CN104584183B - 用于改进硅离子注入期间的离子束电流和性能的含硅掺杂剂组合物、使用该组合物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于在硅离子注入期间改进束电流的掺杂剂气体组合物、使用该组合物系统和方法。硅离子注入工艺涉及利用第一基于硅的辅助物质和第二物质。选择第二物质，以在产生并注入活性硅离子物质期间在所利用的离子源的操作电弧电压下具有比第一基于硅的物质更高的电离截面。活性硅离子产生改进的束电流，其特征在于与单独从SiF4产生的束电流相比，保持或增加束电流水平而不引起离子源降级。

Description

用于改进硅离子注入期间的离子束电流和性能的含硅掺杂剂 组合物、使用该组合物的系统和方法
发明领域
本发明涉及用于改进的硅离子注入工艺（尤其改进的束电流（beam current））的含硅掺杂剂组合物、使用该组合物的系统和方法的独特组合。
发明背景
离子注入是半导体/微电子制造中的重要工艺。在集成电路制造中使用离子注入工艺来将掺杂剂杂质引入半导体晶圆中。将所需的掺杂剂杂质引入半导体晶圆中以在所需的深度形成掺杂区域。选择掺杂剂杂质以与半导体晶圆材料结合来产生电载体，从而改变半导体晶圆材料的导电性。所引入的掺杂剂杂质的浓度确定掺杂区域的导电性。必需产生许多杂质区域来形成晶体管结构、隔离结构和其它电子结构，其共同充当半导体设备。
掺杂剂杂质一般是得自源掺杂剂气体的离子。离子源灯丝（filament）用于将掺杂剂气体源电离成各种掺杂剂离子物质。离子在离子室内产生等离子体环境。随后，从离子室中以限定（defined）的离子束形式提取离子。所得离子束通常由束电流来表征。一般来说，较高束电流可允许较多掺杂剂离子物质可利用于（available for）注入给定的工件（例如晶圆）中。在这种方式下，对于给定流动速率的源掺杂剂气体，可达到掺杂剂离子物质的较高注入剂量。可经由质量分析器/过滤器传送所得离子束，然后传送至工件（例如半导体晶圆）的表面。（离子）束的所需的掺杂剂离子物质渗透半导体晶圆的表面，以形成具有所需的电学和/或物理性质的一定深度的掺杂区域。
硅注入在半导体工业中广泛地用于各种材料改性应用，例如无定形化或光致抗蚀剂改性。在设备制造期间Si注入步骤的越来越多的使用对以增加的束电流而不损害离子源寿命为特征的用于注入各种Si离子掺杂剂物质的改进的方法存在需求。较高的束电流可允许较高的设备处理量（throughput）和显著的生产率改进。应理解，术语“Si离子”、“Si离子物质”、“Si离子掺杂剂物质”和“Si+离子”在贯穿说明书中可互换使用。
四氟化硅(SiF4)已被用作用于硅离子注入的掺杂剂气体源。然而，SiF4具有各种缺点。特别重要地，SiF4可在其电离并产生必需量的Si+离子以建立当今应用所需要的较高束电流的能力方面受到限制。增加从SiF4产生的Si+离子的量通常需要增加输入至离子源的能量，其在本行业中另外被称为离子源的操作电弧电压。然而，在增加的能量水平下操作可损坏离子源部件，这可最终降低离子源在操作期间产生Si+离子的能力。例如，随着在典型离子注入工艺期间电弧室壁的温度增加，从SiF4释放的活性氟可更迅速蚀刻并侵蚀钨室壁，这可导致阴极对含钨沉积物的增加的沉积更敏感。含钨沉积物抑制离子源产生维持等离子体并产生Si+离子所必需的阈值数量的电子的能力。另外，更多的活性氟离子可利用于传播所谓有害的“卤素循环”，通过所述卤素循环可发生离子源室壁和其它室部件的增加的化学侵蚀。因此，在较高能量水平下操作离子源室以试图增加SiF4的电离具有较短离子源寿命的可能性，从而使得该操作模式是不合需要的。
当前，没有用于保持或增加Si+离子的束电流而不损坏离子源室部件的可行技术。在开发组合物、使用该组合物的系统和方法，以改进所需的硅离子物质的束电流而不损害离子源寿命方面仍然存在未满足的需求。
发明概述
本发明部分涉及用于改进束电流的组合物、使用该组合物的系统和方法，所述束电流用于改进硅离子源性能。已发现，所利用的掺杂剂气体的组合物对于改进束电流的能力具有显著影响。
在第一方面，提供掺杂剂气体组合物，其包含基于硅的掺杂剂气体组合物。该组合物包含第一基于硅的物质和第二物质。选择第二物质以在产生并注入活性硅离子期间在所利用的离子源的操作电弧电压下具有比第一基于硅的物质高的电离截面。与从四氟化硅(SiF4)产生的束电流相比，基于硅的掺杂剂气体组合物改进离子束电流，以便保持或增加束电流而不使所述离子源降级（degradation）。
在第二方面，提供用于在硅离子注入期间提供改进的束电流的系统。该系统包含由电弧室壁部分限定的离子源装置，其中该室包含至少部分配置于室壁内的硅离子源。提供与所述离子源装置流体连通的一个或更多个供应容器。该一个或更多个供应容器存储基于硅的掺杂剂气体组合物。组合物包含第一基于硅的物质和第二物质，其中选择所述第二物质以在注入活性硅离子期间在离子源的操作电弧电压下具有比第一基于硅的物质高的电离截面。一个或更多个供应进料管线对应于该一个或更多个供应容器。该一个或更多个进料管线从一个或更多个供应容器经由壁延伸入室中。配置一个或更多个供应容器，以使基于硅的掺杂剂组合物经由一个或更多个供应进料管线被分配并且进入所述离子源装置中，从而允许硅离子源将基于硅的掺杂剂气体组合物电离，以至少从所述第一基于硅的物质产生至少一部分活性硅离子。与单独从SiF4产生的束电流相比，活性硅离子产生增加的束电流。
