CN104871286A - 用于碳离子注入的掺杂物组合物的储存和负压输送 - Google Patents

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Abstract

提供用于输送含CO的掺杂物气体组合物的供应源。所述组合物包括控制量的稀释剂气体混合物例如氙气和氢气，其各自以控制的体积比率提供以确保最佳的碳离子注入性能。所述组合物可包装为由含CO的供应源和稀释剂混合物供应源组成的掺杂物气体套件。备选地，所述组合物可预先混合并从单一来源引入，所述单一来源可响应沿排流路径所达到的负压条件而启动以允许掺杂物混合物从所述装置的内部体积受控流入离子源设备中。

Description

用于碳离子注入的掺杂物组合物的储存和负压输送
发明领域
本发明涉及改善的CO基配方以及这类CO基配方的负压输送和储存装置，所述CO基配方包括用于碳注入的掺杂物气体组合物。
发明背景
离子注入为半导体/微电子制造中的重要工序。离子注入工序被用于集成电路生产中以将控制量的掺杂物离子引入半导体晶圆中。离子源被用来从掺杂物气体产生多种离子种类的明确定义的离子束。所述掺杂物气体的离子化产生可被随后注入给定工件内的离子种类。
碳作为广泛使用的掺杂物在半导体工业中出现，用于多种材料改性应用例如抑制共掺杂物的扩散或增强掺杂区域的稳定性。在这点上，二氧化碳(CO2)作为碳离子注入的常见掺杂物源出现。然而，已观察到，CO2的表现为一种氧化气体，其有氧化钨离子腔室组件的倾向，从而沿离子设备的电极表面和腔室组件形成各种的氧化钨(WOx)沉积物。这类沉积物的出现是有问题的，因为它们降低电学性能，由此需要更高的电压以维持稳定的等离子体。然而，更高的电压会导致电压放电，其引起电气短路和瞬时的束流降。束流降通常被称为“束流突波(束流闪变，beam glitching)”。束流突波降低离子源性能至所述工艺过程不能以可接受的效率运转的程度。在这类情况下，可能需要使用者紧急停止注入操作并进行维修或替换离子源。这类停工期造成离子注入系统的生产率损失。因此，为了进行高质量的注入工序，需要长时间维持离子源的正常运作。
考虑到与作为离子注入的掺杂物源的CO2相关的非期望沉积物，由于CO中较低的含氧量，一氧化碳(CO)作为备选的掺杂物气体源出现。较低的含氧量减少了WOx形成量。然而，在离子源的运行期间已观察到CO形成大量碳(C)和碳化钨(WC)沉积物。C沉积物为CO的等离子体分解的结果，而WC沉积物的形成是CO和它的等离子体裂解产物与钨基腔室组件相互作用的结果。所述C/WC沉积物可产生束流突波，由此产生对短的离子源寿命的关注。
此外，CO为有毒气体，其引起重大的安全和环境上的挑战。典型地将CO高压储存在圆筒内。高压储存CO是不可接受的，因为有出现圆筒泄漏或灾难性破裂的可能性。因此，CO的标准高压圆筒引发这些液体从高压圆筒非计划释放的危险。
存在未被满足的需要：当使用碳基掺杂物气体源进行碳注入时，减少在离子腔室内的沉积物，以及碳基掺杂物气体源的安全储存和输送装置的方法和系统。本发明的其它方面对阅读完本说明书、附图和附录的权利要求书后的本领域普通技术人员而言会是显而易见的。
发明内容
本发明涉及碳离子注入系统和方法，其能够实现这类离子源的改善的寿命和性能。
本发明部分地涉及在负压条件下输送的CO基掺杂物气体混合物的单一供应源。
在第一方面，提供掺杂物气体混合物的单一供应源，其包含：一种或更多种的含碳掺杂物源气体，其以预先确定的浓度与稀释剂气体混合物预先混合，所述一种或更多种的含碳源至少包含CO，并且所述稀释剂气体混合物包含惰性气体和含氢气体；以及负压输送和储存装置，其用于维持在所述装置的内部体积内的所述掺杂物气体混合物处于加压状态，所述输送装置与排流路径是流体相通的，其中所述输送装置响应沿所述排流路径所达到的负压条件而启动以允许所述掺杂物组合物从所述装置的内部体积受控流出。
在第二方面，提供输送用于离子注入的掺杂物气体组合物的方法，其包括：提供一种或更多种的含碳掺杂物气体；提供包含惰性气体和含氢气体的稀释剂气体组合物；响应预先确定的真空条件启动所述一种或更多种的含碳掺杂物气体的受控流动；响应所述预先确定的真空条件启动所述稀释剂气体组合物的受控流动；将所述一种或更多种的含碳掺杂物气体引入离子源腔室内；将所述稀释剂气体组合物引入所述离子源腔室内；使所述一种或更多种的含碳掺杂物气体源离子化以产生碳离子；以及将所述碳离子注入基底内；其中所述一种或更多种的含碳掺杂物气体源与所述稀释剂气体组合物相互作用以减少沿所述碳离子源的沉淀物，而并不引起与纯CO相比碳离子束流的大幅度减少。
在第三方面，提供气体组合物，其包含：包含一氧化碳的碳基材料；包含氙气(Xe)和氢气的惰性稀释剂气体混合物，其中所述Xe和所述氢气以有效量被包含在内，所述有效量为约0.02至约0.20的Xe:H2的体积比率；并且所述(Xe+H2):CO以在约0.10至约0.30范围内的体积比率被包含在内。
附图简述
将从以下对本发明优选实施方案的详述连同附图更好地理解本发明的目的和益处，其中全文各处同样的数字表示相同的特征并且其中：
图1a显示用于根据本发明的原理分配含CO的掺杂物组合物的负压输送和储存装置；
图1b显示真空启动的止回阀，其完整地被安置在图1a的输送和储存装置内；
图2显示在所述阀体上不存在卸压装置的铝圆筒，其中所述圆筒具有被设计成使含CO的掺杂物气体组合物的内储存体积最大化的尺寸；
图3显示根据本发明的原理使用的离子注入机；
图4显示在碳注入的注入系统和方法内的图3的离子注入机；
