含硼摻雜劑組合物、使用其來改善硼離子注入期間離子束電流和性能的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】提供一種新穎的組合物、其用于在硼離子注入期間改善束電流的系統(tǒng)和方法。硼離子注入過程涉及使用特定濃度范圍的B2H6、BF3和H2。選擇B2H6以在活性氫離子種類的產(chǎn)生和注入期間使用的離子源操作電弧電壓下具有比BF3的電離橫截面高的電離橫截面。氫允許更高水平的B2H6被引入BF3而不減少F離子清除。活性硼離子產(chǎn)生改善的束電流，其特征在于與由常規(guī)硼前體材料產(chǎn)生的束電流相比時維持或增大束電流水平而不招致離子源的退化。
【專利說明】含硼摻雜劑組合物、使用其來改善硼離子注入期間離子束電流和性能的系統(tǒng)和方法
[0001]發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及含硼摻雜劑組合物、使用其來改善硼離子注入過程并且特別地改善束電流的系統(tǒng)和方法的獨特組合。
[0002]發(fā)明背景
離子注入是半導體/微電子制造中的重要過程。在集成電路制造中使用離子注入過程來將摻雜劑雜質(zhì)引入半導體晶圓中。將所需的摻雜劑雜質(zhì)引入半導體晶圓中以在所需的深度處形成摻雜區(qū)域。選擇摻雜劑雜質(zhì)以與半導體晶圓材料結(jié)合來產(chǎn)生電載體(electricalcarrier)，并從而改變半導體晶圓材料的電導率。所引入的摻雜劑雜質(zhì)的濃度決定摻雜區(qū)域的電導率。必需產(chǎn)生許多雜質(zhì)區(qū)域來形成晶體管結(jié)構(gòu)、隔離結(jié)構(gòu)和其它電子結(jié)構(gòu)，其共同充當半導體設(shè)備。
[0003]摻雜劑雜質(zhì)一般是得自源摻雜劑氣體的離子。離子源燈絲用于將摻雜劑氣體源電離成各種摻雜劑離子種類。所述離子在離子室內(nèi)產(chǎn)生等離子體環(huán)境。隨后，從離子室中以限定(defined)的離子束形式引出離子。所得離子束通常由束電流(beam current)來表征。一般來說，較高束電流可允許更多摻雜劑離子種類可用于注入給定的工件(例如晶圓)中。在這種方式下，對于給定流速的源摻雜劑氣體，可實現(xiàn)摻雜劑離子種類的較高注入劑量。所得離子束可經(jīng)由質(zhì)量分析器/過濾器輸送，并然后輸送至工件(例如半導體晶圓)的表面。(離子)束的所需的摻雜劑離子種類滲透半導體晶圓的表面，以形成具有所需的電學和/或物理性質(zhì)的一定深度的摻雜區(qū)域。
[0004]硼注入在半導體行業(yè)中廣泛地用于改進摻雜區(qū)域的電學性質(zhì)并且最近在其它應(yīng)用(其中期望區(qū)域摻雜有雜質(zhì)以調(diào)節(jié)摻雜區(qū)域的物理性質(zhì))中越來越受人關(guān)注。在設(shè)備制造期間硼注入步驟的越來越多的使用對于注入B離子的改善方法存在需求，所述改善方法可提供改善的B+束電流(即產(chǎn)生維持或增大的束電流而不縮短離子源壽命)。應(yīng)理解，術(shù)語“B離子”、“B離子種類”、“B離子摻雜劑種類”和“B+離子”將在本文和整個說明書中可互換使用。以改善的B+束電流注入B離子的能力將允許終端用戶實施不斷增加的硼注入步驟，具有較高的設(shè)備生產(chǎn)量和生產(chǎn)率增加改善。
[0005]三氟化硼(BF3)是半導體行業(yè)中通常用于硼注入的摻雜劑氣體源。然而，已證實BF3在其產(chǎn)生B+離子并且從而建立目前應(yīng)用所要求的較高束電流(beam currently)的能力方面有限。為了提高B+離子的產(chǎn)生，終端用戶可改變各種工藝參數(shù)。例如，終端用戶可提高輸入到離子源的能量，其在本行業(yè)中另外被稱為離子源的操作電弧電壓?；蛘?，可增大引出電流。還有，可提高引入離子源室的BF3的流速。然而，離子注入室的操作中的此類變化可導致對離子源組件的不利影響并減少離子源使用壽命以及離子源在其持續(xù)操作期間產(chǎn)生穩(wěn)定的B+離子束的效率。穩(wěn)定的B+離子束通過B+束的均勻的束輪廓和以期望的束電流連續(xù)供應(yīng)而沒有可能由束閃變(beam glitching)或束電流輸出下降引起的中斷來定義。例如，隨著在典型離子注入過程期間電弧室壁的溫度增加，從BF3釋放的活性氟可更迅速蝕刻并侵蝕鎢室壁，其可導致陰極對含W沉積物的增加的沉積更加敏感。含W沉積物降低離子源產(chǎn)生維持等離子體所必需的閾值數(shù)的電子以及產(chǎn)生B+離子的能力。另外，更多的活性氟離子可用于傳播所謂有害的“鹵素循環(huán)”，通過所述鹵素循環(huán)可發(fā)生離子源室壁和其它室組件的增加的化學侵蝕。因此，在較高能量水平下操作離子源室以試圖增加BF3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意的。此外，BF3的較高流速傾向于產(chǎn)生更多活性氟離子，其引起離子源室壁的化學侵蝕和在產(chǎn)生電弧放電(arcing)的高電壓組件上的不合意的沉積。這些工藝改進傾向于縮短(shorter)離子源壽命，從而使得此類操作模式是不合意的。
[0006]目前，沒有用于維持或增大B+離子的束電流而不損壞離子源室組件的可行技術(shù)。同樣地，在開發(fā)組合物、使用該組合物以改善所需的硼離子種類的束電流而不損害離子源壽命的系統(tǒng)和方法方面仍存在未滿足的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明部分涉及組合物、使用該組合物來改善離子源性能(包括束電流的增加和離子源壽命的延長)的系統(tǒng)和方法。
