坩堝52和送料管62提供介質的合理的循環的任何圖形。
另外，在本發明的第二實施例中，送料管62形成為一個毛細管形式，而鞘套90形成為同軸的雙腔室鞘套，它包括被一個外鞘套90B圍繞著的一個內鞘套90A(見圖3)。可以把加熱介質泵入內鞘套90A中(位於鄰近毛細管62)，並泵出外鞘套90B(在徑向上位於內鞘套90A的外面)。在此第二實施例中，質量流量控制器60被位於送料管/電離腔室連接處的一個被加熱的關斷閥(未畫出)替代，通過直接改變儲存室54的溫度來增加或減少質量流量。圍繞著毛細管的同軸的鞘套的設置的優點在於提供了圍繞著毛細管的內徑的一個絕緣鞘套，從而形成更均勻的溫度。
回過去參見圖2，對坩堝腔室66加壓，以便使被蒸發(升華)的十硼烷由坩堝52通過送料管62到電離腔室58的材料運送變得更容易。由於在腔室66內的壓力提高，材料運送的速率也相應地提高。電離腔室在接近真空的條件(大約1毫乇)下運行，因此，沿著送料管62的整個長度由坩堝52到電離腔室58存在一個壓力梯度。典型地說，坩堝的壓力在1乇的量級。
圖4A示出了沿著本發明的第一實施例(圖2)的送料管62的長度的這一壓力梯度的圖線表示，這是用坩堝與電離腔室之間的距離d度量的。壓力的圖線沿著送料管線性地下降，直到質量流量控制器60，隨後被質量流量控制器改變，然後對於剩餘的距離d線性地下降，直到電離腔室58。在優選實施例中，距離d大約高到24英寸。然而，僅只為了示例的目的給出了這樣的距離。本發明包含位於遠離開電離腔室的升華裝置/蒸發裝置，並不限制為表示這一遠距離的任何具體的距離。
圖4B示出了沿著本發明的第二實施例(圖3)的送料管62的長度的這一壓力梯度的圖線表示，這是用坩堝與電離腔室/關斷閥連接處之間的距離d度量的。當關斷閥打開時，壓力的圖線沿著送料管由坩堝直到電離腔室/關斷閥連接處線性地下降。當該閥關閉時，不存在壓力梯度。如上面所解釋的那樣，在此第二實施例中，沒有使用任何質量流量控制器。
通過把坩堝52放置成遠離電離腔室58，在坩堝腔室66中的溫度被熱絕緣，從而提供了不被電離腔室58內的溫度影響的熱穩定環境。這樣，可以把出現十硼烷升華過程的坩堝腔室66的溫度與電離腔室58的運行溫度無關地控制到很高的精度(在1℃以內)。另外，由於在經過被加熱的送料管62運送到電離腔室58的過程中保持蒸發的十硼烷的溫度不變，所以不會出現任何蒸汽的凝聚或熱分解。
溫度控制器56通過控制用來加熱介質儲存室70的加熱件80的運行控制坩堝52和送料管62的溫度。熱電偶92感知儲存室70的溫度，並把溫度反饋信號93送到溫度控制器56。溫度控制器對此輸入的反饋信號以一種已知的方式通過對儲存室加熱件80輸出控制信號94作出響應。這樣，直到電離腔室的固相十硼烷和蒸發的十硼烷暴露的所有表面都有均勻的溫度。
通過控制在系統中加熱介質的循環(通過泵55)和加熱介質的溫度(通過加熱件80)，可以把離子源50控制到20℃到150℃量級的一個運行溫度(+/-1攝氏度)。與最靠近電離腔室的送料管的端部相比，嚴格的溫度控制在坩堝中將更嚴格，以便控制坩堝的壓力，從而控制出坩堝的蒸汽的流速。
不論採用在離子注入裝置中的圖2的離子源50的任何一個實施例，都是把整個分子(十個硼原子)摻雜進工件中。分子在工件的表面上碎裂，從而每個硼原子的能量大約為十個硼原子的微團(在B10H14的情況下)的能量的十分之一。因此，可以以所要求的硼原子注入能量的十倍傳送該束，使得可以產生非常淺的摻雜，而沒有明顯的束傳輸量的損失。另外，在給定的束電流下，每單位電流發送十倍的劑量到工件上。最後，因為每單位劑量的電荷是單原子束摻雜物的電荷的十分之一，對於一個給定的劑量率使工件帶電的問題要小得多。
因此，已經描述了用於離子注入的一種改進了的離子源的一個優選實施例。然而，在記住前面的描述的同時，應該理解到，只是以示例的方式作了這一描述，本發明不限於這裡所描述的具體的實施例，關於上面的描述可以設想多種重新設置、改進和替代，而不超出由下面的權利要求和它們的等價物的確定的本發明的範圍。
權利要求
1．一種用於離子注入裝置的離子源(50)，它包括(ⅰ)一個升華裝置(52)，它有一個腔室(66)，用來容納被升華的源材料(68)，並用來使此源材料升華；(ⅱ)一個電離腔室(58)，用來把升華了的源材料電離，所述電離腔室遠離所述升華裝置；(ⅲ)一根送料管(62)，用來把所述升華裝置(52)連接到所述電離腔室(58)上；以及(ⅳ)一種加熱介質(70)，用來加熱所述升華裝置(52)和所述送料管(62)的至少一部分．
2．按照權利要求1中所述的離子源(50)，其還包括一個控制機構，用來控制所述加熱介質(70)的溫度。
3．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述控制機構包括用來將加熱介質(70)加熱的加熱件(80)，用來使所述加熱介質循環的泵(55)，用來提供來自所述加熱介質(70)的溫度反饋信號的至少一個熱電偶(92)，以及一個控制器(56)，它對所述溫度反饋信號作出響應，向所述加熱件輸出一第一控制信號(94)。
