CN109119316B - 含硼掺杂剂组合物、使用其的系统和方法 - Google Patents

含硼掺杂剂组合物、使用其的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种新颖的组合物、其用于在硼离子注入期间改善束电流的系统和方法。硼离子注入过程涉及使用特定浓度范围的B2H6、BF3和H2。选择B2H6以在活性氢离子种类的产生和注入期间使用的离子源操作电弧电压下具有比BF3的电离横截面高的电离横截面。氢允许更高水平的B2H6被引入BF3而不减少F离子清除。活性硼离子产生改善的束电流，其特征在于与由常规硼前体材料产生的束电流相比时维持或增大束电流水平而不招致离子源的退化。

Description

含硼掺杂剂组合物、使用其的系统和方法
本申请是申请日为2015年3月3日的申请号为201580010132.5的题为“含硼掺杂剂组合物、使用其来改善硼离子注入期间离子束电流和性能的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
发明领域
本发明涉及含硼掺杂剂组合物、使用其来改善硼离子注入过程并且特别地改善束电流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过程。在集成电路制造中使用离子注入过程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处形成掺杂区域。选择掺杂剂杂质以与半导体晶圆材料结合来产生电载体(electrical carrier)，并从而改变半导体晶圆材料的电导率。所引入的掺杂剂杂质的浓度决定掺杂区域的电导率。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。离子源灯丝用于将掺杂剂气体源电离成各种掺杂剂离子种类。所述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)的离子束形式引出离子。所得离子束通常由束电流(beam current)来表征。一般来说，较高束电流可允许更多掺杂剂离子种类可用于注入给定的工件(例如晶圆)中。在这种方式下，对于给定流速的源掺杂剂气体，可实现掺杂剂离子种类的较高注入剂量。所得离子束可经由质量分析器/过滤器输送，并然后输送至工件(例如半导体晶圆)的表面。(离子)束的所需的掺杂剂离子种类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。
硼注入在半导体行业中广泛地用于改进掺杂区域的电学性质并且最近在其它应用(其中期望区域掺杂有杂质以调节掺杂区域的物理性质)中越来越受人关注。在设备制造期间硼注入步骤的越来越多的使用对于注入B离子的改善方法存在需求，所述改善方法可提供改善的B+束电流(即产生维持或增大的束电流而不缩短离子源寿命)。应理解，术语“B离子”、“B离子种类”、“B离子掺杂剂种类”和“B+离子”将在本文和整个说明书中可互换使用。以改善的B+束电流注入B离子的能力将允许终端用户实施不断增加的硼注入步骤，具有较高的设备生产量和生产率增加改善。
三氟化硼(BF3)是半导体行业中通常用于硼注入的掺杂剂气体源。然而，已证实BF3 在其产生B+离子并且从而建立目前应用所要求的较高束电流(beam currently)的能力方面有限。为了提高B+离子的产生，终端用户可改变各种工艺参数。例如，终端用户可提高输入到离子源的能量，其在本行业中另外被称为离子源的操作电弧电压。或者，可增大引出电流。还有，可提高引入离子源室的BF3的流速。然而，离子注入室的操作中的此类变化可导致对离子源组件的不利影响并减少离子源使用寿命以及离子源在其持续操作期间产生稳定的B+离子束的效率。稳定的B+离子束通过B+束的均匀的束轮廓和以期望的束电流连续供应而没有可能由束闪变(beam glitching)或束电流输出下降引起的中断来定义。例如，随着在典型离子注入过程期间电弧室壁的温度增加，从BF3释放的活性氟可更迅速蚀刻并侵蚀钨室壁，其可导致阴极对含W沉积物的增加的沉积更加敏感。含W沉积物降低离子源产生维持等离子体所必需的阈值数的电子以及产生B+离子的能力。另外，更多的活性氟离子可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组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BF3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意的。此外，BF3的较高流速倾向于产生更多活性氟离子，其引起离子源室壁的化学侵蚀和在产生电弧放电(arcing)的高电压组件上的不合意的沉积。这些工艺改进倾向于缩短(shorter)离子源寿命，从而使得此类操作模式是不合意的。
