CN104124141B - 在离子注入工艺中使用同位素富集等级的掺杂剂气体组分的方法 - Google Patents

在离子注入工艺中使用同位素富集等级的掺杂剂气体组分的方法 Download PDF

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Abstract

在此提供了一种使用富集和高富集掺杂剂气体的新型工艺，由于能够实现与这种掺杂剂气体的离子注入相关的工艺优势，因此消除了终端使用者当前所遭遇的问题。对于在指定范围内的给定流速，与其相应非富集或较少富集掺杂剂气体相比，设计为在降低的离子源的总功率等级下运行以降低该富集掺杂剂气体的电离效率。还降低了源灯丝的温度，从而当利用含氟富集掺杂剂气体时减轻了氟刻蚀和离子源寿命缩短的不利效果。当有利地将射束电流维持在不用难以接受地背离原来限定的等级时，该降低的总功率等级与降低的电离效率和降低的离子源温度组合，能够相互协同作用以改善并延长离子源寿命。

Description

在离子注入工艺中使用同位素富集等级的掺杂剂 气体组分的方法
技术领域
本发明涉及一种在离子注入工艺中使用富集和高富集等级的掺杂剂气体的新型工艺。
背景技术
离子注入法是半导体/微电子制造业中的重要工艺。离子注入工艺用在集成电路制造中以将掺杂剂杂质引入到半导体晶片中。离子源用于将来自掺杂剂气体的各种离子种类形成为定义良好的离子束。掺杂剂气体的电离产生了随后能够注入到给定工件的离子种类。
在半导体产业中同位素富集掺杂剂气体已经呈现为广泛使用的掺杂剂气体前体。如在此以及在整个说明书中使用的，术语“同位素富集”和“富集”掺杂剂气体可交换地用于表示掺杂剂气体包含与自然存在的同位素分布不同的质量同位素分布，由此质量同位素的其中之一具有比目前在自然存在的等级中更高的富集等级。作为实例，58％72GeF4指的是以58％富集度包含质量同位素72Ge的同位素富集或富集掺杂剂气体，然而自然存在的GeF4以27％的自然富集等级包含质量同位素72Ge。
通过采用一给定流速的掺杂剂气体进行注入，其中该气体富集一希望的原子种类，与以相同流速所使用的相应非富集掺杂剂气体相比，所产生的离子束具有较高的射束电流。作为实例，对于给定流速，在质量同位素72Ge中以58％富集度富集的58％72GeF4能够产生的射束电流两倍于以27％的自然富集等级具有质量同位素72Ge的自然存在的GeF4所产生的射束电流。换句话说，与自然存在的GeF4相比，当利用58％72GeF4时在离子腔中每单位体积的流速产生两倍的72Ge离子。除了较高的射束电流，与相应的非富集掺杂剂气体相比，该富集的掺杂剂气体能够实现利用较少掺杂剂气体获得预期原子种类的必需注入剂量的能力。
当富集的掺杂剂气体是含氟气体时，这种工艺优势会尤其地有利，这对于刻蚀钨离子腔室的壁和形成氟化钨(WFx)物质是众所周知的，该物质能够迁移到能够沉积钨的热源灯丝处。该钨沉积物能够导致在射束电流中以闪烁或电弧放电被人所知的瞬间落差。当闪烁和/或闪烁频率达到使得该离子装置不能以一可接受的效率工作时的阈值上限时，最终该离子源性能可能会随时间恶化并退化。在这种情形下，使用者必须停止该注入操作并进行维护以清除该沉积物或替换该离子源。这种停工导致了离子注入系统的生产力损失。因此，通过采用能够向该离子源腔室中引入较少氟的相应富集的含氟掺杂剂气体，能够实现期望的原子种类的必需注入剂量，由此减少了钨沉积物并潜在地延长了离子源寿命。
此外，以与非富集掺杂剂气体相同的流速采用各种富集掺杂剂气体提供了生产量和收益得到增长的益处。与非富集掺杂剂类似物相比较，获得了用于注入的每单位流量的富集掺杂剂气体的更多的掺杂剂原子种类。结果，当利用富集掺杂剂气体时，生产量和收益的潜力得到增长。
此外，为了产生该必需离子注入剂量，希望的原子种类的同位素富集至一足够等级能够消除由其他种类交叉污染的问题。现今，许多离子源工具是非专用的，这意味着采用相同工具注入各种不同的原子种类。作为实例，与其他GeF4的稳定同位素(即70Ge、72Ge、73Ge和76Ge)相比，由于在天然存在的GeF4(即GeF4)中在37％下是最丰裕的，天然存在或者非富集氟化锗(GeF4)已经用于74Ge离子种类的注入。许多这些源工具还处理并注入75As，其产生了与74Ge的交叉污染问题，因为离子磁选机不能识别出这两种原子种类之间的不同，这是由于在75As与74Ge种类之间仅存在1原子质量单位(a.m.u.)的差别。换句话说，离子源腔室不能解析或滤除在所得离子束中来自于之前的生产运转所残留的75As，因为常规束的质量分辨不能识别74Ge与75As原子种类之间的差别。结果，74Ge和75Ge种类这二者均能够不经意地注入到工件中，从而致使微电子器件被污染并潜在地不适于其预期目的。已经显示出污染能够达到预期锗剂量的6％或更高。
