用于改進(jìn)硅離子注入期間的離子束電流和性能的含硅摻雜劑組合物、使用該組合物的系 ...的制作方法
【專利說(shuō)明】用于改進(jìn)硅離子注入期間的離子束電流和性能的含硅摻雜 劑組合物、使用該組合物的系統(tǒng)和方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及用于改進(jìn)的娃離子注入工藝(尤其改進(jìn)的束電流（beam current))的 含硅摻雜劑組合物、使用該組合物的系統(tǒng)和方法的獨(dú)特組合。
[0002] 發(fā)明背景 離子注入是半導(dǎo)體/微電子制造中的重要工藝。在集成電路制造中使用離子注入工藝 來(lái)將摻雜劑雜質(zhì)引入半導(dǎo)體晶圓中。將所需的摻雜劑雜質(zhì)引入半導(dǎo)體晶圓中以在所需的深 度形成摻雜區(qū)域。選擇摻雜劑雜質(zhì)以與半導(dǎo)體晶圓材料結(jié)合來(lái)產(chǎn)生電載體，從而改變半導(dǎo) 體晶圓材料的導(dǎo)電性。所引入的摻雜劑雜質(zhì)的濃度確定摻雜區(qū)域的導(dǎo)電性。必需產(chǎn)生許多 雜質(zhì)區(qū)域來(lái)形成晶體管結(jié)構(gòu)、隔離結(jié)構(gòu)和其它電子結(jié)構(gòu)，其共同充當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)備。
[0003] 摻雜劑雜質(zhì)一般是得自源摻雜劑氣體的離子。離子源燈絲（filament)用于將摻雜 劑氣體源電離成各種摻雜劑離子物質(zhì)。離子在離子室內(nèi)產(chǎn)生等離子體環(huán)境。隨后，從離子 室中以限定（defined)的離子束形式提取離子。所得離子束通常由束電流來(lái)表征。一般來(lái) 說(shuō)，較高束電流可允許較多摻雜劑離子物質(zhì)可利用于（available for)注入給定的工件(例 如晶圓）中。在這種方式下，對(duì)于給定流動(dòng)速率的源摻雜劑氣體，可達(dá)到摻雜劑離子物質(zhì)的 較高注入劑量?？山?jīng)由質(zhì)量分析器/過(guò)濾器傳送所得離子束，然后傳送至工件(例如半導(dǎo)體 晶圓)的表面。（離子)束的所需的摻雜劑離子物質(zhì)滲透半導(dǎo)體晶圓的表面，以形成具有所需 的電學(xué)和/或物理性質(zhì)的一定深度的摻雜區(qū)域。
[0004] 硅注入在半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛地用于各種材料改性應(yīng)用，例如無(wú)定形化或光致抗蝕 劑改性。在設(shè)備制造期間Si注入步驟的越來(lái)越多的使用對(duì)以增加的束電流而不損害離子 源壽命為特征的用于注入各種Si離子摻雜劑物質(zhì)的改進(jìn)的方法存在需求。較高的束電流 可允許較高的設(shè)備處理量（throughput)和顯著的生產(chǎn)率改進(jìn)。應(yīng)理解，術(shù)語(yǔ)"Si離子"、"Si 離子物質(zhì)"、"Si離子摻雜劑物質(zhì)"和"Si+離子"在貫穿說(shuō)明書(shū)中可互換使用。
[0005] 四氟化硅（SiF4)已被用作用于硅離子注入的摻雜劑氣體源。然而，SiF4具有各 種缺點(diǎn)。特別重要地，SiF4可在其電離并產(chǎn)生必需量的Si+離子以建立當(dāng)今應(yīng)用所需要的 較高束電流的能力方面受到限制。增加從SiF4產(chǎn)生的Si+離子的量通常需要增加輸入至 離子源的能量，其在本行業(yè)中另外被稱為離子源的操作電弧電壓。然而，在增加的能量水平 下操作可損壞離子源部件，這可最終降低離子源在操作期間產(chǎn)生Si+離子的能力。例如，隨 著在典型離子注入工藝期間電弧室壁的溫度增加，從SiF4釋放的活性氟可更迅速蝕刻并 侵蝕鎢室壁，這可導(dǎo)致陰極對(duì)含鎢沉積物的增加的沉積更敏感。含鎢沉積物抑制離子源產(chǎn) 生維持等離子體并產(chǎn)生Si+離子所必需的閾值數(shù)量的電子的能力。另外，更多的活性氟離 子可利用于傳播所謂有害的"鹵素循環(huán)"，通過(guò)所述鹵素循環(huán)可發(fā)生離子源室壁和其它室部 件的增加的化學(xué)侵蝕。因此，在較高能量水平下操作離子源室以試圖增加 SiF4的電離具有 較短離子源壽命的可能性，從而使得該操作模式是不合需要的。