目前，没有用于维持或增大B+离子的束电流而不损坏离子源室组件的可行技术。同样地，在开发组合物、使用该组合物以改善所需的硼离子种类的束电流而不损害离子源寿命的系统和方法方面仍存在未满足的需求。
发明内容
本发明部分涉及组合物、使用该组合物来改善离子源性能(包括束电流的增加和离子源寿命的延长)的系统和方法。申请人已发现掺杂剂气体的组合物对改善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。所述组合物包含含硼掺杂剂气体组合物，其包含水平范围为约0.1％-10％的乙硼烷(B2H6)、范围为约5％-15％的H2并且余量为BF3。选择B2H6以在活性硼离子的产生和注入期间使用的离子源操作电弧电压下具有比所述BF3的电离横截面高的电离横截面。与从三氟化硼(BF3)产生的束电流相比，所述含硼掺杂剂气体组合物增大硼离子束电流并延长离子源寿命。
在第二方面，提供用于在硼离子注入期间提供改善的束电流的系统。提供离子源设备。所述设备部分地由电弧室壁限定，其中所述室包括至少部分地布置在所述室壁内的硼离子源。提供与所述离子源设备以流体连通的一个或更多个供应容器。所述容器储存含硼掺杂剂气体组合物。所述组合物包含水平范围为约0.1％-10％的B2H6、范围为约5％-15％的 H2并且余量为BF3。选择所述B2H6以在活性硼离子的产生和注入期间使用的离子源操作电弧电压下具有比所述BF3的电离横截面高的电离横截面。提供与所述一个或更多个供应容器对应的一个或更多个供应进料管线，由此所述进料管线从所述一个或更多个供应容器延伸通过所述壁进入所述室。设置所述一个或更多个容器来分配所述含硼掺杂剂组合物通过所述供应进料管线并进入所述离子源设备，从而允许所述含硼组合物电离并由此产生活性硼离子。与仅从BF3产生的束电流相比，所述活性硼离子产生增大的束电流。
在第三方面，提供在硼离子注入期间提高离子束电流的质量的方法。含硼掺杂剂组合物包含水平范围为约0.1％-10％的B2H6、范围为约5％-15％的H2并且余量为BF3。将所述含硼掺杂剂组合物引入离子源室。在预定的操作电弧电压下使B2H6和BF3电离，在所述预定的操作电弧电压下所述B2H6具有比所述BF3的电离横截面高的电离横截面。产生活性硼离子。产生增大的束电流，其特征为与仅从BF3产生的束电流相比具有延长的源寿命。
附图简述
从本发明优选实施方案的以下详述结合附图将更好地理解本发明的目标和优势，其中同样的数字在通篇中表示相同的特征，且其中：
图1描绘了在不同能量水平下B2H6和BF3的电离横截面；
图2显示了本发明的掺杂剂气体组合物的不同输送流程图；
图3显示结合本发明原理的离子源；
图4显示在硼注入系统内的图3的离子注入机；和
图5是本发明的掺杂剂气体组合物与其它类型的硼基掺杂剂气体材料的束电流水平的比较。
具体实施方案
通过以下详述来更好地理解本发明的各种要素的关系和功能。该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、方面和实施方案的此类组合和排列中的任何一个，或其选定的一个或更多个。
如本文和整个说明书中使用的“B离子”表示适合于注入衬底的各种硼离子掺杂剂种类，包括硼或含硼阳离子例如B+。
如本文中使用，除非另外指示，否则所有浓度均表述为基于作为混合物的组合物的总体积的体积百分比(“vol％”)。
如本文和整个说明书中使用的“减少”意欲表示当使用本发明的掺杂剂组合物操作离子注入源以注入B+离子时，在离子注入过程操作期间缩短、抑制和/或延迟。
本公开内容在一个方面涉及一定浓度范围内的新颖的含硼掺杂剂组合物以及对应的使用其来相比于常规硼掺杂剂源(例如BF3)增大硼束电流的系统和方法。“电离横截面”定义为当原子或分子经历与由离子源发射的电子碰撞时将发生电离的概率(以面积单位来度量)。与先前的硼掺杂剂源材料相比，如本文将描述的本发明的掺杂剂气体组合物改善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、源寿命和束闪变的程度。如本文使用的“束闪变”是指可导致束电流短暂降低的电压放电。本文以各种实施方案并参照本发明的各种方面和特征来阐明本公开内容。
本发明已发现：在选定电离条件下，B2H6、BF3和氢气组分的特定组成浓度范围使得能够改善离子束电流，由此可增大束电流而不损害离子源或使离子源退化。以这样的方式，增大的硼离子束电流是可能的，而未将沉积物积聚至导致源寿命缩短的不可接受的水平。