为了减轻这种交叉污染，已经认识到能够利用距75As为2或更高a.m.u.的同位素富集Ge原子种类。同样地，借由质量72的锗同位素从其27％的天然丰度等级富集到大约52％或更高，在72Ge中天然存在的GeF4的同位素富集能够提高72GeF4的浓度，由此能够在不产生75As交叉污染的情况下实现必需的Ge剂量。72GeF4的富集等级以引入较少总气体量的方式达到了必需剂量。此外，富集72GeF4的较少消耗量还意味着用于刻蚀腔室部件和在源灯丝上沉积钨的较少氟离子。
这些工艺优势已经促使例如半导体工厂和芯片加工服务厂(foundary)的使用者在他们的离子注入工艺中利用相应的富集或高富集掺杂剂气体类似物替换常规的非富集掺杂剂气体。通常说来，在微电子产业中，因为离子源工具之前被限制为在确定的工艺参数下操作，该参数证实为能够利用必需的注入剂量而精确且可靠的生产出合乎要求的晶片，所以当利用相应的富集掺杂剂气体时该离子注入工艺参数优选地为保持不变。
然而，尽管有以上所述的工艺优势，但是以不明显偏离原先所限制的离子源工具操作参数的方式采用该富集掺杂剂气体类似物，半导体工厂和芯片加工服务厂还是遭遇到了困难。特别地，以与原先非富集或较少富集掺杂剂气体所采用的相同的富集掺杂剂气体流速操作该离子源工具，将该射束电流增大到代表偏离受限离子束电流的级别。结果，该整个离子注入工艺必须是重新设置的，其为一耗费时间有效地总计为不可接受的生产停工期的工艺。此外，该增大的离子射束电流对于富集含氟掺杂剂气体尤其存在问题，在其中富集掺杂剂气体的电离产生大量能够形成各种氟化钨(WFx)离子种类的自由可用氟离子。如所提及的，WFx种类在离子源腔室中趋向于迁移到较热表面，包括阴极或源灯丝，在那里它们能够沉积钨并且潜在地导致离子源失灵和寿命缩短。由于钨沉积物，氟原子或分子得到释放并用于继续所谓的刻蚀附加钨壁的“卤素循环”。结果，终端用户注意到采用含氟富集气体在某些情况下可以通过促进卤素循环而缩短源寿命。
当利用更高等级的富集掺杂剂气体时上述的问题潜在地解决。因此，离子注入用户可能不会实现初始预期的同位素富集掺杂剂气体的工艺益处。对于离子注入工艺存在未满足的需求，其能够实现利用消除前述问题的富集掺杂剂气体的工艺益处。
发明内容
在第一方面，提供了一种采用富集掺杂剂气体的方法，包括：在足够维持离子源稳定性的流速下引入该富集掺杂剂气体，其中该富集掺杂剂气体具有为90％或大于天然丰度等级的其中的同位素富集等级；相较于在该流速下用于相应较小富集或非富集掺杂剂气体的功率等级，在减小的离子源总功率等级下操作；以及电离该掺杂剂气体以产生并维持如在该流速下使用相应较小富集或非富集掺杂剂气体所产生的射束电流。
在第二方面，提供了一种采用富集掺杂剂气体的方法，包括：在1-5sccm范围内的流速下引入该富集掺杂剂气体，其中该富集的掺杂剂气体基本上由具有大于55％的72Ge同位素富集等级的72GeF4组成；相较于用于相应较小富集或非富集掺杂剂气体W所使用的总功率等级，在减小的离子源总功率等级下操作；相较于在该流速下相应较小富集或非富集掺杂剂气体，在减小的离子源温度下操作；以及电离该富集掺杂剂气体以获得并维持如在该流速下使用相应较小富集或非富集掺杂剂气体所产生射束电流。
在第三方面，提供了一种在离子注入工艺中采用同位素富集掺杂剂气体的方法，包括步骤：选取具有注入到晶片中的原子种类的掺杂剂气体；选取所述掺杂剂气体的质量同位素以在高于其中天然丰度等级至少90％处实现富集；在一低于大气压的存储和传输容器中提供所述掺杂剂气体的该质量同位素；在足够维持离子源稳定性的流速下引入该掺杂剂气体的质量同位素；相较于在用于相应较小富集或非富集掺杂剂气体的功率等级，在减小的离子源功率等级下操作；以及电离该掺杂剂气体以维持在该流速下使用相应较小富集或非富集掺杂剂气体所产生射束电流。
附图说明
由于结合下面的附图提出的随后的本发明的更详细的描述，本发明的以上和其他的方面、特征和优点将会是更加明显，其中：
图1示出了具体表现本发明原理的一离子源装置；以及
图2示出了合并到束线离子注入系统中的图1的离子源装置。
具体实施方式
如在此使用的，除非另外指出，否则所有浓度均以体积百分比(“vol％”)表示。
尽管已经认识到使用同位素富集掺杂剂气体的其中一个优点是与非富集掺杂剂气体相比，降低了气体总流量以实现了相似的射束电流，限制存在于富集掺杂剂气体的使用。尝试降低富集掺杂剂气体的流速以维持合乎条件的离子束电流等级也许是不可能的，因为在掺杂剂气体流速上的必需减小使得离子源不稳定从而使得等离子体不能维持。因此，当在降低的流速下利用该富集掺杂剂气体类似物时，离子束电流等级不能保持在一可接受的合乎条件的范围内。
