CN1227709C - 离子源及用于离子源的蒸发器 - Google Patents
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Abstract
一种用于离子注入装置的离子源(50)，它包括：(i)一个升华装置(52)，它有一腔室(66)，用来容纳被升华的源材料(68)并使此源材料升华，其中所述源材料是一种分子固体，它有1.333Pa到133.32kPa(10-2到103乇)之间的蒸汽压和20℃到150℃之间的升华温度；(ii)一电离腔室(58)，用来把升华了的源材料电离，所述电离腔室与所述升华装置分开地设置，并且与所述升华装置热绝缘；(iii)一送料管(62)，用来把所述升华装置(52)连接到所述电离腔室(58)上；(iv)一加热介质(70)，用来加热所述升华装置(52)和所述送料管(62)的至少一部分：以及一控制机构，用来控制加热介质(70)的温度。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于离子注入设备的离子源，更具体地说，涉及用于离子源的十硼烷蒸发器。
背景技术
离子注入已经成为工业上标准的已被接受的技术，以掺杂物对工件比如硅晶片或玻璃基底进行掺杂，大规模地制作比如集成电路或平板显示装置。传统的离子注入系统包括一个离子源，它把所需要的掺杂元素电离，该元素随后被加速，形成有预定能量的离子束。此离子束射向工件的表面，用被掺杂的元素对工件进行掺杂。离子束的高能离子穿透工件的表面，使得它们嵌入工件材料的晶格内，形成所要求的导电区域。掺杂过程典型地是在高真空处理腔室中进行，这防止了由于与残余气体分子的碰撞使离子束分散，并使工件被大气中的颗粒污染的危险为最小。
离子剂量和离子能量是对于确定掺杂步骤的两个最重要的变量。离子剂量涉及对于一种给定的半导体材料所掺杂的离子的浓度。典型地说，对于大剂量掺杂物使用高电流离子注入装置(通常，高于10毫安(mA)的离子电流)，而对于较低剂量的应用使用中等电流离子注入装置(通常，可能高到1mA的束电流)。使用离子能量来控制在半导体装置中结的深度。组成离子束的离子的能量的大小决定被掺杂的离子的深度。高能过程比如用来在半导体装置中形成退化阱的过程要求高到几百万电子伏(MeV)的掺杂物，而浅的结可能只要求低于一千电子伏(KeV)的能量。
半导体装置越来越小的持续不断的趋势要求离子注入装置的离子源以低能量发出高的束电流。这种高的束电流提供必要的剂量，而低的能量使得可以进行浅的掺杂。例如，在互补的金属氧化物半导体(CMOS)装置中的源/漏结要求这样的高电流，低能量的应用。
在图1中示出了用来由固体形式得到用于电离的原子的一个典型的离子源10。该离子源包括一对蒸发器12和14，以及一个电离腔室16。每个蒸发器设有一个坩埚18，固体元素或固体化合物放置在此坩埚中，并且，用一个加热线圈20加热此坩埚，把固体的源材料蒸发。加热线圈的导线22把电流传导到加热线圈，热电偶24提供一个温度反馈机构。也设置有空气冷却管道26和水冷管道28。
被蒸发的源材料通过一个喷嘴30，一个石墨的喷嘴固定装置32把该喷嘴紧固到坩埚18上，被蒸发的源材料还通过蒸发器入口34，到达电离腔室16的内部。另外，也可以借助于气体入口36通过气体管线38直接把压缩气体送进电离腔室。不论在哪种情况下，靠一个被加热到以热电离方式发射电子的电弧腔室细丝40把气相的/被蒸发的源材料电离。
传统的离子源采用可电离的掺杂物气体，这种气体可以或者由压缩气体源直接得到，或者由一种已经被蒸发的固体间接地得到。典型的源元素是硼(B)、磷(P)、镓(Ga)、铟(In)、锑(Sb)和砷(As)。这些源元素中的大多数以固体形式提供，硼例外，硼典型地以气体形式提供，例如作为三氟化硼(BF3)提供。
