CN102105966A - 提供多模式离子源的技术 - Google Patents
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Abstract
揭示一种提供多模式离子源的技术。在一特定例示性实施例中，可将所述技术实现为用于离子植入的设备，其包括在多种模式下操作的离子源，使得第一模式为弧放电模式，且第二模式为RF模式。
Description
技术领域
本发明大体上是有关于半导体制造装备，且更明确而言，是有关于提供多模式离子源的技术。
背景技术
离子植入是通过用受激(energized)离子直接轰击基板来将化学物质沉积至基板中的制程。在半导体制造中，离子植入器主要用于掺杂制程，其更改目标材料的导电性的类型及位准。集成电路(integrated circuit，IC)基板及其薄膜结构中的精确掺杂轮廓对适当IC效能而言常常是至关紧要的。为达成所要掺杂轮廓(profile)，可以不同剂量且以不同能量位准来植入一或多个离子种类。
图1描绘已知离子植入器系统100。离子植入器系统100可包括离子源102及一系列复杂的组件，离子束10可穿过所述组件。所述系列的组件可包含(例如)萃取调处器(extraction manipulator)104、过滤器磁铁106、加速或减速柱108、分析器磁铁110、旋转质量狭缝(mass slit)112、扫描器114以及校正器磁铁116。非常类似于调处光束的一系列光学透镜，离子植入器组件可在将离子束10向目标晶圆120(位于晶圆平面12中)导引之前，对离子束10进行过滤及聚焦。可使用许多量测装置(诸如剂量控制法拉第杯(Faraday cup)118、行进(traveling)法拉第杯124以及设置(set up)法拉第杯122，来监视并控制离子束条件。
离子源102为离子植入器系统100的关键组件。需要离子源102来针对多种不同离子种类及萃取电压而产生稳定且可靠的离子束10。
图2描绘可用于离子植入器系统100中的离子源200的典型实施例。离子源200可为感热式阴极(inductively heated cathode，IHC)离子源，其通常用于高电流离子植入装备。离子源200包括弧室(arc chamber)202，其具有导电腔室壁214。在弧室202的一端处，存在具有钨丝204位于其中的阴极206。钨丝204耦合至能够供应高电流的第一电源208。所述高电流可加热钨丝204，以导致电子的热离子发射。第二电源210可以比钨丝204高得多的电位偏压阴极206，以致使所发射的电子向阴极206加速并加热阴极206。加热阴极206导致阴极206将热离子电子发射至弧室202中。第三电源212可相对于阴极206而偏压腔室壁214，使得电子以高能量加速至弧室中。源磁铁(未图示)可在弧室202内部产生磁场B，以限制高能(energetic)电子，且位于弧室202另一端的反射极(repeller)216可以与阴极206相同或类似电位偏压以反射高能电子。气体源218可将前驱物植入物质(例如AsH4、PH4、BF3、GeF4)供应至弧室202中。高能电子可与前驱物植入物质交互作用以产生等离子体20。萃取电极(未图示)可接着经由萃取孔220自等离子体20萃取离子22，供离子植入器100中使用。
已知离子植入中当前存在的问题在于通常为相对较高植入能量(例如，数十kV(10’s kV))下的有效操作而设计的离子植入器无法在较低能量(例如，kV以下(sub-kV))下有效地起作用。举例而言，使用低能量掺杂剂束的一个应用为在互补金属氧化物半导体(complimentary metal-oxide semiconductor，CMOS)制造中形成超浅电晶体接面。具体而言，将低能量硼(p型掺杂剂)植入硅晶圆中是特别重要的。
较低能量下的此低效性通常是由空间电荷限制导致。柴耳得-兰牟(Child-Langmuir)关系J～(Z/A)1/2V3/2/d2描述受空间电荷控制的束的电流密度限制。此处，离子束的电流密度限制J与电荷质量比(Z/A)的平方根且与萃取电位V的二分之三次幂成比例地缩放。因此，在较低束能量(例如，较低萃取电位V)下，当与较高能量下的相同物质的萃取相比，可获得较小离子电流密度。
举例而言，因为离子沿束线前进(“束冲散(beam blow-up)”)，低能量束中的空间电荷趋向于导致束横截面面积(“轮廓”)变大。当束轮廓(profile)超过植入器的传输光学器件已为之设计的轮廓时，发生经渐晕现象(vignetting)的束损失。举例而言，在500eV的传输能量下，已知离子植入器通常无法传输足够的硼束电流以用于有效的商业制造。晶圆产量由于较低植入剂量速率而减小。