【申請人】已發(fā)現(xiàn)摻雜劑氣體的組合物對改善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。所述組合物包含含硼摻雜劑氣體組合物，其包含水平范圍為約0.1% - 10%的乙硼烷(B2H6)、范圍為約5% - 15%的H2并且余量為BF3。選擇B2H6以在活性硼離子的產(chǎn)生和注入期間使用的離子源操作電弧電壓下具有比所述BF3的電離橫截面高的電離橫截面。與從三氟化硼(BF3)產(chǎn)生的束電流相比，所述含硼摻雜劑氣體組合物增大硼離子束電流并延長離子源壽命。
[0009]在第二方面，提供用于在硼離子注入期間提供改善的束電流的系統(tǒng)。提供離子源設(shè)備。所述設(shè)備部分地由電弧室壁限定，其中所述室包括至少部分地布置在所述室壁內(nèi)的硼離子源。提供與所述離子源設(shè)備以流體連通的一個或更多個供應(yīng)容器。所述容器儲存含硼摻雜劑氣體組合物。所述組合物包含水平范圍為約0.1% - 10%的B2H6、范圍為約5% -15%的出并且余量為BF3。選擇所述B2H6以在活性硼離子的產(chǎn)生和注入期間使用的離子源操作電弧電壓下具有比所述BF3的電離橫截面高的電離橫截面。提供與所述一個或更多個供應(yīng)容器對應(yīng)的一個或更多個供應(yīng)進料管線，由此所述進料管線從所述一個或更多個供應(yīng)容器延伸通過所述壁進入所述室。設(shè)置所述一個或更多個容器來分配所述含硼摻雜劑組合物通過所述供應(yīng)進料管線并進入所述離子源設(shè)備，從而允許所述含硼組合物電離并由此產(chǎn)生活性硼離子。與僅從BF3產(chǎn)生的束電流相比，所述活性硼離子產(chǎn)生增大的束電流。
[0010]在第三方面，提供在硼離子注入期間提高離子束電流的質(zhì)量的方法。含硼摻雜劑組合物包含水平范圍為約0.1% - 10%的B2H6、范圍為約5% - 15%的H2并且余量為BF3t^K述含硼摻雜劑組合物引入離子源室。在預定的操作電弧電壓下使B2H6和BF3電離，在所述預定的操作電弧電壓下所述B2H6具有比所述BF3的電離橫截面高的電離橫截面。產(chǎn)生活性硼離子。產(chǎn)生增大的束電流，其特征為與僅從BF3產(chǎn)生的束電流相比具有延長的源壽命。
[0011]附圖簡述
從本發(fā)明優(yōu)選實施方案的以下詳述結(jié)合附圖將更好地理解本發(fā)明的目標和優(yōu)勢，其中同樣的數(shù)字在通篇中表示相同的特征，且其中:
圖1描繪了在不同能量水平下B2H6和BF3的電離橫截面； 圖2顯示了本發(fā)明的摻雜劑氣體組合物的不同輸送流程圖；
圖3顯示結(jié)合本發(fā)明原理的離子源；
圖4顯示在硼注入系統(tǒng)內(nèi)的圖3的離子注入機;和
圖5是本發(fā)明的摻雜劑氣體組合物與其它類型的硼基摻雜劑氣體材料的束電流水平的比較。
[0012]發(fā)明詳述
通過以下詳述來更好地理解本發(fā)明的各種要素的關(guān)系和功能。該詳述考慮本公開內(nèi)容范圍內(nèi)的呈各種排列和組合形式的特征、方面和實施方案。因此，可將本公開內(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、方面和實施方案的此類組合和排列中的任何一個，或其選定的一個或更多個。
[0013]如本文和整個說明書中使用的“B離子”表示適合于注入襯底的各種硼離子摻雜劑種類，包括硼或含硼陽離子例如B+。
[0014]如本文中使用，除非另外指示，否則所有濃度均表述為基于作為混合物的組合物的總體積的體積百分比(“vol %”)。
[0015]如本文和整個說明書中使用的“減少”意欲表示當使用本發(fā)明的摻雜劑組合物操作離子注入源以注入B+離子時，在離子注入過程操作期間縮短、抑制和/或延遲。
[0016]本公開內(nèi)容在一個方面涉及一定濃度范圍內(nèi)的新穎的含硼摻雜劑組合物以及對應(yīng)的使用其來相比于常規(guī)硼摻雜劑源(例如BF3)增大硼束電流的系統(tǒng)和方法。“電離橫截面”定義為當原子或分子經(jīng)歷與由離子源發(fā)射的電子碰撞時將發(fā)生電離的概率(以面積單位來度量)。與先前的硼摻雜劑源材料相比，如本文將描述的本發(fā)明的摻雜劑氣體組合物改善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、源壽命和束閃變的程度。如本文使用的“束閃變”是指可導致束電流短暫降低的電壓放電。本文以各種實施方案并參照本發(fā)明的各種方面和特征來闡明本公開內(nèi)容。
[0017]本發(fā)明已發(fā)現(xiàn):在選定電離條件下，B2H6、BF3和氫氣組分的特定組成濃度范圍使得能夠改善離子束電流，由此可增大束電流而不損害離子源或使離子源退化。以這樣的方式，增大的硼離子束電流是可能的，而未將沉積物積聚至導致源壽命縮短的不可接受的水平。
