TW202018754A - 使用鎵之離子植入方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種用於離子植入之離子源裝置，其包含：一離子源腔；及一可消耗結構，其在該離子源腔中或與該離子源腔相關聯，其中該可消耗結構包含一固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將摻雜劑以氣態形式釋放至該離子源腔，其中該固體摻雜劑源材料包括氮化鎵、氧化鎵(其等之任一者可關於鎵同位素富含同位素)或其等之組合。

Description

使用鎵之離子植入方法及裝置
本發明係關於離子植入系統及方法，其中在一離子植入裝置之一離子源腔中原位提供或產生鎵物種，其中該等系統及方法之實例涉及作為固體鎵摻雜劑前驅體組合物之氮化鎵及氧化鎵前驅體。
在使用摻雜劑源材料進行電離以形成用於離子植入之摻雜劑物種時，已開發用於產生摻雜劑物種之多種摻雜劑源材料。
在許多情況中，摻雜劑源材料不具有足夠高蒸氣壓來高效地遞送至離子植入系統之離子源腔。因此，使用具有低蒸氣壓之此等摻雜劑源材料可需要離子植入裝置之大量工具修改以能夠在使摻雜劑源材料充分揮發且防止其冷凝及沈積於離子植入系統之流線中所需之高溫下進行遞送。因此，必須採用適應此高溫操作之蒸發器及流動迴路。
然而，使用高溫係有問題的，因為摻雜劑源材料可易於分解且發生副反應，此使離子植入方法難以控制在用於產生離子植入結構及器件之可容許容限內。另外，高溫之使用限制控制閥之使用，使得蒸汽流量控制受到不利影響。此等因素繼而導致從一個摻雜劑源材料至另一摻雜劑源材料之長轉換時間，且在蒸發器之安裝或更換或再填充期間，亦可在蒸發器未與周圍環境隔離時帶來安全隱患。
在作為一摻雜劑物種之鎵之離子植入中已遇到前述問題，其中可接受摻雜劑源材料之選擇係有限的，此係歸因於具有足夠高蒸氣壓以高效地遞送至離子植入系統之離子源腔之相對少量饋送材料。因此，離子植入技術繼續尋求新鎵前驅體組合物。
提供使低蒸氣壓摻雜劑源材料能夠在用於植入對應摻雜劑物種(如在鎵摻雜劑物種之情況中，其中存在相對少高蒸氣壓摻雜劑前驅體)之離子植入應用中高效地使用之新方法將為此項技術中之一重大進展。
本發明係關於離子植入裝置及方法，其中以容許使用一固體、低蒸氣壓鎵源材料之一方式產生鎵摻雜劑物種。
在一個態樣中，本發明係關於一種用於離子植入之離子源裝置，其包括：一離子源腔；及一可消耗結構，其在該離子源腔中或與該離子源腔相關聯，該可消耗結構包括含有氮化鎵或氧化鎵之一固體摻雜劑源材料；該氮化鎵或氧化鎵易於與一反應氣體反應以將鎵以氣態形式釋放至該離子源腔。
在另一態樣中，本發明係關於一種進行離子植入之方法，其包括：在用於該離子植入之一離子源腔中產生電離鎵，其中該離子源腔具有與其相關聯之一可消耗結構，且其中該可消耗結構包括一固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料包括氮化鎵或氧化鎵，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將鎵以氣態形式釋放至該離子源腔以在其中進行電離以形成電離鎵作為一摻雜劑，該方法包括使該可消耗結構與該反應氣體接觸以產生電離鎵。該固體摻雜劑源材料可含有氮化鎵(GaN)、氧化鎵(Ga2 O3 )、氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2 O3 )之一富含同位素類似物，包括富含同位素69 Ga或71 Ga高於天然豐度之鎵或其等之一組合。