在第三方面，提供在硅离子注入期间增加束电流的方法。该方法包括选择第一基于硅的物质并且选择第二物质，所述第二物质具有在产生并注入活性硅离子期间在待利用的离子源的预定操作电弧电压下比第一基于硅的物质高的电离截面。在一个或更多个供应容器中提供第一基于硅的物质和第二物质。第一基于硅的物质和第二物质从一个或更多个供应容器流入离子源装置中。第一基于硅的物质电离。产生活性硅离子。与单独从SiF4产生的束电流相比，产生增加的束电流，其中与单独从SiF4产生的束电流相比，所述增加的束电流延长源寿命。
附图简述
本发明的目标和优势从其以下结合附图的优选实施方案的详述来更好理解，其中同样的数字自始至终表示相同的特征，其中：
图1表示并入本发明的原则的离子注入机；
图2表示硅注入系统内的图1的离子注入机；
图3是本发明的基于硅的掺杂剂气体组合物与其它类型基于硅的掺杂剂气体材料的束电流水平的比较；
图4将对于不同的含Si气体在不同能量水平下的电离截面作图；以及
图5表示用不同的含硅掺杂剂组合物操作之后的电弧室沉积物。
发明详述
本发明的各种要素的关系和功能通过以下详述来更好理解。详述考虑本公开内容范围内的呈各种排列和组合形式的特征、方面和实施方案。因此，可将本公开内容规定为包含下列、由下列组成或基本上由下列组成：这些特定特征、方面和实施方案或其选定的一个或更多个的此类组合和排列中的任何一个。
如在本文中并且贯穿说明书中使用的“Si离子”表示各种硅离子掺杂剂物质，包括适合于注入衬底中的硅或含硅阳离子。
如本文使用，除非另外指示，否则所有浓度以体积百分比(“vol%”)表示。
在一方面，本公开内容涉及与常规的硅掺杂剂源相比，用于增加Si束电流的新颖的含硅掺杂剂组合物、使用所述组合物的系统和方法。如在本文中并且贯穿说明书中使用的术语本发明的“基于硅的掺杂剂气体组合物”意欲指第一基于硅的物质和第二物质，其被选择来使得第二物质在如本文描述的选定离子注入操作条件(例如，输入到离子源的电弧电压或能量)下具有比第一基于硅的物质高的电离截面。“电离截面”定义为当原子或分子经历与发射自离子源的电子碰撞时发生电离的概率(以面积单位来测量)。第二物质是允许离子源在一定条件下操作的互补（complimentary）气体，与用于硅注入的离子注入工艺中只利用SiF4相比，所述条件有助于保持其效率更长持续时间。如本文描述的本发明的基于硅的掺杂剂气体组合物与先前的硅掺杂剂源材料相比改进离子源的性能而不损害离子源寿命。“离子源性能”考虑到关键的性能量度，其包括束电流的稳定性、源寿命和束故障（beam glitching）的程度。如本文使用的“束故障”是指可导致束电流短暂降低的电压放电。本公开内容在本文中在各种实施方案中并且参照本发明的各种方面和特征来阐明。
相对于通常用于硅离子注入的其它常规的源掺杂剂气体，独特的基于硅的掺杂剂气体组合物使得能够增加束电流而不损害离子源寿命。可使用第一基于硅的物质和第二物质的众多组合。例如，第一基于硅的物质可包括Si2H6并且第二物质可包括Xe或其它惰性气体。在其它代表性实例中，SiH4可与第二物质（包括Xe或其它惰性气体）一起使用。或者，SiH2C12或SiF2H2可与第二物质（包括各种稀释剂，例如Xe和/或Kr）一起使用。在每个实例中，必须选择第二物质以便沿着离子源操作的电弧电压(即，输入到离子源的能量)的优选范围具有比第一基于硅的物质高的电离截面，以便保持或增加束电流而在操作离子源期间不使离子源降级。
在优选的实施方案中，第一基于硅的物质包含SiF4，其以预定浓度含于入口处和/或离子源装置100内。根据本发明的原则，SiF4可与第二气体物质（包括任何合适的惰性气体或稀释剂气体、第二基于硅的辅助物质（co-species）或其组合）组合利用。例如，稀释剂气体可包括氙或氪，其在输入离子源的选定操作能量水平下以比SiF4高的电离截面在离子注入工艺中使用。可利用其它合适的稀释剂或惰性气体，包括Ne、He、Ar或N2、含氢气体或其任何组合。
在优选的实施方案中，第一气体物质是SiF4并且第二气体物质包括以预定量添加至SiF4的第二基于硅的辅助物质。已经显示，在导致第二基于硅的辅助物质具有比SiF4电离截面高的电离截面的离子源工艺的操作条件下添加预定浓度的第二基于硅的辅助物质倾向于增加Si+束电流而不需要对操作参数做出的任何额外变化。此外，已发现，在含硅气体混合物的某些优选组合物下，有可能在较低电弧电压下操作离子源并且进一步减少其操作期间的离子源部件降级。
优选地，第二基于硅的辅助物质包含乙硅烷(Si2H6)。特定比率下的辅助物质Si2H6与SiF4的组合可提供可利用于注入给定衬底中的硅离子源。在一个实施方案中，基于总的基于硅的掺杂剂气体组合物的体积计，含有约1-10 vol%的Si2H6辅助物质。在另一个实施方案中，含有约2-7 vol%的Si2H6辅助物质。如将讨论的，本发明已发现，在掺杂剂气体混合物的选定电离条件和离子室的操作条件下，Si2H6相对于SiF4的特定组成范围使得能够改进束电流，从而可增加束电流而不使离子源降级。在这种方式下，有可能增加硅离子束电流而未将沉积物积聚至导致来源寿命缩短的不可接受水平。Si2H6充当互补（complimentary）气体，在优选浓度下时，其可允许离子源在一定条件下操作，与只利用SiF4的离子注入工艺相比，所述条件有助于保持其效率更长持续时间，如以下实施例所证明的。
此外，已经显示，添加预定量的第二基于硅的物质（在针对SiF4的优选或最佳操作条件下，其电离截面比SiF4电离截面更高）可增加所产生的Si+束电流而不需要对单独利用SiF4时的离子注入的操作参数做出任何额外变化。例如，在利用优选浓度范围的SiF4和Si2H6的混合物时，本发明可产生改进的束电流(即，在不缩短离子源寿命的情况下产生的持续或增加的束电流)而不需要输入离子源的额外能量。换句话说，以不超过上限的量将Si2H6添加至SiF4，以便相对于单独从SiF4产生的束电流而言，增加束电流和处理量。