在掺杂三氟化硼的情况下，产生包括带一个电荷的硼离子(B+)的等离子体。如果离子束的能量水平不是一个影响因素，通常，产生足够高的硼的剂量并掺杂进基底中是不成问题的。然而，在低能应用中，硼离子束将处于被称为″束吹开″的状态，这是指在离子束内带相同电荷的离子彼此相互排斥的趋势。这种相互排斥使得离子束在传送过程中直径变大，因束线中的多个孔造成束的渐晕现象。当束的能量降低时，这严重地减少了束的传送量。
十硼烷(B10H14)是一种迄今还没有被用做用于硼掺杂的硼源的化合物。在图1的离子源的坩埚中不能适当地控制十硼烷的蒸发，这是因为固体形态的十硼烷的熔点大约为100摄氏度。即使不给蒸发器的加热器通电，在电弧腔室16内产生的热量将使坩埚达到这样的温度，这是因为固相材料靠近电弧腔室造成对材料的辐射加热。(在另一方面，在图1的离子源的坩埚中可以精确地控制磷的蒸发，这是因为它的熔点大约为400摄氏度。)这妨碍了在源材料的局部环境内建立中等温度(低于200摄氏度)的热平衡。
然而，十硼烷是一种用于硼掺杂物的极好的供料材料源，因为当蒸发和电离时每个十硼烷分子(B10H14)可以提供包括十个硼原子的分子离子。这样的源特别适用于高剂量/低能量掺杂过程，用来产生浅的结，因为与单原子的硼离子束相比，一个分子的十硼烷离子束在每单位电流可以掺杂十倍的硼剂量。另外，因为十硼烷分子在工件表面上碎裂成有大约十分之一原来的束能量的单个硼原子，所以可以以等剂量的单原子的硼离子束的能量的十倍运送此束。这一特点使得分子的离子束可以避免典型地由低能离子束运送所带来的传送量的损失。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于离子掺杂装置的离子源，它可以精确地和可控地蒸发十硼烷或其它适当的掺杂材料，克服已知的离子源的缺陷。
本发明提供了用于离子注入装置的离子源，它包括：一个升华装置，它有一个腔室，用来容纳被升华的源材料，并用来使此源材料升华，其中所述源材料是一种分子固体，它有1.333Pa到133.32kPa(10-2到103乇)之间的蒸汽压和20℃到150℃之间的升华温度；(ii)一个电离腔室，用来把升华了的源材料电离，所述电离腔室与所述升华装置分开地设置，并且与所述升华装置热绝缘；(iii)一根送料管，用来把所述升华装置连接到所述电离腔室上；(iv)一种加热介质，用来加热所述升华装置和所述送料管的至少一部分；以及一个控制机构，用来控制所述加热介质的温度。
该控制机构包括用来把加热介质加热的加热件，用来使所述加热介质循环的泵，用来提供来自所述加热介质的温度反馈信号的至少一个热电偶，以及一个控制器，它对所述温度反馈信号作出响应，对所述加热件输出一个控制信号。
因为把升华装置设置在远离电离腔室，在升华装置中的温度被热绝缘，从而提供了不被电离腔室内的温度影响的热稳定环境。这样，可以把出现十硼烷升华过程的升华装置的温度与电离腔室的运行温度无关地控制到很高的精度(在1摄氏度以内)。
附图说明
图1为用于离子注入装置的传统离子源的部分为剖面的透视图；
图2为按照本发明的原理构造出的用于离子注入装置的离子源的第一实施例的部分为剖面的简图；
图3为图2所示的离子源的另一个实施例的连接管沿着线3-3截取的剖面图；
图4A为沿着如图2中所示的连接管的第一实施例的长度的压力梯度的图线表示；以及
图4B为沿着如图3中所示的连接管的第二实施例的长度的压力梯度的图线表示。
具体实施方式
现在参见图2，该图示出了按照本发明构造出的离子注入装置的离子源50的第一实施例。该离子源50包括不反应的导热的升华装置或坩埚52、加热介质储存室54、加热介质泵55、温度控制器56、电离腔室58以及(在第一实施例中)一个质量流量控制器60。坩埚52位于远离电离腔室58的位置，并由石英或不锈钢制成的送料管62把坩埚连接到电离腔室。在此第一实施例中，沿着它的基本上整个长度，送料管62被外面的单一腔室的管状鞘套90围绕着。
