CN105340049B - 离子源及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离子源及其操作方法。所述离子源包括离子源腔室、配置在离子源腔室中且经设置以发射电子以产生电弧等离子体的阴极、以及经设置以将电子驱除回到电弧等离子体中的斥拒极。离子源腔室及阴极可包括耐火金属。离子源腔室还包括经设置以提供卤素物种至离子源腔室的气体源。在第一组操作条件下，反应性插件与卤素物种互相起作用以在离子源腔室中得到耐火金属的第一蚀刻速率，当离子源腔室中不配置有反应性插件时，在第一组操作条件下，离子源腔室中的耐火金属的第二蚀刻速率大于第一蚀刻速率。该方案除了减少离子源表面的金属蚀刻外，使用硅做为反应性插件的实施例的优点包括没有额外的金属物种从硅插件被引入至电弧等离子体中。

Description

离子源及其操作方法
技术领域
实施例是有关于离子源领域。更特别地说，该些实施例是有关于改善搭配卤素物种使用的离子源的生命期。
背景技术
离子源(例如是间接加热阴极(IHC)离子源)用于产生各种离子物种，离子物种包括用于植入至半导体基板中以控制其电性的掺质离子。许多掺质离子的前驱物包含卤素物种(例如氟)，例如BF3、B2F4、GeF4、PF3、SiF4等，其可以在离子源中产生腐蚀环境。特别地说，IHC离子源的生命期典型地受限于离子源的阴极及斥拒极组件的生命期。在操作期间，暴露在卤素(例如含氟物种)的离子源的部分可能会受到腐蚀。举例而言，离子源组件可至少部分地由钨所构成，其在操作期间暴露于氟物种。可能建立卤循环(halogen cycle)，其从离子源中的相对冷的表面上移除钨，并在相对热的表面(例如热电极表面或腔室壁)上将钨再沉积。因此，在一些电极表面上可能会发生无法控制的钨成长，其在离子源操作期间会造成脉冲波干扰(glitching)。脉冲波干扰是平顺操作的离子源受到在离子源内侧或离子提取系统中所发生的电弧(arcing)扰乱的一种现象。举例而言，当在电极表面上成长了尖锐的钨突起(protuberance)时，将加剧脉冲波干扰。因为电场在突起表面处以强度级数增加，使得尖锐的突起可能易于产生单极或双极的电弧放电(电弧等离子体)。再者，随着再沉积的金属材料的不规则成长持续进行，此种成长可能导致电极与离子源腔室壁之间的电性短路，而使得电弧操作无法进行。基于上述及其他考量而需要本改善方案。
发明内容
实施例包括改良的离子源及用于延长离子源生命期的技术。在一实施例中，离子源包括离子源腔室、配置在离子源腔室中且经设置以发射电子以产生电弧等离子体的阴极、以及经设置以将电子驱除回到电弧等离子体中的斥拒极。离子源腔室及阴极可包括耐火金属。离子源腔室还包括经设置以提供卤素物种至离子源腔室的气体源、以及配置在离子源腔室中的反应性插件。在第一组操作条件下，反应性插件与卤素物种互相起作用以在离子源腔室中得到耐火金属的第一蚀刻速率，当离子源腔室中不配置有反应性插件时，在第一组操作条件下，离子源腔室中的耐火金属的第二蚀刻速率大于第一蚀刻速率。
在另一实施例，离子源的操作方法包括提供卤素物种至离子源的离子源腔室，其中离子源腔室包括耐火金属。所述方法也包括：在离子源腔室中提供反应性插件，反应性插件经设置与卤素物种反应以制造一种或多种产物物种；以及，产生电弧等离子体，电弧等离子体包括离子源腔室中的反应性物种，其中在第一组操作条件下，卤素气体与反应性插件互相起作用以在离子源腔室中得到耐火金属的第一蚀刻速率，当离子源腔室中不配置有反应性插件时，在第一组操作条件下，离子源腔室中的耐火金属的第二蚀刻速率大于第一蚀刻速率。
附图说明
图1A示出示范离子源的侧视图。