[0006] 當(dāng)前，沒(méi)有用于保持或增加 Si+離子的束電流而不損壞離子源室部件的可行技 術(shù)。在開(kāi)發(fā)組合物、使用該組合物的系統(tǒng)和方法，以改進(jìn)所需的硅離子物質(zhì)的束電流而不損 害離子源壽命方面仍然存在未滿足的需求。
[0007] 發(fā)明概沐 本發(fā)明部分涉及用于改進(jìn)束電流的組合物、使用該組合物的系統(tǒng)和方法，所述束電流 用于改進(jìn)硅離子源性能。已發(fā)現(xiàn)，所利用的摻雜劑氣體的組合物對(duì)于改進(jìn)束電流的能力具 有顯著影響。
[0008] 在第一方面，提供摻雜劑氣體組合物，其包含基于硅的摻雜劑氣體組合物。該組合 物包含第一基于硅的物質(zhì)和第二物質(zhì)。選擇第二物質(zhì)以在產(chǎn)生并注入活性硅離子期間在所 利用的離子源的操作電弧電壓下具有比第一基于硅的物質(zhì)高的電離截面。與從四氟化硅 (SiF4)產(chǎn)生的束電流相比，基于硅的摻雜劑氣體組合物改進(jìn)離子束電流，以便保持或增加 束電流而不使所述離子源降級(jí)（degradation)。
[0009] 在第二方面，提供用于在硅離子注入期間提供改進(jìn)的束電流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含 由電弧室壁部分限定的離子源裝置，其中該室包含至少部分配置于室壁內(nèi)的硅離子源。提 供與所述離子源裝置流體連通的一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng)容器。該一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng)容器存儲(chǔ)基 于硅的摻雜劑氣體組合物。組合物包含第一基于硅的物質(zhì)和第二物質(zhì)，其中選擇所述第二 物質(zhì)以在注入活性硅離子期間在離子源的操作電弧電壓下具有比第一基于硅的物質(zhì)高的 電離截面。一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng)進(jìn)料管線對(duì)應(yīng)于該一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng)容器。該一個(gè)或更多個(gè) 進(jìn)料管線從一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng)容器經(jīng)由壁延伸入室中。配置一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng)容器，以使 基于硅的摻雜劑組合物經(jīng)由一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng)進(jìn)料管線被分配并且進(jìn)入所述離子源裝置 中，從而允許硅離子源將基于硅的摻雜劑氣體組合物電離，以至少?gòu)乃龅谝换诠璧奈?質(zhì)產(chǎn)生至少一部分活性硅離子。與單獨(dú)從SiF4產(chǎn)生的束電流相比，活性硅離子產(chǎn)生增加的 束電流。
[0010] 在第三方面，提供在硅離子注入期間增加束電流的方法。該方法包括選擇第一基 于硅的物質(zhì)并且選擇第二物質(zhì)，所述第二物質(zhì)具有在產(chǎn)生并注入活性硅離子期間在待利用 的離子源的預(yù)定操作電弧電壓下比第一基于硅的物質(zhì)高的電離截面。在一個(gè)或更多個(gè)供應(yīng) 容器中提供第一基于硅的物質(zhì)和第二物質(zhì)。第一基于硅的物質(zhì)和第二物質(zhì)從一個(gè)或更多個(gè) 供應(yīng)容器流入離子源裝置中。第一基于硅的物質(zhì)電離。產(chǎn)生活性硅離子。與單獨(dú)從SiF4 產(chǎn)生的束電流相比，產(chǎn)生增加的束電流，其中與單獨(dú)從SiF4產(chǎn)生的束電流相比，所述增加 的束電流延長(zhǎng)源壽命。
