CN111033679A - 用于离子注入的含锑材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于使用含锑掺杂剂材料的新型方法、组合物以及系统。作为离子注入工艺的一部分，选择具有足够蒸气压的组合物，以使该组合物流入电弧室。含锑材料由含非碳的化学式表示，从而减少或消除将碳基沉积物引入离子室中。组合物在稳定条件下储存在储存和输送器皿中，该储存和输送器皿包括不含痕量的水分的无水环境。

Description

用于离子注入的含锑材料
技术领域
本发明涉及一种用于离子注入的新型含锑材料，以及用于离子注入工艺的材料的储存和输送的合适条件。
背景技术
离子注入是半导体/微电子制造中的关键工艺。离子注入工艺通常用于集成电路制造中，以将掺杂剂杂质引入半导体晶圆中。一般来讲，关于半导体应用，离子注入涉及将离子从掺杂剂气体(通常也称为掺杂剂杂质)引入半导体晶圆中，以便以所需的方式改变晶圆的物理特性、化学特性和/或电气特性。将所需的掺杂剂杂质以痕量引入半导体晶圆中，以便在晶圆的表面的所需的深度处形成掺杂区域。选择掺杂剂杂质使其与半导体晶圆结合以产生电力载波，并且从而改变半导体晶圆的电传导率。引入晶圆中的掺杂剂杂质的浓度或剂量决定掺杂区域的电传导率。这样，产生若干杂质区域以形成晶体管结构、隔离结构和其他电子结构，这些结构共同用作半导体器件。
离子源用于从源掺杂剂气体生成离子物质的离子束。离子源是离子注入系统的关键部件，该离子源用于电离掺杂剂气体以产生要在注入工艺期间注入的某些掺杂剂离子。离子源室包括阴极，诸如由钨(W)或钨合金制成的灯丝，该阴极被加热到其热离子生成温度以生成电子。电子朝向电弧室壁加速并与电弧室中的掺杂剂源气体分子碰撞，以生成等离子体。等离子体包括解离的离子、自由基和中性原子以及掺杂剂气体物质的分子。从电弧室提取离子物质，并且然后基于质量将该离子物质与其他离子物质分离。只有基于特定质荷比的束中的离子才能穿过过滤器。所选择的质量的离子含有所需的离子物质，然后将这些离子物质导向目标衬底并以所需的深度和剂量注入目标衬底中。
目前的半导体器件技术利用特定量的各种掺杂剂物质来产生p型半导体和n型半导体，这两种半导体都被认为是用于制造晶体管和二极管电子器件的构件。p型掺杂剂和n型掺杂剂的差异主要与引入半导体晶格中的电荷携带物质有关。p型掺杂剂用于通过在价带中产生电子缺陷而在半导体材料中生成电子“空穴”，而n型掺杂剂用于在半导体材料中生成自由电子。锑(Sb)是当今电子器件所需的常用掺杂剂物质的示例。Sb是具有许多期望的用途的n型掺杂剂，其在半导体工业中引起持续关注。例如，锑化铟是一种用作红外检测器的窄能带隙III-V半导体。锑还用于形成鳍式FET器件中的超浅p-n结；MOSFET中沟道的阈值电压调整；pMOS器件中穿通止晕注入物；和锗n-MOSFET中的源极-漏极区域。
目前，Sb的固体源用作掺杂剂材料。元素Sb金属可以通过将该元素Sb金属放置在灯丝附近来用于离子注入。在离子注入期间，灯丝的温度足够高，使得辐射加热导致Sb蒸发并与电子碰撞，以产生含Sb离子用于掺杂。然而，该方法会导致Sb沉积在室壁上或在灯丝上，从而缩短灯丝寿命。Sb的固体化合物也用作掺杂剂源，诸如SbF3、SbCl3和Sb2O3，但是这些化合物需要加热到160℃以上才能生成足够量的离子注入所需的蒸气。另外，通常将系统中的所有流动管线加热以防止Sb的固体源在到达电弧室之前发生再冷凝。
考虑到Sb的固体源用于注入含Sb离子存在操作挑战，已经设想了Sb的气体源。具体地讲，已经提出了SbH3和SbD3作为Sb的气态源，但是这些化合物不稳定并且在室温下分解。
目前，暂时没有可用于离子注入的可用Sb掺杂剂源。对可用于传统离子注入系统的可靠的Sb掺杂剂源的需求尚未得到满足。
发明内容
本发明可包括各种组合形式的以下任一方面，并且还可包括下文在书面描述或在附图中描述的任何其他方面。
本发明部分涉及用于使用锑掺杂剂组合物的方法和系统。已经发现，本文使用的含Sb材料的组合物提高了向离子注入工艺的输送的容易度，并显著减少了含Sb沉积物在离子室内的累积。
在第一方面，一种适于离子注入的组合物，其用于注入含锑离子以产生n型电子器件结构，包括：含锑材料，所述含锑材料在环境温度下是化学稳定的，并且在低于大气压的储存条件下保持为液相，并且进一步地，其中所述储存条件的特征在于不存在痕量水分；所述含锑材料由含非碳的化学式表示；所述含锑材料处于所述液相，所述液相与相应的蒸气相基本平衡，所述蒸气相适于响应于下游真空压力条件而施加足够的蒸气压。
