CN102844842B - 硅硼烷注入方法 - Google Patents

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Abstract

用于将硅硼烷分子或所选离子化的较低质量副产物注入到工件中的方法，一般包括在离子源中汽化和离子化硅硼烷分子，以形成等离子体和产生硅硼烷分子及其离子化的较低质量副产物。然后提取该等离子体中的离子化的硅硼烷分子和较低质量副产物以形成离子束。该离子束用质量分析器磁体进行质量分析，以允许所选择的离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化的较低质量副产物由其通过并注入到工件中。

Description

硅硼烷注入方法
技术领域
本发明总体涉及半导体离子注入(ionimplantation)，更具体地涉及用于选择性地将硅硼烷分子注入到半导体工件中的方法。
背景技术
可以使用离子注入机而通过用离子束轰击硅晶圆来处理晶圆。这样的束处理的一种用途是用控制浓度的杂质和/或掺杂剂来选择性地注入晶圆而用于制造集成电路。
典型的离子注入机包括离子源、离子提取装置(离子引出装置，ionextractiondevice)、质量分析装置、束传输装置和晶圆加工装置。离子源产生所需原子或分子物种的离子。这些离子通过提取系统而从离子源提取出来，该提取系统通常是一组电极，其激励和引导来自所述源的离子流。所需离子在质量分析装置中与离子源的副产物分离，该质量分析装置通常为进行所提取离子束的质量色散的磁偶极子。束传输装置，通常为包含聚焦装置的光学系统的真空系统，其将离子束传输到晶圆加工装置，同时维持该离子束所需的光学性质。最后，半导体晶圆在晶圆加工装置中注入原子或分子物种或其离子碎片。
离子能量被用来控制半导体器件的结深度。构成离子束的离子的能量决定了注入离子的深度。诸如用于形成半导体器件中的倒阱(retrogradewell)的高能量过程可能需要高达几百万电子伏特(MeV)的注入，而浅结可能仅需要低于1千电子伏特(keV)的能量，并且超浅结可能需要的能量低到250电子伏特(eV)。典型地，高电流注入机(一般大于10毫安(mA)的离子束电流)用于高剂量注入，而中等电流注入机(一般能够高达大约1毫安的束电流)则用于较低剂量应用。
持续朝向越来越小的半导体器件的趋势需要具有在较低的能量下连续递送更高束电流的离子源的注入机。更高的束电流提供必需的剂量水平，而较低的能量水平允许浅注入。例如，互补式金属-氧化物-半导体(CMOS)器件中的源极/漏极结需要这样的高电流、低能量应用。
传统的离子源利用可离子化的掺杂剂气体，该气体直接获自压缩气体来源或者间接获自汽化的固体。典型的源元素是硼(B)、磷(P)、镓(Ga)、铟(In)、锑(Sb)和砷(As)。大部分的这些源元素一般以固体和气体形式使用，除了硼(其几乎排他地以气体形式提供)。在特定的应用中，需要低能量和超低能量的硼注入。然而，“空间电荷(spacecharge)”效应将可以在低能量下传输的原子硼的电流限制至低值，因此降低了离子注入机的生产力。
用于避免传输损耗和由低能量离子束传输造成的所谓“空间电荷”效应的一种当前方法利用具有多于一个硼原子的分子。同时传输多于一个硼原子，带有单电荷，基本上减少每个硼原子的注入能量达到所传输原子数分之一，同时以每个分子的原子数的一个系数增加有效硼电流。这可以通过产生和提取具有几乎任何数量的硼原子的硼分子或硼团簇而实现。
在另一种方法中，(多个)硼原子可以作为具有不同元素的分子传输。同样，这以正比于分子总质量的系数减少了用于每个硼原子的有效注入能量。添加的分子的元素，理想地，添加的元素将简单地增加硼基分子的质量，而不影响在硅基板的晶体结构中的注入结果。例如，十硼烷(B10H14)可以是用于硼注入的优异进料物质，因为每个十硼烷分子(B10H14)当汽化和离子化时可以提供由十个硼原子构成的分子离子。这样的源特别适合用于用来生成浅结的高剂量/低能量注入过程，因为分子十硼烷离子束每单位电流可以注入的硼剂量是单原子硼离子束的十倍。此外，并不认为氢分子会有害地影响器件的注入。然而，十硼烷和其他硼氢化物在较高温度，例如在标准离子源中发现的那些温度下可能是不稳定的。这样，为了使用这些分子，必须实施离子化和束产生的其他方法。