在一進一步態樣中，本發明係關於一種改良一離子植入系統關於其射束電流、離子源壽命及干擾率(glitch rate)特性之至少一者之效能之方法，該方法包括：在該離子植入系統之一離子源腔中產生電離鎵，其中該離子源腔具有與其相關聯之一可消耗結構，且其中該可消耗結構包括一固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料包括氮化鎵、氧化鎵或氮化鎵與氧化鎵之一組合，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將鎵以氣態形式釋放至該離子源腔以在其中進行電離以形成電離鎵，該方法包括使該可消耗結構與該反應氣體接觸。
本發明亦係關於固體鎵前驅體組合物，其等具有用於離子植入及其他半導體製造及工業應用之效用且含有氮化鎵、氧化鎵或兩者且呈可用作一電弧腔之一可更換襯墊之一固體片狀材料之形式。
本發明之一進一步態樣係關於一種鎵離子植入方法，其包括：使一鎵前驅體電離以形成鎵植入物種；及將該等鎵植入物種植入一基板中，其中該鎵前驅體包括選自以下項之一或多個前驅體材料：氮化鎵(GaN)、氧化鎵(Ga2 O3 )或其等之一組合之一富含同位素類似物，包括富含同位素69 Ga或71 Ga高於天然豐度之鎵或其等之一組合。
本發明係關於離子植入，且在各種態樣中係關於其中以容許使用一低蒸氣壓摻雜劑源材料之一方式產生鎵摻雜劑之裝置及方法。
在一個態樣中，本發明係關於一種用於離子植入之離子源裝置。該裝置包含一離子源腔及在離子源腔中或與離子源腔相關聯之一可消耗結構。可消耗結構包含一固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將摻雜劑以氣態形式釋放至離子源腔。固體摻雜劑源材料包含氮化鎵、氧化鎵或此等之一組合。視情況，氮化鎵(GaN)、氧化鎵(Ga2 O3 )或其等之組合之鎵可含有富含同位素69 Ga或71 Ga高於天然豐度之鎵或其等之一組合。
離子源裝置中之可消耗結構可包括安置於離子源腔中之一片狀結構，諸如一襯墊或離子源腔之其他結構組件。一襯墊可為一可移除襯墊，此意謂具有兩個相對主要表面及其間之一厚度之可消耗結構之一平坦(例如，平面)件。一襯墊可為矩形、彎曲(例如，圓形)、角度或其他形狀。一襯墊可為可移除的，此意謂襯墊可插入離子源腔之內部空間及從該內部空間移除。一可移除襯墊可用於其中從可移除襯墊產生鎵離子之一處理週期，且在產生鎵離子之一有用量之處理之後，可移除襯墊可從離子源裝置移除且更換為另一可移除襯墊。
在本發明之其他實施例中，片狀結構可具有不同大小及形狀以適配於電弧腔內部。在某些實施例中，電弧腔之側壁、底部或頂部之一或多個片材可更換為一片狀結構。
根據有用或較佳離子源腔之某些實例，一離子源之一腔之一內部可包含一或多個片材或襯墊，該一或多個片材或襯墊可為可移除的且可覆蓋腔之一總內表面區域之從約5%至約80%，例如，在總內表面區域之10%、15%、20%、30%、50%或70%之間。針對此計算，總內表面區域包含內部之全部平面區域，其等包含以其他方式由可不期望覆蓋之一特徵佔據或覆蓋之區域，諸如對陰極、陰極或容許氣體或離子進入或離開電弧腔之一入口或出口開口。
在其他實例中，可消耗結構可為以其他方式與離子源腔相關聯之一結構，諸如耦合至離子源腔(但在離子源腔內部之外)之一氣體遞送管或具有一相關聯特性之其他結構組件，該結構組件經建構及配置以由於和與結構組件接觸之反應氣體反應而將摻雜劑以氣態形式提供至離子源腔之內部。
一離子源腔可含有由不同鎵材料製成之可消耗結構。一單一離子源腔可包含一或多個可移除襯墊、氣體遞送管等之一組合，其中不同個別可移除襯墊或氣體遞送管含有相同離子源腔中之GaN及Ga2 O3 之一組合；一單一離子源腔可包含含有GaN之一或多個襯墊與含有Ga2 O3 之一或多個襯墊之組合；即，本描述之實施例涉及一離子源腔及使用離子源腔之方法，其中離子源腔包含兩個鎵前驅體材料，使一個含有GaN且使一個含有Ga2 O3 ，各前驅體材料可為諸如一可移除襯墊或一氣體遞送管之一可消耗結構之部分。