在第二方面，一种低于大气压的储存和输送器皿，所述器皿用于适于离子注入的组合物，所述离子注入用于注入锑离子以形成n型电子器件结构，所述器皿包括：含锑材料，所述含锑材料在环境温度下是化学稳定的；所述含锑材料由含非碳的化学式表示；储存和输送器皿，该储存和输送器皿至少部分地由无水分的环境所限定，所述环境的特征在于不存在痕量的水分，所述储存和运输器皿被配置用于在低于大气压的条件下将所述含锑材料保持在液相，由此所述液相与占据储存和输送器皿的顶部空间的相应蒸气相基本平衡。
在第三方面，一种操作离子源以注入含Sb离子的方法，所述方法包括：以至少约0.1sccm或更大的流速将蒸气相的含锑材料引入电弧室；电离所述组合物以在所述电弧室中产生含Sb离子；并且将所述含Sb离子注入衬底中。
在第四方面，一种吸附剂，该吸附剂具有可输送吸附能力，该可输送吸附能力用于在低于大气压条件下储存和输送适于离子注入的组合物，所述离子注入用于注入锑离子以形成n型电子器件结构，所述组合物包含含锑材料，所述含锑材料在环境温度下是化学稳定的；所述含锑材料由含非碳的化学式表示；并且所述吸附剂具有无水分环境，其水分不大于约50ppm。
附图说明
根据本发明的优选实施方案的以下详细描述，并结合附图将更好地理解本发明的目标和优点，在附图中，类似的数字在整个说明书中指代相同的特征部，并且其中：
图1示出了结合本发明的原理的束线离子注入系统；
图2示出了结合本发明的原理的等离子体浸没离子注入系统；
图3示出了结合本发明的原理的示例性储存和输送容器皿；并且
图4示出了结合本发明的原理的另选储存和输送器皿。
具体实施方式
通过以下详细描述来更好地理解本发明的各种元件的关系和功能。该详细描述设想了如在本公开的范围内的以各种排列和组合的特征、方面和实施方案。本公开可因此被指定成包括这些具体特征、方面和实施方案的任何此类组合和排列，或所选择的它们中的一者或多者、由或基本上由这些具体特征、方面和实施方案的任何此类组合和排列，或所选择的它们中的一者或多者组成。
本发明可包括各种组合形式的以下任一实施方案，并且还可包括下文在书面描述或在附图中描述的任何其他方面。如本文所用，术语“实施方案”表示用于以举例而非限制的方式进行例示的实施方案。
如本文和全文所用，术语“含锑离子”或“锑离子”表示各种Sb离子物质，包括Sb离子或含Sb离子诸如Sb+或Sb2+，以及低聚物离子诸如但不限于适于注入衬底中的Sb2 +。
本文和全文所用的“衬底”是指另一种材料(诸如，掺杂剂离子)注入其中的任何材料，包括但不限于晶圆或者需要离子注入的其他切片材料或非切片材料或类似目标物体，由任何合适的材料(包括硅、二氧化硅、锗、砷化镓及其合金)形成。
应当理解，“Sb”和“锑”在本文和全文中可互换使用，并且旨在具有相同的含义。提及“含Sb材料”或“含Sb源材料”旨在是指本发明锑材料的液相以及与液相基本平衡的相应蒸气相。“含Sb液体源材料”旨在表示与相应蒸气相基本平衡的本发明材料。
如本文和全文所用，术语“器皿”和“容器”可互换使用，并且旨在表示任何类型的储存、填充、传送和/或输送器皿，包括但不限于适于填充、储存、传送和/或输送材料的气缸、杜瓦瓶、瓶、罐、桶、整体和微体。
如本文和全文所用，除非另外指明，所有浓度均表示为体积百分比(“vol％”)。
如本文和全文所用的“减少”是就离子注入工艺而论的，旨在表示：(i)缩短、抑制和/或延迟有害事件或事情的发生(例如，减少分解反应；减少离子短路)；或(ii)在量上降低到不能达到特定目的不可接受水平(例如，减少不能维持等离子体的流量)；或(iii)降低到不会对特定目的产生负面影响的非显著量(例如，减少不会使进入电弧室的流不稳定的低聚物量)；或(iv)减少与常规实践相比显著但不会改变预期的功能的量(例如，减少伴热同时仍保持材料的蒸气相而不使所述材料沿导管再冷凝)。
如本文和全文所用，当提及可测量值诸如量或时长时，“约”或“大约”表示包括偏离指定值±20％、±10％、±5％、±1％和±0.1％的变化，因为此类变化是适当的。
在本公开全文中，本发明的各个方面可以范围格式呈现。应当理解，以范围格式进行的描述仅仅是为了方便和简洁，不应被认为是对本发明的范围的限制。因此，对范围的描述应被认为具有具体公开的所有可能子范围以及该范围内的各个数值。例如，对范围诸如1至6的描述应被认为具有具体公开的子范围诸如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等，以及该范围内的各个数值例如1、2、2.7、3、4、5、5.3、6及其间的任何整数和部分增量。无论范围的广度如何，这都适用。