相对于硼离子注入中通常使用的其它常规源掺杂剂气体，所述硼掺杂剂气体组合物使得能够持续延长的时间段增大束电流。所述掺杂剂组合物包含以特定浓度范围包含的乙硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)和氢气(H2)的组成元素。在一个实施方案中，所述组合物包含范围为0.1％-10％的B2H6、范围为约5％-15％的H2并且余量为BF3。在优选的实施方案中，所述组合物包含范围为0.1％-5％的B2H6、范围为约5％-10％的H2并且余量为BF3。在更优选的实施方案中，所述组合物包含范围为2％-5％的B2H6、范围为约5％-10％的H2并且余量为BF3。在优选的实施方案中，所述组合物包含约3％的B2H6、约5％的H2并且余量为 BF3。
应理解：所述组合物的任何组成元素可同位素富集超过其天然丰度。术语“同位素富集”是指掺杂剂气体包含不同于其天然存在的同位素分布的质量同位素(mass isotope)分布，由此一种质量同位素具有比以天然存在的水平存在的更高的富集水平。通过举例方式， 99％11BF3(即本文中以及整个说明书中所用的11BF3)是指以99％的富集度(enrichment)包含质量同位素11B的同位素富集或富集的掺杂剂气体，而天然存在的BF3以80％天然丰度水平包含质量同位素11B。同样地，99％11BF3是19％富集B。此外，应理解本发明的掺杂剂组合物可包含一种或更多种组成元素的两种或更多种同位素形式。例如，B2H6可以一定量存在，其中B11和B10各自以其天然丰度或富集比例存在。
本发明的掺杂剂气体组合物以特定操作方案(operating regime)用于离子注入工艺，在所述操作方案中B2H6的电离横截面大于BF3的电离横截面。以这样的方式，改善B+离子的产生。参考图1，在约80V–100V并且更优选约70V-120V的选定操作电弧电压下， B2H6展示比BF3高的电离横截面。在该选定的操作方案中，申请人已观察到B2H6具有更高的产生各种含硼离子种类的概率。从B2H6获得的含硼离子种类的存在增加了BF3的电离过程，导致更高的B+束电流而不使离子源的源灯丝(即阴极)退化。净效应是离子束性能的改善。在B2H6和H2的预定浓度范围内展示了离子束性能的这种改善。B2H6在约0.1％- 10％，优选约1-5％，更优选约2-5％范围内并且最优选约3％，而氢气浓度在约5％-15％，优选约5％-10％之间并且最优选约5％，余量为BF3。
本发明认识到以其中B2H6的电离横截面不大于BF3的电离横截面的方案操作离子注入过程可能不产生BF3电离的改善。因此，可能观察不到B+束电流的增加。
B2H6的量既不能在0.1％以下也不能在10％以上，以避免有害影响。具体地讲，B2H6必须以其最低浓度水平或以上存在以减少卤素循环效应，以使得阴极灯丝重量增加速率降低。当B2H6以低于0.1％的水平存在时，可观察到束电流的不足够的增加以及由于卤素循环引起的不可接受地高的阴极重量增加。
除了维持B2H6在0.1％的下限或以上，B2H6应不超过上限。出乎意料地观察到：当B2H6为仅接近2.5％的水平时，将B2H6添加到BF3增大F+离子的产生，尽管引入所述室中的氟分子添加没有增大。正如工作实施例中将显示的，尽管观察到与BF3-Xe-H2的混合物相比，添加2.5％B2H6和97.5％BF3的混合物减少卤素循环，但是与BF3-Xe-H2相比， 2.5％B2H6和97.5％BF3的混合物在离子源的阳极区产生出乎意料的快速重量损失。如本文中以及整个说明书中所用的术语“阳极区”表示离子室壁的最热区域。当B2H6以接近2.5％或更多的水平存在时，由于F+离子产量增大，可发生出乎意料的重量损失。不局限于任何特别理论，据信B2H6在离子源中电离以产生分别包含H和BxHy种类的基团和离子的不同碎片(fragment)。申请人已经发现H和BxHy种类两者起着F离子清除剂的作用。 BxHy离子和基团体积显著大于H离子和基团，并且因此，相比于较轻的种类(包括H离子)，其可能在等离子体相中具有输送更慢的趋势。结果，BxHy不能同样容易地输送到电弧室中的所有位置，从而降低了其F离子清除效果。BxHy离子种类不能分散到所述室的所有区域中可严重地影响离子源的操作，因为从所述室组件的表面蚀刻出来的W可经由卤素循环中可利用的增大量的氟而再沉积在不合意的位置。结果是高电压电弧放电的趋势增大。因为BxHy离子种类可能不以相当可观的量占据离子室中的某些区域，或者可能完全不存在于所述室的某些区域，所以F离子蚀刻由于通过各种BxHy离子种类进行的F离子清除减少而可能增加，从而导致活性F离子的可用性增大，这缩短离子源寿命。