本发明还认识到同位素富集掺杂剂气体的流速降低到超出预定的阈值导致离子工具不稳定，为此腔室内的压力降低到超出一临界阈值。该降低的压力意味着在电子与掺杂剂气体之间发生不足的碰撞，以维持等离子体并在一电弧放电模式中运行该离子源。换句话说，意味着在电子、离子和中性粒子之间用于碰撞的平均自由行程增加。例如，已经发现与其相应的51％的低富集版相比，由于离子源工具中所降低的压力，将58％72GeF4的流速降低30％或更多会导致离子源工具不稳定。即使维持等离子体，由于降低的等离子体效率，用户也可能会观察到射束电流相当可观的下降。一般而言，已经观察到当采用任何类型的富集掺杂剂气体时，流速的下限是不应降到低于大约0.5sccm。
此外，富集掺杂剂气体在减小的压力下的减小流速会导致电弧腔室的壁变得较热。在工艺的任何给定时间较少气体占据了该电弧腔室，由此降低了气体的冷却效果。结果，卤素循环的反应速度明显增加，在较高温度下，活性的氟能够更快速的刻蚀并腐蚀钨腔室的壁。
本发明认识并考虑到以上的工艺限制，以提供了离子注入工艺中所采用的富集掺杂剂气体的独特解决方法。如在各个实施方式中将要被详细描述的，当离子注入富集和高富集掺杂剂气体时，本发明利用各种方法通过控制总量以降低输入到离子源的总功率等级。
在本发明的第一实施方式中，通过降低至该离子源的总输入功率而操作该离子注入工艺。与采用相应较小富集或非富集掺杂剂气体的总功率等级相比，该降低的总输入功率等级较小。当在此以及在整个说明书中使用时，词组“降低的总功率等级”意味着输入到离子源中的总功率等级，其与在一给定流速离子注入一富集掺杂剂气体以产生一射束电流相关，基本上与采用相应较小富集或非富集掺杂剂气体在相同流速下所产生的总功率等级相同。富集掺杂剂气体的流速意欲保持与较少富集或非富集掺杂剂气体基本相同以保证至少一最小压力得到实现和保持，其在整个离子注入过程中足够维持等离子体。用这种方式，维持该气体流速避免离子源不稳定。一般而言，该总功率等级降低到相对于采用相应较少富集或非富集掺杂剂气体的功率等级的百分比可以为从5到30％的范围。选取该降低的总功率等级以使得富集掺杂剂气体所采用的净余总功率输入降低到一等级以维持与当利用较少富集或非富集掺杂剂气体时基本上相同的生成掺杂剂离子数量。一特定降低的总功率等级的确定是多个变量的函数，包括特定掺杂剂气体的电离效率、其富集等级以及流速。
通过在一降低的总功率等级下运行，该富集掺杂剂气体的电离效率降低一受控数量以维持与之前在非富集掺杂剂气体中所限的基本上相同的离子束电流。换句话说，直接或间接输入到该离子源的该降低的总功率等级设计为意欲降低该富集掺杂剂气体的电离效率。电离效率依赖于电子的数量和从阴极发射并与富集掺杂剂气体碰撞和相互作用的电子的能量。因为在每一单位流动体积中该富集气体包含更多掺杂剂原子种类，所以生成的富集掺杂剂离子数量在降低的电离效率下保持与当采用较少富集或非富集气体时相同或基本类似。用这种方式，维持如之前所限的利用非富集或较少富集掺杂剂气体的射束电流。
在某些应用中，与相应较小富集或非富集掺杂剂气体相比该电离效率平均可以降低到系数3×同样多。该精确电离效率将至少部分依赖于掺杂剂气体类型和掺杂剂气体的富集等级。当该富集掺杂剂气体是含氟气体时本发明是尤其有益的，由于较少的自由氟引入到腔室中，因此降低了卤素循环的不利作用。例如，利用例如72GeF4的含氟掺杂剂气体的离子注入工艺可以具有降低系数2.5×的一电离效率而仍然保持非富集GeF4所限的射束电流，其中在72GeF4中，质量72的锗同位素富集于从27％的天然丰度等级至70％的富集等级。
考虑很多用于降低至离子源的输入总功率的方法。在一个实施方式中，降低了至源灯丝本身的功率输入。根据本发明的原理，在较低的功率等级下，从阴极激发了较少的电子，因此导致该富集掺杂剂气体的较少电离。在处理过程中通过优选选取实施离子注入的预定灯丝功率，用户可以控制所产生的特定离子的数量。该富集掺杂剂气体的流速保持为与非富集或较少富集掺杂剂气体的流速基本上相同以确保最小的足够压力从而维持该等离子体。降低该灯丝功率以降低富集掺杂剂气体的电离效率，因此保持从较高富集掺杂剂气体产生的掺杂剂离子数量与非富集或较低富集掺杂剂气体的相类似。结果，使得射束电流保持不变。典型灯丝功率等级能够在从100-1000W、优选在从200-500W且更优选地在从150-350W的范围内。理想灯丝功率等级将会至少部分地随着离子注入工艺中采用的特定掺杂剂气体以及掺杂剂气体的富集度而变化。例如，在一个实施方式中，在减小的功率运行下，当在与其较小富集或非富集类似物相比不变的流速下离子注入58-75％富集的一高同位素富集掺杂剂气体72GeF4时，灯丝功率能够维持在175-350W的范围内。