用于递送多个硼原子的又一种方法涉及使用具有被构建成有助于稳定硼烷结构的代用材料的分子。一个实例是使用碳硼烷，特别是邻碳硼烷(o-carborane)(C2B10H12)，因为该分子在标准离子源中发现的条件下是更牢固且稳定的。碳硼烷在离子化、提取、传输至晶圆期间也保持为稳定的。因此，利用这种分子的注入也会得到将改变硅基板晶体结构的碳剂量。对于其中在注入之后保持相同晶体结构是很重要的应用而言，这可能是不期望的。
因此，期望提供可以在低或超低能量下被注入同时在注入期间不将任何杂质带到晶圆的稳定硼分子。
发明内容
本文公开了用于将硅硼烷分子注入到工件中的方法。在一个实施方式中，一种用于注入硅硼烷分子的方法，所述方法包括：在离子源中汽化(vaporize)和离子化(电离，ionize)硅硼烷分子，以生成等离子体以及产生离子化的硅硼烷分子和离子化的较低质量副产物；通过源孔口提取等离子体内的离子化的硅硼烷团簇分子和离子化的较低质量副产物以形成离子束；用质量分析器磁体对该离子束进行质量分析，以允许离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的较低质量副产物由其通过；传输该离子束的漂流物(drift)和/或任选地施加额外的加速或减速电势以设置最终能量；以及将离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的较低质量副产物注入到工件中。
在另一个实施方式中，一种用于将硼原子注入到工件中的方法包括：汽化硅硼烷分子；离子化该硅硼烷分子，以及从离子源提取离子以形成离子束；传输离子束的漂流物和/或任选地施加额外的加速或减速电势以设置最终能量；以及将所选择的具有所需荷质比的离子注入到工件中，其中所选择的离子分解成碳原子。
根据结合附图描述的本发明的详细描述，将更好地理解本发明的这些和其他目的、优点和特征。
附图说明
图1提供化学式为Si2B10H12的示例性邻硅硼烷(o-silaborance)分子的透视图，其中该二十面体的位置1和2由硅原子占据；
图2提供1，2二甲基1，2二硅杂闭合型(笼型，closo)十二硼烷的透视图，其中该二十面体的位置1和2由硅原子占据，并且甲基连接于硅原子；
图3提供1甲基1，2二硅杂闭合型十二硼烷的透视图，其中该二十面体的位置1和2由硅原子占据，并且甲基连接于位置1，而氢原子连接于位置2；
图4示意性地示出了一种示例性离子注入装置；
图5示意性地示出了适合用于实施根据本发明方法的离子注入装置的单等离子体离子源的部分截面图；
图6示意性地示出了图5的离子注入装置的离子发生器(ionizer)部分的部分截面图；
图7示意性地示出了适合用于实施根据本发明方法的离子注入装置的双等离子体离子源的等距视图；
图8示意性地示出了适合用于实施根据本发明方法的离子注入装置的双等离子体离子源的截面透视图；以及
图9示意性地示出了利用双等离子体离子(光)源的示例性离子注入装置。
具体实施方式
本发明总体涉及一种将离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的较低质量副产物中的一种注入到工件中的方法。离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的较低质量副产物从离子源提取(即加速)、质量分析、并注入到工件中。在抵达工件之前，提取的离子也可以经过额外的加速、减速或聚焦阶段。有利地，作为用于离子注入的源材料的硅硼烷分子在离子化期间提供分子稳定性，由此允许使用传统的离子源。此外，硅原子而非碳原子(即在碳硼烷下)的存在确保了无污染物加入到基板(例如硅)的晶体结构。在退火后，硅晶体将在注入损伤的区域中再生长。硼原子将留在晶体中而提供p型掺杂剂，而硅原子将呈现于对晶体没有造成改变的晶格中的位置。