克服硼注入期间减少的F离子清除的方法已包括将稀释剂气体混合物加入BF3。例如，已采用使Xe和H2的气体混合物同向流动。然而，仅以与BF3相比较低的束电流为代价实现F离子清除的提高。
本发明已发现：当使用BF3和B2H6时，使H2受控添加到B2H6和BF3中克服了 F离子清除的缺陷，从而允许更多的B2H6添加到BF3中而不缩短离子源寿命。尽管机理是未知的且不完全理解，当以约5％-15％，优选约5％-10％之间的特定浓度范围内且更优选约 5％添加H2时，似乎延长离子源寿命。当以本发明的指定量添加H2时，可降低可蚀刻室组件的活性F离子的可用性。结果，正如工作实施例中将显示的，阳极区的重量损失更少并且阴极灯丝的重量增加更少。将H2以受控量添加到B2H6和BF3中允许使用更大分数的 B2H6来产生增大的B离子束电流而不增大离子注入过程期间F离子在所述室内的积聚。正如工作实施例中将显示的，相对于仅BF3(对比实施例1)，本发明的优选组合物(实施例1和 2)结合高达约5％H2以实现高15％的束电流，其中阴极的重量增加减少且电弧室壁的蚀刻减少。以这种方式，本发明可增大硼离子电流同时还延长离子源寿命，直到本发明的出现，普遍认为上述两者是彼此互相排斥的竞争性能量度。
在优选的实施方案中，本发明的氢气、B2H6和BF3的混合物的特征在于不存在其它惰性气体，诸如，例如氩气或氙气。已观察到可不要求将其它惰性气体添加到本发明的氢气、B2H6和BF3的混合物中以辅助硼的电离。同样地，在优选的实施方案中，本发明的含硼组合物明确排除其它惰性气体，例如氙气或氩气。如工作实施例中将展示的，申请人发现：与BF3+Xe+H2的混合物(对比实施例2)相比，本发明的氢气、B2H6和BF3的混合物 (其特征在于不存在其它惰性气体)增大束电流约30％。
如图2a、2b和2c中所示的各种供应构造可用于产生本发明的组合物。在优选的实施方案中，各种类可由单一源储存并输送，如图2a中所示。具体地，图2A显示从单一源储存容器210供应本发明的气体组合物，在所述单一源储存容器210中将所述组合物预混合至本发明的浓度水平。该单一源储存容器可使用任何类型的容器来储存和输送。在优选的实施方案中，可使用负压
Figure BDA0001772305120000061
输送成套设备(delivery package)，如美国专利号5,937,895、 6,045,115、6,007,609、7,708,028和7,905,247中所述，所述所有专利均通过引用以其全部并入本文。设计负压输送设备来维持掺杂剂混合物在设备内处于加压状态，同时最低化或消除形成通常与高压缸相关的泄漏或灾难性破裂的风险。真空驱动该设备以在沿着排放流动路径实现负压条件时允许掺杂剂混合物受控流动到下游工艺。
当本发明的组分从单一源供应时，氢气以根据本发明的规定量的存在可减少B2H6和 BF3的混合物的分解以产生由通式BxHy(其中x大于2)代表的更高级的硼烷。更高级硼烷的一些实例可包括B3H9、B5H9、B4H10或B10H18。此外，可通过在低于环境条件的温度下 (例如在20至-30℃并且更优选20至4℃的范围内)储存内容物来进一步增强化学稳定性。
或者，可通过使各种类依序流动或同向流动在离子源室内产生本发明的掺杂剂组合物。图2b显示流量控制设备212和214可用于供应气体组合物的受控流并且来自各储存容器的所需流可在被引入离子源室112中之前在输送管线内预混合。一个储存容器可包含纯净形式的一种组成气体。例如，储存容器210包含纯BF3而储存容器213包含预混合的B2H6和H2的所需组合物。在另一构造中，图2c显示来自储存容器210和213的流可分开引入离子源室112中以产生本发明的掺杂剂气体组合物。
任何合适的离子注入设备可与本发明一起使用。参考图3，显示用于注入从本发明一定浓度范围的B2H6、BF3和H2的含硼掺杂剂组合物获得的B离子的代表性离子注入设备300。图3中描绘的离子源设备300具有各种组件，包括间接加热的阴极(IHC)315，其可充当用于将本发明的含硼掺杂剂气体组合物电离成其相应的硼活性离子的离子源。应理解，本发明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3的离子源设备300可用于产生用于将硼离子注入半导体衬底中的离子束。以与仅从BF3产生的束电流相比产生更高硼离子束电流的方式，从B2H6和BF3的电离产生硼离子。不受任何特定理论约束，据信在含硼掺杂剂组合物的特定组成范围和离子源设备300的仔细选定的操作条件下，BF3和B2H6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B活性离子来产生增加且改善的束电流。如本文中所用的“B活性离子”表示具有通式B+的硼离子，其可用于注入。