坩埚52提供了包围着腔室66的一个容器64，用来包含源材料68。该容器最好由适当的不反应(惰性)的材料比如不锈钢、石墨、石英或氮化硼制成，且它可以装足够数量的源材料，比如十硼烷(B10H14)。虽然下面只对十硼烷描述本发明，但是，可以设想，本发明的原理可以用于其它分子的固体源材料，比如氯化铟(InCl)，这些源材料的特征在于有低的熔点，即升华温度为20℃到150℃之间，并且，有较大的蒸汽压，即在1.33Pa到133.32kPa(10-2到103乇)之间。
通过用包含在储存室54中的加热介质70加热容器64的壁，经过一种升华过程使十硼烷蒸发。升华的过程包括把十硼烷由固态转换成气态，而不进入中间的液态。一个丝网71防止未蒸发的十硼烷离开坩埚52。完全蒸发的十硼烷通过送料管62推出坩埚52，并进入质量流量控制器60，该控制器控制蒸汽的流量，并因此对供应给电离腔室的蒸发的十硼烷的数量进行计量，如在本技术中已经知道的那样。
电离腔室58把由质量流量控制器60供应的蒸发的十硼烷电离，或者另外把来自一个压缩气体源的气体进入供料72电离。对一个射频激发器74比如一个天线提供能量，发射出射频信号，它把蒸发的十硼烷分子电离，以产生等离子体。一个磁过滤器76过滤该等离子体，而位于电离腔室58的出口孔78外面的抽拉电极(未画出)把等离子体通过该孔拉出，如在本技术中已经知道的那样。此被拉出的等离子体形成一个离子束，对此离子束进行处理，并把它导向靶工件。在美国专利No.5661308中示出了这样的电离腔室58的一个示例，该专利已经转让给本发明的受让人，此专利在这里被结合进来作为参考，就好象它被全文描述那样。
本发明的离子源50提供了一个控制机构，用来控制坩埚52的运行温度，以及送料管62的温度，蒸发的十硼烷在它到达电离腔室58的路上将通过该送料管。一个电阻或类似的加热件80在储存室54内把加热介质70加热。温度控制装置包括一个温度控制器56，它通过热电偶92得到来自储存室54的输入温度反馈信号，并向加热件80输出一个控制信号，如下面将进一步描述的那样，从而把储存室中的加热介质70加热到一个适当的温度。
加热介质70包括矿物油或其它提供高的热容量的适用介质，例如水。加热件80把油加热到20℃到150℃范围内的一个温度，泵55使它通过鞘套90围绕着坩埚52和送料管62循环。泵55分别设有一个入口和一个出口82和84，储存室54类似地分别设有一个入口86和一个出口88。虽然在图2中以单一的顺时针方向示出了加热介质关于坩埚52和送料管62的流动图形，但是，此流动图样可以是关于坩埚52和送料管62提供介质的合理的循环的任何图形。
另外，在本发明的第二实施例中，送料管62形成为一个毛细管形式，而鞘套90形成为同轴的双腔室鞘套，它包括被一个外鞘套90B围绕着的一个内鞘套90A(见图3)。可以把加热介质泵入内鞘套90A中(位于邻近毛细管62)，并泵出外鞘套90B(在径向上位于内鞘套90A的外面)。在此第二实施例中，质量流量控制器60被位于送料管/电离腔室连接处的一个被加热的关断阀(未画出)替代，通过直接改变储存室54的温度来增加或减少质量流量。围绕着毛细管的同轴的鞘套的设置的优点在于：提供了围绕着毛细管的内径的一个绝缘鞘套，从而形成更均匀的温度。
回过去参见图2，对坩埚腔室66加压，以便使被蒸发(升华)的十硼烷由坩埚52通过送料管62到电离腔室58的材料运送变得更容易。由于在腔室66内的压力提高，材料运送的速率也相应地提高。电离腔室在接近真空的条件(大约0.1333Pa，即1毫乇)下运行，因此，沿着送料管62的整个长度由坩埚52到电离腔室58存在一个压力梯度。典型地说，坩埚的压力在1乇的量级。