[0018]相對于硼離子注入中通常使用的其它常規(guī)源摻雜劑氣體，所述硼摻雜劑氣體組合物使得能夠持續(xù)延長的時間段增大束電流。所述摻雜劑組合物包含以特定濃度范圍包含的乙硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)和氫氣(H2)的組成元素。在一個實施方案中，所述組合物包含范圍為0.1% - 10%的B2H6、范圍為約5% - 15%的H2并且余量為BF3。在優(yōu)選的實施方案中，所述組合物包含范圍為0.1% - 5%的B2H6、范圍為約5% - 10%的H2并且余量為BF3。在更優(yōu)選的實施方案中，所述組合物包含范圍為2% - 5%的B2H6、范圍為約5% - 10%的出并且余量為BF3ο在優(yōu)選的實施方案中，所述組合物包含約3%的B2H6、約5%的出并且余量為BF3。
[0019]應(yīng)理解:所述組合物的任何組成元素可同位素富集超過其天然豐度。術(shù)語“同位素富集”是指摻雜劑氣體包含不同于其天然存在的同位素分布的質(zhì)量同位素(ma s sisotope)分布，由此一種質(zhì)量同位素具有比以天然存在的水平存在的更高的富集水平。通過舉例方式，99% 11BF3 (即本文中以及整個說明書中所用的11BF3)是指以99%的富集度(enrichment)包含質(zhì)量同位素IlB的同位素富集或富集的摻雜劑氣體，而天然存在的BF3以80%天然豐度水平包含質(zhì)量同位素IIB。同樣地，99% 11BF3是19%富集B。此外，應(yīng)理解本發(fā)明的摻雜劑組合物可包含一種或更多種組成元素的兩種或更多種同位素形式。例如，B2H6可以一定量存在，其中Bll和BlO各自以其天然豐度或富集比例存在。
[°02°] 本發(fā)明的摻雜劑氣體組合物以特定操作方案(operating regime)用于離子注入工藝，在所述操作方案中B2H6的電離橫截面大于BF3的電離橫截面。以這樣的方式，改善B+離子的產(chǎn)生。參考圖1，在約80V - 100V并且更優(yōu)選約70V-120V的選定操作電弧電壓下，B2H6展示比BF3高的電離橫截面。在該選定的操作方案中，
【申請人】已觀察到B2H6具有更高的產(chǎn)生各種含硼離子種類的概率。從B2H6獲得的含硼離子種類的存在增加了 BF3的電離過程，導致更高的B+束電流而不使離子源的源燈絲(即陰極)退化。凈效應(yīng)是離子束性能的改善。在B2H6和H2的預定濃度范圍內(nèi)展示了離子束性能的這種改善。B2H6在約0.1%-10%，優(yōu)選約1-5%，更優(yōu)選約2-5%范圍內(nèi)并且最優(yōu)選約3%，而氫氣濃度在約5%-15%，優(yōu)選約5%-10%之間并且最優(yōu)選約5%，余量為BF3。
[0021]本發(fā)明認識到以其中B2H6的電離橫截面不大于BF3的電離橫截面的方案操作離子注入過程可能不產(chǎn)生BF3電離的改善。因此，可能觀察不到B+束電流的增加。
[0022 ] B2H6的量既不能在0.1 %以下也不能在10%以上，以避免有害影響。具體地講，B2H6必須以其最低濃度水平或以上存在以減少鹵素循環(huán)效應(yīng)，以使得陰極燈絲重量增加速率降低。當B2H6以低于0.1%的水平存在時，可觀察到束電流的不足夠的增加以及由于鹵素循環(huán)引起的不可接受地高的陰極重量增加。
[0023]除了維持B2H6在0.1%的下限或以上，B2H6應(yīng)不超過上限。出乎意料地觀察到:當B2H6為僅接近2.5%的水平時，將B2H6添加到BF3增大F+離子的產(chǎn)生，盡管引入所述室中的氟分子添加沒有增大。正如工作實施例中將顯示的，盡管觀察到與BF3-Xe-H2的混合物相比，添加2.5% 82冊和97.5% 8?3的混合物減少鹵素循環(huán)，但是與8?316_!12相比，2.5% B2H6和97.5% BF3的混合物在離子源的陽極區(qū)產(chǎn)生出乎意料的快速重量損失。如本文中以及整個說明書中所用的術(shù)語“陽極區(qū)”表示離子室壁的最熱區(qū)域。當B2H6以接近2.5%或更多的水平存在時，由于F+離子產(chǎn)量增大，可發(fā)生出乎意料的重量損失。不局限于任何特別理論，據(jù)信B2H6在離子源中電離以產(chǎn)生分別包含H和BxHy種類的基團和離子的不同碎片(fragment)。
【申請人】已經(jīng)發(fā)現(xiàn)H和BxHy種類兩者起著F離子清除劑的作用。BxHy離子和基團體積顯著大于H離子和基團，并且因此，相比于較輕的種類(包括H離子)，其可能在等離子體相中具有輸送更慢的趨勢。結(jié)果，BxHy不能同樣容易地輸送到電弧室中的所有位置，從而降低了其F離子清除效果。BxHy離子種類不能分散到所述室的所有區(qū)域中可嚴重地影響離子源的操作，因為從所述室組件的表面蝕刻出來的W可經(jīng)由鹵素循環(huán)中可利用的增大量的氟而再沉積在不合意的位置。結(jié)果是高電壓電弧放電的趨勢增大。因為BxHy離子種類可能不以相當可觀的量占據(jù)離子室中的某些區(qū)域，或者可能完全不存在于所述室的某些區(qū)域，所以F離子蝕刻由于通過各種BxHy離子種類進行的F離子清除減少而可能增加，從而導致活性F離子的可用性增大，這縮短離子源壽命。
[0024]克服硼注入期間減少的F離子清除的方法已包括將稀釋劑氣體混合物加入BF3。例如，已采用使Xe和H2的氣體混合物同向流動。然而，僅以與BF3相比較低的束電流為代價實現(xiàn)F離子清除的提高。