图5显示CO+H2+Xe掺杂物气体组合物的不同组合物的相对C+束流；
图6显示在三种不同的电弧电流水平下CO+H2+Xe的不同掺杂物组合物的相对C+束流；和
图7a和7b分别显示在仅使用CO和使用本发明的含CO掺杂物组合物进行碳注入期间沉积物形成。
发明详述
通过以下详述更好地理解本发明各要素的关系和机能。详述考虑了以各种排列和组合的特征、方面和实施方案，其属于本公开的范围内。本公开可因此被具体描述为包含、由以下组成或主要由以下组成：这些特定的特征、方面和实施方案的任何这类排列和组合，或它们中选定的一种或几种。
如本文使用的，除非另外指出，所有的浓度被表述为体积百分比(“vol％”)。
本发明可包括以各种组合的任何以下实施方案并且还可包括下面在文字描绘或附图中所述的任何其它方面。
如所述的，虽然纯CO可产生相对高的C+束流，显著大量的碳(C)和碳化钨(WC)沉积物可产生束流突波从而减短离子源的寿命。向CO添加氢气(H2)来减少沉积物的形成已为人所知。当使用CO作为含碳源材料时，所述H2和CO相互作用以减少在离子腔室内的总体沉积物形成。然而，沉积物形成减少的发生是以更低的C+束流为代价的。
本发明通过以特定体积比率添加Xe对CO-H2混合物加以改进，如将被描述的，以改善所述C+束流。具体地，并且如将在实施例中所述的，与使用由CO和H2组成的掺杂物气体混合物所获得的C+束流相比，C+离子束流可增加超过20％。以这种方式，与现有技术不同，本发明允许实现与CO和H2相比的延长的离子源寿命和增加的C+束流的能力。
本发明的一个实施方案针对含碳掺杂物气体组合物，其优选地含有CO和稀释剂混合物。所述CO可与所述稀释剂混合物(其包括惰性气体和含氢气体)预先混合。如此处以及遍及说明书各处使用的术语“掺杂物气体组合物”旨在指离子源腔室的上游或内部所形成的产物组合物。如此处以及遍及说明书各处使用的术语“掺杂物气体组合物”还旨在指被包含在单一供应源内的混合物，如将被更详细地解释的。
已发现，将包含CO和稀释剂气体混合物(其包括以选定的体积比率存在的惰性气体和含氢气体)的掺杂物气体组合物引入离子源腔室允许离子源寿命与离子源性能的必要平衡得以实现。在优选的实施方案中，所述掺杂物气体混合物包括CO与惰性稀释剂气体混合物(其基本上由氙气(Xe)和氢气(H2)组成)。所述CO、Xe和H2以特定的浓度范围存在。与传统碳离子注入方法(其通常以牺牲减少沉积物的形成为代价仅能够实现增加的C+束流)相比，所述CO与Xe和H2的特定范围不仅实现了改善的离子源寿命还实现了改善的离子源性能。
根据一个实施方案，所述掺杂物气体组合物为以特定体积比率存在的CO、H2和Xe的混合物。Xe:H2的体积比率可在约0.02-0.20的范围内并且(Xe+H2):CO的体积比率可在约0.10-0.30的范围内。在更优选的实施方案中，Xe:H2的体积比率在约0.02-0.06的范围内并且(Xe+H2):CO的体积比率在约0.15-0.20的范围内。这类组成的混合物改善所述源的寿命，而同时在碳注入过程期间维持可接受水平的碳离子(C+)束流。换句话说，已发现所述组合物对减少离子设备内的沉积物积累的能力产生显著的影响，而同时不会使C+束流与仅由CO所产生的C+束流相比显著减少。
Xe为惰性气体，其较易被离子化并且由于它与其它掺杂物气体相比而言相对更大的原子大小，其具有大的离子化横截面。如此处以及遍及说明书各处使用的术语“离子化横截面”被定义为当原子或分子经历与离子源灯丝所放射出的电子的碰撞时，将发生离子化的概率。一旦形成等离子体，存在于气体混合物中的Xe易离子化，并且增加存在于所述等离子体相中的其它种类的离子化。当申请人在离子化期间将控制量的Xe加入CO和H2混合物时，观察到Xe的离子化作用。如将在实施例中所讨论的，最终观察到束流的改善。
设计本发明以保持加入CO+H2混合物的Xe的量在特定的组成范围内以在碳离子注入期间实现改善的性能。本发明意识到，C+束流对加入CO和H2的Xe的量是敏感的。如将在实施例中所示的，申请人意外地观察到当Xe在所述气体混合物中的比例增加到大大高于(Xe+H2):CO和Xe:H2的体积比率时，C+束流不利地减少，虽然保持净含碳气体流恒定地进入离子源腔室内。
除了在较高Xe水平时的较低C+束流，还意外地观察到，Xe的加入具有优先离子化氧而非碳的趋势。在更高的Xe水平时所述作用更加显著。具体地，当在掺杂物气体组合物中的Xe水平增加超过H2的上限时，O+与C+的比率也增加。O+与C+的这类比率增加是非期望的，由于其引起C+在从离子源引出的离子中的相对比例的下降。另外的O+离子可以容易地与在电弧腔室内的W组分反应并且产生WOx沉积物(其不是期望的)。因此本发明意识到需要控制在掺杂物气体组合物中的Xe的量以避免C+束流的损失和/或过量的WOx形成的形成。
通常在离子注入期间，为满足工艺要求和/或改善离子源设备的生产量，与正常操作值相比的C+束流的增加是期望的。可通过在较高的电弧电流下运行离子源以增加从所述离子源引出的离子的量来实现增加的C+束流。如将在实施例中解释的，申请人观察到，增加电弧电流水平不总是导致增加的C+束流水平。更确切地，所述掺杂物气体组合物对增加电弧电流水平的响应依赖于气体组合物的CO、Xe和H2的相对量。本发明意识到，所述掺杂物气体组合物对电弧电流水平的响应在最终配制最佳掺杂物气体混合组合物中起到重要的作用。本发明考虑CO、Xe和H相对量的作用来配制掺杂物气体组合物(其对增加电弧电流水平具有有利响应)，由此使得最终使用者能够在他们的离子源工具中实现高C+束流并且满足要求。