如本文所用的，术语“硅硼烷(silaborane)”一般是指任何具有二十面体结构的一类化合物。硅硼烷化合物包含硅和硼原子，并且它们的结构提供足够稳定的分子以用于标准电离源。换句话说，封闭的二十面体结构提供分子的优异热稳定性。此外，当相比于碳硼烷时，硅原子取代了结构中的碳确保了没有污染物被加入晶体。一种示例性硅硼烷是化学式为Si2B10H12的邻硅硼烷分子。邻硅硼烷的结构示于图1。如图所见，分子的位置(顶点)1和2被硅原子所占据，每个硅带有结合的氢。该二十面体的十个剩余顶点由硼原子所占据，具有结合至其且向外延伸的氢原子。用于标准电离源的另一种示例性硅硼烷是1，2二甲基1，2二硅杂闭合型十二硼烷，其结构显示于图2。这种分子类似于邻硅硼烷，只是结合于硅原子的氢原子由甲基(-CH3)所取代。在离子注入机的电弧室中的离子化期间，结合较不紧密的甲基从这种分子脱去，而剩余的邻硅硼烷二十面体被传输到硅基板以供注入。其他示例性二十面体硅硼烷可以包括(但不限于)化学式为BnHnSi12-nR12-n的化合物，当中R是结合于硅原子的原子或化合物，而n是整数。适合该化学式的示例性“R”化合物可以包括(但不限于)氢原子(如在邻硅硼烷中)、甲基、乙基、苯基。硅原子可以具有结合于它的相同或不同的化合物。具有结合于其的不同R化合物的硅硼烷的示例性实施方式是1甲基1，2二硅杂闭合型十二硼烷，其结构显示于图3。
具有二十面体结构的硅硼烷分子最适合作为用于离子注入的源材料，因为它们的二十面体结构在离子化期间提供在离子源中增加的稳定性。此外，许多这些化合物具有相对较高的蒸气压，并且在离子注入工具所用的各种电离源中可能发现的高温下是稳定的。由该二十面体结构提供的增加的稳定性消除了对于用于精细地从分子移除电子以便形成离子化的分子的精巧的“软电离(softionization)”源的需要。
硅硼烷分子可以使用任何离子注入装置来注入，例如在美国专利第6,013,332、6,107,634、6,288,403、6,958,481、6,452,338和7,185,602号中披露的离子注入装置。由特定离子注入装置所产生的离子束可以被构建为：点束机械扫描，其中工件机械地在二维上扫描，该二维正交于总体静止的点束，并且取决于该点束的特性，该点束具有大致圆形截面的特定直径；带束，其中该束固定在越过(across)工件的一个方向上，同时该工件机械地在正交方向扫描，并且其中该带束可以具有大的宽/高纵横比并且可以至少如工件一样宽；或者电磁式或静电式扫描束，其在越过工件的一个方向上扫描，而工件机械地在正交方向上被扫描。示例性离子注入装置是商购自AxcelisTechnologies，Inc.(艾克塞利斯科技公司)的离子注入装置，其被构建成提供点束二维机械扫描。
图4示意性地示出了示例性离子注入装置10。该装置一般包括离子源12、束线组件14、和容纳工件18的靶室16。离子源12从汽化的硅硼烷分子产生带电的离子，其随后在操作期间被提取以形成离子束20。束线组件14包括以约九十度角形成的质量分析器22，以及包括用来在其中建立(偶极子)磁场的一个或多个磁体。当离子束20进入质量分析器22时，该束对应地由磁场弯曲，使得不想要的离子被偏转而所需离子由其通过。一旦通过质量分析器，离子束可以被加速、减速、聚焦或者其他方式改变以注入到工件中。以这种方式，通过的离子具有所需的荷质比，其随后被注入到工件中。在具有所需荷质比的离子注入期间，工件可以在垂直于离子束的二维上被机械地扫描。在注入期间，离子束20所经过的整个路径是在真空下。
用于产生离子束的离子源可以是单等离子体离子源或双等离子体离子源。同样，离子源可以是间接加热的阴极离子源或是通过暴露于射频(RF)能量而产生离子的离子源。图5示意性地示出了适合用于实施本方法的一种示例性单等离子体离子源50，并且总体披露于颁给Perel的美国专利第6,479,828号，将其内容整体并入以供参考。单等离子体离子源50包括汽化器51和离子发生器53。汽化器51包括非反应性的导热升华器或坩埚52、加热介质储槽54、加热介质泵55、温度控制器56和质流控制器60。坩埚52远离离子发生器53定位并通过进料管62连接至其，该管由的石英或不锈钢构成，沿着其基本上整个长度被外部单环形鞘90所围绕。
坩埚52提供封闭空腔66的容器64，以容纳源材料68。容器优选由合适的非反应性(惰性)材料制成，例如不锈钢、石墨、石英或氮化硼，并且该材料能够支撑足量的源材料68。
硅硼烷分子可以液体或粉末形式存在，并且可以通过用储槽54中容纳的加热介质70来加热容器64的壁而汽化。例如，固体硅硼烷分子可以加热以升华以获得对于蒸气传输所必需的压力，典型地大于1毫托。完全汽化的硅硼烷分子经由进料管62而离开坩埚52并且进入质流控制器60，其控制蒸气的流动，并因此计量提供至离子发生器53的汽化硅硼烷分子的量。