[0025]本發(fā)明已發(fā)現(xiàn):當使用BF3和B2H6時，使H2受控添加到B2H6和BF3中克服了 F離子清除的缺陷，從而允許更多的B2H6添加到BF3中而不縮短離子源壽命。盡管機理是未知的且不完全理解，當以約5%-15%，優(yōu)選約5%-10%之間的特定濃度范圍內(nèi)且更優(yōu)選約5%添加H2時，似乎延長離子源壽命。當以本發(fā)明的指定量添加H2時，可降低可蝕刻室組件的活性F離子的可用性。結(jié)果，正如工作實施例中將顯示的，陽極區(qū)的重量損失更少并且陰極燈絲的重量增加更少。將H2以受控量添加到B2H6和BF3中允許使用更大分數(shù)的B2H6來產(chǎn)生增大的B離子束電流而不增大離子注入過程期間F離子在所述室內(nèi)的積聚。正如工作實施例中將顯示的，相對于僅BF3(對比實施例1)，本發(fā)明的優(yōu)選組合物(實施例1和2)結(jié)合高達約5% H2以實現(xiàn)高15%的束電流，其中陰極的重量增加減少且電弧室壁的蝕刻減少。以這種方式，本發(fā)明可增大硼離子電流同時還延長離子源壽命，直到本發(fā)明的出現(xiàn)，普遍認為上述兩者是彼此互相排斥的競爭性能量度。
[0026]在優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明的氫氣、B2H6和BF3的混合物的特征在于不存在其它惰性氣體，諸如，例如氬氣或氙氣。已觀察到可不要求將其它惰性氣體添加到本發(fā)明的氫氣、B2H6和BF3的混合物中以輔助硼的電離。同樣地，在優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明的含硼組合物明確排除其它惰性氣體，例如氙氣或氬氣。如工作實施例中將展示的，
【申請人】發(fā)現(xiàn):與BF3 + Xe + H2的混合物(對比實施例2)相比，本發(fā)明的氫氣、B2H6和BF3的混合物(其特征在于不存在其它惰性氣體)增大束電流約30%。
[0027]如圖2a、2b和2c中所示的各種供應(yīng)構(gòu)造可用于產(chǎn)生本發(fā)明的組合物。在優(yōu)選的實施方案中，各種類可由單一源儲存并輸送，如圖2a中所示。具體地，圖2A顯示從單一源儲存容器210供應(yīng)本發(fā)明的氣體組合物，在所述單一源儲存容器210中將所述組合物預混合至本發(fā)明的濃度水平。該單一源儲存容器可使用任何類型的容器來儲存和輸送。在優(yōu)選的實施方案中，可使用負壓Uptime ?輸送成套設(shè)備(delivery package)，如美國專利號5，937，895、6，045，115、6，007，609、7，708，028和7，905，247中所述，所述所有專利均通過引用以其全部并入本文。設(shè)計負壓輸送設(shè)備來維持摻雜劑混合物在設(shè)備內(nèi)處于加壓狀態(tài)，同時最低化或消除形成通常與高壓缸相關(guān)的泄漏或災難性破裂的風險。真空驅(qū)動該設(shè)備以在沿著排放流動路徑實現(xiàn)負壓條件時允許摻雜劑混合物受控流動到下游工藝。
[0028]當本發(fā)明的組分從單一源供應(yīng)時，氫氣以根據(jù)本發(fā)明的規(guī)定量的存在可減少B2H6和BF3的混合物的分解以產(chǎn)生由通式BxHy(其中X大于2)代表的更高級的硼烷。更高級硼烷的一些實例可包括B3H9、B5H9、B4H10或B10H18。此外，可通過在低于環(huán)境條件的溫度下(例如在20至-30 ° C并且更優(yōu)選20至4 °(:的范圍內(nèi))儲存內(nèi)容物來進一步增強化學穩(wěn)定性。
[0029]或者，可通過使各種類依序流動或同向流動在離子源室內(nèi)產(chǎn)生本發(fā)明的摻雜劑組合物。圖2b顯示流量控制設(shè)備212和214可用于供應(yīng)氣體組合物的受控流并且來自各儲存容器的所需流可在被引入離子源室112中之前在輸送管線內(nèi)預混合。一個儲存容器可包含純凈形式的一種組成氣體。例如，儲存容器210包含純BF3而儲存容器213包含預混合的B2H6和H2的所需組合物。在另一構(gòu)造中，圖2c顯示來自儲存容器210和213的流可分開引入離子源室112中以產(chǎn)生本發(fā)明的摻雜劑氣體組合物。
[0030]任何合適的離子注入設(shè)備可與本發(fā)明一起使用。參考圖3，顯示用于注入從本發(fā)明一定濃度范圍的B2H6、BF3和H2的含硼摻雜劑組合物獲得的B離子的代表性離子注入設(shè)備300。圖3中描繪的離子源設(shè)備300具有各種組件，包括間接加熱的陰極(IHC)315，其可充當用于將本發(fā)明的含硼摻雜劑氣體組合物電離成其相應(yīng)的硼活性離子的離子源。應(yīng)理解，本發(fā)明的摻雜劑氣體組合物適合用于本領(lǐng)域中已知的其它類型離子源，包括例如Freeman源、Bemas源和RF等離子體源。
[0031]圖1的離子源設(shè)備300可用于產(chǎn)生用于將硼離子注入半導體襯底中的離子束。以與僅從BF3產(chǎn)生的束電流相比產(chǎn)生更高硼離子束電流的方式，從B2H6和BF3的電離產(chǎn)生硼離子。不受任何特定理論約束，據(jù)信在含硼摻雜劑組合物的特定組成范圍和離子源設(shè)備300的仔細選定的操作條件下，BF3和B2H6以協(xié)同方式彼此相互作用，以產(chǎn)生電離機制，所述電離機制產(chǎn)生增加量的B活性離子來產(chǎn)生增加且改善的束電流。如本文中所用的“B活性離子”表示具有通式B+的硼離子，其可用于注入。
[0032]與常規(guī)硼摻雜劑離子注入系統(tǒng)相比，本發(fā)明中公開的摻雜劑氣體組合物優(yōu)選允許離子源陰極315壽命延長，至少部分基于離子源設(shè)備300操作期間源陰極315的重量變化的最低速率。凈結(jié)果為離子源陰極315不經(jīng)受過早失效，從而允許源陰極315保持操作延長的時間段以增加生產(chǎn)量。以這樣的方式，本發(fā)明具有獨特的含硼摻雜劑氣體組合物，相對于僅從11BF3產(chǎn)生的束電流，其能夠維持或增加硼離子束電流，而同時維持源燈絲315的完整性比以前使用常規(guī)前體材料例如11BF3可能的持續(xù)時間更長的持續(xù)時間。
