CN1541401A - 具有改进的蒸气流的十硼烷汽化器 - Google Patents

具有改进的蒸气流的十硼烷汽化器 Download PDF

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A·佩雷尔
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Abstract

提供用于离子注入器的离子源，包括：(i)升华器(52)，它具有接收要升华的源材料(68)和升华所述源材料的腔室(66)；(ii)气体注入器(104)，其向腔室(66)注入气体；(iii)离子化室(58)，其用于离子化升华的源材料，所述离子化室远离所述升华器；供给管(62)，其用于将升华器(52)连接到离子化室(58)。向腔室注入的气体可以是氦或氢，用于改善在升华器(52)的壁(64)和源材料(68)之间的传热能力。

Description

具有改进的蒸气流的十硼烷汽化器
相关的专利和申请
本文参引下述美国专利和专利申请：1998年4月30日申请的标题为“Decaborane Vaporizer”的美国专利No.6,107,634，和1999年10月11日申请的标题为“Decaborane Ion Source”的美国专利申请No.09/416,159，可以认为它们的内容在本文中列出。
技术领域
本发明总的涉及离子注入设备的离子源，特别涉及，具有改进的蒸气流特性的离子源的十硼烷汽化器。
背景技术
在如集成电路和平面显示器等的产品的大规模制造中，离子注入已经成为用杂质搀杂诸如硅晶片或玻璃衬底等的器件的行业标准采用的技术。常规离子注入系统包括离子源，它将希望的搀杂剂元素离子化，然后，搀杂剂元素的离子被加速形成预定能量的离子束。这个离子束被引导到工件的表面，用搀杂剂元素注入工件。离子束的高能离子穿透器件表面，使得它们嵌入到工件材料的结晶晶格中，形成希望导电率的区域。
这个注入工艺一般在高真空处理室中进行，所述室防止由于离子束与残余的气体分子碰撞造成的离子束的分散，并且使得悬浮的颗粒污染工件的危险最小。
离子剂量和能量是限定注入步骤的两个最重要的变量。离子剂量涉及给定半导体材料的注入离子的浓度。一般是，对于高离子剂量的注入用高电流注入器(通常大于10毫安(mA)离子束电流)，同时对低剂量的应用用中等电流注入器(通常能够到约1mA离子束电流)。用离子能量控制在半导体器件中的结的深度。构成离子束的离子的能量等级确定注入离子的深度的大小。诸如在半导体器件中用于形成倒置型阱(retrograde well)使用的那些高能工艺要求到几百万电子伏(MeV)的注入，同时浅结可仅需要小于1千电子伏(KeV)的能量。
向越来越小的半导体器件的不断发展的趋向要求的注入器带有以低能量提供高束电流的离子源。高束电流提供需要的剂量水平，同时低能等级允许浅注入。例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)器件中的源/漏结要求用这样的高电流，低能的应用。
图1示出从固态获得离子化原子的典型离子源10。离子源包括一对汽化器12和14，和离子化室16。每个汽化器带有坩埚18，其中放置固体元素或化合物，且该坩埚用加热线圈20加热，以汽化固体源材料。加热线圈的头部22向加热器线圈传导电流，热电偶24形成温度反馈机构。还设有空气冷却导管26和水冷却导管28。
汽化的源材料通过由石墨喷嘴保持器32固定到坩埚18的喷嘴30，且通过汽化器入口34到离子化室16的内部。另外也可以，经由气体管线38通过气体入口36，向离子化室直接供给压缩的气体。在任一情况中，气体/汽化的源材料由被加热到热发射电子的电弧室灯丝40离子化。
常规离子源利用从压缩气体源直接获得或者从已被汽化的固体间接获得的可离子化的掺杂剂气体。典型的源元素是硼(B)、磷(P)、镓(Ga)、铟(In)、锑(Sb)和砷(As)。除了一般以气态，如三氟化硼(BF3)提供的硼外，这些源元素多数以固态提供。
在注入三氟化硼的情况，产生的等离子体包括带单一电荷的硼离子(B+)。如果束的能量等级不是一个因素，在衬底中产生和注入足够高的硼剂量不成问题。但是，在低能量应用中，硼离子束遇到所谓的“束膨胀”的状态，也就是，在离子束内的相同的带电离子彼此排斥的倾向。这样的相互排斥使得离子束在传输时直径膨胀，造成由于在束线路中的多孔形成束的晕映(vignetting)。由于这降低了束能量，所以严重地降低束的传输。