4．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述加熱介質(70)是水。
5．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述加熱介質(70)是礦物油。
6．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述源材料是一種分子固體，它有10-2到103乇之間的蒸汽壓和20℃到150℃之間的升華溫度。
7．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述源材料是十硼烷。
8．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述送料管(62)由石英製成。
9．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述送料管(62)由不鏽鋼製成。
10．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述電離腔室(58)包括一個入口(72)，用來接受來自壓縮氣體源的氣體。
11．按照權利要求2中所述的離子源(50)，其特徵在於，一個鞘套(90)圍繞著所述送料管(62)，所述加熱介質(70)通過該鞘套循環。
12．按照權利要求11中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述鞘套(90)包括由一個外鞘套(90B)圍繞的一個內鞘套(90A)。
13．一種用於離子源(50)的蒸發器，它包括(ⅰ)一個坩堝(52)，它有一個腔室(66)，用來容納被蒸發的源材料(68)，並用來使此源材料蒸發；(ⅱ)一根送料管(62)，用來把所述蒸發器(52)連接一個遠處的電離腔室上，在該腔室中，可以把被蒸發的源材料電離；以及(ⅲ)一種加熱介質(70)，用來加熱所述蒸發器(52)和所述送料管(62)的至少一部分。
14．按照權利要求13中所述的蒸發器(50)，其還包括一個控制機構，用來控制所述加熱介質(70)的溫度。
15．按照權利要求14中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，所述控制機構包括用來將加熱介質(70)加熱的加熱件(80)，用來使所述加熱介質循環的泵(55)，用來提供來自所述加熱介質(70)的溫度反饋信號的至少一個熱電偶(92)，以及一個控制器(56)，它對所述溫度反饋信號作出響應，向所述加熱件輸出第一控制信號(94)。
16．按照權利要求14中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，所述加熱介質(70)是水。
17．按照權利要求14中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，所述加熱介質(70)是礦物油。
18．按照權利要求14中所述的離子源(50)，其特徵在於，所述源材料是一種分子固體，它有10-2到103乇之間的蒸汽壓和20℃到150℃之間的升華溫度。
19．按照權利要求14中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，所述源材料是十硼烷。
20．按照權利要求14中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，所述送料管(62)由不鏽鋼製成。
21．按照權利要求14中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，所述送料管(62)由石英製成。
22．按照權利要求14中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，一個鞘套(90)圍繞著所述送料管(62)，所述加熱介質(70)通過該鞘套循環。
23．按照權利要求22中所述的蒸發器(50)，其特徵在於，所述鞘套(90)包括被一個外鞘套(90B)圍繞的一個內鞘套(90A)。
全文摘要
一種用於離子注入裝置的離子源(50),它包括:(i)一個升華裝置(52),它有一腔室(66);(ii)一電離腔室(58),(iii)一送料管(62);以及,(iv)一加熱介質(70)。設置一控制機構,用來控制加熱介質(70)的溫度。其包括用來把加熱介質(70)加熱的加熱件(80),用來使加熱介質循環的泵(55),用來提供來自加熱介質(70)的溫度反饋信號的至少一個熱電偶(92),以及一個控制器(56),它對溫度反饋信號作出響應,對加熱件輸出第一控制信號(94)。
文檔編號H01L21/265GK1236181SQ99105339
公開日1999年11月24日 申請日期1999年4月30日 優先權日1998年4月30日
發明者T·N·霍斯基 申請人:易通公司