如所提到的，本发明使用具有在约.1至约.3范围内的(Xe+H2):CO的指定比率的CO-H2-Xe组合物。所选定的(Xe+H2):CO的确切比率依赖于多种因素，其包括实施离子注入的方式。例如，某些碳离子注入过程可容许较高量的沉积物，但要求较高的C+离子束流(即，束流的降低的稀释作用)。结果，选定(Xe+H2):CO的比率为在指定比率范围内的低端上。其它的碳离子注入应用可要求减少的沉积物但可容许稍低的束流，由此选取在指定比率范围内的高端上的组合物。
本发明对于碳离子注入过程(其中优选的掺杂物混合物为与由氙气和氢气组成的惰性稀释剂混合物预先混合的CO)是特别有利的。在优选的实施方案中，从单一供应源输送作为混合物的这类CO-H2-Xe组合物的能力可改善所述离子注入过程的性能。此外，单一供应源可确保以安全和一致的方式在预先确定的浓度下输送。
作为加压储存并从单一供应源输送的CO-H2-Xe的单一混合物，本发明可在储存期间和在最后输送至设备或工具后维持正确的共混浓度。
在优选的实施方案中，所述单一供应源为负压储存和输送装置，其用来储存并输送所述含CO的掺杂物气体混合物。设计所述负压储存和输送装置以维持在其内的掺杂物混合物处于加压的状态，而同时最小化或消除出现泄露或灾难性破裂(其典型地与高压圆筒相关)的危险。真空启动所述装置以便当沿排流路径达到了负压条件时允许所述掺杂物混合物向下游工序的受控流动。仅当合适的排放条件存在于所述装置外时，所述碳基混合物的排放才发生，由此避免了有毒的CO基混合物从所述储存和输送装置的非计划的释放。
图1a和1b显示具有由真空启动的超压止回阀元件102的负压储存和输送装置100的实例。所述真空启动的止回阀元件102优选地被完整地安置在储存容器或圆筒101内。所述负压储存和输送装置100可为商业购得的输送装置，如由销售并被公开在美国专利号5,937,895；6,045,115；6,007,609；7,708,028；和7,905,247中，它们全部通过引用以其全部内容并入本文。装置100将含CO的气体混合物以安全和受控的方式从圆筒101分配至用于碳注入的离子设备中。
装置100包含用于与加压圆筒101的出口管相通的端口主体104。如在图1b所示的可移动阀元件105(例如提升阀)被构造成在密封位置和开启位置之间移动。在密封位置时，阀元件105阻止了加压CO-掺杂物气体混合物从圆筒101的内部流出。位于阀元件105的下游的可展开的波纹管103可操作地与阀元件105相连，用于通过以下方式来控制阀元件105的移动：保持阀元件105在密封位置直至在波纹管103的内部和外部之间出现预先确定的压力差。在大气压或高于大气压下波纹管103被密封，并且与流体排放路径相通。因此，当波纹管103外的压力条件达到负压条件时，波纹管103获得在其内部波纹管腔室106和外部之间的压力差，其引起波纹管103膨胀。波纹管103的膨胀引起销107移动阀元件105至开启的结构，其为含CO掺杂物混合物从圆筒101的内部经过流体排出管线流出并流入离子设备(在其中可发生碳注入)产生流动路径。限流元件例如毛细管108可任选地被固定在真空启动的止回阀元件102上以进一步控制并限制掺杂物气体混合物从圆筒101的流出。有益处地，不需要外部的压力调节器来降低圆筒压力至沿流体排出管线使用的质流控制器可接受的压力。
仍参考图1b，阀元件102为真空启动的止回阀，其包含具有阀基或接触板109的提升阀105，具有贯穿插入其中的销107，用来与下游的波纹管腔室103相通。销107和阀基109形成在它们之间的通道。使销107适合于在密封位置(阻止沿所述通道的气体流动)和开启位置(允许沿所述通道的流动)之间往复移动。波纹管腔室106被布置在阀基109和销107的下游。波纹管腔室106定义了与销107上游的压力条件隔离的内部体积。波纹管腔室106适合于在与延伸至离子腔室的排出路径连通膨胀，在波纹管103周围产生真空条件并推动销107至开启位置以允许气体流动经过阀基109中的通道。
上文的销-提升阀和波纹管布置作为止回阀组合件102起作用，其可被设置成当达到在下游流动管线中的期望真空水平时可靠地启动。以这样的方式，阻止阀元件102的开启直至沿流体排出路径的压力下降至真空条件。由于典型的终端使用者的离子设备在100托或更小的负压运转，在例如500托或更小的压力的真空下分配含CO的掺杂物气体混合物确保了任何的泄漏仅渗漏到离子设备(在其中泄漏可快速地被检测到)中。结果，使用负压输送装置100输送CO基掺杂物混合物的离子注入法不需要确认不存在泄漏。
真空启动的输送和储存装置100可以预先确定的流动速度(其对于发生碳离子注入而言是足够的)输送所述CO、氙气和氢气的预先混合的供料。考虑任何的流动速度，只要Xe:H2和(Xe+H2)/CO的体积比率均维持在本发明的范围内。以受控的流动速度和浓度同时输送CO基掺杂物气体和稀释剂气体混合物的能力确保了在离子腔室内产生足够的束流，同时由于稀释剂气体混合物的存在显著减少碳基沉积物。以这样的方式，单一供应源确保了最佳量的CO基掺杂物气体和稀释剂气体混合物可在离子腔室内相互作用以减少在腔室内的碳基沉积物，同时保持了必需的碳离子化。单一供应源可消除当使掺杂物气体和稀释剂气体各自流入离子腔室时所遇到的工艺挑战。
