CN1922709A

CN1922709A - 离子源

Info

Publication number: CN1922709A
Application number: CNA2005800059165A
Authority: CN
Inventors: P·班克斯
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2007-02-28
Also published as: US7301160B2; GB2412488A; US20050211923A1; TW200535973A; JP4641544B2; GB2412488B; GB0406882D0; JP2007531214A; TWI285394B; WO2005093777A3; WO2005093777A2; KR20070029691A

Abstract

本发明涉及一种控制可电离的源气体的离子的影响的方法，通过将置换气体的离子引入电弧室，该源气体能够与电弧室的内表面反应，在所述电弧室中，该置换气体离子与内表面的物质比与源气体的离子更易进行化学反应。在内表面含钨的情况下，所述源气体离子一般可以是氧离子，那么置换气体离子一般是氟离子。举例而言，氟离子可以选自氟、四氟化硅或者三氟化氮。

Description

离子源

技术领域

[0001]本发明关注离子源的改进，或者涉及具体但并非专有地用于注入装置或与注入装置一起使用的离子源，所述注入装置用于在半导体器件制造中将离子注入半导体衬底或基片。

技术背景

[0002]属于本发明所关注的类型的典型离子源包括一个电离室，或者电弧室(有时候也称等离子体室)，该室中可以引入源物质或材料。等离子体在该室中产生，在该室中，原材料被电离，并且离子通过一个或者多个萃取电极自该室的出口排出。一种典型的电离室具有一对以相反关系安装的阴极，一个称为阴极而另一个称为反阴极。使用中，阴极被加热并发射电子。然后反阴极排斥电子从而使它们被拖拽于所述两个电极之间。反阴极可以被连接而处在与阴极相同的电势，或者可允许浮动。

[0003]阴极和反阴极一般由钨制成，钨具有高熔点(大约3700°K)，在某些室中，室的内表面由钨形成或涂布以钨。钨由于具有高熔点而通常不受室中产生的温度(例如1000℃)影响，而向室中发射电子以产生并供给等离子体。该室一般处于磁场中，该磁场促使电子在阴极和反阴极之间以固定的路径(例如，螺旋线)移动。可以多种不同方法将能量施加于原材料来实现源材料的电离，例如，施加电弧电势于阴极和室体之间，或者在其它种类的电离室中使用射频(r.f.)或者微波能量。萃取电极安装于源自该室的出口(一般在该室的外部)，(对于正离子)萃取电极相对于该室本身被负偏置。负偏置的萃取电极将离子抽出出口，然后所述离子经萃取电极中的一个孔到达离子注入装置的其它部分。

[0004]为使产生的衬底获得需要的特性和性能，衬底中注入许多不同种类的离子。

[0005]在人们希望在衬底中注入碳或氧的情况下，二氧化碳已经被选择作为最优选的产生碳离子的源，并且也适合产生氧离子，因为二氧化碳很充足，使用相对安全，并且制造便宜。

[0006]在产生碳离子的情况中，即便从一氧化碳产生离子的产量更高，优选的也是二氧化碳而不是一氧化碳，因为后者具有公知的毒性。

[0007]然而，在电弧室内使用二氧化碳的过程中，已经发现室中实际存在的氧离子缩短了离子源的使用寿命，原因在于，在电极处产生了化学计量的和非化学计量的钨的氧化物，并且在室中的其它钨表面处也出现这种情况。这些氧化物在室中形成，并且已经观察到，离子源由于这些氧化物的形成而受到污染，并且在几十小时之内终止有效功能。所产生的氧化物形成对从钨电极发射的电子的阻碍，并且阻碍了形成阳极的室的其它表面的传导。这种效应被认为是电弧室“中毒”，并且在碳离子要被从离子源萃取时以及在阳离子要被萃取时，该效应均会发生。

[0008]在美国专利6,135,128号(Graf等人)中，已经提出了一种清洁包含等离子体室的离子源的方法，其中，从含磷(P)的磷化氢(PH₃)、含砷(As)的砷化氢(AsH₃)、均含锗(Ge)的锗烷(GeH₄)和四氟化锗(GeF₄)、以及含硼(B)的二硼烷(B₂H₆)中选出的掺杂剂气体，与作为清洁气体的三氟化氮(NF₃)一起，被引入等离子体室，并在大约1000℃的温度下被电离。引入清洁气体的目的是移除来自等离子体室内表面的磷或砷或锗或硼(视具体情况而定)的沉积，如果清洁气体不存在，这些物质可以相当容易地沉积在所述等离子体室的内表面。如果等离子体室正在运转以单独制造这些种类的离子中的一种或另一种，就不存在所讨论的元素沉积形成的问题。然而，等离子体室一般用来生产不同种类的离子，并且某一种物质在等离子体室内壁上的残留物，在另一种离子种类的离子束产生时，将导致杂质和污染物的出现。