一种克服低能量束的空间电荷限制的方法是将所需掺杂剂以其分子形式植入。举例而言，美国专利申请案第11/504,355号及第11/342,183号(其全文特此以引用的方式并入本文中)描述一种分子离子植入且具体而言自C2B10H12(碳硼烷(carborane))产生的C2B10Hx离子的植入的方法。分子离子植入允许使用较高萃取能量来达成与自低能量原子离子植入获得的植入深度等效的植入深度。较高分子萃取能量与等效原子植入深度之间的关系可由以下等式表达：
E分子＝(分子质量/原子质量)x E等效，
其中E分子为分子离子之能量，且E等效为仅使用原子离子达成所要植入深度所需的植入能量。举例而言，代替以能量E植入原子B+离子的离子电流I，可以近似13xE的能量且以0.10xI的离子电流来植入(例如)碳硼烷分子离子(C2B10H12 +)。尽管已将两种方法的所得植入深度及掺杂剂浓度(剂量)显示为大体上均等，但分子植入技术可具有相当大的潜在优势。举例而言，由于碳硼烷离子的传输能量是均等剂量的硼离子的传输能量的十三倍，且碳硼烷电流是硼电流的十分之一，因此当与单原子硼植入相比时，空间电荷力可实质上减小。
然而，使用IHC离子源102的已知离子植入器在产生较大分子离子方面相对低效。举例而言，虽然已知离子源通常使用BF3气体来产生B+离子，但必需使用碳硼烷(C2B10H14)来产生碳硼烷离子C2B10Hx +。碳硼烷为具有相当大的蒸气压力(在20℃下大约为1托)，在100℃下熔化，且在750℃下分解的固体材料。为有效地产生C2B10Hx +，碳硼烷必须在100℃以下气化(vaporized)，且必须在局部环境(例如，腔室壁及腔室组件)低于750℃的离子源中操作，以避免经气化分子之大多数发生分解。然而，IHC源的操作温度自腔室主体至经加热的钮扣阴极(button cathode)通常为800℃至2300℃。虽然BF3的热离解及随后的B+离子形成需要此等温度，但此等温度并不有助于产生可由高操作温度轻易离解的碳硼烷离子。另外，此些极高温度缩短IHC离子源的效能及寿命。因此，IHC离子源的效能降级及短寿命大大降低离子植入器的生产力。
此外，离子源气化器通常由于自离子源至气化器的辐射加热而无法在碳硼烷所需的较低温度下可靠地操作。举例而言，气化器馈送线(feed line)可能容易被来自碳硼烷蒸气与其热表面相互作用时分解的蒸气的沉积物阻塞。因此，已知离子源与碳硼烷离子植入不相容。
鉴于前述内容，可理解存在与当前离子源技术相关联的显著问题及缺点。
发明内容
揭示用于提供多模式离子源的技术。在一个特定例示性实施例中，可将所述技术实现为用于离子植入的设备，其包括在多个模式下操作的离子源，使得第一模式为弧放电模式，且第二模式为RF模式。
根据本特定例示性实施例的其它态样，所述设备可还包括用于在所述多个模式之间切换的开关。
根据本特定例示性实施例的进一步态样，所述设备可还包括RF电源以及RF匹配网络，用于在RF模式下操作离子源。
根据本特定例示性实施例的额外态样，所述离子源可基于乙硼烷、戊硼烷、碳硼烷、辛硼烷、癸硼烷、硼、砷、磷、铟、锗及碳中的至少一个而产生等离子体。
根据本特定例示性实施例的其它态样，所述设备可还包括阴极、反射极以及第一额外电极以提供较大电极面积。
根据本特定例示性实施例的进一步态样，所述设备可还包括阴极、反射极、第一额外电极以及第二额外电极以提供较大电极面积。
在另一特定例示性实施例中，可将所述技术实现为多模式离子源，其包括支持多种操作模式的腔室，使得第一操作模式为弧放电模式，且第二操作模式为RF模式。
根据本特定例示性实施例的其它态样，所述多模式离子源可还包括用于在多个模式之间切换的开关。
根据本特定例示性实施例的进一步态样，所述多模式离子源可还包括RF电源以及RF匹配网络，用于在RF模式下操作离子源。
根据本特定例示性实施例的额外态样，所述多模式离子源可基于乙硼烷、戊硼烷、碳硼烷、辛硼烷、癸硼烷、硼、砷、磷、铟、锗及碳中的至少一个而产生等离子体。
根据本特定例示性实施例的其它态样，所述多模式离子源可还包括阴极、反射极以及第一额外电极以提供较大电极面积。
根据本特定例示性实施例的进一步态样，所述多模式离子源可还包括阴极、反射极、第一额外电极以及第二额外电极以提供较大电极面积。