[0011] 附圖簡(jiǎn)沐 本發(fā)明的目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)從其以下結(jié)合附圖的優(yōu)選實(shí)施方案的詳述來(lái)更好理解，其中同樣 的數(shù)字自始至終表示相同的特征，其中： 圖1表示并入本發(fā)明的原則的離子注入機(jī)； 圖2表示硅注入系統(tǒng)內(nèi)的圖1的離子注入機(jī)； 圖3是本發(fā)明的基于硅的摻雜劑氣體組合物與其它類型基于硅的摻雜劑氣體材料的 束電流水平的比較； 圖4將對(duì)于不同的含Si氣體在不同能量水平下的電離截面作圖；以及 圖5表示用不同的含硅摻雜劑組合物操作之后的電弧室沉積物。
[0012] 發(fā)明詳沐 本發(fā)明的各種要素的關(guān)系和功能通過(guò)以下詳述來(lái)更好理解。詳述考慮本公開(kāi)內(nèi)容范圍 內(nèi)的呈各種排列和組合形式的特征、方面和實(shí)施方案。因此，可將本公開(kāi)內(nèi)容規(guī)定為包含下 列、由下列組成或基本上由下列組成:這些特定特征、方面和實(shí)施方案或其選定的一個(gè)或更 多個(gè)的此類組合和排列中的任何一個(gè)。
[0013] 如在本文中并且貫穿說(shuō)明書(shū)中使用的"Si離子"表示各種硅離子摻雜劑物質(zhì)，包括 適合于注入襯底中的硅或含硅陽(yáng)離子。
[0014] 如本文使用，除非另外指示，否則所有濃度以體積百分比（"vol%"）表示。
[0015] 在一方面，本公開(kāi)內(nèi)容涉及與常規(guī)的硅摻雜劑源相比，用于增加 Si束電流的新穎 的含硅摻雜劑組合物、使用所述組合物的系統(tǒng)和方法。如在本文中并且貫穿說(shuō)明書(shū)中使用 的術(shù)語(yǔ)本發(fā)明的"基于硅的摻雜劑氣體組合物"意欲指第一基于硅的物質(zhì)和第二物質(zhì)，其被 選擇來(lái)使得第二物質(zhì)在如本文描述的選定離子注入操作條件（例如，輸入到離子源的電弧 電壓或能量）下具有比第一基于硅的物質(zhì)高的電離截面。"電離截面"定義為當(dāng)原子或分子 經(jīng)歷與發(fā)射自離子源的電子碰撞時(shí)發(fā)生電離的概率（以面積單位來(lái)測(cè)量）。第二物質(zhì)是允 許離子源在一定條件下操作的互補(bǔ)（complimentary)氣體，與用于娃注入的離子注入工藝 中只利用SiF4相比，所述條件有助于保持其效率更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。如本文描述的本發(fā)明的基 于硅的摻雜劑氣體組合物與先前的硅摻雜劑源材料相比改進(jìn)離子源的性能而不損害離子 源壽命。"離子源性能"考慮到關(guān)鍵的性能量度，其包括束電流的穩(wěn)定性、源壽命和束故障 (beam glitching)的程度。如本文使用的"束故障"是指可導(dǎo)致束電流短暫降低的電壓放 電。本公開(kāi)內(nèi)容在本文中在各種實(shí)施方案中并且參照本發(fā)明的各種方面和特征來(lái)闡明。
[0016] 相對(duì)于通常用于硅離子注入的其它常規(guī)的源摻雜劑氣體，獨(dú)特的基于硅的摻雜劑 氣體組合物使得能夠增加束電流而不損害離子源壽命?？墒褂玫谝换诠璧奈镔|(zhì)和第二物 質(zhì)的眾多組合。例如，第一基于硅的物質(zhì)可包括Si2H6并且第二物質(zhì)可包括Xe或其它惰性 氣體。在其它代表性實(shí)例中，SiH4可與第二物質(zhì)（包括Xe或其它惰性氣體）一起使用?；?者，SiH2C12或SiF2H2可與第二物質(zhì)（包括各種稀釋劑，例如Xe和/或Kr)一起使