TW201604915A - 離子佈植系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種離子佈植系統及方法，提供摻質氣體饋送線路中摻質氣體的冷卻，以對抗透過電弧腔室熱生成(例如使用諸如B2F4之類的硼源材料，或其他BF3的替代物)所造成的摻質氣體的加熱與分解。在此描述各種電弧腔室熱管理的排置，以及電漿性質的修改、特殊流動排置、清潔製程、功率管理、平衡的移動、汲取最佳化、光學偵測流動通道中的沉積物以及源壽命的最佳化，以達成有效的離子佈植系統的操作。

Description

離子佈植系統及方法 【交互參照之相關申請案】
本申請案主張下述美國臨時專利申請案的優先權：在2009年10月27日由Robert Kaim等人提出申請之61/255,097號的美國臨時專利申請案，其標題為“BORON ION IMPLANTATION APPARATUS AND METHOD”；在2010年6月25日由Edward Jones等人提出申請之61/358,541號的美國臨時專利申請案，其標題為“ACTIVE COOLING FOR ION IMPLANT GAS DELIVERY SYSTEM”；在2010年5月27日由Edward Jones等人提出申請之61/349,202號的美國臨時專利申請案，其標題為“ACTIVE COOLING FOR ION IMPLANT GAS DELIVERY SYSTEM”。上述所有該三美國臨時專利申請案61/358,541、61/255,097、61/349,202皆在此以各自的內文、為任何目的、併入本文做為參考。
本發明與離子佈植系統及製程相關，並且是關於此類系統的熱管理，其提供性能上的不可預期之優點；並且關於使用四氟化二硼(diboron tetrafluoride, B2F4)的離子佈植製程與系統，以及關於硼離子佈植設備與方法，該設備與方法大體上是例如用於製造微電子元件與半導體產品(諸如積體電路)中。
離子佈植用於積體電路製造中，以精確地將受控制的摻質雜質量導入半導體晶圓中，且離子佈植是微電子/半導體製造中關鍵的製程。
此類佈植系統中，離子源離子化期望的摻質源氣體的摻質元素。透過將電子導入以摻質源氣體(通常亦稱為「原料氣體」)填充的真空腔室，而使離子源生成離子。用於生成佈植物料的原料氣體包括(但不限於)BF3、B10H14、B12H22、PH3、AsH3、PF5、AsF5、H2Se、N2、Ar、GeF4、SiF4、O2、H2及GeH4。電子與氣體中摻質原子及分子碰撞，造成生成正摻質離子與負摻質離子所構成的離子化電漿。
以期望能量的離子束的形式將所得的離子從離子源中汲取出來。透過橫跨適當塑形的汲取電極施加高電壓而達成汲取，該電極結合通孔以供汲取的離子束通過。汲取的離子束通過穿孔而離開離子源成為準直離子束，而朝基材加速。
離子束沖射在基材(諸如半導體晶圓)表面，以將基材佈植摻質元素。離子束的離子穿透基材表面而形成期望的摻雜特徵(例如特定導電率)之區域。受佈植的 摻質原子隨後能夠透過退火而活化，以形成電活性的摻雜區域。多樣的佈植的離子物料包括B、P、As、Se、N、Ar、Ge、Si、O、及H。硼是特別廣泛使用的佈植物料。
在微電子元件的一般製造中，可能有許多佈植步驟。在針對更佳的製程控置、以較低的能量傳送高電子束電流以及減少佈植設備的平均故障間隔(MTBF)等方面，增加晶圓尺寸、減少臨界維度以及增加電路複雜度逐漸愈來愈仰賴離子佈植工具。
更有經濟效益地操作離子佈植系統需要最小化系統的停工時間，以及更有效地操作離子源以執行離子物料生成以供佈植操作之用。
在傳統上，三氟化硼(BF3)已是標準的用於硼摻雜微電子元件結構的來源。然而，BF3存在問題，該問題是BF3需要龐大的能量去斷裂B-F鍵結(757kJ/mole)，相較之下，其他用在離子佈植的摻質物料例如砷化氫為As-H=274kJ/mole，諸如磷化氫為P-H=297kJ/mole。於是，當佈植硼時，離子源必須在高的電弧電壓下操作。然而高電弧電壓產生高能量離子轟擊離子源區域中的熱燈絲或陰極，造成濺鍍腐蝕以及陰極失效。
據稱供給離子佈植器的80%的BF3摻質可能原封不動地排出，即意味著BF3並未離子化，或就算離子化，由初始離子化所得的片段已重新結合。因此，在高電 弧電壓下的低BF3離子化是硼離子佈植中一項重大的效率問題。
此外，發生在佈植器設備的離子源區域中的離子化反應可能涉及離子化/分解物料的大規模沉積，該等物料是在佈植操作中離子源的活性操作期間所生成或以其他方式存在。
於是，在此技術領域中需要替代性的含硼摻質前驅物以用於硼摻雜微電子元件結構上，並且需要改善的製程與系統以達到佈植器的MTBF、製程效率與操作壽命增加，並且在佈植器設備的離子源區域中非揮發性的物料減少堆積。
本發明是關於離子佈植系統與方法。
在一態樣中，本發明關於離子佈植系統，其包含：一離子源，其包括一電弧腔室，經設置以在其中離子化氣體；一摻質氣體源；一摻質氣體饋送線路，以將摻質氣體從該摻質氣體源導入該電弧腔室；以及一冷卻結構，其與該摻質氣體饋送線路相聯，並且經設置以冷卻該摻質氣體饋送線路中的摻質氣體，因而對抗 在操作該電弧腔室中生成的熱量所造成的該摻質氣體加熱以及對抗此熱量造成的該摻質氣體的分解。
另一態樣中，本發明關於在一基材中佈植離子的方法，其包含以下步驟：在產生一摻質氣體離子化的狀況下，將摻質氣體從相同的源傳送到一離子源的一電弧腔室；以及在進入該電弧腔室前先冷卻該摻質氣體，因而對抗在操作該電弧腔室中生成的熱量所造成的該摻質氣體加熱，以及對抗此熱量造成的該摻質氣體的分解。
尚有一態樣，其中本發明關於操作利用四氟化二硼的一離子佈植系統以生成用於佈植的硼離子，該方法包含以下步驟：將冷卻劑從一離子源冷卻劑供應器流出，之後使冷卻劑進入該離子佈植系統的一離子源腔室，該離子源冷卻劑供應器與該四氟化二硼有熱交換關係。
在進一步的態樣中，本發明關於用於硼離子佈植的一離子佈植設備，其包含：一氣態硼源供應器；以及一離子源，該離子源經設置以從該供應器接收氣態硼源，並且離子化該氣態硼源以形成離子態的硼物料以供摻雜於一基材，其中該氣態硼源包含至少一種硼化合物，該等硼化合物選自由B2F4、B2H6、B5H9、B3F5、BHF2及BH2F構成之群組。
本發明另一態樣是關於離子佈植方法，其包含以下步驟：離子化一離子源中的一氣態硼源以形成離子態的硼物料以供摻雜於一基材，其中該氣態硼源包含至少一 種硼化合物，該等硼化合物選自由B2F4、B2H6、B5H9、B3F5、BHF2及BH2F構成之群組。
本發明之進一步態樣是關於用於一離子佈植設備的一固體沉積監視與控制系統，其包括與該一流動通道相聯的一離子源，該流動通道易受在操作該離子佈植設備中源於一摻質源材料的固體之沉積，此固體沉積監視與控制系統包含：一監視裝置，其經設置以偵測與提供一輸出，該輸出指示該流動通道中來自該摻質源材料的沉積固體之堆積；以及一控制組件，其回應該監視裝置的該輸出，以調節該離子佈植設備的操作，而得以防止、減少或反轉該離子佈植設備的後續操作中來自該摻質源材料的沉積固體的堆積。
本發明之尚一態樣關於對抗離子佈植系統中固體沉積的方法，該系統包括一離子源，該離子源與一流徑相聯，該流徑易受操作該離子佈植系統中源於該摻質源材料的固體沉積，此方法包含以下步驟：監視及回應式生成一輸出，該輸出指示在該流徑中來自該摻質源的沉積固體之堆積；以及回應式調節該離子佈植系統的操作，以防止、減少或反轉該離子佈植設備的後續操作中來自該摻質源材料的沉積固體的堆積。
