CN105702547B - 离子注入系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种离子注入系统及方法，提供掺杂气体馈送线路中掺杂气体的冷却，以对抗由于电弧腔室生成的热量而造成掺杂气体的加热与分解,例如使用诸如B2F4的硼源材料，或其它BF3的替代物。在此描述了各种电弧腔室热管理的设置，以及等离子体特性的改变、特定流动设置、清洗处理过程、功率管理、平衡偏移、提取光学器件的最优化、流动通道中的沉积物的探测，以及源寿命的最优化，以实现离子注入系统的有效操作。

Description

离子注入系统及方法
本申请是申请日为2010年10月25日，名称为“离子注入系统及方法”，申请号为201080054595.9的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请基于35USC 119(e)在此要求以下美国临时专利申请的优先权：在2009年10月27日由Robert Kaim等人提出的名称为“BORON ION IMPLANTATION APPARATUS ANDMETHOD”的美国临时专利申请No.61/255,097；在2010年6月25日由Edward Jones等人提出的名称为“ACTIVE COOLING FOR ION IMPLANT GAS DELIVERY SYSTEM”的美国临时专利申请No.61/358,541；以及在2010年5月27日由Edward Jones等人提出的名称为“ACTIVECOOLING FOR ION IMPLANT GAS DELIVERY SYSTEM”的美国临时专利申请No.61/349,202。所述美国临时专利申请Nos.61/358,541、61/255,097、61/349,202所有公开的内容皆在此以其各自的全部内容并用于任意的目的，以参考的方式引入本申请。
技术领域
本公开涉及离子注入系统及处理工艺，并且涉及在性能上提供意想不到的优点的这样系统的热管理；还涉及使用四氟化二硼(B2F4)的离子注入处理工艺与系统，以及涉及硼离子注入装置与方法，该装置与方法大体上例如用在诸如集成电路的微电子设备与半导体产品的制造中。
背景技术
离子注入用于集成电路制造中，以将控制量的掺杂杂质精确地引入半导体晶片中，且离子注入是微电子/半导体制造中关键的处理工艺。
在这样的注入系统中，离子源使掺杂源气体的期望掺杂元素离子化。通过将电子引入以掺杂源气体(通常也称为“原料气体”)填充的真空腔室，而使离子源生成离子。用于生成注入物料(species)的原料气体包括，但不限于BF3、B10H14、B12H22、PH3、AsH3、PF5、AsF5、H2Se、N2、Ar、GeF4、SiF4、O2、H2及GeH4。电子与气体中掺杂原子及分子的碰撞，导致产生了包含正和负掺杂离子的离子化等离子体。
以期望能量的离子束的形式将所得离子从离子源中提取出来。通过在适当形状的提取电极两端施加高电压，而实现提取，该提取电极结合有通孔以用于提取束通过。该提取束作为朝向衬底加速的准直离子束，穿过通孔并离开离子源。
离子束撞击在诸如半导体晶片的衬底表面上，以在衬底中注入掺杂元素。该束的离子穿透衬底表面，以形成期望的掺杂特征，例如特定传导率的区域。所注入的掺杂原子随后能够通过退火而激活，以形成电活性的掺杂区域。所注入的各种离子物料包括B、P、As、Se、N、Ar、Ge、Si、O、及H。硼是特别广泛使用的注入物料。
在微电子设备的通常制造中，具有许多注入步骤。关于更好的过程控制、以较低的能量传送高束电流以及减少注入装置故障(MTBF)之间的平均时间而言，增加晶片尺寸、减少临界维度以及增加电路复杂度逐渐愈来愈依赖离子注入工具。
离子注入系统的经济性操作要求最小化系统的停工时间，以及有效地操作离子源以生成用于注入操作的离子物料。
传统上，三氟化硼(BF3)已是用于微电子设备结构的硼掺杂的标准源。然而，BF3所存在的问题在于，与用在离子注入中的诸如砷化氢(As-H＝274kJ/mole-1)及磷化氢(P-H＝297kJ/mole-1)的其它掺杂物料相比，它需要巨大的能量去断裂B-F键(757kJ/mole)。因此，当注入硼时，离子源必须在高电弧电压下操作。然而高电弧电压产生了轰击离子源区域中的热灯丝或阴极的高能量离子，从而造成溅射侵蚀以及阴极失效。
已有报道指出提供给离子注入器的BF3掺杂物的80％可能原封不动地排出，即意味着BF3并未离子化，或即使离子化，由初始离子化所得到的组分已重新结合。因此，在高电弧电压下BF3的低离子化对于硼离子注入而言是显著的效率问题。
此外，发生在注入器装置的离子源区域中的离子化反应可能涉及在注入操作中的离子源的活性操作期间所生成或以其它方式存在的离子化/分解物料的显著沉积。
因此，在本领域中需要替代性的含硼掺杂前驱物以用于微电子设备结构的硼掺杂中，并且需要改善的处理工艺与系统，以实现注入器的增强的MTBF、处理效率与操作寿命，并且最小化注入器装置的离子源区域中非挥发性物料的累积。
发明内容
本发明涉及离子注入系统与方法。
在一方面，本发明涉及离子注入系统，包括：
离子源，所述离子源包括设置为在其中对气体进行离子化的电弧腔室；
掺杂气体源，其中所述掺杂气体包括至少一种从B2F4、B3F5、BHF2与BH2F之中选择的硼化合物；
掺杂气体馈送线路，用于将掺杂气体从所述掺杂气体源引入所述电弧腔室；以及
冷却结构，与所述掺杂气体馈送线路相关联，并且设置为冷却所述掺杂气体馈送线路中的掺杂气体，从而对抗由所述电弧腔室的操作中生成的热量对所述掺杂气体的加热，以及由于这样的热量造成的所述掺杂气体的分解，其中，所述冷却结构包括冷却通道，所述冷却通道设置为冷却所述掺杂气体馈送线路以及流经其中的掺杂气体，及其中，所述掺杂气体馈送线路设置为在其远端将掺杂气体释放到所述电弧腔室，并且其中，所述冷却通道定位在所述掺杂气体馈送线路的远端部分。
另一方面，本发明涉及在衬底中注入离子的方法，包括：在产生所述掺杂气体的离子化的条件下，将掺杂气体从相同的源传送到离子源的电弧腔室；以及在所述掺杂气体进入所述电弧腔室之前冷却一掺杂气体馈送线路中的所述掺杂气体，从而对抗由所述电弧腔室的操作中生成的热量对于所述掺杂气体的加热，以及由这样的热量造成的所述掺杂气体的分解，其中所述掺杂气体包括至少一种从B2F4、B3F5、BHF2与BH2F之中选择的硼化合物。
另一方面，本发明涉及一种离子注入系统，包括：离子源腔室，设置为在其中对气体进行离子化；冷却结构，设置为恰在供应至一气体馈送线路中的所述离子源腔室的所述气体进入所述离子源腔室之前对所述气体进行冷却；以及至少一个气体源容器，设置为将气体供应至所述离子源腔室，其中，所述气体包括至少一个从B2F4、B3F5、BHF2与BH2F中选择的硼化合物。
另一方面，本发明涉及一种在衬底中注入离子的方法，包括：将气体供应至离子源腔室，用以生成离子化掺杂物料；恰在供应至所述离子源腔室的所述气体进入所述离子源腔室之前对所述气体进行冷却；以及在所述衬底中注入离子化掺杂物料，其中，所述气体包括至少一个从B2F4、B3F5、BHF2与BH2F中选择的硼化合物。