本发明考虑了各种其它类型的机械设计，其可被用来实现掺杂物气体混合物的负压输送。例如，一种或更多种的阀元件和/或限流元件可被用来分配并控制掺杂物气体的负压输送。阀元件被构造成当将负压或真空的条件施加在圆筒的输送端口上时开启并输送掺杂物气体。阀元件和/或限流元件位于圆筒阀座的上游(其相对于气体从圆筒内部至输送端口的流动)。确切的位置可在端口主体内，在颈部空穴内或在圆筒内。备选地，阀装置可被定位为沿所有三个位置延伸。
阀元件和/或限流元件的组合可包括各种排列形式的压力调节器、止回阀、过流阀、毛细管和限流孔。例如，可将两个压力调节器串联安置在圆筒内以下调掺杂物气体的圆筒压力至预先确定的压力(其对于沿流体排出管线所包含的下游质流控制器是可接受的)。这类压力调节器排列的合适的设计包括负压输送装置(可从ATMI,Inc商业购得)。
储存本发明的含CO掺杂物气体组合物的挑战也必须通过对图1a和图1b的负压装置100的合理设计得以解决。本发明用以下方式对CO基掺杂物混合物进行储存：不使用任何的碳基吸附介质来将所述混合物结合在其上。含碳吸附介质对CO具有亲合力且对氢气具有某种程度的亲合力。其它吸附介质也可对含CO的气体具有亲合力，或相反地对CO-掺杂物气体混合物的储存和输送具有不利的作用。因此，使用非吸附剂基储存系统来维持含CO掺杂物气体混合物的化学完整性并确保含CO气体混合物的适当储存和负压输送。
此外，在出于在储存的过程中离子化结合气体的目的永久地保留在圆筒内的任何离子混合物不存在时进行储存。本发明已意识到，离子溶液将杂质引入含CO的掺杂物混合物内，所述杂质的水平被认为对于在半导体工业中的离子注入工艺而言是不可接受的。
另外，本发明的输送和储存装置使用了化学惰性的圆筒表面以避免掺杂物气体与圆筒壁的任何反应。特别地，在用掺杂物混合物充满圆筒之前钝化在本发明中使用的圆筒。优选地，用氟基材料钝化圆筒以产生化学惰性的圆筒壁表面。钝化消除了含氢稀释剂气体与圆筒壁表面上的氧化物反应并形成水蒸气的趋势，其会污染掺杂物混合物。
至少部分地通过圆筒的建筑材料来进一步影响储存本发明的含CO掺杂物气体组合物的能力。就这一点，本发明意识到碳钢圆筒不适合用来储存本发明的含CO的掺杂物组合物，因为碳钢可引起由于羰基铁和其它微量羰基化合物(其为剧毒的)的形成产生的安全问题。
另一个安全问题涉及由应力腐蚀破裂引起的碳钢圆筒的损坏，其可由于CO、微量CO2和潮气之间的化学反应而发生。因此，根据本发明的原理，优选地不在碳钢圆筒内储存含CO的掺杂物组合物。在一个实施方案中，为含有本发明的CO基掺杂物混合物的圆筒挑选的材料为铝。一般来说，铝圆筒不会显示出上文所述的安全危害。
在优选的实施方案中，本发明的圆筒可将卸压装置(PRD)排除在外，通过保持圆筒尺寸在12英寸或更小的高度(排除颈部)和4.5英寸或更小的直径。图2显示铝结构材料的圆筒200的实例，其中所述圆筒具有12英寸的高度和4.5英寸的直径。这类尺寸低于美国运输部门要求在圆筒200的阀体上存在PRD的尺寸。本发明考虑落在PRD被固定在圆筒200的阀体上的要求之外的其它高度和尺寸。图2表示被设计成不需要PRD的最大圆筒体积。
由于本发明的CO-掺杂物组合物是有毒的，通常要求圆筒的阀体具有卸压装置(PRD)。设计PRD以在发生着火或过压时排出掺杂物气体含CO产物。但是，借助图1b的真空启动的止回阀组合件102，以及圆筒的尺寸，本发明结合充分的固有(built-in)安全特征以在不存在PRD的情况下维持安全操作和使用。移除在阀体110上的PRD排除了有毒CO的可能泄漏路径，由此进一步加强了本发明输送装置的安全性和结构完整性。就其它常规的储存装置(包括高压圆筒)而言，这类可靠性在以前是不可能的。因此，优选例如在图1a和1b所示的且进一步地其中圆筒由铝构成并且排除PRD的例如在图2中所示的负压输送成套设备用于本发明的CO基掺杂物气体组合物的安全和改善的输送。
以允许各种类的均质混合的方式进行储存圆筒内的所述含CO的掺杂物混合物的填充。可以任何顺序依次填充掺杂物混合物的各个种类。备选地，可在圆筒的上游预先混合各个种类并然后作为单一混合物引入其中。
当CO-掺杂物气体混合物由可压缩的种类组成时，优选地进行填充以便各个种类的分压都不会超过它的饱和蒸气压。圆筒的最大填充压力也不应该引起各种类间的相互作用。例如，当掺杂物混合物包括CO、氙气和氢气时，填充压力不能超过预先确定的阈值，在此阈值氙气和氢气的二聚反应可发生以形成化合物。在引入下游的离子腔室内之前氙-氢化合物的形成可不利地改变机理，通过该机理稀释剂气体混合物有减少离子腔室内的碳基和钨基沉积物以及减少C+束流的趋势。因此，本发明保持了CO-掺杂物混合物的各种类在加工条件(其不引起圆筒内各种类的相互作用)下的储存和负压输送。
参考图3和图4，显示按照本发明原理的示例性离子注入设备300。具体地，在一个实施例中，图3的离子源设备300可被用来生产用于注入C+离子的电子束。包含CO、Xe和H2的掺杂物气体混合物302经过延伸穿过电弧腔室壁311的气体进料管线313被引入离子源腔室312内。在一个实施方案中，(Xe+H2):CO的体积比率在约.1至约.3的范围内并且Xe:H2的体积比率在约.02-.20的范围内。优选地通过单一供应源402(被包含在气体箱401内，图4)来提供掺杂物气体混合物302的供应。供应源402优选为单一的负压输送和储存装置(如图1a和图1b所示)，其保持CO+Xe+H2在其中的内部体积内处于加压的状态。图4显示输送和储存装置402与延伸入离子源设备300的排流路径是流体相通的。响应沿排流路径所达到的负压条件启动负压输送和储存装置402以允许掺杂物气体混合物302从装置402的内部体积受控流出。