十硼烷(B10H14)是迄今尚未作为硼注入的重要硼源使用的化合物。因为固态的十硼烷的熔点约为100度℃，所以在图1的离子源坩埚中不能够适当地控制十硼烷的汽化。因为固相材料接近电弧室造成材料的辐射加热，所以即使汽化器加热器不通电，在电弧室16内产生的热也使得坩埚达到这样的温度。(在另一方面，因为磷具有约400℃的熔点，所以在图1的离子源坩埚中能够准确控制磷的汽化)。这妨碍了在源材料的局部环境内建立中温(小于200℃)的热平衡。
但是，因为在被汽化和离子化时每个十硼烷分子(B10H14)能够提供包括十个硼原子的分子离子，所以十硼烷是硼注入供给料的优良源。因为，分子十硼烷离子束能够注入的每单位电流的硼剂量是单原子的硼离子束硼剂量的十倍，所以这样的源特别适合产生浅结的高剂量/低能量注入工艺。此外，因为十硼烷分子在工件表面上破裂成大约十分之一原始束能量的单个硼原子，所以能够以十倍于剂量相等的单原子硼离子束的能量传送这个束。这个特征使得分子离子束能够避免通常由低能离子束传送引起的传输损失。
固体源汽化器的另一重要要求是，蒸气流输出(到图1的喷嘴30)保持固定，使得离子化室接收汽化材料的一致的源以便离子化。例如，汽化器负荷的温度的变化会造成从汽化器到离子化室的气流减小，和随之离子发生器(ionizer)的产率降低。
因此，本发明的目的是提供一种离子注入器的离子源，它能够准确地和可控地汽化十硼烷，或其他的适合的注入材料，以克服现有技术离子源的缺点。本发明的另一目的是提供具有提供稳定和一致蒸气流输出的汽化器的离子源。
发明内容
提供用于离子注入器的离子源，它包括：(i)升华器，它具有接收要升华的源材料和用于升华所述源材料的腔室；(ii)气体注入器，用于向腔室注入气体；(iii)离子化室，用于离子化升华的源材料，所述离子化室远离所述升华器；(iv)供给管，用于将升华器连接到离子化室。注入腔室的气体可以是氦或氢，并且设计成改善在升华室的壁和源材料之间的传热。
附图说明
图1是现有技术的用于离子注入器的离子源的透视的部分剖视图；
图2是用于根据本发明原理构造的离子注入器的离子源的第一实施例的示意性的部分剖视图；和
图3是结合和不结合本发明的伴用气体注入机构的图2离子源中的十硼烷蒸气分压力的曲线图。
具体实施方式
见图2，示出根据本发明构成的离子注入器离子源50的第一实施例。离子源50包括不起反应的导热升华器或坩埚52、加热介质存储器54、加热介质泵55、温度控制器56、离子化室58和流量控制器60。由石英或不锈钢构成的坩埚52远离离子化室58，且通过供给管62与其连接。供给管62基本沿其整个长度被外部单一室环套90包围。
坩埚52提供一个封闭容纳源材料68的腔室66的壁构成的容器64。这个容器最好是由适当的不起反应的(惰性)材料构成，如不锈钢、石墨、石英或氮化硼，且能够保持足够量的如十硼烷(B10H14)等的源材料。虽然下面本发明仅是结合十硼烷描述，但是应理解，本发明的原理可以用于以特征为具有低熔点(如升华温度在20℃到150℃之间)和大的蒸气压力(即在10-2托到103托之间)的其他的分子固体源材料，如氯化铟(InCl)。
用包含在存储器54中的加热介质70加热壁容器64的壁，提供升华过程使得十硼烷蒸发。升华过程包括不进入到中间液态将十硼烷从固态转变到气态。金属丝网71防止非蒸发的十硼烷从坩埚52脱离。完全汽化的十硼烷经由供给管62从坩埚52出来，进入控制蒸气流量的流量控制器60，因此计量供给到离子化室的蒸发的十硼烷量，并如现有技术那样。也同现有技术那样，离子化室58将流量控制器60提供的汽化的十硼烷离子化。
本发明的离子源50提供控制机构，用于控制坩埚52的操作温度，以及将汽化的十硼烷向离子化室58输送的供给管62的温度。在存储器54内通过电阻或相似的加热元件80加热加热介质70。如下所述，温度控制装置包括温度控制器56，它获得经由热电偶92从存储器54反馈的输入的温度，且向加热元件80输出控制信号，使得存储器中的加热介质70被加热到适当的温度。