另一方面，本发明涉及操作利用四氟化二硼的离子注入系统以生成用于注入的硼离子的方法，所述方法包括在四氟化二硼进入所述离子注入系统的电弧腔室之前，使冷却剂从离子源冷却剂供应器流出，所述冷却剂与所述四氟化二硼成热交换关系。
另一方面，本发明涉及用于硼离子注入的离子注入装置，其包括：气态硼源供应器；以及离子源，该离子源设置为接收来自该供应器的气态硼源，并且离子化所述气态硼源以形成离子态的硼物料，用于注入在衬底中，其中该气态硼源包括从B2F4、B2H6、B5H9、B3F5、BHF2及BH2F中选择的至少一种硼化合物。
本发明另一方面涉及离子注入方法，其包括：离子化离子源中的气态硼源，以形成离子态的硼物料，用于注入在衬底中，其中该气态硼源包括从B2F4、B2H6、B5H9、B3F5、BHF2及BH2F中选择的至少一种硼化合物。
本发明另一方面涉及用于离子注入装置的固体沉积监测与控制系统，其包括与流动通道相关联的离子源，该流动通道易于受到在该离子注入装置的操作中源自掺杂源材料的固体沉积的影响，这样的固体沉积监测与控制系统包括：监测设备，其设置为探测并提供指示该流动通道中源自所述掺杂气体的沉积固体的累积的输出；以及控制组件，响应于所述监测设备的输出，以调节所述离子注入装置的操作，从而在所述离子注入装置的后续操作中防止、减少或逆转来自所述掺杂源材料的沉积固体的所述累积。
本发明的另一方面涉及对抗离子注入系统中固体沉积的方法，该系统包括与流动路径相关联的离子源，该流动路径易于受到该离子注入系统的操作中源于该掺杂源材料的固体沉积的影响，这样的方法包括：监测并且响应式地生成指示所述流动路径中来自所述掺杂气体的沉积固体的累积的输出；以及
响应式地调节所述离子注入系统的操作，以在所述离子注入系统的后续操作中防止、减少或逆转来自所述掺杂源材料的沉积固体的所述累积。
参照随后的说明书与所附的权利要求将更加全面地明了本发明的其它方面、特征与实施例。
附图说明
图1是离子注入系统的示意图，该离子注入系统包括具有气体馈送线路的电弧腔室，该气体馈送线路用于将掺杂源气体馈送至该电弧腔室，以用于在该腔室中将其离子化；
图2是图1的离子注入系统的截面图，其示意性地示出了在这样的系统的电弧腔室中生成等离子体；
图3是图1的离子注入系统的截面图，其示意性地示出了在这样系统的电弧腔室中生成等离子体，其中相对于图2的系统来修改气体馈送线路，以提供这样的线路的主动冷却；
图4是离子源装置的透视图，其中已设置跨接线，以使离子源冷却水从离子源的冷却水出口流动至设置用于冷却掺杂源气体的散热器(在该视图中未示出散热器)的入口；
图5是散热器装置的透视图，该散热器装置机械地紧固到掺杂源气体馈送通道，其中冷却水流过该散热器主体以冷却掺杂源气体；
图6是具有散热器装置的离子源装置的透视图，该散热器装置机械地紧固到掺杂源气体馈送通道，以冷却流至离子源装置的掺杂源气体；
图7是图6的已安装了散热器装置的离子源装置的分解透视图，图中示出了离子源装置的细节；
图8是包括图5至图7中所示的各种离子源装置以及散热器装置的离子源组件的截面透视图；
图9是以摄氏度为单位的温度及所去除的以瓦为单位的热量作为时间的函数的曲线图，该曲线图示出了针对包括图5至图8中所示的各种离子源装置以及散热器装置的离子源组件的操作数据；
图10是用于利用BF3等离子体的硼注入的简化的反应矩阵的示意图；
图11是利用氢添加剂的BF3等离子体的简化的反应矩阵的示意图；
图12是包括容纳气体的存储与分配容器的离子注入处理系统的示意图，该气体被提供用于所示的离子注入腔室中的衬底的离子注入掺杂；
图13是离子注入系统的离子源的截面视图；
图14是沉积监测与控制系统的示意图，该沉积监测与控制系统可用于对抗与离子注入系统的离子源相关联的流动通道的闭塞；
图15是离子注入系统的另一离子源的示意图；
图16是针对使用NF3从离子源腔室表面去除硼残余物的清洗操作，束电流(mA)作为经过的时间(min)的函数的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及离子注入系统与方法。
本发明所基于的发现是，通过在离子源的电弧腔室之前结合掺杂气体的冷却，能够令人惊奇地增强离子源的性能及整体离子注入器的操作。该发现的令人惊奇的特征源于以下事实：离子化处理寻求将实质能量给予掺杂气体以形成离子物料，并且因此在传统做法上会使得在离子化操作中生成的热量通过掺杂气体馈送线路传播，以使得基本上预热掺杂气体以用于离子化及等离子体形成的操作，这些是已认识到的有利设置。
尽管有该认识，然而已发现在某些诸如四氟化二硼的掺杂气体的情况中，该热量传播会造成掺杂气体的不利分解，并且造成气体馈送线路的堵塞。由此，已发现，与现有技术的解决方式相反，利用对掺杂气体馈送线路的冷却以使得流过这样线路的掺杂气体冷却，从而在此类诸如四氟化二硼的掺杂气体的使用上提供了高性能的效率，而并不会发生掺杂气体的不利分解，以及不会造成至电弧腔室的掺杂气体馈送线路的堵塞。
因此，本发明所构思的离子注入系统，包括：
离子源，其包括设置为在其中对气体进行离子化的电弧腔室；
掺杂气体源；
掺杂气体馈送线路，用于将掺杂气体从该掺杂气体源引入该电弧腔室；以及
冷却结构，其与该掺杂气体馈送线路相关联，并且设置为冷却该掺杂气体馈送线路中的掺杂气体，因而对抗由该电弧腔室的操作中生成的热量对该掺杂气体的加热，以及由这样的热量造成的掺杂气体的分解。
冷却结构可以包括设置为以冷却护套(jacket)的形式冷却掺杂气体馈送线路以及流经其中的掺杂气体的冷却通道，诸如水或乙二醇/水溶液的适合的冷却剂或其它适合的传热冷却剂介质流过该护套。
为此，掺杂气体馈送线路可以在其远端设置成将掺杂气体释放进入电弧腔室，其中冷却通道定位在掺杂气体馈送线路的远端部分。
本发明在一个实施例中构思了完整的设置，其中用于离子源的水冷却组件用作冷却水源，该水冷却组件可操作地耦接至与掺杂气体馈送线路相关联的冷却通道，以使水流过冷却通道，从而冷却掺杂气体馈送线路和流经其中的掺杂气体。
掺杂气体源可以是任意适合的类型，但在各种特定的设置中，优选包含压力调节式的气体存储与分配容器，例如一种包括内部配置调节器的类型，以提供在由内部调节器组件的设定点设定的压力下掺杂气体的分配，这种类型可包括一个、两个或多于两个的调节器设备。这种类型的压力调节式容器可由美国康乃狄克州Danbury的旗下商标为VAC的ATMI公司购得。
诸如前述的压力调节式气体存储与分配容器的掺杂气体源容器可以容纳任意适合类型的掺杂气体。一个实施例中，掺杂气体可以包含诸如四氟化二硼的硼掺杂气体。当利用四氟化二硼(B2F4)作为掺杂气体时，可以将冷却结构可操作地设置为将掺杂气体馈送线路中的四氟化二硼的温度维持在700℃以下。
因此，本发明在另一方面构思了在衬底中注入离子的方法，该方法包括：在产生掺杂气体离子化的情况下，将该掺杂气体从相同的源输送到离子源的电弧腔室；以及在该掺杂气体进入该电弧腔室之前对掺杂气体进行冷却，从而对抗由该电弧腔室的操作中生成的热量对该掺杂气体的加热，以及由这样的热量造成的掺杂气体的分解。
该冷却可包括使冷却剂介质流过冷却通道，该冷却通道设置为冷却掺杂气体馈送线路以及流经其中的掺杂气体。如上所述，离子源可与水冷却组件一起设置，并且来自水冷却组件的水可以流过冷却通道，以冷却掺杂气体馈送线路以及流经其中的掺杂气体。可以从容纳有诸如四氟化二硼的硼掺杂气体的压力调节式气体存储与分配容器中，提供掺杂气体，并且可以进行冷却以将流至电弧腔室的四氟化二硼的温度维持在700℃以下。