[0033]仍參考圖3的離子源設(shè)備300，含硼摻雜劑氣體組合物流302包含BF3、B2H6和H2，并且優(yōu)選作為經(jīng)由延伸通過電弧室壁311的氣體進料管線引入離子源室312中的單一流(以預定比率包含)輸送。通過從動力供應(yīng)源(未顯示)施加預定電壓以電阻加熱緊鄰IHC315定位的鎢基燈絲314來使(離子)源室312內(nèi)部的含硼摻雜劑氣體組合物303經(jīng)受電離。燈絲314可相對于IHC 315負偏壓。經(jīng)由動力供應(yīng)源向燈絲314施加電流以電阻加熱燈絲314。提供絕緣體318以將陰極315與電弧室壁311電隔離。
[0034]陰極315發(fā)射電子。發(fā)射的電子加速并使含硼摻雜劑組合物303分子的B2H6和BF3電離以在室312內(nèi)產(chǎn)生等離子體環(huán)境。反射電極(repelIer electrode)316逐漸累積負電荷以排斥電子返回以維持含硼摻雜劑組合物303分子的電離，由此維持電弧室312中的等離子體環(huán)境。反射電極316優(yōu)選配置為與IHC 315實質(zhì)上完全(diametrically)相對以維持室312內(nèi)摻雜劑氣體組合物303的電離。電弧室壁311包括引出孔317，經(jīng)由該引出孔317將明確限定的離子束321從電弧室312中引出。引出系統(tǒng)包括位于引出孔317前面的引出電極320和抑制電極319。引出和抑制電極320和319兩者具有與引出孔317對準的各自的孔用于引出可用于硼離子注入的明確限定的離子束321。
[0035]含硼摻雜劑氣體組合物303的電離可導致由B2H6、BF3和H2各組分以及任何其相應(yīng)的離子種類的協(xié)同相互作用產(chǎn)生各種電離種類。在充分的操作條件(包括憑借在選定的操作電弧電壓下B2H6和BF3對應(yīng)的電離橫截面(圖1)和控制引入離子室312中的含硼摻雜劑組合物的各組分的相對量而選擇有利地允許離子源設(shè)備100內(nèi)B2H6和BF3的協(xié)同相互作用的電弧電壓)下，產(chǎn)生與常規(guī)硼摻雜劑組合物相比增大的束電流并維持延長的時間段。
[0036]含W沉積物形成的減少轉(zhuǎn)化為含W沉積物較少擴散并分解于IHC315的較熱表面上。從而，在離子源設(shè)備300操作期間IHC 315的重量增加速率以及所述室的陽極區(qū)的重量損失速率顯著降低。最終結(jié)果是束閃變的較低頻率或消失，從而提高束穩(wěn)定性并延長離子源設(shè)備300的操作使用壽命。
[0037]圖4顯示并入離子注入系統(tǒng)400中的圖3的離子源設(shè)備100。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識至|J，圖3的離子源設(shè)備300的所有元件均并入圖4中。因此，圖4中顯示的離子源設(shè)備300的元件和特征應(yīng)聯(lián)系圖3中顯示的元件和特征來理解。
[0038]圖4顯示摻雜劑氣體組合物可從摻雜劑氣體箱401供應(yīng)。摻雜劑氣體組合物可作為預混合組合物在氣體箱401內(nèi)的單一供應(yīng)容器中以所需的配方提供?；蛘?，可構(gòu)建并布置氣體箱401以使得組分B2H6和BF3中的每一種可在作為氣體套件的部分的單獨的分配容器中供應(yīng)，然后利用可被認為是氣體套件的部分的相應(yīng)的流量控制器使上述組分以連續(xù)或半連續(xù)方式、以受控流速同向流動或依序流動。氫氣可與B2H6預混合?？刂艬F3和B2H6-H2的流速并將其引導向離子源設(shè)備400以產(chǎn)生優(yōu)選濃度范圍下的所需的含硼摻雜劑氣體組合物。此類摻雜劑氣體組合物可在所述(離子)源室400的入口和/或其內(nèi)部產(chǎn)生。各組分混合的位置可存在于離子源設(shè)備400的上游或設(shè)備400的室412內(nèi)。
[0039]仍參考圖4，將含硼摻雜劑氣體組合物作為預混合的單一源或作為單獨種類BF3和B2H6-H2以上面剛剛描述的方式從箱401弓I入離子源設(shè)備400，以同向流動或依序流動方式進入設(shè)備300中。作為將能量引入室312 (圖3)中的手段向離子源燈絲314施加電壓以產(chǎn)生設(shè)備300的選定電弧電壓來使含硼摻雜劑氣體組合物電離并且產(chǎn)生可用于注入的足夠濃度的活性硼離子。優(yōu)選地，將輸入到離子源314的能量(S卩，電弧電壓)維持在約80V - 120V范圍內(nèi)，以便使本發(fā)明的摻雜劑組合物的組分及其相應(yīng)的離子種類能夠以協(xié)同方式相互作用來產(chǎn)生電離機制，該機制產(chǎn)生增加量的活性B+離子。在室312內(nèi)產(chǎn)生所得等離子體環(huán)境。離子束引出系統(tǒng)401包括引出電極320和抑制電極119，其形成如圖2中所示的含硼摻雜劑供應(yīng)系統(tǒng)的部分，并且其被配置用于引出明確限定的硼束321以用于硼離子注入?？山?jīng)由任選的質(zhì)量分析器/過濾器405輸送束321，以從待注入的其它種類中選擇并磁性捕獲硼離子種類。具體地，將質(zhì)量分析器/過濾器405布置成只允許目標活性硼離子向前行進至處理室或終端站410中。然后，硼離子束407可根據(jù)需要通過加速/減速單元406被加速/減速，并然后被輸送至安置于終端站410中的晶圓或目標工件409的表面，用于將活性硼離子注入工件409中。該束的活性硼離子與工件409的表面碰撞并且滲透進入該表面至所需的深度，以形成具有所需的電學和物理性質(zhì)的區(qū)域。通過使用本發(fā)明的方法和技術(shù)，可使包括于系統(tǒng)400內(nèi)的離子源設(shè)備300的束電流顯著增大，超過常規(guī)的硼離子摻雜劑系統(tǒng)而不招致離子源壽命的降低。同樣地，本發(fā)明代表硼離子注入行業(yè)的進步，其除了其它工藝益處之外，增加離子源設(shè)備400的生產(chǎn)量。