图1B示出图1A的离子源的上视图。
图2A示出在一组条件下的示范离子源的操作期间所制造出的物种的质谱。
图2B示出在另一组条件下的图2A的示范离子源的操作期间所制造出的物种的另一质谱。
图2C示出在图2B的该组操作条件下的图2A的示范离子源的操作期间所制造出的物种的另一质谱。
图3示出在额外的一组条件下的示范离子源的操作期间所制造出的物种的另一质谱。
具体实施方式
现在将参照示出一些实施例的附图在下文中更完整地描述本申请。然而，此申请的目的可以许多不同形式来实施且不应该被视为受限于本文中所阐述的实施例。取而代之的是，提供这些实施例以使得此申请将更为通透及完整，且将更完整地传达此申请的目的的范围给本技术领域具有通常知识者。在图式中，相似元件符号始终表示相似的元件。
在多个示范实施例中，离子源经设置以改善效能及/或延长离子源的操作生命期。根据本实施例配置的离子源包括由耐火金属构成且经设计以在高温下操作的多种离子源。在这些离子源中，包括间接加热阴极(IHC)离子源，其中阴极可在超过2000℃的温度下操作(例如是约2200℃)。离子源可至少部分地由钨、钼或其他耐火金属所构成。在操作期间，离子源的其他部分(例如离子源腔室壁)可达到500℃至约1000℃的温度范围内，且特别是介于500℃至约800℃之间。在本实施例中，提供由耐火金属构成的离子源及置于暴露于蚀刻物种的离子源腔室中的反应性插件，蚀刻物种是当在离子源腔室中点燃电弧放电(电弧等离子体)所产生的。在使用卤素气体、卤素物种(例如是卤素气体)或卤素气体的产物的离子源的操作期间，反应性插件联合卤素物种互相起作用以减少来自于离子源腔室中的耐火金属蚀刻。词汇“卤素物种”在本文中是指称任何含卤素的气体化合物及其可能在等离子体中产生的衍生物。此对于减少离子源组件的腐蚀是有益的，且此亦防止由被蚀刻的耐火金属的再沉积所造成之耐火金属在离子源热表面上的再成长。接着，随着耐火金属再成长的减少，将减少或防止可能由再成长的耐火金属沉积物所另外产生的不稳定性及/或短路。如以下详述，卤素物种及/或反应性插件可起作用以产生低游离电位(ionization potential)的气体物种，其中所述低游离电位为约11eV以下。此对于降低电弧等离子体中的电子温度是有效的，且此间接地降低等离子体电位且因此导致了低撞击能(bombarding energy)的离子穿越电弧腔室壁前或电弧电极前的鞘。低的离子能转换为在耐火金属表面的低的离子溅镀场(ion sputter yield)。反应性插件亦可与卤素物种扮演产生反应产物的牺牲材料，且从而减少卤素物种与耐火金属表面的反应，以使得在离子源操作期间此种表面的蚀刻速率相较于不存在反应性插件来说是低的。
图1A示出根据本实施例的离子源100的一般特征。离子源100为间接加热阴极(IHC)离子源，其包括离子源腔室102，离子源腔室102装载有阴极104、斥拒极108及具有提取孔113的提取板112。离子源100也包括灯丝106以加热阴极104。在操作中，通过气体歧管110将物种(例如是气体物种)透过进气口111提供至离子源腔室102的内部114。气体歧管110可以气体物种或蒸气的形式提供给料，给料在离子源腔室102中为可离子化的。根据本实施例，适合的给料包括硼(B)、碳(C)、磷(P)、砷(As)、硅(Si)、氢(H)及氟(F)的一种或多种气体化合物。实施例不受限于本文所述者。