此外，根据本发明的原理，优选在一预定较低功率下操作该灯丝从而降低阴极的温度以及由该阴极激发的电子的相应数量。较低的灯丝操作功率以及阴极温度直接降低了离子腔室的钨腔室壁的温度。较低的钨腔室壁的温度有效降低了卤素循环的反应动力。特别地，通过活性氟的作用形成挥发WFx种类所产生的钨壁的刻蚀速率在该较低温度下得到降低。随着腔室壁腐蚀的明显减少，在等离子体相中产生的该挥发WFx种类的净量降低。在这种降低灯丝和阴极温度下，WFx的还原速度降低，其还原将W再沉积到阴极表面。因此，该卤素循环的较低反应动力使得在灯丝上的钨沉积最小化，从而延长了离子源的寿命，同时仍然保持了与之前限定的非富集或较小富集掺杂剂气体相同的射束电流。腔室壁的氟侵蚀和在阴极上的W再沉积能够缩短离子源寿命。因此，在足以降低灯丝操作温度并产生减少电离效率的较低功率下操作，能够提高并廷长离子源寿命，同时仍然有益地提供了采用非富集或较少富集掺杂剂气体所限的相同射束电流。
本发明利用了源灯丝的温度与来自阴极的激发电子的数量之间的关系以控制所产生的掺杂离子的总量。特别地，源灯丝是产生电子的原因，该电子朝向阴极或阴极杯加速以将温度增大到其热电子发射温度。从阴极产生的电子与引入到电弧腔室的同位素富集掺杂剂气体相互作用并碰撞以产生不同的离子和中性粒子。例如，在以它的一个特别稳定的同位素富集的GeF4的情况中，所产生的离子和中性粒子可以包括Ge+、F+、GeF2+、GeF+、F2+、Ge、F、GeF2以及类似物。来自一热阴极的放射电流密度(即，能够从阴极产生和激发的电子的数量)与它的温度通过里查逊-杜什曼等式相关，如下所示：
其中Je＝具有单位安培/厘米2的电子发射电流密度；
A＝常数(120安培/厘米2/K2)；
T＝具有单位K的阴极温度；
＝具有单位eV的阴极功函数；以及
k＝玻耳兹曼常数(11600eV/K)。
以上等式示出了从阴极能够产生和激发的电子数量(即，放射电流密度)与阴极温度直接相关，阴极由源灯丝加热。通过降低阴极的温度，以上述所示的方式产生较少的电子，这意味着从来自阴极的所产生电子的相互作用和碰撞产生较少的总富集掺杂剂气体离子。用这种方式，本发明认识到降低功率等级和源灯丝的温度产生较少的掺杂剂气体离子从而维持与相应较少富集或非富集掺杂剂气体所产生的相同的射束电流。
降低的阴极温度意味着离子源腔室壁的较低运行温度。离子源腔室壁运行温度的典型范围在最冷区域和最热区域分别能够在从500℃到1100℃范围内的任一处变化。在一可替换实施方式中，该温度可以在从400℃到900℃的范围中。一般而言，掺杂剂气体的较高富集等级会要求较低的电离效率(即，较少能量以电离一给定流速的富集掺杂剂气体)以保持如前所限的射束电流，因此降低了离子源的温度。理想的温度将会至少部分地随着离子注入工艺中采用的特定掺杂剂气体、掺杂剂气体的富集度以及卤素循环的已知反应动力而变化。例如，在一个实施方式中，在如前所述的一预定降低功率设定下，当在与利用相应较少富集等级的掺杂剂气体相比不变的一给定流速离子注入一大约75％的富集度的高同位素富集掺杂剂72GeF4时，该降低的运行温度从最冷区域到最热区域分别能够维持在从400℃到900℃的范围内。降低的钨腔室壁温度减小了卤素循环的速率，因此延长了离子源寿命。
本发明考虑减小离子源总功率的其他方法。作为实例，在一可替换实施方式中，通过减小灯丝与阴极之间的偏压能够实现在一较低阴极温度下操作的类似效果。该富集掺杂剂气体的流速保持与非富集掺杂剂气体的流速基本上相同以保证最小压力足够维持该等离子体。该偏压可以在100V-600V之间的范围内。在另一实施方式中该偏压可以减小到从100V-575V或可选的在100-550V之间的范围内。
在本发明的再一实施方式中，离子腔室中的电弧电压能够降低到一预定量以减小至离子源的总功率输入。在此使用的“电弧电压”定义为阴极与腔室壁之间的电压差。通过将电弧电压降低到一预定量，降低了赋予自阴极所生成的电子的能量。电弧电压合适地减小预定量优选地降低了等离子体的电离效率。在此实施方式中，等离子体的较低电离效率导致较少的生成离子并降低了用于每一生成离子的能量。当由高富集掺杂剂气体所产生的掺杂离子的量维持为与由相应非富集或较少富集掺杂剂气体的所产生的相应掺杂离子数量基本上相等时，所产生的活性氟(包括离子和中性粒子)的净量较少。因为氟是用于发生卤素循环的前体，所以在等离子体相中的较少氟浓度导致卤素循环的较少发生，由此改善并延长了离子源寿命。本发明的电弧电压能够在从50V-150V的范围内。在另一个实施方式中，电弧电压能够在从50V-140V的范围内。在再一实施方式中，电弧电压能够在从50V-120V或者70V-110V的范围内。合适的电弧电压将会至少部分取决于掺杂剂气体的类型以及它们的富集等级。一般而言，较低的工作电弧电压在较高的掺杂剂气体富集等级下是可能的。