加热介质70包括提供高热容的矿物油或其他的适当介质(如水)。加热元件80将油加热到20℃到150℃的温度范围内，并由泵55通过套90围绕坩埚52和供给管62循环。泵55分别设有入口和出口82和84，存储器54相似地设有入口86和出口88。尽管在图2中示出单向顺时针方式，但是在坩埚52和供给管62周围的加热介质的流动方式可以是提供在坩埚52和供给管62周围介质合理循环的任何方式。
见图2，坩埚腔室66被加压，以便促进汽化(升华)十硼烷通过供给管62从坩埚52到离子化室58的材料转移。在提高腔室66内的压力时，材料转移的速度相应地增加。离子化室在接近真空下(约为1毫托)操作，因此，从坩埚52到离子化室58的沿供给管62的整个长度存在压力梯度。坩埚52的压力一般在1托左右。
通过将坩埚52设在远离离子化室58的位置，在坩埚腔室66内的温度被隔热，从而提供不受在离子化室58中的温度影响的热稳定环境。这样，在十硼烷升华发生的坩埚腔室66中的温度可以以高度准确度(1℃内)，且与离子化室58的操作温度独立地控制。另外，通过保持经由加热的供给管62向离子化室58运送时的汽化十硼烷的固定温度，不发生蒸气的凝聚和热分解。
温度控制器56通过控制加热介质存储器70的加热元件80的操作，来控制坩埚52和供给管62的温度。热电偶92测定存储器70的温度，并且将温度反馈信号93传送到温度控制器56。通过向存储器加热元件80输出控制信号94，温度控制器以已知方式响应这个输入反馈信号。这样，直到离子化室的位置，为暴露给固相十硼烷和汽化的十硼烷的整个表面提供了一致的温度。
除了控制坩埚52的壁64的温度和坩埚腔室66内的压力外，本发明提供改进壁64和源材料68之间导热率的机构。这个机构包括通过阀98可控地向坩埚腔室66提供的气体源96。具体地说，导管或管100将气体源96连接到阀98的入口，并且管102将阀98的出口连接到腔室66。管102设有出口嘴或注入器104。在优选实施例中，包含在气体源96中的气体(这里也称为伴用气体(co-gas))是氢或氦，但也可考虑具有适当的导热率的其他惰性气体。
经由嘴104进入腔室66的气体的作用是提高在坩埚壁64和在坩埚中的汽化的源材料6 8之间的传热特性。这样，源材料被有效完全地汽化，增加对于给定量的十硼烷源材料68来说，坩埚能够提供汽化的十硼烷的时间。此外，改善了汽化的输出流的稳定性。
向腔室66提供的伴用气体减少坩埚负荷的温度的变化，否则会导致从坩埚到离子发生器58的汽化气流的降低，因而使得离子源产量降低。另外，因为汽化的十硼烷稳定供给到离子发生器58，所以离子发生器具有提高的离子提取特性。
通过控制(通过泵55)所述系统中的加热介质的循环和控制(通过加热元件80)加热介质的温度，能够将离子源50控制到约20℃到150℃(+/-1℃)量级的工作温度。与距离子化室最近的供给管的端比较，在坩埚上的精确温度控制更为关键，以控制坩埚的压力以及因此从坩埚流出的蒸气流量。此外，通过控制坩埚腔室内的十硼烷的分压力，改进了从坩埚流出的蒸气流的均匀性。
图3示出在坩埚腔室中加伴用气体(在0.5sccm流速的氦的情况)来稳定在蒸发器的整个工作过程中十硼烷分压力的方式。在图3中，示出使用氦伴用气和不使用时的坩埚腔室66中的十硼烷蒸气分压。如图3所示，在不使用伴用气时，十硼烷分压开始呈高峰，然后快速降低。但是，在使用伴用气时，十硼烷分压在所示的三小时期间的大部分保持相对稳定。结果，坩埚的汽化的十硼烷输出相应地被稳定。
在离子注入器中使用图2的离子源50，向工件注入整个的分子(十个硼原子)。在工件的表面分子破裂，以致每个硼原子的能量大约是十个硼的原子团(在B10H14的情况)的能量的十分之一。因此，能够以十倍于所需硼注入的能量传送束，使得能够很浅地注入，而没有很大的束穿透损失。
此外，在给定束电流情况，每个单位电流向工件传递十倍的剂量。而且，因为每单位剂量的电荷是单原子束注入的十分之一，所以对于给定的剂量率，工件的充电问题相当小。最后，因为在汽化器腔室中的伴用气的存在，改善了源材料与腔室壁的导热率，产生汽化器的均匀稳定的蒸气流输出。
因此，说明了用于离子注入器的改进的离子源的优选实施例。然而，在考虑上述描述时，应理解，上述说明仅是示范说明，本发明不限于在此说明的特定实施例，在不偏离由后附的权利要求书及其等同物限定的本发明范围内可以对上述说明进行各种重新安排、修改和替换。