图4A示出了沿着本发明的第一实施例(图2)的送料管62的长度的这一压力梯度的图线表示，这是用坩埚与电离腔室之间的距离d度量的。压力的图线沿着送料管线性地下降，直到质量流量控制器60，随后被质量流量控制器改变，然后对于剩余的距离d线性地下降，直到电离腔室58。在优选实施例中，距离d大约高到24英寸。然而，仅只为了示例的目的给出了这样的距离。本发明包含位于远离开电离腔室的升华装置/蒸发装置，并不限制为表示这一远距离的任何具体的距离。
图4B示出了沿着本发明的第二实施例(图3)的送料管62的长度的这一压力梯度的图线表示，这是用坩埚与电离腔室/关断阀连接处之间的距离d度量的。当关断阀打开时，压力的图线沿着送料管由坩埚直到电离腔室/关断阀连接处线性地下降。当该阀关闭时，不存在压力梯度。如上面所解释的那样，在此第二实施例中，没有使用任何质量流量控制器。
通过把坩埚52放置成远离电离腔室58，在坩埚腔室66中的温度被热绝缘，从而提供了不被电离腔室58内的温度影响的热稳定环境。这样，可以把出现十硼烷升华过程的坩埚腔室66的温度与电离腔室58的运行温度无关地控制到很高的精度(在1℃以内)。另外，由于在经过被加热的送料管62运送到电离腔室58的过程中保持蒸发的十硼烷的温度不变，所以不会出现任何蒸汽的凝聚或热分解。
温度控制器56通过控制用来加热介质储存室70的加热件80的运行控制坩埚52和送料管62的温度。热电偶92感知储存室70的温度，并把温度反馈信号93送到温度控制器56。温度控制器对此输入的反馈信号以一种已知的方式通过对储存室加热件80输出控制信号94作出响应。这样，直到电离腔室的固相十硼烷和蒸发的十硼烷暴露的所有表面都有均匀的温度。
通过控制在系统中加热介质的循环(通过泵55)和加热介质的温度(通过加热件80)，可以把离子源50控制到20℃到150℃量级的一个运行温度(+/-1摄氏度)。与最靠近电离腔室的送料管的端部相比，严格的温度控制在坩埚中将更严格，以便控制坩埚的压力，从而控制出坩埚的蒸汽的流速。
不论采用在离子注入装置中的图2的离子源50的任何一个实施例，都是把整个分子(十个硼原子)掺杂进工件中。分子在工件的表面上碎裂，从而每个硼原子的能量大约为十个硼原子的微团(在B10H14的情况下)的能量的十分之一。因此，可以以所要求的硼原子注入能量的十倍传送该束，使得可以产生非常浅的掺杂，而没有明显的束传输量的损失。另外，在给定的束电流下，每单位电流发送十倍的剂量到工件上。最后，因为每单位剂量的电荷是单原子束掺杂物的电荷的十分之一，对于一个给定的剂量率使工件带电的问题要小得多。
因此，已经描述了用于离子注入的一种改进了的离子源的一个优选实施例。然而，在记住前面的描述的同时，应该理解到，只是以示例的方式作了这一描述，本发明不限于这里所描述的具体的实施例，关于上面的描述可以设想多种重新设置、改进和替代，而不超出由下面的权利要求和它们的等价物的确定的本发明的范围。
Claims (19)
1.一种用于离子注入装置的离子源(50)，它包括：
(i)一个升华装置(52)，它有一个腔室(66)，用来容纳被升华的源材料(68)，并用来使此源材料升华，其中所述源材料是一种分子固体，它有1.333Pa到133.32kPa(10-2到103乇)之间的蒸汽压和20℃到150℃之间的升华温度；
(ii)一个电离腔室(58)，用来把升华了的源材料电离，所述电离腔室与所述升华装置分开地设置，并且与所述升华装置热绝缘；
(iii)一根送料管(62)，用来把所述升华装置(52)连接到所述电离腔室(58)上；
(iv)一种加热介质(70)，用来加热所述升华装置(52)和所述送料管(62)的至少一部分；以及
一个控制机构，用来控制所述加热介质(70)的温度。