本发明在另一方面涉及操作利用四氟化二硼的离子注入系统以生成用于注入的硼离子的方法，所述方法包括使冷却剂从离子源冷却剂供应器流出，此后四氟化二硼进入该离子注入系统的离子源腔室，该冷却剂与四氟化二硼成热交换关系。这样的方法也可用于增强利用其它掺杂源气体的离子注入系统的操作效率，该其它掺杂源气体易于分解，而可能会造成流动通道堵塞以及离子注入系统不期望的停工时间。
本发明的冷却方法因而提供一种防止四氟化二硼或其它易分解的气体在用于离子注入时分解的方法，同时使用现有的离子源冷却能力(去离子水)以主动地冷却掺杂气体馈送线路以及电弧腔室的周围区域。冷却掺杂气体馈送线路，从而在掺杂气体进入电弧腔室之前减少掺杂气体的热量。
图1是离子注入系统10的示意图，该离子注入系统包括具有气体馈送线路14的电弧腔室12，该气体馈送线路14用于将掺杂源气体馈送至该电弧腔室以用于在该腔室中将其离子化。
图2是图1的离子注入系统10的截面图，其示意性地示出了在这样的系统的电弧腔室12中生成等离子体16。掺杂气体以箭头A所指示的方向流进掺杂气体馈送线路14，该掺杂气体馈送线路14的监测热电偶TC1、TC2紧固到该掺杂气体馈送线路以与其成监测关系，从而确定馈送线路以及进入电弧腔室的气体的热状态的质量。
图3是图1的离子注入系统10的截面图，其示意性地示出了在这样系统的电弧腔室12中生成等离子体16，其中相对于图2的系统修改了气体馈送线路14，以提供这样线路的主动冷却。具体来说，气体馈送线路14与冷却介质以箭头B所指示的方向流过的冷却剂通道20相关联。将监测热电偶TC1与TC2紧固到该掺杂气体馈送线路上以具有监测关系，从而确定馈送线路以及进入电弧腔室的气体的热状态的质量。
冷却剂通道装可以设置为在掺杂气体馈送线路上的冷却护套，或可以包括环绕气体馈送线路的通道或与气体馈送线路相互交叉(interdigitated)的通道，或者包括其它热交换或冷却元件、阵列或组件，以有效地针对掺杂气体提供冷却，从而避免气体馈送线路与电弧腔室中堵塞的固体副产物的分解与沉积。
因此，应该理解能够以任意适合的方式来实施及操作本发明的冷却设置，以实现掺杂气体所必需的冷却，而冷却设置还可以与用于离子源的热管理控制系统集成，以使得合适地设定冷却剂的流量以及其它操作参数，以有效地用于利用诸如B2F4的掺杂源气体的离子注入，该B2F4可能对于某些离子注入用途是不适合的。本发明的冷却设置可以与利用相对应的各种掺杂源气体，例如包括砷化氢、磷化氢等的各种类型的离子注入系统一起使用。
在一个特定实施例中，电弧腔室与掺杂气体馈送线路耦接，来自容纳B2F4的
Figure BDA0000913585890000101
源容器的该掺杂气体馈送线路具有0.18英寸的内径以及4-6英尺的长度，其中掺杂气体以2-3标准立方厘米/分钟(sccm)的流量流至电弧腔室。可使用图3中示出的设置，其中在掺杂气体馈送线路中，TC1离电弧腔室大约0.4英寸，并且在这样的气体馈送线路中TC2离电弧腔室大约1.4英寸。所得的数据是在没有实施任何冷却而利用水冷却的情况下产生的。在下面的表1中示出了该数据，并且证实了图3的设置对于在温度显著低于700℃以下传送B2F4而没有分解的效果。
表1
温度测量值 无冷却 有冷却 百分比改变
TC1(℃) 698 224 -68％
TC2(℃) 441 66 -85％
图4-8示出本发明的各种附加的实施方式，涉及紧固至离子源装置以对馈送至离子源装置的掺杂源气体进行冷却的散热器装置。
图4是离子源装置40的透视图，其中已设置跨接线42，以使来自离子源的冷却水出口的离子源冷却水，流至设置用于冷却掺杂源气体的散热器(在该视图中未示出散热器)的入口。该设置因此利用现有的供应自离子源装置的用于冷却电弧腔室以及离子源装置其它部件的冷却水，从而在专用于冷却掺杂源气体的离子注入系统中提供附加的冷却能力。
图5是散热器装置50的透视图，该散热器装置机械地紧固到掺杂源气体馈送通道，如下文中更加充分示出的，其中冷却水经由冷却剂流动线路60和62，流过该散热器主体52以冷却掺杂源气体。因此，如下文所述，散热器主体包括一个或多个内部通道，冷却剂通过该一个或多个内部通道流过散热器主体，以冷却散热器主体以及冷却在其它穿过散热器主体的通道中流动的掺杂源气体。散热器主体设置有凹头冒螺钉(socket head cap screw)56以及螺帽58，作为使得散热器主体机械地紧固至掺杂源气体馈送通道结构的共同紧固元件，如下文结合图8描述的。如根据前面关于图4的论述可以理解的，冷却剂流动线路60与62可以与离子源冷却水流动回路耦接。
图6是具有散热器装置74的离子源装置70的透视图，该散热器装置74机械地紧固到掺杂源气体馈送通道，以冷却在气体馈送线路72中流至离子源装置的掺杂源气体。
图7是图6的离子源装置70的分解透视图，散热器装置74安装在离子源装置70上，以冷却线路72中流至离子源装置的掺杂源气体，该分解透视图示出包括离子源装置与散热器装置的离子源组件的细节。
图8是包括离子源装置70以及散热器装置50的离子源组件的截面透视图。该截面视图示出掺杂源气体馈送线路72，该掺杂源气体馈送线路72连接至气体馈送插头中的气体流动通道84上，并且连接到与离子源相关联的气体套管(bushing)中的气体流动通道86上。在本发明的一个实施例中，气体流动通道84及86可以是0.25-0.375英寸的量级，这样的通道内径大于所示装置上惯用的通道内径。这种超大尺寸的气体流动通道在掺杂源气体易于分解进而造成气体流动通道堵塞时相当有用。这种易于分解的掺杂源气体包括四氟化二硼。因此，图8中所示的超大尺寸的气体流动通道设置能够延长离子源装置维修期之间的寿命。
图8中所示的离子源装置包括经修改以包括在其中的开口82的基底衬板80，并且已发现该修改在利用易于分解的掺杂源气体时能够提供提高的离子源操作寿命。
其上安装有散热器装置的离子源装置、超大尺寸的掺杂源气体馈送通道、以及离子源的基底衬板中的气流开口的设置一起提供了高效率的离子源配置，相对于相应的支撑散热器装置、基底衬板开口与超大尺寸的掺杂源气体馈送通道的离子源装置，该配置对于诸如四氟化二硼的掺杂源气体，具有延长的操作寿命。
应该理解，散热器装置可采取各种其它形式，而并非机械地紧固至掺杂源气体流动线路；可以将散热器装置锻接、焊接、铜焊至掺杂源气体流动线路，或者散热器装置可采取气体流动线路的冷却水追踪的形式，或可使用其它交换或传热冷却结构与方法，以减少掺杂源气体的温度，使得掺杂源气体在受到离子化状况之前不会过早分解。
图9是以摄氏度为单位的温度及所去除的以瓦为单位的热量作为时间的函数的曲线图，该曲线图示出了针对包括图5至图8中所示的各种离子源装置以及散热器装置的离子源组件的操作数据。图9中所示的数据是采用以下条件而生成：B2F4作为掺杂源气体，以1.6单位立方厘米/分钟的流量流过0.25英寸的馈送通道至离子源装置，并且冷却水以3升/分钟的流量流过散热器装置的散热器主体。数据显示出显著的热量从掺杂源气流中被去除，从而使掺杂源气流有效冷却以改善离子源系统的操作。
现在将更加详细地描述关于硼的离子注入，关于掺杂源材料、装置与方法，BF3是硼注入中最常用的前驱物。BF3不像用于注入的其它诸如磷、砷及硅的元素的前驱物，由于BF3的强B-F键，其在等离子体条件下无法高效地产生B+离子。