[0009]Graf等人的公开物涉及可从等离子体室移除可沉积的材料。这可以通过以下方法实现，即，调节清洁气体的流速以移除在形成之时可能沉积的任何材料。

发明概要

[0010]本发明的主要目标是提高离子源的效率，该离子源具有电弧室，该电弧室包含的内表面特别是电极表面可以与存在于等离子体(产生于室中)中的一种组成的离子种类反应，并因此“毒害”该室。

[0011]本发明一方面提供生产用于注入衬底离子的方法，其包括提供一个具有电极的电弧室，该电极的暴露表面的材料可以与氧反应以形成不导电的氧化层；向该电弧室中供给一种含氧原子的源气体；在电弧室中的电极之间产生电弧以形成等离子体，在该等离子体中，一种注入所需的离子种类从源气体中形成，所述等离子体含氧离子；以及向该电弧室供给所述源气体的同时，供给一种含氟原子的置换气体，从而使电极表面的所述材料与来自于置换气体的氟反应来置换氧，以减少所述氧化层的形成。

[0012]应该了解的是，贯穿本说明书所提及的气体，例如“源气体”或者“置换气体”，意在不仅涵盖常温常压下的气体，而且涵盖其它气态物质，例如，蒸气。

[0013]含氟的置换气体的存在降低了在电弧室的电极上形成引起中毒的氧化物的趋势，从而帮助保持注入所需的离子的生产效率。

[0014]本发明在以下方面特别有用，即，当启动离子源并采用CO₂作为源气体来生产一束碳离子或者一束氧离子。特别是对于碳离子的生产，优选使用SiF₄作为置换气体，因为从电弧室萃取的结果产生的离子种类，可以容易地被与所需要的¹²C质量分离。然而，还可以采用其它含氟气体，例如BF₃、NF₃、或者CF₄、或者氟气本身。

[0015]在离子源电弧室中的阴极一般由难熔金属制成，诸如钨或者钼，或者这两种金属的合金。通常，电弧室的主体形成阳极，并且该室的内表面通常也内衬钨、钼、或者这些金属的合金。

[0016]对于碳和氧离子束，CO可以替代CO₂作为源气体。对于氧离子束，源气体可以是氧气或任何其他气态氧化物，诸如氮的氧化物。

[0017]本发明对于锑(Sb)注入也是有用的，针对这种情况，通常的供给材料是Sb₂O₃。该材料在自然状态下是固体，并作为蒸发器炉(vaporizer oven)产生的蒸汽供给电弧室。

[0018]本发明还提供了一种注入氧离子、碳离子或者锑离子的方法。

[0019]本发明进一步提供了一种注入装置，其包括：一个离子源，其产生注入衬底所需的一束离子，该离子源包含具有电极的电弧室，该电极的暴露表面的材料可以与氧反应形成不导电的氧化物层；一个包含氧原子的源气体的供应装置；一个包含氟原子的置换气体的源；一个电弧供应装置，其在电弧室中的所述电极之间施加电弧电压用于在所述电弧室中形成等离子体；一个萃取电极，其可以被偏置以从所述室中萃取离子；一台质量分析仪，其过滤被萃取的离子以提供一束需要的导向衬底的离子；以及一个控制器，其从所述供应装置向所述电弧室同时供应所述源气体和所述置换气体，从而使电极表面的所述材料与来自于置换气体的氟反应以减少所述氧化物层的形成。

附图简要描述

[0020]图1是一种离子注入机的示意图。

[0021]图2是离子源的示意图，依照本发明的一种方法可以在其中执行。

[0022]图3是说明本发明的实例的优点的图解描述。

优选实施例的详细描述

[0023]图1示例说明了一种离子注入装置，一般标记为10。这种装置用于将离子注入半导体衬底或者晶片，其中一种显示于安装在支座11上的12；离子由离子源生产，离子源一般标记为14。离子通过一般标记为30的质量分析仪以束34的形式被导向衬底12。质量分析由该分析仪执行，并且然后，所需要的离子通过狭缝32进行选择，狭缝32仅仅允许具有所需荷质比的离子经过而前进至所述衬底。离子源14、质量分析仪30和晶片支座11都安装在真空室15中，真空室15通过一个或者多个真空泵保持处于真空状态下，真空泵示意标记为24。

[0024]离子源14更加细节化地显示于图2中。参考图2，这里以横截面的形式描述Bernas离子源14，其是从图1图中的一侧以看到的截面。离子源14包括电弧室或者电离室32，从图2中可以看出，电弧室或者电离室32是一个呈基本立方体形状的箱体并包含端壁38、40，侧壁(其中只有一面41得到显示)、前壁42和后壁44。所述电离室的壁理想地由诸如钨或者石墨的材料形成，或者内衬以这些材料。