可消耗結構具有一形狀、形式及大小，諸如以可藉由與反應氣體反應而消耗以形成前驅體，而未不利地影響離子源裝置或輔助設備之實體完整性，即，即使可消耗結構將被完全消耗，離子源腔及輔助設備仍將維持其等之實體完整性。例如，可消耗結構可包括與一反應氣體流動通道同軸之一管狀部件，其中可消耗管狀部件之消耗不損害可消耗管狀部件安置於其中之反應氣體流動通道之實體完整性。因此，可消耗結構包括一實體質量，且可具有片狀、桿、管狀、環形、圓盤或其他適當形式以作為反應氣體之一目標。
在特定實例中，可消耗結構可包括氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合或由其等構成或本質上由其等構成。一例示性可消耗結構可包括至少50、60、70、80、90或95重量%之氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合。根據本描述，被稱為「本質上由」一所列出材料或材料組合「構成」之一材料或結構係含有所列出材料或材料組合且不超過一非實質量之任何其他成分或材料之一材料或結構；因此，本質上由氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合構成之一可消耗結構含有至少97、99或99.5重量%之氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合且不超過3、1或0.5重量%之任何其他材料。
在此裝置之操作中使用之反應氣體或混合氣體可具有將有效地與固體摻雜劑源材料(氮化鎵或氧化鎵)反應以將鎵以氣態形式釋放至離子源腔之任何適合類型。適用於此目的之闡釋性氣體包含BF3 、B2 F4 、SiF4 、Si2 F6 、GeF4 、PF3 、PF5 、AsF3 、AsF5 、XeF2 、XeF4 、XeF6 、WF6 、MoF6 、Cn F2n+2 、Cn F2n 、Cn F2n-2 、Cn Hx F2n+2-x 、Cn Hx F2n-x 、Cn Hx F2n-2-x (n =1, 2, 3..，x = 0, 1, 2 … )、COF2 、CO、CO2 、SF6 、SF4 、SeF6 、NF3 、N2 F4 、HF、Xe、He、Ne、Ar、Kr、N2 、H2 。
反應氣體之組合之實例包含：BF3 與H2 ；SiF4 與H2 ；BF3 與Xe；SiF4 與Xe；BF3 及H2 與Xe；以及SiF4 及H2 與Xe。
本發明之一進一步態樣係關於一種進行離子植入之方法。該方法包含：在用於離子植入之一離子源腔中產生電離鎵，其中離子源腔具有與其相關聯之一可消耗結構，且其中可消耗結構包含固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將鎵以氣態形式釋放至離子源腔以在其中進行電離以形成電離鎵物種。該方法包含使可消耗結構與反應氣體反應以產生電離摻雜劑物種。固體摻雜劑源材料包含氮化鎵、氧化鎵或此等之一組合。固體摻雜劑源中之鎵可視情況富含同位素。
在此方法中，可消耗結構可包括安置於離子源腔中之一片狀結構，諸如一可更換襯墊或離子源腔之其他片狀結構。可消耗結構可替代地或另外包括與離子源腔相關聯之一結構，例如耦合至離子源腔之一氣體遞送管。