参考图3，通过施加来自电力供应源(未显示)的预先确定的电压以电阻加热灯丝314(其接近间接加热的阴极(IHC)315安置)使在腔室312内的掺杂物气体混合物303经受离子化。灯丝314可相对于IHC315负偏压。绝缘体318电学和热学上将IHC315与电弧腔室壁311隔绝。从灯丝314发射出的电子朝向IHC315加速以加热IHC 315至其本身的热离子发射温度(thermionic emission temperature)。由IHC 315发射的电子向离子腔室312加速并移动进入其中以离子化位于其内的掺杂物气体混合物303。掺杂物气体混合物303的离子化的气体分子产生等离子体环境。可放置推斥电极316与IHC 315直径相对以限制等离子体环境并保持和控制掺杂物气体混合物303在腔室312内的离子化。推斥电极316建立起负电荷以排斥电子退向掺杂物气体混合物303以与其碰撞并且保持掺杂物气体混合物303的离子化。
掺杂物气体混合物303的离子化使得碳作为离子、自由基或它们的组合被释放。通过按照本发明控制Xe与H2的比率以及控制Xe+H2与CO的比率，C+束流保持足够并且沉积物例如C基和氧化物基沉积物得以减少以使得离子源300能够持续运转。在整个离子注入过程中C+束流保持不变。
从离子源腔室312引出为具有期望能量的碳离子束的形式的碳离子。可通过在引出电极(其由抑制电极319和地电极320组成)之间施加高压来实施合适的引出技术。如在图3中所示地，这些抑制电极319和地电极320各自分别具有与引出孔317对齐的孔以确保从电弧腔室312引出的碳离子束321是界限明确的。
图4显示被合并在碳束管线离子注入系统400中的图3的离子源设备300。从气体箱401引进掺杂物气体混合物302。掺杂物气体混合物302被引入离子源腔室300内，在此能量被引入腔室内以离子化所述CO，如已参考图3描述的。
在产生期望流量的期望碳离子束后，离子束引出系统401被用来从离子源腔室413引出离子和自由基(以具有期望能量的离子束421的形式)。可通过在引出电极之间施加高压实施引出。被引出的束421被输送穿过质谱分析仪/过滤器405以挑选待注入的碳离子。过滤的离子束407可然后被加速/减速406并输送至位于终点台410内的目标工件409的表面以将碳离子(即C+)注入工件409内。碳离子束的碳离子与工件409的表面碰撞并渗入所述工件的表面至特定的深度以形成具有期望的电学性能和物理性质的掺杂区域。由于延长的源寿命和足够的C+束流，本发明允许生产率得以维持或增加。
应理解，可使用除了图3的离子源300以外的其它合适类型的离子源，其包括例如Freeman源、Bernas源和RF等离子体源。
虽然从单一供应源(例如负压输送装置)可进行各气体种类的输送，但应理解可通过以下方式从专用供应源引入所述CO、Xe和H2种类中的一种或更多种：它们在离子源腔室的上游或内部结合以形成本发明体积比率的掺杂物组合物。在一个实施例中，第一供应容器包含CO并且第二供应容器包含Xe和H2。提供第一和第二供应容器作为气体套件(gas kit)的部分。以这样的方式，所述CO、Xe和H2可协流(即可大体上同时进行所述气体进入腔室的流动)，或以任何顺序依次流入离子源腔室内。作为实例，可从单一的负压输送装置输送CO，并且可从另一个负压输送装置输送H2和Xe。所述输送装置可被构造在图4所示的气体箱401内。所述CO、Xe和H2在离子源腔室300的上游或在离子源腔室300内形成产物成分混合物。
在另一个实施例中，从单独的圆筒，优选地负压输送和储存装置(例如图1a的那种)供应所述CO、Xe和H2气体混合物中的各种。在运作中，所述CO、Xe和H2将以特定的流速协流或依次流入离子源腔室300内，所述流速确保在碳注入的整个过程中在离子源腔室300的上游或其内部产生并保持按照本发明的(Xe+H2):CO和Xe:H2的最佳体积比率。
CO可与超过一种的含碳基气体混合以实现期望的掺杂物气体混合物。在一个实施方案中，所述CO可与具有通式CxFy的含氟气体混合。含氟气体可选自但不限于CF4、C2F6、C2F4、C2F2、C3F8和C4F8以及它们的任何混合物。
与稀释剂气体混合物预先混合的CO和在特定浓度范围内的含氟气体的组合物的负压输送产生改善的掺杂物气体混合物，其能够最少化在腔室表面上的一系列成问题的沉积物，其并没有损害所述CO和所述含氟气体各自提供碳离子以产生具有足够束流的碳离子束的能力。例如5％体积的CF4和CO的混合物可导致在离子源腔室内的显著更少的碳化物基沉积物。向气体组合物添加氙气和氢气显著减少了在腔室壁上钨蚀刻的程度。优选地，储存于单一来源例如负压输送装置并从其中输送所述混合物。但可使用两个或更多个的装置来输送至离子源腔室内。本发明提供了安全储存和负压输送这类种类的能力以致在碳注入期间离子源性能有改善。
此外，关于稀释剂气体组合物，本发明考虑了除了H2以外的各种含氢气体。作为实例，所述含氢气体可含有CH4、C2H2、C2H4、C2H6和它们的任何混合物。可使用除了氙气以外的其它惰性气体例如氩气、氖气或氪气等。本发明考虑氩气、氖气、氪气和氙气的任何组合。公开在本文中的备选的含碳、含氢和惰性气体以被用于CO、Xe和H2的体积比率可预先混合或分开流动(例如协流或依次流动)。