图10示出了BF3等离子体的简化反应矩阵，说明了在BF3用作掺杂源材料时离子注入器的等离子体电弧腔室中涉及的物料与反应。显然BF3稳定度将影响不同离子与中性分子的浓度，因为反应开始于前驱物BF3的离子化。然而，在升高的温度下以及涉及电子轰击的离子化条件下，不同物料的分布最终由所涉及的所有物料的稳定度以及在化学反应与解离及/或电子离子化与重组的条件下它们之间的平衡来确定。因此，离子的相似分布可以存在于不同前驱物中。
在前述的反应矩阵中，可以利用一种或多种添加物使反应平衡移向B+。例如，当BF3用作掺杂源时，少量的氢和/或甲烷可以与BF3一起流至注入器。与这样的三氟化硼掺杂源一起引入的氢、甲烷或氢/甲烷混合物将在等离子体中产生氢，并且这样的氢将捕获氟原子而形成非常稳定的HF。由此，系统将移向包含大多数HF、B及相应离子的等离子体。图11中示出了这样的反应系统，其中BF3等离子体的矩阵中的反应显示含有氢添加物。
本发明涉及用于硼的离子注入的各种装置设置以及处理方法。应了解到，尽管在各种特定的实施例中公开了各种实施例与方面，然而，在本发明的进一步应用中，一个或多个的各种不同实施例或方面的多个特征可以与另一个结合，以构成修改的或复合的装置，或修改的或复合的处理方法。
虽然本发明的各种方面均涉及特定地利用B2F4作为硼前驱物材料以用于硼的离子注入，然而在本发明的广泛应用中可利用其它硼源材料，包括诸如B2H6、B5H9、B3F5、BHF2以及BH2F的硼源。
在一方面中，本发明涉及电弧腔室温度改变。在某些条件下，B2F4会在通往电弧腔室的气体线路中以及在分布有气体的电弧腔室内热分解。该热分解必然带来不利影响。例如，可能造成硼固体的沉积，这会导致离子源寿命缩短和/或B+、BF2 +等的束电流性能较差。固体的分解与造成的沉积可能完全限制或阻塞气体的流动。沉积的位置可以发生在电弧腔室之前的源管内、源管的气体馈送进入电弧腔室的出口处，和/或处于源管出口与在具有衬板的电弧腔室中的电弧腔室衬板之间的间隙中。
本发明构思这样缺陷的解决方式是通过减少源管连接至电弧腔室的区域的温度来实现。这样的区域包括：源管最后几英寸处，例如5-10cm；源管接合至电弧腔室的实际位置；和/或电弧腔室内靠近源管接合的位置。降低这样的环境中的温度减少了B2F4的热分解速率，从而减少了硼沉积。
为此，可以以各种方法降低温度。
一种温度降低的方法涉及电弧腔室的功率管理，以使得能够在较低的电弧电压与电流下操作。
可以通过增加电弧腔室的效率来实现温度的降低。这可以通过修改诸如阴极的部件来完成，以实现更有效的电子发射。为此，期望利用较小的阴极。更有效的电弧腔室需要较少能量，在所有其它的因素保持恒定的情况下，能够实现较低的总电弧腔室主体温度。这依次降低了源管、源管与电弧腔室的接口、以及该接口附近的电弧腔室的温度。
作为进一步降低温度的方法，可以实现从电弧腔室更有效的传热。因为多数热量是通过辐射传热消散的，可以实施多种方法以增加热量消散的速率。例如，可以通过制作更大的电弧腔室、更厚的壁的电弧腔室(同时不改变内部尺寸)，或通过增加诸如散热片、杆等的热量消散表面来增加电弧腔室的表面。
对于给定的电弧腔室功率水平而言，提高的电弧腔室的传热效率也能够通过增加电弧腔室的外壁温度来实现。可以通过使用高传导率的构造材料以最大化电弧腔室传导率以及最小化结构中任何热接触电阻，来实现外壁温度的增加。例如，可使用单片钨或钼的电弧腔室。
因此，本发明考虑电弧腔室热量的改变，这可以包括热/温度管理，以防止或最小化馈送管或线路或其它电弧腔室部件中的沉积与堵塞。可替换地，可以施加涂层材料以抑制分解，或者可以屏蔽馈送管以实现相同目标。可以最小化辐射负载，并且可以进行喷嘴上的辐射外流(drain)，以最小化与喷嘴相关联的传导外流。
作为进一步的电弧腔室温度的改变，在高温区域中，例如可以通过使用较高流动通过这样的区域来减少电弧腔室中的驻留时间。
来自电弧腔室的更有效的传热也可以通过使用比现存的构造材料具有更高发射率的材料涂布、缠绕或覆盖电弧腔室的外表面而实现。
通过由超过一种的材料建造电弧腔室，也可以提高电弧腔室的热特征，其中，利用具有不同于第一材料的发射率的第二或超过两个的附加的构造材料。选择足以显著减少或消除源管或电弧腔室入口处的掺杂气体的热分解的第二材料或附加材料的量，以降低电弧腔室的温度。
例如，电弧腔室的两个壁可由具有0.7-0.8的发射率的石墨制成，而电弧腔室的其余四个壁可由在通常电弧腔室温度下具有大约0.1-0.2的发射率的钨制成。在一个实施例中，掺杂气体馈送管所连接的壁是由石墨制成，因为这种材料较高的发射率会使电弧腔室的温度低于在使用以较低发射率材料作为这种壁的构造材料情况下的温度。另一实施例中，电弧腔室的两个或两个以上的壁是由石墨或其它高发射率材料形成。在特定实施例中，所有壁(顶部、底部、侧面、前面与后面)都是由石墨或其它高发射率材料制成。
可以以其它方式修改电弧腔室以增加发射率，诸如通过反应、热循环等。也可以通过减少辐射至例如源外壳或源外壳的部件的表面温度来实现从电弧腔室去除热量的传热效率。可以通过主动或被动冷却，例如使用诸如空气、水等冷却剂流体，来降低这些部件的温度。
除了最优化辐射冷却之外，或替代最优化辐射冷却，电弧腔室能够通过强制对流来冷却。为此，诸如水、空气等冷却剂可以在电弧腔室周围流动或流过(例如通过沟槽)电弧腔室。因此，在这样设置中的冷却剂用于最小化电弧腔室温度。
作为另一方法，来自电弧腔室的传热可通过以下方式增加：通过减少电弧腔室与源外壳之间的接触电阻、通过增加接触面积和/或改善表面抛光、及/或通过增加支撑件的传导率。
源管、源管接口以及电弧腔室内源管附近的紧邻区域的更好的温度控制可以具有显著的优点。例如，非导热性转接器可以用在源管至电弧腔室接口处。这样的适配器将有助于最小化源管的温度以及增加该区域中的温度梯度。
也可以使用源管至电弧腔室接口处的同轴适配器以实现更好的温度控制。这种同轴适配器将进一步减少馈送气体的温度，直到该气体进入电弧腔室为止，因为内侧管不会与电弧腔室热接触，而外侧管应该有助于内侧管屏蔽辐射。
可以修改电弧腔室靠近气体源管至电弧腔室接口的区段(section)，以使得该区段具有不同的、并且较低导热性、和/或较高发射率的材料。这样的手段将有助于降低接口的温度。
可以将电弧腔室靠近气体源管至电弧腔室接口的区段修改为包括辐射屏蔽件。该屏蔽件将减少对于电弧腔室接口处的源管的辐射传热。
作为另外的变型，气体管可以由具有低导热性的材料来构造，使得沿该管长度的传热最小化。可替换地，气体管可以由具有高导热性的材料来构造，使得传热从该管的热端(靠近电弧腔室)至该管冷端(远离电弧腔室)最大化。
另一个用于热改变以实现来自电弧腔室更有效地传热的方法涉及修改该电弧腔室，以包含适当尺寸的，例如具有大于或等于3/8英寸(0.9525cm)的直径的小型圆柱状突出物。在一个实施例中，源管适配器连接至该突出物。由于该突出物的长度，该设置能够使源管/电弧腔室接口的温度得以降低，并且使分子流动状态(regime)得以在突出物自身中发展。该突出物因而成为冷/热接口，并且由于分子流动所造成的壁碰撞的数量减少，在此区域中的沉积将会减少。