当加热阴极114且在离子源腔室102与阴极104及斥拒极108之间施加电位差(电压)时，可产生电弧等离子体116，其中阴极及斥拒极被保持在相同的电位。离子源100耦接至为了清楚说明而末示出的多个习知组件，其包括用于阴极104及灯丝106的电源供应器。在多个实施例中，离子源腔室及其中包括阴极104及斥拒极108的组件是由钨、钼、或其他耐火金属所构成的。在多个实施例中，可以卤素物种的形式供应给料。举例来说，离子源100可被运用于习知用于B、P、As、Si或其他物种的离子植入的束线设备中，且B、P、As、Si或其他物种中的各者可由含卤前驱物物种衍生。可用做为通过离子源100所产生的离子的前驱物的卤素物种的实例包括BF3、PF3、SiF4、B2F4、GeF4等。此外，卤素物种包括另一卤素物种的产物。举例而言，可将BF3气体提供至离子源，且BF3离子、BF2中性粒子(neutral)、BF2离子、BF中性粒子、BF离子及F中性粒子、F正价离子及负价离子及其他重的中性自由基或离子BxFy等全部可透过来自母BF3气体的一个或多个制程产生，且将全部被视为卤素物种。实施例不受限于本文所述者。
进一步如图1B所示出者，离子源100包括一对反应性插件118。在所示出的实施例中，第一反应性插件118配置在离子源腔室102的第一区(上部)中，而第二反应性插件118配置在离子源腔室102的第二区(下部)中。在其他实施例中，离子源中可包括单一反应性插件或三个或更多的反应性插件。值得注意的是，在其他实施例中，一对反应性插件可位于离子源腔室102相对的左区及右区(从图1B的角度观看)中。如以下详述，反应性插件118经设置与含卤素物种反应，以限制离子源腔室102中的耐火金属材料的蚀刻或腐蚀。由于阴极104及斥拒极108两者皆由耐火金属所构成，此减少的腐蚀增加两者的生命期，其改善离子源生命期。
在IHC离子源是由钨构成的案例中，本案发明人已发现用于反应性插件118的材料与供应至离子源腔室102的卤素物种的特定组合对减少钨腐蚀特别地有效。在习知操作中，所谓卤循环意味着，在卤素物种(例如氟物种)存在时将钨原子从相对冷的表面移除，并在相对热的表面上再沉积钨原子。通过在离子源100的操作期间提供反应性插件118及反应性物种的组合，可以减少钨蚀刻的方式来改变电弧等离子体116的化学性质及能量。
在一组实验中，由单一平板组成的α-氧化铝(或“Al2O3”)插件配置在钨IHC离子源腔室中，在钨IHC离子源腔室中使用不同的氟化气体来制造放电。特别地说，操作离子源中的电弧等离子体持续65小时，同时将NF3供应至离子源腔室。操作后，可在整个离子源腔室中观察到大量的钨沉积物，包括在阴极表面上的约1至2公分厚的钨沉积物。特别地说，在一例中，操作离子源中的电弧等离子体持续65小时，同时将NF3供应至离子源腔室。操作后，可在整个离子源腔室中观察到大量的钨沉积物，包括在阴极及斥拒极表面上的约1至3毫米的钨沉积物。在第二例中，除了供应BF3至离子源腔室之外，在准相同操作条件下操作离子源中的电弧等离子体持续120小时。操作后，观察到少量的钨再沉积。
在另外的实验中，在使用NF3及BF3型电弧等离子体的离子源的操作期间，将所提取的离子束的质谱收集并进行比对。图2A示出对IHC离子源供给2.1sccm的NF3及0.4sccm的H2时自IHC离子源所提取的离子质谱200。此质谱(其将离子电流(ion current)示出为离子质量/电荷比例的函数)的特征在于做为标示的多个波峰。这些波峰包括铝物种及由NF3前驱物物种所衍生的副产物物种。特别地说，谱区202包括表示电流约为4mA的波峰，其属于质荷比(mass/charge ratio)为约27amu的单一电荷Al+。质谱200也包括分别表示AlF2+及AlF+的波峰204及波峰205，其可由NF3衍生的氟物种与Al2O3插件的反应形成。在质谱200中亦存在有宽的波峰206(其为六个同位素的迭积(convolution))，波峰206的峰电流为约1mA且属于W2+。这些结果表示，伴随着在65小时的操作后观察到大量再沉积的钨位于阴极上，在2.1sccm的NF3及0.4sccm的H2的气流条件下离子源放电时产生大量的钨元素物种。