本發明之又一進一步態樣係關於一種改良一離子植入系統關於其射束電流、離子源壽命及干擾率特性之至少一者之效能之方法，該方法包括：在該離子植入系統之一離子源腔中產生電離摻雜劑物種，其中離子源腔具有與其相關聯之一可消耗結構，且其中可消耗結構包括一固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將摻雜劑以氣態形式釋放至離子源腔以在其中進行電離以形成該等電離摻雜劑物種，該方法包括使可消耗結構與反應氣體接觸以產生電離摻雜劑物種。固體摻雜劑源材料含有氮化鎵、氧化鎵或此等之一組合。在此方法中使用之固體摻雜劑源材料可包括一富含同位素摻雜劑源材料，該富含同位素摻雜劑源材料含有其至少一個同位素高於天然豐度之富含同位素鎵。
在各種實施例中，方法系統可為一離子植入系統，其中包括氮化鎵或氧化鎵之鎵反應物被併入至離子植入系統之一電弧腔中(一可消耗結構中)。方法系統可包括一半導體方法系統(例如，一離子植入系統)或其他方法系統，諸如用於製造太陽能板或平面顯示器產品之一方法系統。前驅體可包括從諸如氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2 O3 )之一鎵反應物原位產生之一鎵前驅體。在此裝置之操作中使用之反應氣體或混合氣體可具有將有效地與固體摻雜劑源材料(氮化鎵或氧化鎵)反應以將鎵以氣態形式釋放至離子源腔之任何適合類型。適用於此目的之闡釋性氣體包含BF3 、B2 F4 、SiF4 、Si2 F6 、GeF4 、PF3 、PF5 、AsF3 、AsF5 、XeF2 、XeF4 、XeF6 、WF6 、MoF6 、Cn F2n+2 、Cn F2n 、Cn F2n-2 、Cn Hx F2n+2-x 、Cn Hx F2n-x 、Cn Hx F2n-2-x (n =1, 2, 3..，x = 0, 1, 2 … )、COF2 、CO、CO2 、SF6 、SF4 、SeF6 、NF3 、N2 F4 、HF、Xe、He、Ne、Ar、Kr、N2 、H2 。反應氣體之組合之實例包含：BF3 與H2 ；SiF4 與H2 ；BF3 與Xe；SiF4 與Xe；BF3 及H2 與Xe；及SiF4 及H2 與Xe。此外，其他反應氣體可包含上文清單之富集氣體。例如，但不限於eBF3 、eGeF4 。
在前述方法中，氣態共反應物之流速可經控制以達成作為方法系統中之一反應產物產生之前驅體之一受控流速。
在各種特定實施例中，鎵反應物可含於方法系統中之一反應器(例如，一經加熱反應器)中。方法系統可相應地包括一離子植入系統，其中反應器溫度氣態共反應物流速經控制以達成一預定離子植入射束電流。
前述方法可以其中藉由一控制方法控制鎵前驅體之原位形成之一方式實行，該控制方法包含以下之至少一者：(i)量測藉由使氣態共反應物與鎵反應物接觸而形成之前驅體之量；(ii)識別及量化氣態共反應物與鎵反應物接觸之反應產物；(iii)在該接觸之後偵測未反應氣態共反應物之量；及(iv)偵測射束電流，其中方法系統包括一離子植入系統。
在其中使用一專用反應器之其他實施例中，反應器可包含多個反應器床，該等反應器床經配置用於在達到使鎵反應物空乏之一端點條件時將反應氣流從該多個反應器床之一者切換至含有鎵反應物之該多個反應器床之另一者。
在此等多床反應器配置中，切換之端點條件可由以下之一或多者判定：達成總計氣態共反應物流量之一預定偵測；偵測一下降射束電流；及分析來自多個反應器床之一運行反應器床之離開氣體。
上述方法可另外使用富集高於其至少一個同位素之天然豐度之一前驅體鎵反應物。
在其他實施例中，可實行上文描述之方法，其中使一共流氣體(例如，一稀釋劑、平衡導向氣體、清洗氣體等)視需要流動至或流動通過方法系統。
現參考圖式，圖1係一離子植入系統10之一示意性表示，其包含具有一氣體饋送線14之一電弧腔12以將摻雜劑源氣體饋送至電弧腔以在腔中使其電離。電弧腔12因此提供一離子源腔，可提供該腔中或與該腔相關聯之一可消耗結構，該可消耗結構包括一固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料包括氮化鎵或氧化鎵，該固體摻雜劑源材料易於與反應氣體反應以將鎵以氣態形式釋放至腔。