备选地，进料管62以毛细管形式提供，并且鞘90以同轴双室鞘形式提供，包括被外鞘包围的内鞘。加热介质可以泵入内鞘(相邻于毛细管62定位)和泵出外鞘(从内鞘径向朝外定位)。在该第二实施方式中，质流控制器60可以由位于进料管/离子发生器接口处的加热关闭阀(未显示)所代替，并且通过直接改变储槽54的温度来增加或减少质流。
示例性离子发生器53更详细地显示于图6。在该特定实例中，离子发生器53包括总体圆柱形的主体96和总体环形的基座或安装法兰98，这二者在优选实施方式中都由铝构成。主体96是通过进入冷却通道100(由入口102进料)和离开冷却通道104(经由出口106离开主体96)而冷却。冷却介质可以是水或任何其他具有高热容量的合适流体。进入和离开冷却通道提供连续路径，通过其水流动以冷却离子发生器主体96。虽然图6中仅以虚线示出了不完整的部分路径，但是该路径可以以任何已知的构造在主体的外围附近或围绕其延伸，以确保整个主体有效地被冷却。
冷却该主体96确保电离室108停留在适应电离室中的硅硼烷分子压力并且是足够高的温度。
离子发生器主体96的边界内是延伸的进料管62，其由环形鞘90所围绕，终止在电离室108。电离室内设置有热阴极110和反阴极或反射极(repeller)112。热阴极110包括加热的钨丝114，其由钼圆柱体116所包围以及由钨末端帽118覆盖。加热丝114经由通过并与主体96电绝缘的功率馈通(powerfeedthrough)120和122而激励。反射极112经由导热的电绝缘材料(例如蓝宝石)也与主体96电绝缘，该电绝缘材料物理地将反射极耦合至冷却的电离室108。
在操作中，汽化的硅硼烷分子在离子发生器入口119经由进料管62而注入电离室。当钨丝114通过施加越过馈通120和122的电势差而电激励时，该丝发射电子，其加速朝向并冲击末端帽118。当末端帽118通过电子轰击被充分加热时，它转而将电子发射到电离室108中，这些电子撞击汽化的硅硼烷分子而在该室中产生离子。取决于条件，也可以使分子发生破碎。
低密度的离子等离子体由此形成，经由源孔口(sourceaperture)126而从该室提取离子束。等离子体包括各种离子化的硅硼烷物种，其都可选择性地注入到工件中。提取的离子束然后通过质量分析磁体127进行质量分析，以仅允许具有规定荷质比的离子由其通过。室108中的离子化硅硼烷分子等离子体的低密度部分是由源中维持的相对较低电弧放电功率提供。
在离子注入装置中使用图5的单等离子体离子源50，整个硅硼烷分子(大于5个的硼原子)或其破碎的较低质量副产物可以选择性地被注入到工件中。硅硼烷分子在工件表面处破裂，使得每个硼原子的能量是该硅硼烷分子或较低质量副产物的一部分。例如，在邻硅硼烷的情况下，每个原子的能量大致是邻硅硼烷的十个硼的能量的十分之一。因此，该束可以以所需硼注入能量多次进行传输，能够实现极浅注入而无显著的束传输损耗。此外，因为每单位分子的电荷是单原子束注入的一部分，所以工件带电问题对于给定剂量速率显著更不严重。
如本领域所已知的，可以调整质量分析磁体127以允许只有荷质比在特定范围的粒子才通过。质量分析磁体可以生成偶极子磁场，以在拱形通道中经由磁偏转而偏转离子束中的各种离子，这将有效地分开不同荷质比的离子。
由阴极110所产生的电子，其不撞击电离室中的硅硼烷分子以生成离子化的硅硼烷分子和其破碎的较低质量离子，这些电子朝向反射极112移动，后者将这些电子朝向阴极偏转回去。反射极优选由钼构成，并且类似阴极与离子发生器主体96电绝缘。电离室108的壁128维持在局部电接地电势。阴极110(包括末端帽118)则维持在比壁128的电势低大约50到150伏特的电势。丝114维持在比末端帽118的电势低大约200到600伏特的电压。丝114和末端帽118之间的大电压差对所述丝发射的电子赋予高能量，以充分加热末端帽118从而专门将电子发射到电离室108中。
单等离子体离子源50提供控制机制，其用于控制坩埚52的操作温度，以及控制汽化的硅硼烷分子在其路途上通过并经过离子发生器53的进料管62的操作温度。加热介质70通过电阻式或类似加热元件80在储槽54内加热并且通过热交换器冷却。温度控制装置包括温度控制器56，其经由热电偶92从储槽54的反馈获得输入温度，并向加热元件80输出控制信号，如以下进一步描述的，使得储槽中的加热介质70被加热至合适的温度。