反之，图2B示出质谱210，其收集自当提供2.3sccm的BF3至离子源腔室时从IHC离子源所提取的离子。相似于图2A所观察到的结果，谱区212包括表示电流约为4.5mA的波峰，其属于质荷比为约27amu的单一电荷Al+。然而，质谱210在属于W2+的谱区214中示出非常小的波峰。再者，如图2C所示出，当延伸的质谱220的收集高达200amu/电荷(amu/charge)时，相对于Al+的波峰来说，波峰222及224(分别表示W2+及W+)非常小。这些结果表示，相较于在2.1sccm的NF3/0.1sccm的H2的气流条件下的离子源的操作来说，在氧化铝插件存在时，在2.3sccm的BF3的气流条件下离子源的操作使得离子源放电时的钨蚀刻速率大幅地减少。
从在离子源中点燃电弧等离子体时所发生的基本制程的能量的观点可解释上述结果。观察到在特定的一组操作条件下，于BF3型等离子体与NF3型等离子体之间的改变使得等离子体密度大幅地改变。此可使得等离子体电位大幅地改变，且间接地改变撞击离子源腔室(包括腔室壁、斥拒极、阴极及面板)表面的离子物种的动能。特别地说，电弧等离子体中的等离子体的形式意味着，相对于腔室及电极电位而言，等离子体中的电荷密度与等离子体电位是平衡的。值得注意的是，等离子体为准电中性的，其意指离子数相等于电子数。当等离子体密度相对低时，等离子体羽(plasma plume)(电弧等离子体)与阴极电位之间的电位差(又称“阴极陷(cathodic fall)”)相对地高。随着等离子体密度降低，阴极陷调整变得较大，从而使得较高动能的离子离开等离子体羽。此情形导致在离子撞击时从阴极发射较多的二次电子。接着，增加的电子发射使得等离子体维持动态平衡。若等离子体密度相对地高，则阴极陷变得相对地小。在此情形中，为了维持平衡，将使得更多的离子撞击阴极以补偿从等离子体向阴极加速的离子被给予较小的离子能。
从相对于NF3等离子体在BF3等离子体中所产生的物种的游离电位差的观点可至少部分地解释于BF3等离子体与NF3等离子体之间的等离子体性质的改变。表I说明BF3等离子体及NF3等离子体中多个感兴趣物种的游离能。除非另外标示，本文中的词汇“游离能”是指第一游离能。在BF3等离子体中，BF3分子可解离为BF2、BF、及B等物种。如表I所说明，这些解离产物物种的游离能为8至11eV的范围内，其大幅地低于NF3等离子体的解离产物的游离能，包括F(17.42eV)、N(14.71eV)及N2(15.75eV)。鉴于上述事实，游离截面(ionizationcross-section)仅有些许的不同，且此导致相较于NF3型等离子体的解离产物而言，BF3的硼解离产物具有较高的游离率系数。此可通过使用Al2O3插件的IHC离子源操作期间的量测来确认，其中在相同的放电功率下，BF3型等离子体产生约25mA的电流，而NF3型等离子体仅产生约16mA的电流。较高的等离子体密度导致较小的等离子体电位，且因此当离子从等离子体加速并撞击离子源腔室中的表面(其转变为较低离子能的离子撞击离子源腔室的金属表面)，等离子体流与离子源腔室表面之间的电位差较小。因此，如所观察到的，可预期在BF3型等离子体中有较少的溅镀材料(例如钨)。
物种 游离能(eV)
B 8.29
BF2 9.40
BF 11.12
BF3 15.70
F 17.42
N 14.71
N2 15.75
表I多个物种的游离能