下文的实施例显示如在表1中所列的不同的CO基掺杂物气体组合物被引入离子源腔室内并评估。离子化各混合物以生产相应的C+束，其随后被引出。对于所有组合物分流(split)，保持CO的流动不变以确保相同量的含碳气体被引入离子源内。不同组合物的[Xe+H2]:CO比率也维持在0.20以保持用含非碳气体稀释的程度恒定。所述比率还确保了关键工艺条件例如总流速和电弧腔室内的压力对于所有测试的运行来说是相同的，由此允许对向稀释气体和CO所添加的Xe的变化比例的作用的正确比较和评估。如将被进一步描述的，相对CO+H2标准化图5的结果以便评定向CO和H2添加Xe的作用。此外，相对在310mA电弧电流下的仅CO(气体混合物#1)标准化图6中的结果以便评定使用特定的CO+Xe+H掺杂物组合物时束流降低的程度。
比较实施例1(仅CO)
进行实验以评估当使用仅CO的掺杂物气体组合物(如在表1中所列的气体混合物1)时的离子源的性能，尤其评估由CO的离子化所获得的C+束流。使用的离子源为热阴极类型的设计，其由螺旋状灯丝和与所述灯丝的轴线垂直放置的阳极组成。
将CO引入离子源腔室内。使用从Praxair,Inc商业可购得的单一负压输送装置提供所述CO。
施加电能于灯丝上以产生电子。灯丝也用作为阴极并且因此在阳极和灯丝之间产生电势差以生成等离子体来离子化存在于离子源腔室内的CO气体。改变在灯丝上所施加的电能以获得不同的电弧电流。具体地，在三种不同的电弧电流设定(即275mA、310mA和340mA)下进行实验。测试在三种不同的电弧电流中的每一个下的C+束流。此外，还在延长的时间内进行离子化以评估在CO的离子化期间所形成的沉积物的量和性质。
束流结果在图6中示出。图6显示在所有电弧电流水平下仅使用CO产生最高的束流。但是观察到沉积物的积累达到最高(图7a)。图7a显示在阳极区域观察到含C和碳化钨(WC)的沉积物。此外，图7a显示也在离子源电弧腔室壁上观察到含C的晶须和一些WOx沉积物。
比较实施例2(CO+H2)
进行实验以评估在使用CO+H2掺杂物气体组合物(如在表1中所列的气体混合物4)时的离子源的性能，并且尤其评估从CO+H2混合物的离子化所得的C+束流。离子源为热阴极类型，其由螺旋状灯丝和与所述灯丝的轴线垂直放置的阳极组成。施加电能于灯丝上以产生电子。灯丝也用作为阴极以致在阳极和灯丝之间产生电势差以生成等离子体来离子化存在于离子源腔室内的气体。
使用负压输送装置来提供CO和H2，所述装置含有以1.0:0.20的体积比率存在的CO和H2(如表1所示)。维持CO的流速与在比较实施例1中的CO流速相同以确保等量的含碳气体被引入离子源中。
改变施加在所述灯丝上的电能以获得275mA、310mA和340mA的不同的设定。由于电弧电流改变，产生不同的C+束流。如在图6中所示地，测量在各个不同电弧电流下的C+束流。具体地，在275mA、310mA和340mA的三种不同的电弧电流设定下进行实验。观察到对增加电弧电流的期望的响应，其中C+束流随增加电弧电流而增加。但是对于所有的电弧电流水平来说，用CO+H2混合物获得的C+束流比仅使用CO所得的束流(图6)平均低25％。由于与仅CO相比束流显著下降，延时运作测试来评估沉积物的性质被认为是不实用的。
比较实施例3(CO+Xe+H2)
进行实验以评估当使用CO+Xe+H2的掺杂物气体组合物(如在表1中所列的气体混合物5)时的离子源的性能，并且尤其评估从这类组合物的离子化所得的C+束流。离子源为热阴极类型，其由螺旋状灯丝和与所述灯丝的轴线垂直放置的阳极组成。施加电能于灯丝上以产生电子。灯丝也用作为阴极以致在阳极和灯丝之间产生电势差以生成等离子体来离子化存在于离子源腔室内的气体。
分别使用单独的负压输送装置来提供CO和预先混合的Xe+H2的混合物(50vol％Xe，剩余部分H2)。所述CO和Xe+H2在被引入离子源之前在流动管线(flow line)内混合。控制CO和Xe+H2的混合物的流速以达到1.0:0.2的CO:(Xe+H2)的期望体积比率，如在下文表1中所示的。维持CO流速与在比较实施例1中的CO流速相同以确保等量的含碳气体被引入离子源中。
改变施加在所述灯丝上的电能以获得不同的电弧电流。由于电弧电流改变，产生不同的C+束流。如在图6中所示地，测量在各个不同电弧电流下的C+束流。具体地，在275mA、310mA和340mA的三种不同的电弧电流设定下进行实验。与气体混合物#2相反，所述CO+H2+Xe气体组合物显示出与电弧电流有负关联(图6)，其中电弧电流的增加产生C+束流的下降。平均起来，图6显示所述气体混合物显示出与仅CO相比的低35％的束流。此外，图5显示与CO+H2的气体混合物(比较实施例2)相比，束流的减少超过10％，由此，显示出Xe的添加实际上降低C+束流。由于束流显著下降，延时运作以评估沉积物的性质被认为是不实用的。
比较实施例4(CO+Xe)
进行实验以评估当使用CO+Xe的掺杂物气体组合物(如在表1中所列的气体混合物6)时的离子源的性能，并且尤其评估从这类组合物的离子化所得的C+束流。离子源为热阴极类型，其由螺旋状灯丝和与所述灯丝的轴线垂直放置的阳极组成。施加电能于灯丝上以产生电子。灯丝也用作为阴极以致在阳极和灯丝之间产生电势差以生成等离子体来离子化存在于离子源腔室内的气体。使用包含1.0:0.05体积比率的CO和Xe的负压输送装置来提供CO和Xe，如在表1中所示。维持CO的流速与在比较实施例1中的CO流速相同以确保等量的含碳气体被引入离子源中。
改变施加在所述灯丝上的电能以获得不同的电弧电流。由于电弧电流改变，产生不同的C+束流。如在图6中所示地，测量在各个不同电弧电流下的C+束流。具体地，在275mA、310mA和340mA的三种不同的电弧电流设定下进行实验。这种CO+Xe气体组合物显示出与电弧电流有负关联性。平均起来，图6显示所述气体组合物混合物显示出与仅CO(比较实施例1)相比的低35％的C+束流。用这种CO+Xe混合物获得的C+束流平均起来比仅使用CO所得的束流低20％-40％。