加热介质70包括提供高热容量的矿物油或其他合适介质(例例如水)。油通过加热元件80加热至在20℃到250℃范围内的温度，并且通过泵55围绕坩埚52以及通过鞘90而围绕着进料管62循环。泵55分别提供有入口82和出口84，并且储槽54类似地分别提供有入口86和出口88。围绕坩埚52和进料管62的加热介质的流动方式可以是提供该介质合理围绕着坩埚52和进料管62循环的任何方式。
再参见图4，坩埚空腔66可以加压以便汽化的硅硼烷分子从坩埚52经过进料管62的材料转移到电离室108。随着空腔66中的压力升高，材料转移的速率相应地增加。电离室在接近真空(大约1毫托)下操作，因此，从坩埚52到电离室108，沿着进料管62的整个长度存在压力梯度。坩埚的压力典型是大约1托。
通过将坩埚52远离电离室108定位，坩埚空腔66内的材料被热隔离，由此提供不受电离室中的温度影响的热稳定环境。这样，坩埚空腔66(其中发生升华过程)的温度可以独立于电离室108的操作温度来控制到高精确度(1℃以内)。而且，通过在汽化经由加热的进料管62传输至电离室期间将汽化的硅硼烷分子维持在恒定温度，则不会发生蒸气的凝结或热分解。
温度控制器56通过控制用于加热介质储槽70的加热元件80的操作而控制坩埚52和进料管62的温度。热电偶92感测储槽70的温度并且将温度反馈信号93发送到温度控制器56。温度控制器通过箱储槽加热元件80输出控制信号94而以已知方式响应于该输入反馈信号。以这种方式，均匀的温度被提供用于硅硼烷分子所暴露的所有表面，直到电离室的位置。
通过控制系统中的加热介质的循环(经由泵55)以及加热介质的温度(经由加热元件80)，离子源50可以控制大约20℃到250℃(±1℃)的操作温度。相比于最靠近电离室的进料管末端，精确的温度控制对坩埚更关键，以便控制坩埚的压力并因此控制蒸气流出坩埚的速率。
加热坩埚也可以用接触电阻加热器或任何其他加热方式来实现。这个温度的精确控制决定了硅硼烷蒸气的压力。
图7和图8示出了简化的示例性双等离子体离子源200，其中该双等离子体离子源200适合用于注入硅硼烷分子。应该注意，提供图7和图8所示的双等离子体离子源200用于举例说明的目的，而不用于包括离子源的所有方面、构件和特征。
例如，双等离子体离子源200包括位于与第二等离子体室216相邻的第一等离子体室202。第一等离子体室202包括气体源供应线206，并且是以等离子体产生构件204所构建，以从第一源气体产生等离子体。源气体通过气体供应线206引入第一等离子体室202。源气体可以包括下列中的至少一个：惰性气体(例如氩气(Ar)和氙气(Xe))、标准离子注入气体(例如三氟化硼(BF3)、砷化氢(arsene)(AsH3)、磷化氢(phosphene)(PH3))、反应性气体(例如氧气(O2)和三氟化氮(NF3))。应当理解，提供前述列出的源气体进用于举例说明的目的，而不应视为代表完全列出了可以递送到第一等离子体室的所有源气体。
等离子体产生构件204可以包括阴极208/阳极210组合，其中阴极208可以包括简单的Bemas型细丝构造或间接加热的阴极。备选地，等离子体产生构件204可以包括RF感应线圈天线，其被支撑，具有直接安装在气体限制室内的射频传导段，以将电离能递送到气体电离区中，例如，如在共同转让的美国专利第5,661,308号中披露的。
第一(或电子源)等离子体室202界定孔口212，其形成进入离子注入系统的高真空区域(即其中压力远低于第一等离子体室202的源气体压力的区域)的通道。孔口212提供用于维持源气体处于高纯度的泵动孔口，如下文将进一步讨论的。
电子源等离子体室202也界定孔口214，其形成从电子源等离子体室202提取电子的提取孔口。在一个实施方式中，提取孔口214以可替代阳极元件210的形式提供，如图7所出，其内形成有孔口214。这样，本领域技术人员将会认识到，电子源等离子体室202可以构建成具有正偏压的电极219(相对于阴极208)，用于以所谓的非反射模式从等离子体吸引电子。备选地，电极219可以相对于阴极208被负偏压，从而以所谓的反射模式使电子被排斥回到电子源等离子体室202中。应理解，这种反射模式构造将需要等离子体室壁的适当偏压，连同电极219的电绝缘和独立偏压。
如之前所述的，双等离子体离子源200还包括第二或离子源室216。第二离子源等离子体室216包括第二气体源供应线218，用于将源气体引入离子源等离子体室216中，并且进一步被构建成从电子源等离子体室202接收电子，由此经由电子和第二源气体之间的碰撞而在其内产生等离子体。第二源气体包括硅硼烷分子。