应注意的是，当电弧等离子体是由衍生于氧化铝插件的NF3型等离子体或BF3型等离子体气体物种点燃时，其自身可调整等离子体的性质。举列而言，相信铝或氟化铝产物可在氧化铝暴露于含氟前驱物的等离子体中产生。因为铝金属的第一游离电位为5.99eV，当铝自氧化铝插件被蚀刻时，由氧化铝插件产生的铝物种可作用以增加NF3型等离子体或BF3型等离子体中的等离子体密度。然而，在NF3型等离子体(其中解离产物的游离临界(ionization threshold)表示为约1.5eV或更高)存在时，铝物种无法对将等离子体密度增加至离子能减少以使得钨金属溅镀被抑制的程度发挥足够的贡献。另一方面，氧化铝插件及BF3的组合(两者所产生的物种的游离能在11eV以下)足以产生足够高的等离子体密度，且因此产生较低的离子撞击能以抑制离子源腔室中的钨溅镀。
在另外的实施例中，反应性插件118可由固态硅所制造。离子源100的操作期间，固态硅可扮演牺牲材料，其优先地被氟化气体或氟自由基所蚀刻，因此抑制了离子源腔室102的钨或钼表面的蚀刻及沉积。在一实施例中，反应性插件118经设置为固态硅插件，且将BF3气体提供至离子源腔室102。氟或氟化气体可易于与硅反应以产生氟化硅(例如SiF2及SiF4)，其在离子源腔室102的典型操作温度时各自为气相物种。此些SiF2及SiF4产物可因此在操作期间被易于排出离子源腔室102外。虽然反应性插件118中硅的存在抑制了钨材料的蚀刻，但被暴露的表面(例如离子源腔室102中的钨表面)仍可与含氟气体物种反应至一定的程度而产生氟化钨。接着，氟化钨可与反应性插件118(硅插件)反应以产生氟化硅，同时将氟化钨还原为钨金属。由于反应性插件118具有硅表面，且硅表面在离子源100的操作期间暴露于电弧等离子体116中，故通过来自放电的离子的硅表面溅镀可防止钨的钝化层形成在反应性插件118上。因此，当将反应性插件118设置为硅插件时，反应性插件118持续供应可蚀刻的硅，且其减少离子源腔室102中的钨或其他耐火金属从表面被蚀刻。因此，将硅材料用做为反应性插件118随同例如是BF3的气体，将有效减少耐火金属的蚀刻及减少耐火金属再沉积于阴极104、斥拒极108及离子源腔室102中的其他地方，因此增加离子源的生命期。
为了评价离子源与反应性硅插件的操作效果，进行一组实验，其中于操作期间存在及不存在固态硅插件时，从IHC离子源收集质谱。图3表示的实验结果包括在IHC离子源操作期间具有硅插件时的质谱302(连续线)、以及在IHC离子源操作期间不具有硅插件时的质谱304(虚线)。各质谱包括一系列的波峰，其表示不同的质荷比(如上述)。特别地说，质谱302包括多个波峰306、308、310、312、314及316，其表示硅离子及氟化硅(如所示出)。在质谱304中不存在这些波峰表示着波峰306至316是由硅插件的存在所产生的。其他硼、氟及氟化硼的波峰在质谱302及质谱304中是通用的，且它们表示由BF3气体衍生的离子物种的产物。再者，质谱304包括波峰318，其不存在于质谱302中(或非常低)。波峰318指示为W2+，从而表示当插件不存在时，电弧等离子体中存在大量的钨物种。质谱302中，在质荷比为约92amu处的W2+波峰降低表示使用硅插件大辐地抑制卤循环。除了减少离子源表面的金属蚀刻外，使用硅做为反应性插件的实施例的优点包括没有额外的金属物种从硅插件被引入至电弧等离子体中。此外，在离子源被用于植入硅的应用中，牺牲硅插件的存在增加了在电弧等离子体中离子化的气相硅的供应，且因此在特定的功率位准下增加了可从离子源提取的硅束电流(silicon beam current)。