在另一特定例示性实施例中，可将所述技术实现为用于多种模式中的离子植入的方法，其包括：基于弧放电模式而提供离子源的第一操作模式；基于RF模式而提供离子源的第二操作模式；以及使用至少一个开关在第一模式与第二模式之间切换。
根据本特定例示性实施例的其它态样，所述离子源可包括用于在多个模式之间切换的开关。
根据本特定例示性实施例的进一步态样，所述离子源可包括RF电源以及RF匹配网络，用于在RF模式下操作离子源。
根据本特定例示性实施例的额外态样，所述离子源可基于乙硼烷、戊硼烷、碳硼烷、辛硼烷、癸硼烷、硼、砷、磷、铟、锗及碳中的至少一个而产生等离子体。
根据此特定例示性实施例的其它态样，所述离子源可包括阴极、反射极以及第一额外电极以提供较大电极面积。
根据此特定例示性实施例进一步态样，所述离子源可包括阴极、反射极、第一额外电极以及第二额外电极以提供较大电极面积。
现将参考如附图中所示的本发明的例示性实施例来更详细地描述本发明。虽然下文参考例示性实施例来描述本发明，但应理解，本发明不限于此。可以理解本文的教导的本领域技术人员将认识到在本文所述的本发明的范畴内的额外实施方案、修改及实施例以及其它使用领域，且相对于此，本发明可具有显著效用。
附图说明
为便于更完整地理解本发明，现参考附图，其中相同元件以相同标号参考。不应将此等图式解释为限制本发明，而是希望此等图式仅为例示性的。
图1描绘已知离子植入器系统。
图2描绘已知离子源。
图3描绘根据本发明的一实施例的多模式离子源。
图4A描绘根据本发明的一替代实施例的多模式离子源。
图4B描绘根据本发明的一替代实施例的多模式离子源。
具体实施方式
本发明的实施例通过提供多模式离子源而对上文所述之技术加以改良，以与已知离子源技术相比，获得较大分子离子植入，以及增加的离子源效能及寿命。另外，本发明实施例提供各种例示性离子源组态。
参看图3，根据本发明的一实施例显示多模式离子源300。举例而言，在一实施例中，多模式离子源300可具有若干操作模式。此等操作模式可包含至少一弧放电模式(例如，感热式阴极(IHC)模式)以及非弧放电模式(例如，射频(radio frequency，RF)模式)。亦可提供其它各种操作模式，包含其它间接或高频操作模式。类似于图2的离子源200，图3的多模式离子源300可包含具有导电腔室壁214之弧室202。在弧室202的一端，可存在具有钨丝204位于其中的阴极206。钨丝204可耦合至能够供应高电流的第一电源208。所述高电流可加热钨丝204，以导致电子的热离子发射。第二电源210可以比钨丝204高得多的电位偏压阴极206，以致使所发射的电子向阴极206加速并加热阴极206。加热阴极206可导致阴极206将电子发射至弧室202中。第三电源212可相对于阴极206而偏压腔室壁214，使得电子以高能量加速至弧室中。源磁铁(未图示)可在弧室202内部产生磁场B，以限制高能电子，且位于弧室202另一端的反射极216可以与阴极206相同或类似的电位偏压以反射高能电子。气体源218可将前驱物离子植入物质(例如AsH4、PH4、BF3、碳硼烷(C2B10H12))供应至弧室202中。高能电子可与前驱物离子植入物质交互作用以产生等离子体20。萃取电极(未图示)可接着经由萃取孔220自等离子体20萃取离子22，供离子植入器100中使用。
然而，不同于图2，多模式离子源300亦可包含额外电源322及匹配网络(matching network)324。在一实施例中，额外电源322可为置放于离子源电路内的射频(RF)电源。举例而言，RF电源322可与IHC弧室电源212平行置放。此外，亦可将RF电源322与IHC电源置放于同一功率架(未图示)中。匹配网络324可为RF匹配网络，其耦合至RF电源322。在一实施例中，RF匹配网络324可定位于相对较靠近多模式离子源300的反射极216(或凸缘(flange))。RF电源322及匹配网络324可进一步通过开关326而耦合至IHC电源208、210及212，以启用两种离子源模式之间的“按钮”转换。
举例而言，在IHC操作模式下，开关326可“闭合”，以启用电源208、210及212。因此，多模式离子源300可作为弧模式离子源，其使用IHC丝204、偏压(电线/电路)以及电源208、210及212来提供典型离子植入。应了解，匹配网络234可保持连接至IHC电源208、210及212以及电路，因为来自IHC电源208、210及212的DC电流可由匹配网络234中之高通调谐电容器(high-pass tuning capacitors)有效地阻断。