參照隨後的說明書內容與附加的申請專利範圍將可更全面地明瞭本發明的其他態樣、特徵與實施例。
10‧‧‧離子佈植系統
12‧‧‧電弧腔室
14‧‧‧氣體饋送線路
16‧‧‧電漿
20‧‧‧冷卻劑通道
40‧‧‧離子源設備
42‧‧‧跨接線
50‧‧‧散熱設備
52‧‧‧散熱主體
56‧‧‧凹頭螺釘
58‧‧‧螺帽
60、62‧‧‧冷卻劑流動線路
70‧‧‧離子源設備
72‧‧‧氣體饋送線路
74‧‧‧散熱設備
80‧‧‧基底襯墊
82‧‧‧開口
84、86‧‧‧氣體流動通道
112‧‧‧離子源
122‧‧‧電漿腔室
124‧‧‧離子汲取組件
142‧‧‧電極
146‧‧‧汲取通孔板
166‧‧‧摻質氣體源
168‧‧‧質流控制器
170‧‧‧導管
300‧‧‧離子佈植製程系統
301‧‧‧離子佈植腔室
302‧‧‧儲存與分配容器
305‧‧‧離子束
306‧‧‧容器壁
308‧‧‧閥頭
310‧‧‧壓力感測器
312‧‧‧排放線路
314‧‧‧質流控制器
316‧‧‧離子化器
318、340、344‧‧‧線路
320、342、346‧‧‧泵
322‧‧‧質量分析單元
324‧‧‧加速電極陣列
326‧‧‧偏折電極
328‧‧‧基材
330‧‧‧旋轉固持件
332‧‧‧轉軸
412、414、416‧‧‧腔室壁
415‧‧‧中心軸
420‧‧‧離子化區
422‧‧‧支撐件
430‧‧‧金屬天線
432‧‧‧金屬表面
440‧‧‧磁濾組件
450‧‧‧支撐板
452‧‧‧截切部
456‧‧‧壓力配件
457‧‧‧腿部區段
470‧‧‧磁體
472‧‧‧連接器
474‧‧‧鐵磁性插件
480‧‧‧屏蔽件
482‧‧‧清潔氣體源
484‧‧‧質流控制器
500‧‧‧離子佈植系統
510‧‧‧氣箱
512‧‧‧摻質源缸
514‧‧‧清潔流體缸
516‧‧‧稀釋流體缸
518、520、522‧‧‧分配線路
524、526、528‧‧‧流量控制閥
530、534、536、538‧‧‧訊號傳輸線路
532‧‧‧混合腔室
540‧‧‧壓力轉換器
542‧‧‧質流控制器
544‧‧‧離子源
546‧‧‧離子佈植腔室
1010‧‧‧電弧腔室外殼
1012‧‧‧汲取通孔
1014‧‧‧電弧腔室
1020‧‧‧陰極
1022‧‧‧推斥電極
1030‧‧‧燈絲
1034‧‧‧氣體入口
1150‧‧‧離子源主體
1160‧‧‧管路
1170‧‧‧導電支撐構件
1172‧‧‧絕緣體
1210‧‧‧夾箝組件
1240‧‧‧杯狀凹穴
1300‧‧‧陰極夾箝
1310‧‧‧絕緣塊
1400‧‧‧屏蔽件
1402‧‧‧區域
1410、1412、1414‧‧‧壁
1460‧‧‧絕緣體屏蔽件
TC1、TC2‧‧‧熱偶
第1圖是離子佈植系統的概略示意圖，該系統包括具有氣體饋送線路的電弧腔室，該線路用於將摻質源氣體饋送至該電弧腔室以供在該腔室中將之離子化。
第2圖是第1圖的離子佈植系統的截面，其概略性顯示此系統中電弧腔室內電漿的生成。
第3圖是第1圖的離子佈植系統的截面，其概略性顯示此系統中電弧腔室內電漿的生成，其中將該氣體饋送線路修改成與第2圖的系統相關以提供此線路的主動冷卻。
第4圖是離子源設備的透視圖，其中設有跨接線，以從離子源的冷卻水出口使離子源冷卻水流至散熱體(heat sink)的入口以冷卻摻質源氣體(在此視線中無法顯示散熱體)。
第5圖是散熱設備的透視圖，其機械式固定至摻質源氣體饋送通道，冷卻水流過該散熱體主體以冷卻摻質源氣體。
第6圖是離子源設備的透視圖，該設備具有散熱設備，其機械式固定至摻質源氣體饋送通道，以冷卻流至離子源設備的摻質源氣體。
第7圖是第6圖的離子源設備的分解透視圖，散熱設備安裝於其上，圖中顯示其細節。
第8圖是離子源組件的剖面透視圖，該組件包含各種顯示於第5圖至第7圖中的離子源設備以及散熱設備。
第9圖是溫度(以攝氏計)及所移除的熱量(以瓦計)的時間函數圖，其顯示用於離子源組件的操作資料，該組件包含各種顯示於第5圖至第7圖中的離子源設備以及散熱體設備。
第10圖是用於利用BF3電漿的硼摻雜之簡化的反應陣列概略圖。
第11圖是利用氫添加物的BF3電漿之簡化的反應陣列之概略示意圖。
第12圖是離子佈植製程系統的概略示意圖，該系統包括容納氣體的儲存與分配容器，該氣體是供給所繪示的佈植腔室中的基材之離子佈植摻雜所用。
第13圖是離子佈植系統的離子源之剖面視圖。
第14圖是沉積監視與控制系統的概略示意圖，該系統可用於對抗與離子佈植系統的離子源相關聯的流動通道的閉塞。
第15圖是離子佈植系統的另一離子源的概略示意圖。
第16圖是離子束電流(mA)為推移的時間(min)的函數圖，是針對使用NF3之清潔操作以從離子源腔室表面移除硼殘餘物。
本發明是關於離子佈植系統與方法。
本發明所依據的發現是，透過先於離子源的電弧腔室結合摻質氣體的冷卻，能夠驚人地強化離子源性能及整體離子佈植器的操作。此發現的驚人特徵是源於下述的事實：離子化製程實質上尋求將能量予以摻質氣體以供形成離子物料，且因而習知上會使得在離子化操作中生成的熱量透過摻質氣體饋送線路傳送，以致基本上預熱摻質氣體以用於離子化及電漿形成之操作，其為已知的有利的設置。
儘管已知此事實，然而已發現到在某些摻質氣體(諸如四氟化二硼)的實例中，此熱量傳送造成摻質氣體不利的分解，並且造成氣體饋送線路堵塞。據此，已發現到，有別於先前技術的解決之道，利用冷卻摻質氣體饋送線路以使流過此類線路的摻質氣體冷卻，在此類諸如四氟化二硼的摻質氣體的使用上提供了高度性能效率，而不至於發生之摻質氣體不利地分解之情事，也不至於造成至電弧腔室的摻質氣體饋送線路堵塞。
因此，本發明考量離子佈植系統，其包含： 一離子源，其包括一電弧腔室，經設置以在其中離子化氣體；一摻質氣體源；一摻質氣體饋送線路，以將摻質氣體從該摻質氣體源導入該電弧腔室；以及一冷卻結構，其與該摻質氣體饋送線路相聯，並且經設置以冷卻該摻質氣體饋送線路中的摻質氣體，因而對抗在操作該電弧腔室中生成的熱量所造成的該摻質氣體加熱以及對抗此熱量造成的該摻質氣體的分解。
冷卻結構可包括冷卻通道，該冷卻通道經設置以冷卻外罩(jacket)的形式冷卻摻質氣體饋送線路以及流過經其中的摻質氣體，適合的冷卻劑(例如水或乙二醇/水溶液)或其他適合的熱傳冷卻劑介質可流過該外罩。
為此目的，摻質氣體饋送線路可在其遠端被設置成排放摻質氣體進入電弧腔室，其中冷卻通道定位在摻質氣體饋送線路的遠端部份。
一個實施例中，本發明考量一整合的排置，其中用於離子源的水冷卻組件是做為冷卻水源，可操作該水冷卻組件以耦接與摻質氣體饋送線路關聯的冷卻通道，以使水流過冷卻通道而冷卻摻質氣體饋送線路，以及流經其中的摻質氣體。
摻質氣體源可為任一適合的類型，但在各種特殊排置中，較佳為包含壓力調控式氣體儲存與分配容器，例如一種包括內部配置的調控器的類型，以供於一壓力 (其由內部調控器組件的設定點所設定)下分配摻質氣體，其可包括一個、兩個或多於兩個調控器裝置。此類型的壓力調控式容器可由美國康乃狄克州Danbury的ATMI,Inc.購得，其在商標VAC之名下。
摻質氣體源容器(例如前述的壓力調控式氣體儲存與分配容器)可容納任何適合類型的摻質氣體。一個實施例中，摻質氣體可包含硼摻質氣體，諸如四氟化二硼。當利用四氟化二硼(B2F4)做為摻質氣體時，冷卻結構可以可操作式排置，以將摻質氣體饋送線路中的四氟化二硼的溫度維持在低於700℃。