此外，在延长的时间内进行离子化以评估在CO+Xe混合物的这种特定的气体组合物的离子化期间所形成的沉积物的量和性质。在阳极区域内和电弧腔室壁上观察到大量的WOx和C基沉积物。
实施例1(CO+Xe+H2)
进行实验以评估当使用CO+Xe+H2的掺杂物气体组合物(如在表1中所列的气体混合物2)时的离子源的性能，并且尤其评估从这类组合物的离子化所得的C+束流。离子源为热阴极类型，其由螺旋状灯丝和与所述灯丝的轴线垂直放置的阳极组成。施加电能于灯丝上以产生电子。灯丝也用作为阴极以致在阳极和灯丝之间产生电势差以生成等离子体来离子化存在于离子源腔室内的气体。
使用用于CO和稀释剂Xe+H2混合物的单独的负压输送装置来提供CO和预先混合的Xe+H2稀释剂混合物(4vol％Xe，剩余部分H2)。所述CO和所述稀释剂混合物在被引入离子源之前在流动管线(flow line)内混合。控制CO和Xe+H2混合物的流速以达到1.0:0.2的CO:Xe+H2的期望体积比率，如在表1中所示的。维持CO的流速与在比较实施例1中的CO流速相同以确保等量的含碳气体被引入离子源中。
改变施加在所述灯丝上的电能以获得不同的电弧电流。由于电弧电流改变，产生不同的C+束流。如在图6中所示地，测量在各个不同电弧电流下的C+束流。具体地，在275mA、310mA和340mA的三种不同的电弧电流设定下进行实验。观察到对增加电弧电流的期望的响应，其中C+束流随增加电弧电流而增加。平均起来，这种CO+H2+Xe气体混合物显示出与仅CO相比低仅10％的束流(图6)，但与CO+H2气体混合物相比高约20％的束流(图5)。
此外，在延长的时间内进行离子化以评估在CO+Xe+H2混合物的这种特定的气体组合物的离子化期间所形成的沉积物的量和性质。数据表示在图7b中。图7b显示观察到气体混合物产生比仅CO情况(在图7a所示)显著更低的含C、WO和WOx的沉积物。
实施例2(CO+Xe+H2)
进行实验以评估当使用CO+Xe+H2的掺杂物气体组合物(如在表1中所列的气体混合物3)时的离子源的性能，并且尤其评估从这类组合物的离子化所得的C+束流。离子源为热阴极类型，其由螺旋状灯丝和与所述灯丝的轴线垂直放置的阳极组成。施加电能于灯丝上以产生电子。灯丝也用作为阴极以致在阳极和灯丝之间产生电势差以生成等离子体来离子化存在于离子源腔室内的气体。
使用用于CO和稀释剂Xe+H2混合物的单独的负压输送装置来提供CO和预先混合的Xe+H2稀释剂混合物(15vol％Xe，剩余部分H2)。所述CO和所述稀释剂混合物在被引入离子源之前在流动管线(flow line)内混合。控制CO和Xe+H2混合物的流速以达到1.0:0.2的CO:Xe+H2的期望体积比率。维持CO的流速与在比较实施例1中的CO流速相同以确保等量的含碳气体引入离子源中。
改变施加在所述灯丝上的电能以获得不同的电弧电流。由于电弧电流改变，产生不同的C+束流。如在图6中所示地，测量在各个不同电弧电流下的C+束流。具体地，在275mA、310mA和340mA的三种不同的电弧电流设定下进行实验。当电弧电流从275mA增加至310mA时，C+束流增加。当电弧电流增加至310mA时，观察到束流的微小下降。平均起来，与仅CO相比，所述气体混合物显示出低约20％的束流。
实施例说明将包含控制量的CO、Xe和H2的掺杂物组合物引入离子腔室的益处。实施例进一步说明了相对C+束流对Xe敏感并且Xe/H的比率应维持在控制的范围内。与CO+H2相比，Xe添加物可增加C+束流约20％(如在图5中所示的)，由此阻止了与仅CO(比较实施例1和图6)相比C+束流大幅下降。但与CO+H2相比，过量添加Xe可降低C+束流(如在图5中所示的)，并且因此导致与仅CO相比(比较实施例1和图6)C+束流的显著下降。此外，过量的Xe可非期望地产生与增加的电弧电流的负关联性。另外，过量的Xe可导致非期望的沉积物形成，其可缩短离子源的寿命。因此，本发明意识到向CO和H2加入控制量的Xe可产生可接受的C+束流并减少沉积物的形成。本发明提供特别的CO-掺杂物组合物，其具有之前认为相互排斥的性能特征的组合。
表1
在图5和6中所示数据的气体混合物组合物。所有的值被表示为体积比率。
因此当使用用于碳注入的CO基掺杂物气体源时，观察到具有创造性的掺杂物气体混合物减少在离子腔室内的沉积物，而同时仍产生足够的C+束流水平。
应理解，本发明的气体组合物具有其它的应用。例如，所述气体组合物可在合适的处理条件下被用于化学气相沉积或原子层沉积工艺中来改变气体混合物的化学性质以便引起薄膜碳层的沉积。备选地，所述气体组合物也可被用来将金属氧化层还原为金属层。作为实例，氧化钨可在CO和/或CF4的环境中被退火以将氧化钨还原为金属钨层。CO作为还原气体从氧化钨层中夺取氧，由此将氧化钨还原为元素钨。此外，CF4的存在可加速氧化钨还原为元素钨，其通过潜在地氟化氧化钨层，由此增大它的去除速度。最终结果为氧化钨更快地还原为纯钨层的能力。
虽然已显示并描述被认为是本发明的某些实施方案的那些，当然应理解可容易地做出形式上或细节上的各种修改和改变，且并不背离本发明的精神和范围。因此这意味着本发明不限于本文显示并描述的精确的形式和细节，也不限于小于本文所公开并在下文中所请求保护的整个发明的任何范围。

Claims (22)

1.掺杂物气体混合物的单一供应源，其包含：