[0040]應(yīng)注意，可在本發(fā)明的不同實施方案中使用硼離子注入工藝400的結(jié)構(gòu)和設(shè)計的許多變化。此外，構(gòu)造和設(shè)計的細節(jié)在本發(fā)明的實施中不重要，除了以下情況:它們涉及在離子源設(shè)備300和相應(yīng)的注入過程400中使用的含硼摻雜劑組合物。
[0041]此外，離子源設(shè)備300可包括商業(yè)離子注入機中的任何通常使用的離子源，例如Freeman和Bemas類型源、間接加熱的陰極源和RF等離子體源。調(diào)整包括壓力、燈絲電流和電弧電壓的離子源操作參數(shù)以實現(xiàn)包含B2H6和BF3的含硼摻雜劑氣體組合物的所需電離，以使得在選定的參數(shù)下，B2H6具有與BF3相比更高的電離橫截面，由此根據(jù)本發(fā)明的原理增強了電離并產(chǎn)生活性B離子。
[0042]
【申請人】已實施若干實驗來比較本發(fā)明的含硼摻雜劑氣體組合物與其它摻雜劑氣體材料，如現(xiàn)在將在以下實施例中所討論的。應(yīng)注意，對于以下描述的所有試驗，離子源燈絲重量增加或損失以及陽極重量增加或重量損失各自如本領(lǐng)域中已知的通過在試驗之前和之后進行離子源燈絲的重量測量來測量。電流使用法拉第杯通過本領(lǐng)域中熟知的標準化技術(shù)來測量。對于所有實驗，電弧電流、電弧電壓、引出電壓和源壓力的源參數(shù)保持相同。
[0043]對比實施例1 (11BF3)
實施電離試驗以評估從僅11BF3的摻雜劑氣體組合物得到的離子束(S卩，在圖5中標示為樣品“A” )的離子束性能。室的內(nèi)部由離子源組成，其被構(gòu)建成包括螺旋燈絲和垂直于螺旋燈絲的軸放置的陽極。將襯底板放置在陽極前面以在電離過程期間保持陽極固定。將11BF3引入離子源室中。向離子源施加電壓以使11BF3電離并產(chǎn)生硼離子。所測量的束電流在圖5中顯示。
[0044]觀察到燈絲快速增加重量并且不利地影響離子源的使用壽命。此外，材料在離子源中的不合意的位置積聚。大部分這種積聚的沉積物由W組成。這種積聚歸因于由于IlBF3在離子源室內(nèi)電離期間離解形成的氟離子/基團。
[0045]對于產(chǎn)生可用于離子注入的明確限定的硼離子束的目的，該束電流被認為是可接受的并且同樣地歸一化至1.0的值，其它試驗將與其比較。然而，觀察到28.5 mg/hr的顯著的陰極燈絲重量增加速率，如表I中所示。在試驗期間各種含W的沉積物在燈絲上的積聚降低其熱離子發(fā)射速率，導致歸因于源氣體的不充分電離的束電流最終損失，這要求中止試驗。據(jù)信這些結(jié)果是僅使用11BF3作為B離子摻雜劑源遭遇的典型問題。
[0046]對比實施例2(11BF3 + Xe/H2)
實施電離試驗以評估從所述室內(nèi)的由2.25%Xe + 12.75% H2 + 85% 11BF3的混合物組成的摻雜劑氣體組合物獲得的離子束電流(即，在圖5中標示為樣品“B” )。使用與對比實施例I中實施基線試驗時相同的離子源室。將11BF3作為單獨源引入所述室并將稀釋劑氙氣/氫氣從另一源引入離子源室。將11BF3和氙氣/氫氣以要求的量引入以在所述室內(nèi)產(chǎn)生2.25%Xe + 12.75% H2 + 85% 11BF3的摻雜劑氣體組合物。
[0047]向離子源施加電壓來使摻雜劑組合物電離并產(chǎn)生硼離子。將束電流相對對比實施例I的11BF3的束電流歸一化并顯示于圖5中。測量樣品B的束電流并確定為比僅使用11BF3產(chǎn)生的束電流低約15%，如圖5中所示。如表I中所示，獲得1.43 mg/hr的陰極燈絲重量增加速率和-0.75 mg/hr的陽極區(qū)重量損失速率。歸因于沉積物的燈絲重量增加速率顯著低于對比實施例1的用11BF3的燈絲重量增加速率，表明較少活性F離子可用于維持鹵素循環(huán)并蝕刻其它的鎢室組件。因此，相對于對比實施例1，鹵素循環(huán)減少。相對于對比實施例1，發(fā)生更少的束閃變。然而，氙氣/氫氣稀釋劑以產(chǎn)生比僅使用11BF3產(chǎn)生的束電流低的束電流為代價來減少鹵素循環(huán)和含W沉積物(圖3)。這些結(jié)果指示使用稀釋劑氣體混合物的常規(guī)含硼摻雜劑氣體前體。
[0048]對比實施例3(97.5% 11BF3 + 2.5% B2H6)
實施電離試驗以評估從所述室內(nèi)的由97.5% 11BF3 + 2.5% B2H6的混合物組成的摻雜劑氣體組合物獲得的離子束電流(即，在圖5中標示為樣品“C”)。使純11BF3從一個源流出，而5°泌2!16-118?3的混合物從另一源流出。將這些組分引入所述室以形成包含97.5% 11BF3+ 2.5% B2H6的組合物。使用與對比實施例1和2中實施試驗時相同的離子源室。