本發明另一態樣因而考量在基材中佈植離子的方法，其包含在產生一摻質氣體離子化的狀況下，將該摻質氣體從相同的源傳送到一離子源的一電弧腔室；以及在進入該電弧腔室前先冷卻該摻質氣體，因而對抗在操作該電弧腔室中生成的熱量所造成的該摻質氣體加熱以及對抗此熱量造成的該摻質氣體的分解。
該冷卻步驟可包括將冷卻劑介質流過冷卻通道，該冷卻通道經設置以冷卻摻質氣體饋送線路以及流經其中的摻質氣體。如所提，離子源可與水冷卻組件一起設置，且來自水冷卻組件的水能流過冷卻通道以冷卻摻質氣體饋送線路以及流經其中的摻質氣體。可從含有硼摻質氣體(例如四氟化二硼)的壓力調控式氣體儲存與分配容器提供摻質氣體，且可施行冷卻以維持流至電弧腔室的四氟化二硼的溫度低於700℃。
本發明另一態樣是關於操作利用四氟化二硼之離子佈植系統以生成佈植所用的硼離子的方法，該方法包含將冷卻劑從一離子源冷卻劑供應器流出，之後使冷卻劑進入該離子佈植系統的一離子源腔室，該離子源冷卻劑供應器與該四氟化二硼有熱交換關係。此類方法亦可用於增強利用其他摻質源氣體的離子佈植系統之操作效率，該等其他摻質源氣體易於分解，而可能造成流動通道堵塞以及離子佈植系統非期望地停工。
本發明的冷卻方法因而提供一種防止四氟化二硼或其他易分解的氣體在用於離子佈植時分解的途徑，同時使用既存的離子源冷卻能力(去離子水)以主動冷卻摻質氣體饋送線路以及環繞電弧腔室的區域。冷卻摻質氣體饋送線路因而減少摻質氣體進入電弧腔室前的加熱。
第1圖示離子佈植系統10的概略示意圖，該系統包括電弧腔室12，其具有氣體饋送線路14以饋送摻質源氣體至電弧腔室以在腔室中將氣體離子化。
第2圖是第1圖的離子佈植系統10的截面，其概略性顯示此系統中電弧腔室12內電漿16的生成。摻質氣體以箭號A所指的方向流進摻質氣體饋送線路14，該線路的監視熱偶TC1、TC2固定至該線路，與該線路具監視關係以確定饋送線路的熱狀態量以及進入電弧腔室的氣體量。
第3圖是第1圖的離子佈植系統10的截面，其概略性顯示此系統中電弧腔室12內電漿16的生成，其中將該氣體饋送線路14修改成與第2圖的系統相關以提供此線路的主動冷卻。詳言之，氣體饋送線路14與冷卻劑通道20相聯，冷卻介質以箭號B所指的方向流過該冷卻劑通道20。固定監視熱偶TC1與TC2使之與該摻質氣體饋送線路具監視關係，以確定饋送線路的熱狀態量以及進入電弧腔室的氣體量。
可將冷卻劑通道裝設成具有冷卻外罩設於摻質氣體饋送線路上，或可包含環繞氣體饋送線路的通道或相互對插(interdigitated)的通道，或者包括其他熱交換或冷卻元件、陣列或組件以提供摻質氣體的冷卻，如此避免氣體饋送線路與電弧腔室中堵塞的固體副產物分解與沉積。
因此，可瞭解到可以任何適當的方式實施及操作本發明的冷卻設備，以實行摻質氣體必須的冷卻，而冷卻排置可進一步與用於離子源的熱管理控制系統整合，使得冷卻劑的流率以及其他操作參數適當地設定以供具有諸如B2F4摻質源氣體(其可能對於某些離子佈植用途是不適合的)的有效的離子佈植所用。能與多樣類型的離子佈植系統一併使用本發明之冷卻設備，利用相對應的各種摻質源氣體，包括例如砷化氫、磷化氫等。
一個特定實施例中，電弧腔室耦接一摻質氣體饋送線路，該線路具有0.18英吋內徑、4-6英吋的長度， 來自含有B2F4的VAC®源容器，摻質氣體以2-3sccm的流率流至電弧腔室。可利用顯示於第3圖的排置，其中在摻質氣體饋送線路裡TC1大約離電弧腔室0.4英吋，在此氣體饋送線路中TC2大約離電弧腔室1.4英吋。所得的資料是在無施行任何冷卻及利用水冷卻的情況下產生。該等資料顯示於下文中的表1且公佈第3圖的排置用於在溫度大幅低於700℃下傳遞B2F4而不至分解的效能。
第4-8圖顯示本發明的各種額外實施方式，涉及固定至離子源設備以對饋送至離子源設備的摻質源氣體進行冷卻的散熱設備。
第4圖是離子源設備40的透視圖，其中設有跨接線(jumper line)42，以從離子源的冷卻水出口使離子源冷卻水流至散熱體的入口以冷卻摻質源氣體(在此視線中無法顯示散熱體)。此排置因此利用既存的來自離子源設備的冷卻水供應，其用於冷卻電弧腔室以及離子源設備的其他部件，且因而提供離子佈植系統中用於冷卻摻質源氣體的額外冷卻能力。
第5圖是散熱設備50的透視圖，其機械式固定至摻質源氣體饋送通道，如以下更全面所示，冷卻水透過 冷卻劑流動線路60與62流過該散熱主體52以冷卻摻質源氣體。因此，散熱主體包括一個以上的內部通道，冷卻劑藉以流過散熱主體，以冷卻散熱主體以及冷卻在其他穿過散熱主體的通道中流動的摻質源氣體，如下文所述。散熱主體設有凹頭螺釘(socket head cap screw)56以及螺帽58，做為共同緊固元件以致散熱主體能機械性固定至摻質源氣體饋送通道結構，如下文與第8圖一併描述。冷卻劑流動線路60與62可耦接離子源冷卻水流動線路，由上文中關於第4圖的論述可明瞭。
第6圖是離子源設備70的透視圖，該設備具有散熱設備74，其機械式固定至摻質源氣體饋送通道，以冷卻在氣體饋送線路72中流至離子源設備的摻質源氣體。
第7圖是第6圖的離子源設備70的分解透視圖，散熱設備74安裝於其上以冷卻線路72中流至離子源設備的摻質源氣體，其顯示離子源組件的細節，包括離子源設備與散熱設備。
第8圖是離子源組件的剖面透視圖，該組件包含離子源設備70以及散熱設備50。此剖面視圖顯示摻質源氣體饋送線路72，該線路連接至氣體饋送插件中的氣體流動通道84，並且連接到氣體套管(與離子源相聯)中的氣體流動通道86。在本發明的一個實施例中，氣體流動通道84及86可為0.25-0.375英吋的量級，此類通道內徑大於習知上用於所說明的設備中者。此類尺寸過大 的氣體流動通道在摻質氣體易於分解進而造成氣體流動通道堵塞時相當實用。此類易於分解的摻質源氣體包括四氟化二硼。於是，顯示於第8圖的尺寸過大的氣體流動通道設備能夠延長離子源設備維修期之間的壽命。
顯示於第8圖中的離子源設備包括基底襯墊80，其經修改以包括其中的開口82，且已發現此修改型式在利用易於分解的摻質源氣體時提供改善的離子源操作壽命。
其上安裝有散熱設備的離子源設備、及尺寸過大的摻質源氣體饋送通道、與離子源的基底襯墊中的氣流開口的設置一起提供高效能離子源組態，該組態具有延長的操作壽命以供諸如四氟化二硼之類的摻質源氣體所用，且與相對應的離子源設備(其支撐散熱設備)、基底襯墊開口與尺寸過大的摻質源氣體饋送通道相關。
將瞭解到，散熱設備可採取各種其他形式，而非機械式固定至摻質源氣體流動線路；該散熱設備可以鍛接、焊接、銅焊至摻質源氣體流動線路，或者散熱設備可採取氣體流動線路的冷卻水追蹤之形式，或可使用其他交換或熱傳冷卻結構與方法，以減少摻質源氣體的溫度，使得摻質源氣體在受到離子化狀況之前不會過早分解。
第9圖是溫度(以攝氏計)及所移除的熱量(以瓦計)的時間函數圖，其顯示用於離子源組件的操作性資料，該組件包含各種顯示於第5圖至第8圖中的離子源設備以及散熱體設備。顯示於第9圖中的資料是在以下條件 下取得：B2F4做為摻質源氣體，以1.6sccm的速率流過0.25英吋的饋送通道至離子源設備，且冷卻水以3L/min(升/分鐘)的流率流過散熱設備的散熱主體。資料顯示相當合理的熱量從摻質源氣流移除，使其有效冷卻以改善離子源系統的操作。