与常规硼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离子源阴极315寿命延长，至少部分基于离子源设备300操作期间源阴极315的重量变化的最低速率。净结果为离子源阴极315不经受过早失效，从而允许源阴极315保持操作延长的时间段以增加生产量。以这样的方式，本发明具有独特的含硼掺杂剂气体组合物，相对于仅从 11BF3产生的束电流，其能够维持或增加硼离子束电流，而同时维持源灯丝315的完整性比以前使用常规前体材料例如11BF3可能的持续时间更长的持续时间。
仍参考图3的离子源设备300，含硼掺杂剂气体组合物流302包含BF3、B2H6和 H2，并且优选作为经由延伸通过电弧室壁311的气体进料管线引入离子源室312中的单一流(以预定比率包含)输送。通过从动力供应源(未显示)施加预定电压以电阻加热紧邻IHC315 定位的钨基灯丝314来使(离子)源室312内部的含硼掺杂剂气体组合物303经受电离。灯丝314可相对于IHC 315负偏压。经由动力供应源向灯丝314施加电流以电阻加热灯丝314。提供绝缘体318以将阴极315与电弧室壁311电隔离。
阴极315发射电子。发射的电子加速并使含硼掺杂剂组合物303分子的B2H6和BF3电离以在室312内产生等离子体环境。反射电极(repeller electrode)316逐渐累积负电荷以排斥电子返回以维持含硼掺杂剂组合物303分子的电离，由此维持电弧室312中的等离子体环境。反射电极316优选配置为与IHC 315实质上完全(diametrically)相对以维持室312内掺杂剂气体组合物303的电离。电弧室壁311包括引出孔，经由该引出孔将明确限定的离子束 321从电弧室312中引出。引出系统包括位于引出孔前面的引出电极320和抑制电极319。引出和抑制电极320和319两者具有与引出孔对准的各自的孔用于引出可用于硼离子注入的明确限定的离子束321。
含硼掺杂剂气体组合物303的电离可导致由B2H6、BF3和H2各组分以及任何其相应的离子种类的协同相互作用产生各种电离种类。在充分的操作条件(包括凭借在选定的操作电弧电压下B2H6和BF3对应的电离横截面(图1)和控制引入离子室312中的含硼掺杂剂组合物的各组分的相对量而选择有利地允许离子源设备100内B2H6和BF3的协同相互作用的电弧电压)下，产生与常规硼掺杂剂组合物相比增大的束电流并维持延长的时间段。
含W沉积物形成的减少转化为含W沉积物较少扩散并分解于IHC 315的较热表面上。从而，在离子源设备300操作期间IHC 315的重量增加速率以及所述室的阳极区的重量损失速率显著降低。最终结果是束闪变的较低频率或消失，从而提高束稳定性并延长离子源设备300的操作使用寿命。
图4显示并入离子注入系统400中的图3的离子源设备300。本领域技术人员应认识到，图3的离子源设备300的所有元件均并入图4中。因此，图4中显示的离子源设备300 的元件和特征应联系图3中显示的元件和特征来理解。
图4显示掺杂剂气体组合物可从掺杂剂气体箱401供应。掺杂剂气体组合物可作为预混合组合物在气体箱401内的单一供应容器中以所需的配方提供。或者，可构建并布置气体箱401以使得组分B2H6和BF3中的每一种可在作为气体套件的部分的单独的分配容器中供应，然后利用可被认为是气体套件的部分的相应的流量控制器使上述组分以连续或半连续方式、以受控流速同向流动或依序流动。氢气可与B2H6预混合。控制BF3和B2H6-H2的流速并将其引导向离子源设备400以产生优选浓度范围下的所需的含硼掺杂剂气体组合物。此类掺杂剂气体组合物可在所述(离子)源室400的入口和/或其内部产生。各组分混合的位置可存在于离子源设备400的上游或设备400的室412内。
仍参考图4，将含硼掺杂剂气体组合物作为预混合的单一源或作为单独种类BF3和B2H6-H2以上面刚刚描述的方式从箱401引入离子源设备400，以同向流动或依序流动方式进入设备300中。作为将能量引入室312(图3)中的手段向离子源灯丝314施加电压以产生设备300的选定电弧电压来使含硼掺杂剂气体组合物电离并且产生可用于注入的足够浓度的活性硼离子。优选地，将输入到离子源314的能量(即，电弧电压)维持在约80V– 120V范围内，以便使本发明的掺杂剂组合物的组分及其相应的离子种类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B+离子。在室312内产生所得等离子体环境。