[0049]向離子源施加電壓來使摻雜劑氣體混合物電離并產(chǎn)生硼離子。測量束電流并相對11BF3的束電流歸一化，如圖5中所示。確定該束電流高于對比實施例1或2。然而，如表I中所示，獲得0.3 mg/hr的陰極燈絲重量增加速率。此外，獲得-5.1 mg/hr的陽極區(qū)重量損失速率。陰極燈絲重量增加速率和陽極區(qū)重量損失速率共同表明不可接受的縮短的離子源壽命。這些結(jié)果指示常規(guī)含硼摻雜劑氣體混合物。
[0050]對比實施例4(5% B2H6 + 95% 11BF3)
實施電離試驗以評估從所述室內(nèi)的由95% 11BF3 + 5% B2H6的混合物組成的摻雜劑氣體組合物獲得的離子束電流(即，在圖5中標示為樣品“D”)。使用與對比實施例1、2和3中實施試驗時相同的離子源室。將所述摻雜劑氣體組合物預混合并從單一源引入所述室。
[0051]向離子源施加電壓來使摻雜劑氣體組合物電離并產(chǎn)生硼離子。測量束電流并相對11BF3的束電流歸一化。確定束電流高于對比實施例1、2和3。
[0052]沒有收集源壽命數(shù)據(jù)，因為預期樣品D將展示與樣品C的源壽命(其已被確定為不可接受)相當或比其更差的源壽命。
[0053]實施例1(5% B2H6 + 5% H2 + 90% 11BF3)
實施電離試驗來評估從所述室內(nèi)的由5% B2H6 + 5% H2 + 90% 11BF3組成的含硼摻雜劑氣體組合物獲得的離子束電流(即，在圖5中標示為樣品“E”)。使用與實施對比實施例1、
2、3和4的試驗時相同的離子源室。將所述組合物預混合至單一輸送容器并從其中輸送到所述離子源室。
[0054]向離子源施加電壓來使硼摻雜劑氣體組合物電離并產(chǎn)生硼離子。測量束電流并相對11BF3的束電流(對比實施例1)歸一化。確定束電流高于使用11BF3時產(chǎn)生的束電流。
[0055]如表I中所示，獲得-2.5 mg/hr的陰極燈絲重量損失速率和-1.1 mg/hr的陽極區(qū)重量損失速率。該樣品展示比任何對比實施例都小的重量改變。該組合物產(chǎn)生增大的束電流并維持較高的束電流而不縮短離子源壽命。
[0056]實施例2(3% B2H6 + 5% H2 + 92% 11BF3)
實施電離試驗以評估從由3% B2H6 + 5% H2 + 92% 11BF3組成的含硼摻雜劑氣體組合物獲得的離子束電流(即，在圖5中標示為樣品“F”)。使用與實施對比實施例1、2、3和4的試驗時相同的離子源室。將所述組合物預混合至單一輸送容器并從其中輸送到所述離子源室。
[0057]向離子源施加電壓來使硼摻雜劑氣體組合物電離并產(chǎn)生硼離子。測量束電流并相對11BF3的束電流(對比實施例1)歸一化。確定束電流高于使用11BF3時產(chǎn)生的束電流。
[0058]如表I中所示，觀察到-0.6 mg/hr的陰極燈絲重量損失速率和-0.9 mg/hr的陽極區(qū)重量損失速率。這些源壽命數(shù)據(jù)值表明樣品F的組合物能夠維持較高的束電流而不縮短離子源壽命。
[0059]實施例1和2展示了相對于對比實施例1-4的離子束質(zhì)量的提高。本發(fā)明證實:當使用本發(fā)明的含硼摻雜劑氣體組合物時，含W的室組件的蝕刻顯著減少。沉積物的減少降低或消除了束不穩(wěn)定性以及最終的束閃變，從而在離子室的源壽命期間改善硼束電流。此外，不同于現(xiàn)有技術(shù)方法，本發(fā)明的組合物、使用其的系統(tǒng)和方法可增大束電流而不損害、退化或縮短離子源壽命。提高的硼束電流質(zhì)量結(jié)合延長的離子源可增加生產(chǎn)量，并且提供用于減少循環(huán)時間以實現(xiàn)加工工件的所需摻雜劑劑量的機會。
[0060]從電離觀點來看，實施例1和2還證明了本發(fā)明的特定含硼組合物可產(chǎn)生活性硼離子和增大的束電流而不使離子源退化。尤其，在選定的電弧電壓操作條件下本發(fā)明的優(yōu)選濃度范圍內(nèi)的B2H6、BF3和H2的混合物促進彼此以協(xié)同方式相互作用以產(chǎn)生硼電離機制，所述機制可產(chǎn)生至少約等于從單獨電離的B2H6和BF3可獲得的總硼離子的簡單相加效應(yīng)的增大量的活性硼離子。凈效應(yīng)是與使用常規(guī)的硼前體材料的常規(guī)系統(tǒng)和方法相比，硼束電流的改善。
[0061]另外，本發(fā)明可克服為了減少沉積物的目的而需要稀釋劑氣體混合物(例如Xe/H2)的常規(guī)硼離子注入系統(tǒng)和方法的缺點。稀釋劑氣體混合物傾向于減少進入離子源室的每單位氣流可用的活性硼離子數(shù)量，從而減少生產(chǎn)量。因此，使用稀釋劑氣體混合物的常規(guī)硼摻雜劑組合物通常遇到的這種所謂的“稀釋效應(yīng)”在本發(fā)明中得以消除，因為本發(fā)明不依賴結(jié)合稀釋劑氣體混合物來延長源壽命。
[0062]本發(fā)明還提供其它工藝益處。例如，本發(fā)明中可得到的增大的束電流可消除對任何額外的氣體控制桿(gas stick)(例如，流量控制設(shè)備、壓力監(jiān)控設(shè)備、閥和電子界面)的需求，并因此提供與利用額外的氣體控制桿相關(guān)的資本費用的顯著減少。
[0063]雖然已顯示并描述了被認為是本發(fā)明的某些實施方案的內(nèi)容，但是當然應(yīng)理解，可容易地做出形式或細節(jié)的各種修改和變化而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不意欲限于本文顯示并描述的確切形式和細節(jié)，也不限于本文公開并在下文要求保護的整個本發(fā)明。