一种或更多种的含碳掺杂物源气体，其以预先确定的浓度与稀释剂气体混合物预先混合，所述一种或更多种的含碳源至少包含CO，且所述稀释剂气体混合物包含惰性气体和含氢气体；和
负压输送和储存装置，其用于维持在所述装置的内部体积内的所述掺杂物气体混合物处于加压状态，所述输送装置与排流路径是流体相通的，其中所述输送装置响应沿所述排流路径所达到的负压条件而启动以允许所述掺杂物组合物从所述装置的内部体积受控流出。
2.权利要求1的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述惰性气体选自氙气、氩气、氖气、氪气或它们的任何组合。
3.权利要求1的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述一种或更多种的含碳源选自C2F6、CF4、C4F8、C2F4、CH4、C2H2和它们的混合物。
4.权利要求1的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述一种或更多种的含碳源为CO，并且所述稀释剂气体混合物基本上由氙气和氢气组成。
5.权利要求1的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述负压输送和储存装置包含由铝构成的圆筒和阀体，并且进一步地所述阀体的特征在于不存在卸压装置。
6.权利要求1的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述负压输送和储存装置包含一个或更多个阀元件和/或选自压力调节器、止回阀、过流阀和限流孔的限流元件的组合。
7.权利要求6的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述输送和储存装置包含串联布置在所述圆筒内部的一个或更多个压力调节器。
8.权利要求6的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述限流元件包括毛细管。
9.权利要求1的掺杂物气体混合物的单一供应源，其中所述输送和储存装置包含具有通过钝化壁表面定义的内部的圆筒。
10.权利要求1的掺杂物气体混合物的单一供应源，所述输送和储存装置的特征在于其内部未容纳吸附介质或离子混合物。
11.输送用于离子注入的掺杂物气体组合物的方法，所述方法包括：
提供至少包含CO的一种或更多种的含碳掺杂物气体；
提供包含惰性气体和含氢气体的稀释剂气体组合物；
响应预定的真空条件启动所述一种或更多种的含碳掺杂物气体的受控流动；
响应预定的真空条件启动所述稀释剂气体组合物的受控流动；
将所述一种或更多种的含碳掺杂物气体引入离子源腔室内；
将所述稀释剂气体组合物引入所述离子源腔室内；
使所述一种或更多种的含碳掺杂物气体源离子化以生产碳离子；以及
将所述碳离子注入基底；
其中所述一种或更多种的含碳掺杂物气体源与所述稀释剂气体组合物相互作用以减少沿碳离子源的沉积物，而并不引起与纯CO相比碳离子束流的大幅减少。
12.权利要求11的方法，其中所述一种或更多种的含碳源包含CO并且所述稀释剂气体组合物包含Xe和H2，其中所述Xe和H2处于在约0.02至约0.20的范围内的预定体积比率并且(Xe+H2):CO以在约0.10至约0.30的范围内的预定体积比率被包含在内。
13.权利要求11的方法，其进一步地包括预先混合所述CO、氙气和氢气的步骤。
14.权利要求13的方法，其中所述预先混合的步骤包括：
用CO充满负压输送和储存装置；
用Xe和H2充满所述装置；
产生加压混合物；
保持真空启动阀处于密封结构以维持在所述装置内的混合物处于预先确定的储存压力下。
15.权利要求12的方法，其进一步包括所述CO流与所述Xe和H2流的协流或依次流动。
16.气体组合物，其包含：
包含一氧化碳的碳基材料；
包含氙气(Xe)和氢气(H2)的惰性稀释剂气体混合物，其中所述Xe和所述H2以有效量被包含在内，所述有效量为约0.02至约0.20的Xe:H2的体积比率；并且
其中所述(Xe+H2):CO以约0.10至约0.30的范围内的体积比率被包含在内。
17.权利要求16的气体组合物，其中所述气体组合物被预先混合为在单一供应源内的掺杂物混合物。
18.权利要求17的气体组合物，其中所述单一供应源为负压输送和储存装置，其用于维持在所述装置的内部体积内的所述掺杂物混合物处于加压状态，所述输送装置与排流路径是流体相通的，其中所述输送装置响应沿所述排流路径所达到的负压条件而启动以允许所述掺杂混合物从所述装置的内部体积受控流出并延伸入离子源腔室内。
19.权利要求16的气体组合物，其中所述Xe:H2以在约0.02至约0.06范围内的体积比率被包含在内。
20.权利要求16的气体组合物，其中所述(Xe+H2):CO以在约0.15至约0.20范围内的体积比率被包含在内。
21.权利要求16的气体组合物，其中第一供应容器包含CO并且第二供应容器包含Xe和H2，所述第一和第二容器作为气体套件的部分提供。
22.权利要求21的气体组合物，其中所述第一和所述第二供应容器各自为负压输送和储存装置，用于维持在所述装置的内部体积内的所述CO和所述Xe和H2处于加压状态，其中所述第一和所述第二供应容器各自响应沿所述排流路径所达到的负压条件而启动以允许所述CO和所述Xe和H2从所述相应的第一和第二供应容器的内部体积受控流出并延伸入离子源腔室内。
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