第二(或离子源)等离子体室216界定孔口217，其与第一等离子体室202的提取孔口214对齐，形成其间的通道以允许从第一等离子体室202提取的电子流入到第二等离子体室216中。优选地，离子源等离子体室216被构建成具有正偏压的电极219，用于以所谓的非反射模式来吸引注入到离子源等离子体室216中的电子，从而在电子和气体分子之间形成所期望的碰撞而生成离子化等离子体。备选地，电极219可以是负偏压的，而以所谓的反射模式使电子被排斥回到离子源等离子体室216中。
提取孔口220被构建在第二等离子体室216中，以提取离子用于以通常方式形成用于注入的离子束。
在一个实施方式中，第二等离子体室216利用外部偏压电源215相对于第一等离子体室202被正偏压。因此电子从电子源等离子体室202提取并且注入到离子源等离子体室216中，在那里在第二等离子体室216中在电子(由第一等离子体室202所提供)和硅硼烷分子(经由第二气体源供应线218供应至第二等离子体室216)之间诱导碰撞，以生成等离子体。
应该注意，第一等离子体室202和第二等离子体室216可以具有三个开放边界：气体入口(例如第一气体供应入口222和第二气体供应入口224)、至高真空区域的开口(例如泵送孔口212和提取孔口220)、以及分别在第一和第二等离子体室202和204之间形成共同通道的共同边界孔口214和217。优选地，相比于进入高真空区域的孔口212和220(即第一等离子体室孔口212和第二等离子体室孔口220)，共同边界孔口214和217的面积保持为较小。
在一个示例性的双等离子体离子源构造中，离子源包括位于马萨诸塞州Beverly的AxcelisTechnologies，Inc.所制造和销售的类型的标准间接加热阴极(IHC)离子源的构件，其中离子源等离子体室包括标准电弧室(用标准阳极构建)、提取系统、源进料管。去除了标准IHC源的内部加热阴极元件，并且用在其位置处安装的小电子源等离子体室替代，其包含的构件类似于AxcelisTechnologies，Inc.所制造和销售的类型的标准IHC离子源，包括电弧腔室、标准内部加热阴极元件和源进料管。
两个等离子体室也可以共享沿着提取孔口定向的磁场，其由可获自AxcelisTechnologies，Inc.的标准源磁体所提供，如以标号230所示出的。熟知的是，通过在等离子体产生室中感应垂直磁场，则离子化过程(并且在这种情况下，是电子产生过程)变得更有效。这样，在优选实施方式中，电磁体构件230分别定位于第一和第二等离子体室202和216的外面，优选沿着其间的共享边界的轴。这些电磁体元件230感应捕获电子的磁场以改善离子化过程的效率。
电子源室202优选经由位于其间的绝缘构件226与离子源等离子体室216热隔离，其中仅耦合于离子源等离子体室216的功率是小量辐射功率，典型大约10瓦，其从阴极108经由孔口214、217所形成的共同边界孔口提供，以及放电功率，与注入离子源等离子体室266的电子流相关，典型为10瓦。耦合于离子源等离子体室216的低量功率有利于维持壁温度足够低以防止大分子气体解离。电子源室202通过绝缘构件226而与离子源等离子体室216电隔离。
在一个实施方式中，离子源等离子体室216构建有面积大约300mm2(5mm×60mm)的提取孔口220。电子源室202也构建有总面积300mm2的泵送孔口212。由两个等离子体室共享的由孔口214和217所形成的共同边界孔口优选具有大约30mm2(4mm×7.5mm)的面积。
如之前注意的，相比于由孔口214和217形成的共同边界孔口，电子源等离子体室的泵送孔口212和离子源等离子体室的提取孔口220的面积选择优选为较大，这导致在每个室202和216中相对较高的气体纯度。在典型的应用中，电子源等离子体室202中的气体密度和离子源等离子体室216中的第二汽化硅硼烷分子密度大致相等，以使每个等离子体室气体为约90％纯。
图9示意性地示出了一种示例性离子注入装置300，其利用例如上述的双等离子体离子源。离子注入设备300(也称为离子注入机)操作地耦合于控制器302以控制在离子注入设备300上实施的各种操作和过程。离子注入设备300包括上文描述的双等离子体离子源组件306，用于产生大量离子以产生沿着离子束路径P行进的离子束308，用于将离子注入到保持在工件支撑平台312上的工件310(例如半导体工件、显示面板等)。