根据本发明的原理，对于一给定流速，提供给富集掺杂剂气体的净总功率由电弧电压、偏弧和至源灯丝的输入功率所决定。根据本发明在一给定流速精心选取所述三个操作参数中的每一个能够使得离子源寿命廷长以实现利用各种富集掺杂剂气体。例如，可以降低三个参数中的一个以减小该整体总功率。可替代地，三个参数中的每一个可以稍微减小以降低该整体总功率。在两个实施例中，与在相应较少富集或非富集掺杂剂气体中所利用的总功率等级相比，能够使得该总功率等级降低。净总功率的减小降低了该富集掺杂剂气体的电离效率以将射束电流维持为与采用相应较少富集或非富集掺杂剂气体所产生相同，由此在两种情况中该非富集和富集掺杂剂气体的流速保持不变。
可以使用各种掺杂剂气体以实施本发明。例举处的掺杂剂气体包括BF3、GeH4、B2H6和BCl3。还可以使用含有多种稳定同位素的其他掺杂剂气体。在一优选实施方式中，该掺杂剂气体是含氟气体，例如GeF4，用于注入Ge离子。考虑使用Ge掺杂剂种类的任何富集等级。可能的富集等级的实例包括但不限于，大于50％、大于55％、大于60％、大于70％、大于80％或大于90％的72GeF4。富集GeF4以及其他的同位素富集掺杂剂气体可从各制造厂商，例如商业性获取。所使用的GeF4或其他掺杂剂气体的富集等级基于参数的组合，该参数其中的某些可以包括掺杂剂气体的流速、必需的注入剂量等级、维持离子源稳定性和运作总功率等级所必需的最小流速以及阴极温度。对于GeF4的一给定富集等级，为了保持射束电流不会从原先限定的等级偏离，与当利用相应较少富集或非富集掺杂剂气体运行时所采用的等级相比，总功率和离子源温度优选应当降低一预定量。
关于富集GeF4和其他含氟气体，在一较低温度下操作该灯丝或阴极降低了钨腔室壁的温度，由此通过该活性氟离子降低了对腔室壁的侵蚀。结果，较少的WFx种类产生进入该等离子相。此外在降低的阴极温度下，减小量至在阴极上再沉积W的WFx动态速率也降低了。较少整体WFx作为元素W再沉积至阴极源灯丝上，由此使得离子源寿命得到廷长。
在一个实施方式中，在55％与70％之间的富集等级选取该72GeF4。在55％至70％的富集等级给定72GeF4，并且将流速维持在与相应非富集掺杂剂气体所采用的相同的范围(例如，范围为从1到3sccm的流速)，相对于相应较少富集或非富集掺杂剂气体中所采用的输入总能量等级，能减少的功率等级百分比为5-20％。一般而言，较高的富集等级将要求在功率等级上更大的降低以减小该富集掺杂剂气体的电离效率。可替代地，能够采用在55-60％的72Ge富集度的72GeF4，当流速在1-3sccm的范围中时，在其中相对于相应较少富集或非富集72GeF4掺杂剂气体中所采用的输入总能量等级，输入总功率等级降低了5-15％。在另外的一个实施方式中，当大约58％富集的72GeF4以1-3sccm流入到离子腔中时，通过以减小施加到源灯丝的输入功率来运行可以降低该输入总功率等级，其能够在从大约200到400W、优选为200到375W并且更优选地在200到350W的范围内。
在另一个实施方式中，在58％或更大的72Ge富集度上选取该72GeF4，选取200-500W的降低的灯丝功率等级从而使得腔室壁具有范围从400℃到900℃的降低的温度以及流速在1sccm至3sccm范围内。
在另一实施方式中，根据本发明的原理，能够选取高富集等级的72GeF4。例如，可以采用大于70％且低于80％的富集等级。在70％与80％之间的富集等级的离子注入72GeF4，并且保持与相应非富集或较少富集的GeF4掺杂剂气体所利用的相同的流速范围(例如，1到3sccm)进入该离子源腔室内，能够降低的该功率等级的百分比可以为20％-30％。提供到源灯丝的实际功率可以在大约175-350W、优选为175-325W并且更优选地为175-300W的范围内。
优化选取该降低的功率等级从而维持足够的能量以赋予富集的72GeF4以足够的电离从而实现所需的72Ge注入剂量，但是仍然足够低从而以这种方式降低腔室壁和源灯丝温度由此使得卤素循环的影响最小化。结果，当采用富集72GeF4时，在离子源腔室中由卤素循环引起的不期望沉积能够得到减少。与常规工艺不同，当采用更高富集的掺杂剂气体时，本发明使得离子源寿命得到延长，而不必降低富集掺杂剂气体的流速。
应当理解，如果降低的气体消耗量是主要的设计目标，那么一降低流速的同位素富集掺杂剂气体可以与稳定气体混合引入到腔室中。稳定气体的例举实例包括但不限于氩气、氪气、氙气、氢气、各种其他惰性气体及其任意组合。该稳定气体将气体的总最小流速增大到至少为用于保持在离子源内维持等离子体的最小压力所必需的最小阈值。响应引入到腔室内的富集掺杂剂气体的较低流速，输入至离子源的总功率等级可以设置为稍高于在之前的实施方式中所描述的，在其中用于相同富集掺杂剂气体(例如，58％的72GeF4)的流速未被降低。用这种方式，该相对稍高的功率以一控制器的方式增大了掺杂剂气体(例如，58％的72GeF4)的电离效率以抵消依靠该降低的流速引入到该腔室中的减小数量的该72Ge掺杂剂种类。同样地，所产生的72Ge离子的总量保持恒定，使得在离子注入工艺期间射束电流如所限的实现并保持。