鉴于缺乏用于离子注入的合适Sb源材料，本发明应运而生。一方面，本发明涉及一种适合作为n型掺杂剂进行离子注入的锑组合物，该组合物包括以下属性：(i)含锑材料，该含锑材料可以在低于大气压的条件下以液相储存，其中储存条件是以不含痕量水分为特征的无水分环境，在本文定义为不大于约50ppm；(ii)含锑材料由含非碳的化学式表示；以及(iii)含锑材料的液相与相应的蒸汽相基本平衡，该蒸气相可以响应于下游真空压力条件在蒸气相中以基本连续的流速流动。
含Sb源材料在储存条件下具有与相应蒸气相基本平衡的液相。该材料在环境温度下保持稳定，并且在离子注入使用期间没有分解的趋势。作为液体的含Sb材料具有足够的蒸气压，在本文中定义为可以维持进入电弧室中的流速为约0.1-100sccm的蒸气量。具体地讲，蒸气相的含Sb材料的流速是足够的，以便在操作离子注入机期间生成并保持稳定的等离子体。稳定的等离子体允许Sb离子的注入在提取电极上在约50V-150V的电弧电压和约1keV-300keV的提取电压下发生，由此产生含Sb离子的束。含Sb离子的束电流的范围是从约10微安到100mA，从而使得进入衬底的Sb离子剂量为约1E11至1E16原子/cm2。
在一个方面，本发明的含Sb的源材料以液相储存在器皿中，所述液相与占据所述容器顶部空间的蒸气相基本平衡。含Sb源材料的蒸气相可以从器皿排出，并在环境温度条件下沿着导管输送到离子注入机的电弧室中。有利的是，并且与常规的含Sb材料相反，液相的含Sb的源材料具有可补充器皿的(i)顶部空间；以及(ii)从器皿延伸到电弧室的导管。这样，足量的含Sb的源材料蒸发成蒸汽相以保持流动到电弧室中的约0.1-100sccm的流速。
申请人已经发现，需要保持液态含Sb源材料的蒸发速率以产生沿着导管并进入电弧室的至少约0.1sccm或更大的蒸气相流速。当含Sb源液体的蒸发速率处于或低于某一阈值使得蒸气相的含Sb源材料的所得流速处于或低于约0.1sccm时，蒸气相的含Sb材料可以比包含在器皿中的含Sb源材料的蒸发速率更快的速率沿着导管流动并流入电弧室。进入电弧室的流可能不可持续，并最终减小到不可接受的低水平或有变得不稳定的趋势。最后，在最坏的情况下，该流可完全停止或减小到离子束变得不稳定并且失效的程度，从而使得需要中止整个注入工艺。
在一个另选实施方案中，并且作为加速蒸发速率的一种可行手段，液态含Sb源材料可储存在保持在低于大气压的条件下的储存和输送器皿中，以使液态源材料能够以足以将所需量的源材料形成蒸气相的相对较高速率蒸发，该蒸气相负责生成进入电弧室的约0.1-100sccm的所需流速。因此，液态含Sb源材料以足够的速率蒸发到蒸气相中，以在储存和输送器皿的顶部空间中并沿着延伸到电弧室中的导管补充蒸气，从而在用于Sb离子注入的离子注入机的操作期间产生并保持含Sb源材料的蒸气相流速为约0.1-100sccm。
为了使蒸发所需的储存条件能够发生，储存和输送器皿被配置有足够的顶部空间，足够的体积的含Sb源的蒸气可以驻留在该顶部空间中，以使必要的蒸气相流入延伸到电弧室的导管中。具体地讲，储存和输送器皿被配置成提供至少约1：1、更优选约1：2、最优选约1：3的液体与顶部空间的体积比。此外，当含Sb材料的相应蒸气相沿着导管流动时，在储存和输送器皿内暴露于蒸气相的含Sb液体的足够表面积优选可用于允许必要的蒸发以补充储存和输送器皿的顶部空间，从而使含Sb蒸气沿着导管并进入电弧室的流动基本稳定。具体地讲，暴露于蒸气相的液体的表面积优选为至少约16cm2，更优选为大于或等于约50cm2，并且最优选为大于约100cm2。
含Sb源材料的其他储存条件可以导致液体源材料的蒸发速率低得无法接受。例如，如果含Sb液体源材料在等于或大于大气压力的压力下储存在储存和输送器皿中，那么液体源材料的蒸气相的分压可能不足，因为在填充操作时可能无意中已经将空气、N2或任何其他惰性和/或反应性气体物质引入储存和输送器皿的顶部空间中。另外，在此类情况下，蒸气相的含Sb材料与其他污染物的污染会使材料不适合在离子注入工艺中使用，离子注入工艺通常不能容忍将污染物(包括大气污染物)引入电弧室中。