此外，已发现，在本发明考虑的Si气体混合物的某些组合物下，离子源可在较低电弧电压下操作而不显著减少束电流，并且其可在离子注入操作期间有利地进一步减少离子源部件降级。
在优选实施方案中并且如以下实施例中解释的，Si离子从包含预定浓度范围的Si2H6和SiF4的含Si混合物注入。任何合适的离子注入装置可与Si2H6和SiF4混合物一起利用。参照图1，表示了用于注入得自Si2H6和SiF4的Si离子的代表性离子注入装置100。图1中描绘的离子源装置100具有各种部件，包括间接加热的阴极(IHC)115，其可充当用于将本发明的基于硅的掺杂剂气体组合物电离成其相应的硅活性离子的离子源。应理解，基于硅的掺杂剂气体组合物适合用于本领域中已知的其它类型离子源，包括例如Freeman源、Bemas源和RF等离子体源。
图1的离子源装置100可用于产生用于将硅活性离子注入半导体衬底中的电子束。以与单独从SiF4产生的束电流相比产生更高Si+束电流的方式，从SiF4和Si2H6的电离产生硅活性离子。不受任何特别理论约束，相信在SiF4与Si2H6的特定组成范围和离子源装置100的仔细选定操作条件下，SiF4和Si2H6以协同方式彼此相互作用，以产生电离机制，所述电离机制产生增加量的Si+活性离子来产生增加和改进的束电流。
图4将作为能量的函数的关于不同硅化合物的电离截面作图。在可发生SiF4电离的离子源的优选操作能量水平或电弧电压下，Si2H6展现比SiF4高的电离截面。换句话说，图4表示了Si2H6具有在离子源的此类电弧电压操作条件下产生离子的更高概率。从Si2H6产生的离子的存在增强了SiF4的电离过程，导致更高的Si+束电流。相反，图4显示了SiH4具有比SiF4小的电离截面，因此减少SiF4与SiH4的电离物质的相互作用及碰撞，并且电离成电离的SiF4物质的净概率，从而导致Si+束电流降低。
参照图4，在发生SiF4电离的约80V-120V的选定操作电弧电压下，Si2H6展现比SiF4高的电离截面。在该选定的操作规范内，Si2H6具有产生各种含硅离子的更高概率。得自Si2H6的含硅离子的存在增强了SiF4的电离过程，导致更高的Si+束电流而不使离子源的源灯丝降级。然而，已发现，只在小于约50%，并且优选小于约40%，并且更优选小于20%并且最优选小于10%的Si2H6的某些浓度范围内展现束电流的改进。
如在以下结合图3的实施例中所示，与从未稀释的(即，纯的)SiF4产生的束电流相比，占总的气体混合物的约50%或更高的升高的Si2H6浓度导致束电流减少。此外，在80%Si2H6和20% SiF4下，束电流显著降低。在约50%或更大的升高的Si2H6浓度的此类条件下，观察到等离子体，以展现硅离子从电弧室中的不良提取，这导致较低的束电流。图3显示了在电离不同的含Si气体混合物时获得的Si+束电流。与未稀释的SiF4相比，含有Si2H6的气体混合物(5% Si2H6，其余为SiF4)显示Si+束电流增加约20%。此外，图3显示了将其它含Si互补（complimentary）物质添加至SiF4导致束电流降低。例如，如以下在实施例中将讨论的，与从未稀释的SiF4情况产生的束电流相比，50% SiF4和50% SiH4气体混合展示束电流降低约5%。
另外，在50%和更高的这些升高的乙硅烷浓度下观察到含Si沉积物，从而导致操作过程期间的较低束电流和离子源的过早失灵。
由于保持Si2H6低于预定上限，已经显示，其量小于SiF4并且在针对SiF4的优选或最佳操作条件下其电离截面比SiF4电离截面高的第二基于硅的辅助物质的添加可增加所获得的Si+束电流而没有操作参数的任何额外变化，例如增加的电弧电压。相反，本发明惊奇地发现，在Si2H6和SiF4的某些组合物下，离子源可实际上在能够保持基本上相同束电流同时延长源寿命(即，避免由于阴极变薄和/或氟侵蚀而导致的离子源部件降级)的较低电弧电压下操作。由于图4中所示的Si2H6和SiF4的相应电离截面曲线，在减少的电弧电压下操作并且仍然保持基本上相同束电流的能力是有可能的。例如，可发生电弧电压从约110 V减少至约80 V，这是由于在较低电弧电压下，Si2H6和SiF4的电离截面曲线之间的差异增加，如图4所示。见到Si2H6和SiF4之间的电离截面差异方面的较大差异在相对较低的电弧电压下发生，这可允许更有可能产生足够数量Si活性离子来抵消由于更小电弧电压的总体束电流降低的任何趋势。换句话说，虽然较低电弧电压可潜在地导致产生较低量的Si总离子，但是增加的电离截面差异使得足够的电离能够保持束电流，同时显著减少氟侵蚀和阴极变薄，从而延长离子源寿命并且最终改进处理量。最佳操作电压(即，输入到离子源的能量)的选择随着气体物质和其相应电离截面曲线而变化。最佳电弧电压将允许保持或增加束电流而不使离子源降级。在一个实施方案中，最佳电压发生在85-95 V的范围内。
另外，与常规的硅掺杂剂离子注入系统相比，本发明中公开的掺杂剂气体组合物优选允许延长离子源阴极115寿命，这至少部分基于在操作离子源装置100期间的源阴极115的最小重量变化速率。净结果是离子源阴极115，其未遭受过早失灵，从而允许源阴极115保持操作持续延长的时间段，以增加处理量。在这种方式中，本发明具有独特的基于硅的掺杂剂气体组合物，其相对于单独从SiF4产生的束电流能够保持或增加硅离子束电流，同时与先前可能利用常规硅前体材料（例如SiF4）的情况相比，保持源灯丝115的完整性更长持续时间。