离子束引出系统401包括引出电极320和抑制电极119，其形成如图2中所示的含硼掺杂剂供应系统的部分，并且其被配置用于引出明确限定的硼束321以用于硼离子注入。可经由任选的质量分析器/过滤器405输送束321，以从待注入的其它种类中选择并磁性捕获硼离子种类。具体地，将质量分析器/过滤器405布置成只允许目标活性硼离子向前行进至处理室或终端站410中。然后，硼离子束407可根据需要通过加速/减速单元406被加速/减速，并然后被输送至安置于终端站410中的晶圆或目标工件409的表面，用于将活性硼离子注入工件409中。该束的活性硼离子与工件409的表面碰撞并且渗透进入该表面至所需的深度，以形成具有所需的电学和物理性质的区域。通过使用本发明的方法和技术，可使包括于系统400内的离子源设备300的束电流显著增大，超过常规的硼离子掺杂剂系统而不招致离子源寿命的降低。同样地，本发明代表硼离子注入行业的进步，其除了其它工艺益处之外，增加离子源设备400的生产量。
应注意，可在本发明的不同实施方案中使用硼离子注入工艺400的结构和设计的许多变化。此外，构造和设计的细节在本发明的实施中不重要，除了以下情况：它们涉及在离子源设备300和相应的注入过程400中使用的含硼掺杂剂组合物。
此外，离子源设备300可包括商业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。调整包括压力、灯丝电流和电弧电压的离子源操作参数以实现包含B2H6和BF3的含硼掺杂剂气体组合物的所需电离，以使得在选定的参数下，B2H6具有与BF3相比更高的电离横截面，由此根据本发明的原理增强了电离并产生活性B离子。
申请人已实施若干实验来比较本发明的含硼掺杂剂气体组合物与其它掺杂剂气体材料，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试验，离子源灯丝重量增加或损失以及阳极重量增加或重量损失各自如本领域中已知的通过在试验之前和之后进行离子源灯丝的重量测量来测量。电流使用法拉第杯通过本领域中熟知的标准化技术来测量。对于所有实验，电弧电流、电弧电压、引出电压和源压力的源参数保持相同。
对比实施例1(11BF3)
实施电离试验以评估从仅11BF3的掺杂剂气体组合物得到的离子束(即，在图5中标示为样品“A”)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。将衬底板放置在阳极前面以在电离过程期间保持阳极固定。将11BF3 引入离子源室中。向离子源施加电压以使11BF3电离并产生硼离子。所测量的束电流在图5 中显示。
观察到灯丝快速增加重量并且不利地影响离子源的使用寿命。此外，材料在离子源中的不合意的位置积聚。大部分这种积聚的沉积物由W组成。这种积聚归因于由于11BF3在离子源室内电离期间离解形成的氟离子/基团。
对于产生可用于离子注入的明确限定的硼离子束的目的，该束电流被认为是可接受的并且同样地归一化至1.0的值，其它试验将与其比较。然而，观察到28.5mg/hr的显著的阴极灯丝重量增加速率，如表1中所示。在试验期间各种含W的沉积物在灯丝上的积聚降低其热离子发射速率，导致归因于源气体的不充分电离的束电流最终损失，这要求中止试验。据信这些结果是仅使用11BF3作为B离子掺杂剂源遭遇的典型问题。
对比实施例2(11BF3+Xe/H2)
实施电离试验以评估从所述室内的由2.25％Xe+12.75％H2+85％11BF3的混合物组成的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流(即，在图5中标示为样品“B”)。使用与对比实施例1 中实施基线试验时相同的离子源室。将11BF3作为单独源引入所述室并将稀释剂氙气/氢气从另一源引入离子源室。将11BF3和氙气/氢气以要求的量引入以在所述室内产生2.25％Xe +12.75％H2+85％11BF3的掺杂剂气体组合物。
向离子源施加电压来使掺杂剂组合物电离并产生硼离子。将束电流相对对比实施例1 的11BF3的束电流归一化并显示于图5中。测量样品B的束电流并确定为比仅使用11BF3产生的束电流低约15％，如图5中所示。如表1中所示，获得1.43mg/hr的阴极灯丝重量增加速率和-0.75mg/hr的阳极区重量损失速率。归因于沉积物的灯丝重量增加速率显著低于对比实施例1的用11BF3的灯丝重量增加速率，表明较少活性F离子可用于维持卤素循环并蚀刻其它的钨室组件。因此，相对于对比实施例1，卤素循环减少。相对于对比实施例1，发生更少的束闪变。然而，氙气/氢气稀释剂以产生比仅使用11BF3产生的束电流低的束电流为代价来减少卤素循环和含W沉积物(图3)。这些结果指示使用稀释剂气体混合物的常规含硼掺杂剂气体前体。