这种技术使得较少的气体消耗量用于实施同等的注入剂量。在一个实施例中，在质量72Ge为58％富集等级的0.7sccm的72GeF4，能够在与用于58％72GeF4在1sccm下不具有稳定气体的降低的功率等级相比为一稍微增大的功率等级(例如，1-10％)下与0.3sccm的稳定气体(例如氩气)共流动。可替代地，当电离0.7sccm的58％72GeF4与0.3sccm的惰性气体时，该功率等级可以增大至与相应较少富集72GeF4中所采用的功率等级基本上相同，该较少富集72GeF4例如为50％，其在大约1sccm引入到腔室内，从而使得所产生的72Ge在两种情况下为相同的数量。各种关键设计变量的特定组合，包括但不限于掺杂剂气体的选取、掺杂剂气体的富集等级、富集掺杂剂气体的流速、稳定气体的选取、稳定气体的流速、离子源腔室的温度以及输入到离子源的总功率等级均可影响该离子源寿命。
根据本发明的原理，在不具有稳定气体的情况下富集掺杂剂气体的流速应当维持在处于或高于至少一保持离子源稳定性的下限，但不应当超过上限，高于该上限在离子源腔室内的压力变得不合理地高，从而使得再化合反应能够发生。特别地，该掺杂离子倾向于再化合以形成中性相化合物。该净效果能够为所生成离子的总减少数量，其成比例地转变为可用于离子注入以实现必需剂量的降低的射束电流。此外，如果富集的掺杂剂气体是例如72GeF4的含氟气体，那么，在超过上限的流速下操作将过多的氟引入到离子腔室中，由此使得卤素循环影响恶化并缩短了源寿命。一般而言，流速的该上限应当不超过5sccm。如果采用含氟气体，在处于或低于5sccm下工作可以抑制卤素循环影响的加速。因此，理想的离子注入工艺优选地采用等于或大于1sccm的掺杂剂气体富集等级流速以克服离子源不稳定性并且处于或低于5sccm以避免再化合反应以及射束电流降低。在一优选实施方式中，当如所述的在降低的功率等级下操作时，对于在75％或更大程度的72Ge富集的72GeF4，该流速范围在1至3sccm之间。在较低和较高流速之间选取该富集气体的合适流速将会取决于特定离子注入工艺本身，包括各种如前所述的关键工艺参数。
应当理解，能够采用任何低于大气压存储和真空驱动的传输装置来存储和传输该富集掺杂剂气体。在一优选实施方式中，传输装置、由商业提供并且在美国专利第5937895；6045115；6007609；7708028号以及第7905247号中得到公开，所有这些均以其整体通过引用结合于此，可以在本发明中利用以安全地传输受控流速的富集掺杂剂气体至一离子源。当压力条件达到低于大气压条件，该传输装置使得受限富集掺杂剂气体从气缸通过流体排出线路流动进入该离子装置。
参照图1和2，显示根据本发明的原理一示范性离子注入装置100。具体地，在一个实施例中，图1的离子源装置100能够用于生成用于将72Ge离子注入到一半导体基材中的电子束。72Ge离子由在55％或更大72Ge的富集72GeF4的电离生成。该富集的72GeF4优选从低于大气压存储和传输容器201(图2)通过入口线路113作为液流102引入到腔室103中。液流102能够以范围为大约1-5sccm、或更优选地为1-3sccm的流速引入。与采用较少富集或非富集GeF4掺杂剂气体的总功率等级相比，输入到离子源100的总功率等级得到降低。一般而言，利用更高富集等级的72GeF4将要求输入到离子源100的总功率等级进一步降低以使得在流入到腔室113的每单位流量的生成72Ge离子的数量降低。
图1中所描述的离子源100具有各种部件，包括源灯丝114和间接加热阴极(IHC)115，该阴极115用作将富集72GeF4电离成为其相应离子的离子源。应当理解，能够采用本领域中已知的其他合适类型的离子源，包括，例如弗里曼源、伯纳斯源和RF等离子体源。
电源(未示出)电阻加热位于靠近阴极115的钨基灯丝114。该灯丝114相对于阴极115可以是施加负偏压的。通过电源将电流施加到该灯丝114以电阻加热该灯丝114。提供一绝缘体118以将阴极115与电弧腔室壁111电隔离。该降低的功率等级优选地选取以降低阴极115的温度但是保持富集72GeF4的充分电离以达到72Ge的必需注入剂量。离子腔室112壁和源灯丝114的温度也得到降低，由此减轻了卤素循环的不利影响。
该降低的功率和温度导致从阴极115生成较少的电子，这意味着由与从阴极115生成的电子相互作用和碰撞产生较少的总72Ge离子。该阴极115还生成具有较少能量的较少电子。用这种方式，能够生成与相应较少富集GeF4(例如，自富集GeF4在50％-52％富集的72Ge)或非富集GeF4(即，自非富集GeF4在27％天然丰度等级天然存在的72Ge)相同的射束电流，由此由于在腔室113中所生成的较少自由氟离子和在其中沿着钨腔室壁的较低温度，所以离子源100的寿命得到延长。