[0025]细丝33延伸通过处于一端的壁40而形成了阴极，而反阴极39延伸通过处于所述电离室的另外一端的壁38。附加的反射体或板35置于细丝33和所述室的壁40之间。

[0026]工作时，细丝33被电流加热以发射热电子，并且阴极细丝33以及反阴极39和反射体35一起相对于箱体32被偏置为实质上的负电势。所发射的电子通过偏置场加速，并被约束以通过磁场36以螺旋线状路径在所述灯丝33和反阴极39之间行进，磁场36处于外部磁极(图中未显示)之间并在所述细丝和所述反阴极之间延伸。诸如在WO03/075305、GB-A-2387963和US-A-6259210中所描述的一种非直接加热式阴极，可以被提供来替代图2所描述的直接加热式阴极33。

[0027]源气体的供应装置46通过第一入口37连接到电离室32，并且置换气体的供应装置47通过另外的入口48连接到电弧室32。作为替代，源气体和置换气体可以混合并通过单一入口送入所述电弧室。

[0028]随着气体进入室36，它们被离解和/或电离以形成等离子体的带电颗粒。带正电的离子从所述电离室中通过前壁42中的狭缝13由所述电离室和萃取电极49之间的萃取电势进行萃取，并且所述带正电的离子被导向所述质量分析仪30。

[0029]在构造图2所示的电离室的过程中，普遍采用了诸如钨和钼的难熔金属作为阴极电极和室30的提供阳极的内壁表面。然而，在以往二氧化碳单独被使用来提供源气体(从其中能够获得碳离子和氧离子)的时候，已经发现，电极以及室的壁或者衬里的表面受到氧离子存在的影响，使钨与氧离子形成氧化物。氧离子渗透入钨的晶体结构，并且所形成的氧化物(特别是在电极和衬里上的)到了使离子源的效率降低，直到最后电子不再从阴极释放或者不再被壁衬里吸收的程度。这个过程被称为源“中毒”。

[0030]由供应装置47提供的置换气体减轻了这个问题。

[0031]所述置换气体包含氟原子，并且当被电离时，该置换气体提供有对钨的亲和性比对氧的亲和性强的离子，从而反转、减慢和/或防止在室中的电极表面上形成氧化物。氟已经被发现用来替换氧(在氧已经与钨结合并且氧化物已经形成的情况下)，将氧化物转化成氟化钨，并将氧释放进入等离子体。

[0032]置换气体可以从以下气体中选择，即：氟气、三氟化硼(BF₃)、三氟化氮(NF₃)、四氟化硅(SiF₄)和四氟化碳(CF₄)。在所需要的注入种类是碳的情况下，BF₃最好避免使用，原因在于下列问题，即，由于¹¹B具有与¹²C相近的原子量，因此可能不会被质量分析仪分离开，从而使¹¹B对导向衬底的碳离子束造成污染。其它可能的气体可以是SF₆和GeF₄，虽然SF₆可能产生是绝缘体的不需要的硫沉积，并且GeF₄也可能产生不需要的沉积。

[0033]图3描述了，作为置换气体的SiF₄与源气体CO₂同时被提供而进行碳注入的情况下，所能够获得的性能上的改进。

[0034]例如，单独使用CO₂作为源气体，在使用注入机来注入碳几个小时后，可利用的碳离子束流仅仅轻微下降。然而，当注入机接着转换开关以注入其它种类，例如硼的时候，可利用的硼离子的束流可能会显著的下降，并且只有在硼束流经两个或者更多个小时流动后，才能恢复和可获得完全预期的硼束流。

[0035]图3中，下方的曲线表示，通过单独使用CO₂作为源气体来流动碳束流而中毒后，流动硼束流的离子源的缓慢恢复。恢复至大约接近完全预期的束流(y轴的归一化性能指数100％)需要10个单位时间(例如21/2小时)。

[0036]图3中上方的曲线表示，同样的碳束流在相同时间内流动之后的恢复率，但是除了加了CO₂源气体之外还加入了SiF₄置换气体。不但预期电流的原始性能为大约70％，而不是单独采用CO₂源气体的50％，而且完全恢复时间被降低至大约四个单位时间(例如1小时)。

[0037]要求达到最佳性能的SiF₄的流速可以凭经验确定。如果SiF₄的流量相比源气体(例如CO₂)太小，就失去的有益的效果并且不会减少源中毒。如果SiF₄的相对速率太高，那么随着可利用的C⁺离子流的减少，在等离子体中C⁺离子的产量降低。此外，如果组合气体的流速太高，使源气体压力升高，萃取电极等等之间的电弧放电的危险就会增大。即使所要求的C⁺离子的束流仍然可以达到，从电弧室中萃取的束流中的Si⁺和F⁺离子的过多的流可引起下述问题，即，沿着注入机的束流线的侵蚀和污染。要获得图3中所描述的改进，CO₂相对SiF₄的流速比应为6∶1。