現在將更詳細描述關於硼的離子佈植，關於摻質源材料、設備與方法，BF3是硼佈植中最常用的前驅物。BF3不像用於佈植其他元素(諸如磷、砷及矽)的前驅物，其並非非常有效地能在電漿條件下產生B+離子，這是由於其強的B-F鍵結之故。
第10圖顯示BF3電漿的簡化反應陣列概略圖，繪示在BF3做為摻質源材料時涉及離子佈植器的電漿電弧腔室的物料與反應。顯然BF3穩定度會影響不同離子與中性分子的濃度，因為反應起始於前驅物BF3的離子化。然而，在升高的溫度下以及涉及電子轟擊的離子化條件下，不同物料的分佈最佳是由所有所涉及的物料之穩定度以及其之間在化學反應與解離及/或電子離子化與重組之條件下的平衡決定。因此，離子的相似分佈可存在於不同前驅物的情況中。
在前述的反應陣列中，可利用一種以上的添加物使反應平衡移向B+。例如，當BF3做為摻質源，少量的氫及/或甲烷可與BF3一起流至佈植器。與此三氟化硼摻質源一起導入的氫、甲烷或氫/甲烷混合物會在電漿中產生氫，且此氫會捕捉氟原子而形成HF，其相當穩定。 據此，系統會移向大多含HF、B及相對應的離子的電漿。此反應系統顯示於第11圖，其中BF3電漿的陣列中的反應顯示有氫添加物。
本發明關於各種用於硼離子摻雜的排置以及處理方法。應瞭解到，儘管各種實施例與態樣各在特定實施方式中揭露，一種以上的各不同實施例或態樣的多重特徵可與另一個結合，在本發明的進一步申請案中構成修改過的設備或複合式的設備，或修改過的製程方法或複合式的製程方法。
雖本發明的各種態樣是導向特定地利用B2F4做為硼前驅物材料以用於硼的離子佈植，然在本發明的廣泛操作中可利用其他硼源材料，包括諸如B2H6、B5H9、B3F5、BHF2以及BH2F之類的硼源。
在一態樣中，本發明是關於電弧腔室溫度的修改。在某些條件下，B2F4會在前往電弧腔室的氣體線路中熱解，也會在分配氣體的電弧腔室內熱解。此熱解必然帶來不利的效應。例如，可能造成硼固體沉積，其可導致離子源壽命不良及/或B+、BF2 +等離子電流表現不佳。固體的分解與造成的沉積可能完全限制或阻塞氣體的流動。沉積的位置可能在源管內(電弧腔室前)、源管出口處，在該處氣體饋送進入電弧腔室及/或處於源管出口與電弧腔室襯墊(在具有襯墊的電弧腔室中)之間的間隙中。
本發明考量此缺陷的解決之道，其是透過減少源管連接至電弧腔室的區域之溫度而達成。此類區域包括 源管最後幾英吋處(例如5-10cm)、源管接合電弧腔室的確實位置及/或電弧腔室內靠近源管接合的位置。降低此環境的溫度減少了B2F4的熱解速率，進而減少硼沉積。
為了此目的，可以許多方法施行降低溫度。
一種降低溫度方法涉及電弧腔室的功率管理，使得能夠在較低的電弧電壓與電流下操作。
可透過增加電弧腔室的效能達成溫度的降低。此舉可透過修改諸如陰極的部件而完成，以達成更有效率的電子發射。為此目的，期望利用更小的陰極。更有效率的電弧腔室需要較少能量，且因此在所有其他的因子維持恆定的情況下，能夠達成較低總電弧腔室主體溫度。此舉接著降低源管、源管與電弧腔室之界面、及靠近該介面處電弧腔室的溫度。
誠如進一步降低溫度的解決途徑，可施行更有效率的來自電弧腔室的熱傳。因為多數熱量是透過輻射熱傳散逸，可執行多種解決途徑以增加熱量散逸的速率。例如，可透過製做更大的電弧腔室、腔室壁更厚的電弧腔室(同時不改變內部尺寸)或增加熱量散逸的表面(諸如散熱片、桿等)而增加電弧腔室的表面。
對一給定的電弧腔室功率層級而言，增強來自電弧腔室的熱傳效能亦能夠透過增加電弧腔室外壁溫度而達成。此外壁溫度的增加能夠透過極大化電弧腔室傳導率(這是透過使用結構中的高傳導率材料)及最大化結構 中任何熱接觸阻力而實行。例如，可利用單一片鎢或鉬製成的電弧腔室。
因此，本發明考量電弧腔室在熱力學方面的修改型式，其可包括熱/溫度管理，以防止或減少饋送管或線路或其他電弧腔室部件中的沉積與堵塞。或者，可施加塗佈的材料以抑制分解，或者饋送管可受屏蔽以完成相同的目標。可極大化入射負載(irradiation load)，而可施行噴嘴上的入射汲引(irradiation drain)，以減少與噴嘴相關聯的導電汲引(conductive drain)。
尚有進一步的電弧腔室溫度修改型式，在高溫區域中，可例如透過使用更高的流速通過該等區域而減少電弧腔室中的滯留時間。
更有效的電弧腔室之熱傳亦可透過使用比現存的結構材料具更高發射率的材料塗佈、纏繞或覆蓋電弧腔室的外表面而達成。
透過由超過一種材料打造電弧腔室，亦可在熱特徵層面上改善電弧腔室，其中，利用結構中具有有別於第一材料的發射率的第二材料或超過兩個額外的材料。第二或額外材料的量是經選擇以降低電弧腔室的溫度，該量值足以大幅減少或消除源管或電弧腔室入口處的摻質氣體的熱解。
例如，電弧腔室的兩面壁可由石墨製成，其具有0.7-0.8的發射率，而電弧腔室的其餘四面壁可由鎢製成，在一般電弧腔室溫度下其發射率為約0.1-0.2。在一 個實施例中，摻質氣體饋送管所連接的腔室壁是由石墨製成，因為此材料更高的發射率會使電弧腔室的溫度比使用以較低發射率材料做為此類腔室壁結構材料的情況低。另一實施例中，兩面以上的電弧腔室壁是由石墨或其他高發射率材料所形成。在特定實施例中，所有的腔室壁(頂部、底部、側面、前面與後面)都是由石墨或其他高發射率材料製成。
可以其他方式修改電弧腔室以增加發射率，諸如透過反應、熱循環等。從電弧腔室移除熱的熱傳效率可透過減少輻射至例如源外殼或源外殼之部件的表面溫度而達成。這些部件的溫度可透過主動或被動冷卻(例如使用諸如空氣及水等冷卻劑流體)而降低。
除了最佳化輻射冷卻之外(或取代最佳化輻射冷卻)，電弧腔室能夠透過強制對流而冷卻。為了此目的，諸如水及空氣等冷卻劑可流至電弧腔室周圍或流過電弧腔室(例如透過溝槽)。在此排置中的冷卻劑因此作用為減少電弧腔室溫度。
如一進一步的解決途徑，來自電弧腔室的熱傳可透過以下方式增加：透過減少電弧腔室與源外殼之間的接觸阻力、透過增加接觸面積及/或改善表面磨光、及/或透過增加支撐件的傳導率。
源管、源管介面及電弧腔室內靠近源管的中間區域的較佳的溫度控制可具有相當大的優點。例如，非導 熱性配適器可用在源管至電弧腔室界面處。此配適器助於減少源管的溫度以及增加該區域中的溫度梯度。
使用源管至電弧腔室介面的共軸配適器亦可達成較佳的溫度控制。此類共軸配適器可進一步減少饋送氣體的溫度，直到該氣體進入電弧腔室為止，因為內側管路不會與電弧腔室在熱接觸，而外側管路應該助於屏蔽內側管路隔絕輻射。
電弧腔室靠近氣體源管至電弧腔室界面的區段可經修改使其為不同的、且較不導熱、及/或具更高發射率的材料。此權宜之計將助於降低界面的溫度。
電弧腔室靠近氣體源管至電弧腔室界面的區段可經修改以包括輻射屏蔽件。該屏蔽件將減少輻射熱傳送至電弧腔室界面處的源管。
如進一步之修改型式，氣體管可由具有低導熱性的材料所建造，使得沿該管長度上的熱傳最小化。或者，氣體管可由具有高導熱性的材料所建造，使得熱傳從該管的熱端(靠近電弧腔室)至該管冷端(離電弧腔室遠處)增大。
另一個用於熱修改型式以達成更有效地自電弧腔室進行熱傳的解決途徑涉及修改該電弧腔室以含有適當尺寸的小型圓柱狀突出物，其具有例如大於或等於3/8英吋(0.9525cm)的直徑。在一個實施例中，源管配適器連接至此突出物。此排置使源管/電弧腔室界面的溫度得以降低(這是由於該突出物的長度之故)，並且 使分子流發生所需的環境(regime)得以在突出物本身中發展。該突出物因而成為冷/熱界面，而在此區域中的沉積將會減少，這是由於分子流動所造成的壁碰撞發生數減少之故。
