專利名稱：二十硼烷注入方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及半導(dǎo)體注入，更具體地說(shuō)，涉及將二十硼烷、三十硼烷和四十硼烷離子注入半導(dǎo)體內(nèi)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
用于半導(dǎo)體等工件摻雜的普通離子注入系統(tǒng)包含一個(gè)離子源，它將所希望的摻雜元素電離，然后加速形成規(guī)定能量的離子束。離子束向著工件表面運(yùn)動(dòng)，將摻雜元素注入工件內(nèi)。具有一定能量的離子束中的離子穿過(guò)工件表面埋入工件材料的晶格中，形成一個(gè)具有所需導(dǎo)電率的區(qū)域。注入過(guò)程一般都在高真空室內(nèi)進(jìn)行，以防止由于與殘余氣體分子碰撞而產(chǎn)生離子束色散，并使得工件被空氣中的微粒污染的風(fēng)險(xiǎn)最小。
用于確定特定離子種類的注入步驟的兩個(gè)最重要的變數(shù)是離子劑量和能量。離子劑量與給定半導(dǎo)體材料中注入離子的濃度有關(guān)。一般高劑量注入采用大電流注入機(jī)(通常離子束電流大于10毫安(mA))，而低劑量應(yīng)用采用中等電流注入機(jī)(通常離子束電流小于1毫安(mA)左右)。
離子能量用來(lái)控制半導(dǎo)體器件中結(jié)的深度。構(gòu)成離子束的離子能量決定注入離子的深度。用來(lái)在半導(dǎo)體器件中形成退減阱的高能處理要求達(dá)幾百萬(wàn)電子伏(MeV)的注入，而淺結(jié)可能只要求1仟電子伏(keV)的能量，超淺結(jié)可能只要求低至250電子伏(eV)的能量。
不斷要求半導(dǎo)體器件越來(lái)越小的趨勢(shì)，要求注入機(jī)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件中的源/漏結(jié)就要求采用這種大電流和低能量注入。
傳統(tǒng)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(shù)通常都可以以固態(tài)和氣態(tài)兩種形式使用，只是硼除外，它幾乎只能以氣態(tài)形式提供，例如，三氟化硼(BF3)，或者十硼烷(B10H14)這種固態(tài)粉狀形式的化合物。
對(duì)于硼注入來(lái)說(shuō)，十硼烷(B10H14)可能是一種極佳的注入材料源，因?yàn)楫?dāng)每個(gè)十硼烷分子(B10H14)汽化和電離時(shí)，可提供一種包含10個(gè)硼原子的分子型離子。這種源特別適合于用來(lái)產(chǎn)生淺結(jié)的高劑量/低能量注入過(guò)程，因?yàn)榉肿有褪鹜殡x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，由于十硼烷分子在工件表面分裂成差不多十分之一原來(lái)束能量的十個(gè)單個(gè)硼原子，所以此束可以傳輸?shù)哪芰繛橄喈?dāng)劑量單原子硼離子束的十倍。(由電壓V加速的10個(gè)相同的硼原子的單電荷十硼烷分子(B10HX+)中的每個(gè)獨(dú)立硼原子具有能量eV/10，因而離子束可以以十倍于所要求的能量被引出)。這個(gè)特征使分子型離子束避免了在一般低能離子束輸運(yùn)中將發(fā)生的傳輸損失。
最近在工藝流程和離子源方面的改進(jìn)，使得能產(chǎn)生將來(lái)可能證明對(duì)于十硼烷注入的生產(chǎn)應(yīng)用是足夠的離子束電流。這些改進(jìn)的關(guān)鍵是離子源的冷卻機(jī)構(gòu)，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(xiàn)有的十硼烷離子源(如美國(guó)專利6,107,634中所示的那種源)中，維持的是一個(gè)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(lái)半導(dǎo)體中的超淺結(jié)很可能要求以低至250eV的注入能量進(jìn)行硼注入。在這么低的能量下，離子束的電流密度必然要減小。即使采用最先進(jìn)的十硼烷注入技術(shù)，半導(dǎo)體注入的產(chǎn)率仍將降低，除非對(duì)于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(gè)硼原子的能量水平的情況下增加離子束能量輸運(yùn)水平。因而，這些就是本發(fā)明的目的。
發(fā)明概要本發(fā)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(chǎn)生等離子體；(ii)通過(guò)源孔(126)引出等離子體內(nèi)的已電離二十硼烷、三十硼烷和四十硼烷，以形成一個(gè)離子束；(iii)用質(zhì)量分析磁體(127)對(duì)離子束作質(zhì)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(guò)；(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(nèi)使十硼烷汽化和(ii)在電離器(53)內(nèi)使已汽化的十硼烷電離。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是按照本發(fā)明原理制造的一種離子注入機(jī)的離子源第一實(shí)施例的局部橫剖面圖；圖2是沿圖1的2-2線剖開(kāi)的離子源另一種實(shí)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(zhì)量單位關(guān)系曲線，表明有二十硼烷、三十硼烷和四十硼烷成分存在。