仍然参照图1的离子源装置100，经由延伸通过电弧室壁111的气体进料管线将包含预定比率的SiF4和Si2H6的硅掺杂剂气体组合物流102引入离子源室112中。在一个实施方案中，基于总的组合物流102计，使Si2H6保持低于50%。在另一个实施方案中，使Si2H6保持在1-20%之间的浓度下。在又一个实施方案中，Si2H6处于或低于约10%。通过以下方式使（离子）源室112内部的硅掺杂剂气体组合物103遭受电离：施加来自电源(未示出)的预定电压以将安置于紧邻IHC 115的基于钨的灯丝114电阻加热。灯丝114可相对于IHC 115负性偏压（negatively biased）。通过电源将电流施加至灯丝114，以将灯丝114电阻加热。提供绝缘体118来将阴极115与电弧室壁111电隔离。
由阴极115发射电子。发射的电子将硅掺杂剂组合物103分子的SiF4和Si2H6加速并电离以便在室112内产生等离子体环境。反射电极116积累负电荷来将电子反射回来，以维持硅掺杂剂组合物103分子的电离，从而在电弧室112中保持等离子体环境。反射电极116优选基本上与IHC 115在直径方向上相对配置以保持室112内的掺杂剂气体组合物103的电离。电弧室壁111包括提取孔117，经由所述孔，从电弧室112中提取出充分限定（welldefined）的硅离子束121。提取系统包括提取电极120和安置于提取孔117前面的抑制电极119。提取及抑制电极120和119均具有与提取孔117对齐的相应孔用于提取可用于硅离子注入的充分限定的离子束121。
基于硅的掺杂剂气体组合物103的电离可导致从SiF4与Si2H6的协同相互作用产生各种电离物质，包括从辅助物质SiF4释放的F离子、氟化硅离子和各种含硅离子，以及从辅助物质Si2H6释放的氢、四氢化硅和额外的含硅离子。大量的经释放的F离子可利用于通过氢来清除。另外，经释放的F离子可与形成自掺杂剂气体混合物的电离的一些气态硅离子重新组合。然而，在足够的操作条件下（包括选择有利地允许Si2H6与SiF4依靠其在选定的操作电弧电压下的相应电离截面(图4)而在离子源装置100内协同相互作用的电弧电压，以及通过根据本发明的原则控制引入离子室中的SiF4和Si2H6的相对量），与F离子重新组合的硅离子的量基本上最小化，以便产生增加束电流的可利用于离子注入的最大浓度水平的活性硅离子。因此，清除F离子的方式使得可获得更少F离子来蚀刻来自离子源装置100的基于钨的室部件并且形成含钨沉积物，同时保持足够量的活性硅离子用于注入。减少含钨沉积物的形成转化成含钨沉积物在IHC 115的较热表面上的更小扩散和分解。因此，在操作离子源装置100期间，IHC 115的重量增加速率被实质性减少。最终结果是较低的频率或消除束故障，由此增加束稳定性并且延长离子源装置100的操作寿命。
依靠SiF4和Si2H6辅助物质的相互作用来清除F离子可至少部分有助于产生增强的电离机制，所述机制产生大于可通过个别地电离SiF4和Si2H6来获得的总Si离子的简单累加效应的增加量的活性硅离子。此外，组合的SiF4和Si2H6辅助物质可以如就改进其各自电离特性的其电离截面方面来解释的有利方式相互作用。虽然具体电离机制尚未完全理解，但是释放硅离子的总效应是产生改进和持续的束电流的协同作用，这种协同作用不引起离子流的短暂降低，如在存在或不存在稀释剂气体的情况下使用的硅掺杂剂气体所通常观察到的那样。将可利用于离子注入的硅离子的活性浓度保持在足够的水平，至少部分因为本发明利用从中得到硅离子的特定比率的两种硅辅助物质。此外，积聚沉积物得以避免或基本上最小化，由此消除并入稀释剂或惰性气体的需求。本发明的改进和持续的束电流转化成较高的处理量和生产率，其中注入衬底中的所需硅离子剂量可在较短时间段中实现。
在这种方式中，不同于现有技术，本发明利用优选浓度的双用途硅掺杂剂气体组合物（例如SiF4和Si2H6），并且在仔细选定的电离条件和输入到基于钨的灯丝114的能量下，其可增加硅束电流而不损害离子源寿命。SiF4和Si2H6以协同方式彼此相互作用来产生电离机制，所述机制至少部分依靠以下方式来产生增加量的Si+离子：在80V-120V的选定操作范围内，互补气体物质Si2H6展现比SiF4更高的电离截面，此外因为Si2H6的浓度保持低于50%或更小的预定上限。
图2显示了并入硅离子注入系统200中的图1的离子源装置100。本领域技术人员应认识到，图1的离子源装置100的所有元件均并入图2中。因此，图2中显示的离子源装置100的元件和特征应相对于图1中显示的元件和特征来理解。
图2显示了基于硅的掺杂剂气体组合物可从掺杂剂气体箱201来供应。可以预混合组合物形式在气体箱201内的单一供应容器中以所需的调配物来提供基于硅的掺杂剂气体组合物。或者，可构建并布置气体箱201以使得硅辅助物质SiF4和Si2H6中的每一个可在单独的分配容器中作为气体套件的一部分来供应，然后利用可被认为是气体套件一部分的相应的流量控制器使其以连续或半连续方式、在受控流动速率下共同流动或依序流动。控制Si2H6和SiF4的流动速率，并（将其）引导向离子源装置100以产生优选浓度范围下的所需基于硅的掺杂剂气体组合物。此类掺杂剂气体组合物可在源室100的入口处和/或其内部产生。个别辅助物质会聚的点可发生在离子源装置100的上游或装置100的室112内。
仍然参照图2，作为可商购的并且在本领域中已知的合适分析器可用于测量进入离子源室100的基于硅的掺杂剂气体组合物的浓度。在一个实施方案中，硅掺杂剂气体组合物具有以下浓度：范围在约1-20 vol%之间的Si2H6，其余为SiF4。在优选实施方案中，硅掺杂剂气体组合物具有以下浓度：范围在约2-10 vol%之间的Si2H6，其余为SiF4。在更优选的实施方案中，硅掺杂剂气体组合物具有以下浓度：范围在约2-5 vol%之间的Si2H6，其余为SiF4。