另外的热变型涉及诸如B2F4的硼源气体在源管内的驻留时间τ(＝V/Q，其中V＝源管的体积，而Q＝硼源气体的体积流量)的减少。可以结合降低温度的方法来实现这种驻留时间的减少，或者作为独立的变型。减少驻留时间从而减少了可能发生在源管内或在源管-电弧腔室接口区域内的热分解的程度。
可以以多种方式减少驻留时间，例如通过增加稀释气体以增加总流量。只要流量增加的百分比大于所造成的压力增加的百分比，则驻留时间将减少。稀释气体可以是任意适合的类型，并且例如可以包括稀有气体、惰性气体、BF3、H2、CH4、NH3等。
也可以通过使用较小直径的屏蔽(同轴)管在过渡至绝缘适配器之前增加接近电弧腔室的较冷区域中的速度，或通过增加管直径，来减少驻留时间。
任何针对几何形状、真空传导或泵送能力的改变将减少气流至电弧腔室的驻留时间，该改变能使速度根据质量守恒等式而增加，该等式为ρ1*v1*A1＝ρ2*v2*A2，其中A2(位置2的截面积)与ρ2(位置2的密度)可以改变以确保v2>v1。
在另外的变型中，可以通过使用适当尺寸的诸如大于0.25英寸(0.635cm)的大直径管/适配器来处理有害的分解物料的沉积。沉积会发生一段时间，但会花费较长时间以形成通路的完全阻塞，和/或可能根本不会造成阻塞，因为硼残余物会作为自绝缘材料，并且一旦温度已经足够地降低，最终会停止累积。这种沉积处理可以涉及对于待流入电弧腔室或者流过该衬板的气体设置多个入口，以使得如果一个端口阻塞，则气体能够继续流动。
另一实施方式中，本发明构思可以包括以下中的一个或多个的电弧腔室的变型：利用不同于一般用于电弧腔室制造的构造材料；最优化B2F4或其它特定硼源材料的电弧电压；电子行为最优化；最优化B2F4或其它硼源材料的束传输；以及最优化B2F4或其它特定硼源材料的组分。以此方式，所构造及设置的电弧腔室能够实现显著的操作优点。
本发明的另一方面涉及通过使用磁体或通过调整或最优化硼源操作参数，来改变等离子体特性。在该方面，可以利用B2F4或其它特定硼源材料的电弧电压的最优化作为增强技术。可以通过降低电弧电压来降低等离子体中电子能量分布。与BF3相比，由于B2F4具较低的键能，可以使用较低的电弧电压用于B2F4。较低的电弧电压具有的其它益处在于，伴随这样的较低电弧电压电平的较低阴极溅射，能够提高离子源的寿命。
能够针对诸如B2F4的硼源气体来最优化电弧功率(电弧电压×电弧电流)。关于特定硼源气体的选择，与BF3相比，B2F4能够实现较低的功率操作；从而这对于源寿命及源稳定度具有优势，因为存在较小的等离子体不稳定性以及不太高的电压飞弧。
关于离子源的操作参数，可以使用源调谐与最优化技术来改变等离子体特性以用于注入器的高性能操作。
在另一实施例中，可以使用共排或共流的稀释剂、反应物和/或清洗剂来实现离子注入系统中的操作优点。例如，稀释剂、反应物和/或清洗剂可以用于与硼反应，或者减轻硼的沉积。这可以涉及硼沉积，或去除/清洗在硼源材料在活性处理期间流至离子源之前沉积在电弧腔室中的掺杂材料，或者可以涉及在电弧腔室、气体线路或离子源的其它部件中蚀刻和沉积金属或其它材料。
例如可以使用反应物或清洗剂来解决气体线路中由于使用这样的源材料所造成的B2F4分解与沉积物累积的问题。
可以利用诸如B2H6、B5H9、BF3等的含硼稀释剂、反应物和/或清洗剂。可以利用稀释的含有惰性的馈送气体或其它适合的稀释剂材料，诸如XeF2、Ar、N2、Xe与H2的混合物、CH4、NH3等。可替换地，可以利用系统/硬件实施方式，其中由单个封包所传递的混合物在传递至电弧腔室前预混合，或者可以经由单独的传递线路将材料各自传递到电弧腔室。
本发明的另一方面涉及清洗处理，该清洗处理可涉及相续或同时流入B2F4及清洗剂，以进行清洗与B2F4的注入，或者以同时或相续流入其分子离子或原子离子。
例如，在离子注入期间，可以利用同时流入B2F4或其它诸如B2H6、B5H9、B3F5、BHF2或BH2F的分子，以及一种或多种的清洗剂。
可替换地，B2F4或这样的其它分子以及能够使固体硼与气相中的硼之间的平衡朝向气相中的硼移动的试剂可以共同流过该装置。不会与B2F4反应的含氟气体可以用作这样的试剂。本发明因此构思利用朝向期望的气相中的诸如B+的离子物料移动的平衡。
可以在使用B2F4或前述分子及其组合物的离子注入步骤之间，相续地进行离子源清洗，以将清洗剂气体连续或脉冲式地流过该装置。
本发明在另一方面涉及特定馈送材料、分子和分子组合物的使用，以及使用一种或多种诸如B2F4、B2H6、B5H9、B3F5、BHF2或BH2F的源材料，以用于注入特定馈送材料、分子和分子组合物的方法。这种材料可以用于诸如B+或F+的原子离子注入。这种材料可以用于分子离子的注入，该分子离子是通过诸如BF+、BF2+、B2F4 +、B2F3+、B2F2+等的馈送分子的碎裂或碎裂重组而形成。
前述的硼源材料可以用于传统束线或等离子体(例如PLAD或PIII)离子注入工具中的原子或分子离子注入，例如离子或等离子体离子注入处理工艺，诸如传统的离子注入、等离子体浸渍或脉冲等离子体掺杂离子注入等。
前述硼源材料也可以用于使用气体团簇离子束(GCIB)技术来进行硼注入。GCIB的生成涉及将源材料凝聚成中性团簇、离子化该团簇、以及随后在至目标的路径上加速与混合选择。可以通过使用诸如N2、Ar等的非掺杂物来促进凝聚。
如上所述，B2F4作为硼源材料的优点在于相比于使用BF3作为源材料的情况而言，B2F4使得注入器能够以较低的功率操作。
在另一方面，本发明考虑最优化用于更高B+组分的提取光学器件，或最优化用于B2F4的提取或束光学器件。当从BF3等离子体提取最大量的B+时，因为涉及高束电流以及高质量的组分，提取区域中的空间电荷非常高。关于高束电流，提取的电流为所有包括F+、BF+、BF2 +等的离子的总和，该提取的电流会大于B+电流的三倍。空间电荷与束电流成比例，并且采用较高的B+组分，可以减少提取区域中的总电流。关于所涉及的高质量组分，平均质量大于11。空间电荷成比例于(质量)1/2。采用较高的B+组分，减少了平均质量。
因此，可以采用B2F4减少提取间隙中的空间电荷。减少的空间电荷实现了紧邻离子源下游的提取光学器件的不同的最优化。也实现了较大的提取间隙(较低的电场)。该对于减少高电压飞弧是有利的。提取通孔的适当设计也可以用于增强离子束质量与稳定度。
离子源寿命的最优化可以用在本发明的各种应用中，以防止或最小化有害情况的发生。例如，通过这样的离子源寿命最优化，可以克服或避免电弧腔室或离子源潜在的失效模式。可以选择恰当的材料比率及/或操作条件(例如等离子体特性)来管理卤素循环工作，并且操作条件与材料的比率也可以利用共排(co-bleed)的设置。
本发明的各种方面与实施例可以在各种离子注入系统中实施，并且可以与各种离子注入系统一起操作。
图12是包括容纳B2F4气体的存储与分配容器302的离子注入处理系统300的示意图，该B2F4气体被提供给所示的离子注入腔室301中的衬底328上，以进行离子注入掺杂。
存储与分配容器302包括包围容纳B2F4气体的内部体积的容器壁306。
该容器可以是传统类型的气瓶，其中内部容积被设置成仅容纳气体，或者可替换地，该容器可以包含对于掺杂源气体具有吸附亲合力的吸附剂材料，并且掺杂源气体可从该容器释放出，以用于在分配条件下从容器中排放。