進一步的熱修改型式涉及硼源氣體(例如B2F4)在源管內的滯留時間τ(=V/Q，其中V為源管的體積，而Q為硼源氣體的體積流率)的減少。此類滯留時間的減少可與降低溫度的方法一併達成，或者其為獨立的修改型式。減少滯留時間減少了可能發生在源管內或在源管-電弧腔室界面區域內的熱解之程度。
可以多種方式減少滯留時間，例如透過增加稀釋氣體以增加總流率。只要流率增加比所造成的壓力增加大一百分比，則滯留時間將減少。稀釋氣體可為任何適合的種類，且可例如包含稀有氣體、惰氣、BF3、H2、CH4、NH3等。
亦可透過使用較小直徑的屏蔽(同軸)管在過渡至絕緣配適器之前增加接近電弧腔室的較冷區域的速度，或透過增加管路直徑，而減少滯留時間。
任何對幾何形狀、真空傳導或泵取能力的修改將能減少氣體流至電弧腔室的滯留時間，上述修改能使速度根據質量守恆等式增加，該等式為ρ1*v1*A1=ρ2*v2*A2，其中A2(位置2的截面積)與ρ2(位置2的密度)可改變以確保v2>v1。
在進一步的修改型式中，非所欲的分解物料的沉積可透過使用適當尺寸的大直徑管路/配適器而管理，該等直徑為諸如大於0.25英吋(0.635cm)。沉積可發生一段時間，但會花費較長時間形成完全阻塞通路，及/或可能絲毫不會阻塞，因為硼殘餘物會充當自絕緣材料，且一旦溫度充分降低，最終會停止累積。此類沉積管理可涉及多重入口的預備設施，以供待流入電弧腔室的氣體之用(或者通過該襯墊)，以致倘若一通口阻塞，氣體隨後能夠繼續流動。
另一實施方式中，本發明考量包括數種電弧腔室的修改型式，其包括下述特徵之一者以上：利用有別於一般用於電弧腔室製造上的建構材料；最佳化B2F4或其他特定的硼源材料的電弧電壓；電子表現最佳化；最佳化B2F4或其他硼源材料的束傳輸；以及最佳化B2F4或其他特定的硼源材料的片段化。以此方式，可將電弧腔室建造及設置成能夠達成相當程度的操作優點。
本發明的另一態樣是關於修改電漿性質，其透過使用磁體或透過調整或最佳化硼源操作參數而達成。在此態樣中，可利用B2F4或其他特定硼源材料的電弧電壓的最佳化做為增強的技術。電漿中電子能量分佈可透過降低電弧電壓而降低。相較於BF3，較低的電弧電壓可與B2F4一起使用，因為B2F4具較低的束縛能。較低的電弧電壓具有其他益處，其中伴隨較低電弧電壓層級的較低的陰極濺射能夠改善離子源壽命。
電弧功率(電弧電壓乘上電弧電流)能夠經最佳化以用於硼源氣體，例如B2F4。關於挑選特定硼源氣體，相較於BF3，B2F4能夠造成欲達成的較低的功率操作；進而具有在離子源壽命及離子源穩定度上的優點，因為較少電漿的不穩定性以及較不高的電壓電弧放電。
關於離子源的操作參數，源的調諧與最佳化技術可用於修改電漿性質以供高性能操作佈植器所用。
另一實施例中，共排或共流的稀釋劑、反應物及/或清潔劑可用於達成離子佈植系統中的操作優點。例如，稀釋劑、反應物及/或清潔劑可用於與硼反應，或者緩和硼的沉積。此舉可涉及硼沉積，或移除/清潔在硼源材料於活性處理期間流至離子源之前沉積在電弧腔室中摻質材料，或者其可涉及蝕刻與沉積電弧腔室、氣體線路或離子源其他部件中的金屬或其他材料。
可利用反應物或清潔劑以例如解決氣體線路中B2F4分解與沉積物堆積(其是由於使用此類源材料所造成)的問題。
可利用諸如B2H6、B5H9、BF3等之類的含硼稀釋劑、反應物及/或清潔劑。可利用稀釋的饋送氣體與惰性或其他適合的稀釋劑氣體，諸如XeF2、Ar、N2、Xe與H2的混合物、CH4、NH3等。或者，可利用一種系統/硬體實施方式，其中混合物是由單一封包所傳遞(該等混合物是在傳遞至電弧腔室前預混合)，或者材料可各自透過個別的傳遞線路傳遞到電弧腔室。
本發明的另一態樣是關於清潔製程，其可涉及依序或同時使B2F4及清潔劑流入，以執行清潔與B2F4佈植，或者以同時共流型式或依序流入型式流入其分子離子或原子離子。
例如，在離子佈植期間，可利用同時共同流入B2F4或其他諸如B2H6、B5H9、B3F5、BHF2或BH2F之類的分子，以及一種以上的清潔劑。
或者，B2F4或此類的其他分子以及能夠使固體硼與氣相中的硼之間的平衡朝氣相中的硼移動的試劑可透過設備共流。不會與B2F4反應的含氟氣體可充當此類試劑。本發明因此考量利用朝期望的氣相中的離子物料(例如B+)移動的平衡。
可利用依序清潔離子源(介於使用B2F4或其他前述分子及及組合物的離子佈植步驟之間)以連續或脈衝式流入清潔劑氣體通過設備。
另一態樣中的本發明關於使用特定饋送材料、分子及分子組合物以及用於佈植前述材料的方法，其使用一種以上的源材料，諸如B2F4、B2H6、B5H9、B3F5、BHF2或BH2F。此類材料可用於佈植諸如B+或F+之類的原子離子。此類材料可用於佈植分子離子，該等分子離子是透過片段化饋送分子或片段的重組物(諸如BF+、BF2 +、B2F4 +、B2F3 +、B2F2 +等)而形成。
前述的硼源材料可用於習知束線或電漿(例如PLAD或PIII)離子佈植工具中的原子或分子離子佈 植，例如離子或電漿離子佈植製程，諸如習知的離子佈植、電漿浸漬或脈衝電漿摻雜離子佈植等。
前述硼源材料亦可用於使用氣體團簇離子束(GCIB)技術的硼摻雜。GCIB的生成涉及將源材料凝聚成中性團簇、離子化該等團簇、然後在至標靶的路徑上加速與質量篩選。可透過使用非摻質(諸如N2、Ar等)助益凝聚。
如所指，B2F4做為硼源材料的益處是相較於使用BF3做為源材料的情況而言，其使佈植器得以在較低的功率下操作。
進一步的態樣中，本發明考量最佳化用於更高B+片段的汲取光學元件(extraction optics)，或最佳化用於B2F4的汲取或束光學元件。從BF3電漿汲取最大量的B+時，汲取區域中的空間電荷非常高，因為涉及高束電流以及高的片段質量之故。關於高束電流，汲取的電流為所有離子(包括F+、BF+、BF2 +等)的總和，其可大於B+電流的三倍。空間電荷與束電流呈比例關係，且B+片段愈高，汲取區域中的總電流可減少。關於所涉及的高片段質量，平均質量大於11。空間電荷與質量的1/2次方呈比例。B+片段愈高，平均質量減少。
據此，汲取間隙中的空間電荷可隨B2F4減少。減少的空間電荷使得緊鄰離子源下游的汲取光學元件的不同最佳化得以達成。亦容許較大的汲取間隙(較低的 電場)。此舉利於減少高電壓電弧放電。汲取通孔的適當設計亦可用於增強離子束品質與穩定度。
離子源壽命的最佳化可用在本發明的各種應用中，以防止或最小化劣化情況發生。例如，透過此類離子源壽命最佳化，可克服或避免潛在電弧腔室或離子源失效模式。適當的材料比率及/或操作條件(例如電漿性質)可經選擇以管理鹵素循環工作，並且操作條件與材料的比率亦可使用共排(co-bleed)的排置。
本發明的各種態樣與實施例可在多種離子佈植系統中施行或與各種離子佈植系統一併操作。
第12圖是離子佈植製程系統300的概略示意圖，該系統包括容納B2F4的儲存與分配容器302，該氣體是供給所繪示的離子佈植腔室301中的基材328之離子佈植摻雜所用。
儲存與分配容器302包含容器壁306，其包圍容納B2F4氣體的內部空間。
該容器可為習知型式的氣缸，其內部空間被排置成僅容納氣體，或者該容器可含有具有對摻質源氣體具吸著親合力的吸著劑材料，摻質源氣體可從該容器脫附以在分配條件下從容器排放。