仍然参照图2，将基于硅的掺杂剂气体组合物以预混合的单一源形式或以个别物质SiF4和Si2H6的形式、以直接如上所述的方式从箱201引入离子源装置100中以共同流动或依序流动方式进入装置100中。将电压施加至作为用于将能量引入室112中的装置的离子源灯丝114(图1)，以产生装置100的选定电弧电压来将基于硅的掺杂剂气体组合物电离并且产生可利用于注入的足够浓度的活性硅离子。优选地，将输入到离子源114的能量(即，电弧电压)保持在约80V-120V范围内，以便使得SiF4和Si2H6能够以协同方式相互作用来产生电离机制，该机制产生增加量的活性Si+离子。产生室112内的所得等离子体环境。离子束提取系统201包括提取电极120和抑制电极119，其形成如图2中显示的含硅掺杂剂供应系统的一部分，并且其被配置用于提取待用于硅离子注入的充分限定的硅束121。可经由任选的质量分析器/过滤器205传送束121，以从待注入的其它物质中选择并磁性捕获硅离子物质。具体地，质量分析器/过滤器205被布置成只允许目标活性硅离子向前行进至处理室或终端站210中。然后，富含硅离子的束207可根据需要通过加速/减速单元206被加速/减速，然后被传送至安置于终端站210中的晶圆或目标工件209的表面，用于将活性硅离子注入工件209中。束的活性硅离子与工件209的表面碰撞并且渗透入该表面至所需的深度，以形成具有所需的电和物理性质的区域。通过使用本发明的方法和技术，可使包括于系统200内的离子源装置100的束电流显著增加，超过常规的硅掺杂剂系统而不导致离子源寿命的降低。因此，本发明代表硅离子注入行业的进步，其除了其它工艺益处之外，增加离子源装置100的处理量。
应注意，可在本发明的不同实施方案中使用硅注入工艺200的结构和设计的许多变化。此外，结构和设计的细节在本发明的性能中不重要，除了以下范围：其涉及在离子源装置100和相应的注入工艺200中使用的基于硅的掺杂剂组合物。
在图2中显示的本发明的优选方面中，将包含Si2H6和SiF4的基于硅的掺杂剂气体组合物的受控流在预混合下供应至离子源装置100的离子源室112，其中基于总的混合物计，Si2H6的浓度在约1-10 vol%范围内。基于硅的掺杂剂气体组合物可在预混合下封装于高压气缸中。或者，可从低于大气压递送封装（例如举例而言如美国专利No. 5,937,895、6,045,115、6,007,609、7,708,028和7,905,247中公开的UpTime®低于大气压递送系统，通过引用将所有所述专利整体并入本文）中递送掺杂剂气体组合物。其它合适的亚大气压递送设备可包括各种布置的压力调节器、止回阀、流量限制阀和限制流量孔。例如，可将两个压力调节器串联配置于气缸内，以将掺杂剂气体的气缸压力下调至沿着流体排出管线所包含的下游质量流控制器可接受的预定压力。低于大气压封装由于其增强安全性而为用于递送气体的优选模式。在一个实施方案中，流动速率可为约0.1-100 sccm范围内，优选为0.5-50sccm并且更优选为约1-10 sccm。离子源装置100可包括商品离子注入机中的任何通常使用的离子源，例如Freeman和Bemas类型源、间接加热的阴极源和RF等离子体源。将包括压力、灯丝电流和电弧电压的离子源操作参数调谐以实现包含Si2H6和SiF4的基于硅的掺杂剂气体组合物的所需电离，以使在选定的参数下，Si2H6具有比SiF4更高的电离截面，由此根据本发明的原则来增强电离并产生活性Si离子。
在本发明的另一个实施方案中，含硅掺杂剂组合物是以上讨论的规定浓度下的SiF4和Si2H6的混合物，其可针对合适的离子注入应用在较低电弧电压下操作。较低电压可减少对于室部件的侵蚀。尤其，在较低电弧电压下操作导致部件的较少化学以及物理侵蚀，由此延长离子源的寿命。在较低电弧电压下操作优选导致基本上保持束电流。有利地，电弧电压的减少不导致沉积物的积聚和束不稳定性，如单独从未稀释的SiF4产生的束的情况那样，其中含钨沉积物在灯丝上的积聚减少离子源的电子发射效率，这可潜在地由于源气体的不充分电离而导致束电流的损失。
申请人已经执行数个实验来将本发明的基于硅的掺杂剂气体组合物与其它掺杂剂气体材料进行比较，如现在将在以下实施例中所讨论的。应注意，对于以下描述的所有测试，离子源灯丝重量增加或损失通过如本领域中已知的在测试之前和之后测量离子源灯丝的重量来测量。所述电流使用法拉第筒（Faraday cup）通过本领域中熟知的标准化技术来测量。所有测试均在100V下运行。
比较实施例1(未稀释的SiF4)
执行电离测试来评估仅从SiF4的掺杂剂气体组合物(即，未稀释的)得到的离子束的离子束性能。室的内部由离子源组成，其被构建成包括螺旋灯丝和垂直于螺旋灯丝的轴放置的阳极。将衬底板安置于在阳极前面以在电离过程期间保持阳极固定。将SiF4引入离子源室中。将电压施加至离子源来将SiF4电离并产生硅离子。所测量的束电流在图3中显示。就产生可用于离子注入的充分限定的硅离子束而言，该束电流被认为是可接受的。然而，观察并确定0.02 gm/hr的显著的灯丝重量增加，如表1中所示。在测试期间各种含钨沉积物在灯丝上的积聚减少其电子发射效率，导致由于源气体的不充分电离而使束电流最终损失，这要求中止测试。相信这些结果是单独利用SiF4作为Si+掺杂剂源遭遇的典型问题。
比较实施例2(SiF4 + 20%Xe/H2)