对比实施例3(97.5％11BF3+2.5％B2H6)
实施电离试验以评估从所述室内的由97.5％11BF3+2.5％B2H6的混合物组成的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流(即，在图5中标示为样品“C”)。使纯11BF3从一个源流出，而 5％B2H6-11BF3的混合物从另一源流出。将这些组分引入所述室以形成包含97.5％11BF3+ 2.5％B2H6的组合物。使用与对比实施例1和2中实施试验时相同的离子源室。
向离子源施加电压来使掺杂剂气体混合物电离并产生硼离子。测量束电流并相对11BF3的束电流归一化，如图5中所示。确定该束电流高于对比实施例1或2。然而，如表 1中所示，获得0.3mg/hr的阴极灯丝重量增加速率。此外，获得-5.1mg/hr的阳极区重量损失速率。阴极灯丝重量增加速率和阳极区重量损失速率共同表明不可接受的缩短的离子源寿命。这些结果指示常规含硼掺杂剂气体混合物。
对比实施例4(5％B2H6+95％11BF3)
实施电离试验以评估从所述室内的由95％11BF3+5％B2H6的混合物组成的掺杂剂气体组合物获得的离子束电流(即，在图5中标示为样品“D”)。使用与对比实施例1、2和3中实施试验时相同的离子源室。将所述掺杂剂气体组合物预混合并从单一源引入所述室。
向离子源施加电压来使掺杂剂气体组合物电离并产生硼离子。测量束电流并相对11BF3的束电流归一化。确定束电流高于对比实施例1、2和3。
没有收集源寿命数据，因为预期样品D将展示与样品C的源寿命(其已被确定为不可接受)相当或比其更差的源寿命。
实施例1(5％B2H6+5％H2+90％11BF3)
实施电离试验来评估从所述室内的由5％B2H6+5％H2+90％11BF3组成的含硼掺杂剂气体组合物获得的离子束电流(即，在图5中标示为样品“E”)。使用与实施对比实施例1、2、3和4的试验时相同的离子源室。将所述组合物预混合至单一输送容器并从其中输送到所述离子源室。
向离子源施加电压来使硼掺杂剂气体组合物电离并产生硼离子。测量束电流并相对 11BF3的束电流(对比实施例1)归一化。确定束电流高于使用11BF3时产生的束电流。
如表1中所示，获得-2.5mg/hr的阴极灯丝重量损失速率和-1.1mg/hr的阳极区重量损失速率。该样品展示比任何对比实施例都小的重量改变。该组合物产生增大的束电流并维持较高的束电流而不缩短离子源寿命。
实施例2(3％B2H6+5％H2+92％11BF3)
实施电离试验以评估从由3％B2H6+5％H2+92％11BF3组成的含硼掺杂剂气体组合物获得的离子束电流(即，在图5中标示为样品“F”)。使用与实施对比实施例1、2、3和4的试验时相同的离子源室。将所述组合物预混合至单一输送容器并从其中输送到所述离子源室。
向离子源施加电压来使硼掺杂剂气体组合物电离并产生硼离子。测量束电流并相对 11BF3的束电流(对比实施例1)归一化。确定束电流高于使用11BF3时产生的束电流。
如表1中所示，观察到-0.6mg/hr的阴极灯丝重量损失速率和-0.9mg/hr的阳极区重量损失速率。这些源寿命数据值表明样品F的组合物能够维持较高的束电流而不缩短离子源寿命。
表1：阴极和阳极重量增加/损失汇总
Figure BDA0001772305120000121
实施例1和2展示了相对于对比实施例1-4的离子束质量的提高。本发明证实：当使用本发明的含硼掺杂剂气体组合物时，含W的室组件的蚀刻显著减少。沉积物的减少降低或消除了束不稳定性以及最终的束闪变，从而在离子室的源寿命期间改善硼束电流。此外，不同于现有技术方法，本发明的组合物、使用其的系统和方法可增大束电流而不损害、退化或缩短离子源寿命。提高的硼束电流质量结合延长的离子源可增加生产量，并且提供用于减少循环时间以实现加工工件的所需掺杂剂剂量的机会。
从电离观点来看，实施例1和2还证明了本发明的特定含硼组合物可产生活性硼离子和增大的束电流而不使离子源退化。尤其，在选定的电弧电压操作条件下本发明的优选浓度范围内的B2H6、BF3和H2的混合物促进彼此以协同方式相互作用以产生硼电离机制，所述机制可产生至少约等于从单独电离的B2H6和BF3可获得的总硼离子的简单相加效应的增大量的活性硼离子。净效应是与使用常规的硼前体材料的常规系统和方法相比，硼束电流的改善。
另外，本发明可克服为了减少沉积物的目的而需要稀释剂气体混合物(例如Xe/H2)的常规硼离子注入系统和方法的缺点。稀释剂气体混合物倾向于减少进入离子源室的每单位气流可用的活性硼离子数量，从而减少生产量。因此，使用稀释剂气体混合物的常规硼掺杂剂组合物通常遇到的这种所谓的“稀释效应”在本发明中得以消除，因为本发明不依赖结合稀释剂气体混合物来延长源寿命。