2.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，所述控制机构包括用来将加热介质(70)加热的加热件(80)，用来使所述加热介质循环的泵(55)，用来提供来自所述加热介质(70)的温度反馈信号的至少一个热电偶(92)，以及一个控制器(56)，它对所述温度反馈信号作出响应，向所述加热件输出一控制信号(94)。
3.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，所述加热介质(70)是水。
4.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，所述加热介质(70)是矿物油。
5.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，所述送料管(62)由石英制成。
6.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，所述送料管(62)由不锈钢制成。
7.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，所述电离腔室(58)包括一个入口(72)，用来接受来自压缩气体源的气体。
8.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，一个鞘套(90)围绕着所述送料管(62)，所述加热介质(70)通过该鞘套循环。
9.按照权利要求1中所述的离子源(50)，其特征在于，所述鞘套(90)包括由一个外鞘套(90B)围绕的一个内鞘套(90A)。
10.按照权利要求1所述的离子源(50)，其特征在于，所述源材料是十硼烷；
11.一种用于离子源(50)的蒸发器，其包括：
(i)一升华装置(52)，其具有一个腔室(66)，该腔室用于容纳被蒸发的源材料，并用于将该源材料蒸发，其中所述源材料是一种分子固体，它有1.333Pa到133.32kPa(10-2到103乇)之间的蒸汽压和20℃到150℃之间的升华温度；
(ii)一送料管(62)，用来将所述升华装置(52)连接到一电离腔室，所述电离腔室与所述升华装置分开地设置并相互热绝缘，在所述电离腔室中，已蒸发了的源材料可以被电离；
(iii)一加热介质(70)，用于加热所述升华装置(52)和所述送料管(62)的至少一部分；以及
(iv)一控制机构，用于控制所述加热介质(70)的温度。
12.按照权利要求11中所述的蒸发器(50)，其特征在于，所述控制机构包括用来将加热介质(70)加热的加热件(80)，用来使所述加热介质循环的泵(55)，用来提供来自所述加热介质(70)的温度反馈信号的至少一个热电偶(92)，以及一个控制器(56)，它对所述温度反馈信号作出响应，向所述加热件输出控制信号(94)。
13.按照权利要求11中所述的蒸发器(50)，其特征在于，所述加热介质(70)是水。
14.按照权利要求11中所述的蒸发器(50)，其特征在于，所述加热介质(70)是矿物油。
15.按照权利要求11中所述的蒸发器(50)，其特征在于，所述送料管(62)由不锈钢制成。
16.按照权利要求11中所述的蒸发器(50)，其特征在于，所述送料管(62)由石英制成。
17.按照权利要求11中所述的蒸发器(50)，其特征在于，一个鞘套(90)围绕着所述送料管(62)，所述加热介质(70)通过该鞘套循环。
18.按照权利要求17中所述的蒸发器(50)，其特征在于，所述鞘套(90)包括被一个外鞘套(90B)围绕的一个内鞘套(90A)。
19.按照权利要求11中所述的蒸发器(50)，其特征在于，所述源材料是十硼烷。
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