执行电离测试来评估从由SiF4与占总气体混合物20 vol%的氙/氢稀释剂气体混合物的混合物组成的基于硅的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流，以及一定持续时间的电离过程期间的离子源的性能。使用与执行比较实施例1中的基线SiF4测试时相同的离子源室。将SiF4和稀释剂氙/氢从单独的来源引入离子源室中，以在室内产生所需的掺杂剂气体组合物。向离子源施加电压来使SiF4电离并产生硅离子。测量束电流并且确定为比只利用SiF4所产生的束电流低约10%，如图3中的案例B所示。相对于来自比较实施例1的SiF4的束电流将束电流归一化并且在图3中显示。获得0.0017 gm/hr的灯丝重量增加，如表1中所示。由于沉积物所导致的灯丝重量增加小于来自比较实施例1的SiF4的重量增加，这指示较少活性F离子可利用于维持卤素循环并因此蚀刻额外的钨室部件。因此，相对于比较实施例1，减少卤素循环。相对于比较实施例1，发生更少的束故障。然而，氙/氢稀释剂以产生比单独利用SiF4产生的束电流低的束电流为代价来减少卤素循环和含钨沉积物(图3)。这些结果指示了使用稀释剂气体的常规的硅掺杂剂气体前体。
比较实施例3 (50%SiF4 + 50%SiH4)
执行电离测试来评估从由SiF4和SiH4的混合物组成的基于硅的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流，以及一定持续时间的电离过程期间的离子源的性能。混合物的浓度是50 vol% SiF4和50 vol% SiH4。使用与执行比较实施例1和2中的测试时相同的离子源室。将SiF4和SiH4混合物从单独的来源引入离子源室中，以在室内产生所需的掺杂剂气体组合物。获得浓度测量来证实实现目标浓度。向离子源施加电压来使掺杂剂气体混合物电离并产生硅离子。测量束电流并且相对于SiF4的束电流而归一化，如图3中的案例C所示。束电流确定为比比较实施例2利用SiF4和稀释剂氙/氢混合物时所产生的束电流高，但是比比较实施例1只利用SiF4时所产生的束电流低。可至少部分地参照图4来解释结果，其显示在输入到离子源的实际上所有操作能量水平下，SiH4具有比SiF4低的电离常数。因此，产生从SiH4和SiF4的碰撞所得到的更少活性硅离子。因为SiH4具有比SiF4更小的电离截面，所以SiF4经历碰撞并电离的净概率可能减少，由此导致硅离子束电流的总体降低。获得0.0025gm/hr的灯丝重量损失，如表1中所示。观察到灯丝变薄，这是由于离子室内的SiF4和SiH4的相应正离子物质可能物理溅射灯丝。因此得出的结论是50% SiF4和50% vol% SiH4掺杂剂气体混合物可由于过度的离子源灯丝变薄而导致过早失灵。
比较实施例4 (SiF4 + 50%Si2H6)
执行电离测试来评估从由SiF4和50 vol% Si2H6组成的基于硅的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流，以及一定持续时间的电离过程期间的离子源的性能。利用与执行比较实施例1、2、3中的测试时相同的离子源室。经由单独的SiF4和Si2H6源将基于硅的掺杂剂气体组合物引入室中并在离子源室上游的流动管线（flow lines）中混合。获得浓度测量来证实实现目标浓度。向离子源施加电压来使掺杂剂气体组合物电离并产生硅离子。测量束电流并且相对于SiF4的束电流而归一化。图3在案例F显示了所获得的束电流比SiF4(比较实施例1)低约10%。灯丝以0.0023 gm/hr的速率损失重量。在连续操作20小时之后，沿着离子源电弧室的表面观察到明显的含硅沉积物，如图5B中所示。沉积物的此类积聚在操作过程期间导致束的不稳定性以及最终离子源的过早失灵。因此，得出的结论是该气体组合物对于Si注入操作是不合需要的。
比较实施例5 (SiF4 + 80% Si2H6)
执行电离测试来评估从由SiF4和80 vol% Si2H6组成的基于硅的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流，以及一定持续时间的电离过程期间的离子源的性能。经由单独的SiF4和Si2H6源将基于硅的掺杂剂气体组合物引入室中并在离子源室上游的流动管线中混合。利用与执行比较实施例1、2、3和4中的测试时相同的离子源室。将预混合的基于硅的掺杂剂气体组合物引入室中。获得浓度测量来证实实现目标浓度。向离子源施加电压来使掺杂剂气体组合物电离并产生硅离子。测量束电流并且相对于SiF4的束电流而归一化。与比较实施例1的未稀释的SiF4基线案例相比，80% Si2H6、其余为SiF4的混合物展示显著较低的测量Si+束电流。图3在案例G显示了束电流比SiF4(比较实施例1)低60%更多。此外，离子束在操作过程期间展示不稳定性并且最终导致离子源的过早失灵。灯丝以-0.0025 gm/hr的速率损失重量，如以下表1中所示。图5A显示了在连续操作20小时之后观察到沿着电弧室表面的不合需要的量的含硅沉积物。因此，得出的结论是该含硅掺杂剂气体组合物对于Si离子注入操作是不合需要的。
实施例1 (SiF4 + 2.5 vol% Si2H6)