存储与分配容器302包括与排放线路312气流连通地耦接的阀头308。压力传感器310与质量流量控制器314一起设置在线路312中。其它监测与感测部件可以与该线路耦接，并且与诸如致动器、反馈与计算机控制系统、循环定时器等的控制模块接口连接。
离子注入腔室301包含接收来自线路312的所分配的B2F4气体并且生成离子束305的离子束生成器或离子化器316。离子束305穿过选择所需离子并且拒绝不被选择离子的质量分析仪单元322。
所选择的离子经过加速电极阵列324，并且随后经过偏转电极326。所得的聚焦离子束撞击在衬底元件328上，该衬底元件配置于安装在转轴332的旋转固定器330上。B+离子的离子束用于对衬底进行p型掺杂，从而按所需地形成p型掺杂结构。
离子注入腔室301的个别区段分别利用泵320、342与346通过线路318、340与344排气。
图13是诸如可用在图12中所示类型的离子注入系统中的离子源的截面视图，并且在2000年10月24日授予M.A.Graf等人的美国专利No.6,135,128中更加全面地描述了该离子源。
离子源112包括限定出等离子体腔室122的外壳以及离子提取器组件。将能量给予可离子化的掺杂气体以在等离子体腔室122内生成离子。一般而言，生成正离子，然而本发明可应用于由源生成负离子的系统。由包括多个电极142的离子提取器组件124通过等离子体腔室122中的狭缝提取正离子。因此，离子提取器组件用于从等离子体腔室通过提取通孔板146提取正离子束，并且将所提取的离子加速朝向质量分析磁体(图13中未示出)。
可离子化的掺杂气体从可离子化掺杂气体源166中流出，并且通过其中包含质量流量控制器168的导管170注入到等离子体腔室122中。源166可以包括：例如可购自旗下商标SDS的ATMI公司(美国康乃狄克州Dandury)的类型的基于吸附剂的气体存储与供给容器，例如可购自旗下商标VAC的ATMI公司(美国康乃狄克州Dandury)的类型的包括内部气体压力调节器的压力调节容器；或当利用固体掺杂源材料时，源166可以包括例如可购自旗下商标ProE-Vap的ATMI公司(美国康乃狄克州Danbury)的类型的固体源容器。等离子体腔室122具有界定腔室内部的离子化区420的导电腔室壁412、414、416。侧壁414相对于等离子体腔室122的中心轴415圆形对称。面向解析磁体的导电壁416连接到等离子体腔室支撑件422。壁416支撑具有多个开口的通孔板146，该多个开口使得离子得以离开等离子体腔室122，并且随后结合以在多个间隔开并且电隔离的提取电极124下游的位置处形成离子束。通孔板146包括以特定模式设置的多个开口，该多个开口与间隔开的提取电极142中的类似配置的多个通孔相对准。图13中仅示出了一个这样的通孔。
金属天线430具有在腔室内部暴露的金属表面432，以用于发射能量进入等离子体腔室122。等离子体腔室122外面的电源434激励金属天线430适当特征的射频(RF)信号，例如大约13.56MHz的RF信号，以设定金属天线中的交流电流，从而感应出等离子体腔室122内的离子化电场。天线的功率可以是适于特定离子化操作的任意适当的幅度，例如500-3000瓦(W)量级的功率。源腔室中的压力例如可以是1-10微米汞柱的量级，以使得源112用作低压、高密度的感应源。等离子体腔室122也可以包括延伸穿过天线430与穿孔板146之间的腔室内部区域的磁过滤器组件440。
可以由可去除的支撑板450在等离子体腔室122内定位天线430。支撑板450由侧壁414支撑在具有天线延伸穿过的环形截切部452的位置处。用于天线430的支撑板450的尺寸适合于腔室壁414中的截切部452，同时将天线430的暴露的U形金属部分432定位在离子化区420内。
支撑板450限定出两个容纳两个真空压力配件456的贯穿通路。在天线430的伸长腿部区段457被推入该配件之后，端帽458被拧到配件上，以密封配件456与腿部区段457之间的接触区域。天线430在其辐射发射区域优选为U形，并且例如可以由铝来建造。管的外径尺寸适于通过压力配件456。在使用时，天线吸收来自其周围环境的热量。为了消散该热量，冷却剂通过管中心发送。
板450具有暴露至等离子体腔室内部的大体上平坦的表面460，并且包括面向远离腔室内部的平行外表面462。板450的凸缘部分464在环磁体470上，该环磁体围绕腔室壁414的截切部并且由连接器472附接至壁414。附接到支撑板450的铁磁插件474安装在磁体470上，使得当板450定位在截切部452内时，铁磁插件474与磁体470彼此吸引，以将支撑板450紧固在天线430延伸进入腔室内部的位置。
在离子源操作期间生成热，并且该热由腔室壁412、424、416、418吸收。所吸收的热可通过冷却剂从腔室122去除，该冷却剂是通过配件476引入，以用于将水发送进入穿过该壁的通路，并且由第二出口配件(未图示)离开腔室。通过该设置，壁的温度可维持在100℃以下的温度，以使得离子源112用作冷壁离子源。
天线430靠近支撑板450的区域特别易于在操作离子注入器期间受溅射材料涂布。为了最小化这种溅射的影响，在天线插入支撑板450之前，两个屏蔽件480可以安装在铝天线上方。这些屏蔽件优选由铝来建造，并且通过屏蔽件与天线430暴露的铝外表面之间的摩擦适配保持到位。
在离子源112操作期间，掺杂元素的沉积物可以形成在界定离子化区420的内壁412、414与416上。本发明构思与源气体同时流入共同气体或清洗气体，而同时离子源112在正常操作条件下操作。可提供清洗气体源482以及相应的质量流量控制器484，其中在传输至等离子体腔室122前，从质量流量控制器484输出的清洗气体与从质量流量控制器168输出的源气体在导管170中结合。可替换地，源气体与清洗气体可以单独传输至等离子体腔室。
应该认识到源166可以包含与清洗材料和/或诸如稀释剂、平衡导引材料、反应物、冷却剂等的其它材料结合的掺杂源材料。可替换地，源482可以含有与任意一种或多种诸如稀释剂、平衡导引材料、反应物、冷却剂等这样的其它材料而结合的清洗材料。可以使用任何适当的源容器和/或其它供给装置部件的设置，将任何这样的补充材料提供给离子源和/或相关联的流动线路。
因此，可从与提供掺杂源材料的源容器相关的相同或不同的源容器提供诸如清洗气体的清洗材料，以用于将掺杂源材料与清洗材料共流至离子源腔室。
通过使清洗气体与掺杂气体共流穿过离子源，通过在处理过程中使用清洗气体而避免了单独的清洗步骤。应当理解，所谓“处理过程中”是指在离子注入器进行正常生产操作的同时发生清洗处理。
这种利用共流清洗蒸气的处理过程中的清洗可用于有效去除沉积物，该沉积物来自注入掺杂蒸气或其它离子源馈送材料的热分解，特别是在离子源的热区。例如，在使用B2F4以生成B+离子束期间，沉积物可能发生在将掺杂材料馈送进入离子源的气体管路中。这样的沉积物集中在管路的附着至离子源电弧腔室的热端，并且由B2F4的热分解造成，以形成固体硼或通常化学式为BxFy的更高级的氟化硼混合物，其中x<y/2。这些沉积物将造成严重的操作事件，因为这样的沉积物可能累积且最终造成离子源失效。
本发明在其各种方面提供了附加的方法，以用于对抗及最小化离子源以及相关联的流动通道中所沉积的材料的量，该方法可用于与使用清洗气体结合，或作为使用清洗气体的替代方法。