【主權(quán)項】
1.一種摻雜劑氣體組合物，其包含: 含硼摻雜劑氣體組合物，其包含水平范圍為約0.1% - 10%的乙硼烷(B2H6)、范圍為約5% - 15%的H2并且余量為BF3,其中選擇所述B2H6以在活性硼離子的產(chǎn)生和注入期間使用的離子源操作電弧電壓下具有比所述BF3的電離橫截面高的電離橫截面； 其中，與從三氟化硼(BF3)產(chǎn)生的束電流相比，所述含硼摻雜劑氣體組合物增大硼離子束電流并延長離子源壽命。2.權(quán)利要求1所述的摻雜劑氣體組合物，其中所述B2H6為約2-5%，所述H2水平范圍為約5-10%并且余量為BF3。3.權(quán)利要求1所述的摻雜劑組合物，其中所述B2H6、所述H2和余量BF3從單一儲存和輸送源供應(yīng)。4.權(quán)利要求1所述的摻雜劑組合物，其中所述B2H6和BF3在分開的儲存和輸送源中供應(yīng)以便在所述離子源室內(nèi)產(chǎn)生所述含硼摻雜劑組合物。5.權(quán)利要求1所述的摻雜劑組合物，其中所述含硼氣體組合物的特征在于不存在惰性氣體。6.—種用于在硼離子注入期間提供改善的束電流的系統(tǒng)，其包括: 離子源設(shè)備，其部分地由電弧室壁限定，其中所述室包括至少部分地布置在所述室壁內(nèi)的硼離子源； 與所述離子源設(shè)備以流體連通的一個或更多個供應(yīng)容器，所述容器儲存含硼摻雜劑氣體組合物，所述組合物包含水平范圍為約0.1% - 10%的B2H6、范圍為約5% - 15%的H2并且余量為BF3,其中選擇所述B2H6以在活性硼離子的產(chǎn)生和注入期間使用的離子源操作電弧電壓下具有比所述BF3的電離橫截面高的電離橫截面； 與所述一個或更多個供應(yīng)容器對應(yīng)的一個或更多個供應(yīng)進料管線，所述進料管線從所述一個或更多個供應(yīng)容器延伸通過所述壁進入所述室； 設(shè)置所述一個或更多個容器來分配所述含硼摻雜劑組合物通過所述供應(yīng)進料管線并進入所述離子源設(shè)備，從而允許所述含硼組合物電離并由此產(chǎn)生活性硼離子； 其中，與僅從BF3產(chǎn)生的束電流相比，所述活性硼離子產(chǎn)生增大的束電流。7.權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述其中所述B2H6為約2-5%，所述H2水平范圍為約5-10%并且余量為BF3。8.權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中提供第一供應(yīng)容器和第二供應(yīng)容器作為氣體套件的部分，所述第一供應(yīng)容器包含與H2組合的B2H6，并且所述第二供應(yīng)容器包含BF3，所述第一和第二供應(yīng)容器各自分別將B2H6、H2和BF3以受控的流速分配到所述離子源室以在所述室內(nèi)產(chǎn)生含硼摻雜劑組合物，其中所述B2H6為約2-5%，所述H2水平范圍為約5-10%并且余量為BF3。9.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述氣體套件包括用于調(diào)節(jié)所述B2H6流和所述H2流以第一流速來自所述第一供應(yīng)容器的第一流量控制器，并且所述套件進一步包括用于調(diào)節(jié)所述BF3流以第二流速來自所述第二供應(yīng)容器的第二流量控制器。10.權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中單一供應(yīng)容器預混合有所述含硼摻雜劑氣體組合物，并且進一步地其中所述供應(yīng)容器是負壓儲存和輸送容器。11.一種用于在硼離子注入期間提高離子束電流的質(zhì)量的方法，其包括: 提供含硼摻雜劑組合物，其包含水平范圍為約0.1%-10%的B2H6、范圍為約5%-15%的H2并且余量為BF3; 將所述含硼摻雜劑組合物引入離子源室； 在預定的操作電弧電壓下使所述B2H6和所述BF3電離，在所述預定的操作電弧電壓下所述B2H6具有比所述BF3的電離橫截面高的電離橫截面； 產(chǎn)生活性硼離子;和 產(chǎn)生增大的束電流，其與僅從BF3產(chǎn)生的束電流相比具有延長的源壽命。12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述含硼摻雜劑組合物的特征在于不存在惰性氣體。13.權(quán)利要求11所述的方法，其中提供第一供應(yīng)容器和第二供應(yīng)容器作為氣體套件的部分，所述第一供應(yīng)容器包含與H2組合的B2H6，并且所述第二供應(yīng)容器包含BF3，所述第一容器分配B2H6和H2且所述第二容器分配所述BF3以同向流動或依序流動方式以受控的流速至所述離子源室以在所述室內(nèi)產(chǎn)生所述含硼摻雜劑組合物。14.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述預定的操作電弧電壓范圍為約80V - 120 V015.權(quán)利要求11所述的方法，其中單一供應(yīng)容器分配所述含硼摻雜劑組合物進入所述室。
【文檔編號】H01J37/317GK106062918SQ201580010132
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年3月3日
【發(fā)明人】A.K.辛哈, S.M.史密斯, D.C.海德曼, S.M.坎珀
【申請人】普萊克斯技術(shù)有限公司