举例而言，在RF操作模式下，多模式离子源300可作为电容耦合等离子体(capacitively coupled plasma，CCP)源而操作。在此实例中，电源208、210及212可自多模式离子源300断开。在一实施例中，断开电源208、210及212可经由经激励的继电器(energized relay)在远端达成。在另一实施例中，此断开可由一或多个局部开关326提供。亦可提供其它各种阻断技术。一旦有效地阻断(或断开)IHC组件，且开关326“打开”，额外电源322便可“连接”至阴极206及反射极216两者，以启用多模式离子源300，以作为经增强的分子离子植入的CCP源。
应了解，可通过更改气体源218处的气体流、所施加的磁场(未图示)、所施加的RF功率及频率以及其它各种组件来调节等离子体参数。此外，应了解，由于当弧室202内存在高压力时通常出现帕申最小值(Paschen minimum)，因此在多模式离子源300中的其它地方，几乎不可能预期到任何不需要的“杂散”等离子体的形成。
来自在RF模式下操作的多模式离子源300的等离子体密度可在自1e10至1e11cm-3的范围内变动。在较高密度(例如～1e11cm-3)下，对于120原子质量单位(atomic mass unit，amu)，对应的离子通量(flux)可为0.75mA/cm2。因此，假定离子分率为50％C2B10Hx +，此可变换成来自55mmx5mm的萃取孔220的1mA的C2B10Hx +离子电流。
在RF CCP模式下操作的多模式离子源300的特定特性可为随所施加的频率的平方而按比例缩放的等离子体密度，例如n～ω2。因此，在较高频率下操作可启用较大离子通量。在应用中，可用在近似40MHz或更高频率下操作的RF电源322来达成近似1e11cm-3的较高等离子体密度。此外，使用源磁铁(未图示)可有助于达成较高等离子体密度。因此，根据本发明的至少一实施例，多模式离子源300可使用较宽种类的物质且以最小量的减小源寿命的沉积物，来潜在地产生近似1mA的分子束电流。
除图3中所示的多模式离子源300的组态外，亦可提供其它各种组态。举例而言，可包含额外RF电极。
图4A描绘根据本发明的一替代实施例的多模式离子源400A的一不同视图。在此实例中，多模式离子源400A可包含第一额外电极402。类似于阴极206及反射极216，第一额外电极402亦可耦合至额外电源322(例如，RF电源)。
图4B描绘根据本发明的一替代实施例的多模式离子源400B的一不同视图。在此实例中，多模式离子源400B可包含第一额外电极402以及第二额外电极404。类似于阴极206及反射极216，第一额外电极402及第二额外电极404亦可耦合至额外电源322(例如，RF电源)。
第一额外电极402及第二额外电极404中的每一个可类似于现存电极(例如，阴极206及反射极216)。然而，在一实施例中，第一额外电极402及第二额外电极404的面积可较大。亦可提供其它各种几何形状及尺寸。
在多模式离子源400A、400B中具有此等额外电极(例如，第一额外电极402及/或第二额外电极404)可允许当在RF模式下操作时等离子体暴露于更多电极面积。电极面积的增加可向源体积提供较大的所施加功率密度，且提供较高的分子束电流。另外，更均匀的等离子体可在萃取孔220的整个长度上形成。
而且，如图4B中所描绘，四个RF电极(例如，阴极206、反射极216、第一额外电极402及第二额外电极404)的限制效应可允许多模式离子源400B在中空阴极放电模式下操作。
电容耦合式电极(诸如第一额外电极402及/或第二额外电极404)亦可获取负的DC自偏压(self DC bias)。此负偏压可限制放电体积内的等离子体电子，且随后增加离子化速率及等离子体密度。
应理解，当图4A及图4B的多模式离子源不在RF模式或其它高频模式下操作时，第一额外电极402及/或第二额外电极404可接地。
应了解，虽然本发明的实施例是针对在感热式阴极(IHC)模式及射频(RF)模式下操作的多模式离子源，但亦可提供其它各种操作模式。此等操作模式可包含其它弧放电及非弧放电操作模式，诸如中空阴极放电模式、感应耦合等离子体模式、微波等离子体模式、冷等离子体阴极模式等。
亦应了解，虽然使用碳硼烷来描述本发明的实施例，但亦可提供其它植入物质。举例而言，可使用诸如乙硼烷(diborane)、戊硼烷(pentaborane)、癸硼烷(decaborane)及十八硼烷(octadecaborane)等气体来产生分子离子束。另外，亦可使用诸如砷、磷、经气化的卤化铟、卤化锗(例如GeF3)以及卤化硼(例如BF3、BCl3)来产生原子及/或分子离子。