在另一个实施方案中，本发明涉及使含Sb材料的气相以基本上单体的形式从容器中流出，同时消除或减少低聚物的量，从而确保含Sb材料进入电弧室的气相流动稳定性。例如，作为减少在气相中形成的低聚物(例如，二聚体、三聚体、四聚体和/或五聚体)的数量的一种可行方法，储存和输送器皿可以被加热到不超过65℃，从而形成基本上是含Sb材料的单体的气相。在另一个实施方案中，储存和输送器皿可以被加热到不超过50℃，作为形成基本上是含Sb材料的单体的气相的手段。在另一个实施例方案中，储存和输送器皿可以被加热到不超过40℃，作为形成基本上是含Sb材料的单体的气相的手段。申请人已经认识到，在相同的储存条件下，蒸气相的含Sb材料的低聚物的流速可能低于基本上为单体的蒸气相的含Sb材料的流速，导致不可接受的流动不稳定性和变化。这样，结合适合于如上所述的充分蒸发的器皿配置，选择特定的低于大气压的压力和升高的温度条件，可以减少气相中低聚物的量。
在另一个实施方案中，含Sb源材料可以与惰性气体如N2、He、Ne、Ar、Kr或Xe共同流动或顺序流动，以提高含Sb源材料进入电弧室的气相流速的稳定性。另选地或除此之外，惰性气体可以被配置成在流经液相的含Sb源材料或者与储存和输送器皿相互作用。
在另一方面，含Sb的源材料储存在储存和输送器皿中，该器皿是不含痕量水分的无水分环境，其在本文和全文中被定义为不大于约50ppm。在存在水分时，卤化的含Sb化合物可以反应以形成Sb2O3、H2、HF或HCl。可以通过若干技术在储存器皿中实现这种不含痕量水分的无水分环境，其中一种技术包括执行所谓的“冻结泵送解冻”循环。在一个冻结-泵送-解冻循环中，冷却含Sb源材料，使得所有含Sb源材料蒸气从气相冷凝，同时其他污染物诸如水分和氮气保留在蒸气相中。在使含Sb源材料冷凝足够的时间后，使用泵将器皿的顶部空间抽空，同时继续冷却器皿，使得基本上所有蒸气污染物被除去，并且含Sb材料在器皿中保留为固体、液体或其混合物。当除去污染物时，将器皿封闭并且将呈固体、液体或其混合物的含Sb材料加热至环境温度，以形成与其相应相基本平衡的液体。这样，避免将水分和其他杂质、特别是大气杂质引入储存和输送器皿中。其他技术可用于实现含Sb材料的无水分环境，包括但不限于对器皿的内表面进行氟钝化。另选地，可采用塑料器皿将含Sb材料储存并输送到电弧室以进行离子注入。
本发明优选地避免在Sb离子注入期间碳基沉积物的有害影响。含Sb源材料是由含非碳的化学式表示的分子，以减少或消除在电弧室中和离子源的整个其他区域中形成碳基沉积物。碳基沉积物的示例包括但不限于C、CF和CCl化合物。碳基沉积物可以通过沿着离子注入机的各种部件(包括提取板)形成晶须或其他各种形状的沉积物(其中碳基沉积可以导致离子束的形状变形)来缩短离子源寿命。另选地或除此之外，碳基沉积物可以作为残余颗粒沉积和累积到衬底上。在等离子体中存在碳还可以降低Sb的束电流，因为形成的含碳离子变得可自由用于稀释等离子体。因此，本发明优选地利用由含非碳的化学式表示的含Sb源材料。这样，在含Sb源材料中避免碳减少或消除进入电弧室的碳衍生沉积物的引入以及相关联的有害影响。
在一个优选的实施方案中，五氟化锑(SbF5)是用于执行离子注入的含Sb源材料。SbF5是腐蚀性液体，是一种相对较强的路易斯酸并且可以与水分剧烈反应产生Sb2O3和HF。因此，SbF5源材料在低于大气压的条件下，在不含痕量水分的无水分环境中储存在储存和输送器皿中，其中痕量水分在本文和全文中被定义为不大于约50ppm。在可操作地连接到电弧室的储存和输送器皿中，将SbF5在约25摄氏度下保持为蒸气压为约10托的液体。
设想了其他源材料。例如，在本发明的另一个实施方案中，SbCl5是适于离子注入的含锑源材料。在可操作地连接到电弧室的储存输送器皿中，将SbCl5在约25摄氏度下保持为蒸气压为7.6托的液体。根据本发明的适用标准的其他源材料也可如本文所述使用。
尽管SbF5具有稳定性并且使用液体基材料进行Sb离子注入具有工艺益处，但是发明人已经认识到利用SbF5和其他含氟Sb化合物的一个设计挑战是在化合物中存在氟可能导致等离子体中的氟离子过量。氟离子可以传播所谓的“卤素循环”，在卤素循环中，过量的卤离子可导致将钨室壁蚀刻到阴极上，从而产生氟化钨物质(通常由WFx表示)，该氟化钨物质可以迁移到热离子源灯丝上，可以在该灯丝上沉积钨。钨的沉积具有增大离子源的操作电压的趋势，继而增加了W在离子源灯丝上的沉积，直到离子源最终可能降解。该卤素循环具有缩短离子源寿命的趋势。