Claims (16)

1.一种用于离子注入器的离子源(50)，包括：
(i)升华器(52)，它具有接收升华的源材料和升华所述源材料的腔室(66)；
(ii)气体注入器(104)，其用于向所述腔室(66)注入气体；
(iii)离子化室(58)，其用于离子化升华的源材料，所述离子化室远离所述升华器；和
(iv)供给管(62)，其用于将所述升华器(52)连接到所述离子化室(58)。
2.如利要求1所述的离子源(50)，还包括用于加热至少所述升华器(52)和所述供给管(62)的一部分的加热介质(70)，和用于控制所述加热介质(70)的温度的控制机构。
3.如权利要求2所述的离子源(50)，其中所述控制机构包括用于加热加热介质(70)的加热元件(80)、用于循环所述加热介质的泵(55)、用于提供来自所述加热介质(70)的温度反馈的至少一个热电偶(92)；和响应所述温度反馈向所述加热元件输出第一控制信号(94)的控制器(56)。
4.如权利要求2所述的离子源(50)，其中所述气体是氦。
5.如权利要求2所述的离子源(50)，其中所述气体是氢。
6.如权利要求2所述的离子源(50)，其中所述源材料是蒸气压在10-2托到103托之间且升华温度为20℃到150℃之间的分子固体。
7.如权利要求6所述的离子源(50)，其中所述源材料是十硼烷。
8.如权利要求7所述的离子源(50)，其中所述气体改进升华器(52)的壁(64)和源材料(68)之间的传热能力。
9.一种离子源(50)的蒸发器，其包括：
(i)坩埚(52)，它具有用于容纳要汽化的源材料(68)和用于汽化源材料的腔室(66)；
(ii)气体注入器(104)，其用于向所述腔室(66)注入气体；
(iii)供给管(62)，其用于将所述汽化器(52)连接到在其中可以离子化汽化的源材料的远离的离子化室；和
(iv)加热介质(70)，其用于加热所述汽化器(52)和所述供给管(62)的至少部分。
10.如权利要求9所述的汽化器，还包括用于控制所述加热介质(70)的温度的控制机构。
11.如权利要求10所述的汽化器，其中所述控制机构包括：用于加热加热介质(70)的加热元件(80)；用于循环所述加热介质的泵(55)；用于从所述加热介质(70)提供温度反馈的至少一个热电偶(92)；和响应所述温度反馈，向所述加热元件输出第一控制信号(94)的控制器(56)。
12.如权利要求10所述的汽化器，其中所述气体是氦。
13.如权利要求10所述的汽化器，其中所述气体是氦。
14.如权利要求10所述的汽化器，其中所述源材料是具有10-2托到103托蒸气压力和20℃到150℃之间的升华温度的分子固体。
15.如权利要求14所述的汽化器，其中所述源材料是十硼烷。
16.如权利要求15所述的汽化器，其中所述气体改进在坩埚(52)的壁(64)和源材料(68)之间的传热能力。
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