圖2係圖1離子植入系統10之一橫截面，其示意性地展示在此系統之電弧腔12中產生一電漿16。使摻雜劑氣體在由箭頭A指示之方向上流動至摻雜劑氣體饋送線14中，使監測熱電偶TC1及TC2以監測關固定至其以判定饋送線及進入電弧腔之氣體之熱狀態之品質，如在結合使用離子植入系統之一熱管理系統時可期望。摻雜劑氣體饋送線14可包括具有由一固體摻雜劑源材料形成之一內層之一管道或導管，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將摻雜劑以氣態形式釋放至離子源腔。以此方式，可使一反應載體氣體流動通過摻雜劑氣體饋送線，且反應性地產生摻雜劑物種(即，鎵)。由反應載體氣體將摻雜劑物種運送至離子植入系統之離子源腔中。
圖3係離子源總成之一橫截面透視圖，其包括離子源裝置70及用於系統之熱管理之一選用散熱器裝置50。此橫截面視圖展示連接至氣體饋送插塞中之氣體流動通道84及與離子源相關聯之氣體襯套中之氣體流動通道86之摻雜劑源氣體饋送線72。
圖3中展示之離子源裝置包含可由一固體摻雜劑源材料(例如，氮化鎵或氧化鎵)形成之一基底襯墊80，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將摻雜劑以氣態形式釋放至離子源腔，如將摻雜劑提供至離子源腔之一原位產生方法。襯墊80可經修改以在其中包含一開口82以在利用易於分解之摻雜劑源氣體時提供進一步改良離子源操作壽命。
前述配置繪示提供在離子源腔中或與離子源腔相關聯之一可消耗結構，該可消耗結構包括固體摻雜劑源材料(例如，氮化鎵或氧化鎵)，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將摻雜劑以氣態形式釋放至離子源腔。作為離子植入系統之一可消耗組件，可消耗結構可針對操作壽命進行監測，且根據一正在進行之維護計劃進行更換。
圖4係一離子植入方法系統300之一示意性表示，其包含固持一反應氣體之一儲存及施配容器302，該反應氣體經供應用於與離子源腔中之一摻雜劑源反應物(例如，氮化鎵或氧化鎵)進行原位反應以產生摻雜劑物種(鎵)以用於一基板328在所繪示離子植入腔301中之離子植入摻雜。
儲存及施配容器302包括圍封固持反應氣體之一內部體積之一容器壁306。
容器可為具有習知類型之一氣體鋼瓶，其具有經配置以僅固持氣體之一內部體積，或替代地，容器可含有對反應氣體具有吸附親和力之一吸附劑材料，且來自該吸附劑材料之共反應物源氣體係可解吸的以在施配條件下從容器排放。
儲存及施配容器302包含與一排放線312氣流連通耦合之一閥頭308。一壓力感測器310連同一質量流量控制器314安置於線312中。其他監測及感測組件可與線耦合且與諸如致動器、回饋及電腦控制系統、循環計時器等之控制構件介接。
離子植入腔301含有接收來自線312之經施配反應氣體之一電離器316，該經施配反應氣體與在電離器腔中提供或與電離器腔相關聯之摻雜劑源反應物反應以產生摻雜劑物種(鎵)，該摻雜劑物種在電離條件下在電離器腔中產生一離子射束305。離子射束305行進通過質量分析器單元322，該質量分析器單元322選擇所需離子且排斥非選定離子。
選定離子行進通過加速電極陣列324及接著偏轉電極326。所得聚焦離子射束照射在安置於可旋轉固持器330上(其繼而安裝於心軸332上)之基板元件328上以形成一經摻雜(摻雜鎵)之基板作為離子植入產物。
分別藉由泵320、342及346透過線318、340及344排放離子植入腔301之各自區段。
圖5係一離子源之一橫截面視圖，諸如可在圖4中展示之類型之一離子植入系統中有用地採用且在2000年10月24日發佈之M.A. Graf等人之美國專利6,135,128中更充分描述。