为了减轻卤素循环的影响，可以在使用SbF5或本发明设想的其他含Sb源材料期间掺入含氢化合物，特别是含氟原子或其他卤素的含氢化合物。可以任何可能的方式将含氢化合物引入电弧室中，包括使含氢化合物与SbF5或本发明的其他含Sb源材料依次流动或共流动。另选地，含氢化合物可以与SbF5或本发明设想的其他含Sb源材料一起作为混合物储存。合适的含氢化合物包括但不限于H2、CH3F、CH2F2、Si2H6、PH3、AsH3、SiH4、GeH4、B2H6、CH4、NH3或H2S，以及它们的任意组合。
引入电弧室中以减轻卤素循环的含氢化合物的量应当是能够中和或清除可能包含在本发明的含Sb源材料中的氟或其他卤素的有害影响的有效量。当利用SbF5时，含氢化合物的有效量优选为SbF5和含氢化合物的总组合物的至少约20体积％，以提供足够量的氢原子从而减轻卤素循环的有害影响。如本文和全文所用的术语“有效量”表示为达到所述目的(诸如，在用于离子注入Sb离子物质的特定配方期间，中和或清除由于卤素循环或其他原因可能存在的氟或其他卤素离子的有害影响)的特定材料(诸如，含氢化合物)的所需量。在一个示例中，减轻卤素循环所需的含氢化合物的体积％可以是在电弧室中形成的所得SbF5和含氢化合物的组成混合物的大约50体积％。应当理解，含氢化合物的有效量可以大于SbF5和含氢化合物的总组合物的约50体积％。
通过使用符合本文定义的适用标准的本发明的设想液体源材料来在本发明中避免固体含Sb源包括若干工艺益处。例如，当采用本发明的含Sb源材料时，减少或完全避免了充分挥发固体含Sb源并防止其沿着离子注入系统的导管和流动管线冷凝和沉积通常所需的过度加热。至少，常规含Sb固体源需要加热在储存和输送器皿与电弧室之间延伸的导管以防止含Sb固体源冷凝，使该含Sb固体源气化但在离子注入期间可能易于冷凝。相反，本发明减少了加热导管的量或消除了对加热导管的需要。本发明还减少或消除了本发明的含Sb材料沉积和累积到室壁和/或离子源灯丝上的风险。避免此类过高温度还减少或消除了分解和副反应的趋势，分解和副反应会使Sb离子注入工艺难以控制。
此外，其他锑源，尤其是含Sb固体源需要更高的温度，这限制了控制阀的使用，从而使流量控制变得困难。在本发明中，避免升高的温度让使用控制阀来将蒸汽流量控制在本文提到的期望流速成为可能，从而使离子注入机的操作稳定且可控。在一个实施方案中，本发明中的受控流速允许注入机在至少约10微安的束流下操作至少约50小时的离子源寿命，同时产生小于约1干扰/分钟的干扰率。
此外，本发明减少了或消除了对载气或反应性气体的需要。相反，以前例如在将固体含Sb源电镀到电弧室附近的表面上时实施了载气或反应性气体，因此需要将表面加热至高温以使固体含Sb源气化。然后载气或反应性气体将气化的含Sb源引导到电弧室中。
参考图1，示出了根据本发明的原理的示例性束线离子注入装置。束线离子注入系统用于执行离子注入工艺。束线离子设备系统的部件在图1中示出。根据本发明的原理选择含Sb液体源材料101，以便具有足够的蒸气压。含Sb源材料101储存在位于气体箱100内的储存和输送器皿中，如图1所示。含Sb液体源材料101储存在不含痕量水分的无水分环境中，在本文定义为不大于约50ppm。含Sb液体源材料101还由含非碳的式表示。在一个优选的实施方案中，含Sb液体源材料101是SbF5。另选地，含Sb液体源材料101是SbCl5。一种或多种含氢化合物可任选地包括在气体箱100中并以有效量流入电弧室103中，以在利用包括卤素的含Sb材料(例如，SbF5或SbCl5)时减轻卤素循环的影响。
含Sb液体源材料101储存在液相中，该液相与占据储存和输送器皿的顶部空间的相应蒸气相基本平衡。含Sb源材料101的蒸气压足以减少或消除气体箱100和离子源室103之间的管线的加热量，从而能够如上所述控制工艺的稳定性。含Sb液体材料101的蒸气相被配置为响应于气体箱100的下游的真空压力条件而在蒸气相中以基本连续且足够的流速流动。蒸气离开储存和输送器皿的顶部空间并流入导管中，并且然后沿着导管朝向离子源室103流动。气体箱100中的储存和输送器皿内的含Sb源材料的蒸气压足以使含Sb源材料的蒸气相沿着导管稳定流动并进入电弧室103。将含Sb液体材料101的蒸气相引入离子源室103中，在该离子源室中发生材料101的电离。将能量引入室103中以电离含Sb蒸气。流量控制装置102(可包括一个或多个质量流量控制器和相应阀门)用于将蒸气的流速控制在预定值。通过图1的工艺避免了常规固体含Sb源通常所需的过高温度，让使用控制阀来将蒸汽流量控制在本文提到的期望流速成为可能，从而使离子注入机的操作稳定且可控。含Sb材料的电离可产生各种锑离子。离子束提取系统104用于以所需能量的离子束形式从离子源室103提取锑离子。提取可以通过在提取电极两端施加高电压来进行。通过质量分析器/过滤器105传送束以选择待注入的Sb离子物质。然后，离子束可以被加速/减速106并被传送到定位在终端站107中的目标工件108(即，衬底)的表面，以便将Sb离子注入工件108中。工件可以是例如需要离子注入的半导体晶圆或类似的目标对象。Sb离子束与工件的表面碰撞并以特定深度穿透工件的表面以形成具有所需电性质和物理性质的掺杂区域。