仍然参照图1，来自阴极115的发射电子加速并电离该富集72GeF4以在腔室112之内产生等离子体环境。1-3sccm的流速充分高，足以在离子注入工艺期间维持腔室112内等离子体的稳定性。反射极(repeller electrode)116建立一负电压以将电子反射回朝着富集72GeF4从而与其碰撞并保持该富集72GeF4的电离化。用这种方式，在电弧腔室112在一压力下维持该等离子体环境，所述压力保持为足以维持离子源100的稳定性。
反射极116优选配置为基本上直径方面与阴极115相反以使得腔室112内维持富集72GeF4的电离。该电弧腔室壁111包括抽取孔117，通过该抽取孔117从该电弧腔室112外部抽取定义好的离子束121。该抽取系统包括位于抽取孔117前面的抽取电极120和防护电极(suppression electrode)119。该抽取和防护电极120和119各自具有与抽取孔117对准的孔以抽取该定义好的离子束121。
图2示出了合并到一束线离子注入系统200中的图1的离子源装置100。从气体箱201引入富集度为55％或更大的该富集72GeF4。该富集72GeF4引入到离子源腔室100中，其中能量被引入该腔室以如所描述过的那样电离该72GeF4。包括质量流动控制器和阀门的流动控制装置219用于控制富集掺杂剂气体的流动在希望的1-3sccm的流速下。
一旦在希望的电流下生成的希望的72Ge离子束，该离子束维持与由较少富集72GeF4或非富集GeF4所产生的束相类似，利用离子束抽取系统201以以希望能量的离子束121的方式从该离子源腔室113抽取该离子。通过在抽取电极两端施加高压能够实施抽取。该抽取束221通过一质量分析器/筛选器205传输以选取将被注入的72Ge种类。该过滤的离子束207接着能够加速/减速206并传输到设置在终端站210的靶工件209表面，用以将72Ge掺杂剂原子种类注入到该工件209。束的72Ge碰撞并穿透该工件209的表面至一特定深度以形成具有希望的电学和物理特性的区域。
在一可替代的实施方式中，在55％或更高富集等级的该富集72GeF4在大约1-3sccm的流速下引入，由此在灯丝114与阴极115之间的偏压得到降低。该偏压可以在100V-600V的范围内。用这种方式，赋予给富集GeF4掺杂剂气体103的净电离能量得到降低以产生维持所限的射束电流的希望数量的72Ge离子。此外，该降低的偏压产生较低的阴极115的温度，由此降低了卤素循环的不利影响。
在另一可替代的实施方式中，在离子腔室113中的电弧电压能够降低一预定量。特别地，减小了阴极115与腔室壁111之间的电势差。在一个实施方式中，本发明的电弧电压能够在50V-150V的范围内。通过降低该电弧电压一预定量，降低了赋予从阴极115所生成的电子的能量。电弧电压的适当减小降低了等离子体的电离效率以维持72Ge离子的量基本上等于从相应非富集或较少富集72GeF4所产生的相应72Ge离子的数量。用这种方式，所生成的活性氟(包括离子和中性粒子)的净量较少，导致较少发生卤素循环，由此改善并延长了离子源寿命。
可替代地，应当理解，至阴极115的偏弧、电弧电压以及输入功率的任何组合均可以降低以减小至离子源100的整体总功率输入。总功率等级的降低使得用户实现了离子注入富集或高富集掺杂剂气体的工艺优势。
尽管已经示出并描述了被认为是本发明的某些实施方式的内容，但是当然将会理解，在不脱离发明的精神和范围的情况下形式或细节上的各种调整和改变均能够容易地作出。因此，希望本发明不限于在此所示出和描述的确切形式和细节，也不限于小于在此所公开以及在后所要求保护的发明整体的任何范围。

Claims (20)

1.一种利用富集掺杂剂气体的方法，包括：
以足以维持离子源稳定性的流速引入所述富集掺杂剂气体，其中所述富集掺杂剂气体具有为90％或大于天然丰度等级的其中的同位素富集等级；
与在相应较少富集或非富集掺杂剂气体中所采用的总功率等级相比，在降低的离子源总功率等级下操作；以及
电离所述富集掺杂剂气体以产生并维持如在所述流速下采用所述相应较少富集或非富集掺杂剂气体所产生的射束电流。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述流速下与相应较少富集或非富集掺杂剂气体相比在降低的温度下操作所述离子源；以及
通过降低电弧电压、偏弧、灯丝功率或其组合而在降低的总功率等级下操作。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过在等于或大于1sccm的流速下引入所述富集掺杂剂气体而保持该离子源的稳定性。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述富集掺杂剂气体包含在至少55％的72Ge的富集等级下的72GeF4。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过将所述流速保持为处于或低于5sccm而避免再化合反应的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在降低的总功率等级下操作的步骤包括在受控量下降低所述富集掺杂剂气体的电离效率以保持与之前利用较少富集或非富集掺杂剂气体所限定的基本上相同的射束电流。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