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述現(xiàn)在來(lái)參照?qǐng)D1-3，首先看圖1，這是一個(gè)按本發(fā)明制造的離子源50，包括一個(gè)汽化器51和一個(gè)電離器53。汽化器51包含一個(gè)不起反應(yīng)的導(dǎo)熱升華器或坩堝52，加熱媒質(zhì)容器54，加熱媒質(zhì)泵55，溫度控制器56，和質(zhì)量流控制器60。電離器53在圖3更詳細(xì)地示出。坩堝52離電離器53很遠(yuǎn)，通過(guò)送氣管62與后者相連，管子由石英或不銹鋼制成。在提供的實(shí)施方案中，送氣管62幾乎沿其全部長(zhǎng)度用一個(gè)單室外環(huán)護(hù)套90包圍著。
坩堝52提供一個(gè)容器64，它圍成的腔66用來(lái)盛源材料68。這個(gè)容器最好用適當(dāng)?shù)牟黄鸱磻?yīng)(惰性)的材料來(lái)做，如不銹鋼、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(guò)裝在容器54內(nèi)的加熱媒質(zhì)70加熱容器64的壁，使十硼烷通過(guò)升華過(guò)程而汽化。十硼烷一般以細(xì)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(guò)送氣管62從坩堝52中出來(lái)并進(jìn)入質(zhì)量流控制器60，后者控制蒸汽流量并測(cè)量送入電離器53的汽化十硼烷總量。
本發(fā)明的另一種實(shí)施方案中，送氣管62做成毛細(xì)管的形狀，且護(hù)套90做成同軸雙室套的形狀，包括內(nèi)套90A和環(huán)繞它的外套90B(見(jiàn)圖2)。加熱媒質(zhì)可以用泵送至內(nèi)套90A(處在與毛細(xì)管62相鄰的位置)，而從外套90B(半徑方向處于內(nèi)套90B的外面)抽出。在此第二實(shí)施裝置中，質(zhì)量控制器60由處在送氣管/電離器交界面上的加熱關(guān)閉閥(未示)所代替，而質(zhì)量流通過(guò)直接改變?nèi)萜?4的溫度而增減。
圖3較詳細(xì)地展示了電離器53。電離器53包含一個(gè)普通園柱體96和一個(gè)普通園環(huán)形底座或安裝法蘭98，在優(yōu)選實(shí)施例中這兩者都用鋁來(lái)做。鋁質(zhì)本體96由通過(guò)入口102供應(yīng)的進(jìn)口冷卻通道100，通過(guò)出口106從本體96排出的出口冷卻通道104來(lái)冷卻。冷卻媒質(zhì)可以是水或任何其它高熱容量的適當(dāng)液體。進(jìn)口和出口冷卻通道提供一個(gè)連續(xù)的通道，水通過(guò)這個(gè)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(gè)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(gè)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(jīng)發(fā)現(xiàn)，電離室應(yīng)維持在足夠低的溫度(低于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(nèi)是一個(gè)送氣管62的延伸物(它由環(huán)形護(hù)套90所包圍)，直至電離室108終止。在電離室108內(nèi)裝有一個(gè)熱陰極110和一個(gè)反陰極或反射極112。熱陰極110包含一個(gè)加熱的鎢絲114，它由一個(gè)鉬筒116包圍著并由鎢端蓋118蓋住。被加熱的燈絲114通過(guò)電源饋線120和122供電，它們通過(guò)鋁本體96并與它電絕緣。反射極112也與本體96電絕緣，這是通過(guò)一種導(dǎo)熱的電絕緣材料(如蘭寶石)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shí)，通過(guò)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(dāng)在饋線120和122兩端加上電壓而給鎢絲114通電時(shí)，燈絲發(fā)射電子并向前加速撞擊端蓋118。等到端蓋118受到電子轟擊而變得足夠熱時(shí)，它反過(guò)來(lái)發(fā)射電子進(jìn)入電離室108，這些電子與汽化氣體分子碰撞而在室內(nèi)產(chǎn)生離子。
這樣就產(chǎn)生了低密度離子等離子體，通過(guò)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為小于14的整數(shù))、二十硼烷離子(B20HX+)(其中X為小于28的整數(shù))、三十硼烷離子(B30HX+)(其中X為小于42的整數(shù))、四十硼烷離子(B40HX+)(其中X為小于56的整數(shù))，所有這些都能注入到工件內(nèi)?！岸鹜椤币辉~表示包含B20HX分子和/或兩個(gè)十硼烷的組?！叭鹜椤? 一詞表示包含B30HX分子和/或三個(gè)十硼烷的組?！八氖鹜椤币辉~表示包含B40HX分子和/或四個(gè)十硼烷的組。然后對(duì)引出的離子束通過(guò)質(zhì)量分析磁體127進(jìn)行質(zhì)量分析，使得只允許具有規(guī)定電荷質(zhì)量比的離子通過(guò)。在室108內(nèi)的低密度十硼烷/二十硼烷等離子體部分是由維持在源內(nèi)的較低電弧放電功率(在5mA時(shí)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于圖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(zhì)量單位(AMU)的關(guān)系曲線。如圖所示，可單獨(dú)識(shí)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(xiàn)，而二十硼烷峰在236AMU出現(xiàn)。在圖5中，B30HX峰約在350AMU出現(xiàn)，而B(niǎo)40HX峰約在470AMU出現(xiàn)。