执行电离测试来评估从由SiF4和2.5 vol% Si2H6组成的基于硅的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流，以及一定持续时间的电离过程期间的离子源的性能。利用与执行比较实施例1、2、3、4和5中的测试时相同的离子源室。通过以下方式来产生基于硅的掺杂剂气体组合物：使5% Si2H6/SiF4混合物和纯SiF4流在选定流动速率下共同流入室中，以使得纯SiF4流将5% Si2H6/SiF4混合物稀释以产生2.5 vol%Si2H6。获得浓度测量以证实产生目标2.5 vol% Si2H6。向离子源施加电压来使基于硅的掺杂剂气体组合物电离并产生硅离子。测量束电流并且相对于SiF4的束电流而归一化。如图3的案例E所示的束电流被确定为比利用SiF4时所产生的束电流更高。获得-0.0009 gm/hr的灯丝重量损失，如表1中所示。基于硅的掺杂剂组合物产生所有测试中的灯丝的最小量的重量变化。此外，图5C显示了沿着电弧室表面实际上未观察到沉积物。因此得出的结论是SiF4和2.5 vol% Si2H6掺杂剂气体组合物可产生比SiF4高的束电流，同时显著减少源灯丝上的基于钨的沉积物并且避免灯丝的物理溅射。
实施例2 (SiF4 + 5 vol% Si2H6)
执行电离测试来评估从由SiF4和5 vol% Si2H6组成的基于硅的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流，以及一定持续时间的电离过程期间的离子源的性能。利用与执行比较实施例1、2、3和实施例1中的测试时相同的离子源室。从单独的来源引入基于硅的掺杂剂气体组合物并且在室的上游进行预混合。取得浓度测量以证实产生目标5 vol% Si2H6。向离子源施加电压来使掺杂剂气体组合物电离并产生硅离子。测量束电流并且相对于SiF4的束电流而归一化。如图3的案例D所示的束电流被确定为在所有测试的掺杂剂气体组合物中是最高的。没有由于灯丝重量增加或侵蚀而发生过早的束故障。获得-0.0012 gm/hr的灯丝重量损失，如表1中所示。灯丝的重量变化小于所有比较实施例1-3并且与实施例1相匹敌。在测试期间未观察到沉积物。虽然重量降低稍微超过实施例1中的SiF4+2.5 vol% Si2H6的重量降低，但是重量降低没有产生束不稳定性。因此得出的结论是SiF4和5vol%Si2H6掺杂剂气体组合物可产生比单独利用SiF4高的束电流，同时显著减少基于钨的沉积物和源灯丝上的物理溅射。
实施例证明，在Si2H6-SiF4的混合物中，Si2H6浓度存在着上限，以实现本发明中公开的掺杂剂气体组合物的益处。图5A-5C显示了用SiF4和Si2H6的混合物中的不同浓度Si2H6连续操作之后的电弧室的内部。分别具有80%和50%的 Si2H6的组合物在连续操作20小时之后各自展示电弧室中的不合需要的量的沉积物，然而对于2.5% Si2H6-SiF4混合物，甚至在连续操作60小时之后，也未观察到沉积物。另外，发现在50%和80%的较高Si2H6组合物下，电离过程导致电弧室内部的含有Si和/或W的沉积物。此类沉积物是不合需要的，并且降低活性Si离子，这导致操作过程期间Si+束电流的减少。因此，可发生后续的离子源的过早失灵。这些观察对于实现改进的束电流的益处的Si2H6-SiF4混合物的优选组合物设置上限，所述益处的特征在于增加束电流而在操作期间不使离子源降级。
本发明进一步证明了，在使用本发明的基于硅的掺杂剂气体组合物时，来自室壁部件的含钨沉积物和其它各种类型沉积物的蚀刻显著减少。沉积物的降低减少或消除束不稳定性并且最终减少或消除束故障，由此在离子室的源寿命期间改进束电流。此外，不同于现有技术方法，用于本发明的组合物、系统和使用方法可增加束电流而不损害并缩短离子源寿命。惊人地，如图3中所示，与未稀释的SiF4相比，可实现增加的束电流。如与未稀释的SiF4或纯SiF4相比，增加每单位体积气体流的Si掺杂剂活性离子的数量的能力增加相同量气体流的Si束电流而不使离子源降级。增加的束电流结合延长的离子源可增加处理量，并且提供用于缩短实现加工工件的所需掺杂剂剂量的循环时间的机会。
从电离观点来看，实施例1和2也证明了本发明的特定含硅组合物可产生活性离子并且增加束电流而不使离子源降级。尤其，在选定的电弧电压操作条件下的优选浓度范围内的Si2H6和SiF4混合物促进以协同方式彼此相互作用来产生电离机制，所述机制可产生大于可得自个别地电离SiF4和Si2H6的总硅离子的简单相加效应的增加量的活性硅离子。净效应是与使用常规的硅前体材料的常规系统和工艺相比，改进束电流。
另外，本发明可克服为了减少沉积物而需要稀释剂气体的常规硅离子注入系统和方法的缺点。稀释剂气体倾向于减少进入离子源室的每单位气体流可利用的硅离子的活性数量，从而减少处理量。因此，通常对于使用掺杂剂气体与导致较低硅离子束电流的稀释剂气体的常规硅掺杂剂组合物所遇到的该所谓的“稀释效应”在本发明中得以消除。本发明不依赖并入稀释剂气体以便延长源寿命。然而，在特定实例中，本发明确实考虑在特定方式下并入稀释剂或惰性气体作为第二物质，在所述特定方式下它具有比第一含硅物质更高的电离截面。在这种方式中，本发明具有独特的基于硅的掺杂剂气体组合物、使用所述组合物的系统和方法，其能够保持或增加硅离子束电流，同时相比于比先前可能的利用常规硅前体材料，保持源灯丝115的完整性更长的持续时间。
本发明还提供其它工艺益处。例如，本发明中可到达的增加的束电流可消除对任何额外的气体棒(gas stick)(例如，流量控制设备、压力监测设备、阀和电子界面)的需求，因此提供与利用额外的气体棒相关的资本费用的显著减少。
虽然已经显示并描述什么被视为本发明的某些实施方案，但是当然应理解，可容易地做出形式或细节的各种修改和变化而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明不意欲限于本文中所显示并描述的确切形式和细节，也不限于小于本文中公开并在以下要求保护的本发明的整体的任何事物。

Claims (20)

1.掺杂剂气体组合物，其包含：