在一个这样的方面，修改管路的机械设计以最小化从电弧腔室到气体馈送管路的传热(传导及辐射)，从而最小化管路的温度，并由此最小化热分解。
在另一方面，清洗蒸气与B2F4气体一起共同流入离子源。清洗蒸气与任何由于分解而形成的固体沉积物反应，将它们转化成能够由泵抽离的蒸气，从而避免离子源过早的失效。清洗蒸气可以是任何在大约与掺杂蒸气分解温度相同的温度下能与沉积材料反应的材料。优选的清洗蒸气包括但并不限于诸如XeF2以及NF3的反应性氟化物。清洗蒸气与掺杂蒸气的相对流量是由本领域技术人员的经验或其它手段、基于本发明在此公开的内容来有利地确定，从而建立用于各自蒸气所适合的共流条件。
可容易选择用于此目的适合的清洗蒸气，用于特定的热分解掺杂蒸气，以提供有效地用于离子源的原位清洗的掺杂蒸气与清洗蒸气的结合流。
图14是沉积监测与控制系统的示意图，该沉积监测与控制系统可用于对抗与离子注入系统500的离子源544相关联的流动通道的闭塞。
如图所示，离子注入系统500包括配置有气体供给瓶的气箱510，该气体供给瓶包括耦接其中具有流量控制阀524的分配线路518的掺杂源瓶512、耦接其中具有流量控制阀526的分配线路520的清洗流体瓶514，以及耦接其中具有流量控制阀528的分配线路522的稀释流体瓶516。
阀524、526、528分别由信号传输线路530、536、534连接至中央处理单元(CPU)，因而CPU响应于循环时间程序，或者响应于生成CPU能力的其它信号，能够操作开启或关闭各个阀达到特定的范围，该其它信号提供对于处理条件和/或由CPU监测的部件的阀调节的响应。
耦接各自瓶的分配线路518、520与522端接于混合腔室532，以使得各自掺杂源、清洗流体与稀释流体的多个能够按所需选择性地彼此混合。可替换地，单个瓶可以设置为将其容纳物分配至腔室532，以流至其中包含压力转换器(transducer)540与质量流量控制器(MFC)542的馈送线路，且随后流至离子源544。离子源544设置用于离子化操作，以离子化其中的掺杂源，并且产生传输至离子注入腔室546的离子束。离子注入腔室546含有安装在其中的半导体或其它微电子设备衬底，以用于将所选择的离子化掺杂物料注入在衬底中。
在该说明性的系统中，馈送线路到离子源中的压力转换器540通过信号传输线路538而与CPU建立信号传输关系。质量流量控制器也通过信号传输线路与CPU建立信号传输关系。通过压力转换器的这个设置，生成与馈送线路中的压力相关的信号，并且该信号在线路538中被传输至CPU以用于监测。
如果在掺杂源材料流至离子源期间，例如由于在来自离子源的这样的线路中热量传导造成掺杂材料在馈送线路中分解，以及由于固体沉积物的累积造成馈送线路中的传导性降低，沉积材料的累积引发馈送线路的压力增加，所得压力的增加可由压力转换器540感测并且在信号传输线路538中传输到CPU。
CPU随后能够响应性地启动动作以减轻馈送线路中沉积物的初期的闭塞现象。例如，CPU能够通过由在信号传输线路536中发送至阀的控制信号来开启流量控制阀526，将清洗流体从瓶514流进馈送线路。可替换地，可以减少离子源的电弧功率。作为另一替代方案，能够通过由在信号传输线路530中传输至阀的控制信号开启阀524，从而增加掺杂源的流量，以减少掺杂源的驻留时间；和/或通过添加清洗流体及/或稀释流体，以使得体积流量的总量增加引发流动线路与离子源中的掺杂源驻留时间减少。
以该方式，由压力转换器与CPU提供的压力监测提供了系统中对于早期出现沉积的探测能力，以及响应性调节系统以对抗该系统中这样的固体沉积的能力。
源自掺杂源的固体沉积也可以在系统中通过质量流量控制器542探测。当沉积发生在系统操作期间时，质量流量控制器上的阀位置将会开启至较大的范围，以维持预定的流量。这样的质量流量控制器阀位置通常可作为质量流量控制器的电压输出，并且这样的电压输出是作为在至CPU的相关联的信号传输线路中的监测信号来传输。
响应于由于掺杂源材料的分解固体的逐渐累积而造成质量流量控制器逐渐开启的阀位置，CPU能够结合馈送线路至离子源的压力转换器监测，来致动如上所述的相同的补救动作。
因此，本发明在一方面构思设置压力监测设备，该压力监测设备提供离子源馈送线路或其它与离子源相关联的通道中固体沉积的输出相关物，以提供闭塞可能不久形成的预警，以使得能够采取补救动作以抑制固体的累积。
图15是离子注入系统的另一离子源示意图。
图15是根据可用于本发明实施的一个实施例的间接加热的阴极(IHC)离子源的截面正视图，该截面正视图示出了电弧腔室与相关部件。在Maciejowski等人的美国专利7,138,768中更加全面地描述了这种类型的离子源。
在该IHC离子源中，具有提取通孔1012的电弧腔室外壳1010限定出电弧腔室1014。阴极1020与反射电极1022定位在电弧腔室1014内。灯丝1030定位在电弧腔室1014外侧靠近阴极1020处，对阴极加热。待离子化的气体从气体源通过气体入口1034提供至电弧腔室1014。另一未图示的配置中，电弧腔室1014可以耦接到汽化电弧腔室1014中待离子化的材料的汽化器上。
电弧电源具有连接到电弧腔室外壳1010的正端，以及连接到阴极1020的负端。反射电极1022可以浮接或连接到电弧电源的负端。电弧电源可在25安培下具有100V伏特的等级，并且可以在大约70V下操作。电弧电源加速由阴极1020发射的电子，进入到电弧腔室1014中的等离子体中。
偏置电源具有连接至阴极1020的正端以及连接至灯丝1030的负端。偏置电源可在4安培下具有600伏特的等级，并且可以在大约350伏特的电压及大约2.5安培的电流下操作。偏置电源加速由灯丝1030发射的至阴极1020的电子，以造成阴极1020的加热。
灯丝电源具有连接至灯丝1030的输出端。灯丝电源可在200安培下具有6伏特的等级，并且可在约140至170安培的灯丝电流下操作。灯丝电源造成灯丝1030的加热，进而生成朝向阴极1020加速以加热阴极1020的电子。
源磁体在电弧腔室1014内产生磁场。通常而言，源磁体包括在电弧腔室1014相对端的磁极。磁场方向可倒置而不影响离子源的操作。源磁体连接到可以在60安培下具有20伏特的等级的磁体电源。磁场使得由阴极1020发射的电子与电弧腔室1014中的等离子体之间的交互作用增加。
应当理解电压与电流等级，以及各种电源的操作电压与电流仅通过示例的方式给出。
提取电极与抑制电极合适地定位在提取通孔1012的前面。提取电极与抑制电极均具有与提取通孔1012对准的通孔，以提取限定良好的离子束。提取电极与抑制电极连接至各自的电源。
通过隔离电路，离子源控制器可用于提供离子源的控制。在其它实施例中，用于执行隔离功能的电路可以构建到电源中。离子源控制器可以是程序化的控制器或者是专用特殊目的的控制器。在一实施例中，离子源控制器结合到离子注入器的主控计算机中。
当离子源处于操作时，通过灯丝电流可以将灯丝1030电阻式地加热至在2200℃量级的热离子发射温度。
由灯丝1030发射的电子由灯丝1030及阴极1020之间的偏置电压VB加速，从而轰击与加热阴极1020。阴极1020由电子轰击而加热至热离子发射温度。由阴极1020发射的电子由电弧电压加速，并且在电弧腔室1014内离子化来自气体源的气体分子，以产生等离子体放电。由磁场造成电弧腔室1014内的电子遵循螺旋轨迹。由于电子的入射，反射电极1022建立负电荷，并且最终具有足够的负电荷以将电子排斥穿回电弧腔室1014，从而产生额外的离子化碰撞。