离子源组件306包括第一等离子体室314(例如等离子体室或电弧室)和第二等离子体室316，其中第一等离子体室314构建有等离子体产生构件318，其可以包括阴极108(见图6)和阳极110(见图6)，以从第一气体供应301而经由第一气体进料管线322引入到第一等离子体室314中的第一气体产生等离子体。例如，等离子体产生构件318可以备选地包括例如RF感应线圈。第一气体可以包括下列中的至少一种：惰性气体(例如氩(Ar)和氙(Xe))、标准离子注入气体(例如三氟化硼(BF3)、砷化氢(AsH3)和磷化氢(PH3))、以及反应性气体(例如氧(O2)和三氟化氮(NF3))。
第二等离子体室316经由在第一和第二等离子体室314和316之间形成的共同边界孔口326而与第一等离子体室314流体连通地定位，其中第二等离子体室316容纳从第二气体供应320通过第二气体进料管线328引入的第二气体。第二气体包括汽化的硅硼烷分子。
第二等离子体室316优选通过偏压电源332而相对于第一等离子体室314为正偏压，能够实现从第一等离子体室314提取电子以注入到第二等离子体室316中。当提取的电子与第二等离子体室316中的第二气体碰撞时，它们在第二等离子体室316中生成等离子体。提取孔口334被提供在第二等离子体室316中以从第二等离子体室316中形成的等离子体提取离子。
离子注入系统300进一步包括关联于源组件306的提取电极组件331，其中将提取电极组件331加以偏压以从源组件306吸引带电的离子，以通过提取孔口进行提取。束线组件336进一步被提供在离子源组件306的下游，其中束线组件336总体上接收来自源306的带电离子。束线组件336例如包括束导向器342、质量分析器338、和解析孔口(resolvingaperture)340，其中束线组件336是可操作的以沿着离子束路径P传输离子，以便注入到工件310中。
质量分析器338例如进一步包括场产生构件如磁体(未显示)，其中质量分析器338总体提供越过离子束308的磁场，因此根据与提取自源306的离子相关的荷质比在变化轨道从离子束308偏转离子。例如，行进经过磁场的离子经受到作用力，其将所需荷质比的个别离子沿着束路径P引导，并且将不想要的荷质比的离子偏转离开束路径P。一旦经过质量分析器338，离子束308被引导通过解析孔口340，其中离子束308可以被加速、减速、聚焦或其他方式改变以便注入到位于在终端站344内的工件310中。
作为前述单和双等离子体离子源硬件构造的结果，利用来自第一等离子体室202的电子，在第二等离子体室216内形成硅硼烷分子离子物种和其破碎的较低质量副产物，例如，可以避免与阴极相关的典型离子源污染问题，同时这样的硬件的功率耗散性质能够实现通常与分子物种离子化相关的广大范围的电子流离子化应用，以及通常与单体物种离子化相关的高电子流离子化应用。
典型的离子能量在1到500keV(160到80,000aJ)的范围内。虽然可以使用低于1keV(160aJ)的能量，但是导致仅穿透几纳米或更小。也可以使用更高的能量：能够达到5MeV(800,000aJ)的加速器很普遍。然而，经常存在靶的巨大结构损害，并且因为深度分布宽，所以靶中任何一点的净组成改变将较小。
离子的能量以及离子物种和靶的组成决定了离子在固体中的穿透深度：单能离子束一般具有宽的深度分布。平均穿透深度称为离子范围。在典型情况下，离子范围将在10纳米和1微米之间。因此，离子注入对于其中化学或结构改变期望在靶表面附近的情况下是特别有用的。随着离子行进通过固体，它们逐渐丧失其能量，原因是偶尔碰撞靶原子(其引起突然的能量转移)以及由于电子轨道重叠所造成的温和牵引(其是连续过程)。靶中离子能量丧失称为停止。
每个单个离子在冲击时在靶晶体中产生许多点缺陷，例如空位和空隙。空位是未被原子占据的晶格点：在这种情况下，离子碰撞靶原子，导致大量能量转移到靶原子，使其离开其晶体位置。然后该靶原子本身变成固体中的轰击粒子，并且可以引起连续的碰撞事件。虽然当这样的原子(或原始离子本身)开始停留在固体中时导致空隙，但是晶格中找不到未用空间存在。这些点缺陷可以迁移和彼此团聚，导致位错环和其他缺陷。