圖1中的源50用到離子注入機(jī)中，將全部十硼烷分子(十個(gè)硼原子)注入工件內(nèi)。分子在工件表面碎裂，使得每個(gè)硼原子的能量大約為十個(gè)硼原子組(在B10H14的情況下)能量的十分之一。因此，離子束可以十倍于所要求的硼注入能量運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)很淺的注入而無(wú)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。最后，由于每單位劑量的電荷是單原子束注入電荷的十分之一，故對(duì)于給定的劑量定額，工件的帶電問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)有那么嚴(yán)重。
至于通過(guò)源孔126從離子源引出的離子束的二十硼烷(B20HX)分量，我們認(rèn)為它是由十硼烷與源50的電離器53內(nèi)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(nèi)的十硼烷蒸氣產(chǎn)生質(zhì)量從130AMU至240AMU(見(jiàn)圖4)的相鄰亞譜，它看起來(lái)與十硼烷譜類似。因此，通過(guò)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(tuán)分子十硼烷或二十硼烷(B20HX))。電離后的二十硼硼烷(B20HX+)在硼粒子電流高達(dá)1.6mA時(shí)，在每個(gè)硼原子能量低于500eV甚至低到250eV，是可以注入的。
采用圖1的源50到離子注入機(jī)中，整個(gè)二十硼烷離子(二十硼原子)被注入工件內(nèi)。離子在工件表面處碎裂，使得每個(gè)硼原子的能量約為20個(gè)硼原子組(在B20HX的情況下)能量的二十分之一。離子束可以20倍于所要求的硼注入能量輸運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)很淺的注入而無(wú)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。最后，由于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(duì)于給定的劑量定額，工件的帶電問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)有那么嚴(yán)重。
正如本領(lǐng)域所知，可以對(duì)質(zhì)量分析磁體127加以調(diào)節(jié)，以使只有在規(guī)定電荷質(zhì)量比范圍內(nèi)的粒子能夠通過(guò)。因而，可將質(zhì)量分析磁體127調(diào)節(jié)成讓十硼烷或二十硼烷(B20HX)通過(guò)。還可以把磁體調(diào)節(jié)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(guò)。
那些由陰極110產(chǎn)生但不與電離室內(nèi)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(yùn)動(dòng)，后者將這些電子反射回陰極。反射極最好用鉬來(lái)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處于本地接地電位。陰極110連同端蓋118處于壁128電位以下約50至150伏的電位。燈絲114維持在低于端蓋118電位約200至600伏的電位。燈絲114和端蓋118間的較高電位差賦于從燈絲發(fā)射的電子較高的能量以將端蓋118充分加熱，從而通過(guò)熱發(fā)射使電子進(jìn)入電離室108。
離子源50提供一個(gè)控制機(jī)構(gòu)，用來(lái)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(guò)管62連續(xù)進(jìn)入和通過(guò)電離器53。加熱媒質(zhì)70在容器54內(nèi)被電阻性或類似的加熱元件80加熱，并通過(guò)一個(gè)熱交換器冷卻。溫度控制裝置包括一個(gè)溫度控制器56，它通過(guò)熱偶92從容器54獲得一個(gè)輸入溫度反饋，并輸出一個(gè)控制信號(hào)至加熱元件80(下面將進(jìn)一步說(shuō)明)，使容器內(nèi)的加熱媒質(zhì)加熱至一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟取?br> 加熱媒質(zhì)70可以是礦物油或其它具有高熱容量的媒質(zhì)(如水)。油被加熱元件80加熱至20℃至50℃的溫度范圍，并通過(guò)泵55圍繞坩堝52及送氣管62(經(jīng)由護(hù)套90)循環(huán)。泵55分別有一個(gè)入口和出口82和84。雖然加熱媒質(zhì)圍繞坩堝52和送氣管62的流動(dòng)方式，在圖2中是按單方向順時(shí)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(dāng)?shù)拿劫|(zhì)循環(huán)。