应当理解，本发明的新型含Sb材料可以与其他离子注入系统一起利用。例如，如图2所示的等离子体浸没离子注入(PIII)系统也可用于注入Sb离子。此类系统包括气体箱200，该气体箱的配置类似于束线离子注入装置100。PIII系统的操作类似于图1的束线离子注入系统的操作。参考图2，通过流量控制装置202将本发明的含Sb液体源材料的蒸气相从源201引入等离子体室203中。源201表示储存和输送器皿，其被配置为储存含Sb材料的液相，该液相与占据储存和输送器皿的顶部空间的相应蒸气相基本平衡。含Sb液体源材料201储存在不含痕量水分的无水分环境中，在本文定义为不大于约50ppm。含Sb液体源材料101还由含非碳的式表示。在一个优选的实施方案中，含Sb源材料101是SbF5。另选地，含Sb源材料101是SbCl5。
含Sb源材料201的蒸气压足以减少或消除气体箱200和等离子体室203之间的管线的加热量，从而能够如上所述控制工艺的稳定性。含Sb液体源材料201的蒸气相被配置为响应于气体箱200的下游的真空压力条件而在蒸气相中以基本连续且足够的流速流动。蒸气相离开储存和输送器皿的顶部空间并流入导管中，并且然后沿着导管朝向等离子体室203流动。气体箱200中的储存和输送器皿内的含Sb源材料的蒸气压足以使含Sb源材料的蒸气相沿着导管稳定流动并进入电弧室203。当将含Sb液体材料的蒸气相引入离子源室203中时，随后提供能量以电离含Sb蒸气并产生Sb离子。存在于等离子体中的Sb离子朝向目标工件204加速。应当理解，一种或多种含氢化合物可任选地包括在气体箱200中并以有效量流入等离子体室203中，以在利用包括卤素的含Sb材料(例如，SbF5或SbCl5)时减轻卤素循环的影响。
在本发明的另一个方面，如图3所示提供了一种用于本文公开的含Sb源材料的储存和输送器皿。该储存和输送器皿使本发明的含Sb源材料安全包装和输送。本发明的含Sb源材料包含在器皿300中。器皿300配备有入口端口310以允许利用所需的含Sb源材料来填充器皿300。该端口也可以用于在用所需的Sb掺杂材料进行填充之前利用惰性气体吹扫器皿300的内部并排空器皿300。在一个示例中，可以利用容器300进行冻结泵送解冻循环，以创建不含不超过约50ppm的痕量水分的无水分环境。
提供出口端口320以从器皿300的顶部空间排出含Sb材料的蒸气相。真空致动止回阀330设置在出口端口的上游，其响应于在气缸300的下游发生的低于大气压的条件而分配受控流速的含Sb材料。该真空致动止回阀330在处理本发明的各种含Sb材料的同时提高了安全性。当阀门321向大气压力打开时，止回阀330防止了在器皿300内部引入任何空气或其他污染物，因此减轻了污染的风险以及占据器皿300的顶部空间的蒸气相中的含Sb材料的分压降低。这样，可以安全的方式在储存、输送和使用含Sb材料期间保持其高纯度水平，由此含Sb源材料的排出蒸气相可以保持足够的蒸气压以在离子注入期间产生所需的流速。止回阀330可以位于器皿300外部(实例I)。另选地，止回阀330可以位于器皿300内部(实例II)。器皿300与排放流动路径流体连通，其中致动止回阀330以允许响应于沿着排放流动路径实现的低于大气压的条件而控制来自器皿300的内部体积的含Sb源材料的流动。
器皿300可以是用于在低于大气压的条件下将含Sb材料保持在至少部分蒸气相中的气缸。含Sb材料在其内储存在于低于大气压的条件下。含Sb材料保持化学稳定性并且不会在气缸300的内部发生分解。含Sb材料优选地在环境温度(20℃-25℃)下被储存为液体。在一个实施方案中，蒸气压大于约1托。在另一个实施方案中，蒸气压大于约3托，并且更优选大于约5托。
气缸300优选地包括与气缸300机械连通的双端口阀组件。双端口阀在图4中示出并且包括填充端口阀和排放端口阀，其中填充端口阀与气缸的内部流体连通以将含Sb掺杂剂材料引入其中。排放端口阀与从气缸的内部延伸到外部的流动排放路径流体连通，以从其中排放含锑掺杂剂材料。止回阀330沿着流动排放路径定位，由此止回阀被配置为响应于气缸外部的低于大气压的条件而从闭合位置移动到打开位置。