儲存與分配容器302包括閥頭308，其耦接排放線路312並與之氣流連通。壓力感測器310與質流控制器314一起配置在線路312中。其他監視與感測部件可耦 接該線路，並且與控制工具界面相接，該等控制工具是諸如致動器、反饋與電腦控制系統、循環定時器等。
離子佈植腔室301含有離子束產生器或離子化器316，其接收來自線路312的分配的B2F4氣體並且生成離子束305。離子束305通過質量分析單元322，該單元選擇所需的離子並且拒絕不受選擇的離子。
所選擇的離子通過加速電極陣列324且隨後通過偏折電極326。所得的聚焦離子束沖射在基材元件328上，該基材元件配置於旋轉固持件330上，旋轉固持件330進而裝設在轉軸332上。使用B+離子的離子束以p型摻雜基材，如所期望般形成p摻雜的結構。
離子佈植腔室301的個別區段個別藉由泵320、342與346透過線路318、340與344排氣。
第13圖是諸如可用在第12圖所示之類型的離子佈植系統中的離子源之剖面視圖，且其更全面地在美國專利6,135,128號中描述，該專利於2000年10月24日頒發給M.A.Graf等人。
離子源112包含界定電漿腔室122的外殼以及離子汲取組件。將能量授予可離子化的摻質氣體以在電漿腔室122內生成離子。大體而言，生成正離子，然而本發明可應用至離子源生成負離子的系統。藉由離子汲取組件124(其包含複數個電極142)正離子透過電漿腔室122中的狹縫汲取。據此，離子汲取組件作用為從電漿腔 室透過汲取通孔板146汲取正離子束，並且將所汲取的離子加速朝向質量分析磁體(第13圖中未示)。
可離子化摻質氣體從可離子化摻質氣體源166流出，並且通過導管170注入電漿腔室122，該導管其中含有質流控制器168。源166可包括吸著劑類的氣體儲存與供給容器(例如可購自ATMI,Inc.(美國康乃狄克州Dandury)的類型，其屬於商標SDS之下)，包括內部氣體壓力調控器的壓力調控容器(例如可購自ATMI,Inc.(美國康乃狄克州Dandury)的類型，其屬於商標VAS之下)，或當利用固體摻質源材料時，源166可包括固體源容器，例如可購自ATMI,Inc.(美國康乃狄克州Danbury)的類型，其屬於商標ProE-Vap之下。電漿腔室122具有導電腔室壁412、414、416，其界定腔室內部的離子化區420。側壁414繞電漿腔室122的中心軸415環型對稱。導電壁416面向鑑別磁體(resolving magnet)並且連接電漿腔室支撐件422。腔室壁416支撐具有多重開口的通孔板146，該板使得離子得以離開電漿腔室122且隨後重新結合以在多個隔開且電隔離的汲取電極124下游的位置形成離子束。通孔板146包括數個開口，該等開口以特定圖案排列，對準間隔開的汲取電極142中的類似設置的多重通孔。在第13圖中只有顯示一個此類通孔。
金屬天線430具有於腔室內部暴露的金屬表面432，以發射能量進入電漿腔室122。電漿腔室122外 的電源供應器434賦能金屬天線430給予適當特徵的射頻(RF)訊號，例如大約13.56MHz的RF訊號，以設定金屬天線中的交流電而感應電漿腔室122內的離子化電場。天線功率可為任何適當量級而適於特定離子化操作，該量級例如為500-3000瓦等級的功率。源腔室中的壓力可為例如在1-10mTorr的等級，使得源112作用如一低壓、高密度的感應源。電漿腔室亦可包括磁濾組件440，其延伸穿過天線430與穿孔板146之間的腔室內部區域。
藉由可移除的支撐板450，天線430可定位在電漿腔室122內。支撐板450由側壁414於具有環形截切部452的位置支撐，天線延伸穿過該環形截切部。用於天線430支撐板450的尺寸經過設計以適合腔室壁414的截切部452，同時定位天線430的該暴露的U形金屬部份432於離子化區420內。
支撐板450界定兩個貫穿的通路，該二通路容置兩個真空壓力配件456。在天線430的伸長腿部區段457被推過配件時，端帽458被擰至配件上，以密封配件456及腿部區段457之間的接觸區域。天線430較佳其輻射發射區域為U形，且可例如為由鋁所建構。管路的外徑尺寸為得以通過壓力配件456。在使用時，天線吸收來自其周圍環境的熱。為了排散此熱量，冷卻劑通過管中心發送。
支撐板450具有暴露至電漿腔室內部的大體上平整的表面460，並且包括平行外表面462，其面向遠 離腔室內部處。支撐板450的凸緣部份464上覆於環磁體470，該環磁體環繞腔室壁414的截切部並且藉由連接器472附接至腔室壁414。附接支撐板450的鐵磁性的插件474適合於磁體470，使得當支撐板450定位在截切部452內時，鐵磁性插件474與磁體470彼此吸引以將支撐板450固定在天線430延伸進入腔室內部的位置。
在操作離子源期間熱生成，且此熱量由腔室壁412、424、416、418所吸收。所吸收的熱量可透過冷卻劑由腔室122移除，該冷卻劑是透過配件476導入以發送水進入穿過該等腔室壁的通路並且藉由第二出口配件(圖中未示)離開腔室。透過此排置，腔室壁的溫度可維持在低於100℃的溫度，使得離子源112作用如冷壁離子源。
天線430靠近支撐板450的區域特別易於在操作離子佈植器期間受濺鍍材料塗佈。為了最小化此濺鍍之效應，在天線插入支撐板450之前，兩個屏蔽件480可滑移至鋁天線上方。這些屏蔽件較佳為由鋁所建造，並且以摩擦配件固持於屏蔽件與天線430暴露的鋁外表面之間的一處。
在操作離子源112期間，摻質元素的沉積物可形成於界定離子化區420的內部壁412、414與416上。本發明考量同時與源氣體流入共同氣體或清潔氣體，同時離子源112在正常操作條件下操作。可設置清潔氣體源482以及相對應的質流控制器484，且在將該等氣體傳遞 至電漿腔室122前，質流控制器484的清潔氣體輸出與導管170中質流控制器168的源氣體輸出結合。或者，源氣體與清潔氣體可個別傳遞至電漿腔室。
可認知到源166可含有與清潔材料及/或其他材料(諸如稀釋劑、平衡導引材料、反應物、冷卻劑等)結合的摻質源材料。或者，源482可含有與任何一種以上此類其他材料(諸如稀釋劑、平衡導引材料、反應物、冷卻劑等)結合的清潔材料。任何此類補充材料可供給至離子源及/或相關的流體線路，其使用任何適當的源容器及/或其他供給設備部件的排置。
因此，可從與供給摻質源材料的源容器相關的相同或不同的源容器供給清潔材料(例如清潔氣體)，以使摻質源材料與清潔材料共流至離子源腔室。
藉由使清潔氣體與摻質氣體共流通過離子源，透過製程中(in-process)使用清潔氣體而避免個別的清潔步驟。應瞭解到「製程中」即為清潔製程發生在離子佈植器於正常生產操作時。
此類具共流清潔蒸氣的製程中的清潔可用於有效移除沉積物(該等沉積物歸因於佈植摻質蒸氣或其他離子源饋送材料的熱解)，特別是在離子源的熱區。例如，使用B2F4以生成B+離子束期間，沉積物可發生在饋送摻質材料進入離子源的氣體管中。此類沉積物集中在管路的熱端(在該處沉積物附著至離子源電弧腔室)並且其由於B2F4的熱解所造成，而形成固體硼或更高級的硼氟化物 混合物，該混合物一般具有化學式BxFy，其中x<y/2。該等沉積物呈現嚴重的操作事件，因為此類沉積物可能堆積且最終引發離子源失效。
本發明在各種態樣中提供額外數種方法以對抗及減少離子源中及相關流動通道中沉積材料的量，該等方法可與使用清潔氣體結合，或為使用清潔氣體的替代方法。