本发明还提供其它工艺益处。例如，本发明中可得到的增大的束电流可消除对任何额外的气体控制杆(gas stick)(例如，流量控制设备、压力监控设备、阀和电子界面)的需求，并因此提供与利用额外的气体控制杆相关的资本费用的显著减少。
虽然已显示并描述了被认为是本发明的某些实施方案的内容，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显示并描述的确切形式和细节，也不限于本文公开并在下文要求保护的整个本发明。

Claims (15)

1.一种用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物，其包含：
0.1体积％-10体积％的乙硼烷，即B2H6；
5体积％-15体积％的氢气，即H2；和
余量为对于硼质量同位素11同位素富集的三氟化硼，即11BF3。
2.权利要求1所述的用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物，其中所述B2H6和H2作为混合物在第一供应源中提供，且所述11BF3在第二供应源中提供。
3.权利要求1所述的用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物，其中所述B2H6和11BF3作为混合物在第一供应源中提供，且所述H2在第二供应源中提供。
4.权利要求1所述的用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物，其中所述B2H6、H2和11BF3作为混合物在单一供应源中供应。
5.权利要求1所述的用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物，其中所述B2H6同位素富集超过天然丰度水平。
6.权利要求1所述的用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物，其中所述含硼掺杂剂组合物在离子室的上游位置和/或离子室内产生。
7.一种用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物，其包含设置为在供应容器中提供的对于硼质量同位素11同位素富集的三氟化硼，即11BF3，其中所述供应容器包含氢气(H2)，
并且其中所述11BF3作为气体套件的部分供应，所述气体套件包括单独的包含B2H6的供应容器，在供应时，B2H6占0.1体积％-10体积％，氢气占5体积％-15体积％，余量为对于硼质量同位素11同位素富集的三氟化硼。
8.权利要求7所述的含硼掺杂剂组合物，其中所述供应容器设置到气体箱中。
9.权利要求7所述的含硼掺杂剂组合物，其中所述供应容器是与设置来运行以产生硼活性离子的离子源设备流体连通的负压输送成套设备，所述离子源设备的特征在于在离子源寿命期间平均闪变速率不大于2次闪变/分钟。
10.权利要求7所述的含硼掺杂剂组合物，其进一步特征在于不存在稀释剂气体。
11.权利要求9所述的含硼掺杂剂组合物，其中所述供应容器是与设置来运行以产生硼活性离子的离子源设备流体连通的负压输送成套设备，所述离子源设备的特征在于在至少100小时的离子源寿命期间平均闪变速率不大于2次闪变/分钟。
12.一种用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物气体，其包含：
包含所述含硼掺杂剂组合物气体混合物的气体储存和分配容器；
所述含硼掺杂剂组合物气体混合物包含：
0.1体积％-10体积％的乙硼烷；
5体积％-15体积％的氢气；和
余量为对于硼质量同位素11同位素富集的三氟化硼(11BF3)；
其中所述气体储存和分配容器设置到气体箱中，所述气体箱与离子源设备可操作连接以注入活性硼离子。
13.权利要求12所述的含硼掺杂剂组合物气体，其特征在于基本上或完全不存在氙气或氩气。
14.含硼组合物气体，其包含0.1体积％-10体积％的乙硼烷(B2H6)、5体积％-15体积％的氢气(H2)以及余量为对于硼质量同位素11同位素富集的三氟化硼(11BF3)。
15.一种用于离子注入工艺的含硼掺杂剂组合物气体，其包含：
包含所述含硼掺杂剂组合物气体混合物的气体储存和分配容器；
所述含硼掺杂剂组合物气体混合物包含：
0.1体积％-10体积％的乙硼烷；
5体积％-15体积％的氢气；和
余量为对于硼质量同位素11同位素富集的三氟化硼(11BF3)。
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