現(xiàn)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(guò)送氣管62傳輸至電離室108，對(duì)坩堝腔66加了壓。隨著腔66內(nèi)的壓力增加，材料傳輸速率相應(yīng)增大。電離室?guī)缀豕ぷ髟谡婵諣顟B(tài)(約1毫乇)，因此沿著送氣管62整個(gè)長(zhǎng)度，從坩堝52至電離室108存在一個(gè)壓力梯度。坩堝的壓力一般在1乇量級(jí)。
將坩堝52置于遠(yuǎn)離電離室108的地方，使坩堝腔66內(nèi)的材料與熱隔離，從而提供一個(gè)不受電離室溫度影響的熱穩(wěn)定的環(huán)境。因而，坩堝腔66(十硼烷升華過(guò)程就在其中發(fā)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(nèi))。同時(shí)，通過(guò)保持汽化十硼烷的溫度在經(jīng)由加熱送氣管62輸運(yùn)至電離室的過(guò)程中不變，蒸汽不會(huì)發(fā)生冷凝或熱分解。
溫度控制器56通過(guò)控制加熱媒質(zhì)容器70的加熱元件80的運(yùn)行而控制坩堝52和送氣管62的溫度。熱偶92檢測(cè)容器的溫度并將溫度反饋信號(hào)93送至溫度控制器56。溫度控制器根據(jù)這個(gè)輸入反饋信號(hào)以已知的方式將控制信號(hào)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(guò)控制加熱媒質(zhì)在系統(tǒng)中的循環(huán)(通過(guò)泵55)及加熱媒質(zhì)的溫度(通過(guò)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(duì)于控制坩堝的壓力，因而是控制蒸氣流出坩堝的速度來(lái)說(shuō)更為關(guān)鍵。由于采用本發(fā)明離子源的等離子體密度較低(在1010/cm3量級(jí))以防止十硼烷/二十硼烷分子結(jié)構(gòu)離解，若采用傳統(tǒng)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(fā)明的電離器53內(nèi)的孔126要做得足夠大才能保證有適當(dāng)?shù)碾x子束流輸出。1cm2(.22cm×4.5cm)的孔可以在工件上獲得大約每平方厘米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(shí)際聚焦束流只是總引出束流的一部分)。在某些注入機(jī)中可以有5cm2的孔尺寸，這樣可在工件上產(chǎn)生500μA左右的B10HX+束流。在超低能(ULE)注入機(jī)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(jìn)方法和系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案。但是，考慮到上面的描述只是作為一個(gè)實(shí)例，應(yīng)明白本發(fā)明并不只限于這里所描述的特定實(shí)例，而是可以對(duì)它們實(shí)行各種調(diào)整、修改和替換，而不超出本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍將由下面的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。
權(quán)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(chǎn)生等離子體；(ii)通過(guò)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)采用質(zhì)量分析磁體(127)對(duì)離子束作質(zhì)量分析，以使一種選定的已電離的高次硼烷通過(guò)；(iv)將選定的電離的高次硼烷注入工件內(nèi)。
2.如權(quán)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(nèi)汽化十硼烷，(i)(b)在電離器(53)內(nèi)電離已汽化的十硼烷。
3.如權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)利要求2所述的方法，其中電離器(53)設(shè)有一個(gè)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)利要求9所述的方法中，電離室(108)內(nèi)等離子體的密度在1010/cm3量級(jí)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種將已電離的二十硼烷(B
文檔編號(hào)C23C14/48GK1489639SQ0182266
公開(kāi)日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2001年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者A·S·佩雷爾, A S 佩雷爾 申請(qǐng)人:艾克塞利斯技術(shù)公司