设想了其他储存器皿。例如，在一个另选实施方案中，含锑掺杂剂材料可从吸附剂基输送系统中储存和分配。设想了各种合适的吸附剂，包括但不限于碳基吸收剂或金属有机框架。
在又一个实施方案中，
Figure BDA0002385289240000131
输送装置可从康涅狄格州丹伯里的普莱克斯公司(Praxair,Danbury,CT)商购获得，并如美国专利5,937,895、6,045,115、6,007,609、7,708,028、和7,905,247以及美国专利公布2016/0258537中所公开，所有这些专利全文以引用方式并入本文，可用于本发明，以将来自器皿300的含Sb源材料的蒸气相的受控流速安全地输送到用于Sb离子注入的离子装置。
Figure BDA0002385289240000132
输送装置的真空致动止回阀用于防止大气压力下可能存在于周围环境中的空气和其他气体的污染物渗透到器皿中并污染含Sb前体材料并降低其分压。
其他合适的低于大气压的输送装置可包括各种布置的压力调节器、止回阀、过流阀和限流孔。例如，可在气缸内串联设置两个压力调节器，以将器皿内蒸气相的含Sb源材料的气缸压力下调到沿着流体排放管线包含的下游质量流量控制器可接受的预定压力。
器皿或气缸300连同设想的其变型可与束线离子注入系统(图1)组合配置，由此器皿或气缸300通过在器皿或气缸与所述系统之间延伸的流动管线或导管网络可操作地连接到所述系统。有利地，与常规含Sb源相比，导管的特征优选地在于消除或减少了伴热的量。
另选地，器皿或气缸300连同设想的其变型可与等离子体浸没系统(图2)组合配置，由此器皿或气缸300通过在器皿或气缸与所述等离子体浸没系统之间延伸的流动管线或导管网络可操作地连接到所述等离子体浸没系统。有利地，与常规含Sb源相比，导管的特征优选地在于消除或减少了伴热的量。
设想本发明的许多益处。例如，与利用固体基含Sb前体来进行Sb离子注入并且然后利用不同的气态掺杂剂源相比，利用本发明的液体基含Sb前体来输送用于Sb离子注入的含Sb蒸气相，之后进行切换到不同的气态掺杂剂源通常需要更少的时间。具体地讲，与固体含Sb源相比，利用本发明的液体基含Sb前体来输送含Sb蒸气相减少了切换到不同掺杂剂物质进行离子注入所需的启动时间，从而使得注入机的晶圆吞吐量更大。例如，可以预期注入机运行固体砷(As)或固体磷(P)作为用于注入其各自离子物质的源材料需要约30分钟来调整离子束，而可以预期使用气态AsH3或气态PH3源材料通常仅需要约4分钟来调整其离子束。如本文和全文所用的术语“调整”表示仅产生具有特定束电流和尺寸的目标离子物质束的过程。相比之下，相对于固体含Sb源材料，进入电弧室的质量流量由升华所需的气化器温度控制，含Sb源储存在该气化器中以确保固体源在输送到电弧室之前被充分加热成蒸气相。当考虑将固体含Sb源材料加热至其蒸气相的时间时，在完成了离子注入工艺后调整束并随后冷却固体含Sb源，可发生切换到另一种掺杂剂物质的总时间为约30分钟-90分钟，而来源于含Sb液体前体的气态掺杂剂源的输送可需要约5分钟-10分钟的持续时间。最终结果可以是本发明的吞吐量显著增加。
另外，本发明的液体基含Sb前体可以放置在与其他掺杂剂源相同的气体箱(例如，如图1和图2所示)中，而不需要附加加热。相反，含Sb固体源需要沿着导管定位的单独气化器，该气化器延伸到电弧室，以便确保含Sb蒸气不会再冷凝，这需要比可用空间更多的空间，并且进一步增加了离子注入工艺的复杂性和费用。
可以看出，本发明在一个方面提供了一种用于离子注入的常规含Sb源(包括由于蒸气压低和热稳定性有限而难以恒定地输送到电弧室中的含Sb固体源)的可行解决方案。
虽然已示出和描述了被认为是本发明的某些实施方案，但当然应当理解，在不脱离本发明的实质和范围的前提下，可轻易地对其形式或细节作出修改和改变。因此，本发明并不局限于本文所示和所述的具体形式和细节，也不局限于本文所公开的以及后文所要求的本发明整体之内的任何内容。

Claims (20)

1.一种适于离子注入的组合物，其用于注入含锑离子以形成n型电子器件结构，所述组合物包含：
含锑材料，所述含锑材料在环境温度下是化学稳定的，并且在低于大气压的储存条件下保持为液相，并且进一步地，其中所述储存条件的特征在于不存在痕量水分；
所述含锑材料由含非碳的化学式表示；并且
所述含锑材料处于所述液相，所述液相与相应的蒸气相基本平衡，所述蒸气相适于响应于下游真空压力条件而施加足够的蒸气压。