应注意的是，在本实施例中，反应性插件(其对于抑制离子源腔室中的耐火金属表面的蚀刻是有效的)仅需要占据离子源腔室相对小的部分。在一些实施例中，反应性插件或插件可具有表面积A1，表面积A1为包括离子源腔室的内侧壁、阴极及斥拒极的表面积A2的部分。在一些情况下，A1/A2等于约0.01至0.2。因此，表面积构成由耐火金属表面所表示的表面积的适当部分的反应性插件或插件不需要将离子源的其他组件大幅地重新设计。
本申请不受限于本文所记载的特定实施例的范围。事实上，除了本文所揭示的实施例以外，本技术领域具有通常知识者将从所阐述的记载及附图理解到本申请的其他多个实施例及改良方法。因此，此些其他实施例及改良方法倾向于落于本申请的范围中。再者，虽然在本文中已为了特殊的目的在特殊的环境下以特殊的实施方式来描述本申请，但本技术领域具有通常知识者将理解本申请的用途将不受于此，且可为了任意数量的目的在任意数量的环境下有效地实施本申请。因此，应该如本文所记载之本揭露的全广度及精神来看待本申请的目的。

Claims (15)

1.一种离子源，包括：
离子源腔室；
阴极，配置在所述离子源腔室中且经设置以发射电子以在所述离子源腔室中产生电弧等离子体，所述离子源腔室及所述阴极包括耐火金属；
斥拒极，经设置以将电子驱除回到所述电弧等离子体中；以及
反应性插件，配置在所述离子源腔室中，所述反应性插件与被引入至所述离子源腔室中的卤素物种互相起作用以在所述离子源的操作期间抑制所述耐火金属的蚀刻。
2.根据权利要求1所述的离子源，其中所述反应性插件包括氧化铝。
3.根据权利要求1所述的离子源，其中所述反应性插件包括硅。
4.根据权利要求1所述的离子源，其中所述卤素物种包括BF3。
5.根据权利要求1所述的离子源，其中所述反应性插件为配置在所述离子源腔室的第一区中的第一反应性插件，所述离子源还包括第二反应性插件，所述第二反应性插件配置在所述离子源腔室的第二区中。
6.根据权利要求1所述的离子源，其中所述阴极及所述斥拒极配置在所述离子源腔室的对向侧，且其中所述反应性插件配置在所述阴极与所述斥拒极之间。
7.根据权利要求1所述的离子源，其中由所述反应性插件与所述卤素物种产生的产物物种具有11eV以下的游离能。
8.根据权利要求1所述的离子源，其中所述耐火金属包括钨或钼。
9.根据权利要求1所述的离子源，所述斥拒极配置在所述阴极的对向且由所述耐火金属构成，所述斥拒极及所述阴极保持在阴极电位。
10.根据权利要求8所述的离子源，其中所述反应性插件包括第一表面积A1，其中所述离子源腔室的内部腔室壁、所述阴极及所述斥拒极共同包括第二表面积A2，其中A1/A2的比等于0.01至0.20。
11.根据权利要求1所述的离子源，其中在第一组操作条件期间，所述阴极的温度为2000℃或更高，且所述离子源腔室的壁的温度包括在500℃至800℃的范围内的温度。
12.一种离子源的操作方法，包括：
提供卤素物种至具有耐火金属的离子源腔室；
在所述离子源腔室中提供反应性插件，所述反应性插件经设置以与所述卤素物种反应以产生一种或多种产物物种；以及
在所述离子源腔室中产生电弧等离子体，所述电弧等离子体包括所述卤素物种，其中所述卤素物种及所述反应性插件互相起作用以在所述离子源的操作期间抑制所述耐火金属的蚀刻。
13.根据权利要求12所述的离子源的操作方法，还包括将所述反应性插件提供为氧化铝插件。
14.根据权利要求12所述的离子源的操作方法，还包括将所述反应性插件提供为硅插件。
15.根据权利要求12所述的离子源的操作方法，还包括将所述卤素物种提供为BF3。
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