[0038]虽然图3中所描述的实例涉及使用CO₂作为源气体、使用SiF₄作为置换气体以及电极设置有钨表面，而产生碳束流，但是当从萃取的离子中选择氧束流时，也可以获得性能上的类似的改进。此外，可以使用其它电极金属，诸如钼以及它与钨的合金。其它含氧原子的源气体可以与其它含氟原子的置换气体结合使用，以降低上述的中毒效应。

Claims

1.一种生产用于衬底注入的离子的方法，包括：

提供具有电极的电弧室，所述电极所具有的暴露表面的材料可以与氧反应，形成不导电的氧化物层；

向所述电弧室供应含氧原子的源气体；

在所述电弧室中的所述电极之间产生电弧以产生等离子体，在所述等离子体中，用于注入所需的离子种类形成于所述源气体，所述等离子体包含氧离子；以及

向所述电弧室同时供应所述源气体以及包含氟原子的置换气体，从而使所述电极表面的所述材料与来自于所述置换气体的氟反应来置换氧，以减少所述氧化物层的形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极表面的所述材料选自钨、钼以及它们的合金。

3.根据权利要求1和2中的任一项所述的方法，其中所述置换气体是四氟化硅。

4.根据权利要求1和2中的任一项所述的方法，其中所述置换气体选自F、NF₃和BF₃。

5.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述源气体是二氧化碳或者一氧化碳。

6.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其中所述源气体选自氧气和氮的氧化物。

7.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其中所述源气体是源于Sb₂O₃的蒸汽。

8.一种将氧离子注入衬底的方法，包括：

向所述电弧室供应含氧原子的源气体；

在所述电弧室中的所述电极之间产生电弧，以产生含氧离子的等离子体；

向所述电弧室同时供应所述源气体和含氟原子的置换气体，从而使所述电极表面的所述材料与来自于所述置换气体的氟反应来置换氧，以减少所述氧化物层的形成；

从所述电弧室中萃取离子；以及

过滤所萃取的离子，以提供导向所述衬底的氧离子束。

9.一种将碳离子注入衬底的方法，包括：

提供具有电极的电弧室，所述电极所具有的暴露表面的材料可以与氧反应以形成不导电的氧化物层；

向所述电弧室供应含氧原子和碳原子的源气体；

在所述电弧室中的所述电极之间产生电弧，以产生含氧离子和碳离子的等离子体；

从所述电弧室中萃取离子；以及

过滤所萃取的离子，以提供导向所述衬底的碳离子束。

10.一种将锑离子注入衬底的方法，包括：

向所述电弧室供应含氧原子和锑原子的源气体或者蒸汽；

在所述电弧室的所述电极之间产生电弧，以产生含氧离子和锑离子的等离子体；

从所述电弧室中萃取离子；以及

过滤所萃取的离子，以提供导向所述衬底的锑离子束。

11.根据权利要求1以及8到10中的任一项所述的注入方法，其中所述电极的所述暴露表面的所述材料选自钨、或者钼、以及它们的合金。

12.根据权利要求8和9的任一项所述的注入方法，其中所述源气体选自二氧化碳和一氧化碳。

13.根据权利要求8中所述的注入方法，其中所述源气体选自氧和氮的氧化物。

14.根据权利要求10所述的注入方法，其中所述源气体是源于Sb₂O₃的蒸汽。

15.根据权利要求8到10中的任一项所述的注入方法，其中所述置换气体选自F、SiF₄、NF₃和BF₃。

16.一种离子注入装置，其包括用于产生注入衬底所需要的离子束的离子源，所述离子源包含：

具有电极的电弧室，所述电极所具有的暴露表面的材料可以与氧反应，形成不导电的氧化物层；

包含氧原子的源气体的供应装置；

含氟原子的置换气体源；

电弧供应装置，以在所述电弧室中的所述电极之间施加电弧电压，从而在所述电弧室中建立等离子体；

萃取电极，其可以被偏置以从所述室中萃取离子；

质量分析仪，其过滤所萃取的离子以提供导向所述衬底的所需要的离子束；以及

控制器，其使所述源气体和所述置换气体同时从所述供应设备供应进所述电弧室，从而使所述电极表面的所述材料与来自于置换气体的氟反应，以减少所述氧化物层的形成。

17.根据权利要求16所述的离子注入装置，其中所述电极的所述暴露表面的所述材料选自钨、钼和它们的合金。

18.根据权利要求16和17中的任一项所述的离子注入装置，其中所述源气体选自氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮的氧化物和Sb₂O₃蒸汽。

19.根据权利要求16到18中的任一项所述的离子注入装置，其中所述置换气体选自F、SiF₄、NF₃、BF₃、CF₄、SF₆和GeF₄。