2.根据权利要求1所述的组合物，还包含含氢化合物，并且进一步地，其中所述含氢化合物的量为减轻卤素循环的有效量。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述含锑材料是SbF5。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述含Sb掺杂剂材料包含不大于约50ppm的水分。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述含Sb材料是SbF5，所述SbF5在约25摄氏度下保持为蒸气压为约10托的液体。
6.一种低于大气压的储存和输送器皿，所述器皿用于适于离子注入的组合物，其用于注入锑离子以形成n型电子器件结构，所述器皿包含：
含锑材料，所述含锑材料在环境温度下是化学稳定的；
所述含锑材料由含非碳的化学式表示；
储存和输送器皿，所述储存和输送器皿至少部分地由无水分的环境所限定，所述环境的特征在于不存在痕量的水分，所述储存和运输器皿被配置用于在低于大气压的条件下将所述含锑材料保持在液相，由此所述液相与占据所述储存和输送器皿的顶部空间的相应蒸气相基本平衡。
7.根据权利要求6所述的低于大气压的储存和输送系统，还包括与所述储存和输送器皿机械连通的双端口阀组件，所述双端口阀包括填充端口阀和排放端口阀，其中所述填充端口阀与所述储存和输送器皿的内部流体连通，以将所述含锑材料引入其中，并且所述排放端口阀与从所述储存和输送器皿的所述内部延伸到外部的流动排放路径流体连通，以从其中排放所述含锑材料的所述相应蒸气相。
8.根据权利要求1所述的低于大气压的储存和输送器皿，其中所述含锑材料在约20-25C下作为液体储存，其蒸气压不大于约760托。
9.根据权利要求6所述的低于大气压的储存和输送器皿，还包括沿着所述流动排放路径的止回阀，并且进一步地，其中所述储存和输送器皿被配置成响应于约760托或更低的下游压力而从所述储存和输送器皿的所述顶部空间分配所述含锑材料的所述相应蒸气相。
10.根据权利要求6所述的低于大气压的储存和输送器皿，还包含含氢化合物，所述含氢化合物与所述含锑材料混合作为单源供应的一部分，或者作为试剂盒的一部分储存在单独的器皿中。
11.一种操作离子源以注入含Sb离子的方法，所述方法包括：
以至少约0.1sccm或更大的流速将蒸气相的含锑材料引入电弧室；
电离所述组合物以在所述电弧室中产生含Sb离子；以及
将所述含Sb离子注入衬底中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，对于约50小时的离子源寿命，所述干扰率不大于约每分钟1次干扰。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括将有效量的含氢化合物引入所述电弧室中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，在不加热所述蒸气相的情况下，将以所述蒸气相储存的所述含锑组合物提供给所述电弧室。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括在操作所述离子源的所述方法期间，保持所述含锑组合物的蒸发速率从而以至少约0.1sccm或更高的流速产生所述蒸气相。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括保持所述蒸气相的所述含锑材料的温度不超过约65摄氏度。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括在约50至150V之间的电弧电压下操作所述离子源。
18.一种离子源设备，所述离子源设备被配置为在小于约150V的电弧电压下执行含锑离子注入，所述离子源适于接收至少约0.1sccm的蒸气相含锑组合物。
19.根据权利要求18所述的离子源设备，还具有在至少约50小时的源寿命期间，不大于约每分钟1次干扰的平均干扰率。
20.一种吸附剂，所述吸附剂具有可输送吸附能力，所述可输送吸附能力用于在低于大气压条件下储存和输送适于离子注入的组合物，所述组合物用于注入锑离子以形成n型电子器件结构，所述组合物包含含锑材料，所述含锑材料在环境温度下是化学稳定的；
所述含锑材料由含非碳的化学式表示；并且
所述吸附剂具有无水分环境，其水分不大于约50ppm。
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