利用72Ge富集度为至少75％的富集型72GeF4来操作所述离子源；
在所述流速下、在与相应较少富集或非富集掺杂剂气体相比降低的温度下操作，其中所述离子源腔室壁的温度在400℃至900℃范围内；以及
降低灯丝与离子源阴极之间的偏压。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在降低的总功率等级下操作的步骤通过在降低预定量的离子腔室中的电弧电压下操作而发生。
9.一种利用富集掺杂剂气体的方法，包括：
以范围在1至5sccm的流速引入所述富集掺杂剂气体，其中，该富集掺杂剂气体基本上由同位素72Ge的富集等级大于55％的72GeF4所组成；
与相应较少富集或非富集掺杂剂气体所采用的总功率等级相比，在降低的总功率等级下操作；
在所述流速下、在与所述相应较少富集或非富集掺杂剂气体相比降低的离子源温度下操作，电离所述富集掺杂剂气体以在所述流速下维持如采用所述相应较少富集或非富集掺杂剂气体所产生的射束电流。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括操作离子源从而通过降低在灯丝与离子源的阴极之间的偏压，使得离子腔壁具有与在所述流速下与相应较少富集或非富集掺杂剂气体相比范围为400℃至900℃的降低温度。
11.根据权利要求9所述的方法，其中通过在较低的电弧电压、较低的偏弧、较低的灯丝功率或其组合下操作而发生在降低的功率等级下操作的步骤。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述富集掺杂剂气体基本上由72Ge同位素在75％或更大的高富集等级的72GeF4组成。
13.一种在离子注入工艺中采用高同位素富集的掺杂剂气体的方法，包括步骤：
选取具有将要注入到晶片中的原子种类的掺杂剂气体；
选取所述原子种类的质量同位素以使其富集为高于其中天然丰度等级的至少90％；
在低于大气压存储和传输容器中提供所述掺杂剂气体的富集的质量同位素；
在足以维持离子源稳定性的流速下引入所述掺杂剂气体的富集质量同位素；
与相应较少富集或非富集掺杂剂气体中所采用的总功率等级相比，在降低的离子源总功率等级下操作；以及
电离所述掺杂剂气体的富集质量同位素以在所述流速下维持如采用所述相应较少富集或非富集掺杂剂气体所产生的射束电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述流速不超过使得再化合反应发生的上限。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述离子源在所述流速下、与相应非富集掺杂剂气体相比处于降低的温度。
16.根据权利要求13所述的方法，其中该富集掺杂剂气体为72Ge的富集度在55-60％的72GeF4。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述富集掺杂剂气体为72Ge的富集度在55-70％的72GeF4，并且在为1-3sccm的流速下与相应较少富集或非富集72GeF4掺杂剂气体所采用的总功率等级相比，所述降低的总功率等级降低了5-20％。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述富集掺杂剂气体为72Ge富集度在70-80％范围内的72GeF4，该降低的总功率等级比相应较少富集或非富集72GeF4掺杂剂所采用功率等级低20-30％。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述富集掺杂剂气体为72Ge富集度为58％或更大的72GeF4，降低的灯丝功率等级在200-500W的范围内，离子源腔室壁具有范围在400℃至900℃内的降低的温度并且流速在1sccm至3sccm的范围内。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在较低的离子腔室中的电弧电压下操作，同时保持至灯丝和偏弧的功率输入不变，以便与相应较少富集或非富集掺杂剂气体所采用的总功率等级相比，降低了该总功率等级。
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