亦可了解，所揭示的实施例不仅提供若干操作模式，而且此等各种模式可提供原本将难以提供的额外植入的客制化。举例而言，单个多模式离子源可经组态以便以特定序列(例如，特定植入配方(recipe))在各种模式下操作。因此，除在此制程中使用各种分子离子及/或原子离子外，使用若干操作模式可提供适合特定使用者的任何特定植入需要的客制化离子植入序列。亦可提供其它各种实施例。
本发明的范畴不受本文所描述的特定实施例限制。事实上，本领域技术人员自前述描述及附图将明白除本文所述的实施例及修改之外的本发明的其它各种实施例及对本发明的修改。因此，这些其它实施例及修改意欲属于本发明的范畴内。此外，尽管本文已出于特定目的而在特定环境中的特定实施方案的上下文中描述本发明，但本领域技术人员将认识到其有用性不限于此，且本发明可出于任何数目的目的而在任何数目的环境下有益地实施。因此，应依据如本文所述的本发明的完整宽度及精神来解释本文所陈述的申请专利范围。
Claims (18)
1.一种用于离子植入的设备，所述设备包括：
离子源，其在多种模式下操作，其中第一模式为弧放电模式，且第二模式为RF模式。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括用于在所述多个模式之间切换的开关。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括RF电源及RF匹配网络，用于在所述RF模式下操作所述离子源。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述离子源基于乙硼烷、戊硼烷、碳硼烷、十八硼烷、癸硼烷、硼、砷、磷、铟、锗及碳中的至少一个而产生等离子体。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括阴极、反射极以及第一额外电极以提供较大电极面积。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括阴极、反射极、第一额外电极以及第二额外电极以提供较大电极面积。
7.一种多模式离子源，所述离子源包括：
腔室，其支持多种操作模式，其中第一操作模式为弧放电模式，且第二操作模式为RF模式。
8.根据权利要求7所述的离子源，还包括用于在所述多个操作模式之间切换的开关。
9.根据权利要求7所述的离子源，还包括RF电源及RF匹配网络，用于在所述RF模式下操作所述离子源。
10.根据权利要求7所述的离子源，其中所述离子源基于乙硼烷、戊硼烷、碳硼烷、十八硼烷、癸硼烷、硼、砷、磷、铟、锗及碳中的至少一个而产生等离子体。
11.根据权利要求7所述的离子源，还包括阴极、反射极以及第一额外电极以提供较大电极面积。
12.根据权利要求7所述的离子源，还包括阴极、反射极、第一额外电极以及第二额外电极以提供较大电极面积。
13.一种用于多种模式中的离子植入的方法，所述方法包括：
基于弧放电模式而提供离子源的第一操作模式；
基于RF模式而提供所述离子源的第二操作模式；以及
使用至少一开关在所述第一模式与所述第二模式之间切换。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述离子源包括用于在所述多个操作模式之间切换的开关。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述离子源包括RF电源及RF匹配网络，用于在所述RF模式下操作所述离子源。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述离子源基于乙硼烷、戊硼烷、碳硼烷、十八硼烷、癸硼烷、硼、砷、磷、铟、锗及碳中的至少一个而产生等离子体。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述离子源包括阴极、反射极以及第一额外电极以提供较大电极面积。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述离子源包括阴极、反射极、第一额外电极以及第二额外电极以提供较大电极面积。
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