因为离子注入引起靶晶体的结构损害，这经常是不期望的，所以离子注入加工之后经常是进行热退火。这可以称为损害回复。
为了举例说明和描述的目的，已经提出了本发明的优选实施方式的前面描述。其不用于穷举或将本发明局限于所公开的精确形式。根据以上教导，可以做出显而易见的修改或变化。选择和描述这些实施方式以提供本发明的原理与其实际应用的最佳举例说明，由此使本领域技术人员能够利用在考虑适合特定用途时的各种实施方式和各种修改的公开内容。当根据所赋予的公平、合法和公正的外延来解释时，所有这样的修改和变化都在由所附权利要求确定的本发明范围内。

Claims (21)

1.一种用于注入硅硼烷分子的方法，所述方法包括：
在离子源中汽化和离子化包括二十面体结构的硅硼烷分子，以生成等离子体以及产生离子化的硅硼烷分子和离子化的较低质量副产物；
通过源孔口提取所述等离子体中的所述离子化的硅硼烷分子和所述离子化的较低质量副产物以形成离子束；
用质量分析器磁体对所述离子束进行质量分析，以允许所述离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的所述较低质量副产物由其通过；
传输所述离子束和/或任选地施加额外的加速或减速电势以设置最终能量；以及
将所述离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的所述较低质量副产物注入到工件中。
2.根据权利要求1的方法，其中所述硅硼烷分子包括邻硅硼烷分子。
3.根据权利要求1的方法，其中所述硅硼烷分子包括1，2二甲基1，2二硅杂闭合型十二硼烷分子。
4.根据权利要求1的方法，其中所述硅硼烷分子包括化学式为BnHnSi12-nR12-n的二十面体硅硼烷分子，其中R是结合于硅原子的原子或化合物。
5.根据权利要求4的方法，其中R是氢原子、甲基、乙基、苯基、或包括前述中的一个的组合。
6.根据权利要求1的方法，其中所述硅硼烷分子具有大于5个的硼原子。
7.根据权利要求1的方法，其中将所述离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的所述较低质量副产物注入到工件中包括形成点束和在至少一维上机械地扫描所述工件，其中所述点束正交于所述工件。
8.根据权利要求1的方法，其中将所述离子化的硅硼烷分子或所选择的离子化质量的所述较低质量副产物注入到工件中包括形成带束和在正交方向上机械地扫描所述工件。
9.根据权利要求1的方法，其中将所述硅硼烷分子或所选择的离子化质量的所述较低质量副产物注入到工件中包括电磁地或静电地扫描所述离子束越过所述工件，其中第二机械轴在正交方向上。
10.根据权利要求1的方法，其中所述离子源是间接加热的阴极离子源。
11.根据权利要求1的方法，其中所述离子源是双等离子体离子源。
12.根据权利要求1的方法，其中所述离子源是单等离子体离子源。
13.根据权利要求1的方法，其中所述离子源是射频离子源。
14.根据权利要求1的方法，其中在所述离子源中汽化和离子化所述硅硼烷分子包括汽化所述硅硼烷分子和在离子发生器中离子化汽化的硅硼烷分子。
15.根据权利要求1的方法，其中在所述离子源中汽化和离子化所述硅硼烷分子包括从第一气体产生第一等离子体；从所述第一等离子体提取电子；和使所述电子与汽化的硅硼烷分子反应以形成包含所述离子化的硅硼烷分子和离子化的较低质量副产物的第二等离子体。
16.根据权利要求15的方法，其中所述第一气体包括氩气、氙气、氩气、三氟化硼、砷化氢、磷化氢、氧气、三氟化氮或其组合。
17.一种用于将硼原子注入到工件中的方法，所述方法包括：
汽化硅硼烷分子；
离子化所述包括二十面体结构的硅硼烷分子并从离子源提取离子以形成离子束；
传输所述离子束的漂流物和/或任选地施加额外的加速或减速电势以设置最终能量；以及
将选择的具有期望荷质比的离子注入到工件中，其中所选择的离子分解成硼原子。
18.根据权利要求17的方法，其中注入所选择的离子包括对提取的离子进行质量分析以选择性地注入具有期望荷质比的离子。
19.根据权利要求17的方法，其中所述离子源是双等离子体离子源。
20.根据权利要求17的方法，其中所述离子源是单等离子体离子源。
21.根据权利要求17的方法，其中所述离子源是射频来源离子源。
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