在一個此類態樣中，管路的機械設計經修改以減少從電弧腔室到氣體饋送管的熱傳(傳導及輻射)，因而減少管路的溫度且最後減少熱解。
在另一態樣中，清潔蒸氣與B2F4氣體一起共同流入離子源。清潔蒸氣與任何由於分解而形成的固體沉積物反應，將他們轉化成能夠由泵抽離的蒸氣，因而避免離子源早期失效。清潔蒸氣可為任何在大約與摻質蒸氣分解溫度相同的溫度下能與沉積材料反應的材料。較佳的清潔蒸氣包括(但不限於)反應性的氟化物，諸如XeF2以及NF3。清潔蒸氣與摻質蒸氣的相對流率是由經驗或其他此領域中的技術範疇內的手法、基於本發明在此所揭露者而決定為佳，以建立用於個別蒸氣的適合共流條件。
用於此目的的適合的清潔蒸氣可易於選擇而用於特定熱解摻質蒸氣，以提供摻質蒸氣與清潔蒸氣的結合流，而在原位清潔離子源方面有效地使用。
第14圖是沉積監視與控制系統的概略示意圖，該系統可用於對抗與離子佈植系統500的離子源544相關的流動通道的閉塞。
如圖所示，離子佈植系統500包括氣箱510，其中配置有氣體供給缸，包括摻質源缸512(耦接其中具有流量控制閥524的分配線路518)、清潔流體缸514(耦接其中具有流量控制閥526的分配線路520)以及稀釋流體缸516(耦接其中具有流量控制閥528的分配線路522)。
閥524、526、528個別透過訊號傳輸線路530、536、534連接至中央處理單元(CPU)，因而CPU能夠操作開啟或關閉個別的閥門達一特定範圍，以對循環時間程式回應，或者對生成CPU能力的其他訊號(其提供對製程條件及/或CPU監視的部件的閥調節回應)回應。
耦接個別缸的分配線路518、520與522在混合腔室532終結，使得個別摻質源、清潔流體與稀釋流體之多者能夠如所期望般選擇性地與另一者混合。或者，單一缸可經排置以分配其內容物至腔室532，以流至其中含壓力轉換器540與質流控制器(MFC)542的饋送線路，且隨後流至離子源544。離子源544經設置以進行離子化操作，而離子化其中的摻質源，並且產生離子束，該離子束傳輸至離子佈植腔室546。離子佈植腔室546含有半導 體或其他微電子元件基材裝設於其中，以供佈植所選擇的離子化摻質物料於基材中。
在此所說明的系統中，饋送線路到離子源的壓力轉換器540透過訊號傳輸線路538而與CPU有訊號傳輸關係。質流控制器亦透過訊號傳輸線路與CPU有訊號傳輸關係。透過壓力轉換器的設置，生成與饋送線路中壓力有關聯的訊號，並且該訊號在線路538中傳輸至CPU以供監視之用。
倘若摻質源材料流至離子源期間，摻質材料在饋送線路中分解(例如由於在此源於離子源的線路中熱量傳送之故)，以及沉積材料的累積引發饋送線路的壓力增加結果饋送線路中的導通程度減少(因固體沉積物所造成)，所得的壓力的增加可透過壓力轉換器540感測並且在訊號傳輸線路538中傳輸到CPU。
CPU隨後能夠回應性地啟動動作以緩和饋送線路中沉積物的初期的閉塞現象。例如，CPU能透過開啟流量控制閥526(此動作是藉由經訊號傳輸線路536發送至閥的控制訊號達成)使清潔流體從缸514流進饋送線路。或者，能夠減少離子源的電弧功率。又如進一步的替代方案，能夠透過增加摻質源的流率而減少摻質源的滯留時間，這是藉由經訊號傳輸線路530傳輸至閥的控制訊號而使閥524開啟而達成；及/或藉由添加清潔流體及/或稀釋流體使得體積流率的總增加量引發流動線路與離子源中的摻質源滯留時間減少。
以此方式，由壓力轉換器與CPU負責的壓力監視提供系統中早期發端的沉積偵測能力，能夠回應式調節系統以對抗此類系統中的固體沉積。
源於摻質源的固體沉積亦可在系統中透過質流控制器542偵測。當沉積發生在系統操作期間時，質流控制器上的閥位置將會開啟至較大的範圍，以維持預定的流率。此類質流控制器閥位置一般得以做為質流控制器的電壓輸出，且此電壓輸出是以一監視訊號在相聯至CPU的訊號傳輸線路中傳輸。
為了回應質流控制器逐漸開啟的閥位置(其可歸因於源自摻質源材料的分解固體的逐漸堆積)，CPU能夠致動相同的修復動作，其如上文所述，與饋送線路至離子源的壓力轉換器監視連結使用。
因此，本發明在一態樣中考量壓力監視裝置的供應，其提供離子源饋送線路或其他與離子源相關聯的通道中固體沉積的輸出相關物，以提供「閉塞可能立刻形成」的警示，使得能夠採取修復動作以抑制固體累積。
第15圖是離子佈植系統的另一離子源的概略示意圖。
第15圖是根據一個實施例的非直接加熱的陰極(IHC)離子源的剖面高度圖，該圖顯示電弧腔室與相關部件，該實施例可用於操作本發明。此類離子源型式在頒發給Maciejowski等人的美國專利7,138,768號中更全面地描述。
在此IHC離子源中，具有汲取通孔1012的電弧腔室外殼1010界定電弧腔室1014。陰極1020與推斥電極1022定位在電弧腔室1014內。燈絲1030定位在電弧腔室1014外側靠近陰極1020處，對陰極加熱。待離子化的氣體從氣體源透過氣體入口1034送至電弧腔室1014。另一組態中(圖中未示)，電弧腔室1014可耦接汽化器，其汽化電弧腔室1014中待離子化的材料。
電弧功率供應器具有正端，其連接電弧腔室外殼1010，並且具有負端，其連接陰極1020。推斥電極1022可浮接或能連接到電弧功率供應器的負端。電弧功率供應器可在25A(安培)時具有100V(伏特)的等級，並且可在約70V時操作。電弧功率供應器加速由陰極1020所發射的電子進入電弧腔室1014中的電漿。
偏壓功率供應器具有連接至陰極1020的正端以及連接至燈絲1030的負端。偏壓功率供應器可在4A(安培)時具有600V的等級，並且可在約350V的電壓及約2.5A的電流下操作。偏壓功率供應器加速由燈絲1030發射的電子至陰極1020以對陰極1020加熱。
燈絲功率供應器具有連接至燈絲1030的輸出端。燈絲功率供應器可在200安培時具有6V(伏特)的等級，並且可在約140-170安培的燈絲電流下操作。燈絲功率供應器對燈絲1030加熱，進而生成電子，該等電子朝陰極1020加速以加熱陰極1020。
源磁體在電弧腔室1014內產生磁場。一般而言，源磁體包括在電弧腔室1014相對端的磁極。磁場方向可倒轉而不影響離子源操作。源磁體連接磁體電源供應器，其可具有在60安培時20伏特的等級。磁場使得陰極1020發射的電子與電弧腔室1014中的電漿之間的交互作用增加。
應瞭解到電壓與電流等級，以及各電源供應器(功率供應器)的操作電壓與電流僅是以示範方式給予參考。
汲取電極與壓制電極(suppression electrode)適當地定位在汲取通孔1012的前面。汲取電極與壓制電極各自的通孔對準汲取通孔1012，以汲取界定良好的離子束。汲取電極與壓制電極連接至各自的功率供應器。
透過隔離電路，離子源控制器可用於提供離子源的控制。在其他實施例中，用於執行隔離功能的電路可建構至功率供應器。離子源控制器可為程式化控制器或者是專用特殊目的的控制器。在一實施例中，離子源控制器結合至離子佈植器的主要控制電腦。
當離子源在操作中時，透過燈絲電流將燈絲1030電阻式加熱至熱離子發射溫度，該溫度可為2200℃的等級。
由燈絲1030發射的電子是藉由燈絲1030及陰極1020之間的偏壓電壓VB加速並且轟擊與加熱陰極 1020。陰極1020是由電子轟擊而加熱至熱離子發射溫度。由陰極1020發射的電子是透過電弧電壓加速，並且在電弧腔室1014內離子化來自氣體源的氣體分子而產生電漿放電。磁場使得電弧腔室1014內的電子依循螺旋狀彈道。由於入射電子，推斥電極1022建立負電荷，並且最終具有充分的負電荷以推斥回電子使之穿過電弧腔室1014，產生額外的離子化碰撞。