包含第一基于硅的物质和第二物质的基于硅的掺杂剂气体组合物，其中选择所述第二物质，以在产生并注入活性硅离子期间在所利用的离子源的操作电弧电压下具有比所述第一基于硅的物质高的电离截面；
其中与从四氟化硅(SiF4)产生的束电流相比，所述基于硅的掺杂剂气体组合物改进离子束电流，以致保持或增加束电流而不使所述离子源降级。
2.如权利要求1所述的掺杂剂气体组合物，其中所述第一基于硅的物质选自SiH2C12、Si2H6、SiH4、SiF2H2、SiF4和其任何组合。
3.如权利要求1所述的掺杂剂气体组合物，其中所述第一基于硅的物质是SiF4。
4.如权利要求1所述的掺杂剂气体组合物，其中所述第一基于硅的物质是SiF4并且所述第二物质是Si2H6。
5.如权利要求4所述的掺杂剂气体组合物，其中基于所述组合物的总体积计，所述Si2H6具有小于50％的浓度。
6.如权利要求5所述的掺杂剂气体组合物，其中所述Si2H6具有10％或更小的浓度。
7.用于在硅离子注入期间提供改进的束电流的系统，其包含：
由电弧室壁部分限定的离子源装置，其中所述室包含至少部分配置于所述室壁内的硅离子源；
与所述离子源装置流体连通的一个或更多个供应容器，所述容器存储基于硅的掺杂剂气体组合物，所述组合物包含第一基于硅的物质和第二物质，其中选择所述第二物质，以在注入活性硅离子期间在所述离子源的操作电弧电压下具有比所述第一基于硅的物质高的电离截面；对应于一个或更多个供应容器的一个或更多个供应进料管线，所述进料管线从所述一个或更多个供应容器经由所述壁延伸入所述室中；
其中配置所述一个或更多个供应容器，以使所述基于硅的掺杂剂气体组合物经由所述供应进料管线被分配并且进入所述离子源装置，从而允许所述硅离子源电离所述基于硅的掺杂剂气体组合物，以至少从所述第一基于硅的物质产生至少一部分的活性硅离子，与单独从SiF4产生的束电流相比，所述活性硅离子产生增加的束电流。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述第一基于硅的物质选自SiH2C12、Si2H6、SiH4SiF2H2、SiF4和其任何组合。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述第一基于硅的物质是SiF4并且所述第二物质是Si2H6。
10.如权利要求9所述的系统，其中基于总的基于硅的掺杂剂气体组合物计，所述Si2H6的浓度为1-10vol％。
11.如权利要求7所述的系统，其中作为气体套件的一部分来提供第一供应容器和第二供应容器，所述第一供应容器包含SiF4并且所述第二供应容器包含Si2H6，所述第一和第二供应容器各自分别将SiF4和Si2H6以受控流动速率分配至所述离子源室，以在所述室内产生包含预定浓度下的SiF4和Si2H6的含硅掺杂剂气体组合物，由此Si2H6的浓度小于20vol％。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述套件包含用于以第一流动速率调控来自第一供应容器的SiF4的流量的第一流量控制器，并且所述套件进一步包含用于以第二流动速率调控来自第二供应容器的Si2H6的流量的第二流量控制器。
13.如权利要求7所述的系统，其中所述一个或更多个供应容器是与所述基于硅的掺杂剂气体组合物预混合的单一供应容器，进一步其中所述单一供应容器是低于大气压的存储及递送容器。
14.如权利要求9所述的系统，其中基于所述组合物的总体积计，所述Si2H6的量为2.5vol％至5vol％。
15.用于在硅离子注入期间增加束电流的方法，其包括：
选择第一基于硅的物质；
选择第二物质，其在产生并注入活性硅离子期间在待利用的离子源的预定操作电弧电压下具有比所述第一基于硅的物质高的电离截面；
在一个或更多个供应容器中提供所述第一基于硅的物质和所述第二物质；
使所述第一基于硅的物质和所述第二物质从所述一个或更多个供应容器流入离子源装置中；
电离所述第一基于硅的物质；
产生活性硅离子；以及
与单独从SiF4产生的束电流相比，产生增加的束电流，其中与单独从SiF4产生的束电流相比，所述增加的束电流延长源寿命。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第二物质是含硅物质，所述第一和第二含硅物质选自SiH2C12、Si2H6、SiH4、SiF2H2、SiF4和其任何组合。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述第一基于硅的物质是SiF4，并且所述第二物质是基于硅的物质，基于所述离子源装置中的总的组合物计，其包含2.5vol％至5vol％范围内的Si2H6。
18.如权利要求15所述的方法，其中作为气体套件的一部分提供第一供应容器和第二供应容器，所述第一供应容器包含SiF4并且所述第二供应容器包含Si2H6，所述第一和第二供应容器各自分别将SiF4和Si2H6在受控流动速率下、以共同流动或依序流动的方式分配至离子源室，以在所述室内产生包含预定浓度下的SiF4和Si2H6的含硅掺杂剂气体组合物，由此基于总的组合物的体积计，Si2H6的浓度大于1vol％并且小于10vol％。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述预定操作电弧电压在80V-120V范围内。
20.如权利要求15所述的方法，其中单一供应容器分配包含10vol％或更低的Si2H6并且其余为SiF4的浓度。
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