电弧腔室1010由离子源主体1150与电弧腔室基座支撑。作为离子源主体1150的部分的板限定出离子源真空区域与外部环境之间的边界。管路1160提供电弧腔室1014的气体入口1034与气体源之间的连接。
通过传导支撑构件1170与绝缘体1172，将反射电极1022安装到电弧腔室基座上。由绝缘体将反射电极1022与电弧腔室1010电隔离。
阴极组件包括阴极1020、灯丝1030以及夹具组件1210，该夹具组件用于将阴极1020与灯丝1030安装成固定的空间关系，并且用于传导至阴极1020与灯丝1030的电能。阴极1020安装在电弧腔室外壳1010一端的开口中，但并不与电弧腔室外壳1010物理接触。优选地，位于阴极1020与电弧腔室外壳1010之间的间隙具有大约0.050英寸的量级。
在阴极1020与电弧腔室外壳1010之间存在间隙。灯丝1030的加热循环位于杯状腔1240内，并且最小化等离子体从电弧腔室1014至灯丝1030的迁移。
离子源还可以包括屏蔽件1400。屏蔽件1400基本上包围电弧腔室1014外部接近阴极1020与灯丝1030的区域1402。屏蔽件1400用于在阴极1020与灯丝1030附近形成对于电子与等离子体的屏障。屏蔽件1400基本上包围区域1402，在某种意义上形成了对于电子与等离子体的屏障但并不密封区域1402。
屏蔽件1400可具有箱状结构并且可由难熔的金属制造。屏蔽件1400包括两层主壁1410、顶壁1412、第一侧壁1414与第二侧壁(未图示)。两层主壁1410使得屏蔽件1400能够与灯丝夹具电且机械地连接，但与阴极夹具1300间隔开。应当理解，可以利用不同的屏蔽件配置。例如，屏蔽件1400可具有平坦的主壁，并且可以安装到使用支座的灯丝夹具。而且，屏蔽件1400可以安装到离子源的另一元件。
夹具组件1210可包括阴极夹具1300、灯丝夹具以及绝缘块1310。阴极夹具1300以及灯丝夹具在固定位置安装至绝缘块1310，并彼此电隔离。
离子源还可以包括绝缘块1310与阴极1020之间的绝缘体屏蔽件1460。绝缘体屏蔽件1460可以是附接到离子源主体1150的难熔的金属元件。绝缘体屏蔽件1460具有截切部，以提供与阴极夹具1300及灯丝夹具的电隔离。绝缘体屏蔽件1460抑制绝缘块1310上的沉积物累积，该沉积物累积可能在一个或多个的阴极夹具1300与灯丝夹具之间产生短路。
图16是针对使用NF3以从离子源腔室表面去除硼残余物的清洗操作的束电流(mA)作为经过时间(min)的函数的曲线图，该曲线图示出了通过流入NF3蒸气能够去除硼残余物。该测试的操作条件包括1.5sccm的NF3气体流量、145W的电弧功率(电弧电压＝100伏特、电弧电流＝1.45安培)、20mA的源束电流、以及40kV的提取电压。图16中的曲线包括对于BF2 +、BF+及B+的作为时间的函数的束电流曲线。通过当清洗气体流入离子源时这些束电流急剧减少，而观察到清洗的证明。清洗气体有效地与硼残余物反应，生成挥发性氟化硼，该氟化硼随后在电弧腔室等离子体中离子化，产生了图16中所示的各种束电流。除了针对源束电流20mA获得的三组曲线外，当电弧腔室功率增加到200W时示出了额外的BF2+数据，并产生了相关联的源束电流30mA。额外的功率还有助于增强清洗气体的清洗效果。
在该操作示例中，NF3未与B2F4共流，而是在观察到沉积物的B2F4测试后流入。可视地观察到沉积物的去除，并且所观察到的去除涉及BF2 +及B+离子的衰减(参见图16左下方部分的曲线)，该BF2 +及B+离子通过由NF3与硼沉积物之间的反应生成的BF3，形成在离子源中。

Claims (14)

1.一种离子注入系统，包括：
离子源，其包含设置为在其中对气体进行离子化的电弧腔室；
至少一个气体源容器，其设置为经由掺杂气体馈送线路将含硼掺杂气体供应至所述电弧腔室，其中，所述含硼掺杂气体包括B2F4和从B5H9、B3F5、BHF2与BH2F中选择的至少一种含硼化合物，并且所述含硼掺杂气体还包括B2H6；以及
冷却结构，其与所述掺杂气体馈送线路相关联，并且设置为冷却所述掺杂气体馈送线路中的含硼掺杂气体，因而对抗由所述电弧腔室的操作中生成的热量对所述含硼掺杂气体的加热，以及由这样的热量造成的所述含硼掺杂气体的分解，
其中，所述冷却结构包括设置为冷却所述掺杂气体馈送线路以及流经其中的掺杂气体的冷却通道，并且
其中，所述掺杂气体馈送线路在其远端设置成将掺杂气体释放进入所述电弧腔室，且其中所述冷却通道定位在所述掺杂气体馈送线路的远端部分。
2.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中，B2F4和B2H6从不同的气体源容器共同流至所述电弧腔室。
3.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中，B2F4和B2H6彼此混合地流至所述电弧腔室。
4.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述至少一个气体源容器包括与含硼的稀释、反应或清洗气体混合的B2F4,其中所述含硼的稀释、反应或清洗气体至少包括B2H6。
5.根据权利要求4所述的离子注入系统，其中，所述含硼的稀释、反应或清洗气体还包括B2H6与B5H9中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的离子注入系统，其中，所述稀释气体包括惰性气体。
7.根据权利要求4所述的离子注入系统，其中，所述稀释气体包括Ar、N2、Xe、XeF2、H2、CH4与NH3中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的离子注入系统，其中，所述至少一个气体源容器包含与稀释气体混合的B2F4。
9.根据权利要求4所述的离子注入系统，其中，所述至少一个气体源容器包含与反应气体混合的B2F4。
10.根据权利要求4所述的离子注入系统，其中，所述至少一个气体源容器包含与清洗气体混合的B2F4。
11.根据权利要求8所述的离子注入系统，其中，所述稀释气体包括惰性气体。
12.一种使用根据权利要求1所述的离子注入系统在衬底中注入离子的方法，包括：
在产生含硼掺杂气体离子化的情况下，将所述含硼掺杂气体输送到离子源的所述电弧腔室；以及在进入所述电弧腔室之前对掺杂气体馈送线路中的所述含硼掺杂气体进行冷却，从而对抗由所述电弧腔室的操作中生成的热量对所述含硼掺杂气体的加热，以及由这样的热量造成的所述含硼掺杂气体的分解，以及
在所述衬底中注入离子化掺杂物料，其中，所述含硼掺杂气体包括B2F4并且还包括B2H6。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，B2F4和B2H6从不同的气体源容器共同流至所述电弧腔室。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，B2F4和B2H6彼此混合地流至所述电弧腔室。
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