電弧腔室1010是由離子源主體1150與電弧腔室基座所支撐。一板(其為離子源主體1150的一部份)界定離子源真空區域與外部環境之間的邊界。管路1160提供電弧腔室1014之氣體入口1034與氣體源之間的連接。
藉由導電支撐構件1170與絕緣體1172使推斥電極1022架設至電弧腔室基座。推斥電極1022透過絕緣體與電弧腔室1010電隔離。
陰極組件包括陰極1020、燈絲1030以及夾箝組件1210，該夾箝組件用於以固定間隔關係架設陰極1020與燈絲1030並且用於導通至陰極1020與燈絲1030的電能。陰極1020架設在電弧腔室外殼1010一端處的開口中，但不實體上接觸電弧腔室外殼1010。較佳為介於陰極1020與電弧腔室外殼1010之間的間隙為約0.050英吋之量級。
在陰極1020與電弧腔室外殼1010之間有一間隙。燈絲1030的加熱迴圈位於杯狀凹穴1240內，並且電漿從電弧腔室1014至燈絲1030的遷移微乎其微。
離子源可進一步包括屏蔽件1400。屏蔽件1400實質上包圍電弧腔室1014外接近陰極1020與燈絲1030的區域1402。屏蔽件1400的功能是在陰極1020與燈絲1030鄰近處形成對電子與電漿的阻障。屏蔽件1400實質上包圍區域1402，在意義上是其形成對電子與電漿的阻障但不密封區域1402。
屏蔽件1400可具有箱狀結構並且可由耐火材料打造。屏蔽件1400包括兩層主要的壁1410、頂壁1412、第一側壁1414與第二側壁(圖中未示)。兩層主要壁1410使得屏蔽件1400能夠與燈絲夾箝電連接及機械式連接，但與陰極夾箝1300間隔開。應瞭解到，可利用不同的屏蔽件組態。例如，屏蔽件1400可具有平坦的主要壁且可架設至使用間隙器(standoff)的燈絲夾箝。再者，屏蔽件1400可架設至離子源的其他元件。
夾箝組件1210可包括陰極夾箝1300、燈絲夾箝以及絕緣塊1310。陰極夾箝1300以及燈絲夾箝於固定位置架設至絕緣塊1310，並彼此此電隔離。
離子源可進一步包括絕緣塊1310與陰極1020之間的絕緣體屏蔽件1460。絕緣體屏蔽件1460可為附接離子源主體1150的耐火金屬元件。絕緣體屏蔽件1460具有截切部以提供對陰極夾箝1300及燈絲夾箝的 電隔離。絕緣體屏蔽件1460抑制沉積物堆積於絕緣塊1310上，該堆積可能在一個以上的陰極夾箝1310與燈絲夾箝之間產生短路。
第16圖是離子束電流(mA)為推移的時間(min)的函數圖，是針對使用NF3之清潔操作以從離子源腔室表面移除硼殘餘物，顯示透過流入NF3蒸氣能夠移除硼殘餘物。此測試的操作條件包括NF3氣體流率為1.5sccm、電弧功率為145W(電弧電壓為100V、電弧電流為1.45Amp)、源束電流為20mA、以及汲取電壓為40kV。第16圖中的曲線包括BF2 +、BF+及B+的束電流曲線，其為時間的函數。透過當清潔氣體流入離子源時該等束電流劇烈減少，而觀察到清潔的證據。清潔氣體有效地與硼殘餘物反應，生成揮發性硼氟化物，該等化合物隨後在電弧腔室電漿中離子化，產生第16圖中各種束電流。除了由源束電流20mA所得的三組曲線外，額外的BF2+資料顯示於當電弧腔室功率增加到200W時，其產生相關連的源束電流30mA。額外的功率助於增強清潔氣體的清潔效能。
在此操作範例中，NF3未與B2F4共流，但在B2F4測試後流入，其中觀察到沉積物。可觀察到沉積物移除，並且所觀察到的移除現象涉及BF2 +及B+的衰退(見第16圖左下方部份)，該等離子是在離子源中由BF3(其由NF3與硼沉積物之間的反應生成)形成。
300‧‧‧離子佈植製程系統
301‧‧‧離子佈植腔室
302‧‧‧儲存與分配容器
305‧‧‧離子束
306‧‧‧容器壁
308‧‧‧閥頭
310‧‧‧壓力感測器
312‧‧‧排放線路
314‧‧‧質流控制器
316‧‧‧離子化器
318、340、344‧‧‧線路
320、342、346‧‧‧泵
322‧‧‧質量分析單元
324‧‧‧加速電極陣列
326‧‧‧偏折電極
328‧‧‧基材
330‧‧‧旋轉固持件
332‧‧‧轉軸

Claims (18)

  1. 一種離子佈植系統，包括：一離子源腔室，設置成在該離子源腔室中離子化氣體；一冷卻結構，設置成在該氣體進入該離子源腔室之前冷卻一氣體饋送線路中供應至該離子源腔室的該氣體；及至少一個氣體源容器，設置成將氣體供應至該離子源腔室，其中該氣體包括至少一種硼化合物，該硼化合物是從B2F4、B3F5、BHF2、與BH2F中選出。
  2. 如請求項1所述之離子佈植系統，其中該氣體進一步包括B2H6。
  3. 如請求項2所述之離子佈植系統，其中該至少一個氣體源容器供應B2F4與B2H6至該離子源腔室。
  4. 如請求項2所述之離子佈植系統，其中B2F4與B2H6由不同的氣體源容器共同流至該離子源腔室。
  5. 如請求項2所述之離子佈植系統，其中B2F4 與B2H6以彼此混合的方式流至該離子源腔室。
  6. 如請求項1所述之離子佈植系統，其中供應至該離子源腔室的該氣體包括至少一種額外的材料，該材料選自由清潔材料、稀釋劑、平衡導引材料、反應物、與冷卻劑所組成之群組。
  7. 如請求項6所述之離子佈植系統，其中該至少一種額外的材料是一清潔材料。
  8. 一種將離子佈植於基材中的方法，包括下述步驟：供應氣體至一離子源腔室，以生成離子化之摻質物料；在該氣體進入該離子源腔室之前冷卻一氣體饋送線路中供應至該離子源腔室的該氣體；以及將離子化之摻質物料佈植至該基材中，其中該氣體包括至少一種硼化合物，該硼化合物是從B2F4、B3F5、BHF2、與BH2F中選出。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該氣體進一步包括B2H6。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該氣體包括 B2F4與B2H6。
  11. 如請求項10所述之方法，其中B2F4與B2H6由不同的氣體源容器共同流至該離子源腔室。
  12. 如請求項10所述之方法，其中B2F4與B2H6以彼此混合的方式流至該離子源腔室。
  13. 如請求項8所述之方法，其中供應至該離子源腔室的該氣體包括至少一種額外的材料，該材料選自由清潔材料、稀釋劑、平衡導引材料、反應物、與冷卻劑所組成之群組。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該至少一種額外的材料是一清潔材料。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該清潔材料與該氣體依序流動。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該清潔材料連續流動。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該清潔材料以脈衝式流動。
  18. 如請求項14所述之方法，其中該清潔材料與該氣體同時流動。
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