離子源112包括界定一電漿腔122之一外殼及一離子萃取器總成。將能量賦予由摻雜劑源反應物及反應氣體形成之可電離摻雜劑氣體以在電漿腔122內產生離子。一般言之，產生正離子，但系統可替代地經配置以產生負離子。藉由離子萃取器總成124透過電漿腔122中之一狹縫萃取正離子，該離子萃取器總成124包括複數個電極142。因此，離子萃取器總成用於透過一萃取孔徑板146從電漿腔萃取正離子之一射束且使經萃取離子朝向一質量分析磁體(圖5中未展示)加速。
反應氣體可從此氣體之一源166流動且透過其中含有質量流量控制器168之導管170注射至含有摻雜劑源反應物或具有與其相關聯之摻雜劑源反應物之電漿腔122中。源166可包含一基於吸附劑之氣體儲存及供應容器(例如，具有如以商標SDS購自Entegris, Inc.(美國麻薩諸塞州比勒利卡)之一類型)、包含一內部氣壓調節器之一壓力調節容器(例如，具有以商標VAC購自Entegris, Inc.(美國麻薩諸塞州比勒利卡)之一類型)或在採用一固體共反應物材料時，源166可包含一固體源容器(例如，具有如以商標ProE-Vap購自Entegris, Inc.(美國麻薩諸塞州比勒利卡)之一類型)。電漿腔122具有導電腔壁412、414、416，其等限定腔內部之一電離區420以使摻雜劑源反應物及反應氣體之反應產物電離。側壁414繞電漿腔122之一中心軸415呈圓形對稱。面向一分解磁體之一導電壁416連接至一電漿腔支撐件422。壁416支撐具有多個開口之孔徑板146，該等開口容許離子離開電漿腔122且接著組合以在多個隔開且電隔離之萃取電極124下游之一位置處形成離子射束。孔徑板146包含配置為一指定圖案之數個開口，其等與隔開之萃取電極142中之類似組態多個孔徑對準。圖5中僅展示一個此孔徑。
一金屬天線430具有曝露於腔內部之一金屬表面432以將能量發射至電漿腔122中。電漿腔122外部之一電力供應器434使用具有適合特性之一射頻(RF)信號(例如，約13.56百萬赫(MHz)之一RF信號)通電至金屬天線430以在金屬天線中建立一交流電以引起電漿腔122內之一電離電場。天線之功率可具有適用於特定電離操作之任何量值，例如約500瓦特(W)至3000瓦特之一功率。源腔中之壓力可為例如約1毫托至10毫托，使得源112用作一低壓、高密度感應源。電漿腔122亦可包含延伸穿過天線430與孔徑板146之間的腔內部之一區之一磁性濾波器總成440。
可藉由一可移除支撐板450將天線430定位於電漿腔122內。藉由側壁414在具有天線延伸穿過其之一圓形切口452之一位置處支撐支撐板450。用於天線430之一支撐板450經定大小以適配於腔壁414中之切口452內，同時使天線430之經曝露U狀金屬部分432定位於電離區420內。
支撐板450界定容納兩個真空壓力配件456之兩個貫穿通路。在將天線430之長形腳部片段457推動通過配件之後，將端蓋458螺合至配件上以密封配件456與腳部片段457之間的接觸區。天線430較佳地在其輻射發射區中係U狀且可例如由鋁構成。管具有經定尺寸以穿過壓力配件456之一外徑。在使用時，天線吸收來自其周圍之熱。為消散此熱，將一冷卻劑繞送通過管之中心。
板450具有曝露至電漿腔之一內部之一大體上平坦表面460且包含背向腔內部之一平行外表面462。板450之一凸緣部分464上覆於一環形磁體470，該環形磁體470圍繞壁414中之切口且藉由連接器472附接至壁414。附接至支撐板450之一鐵磁插入件474適配於磁體470上方，使得在板450定位於切口452內時，鐵磁插入件474及磁體470彼此吸引以將板450固定於適當位置中以使天線430延伸至腔內部。
在離子源之操作期間，產生熱且由壁412、414、416、418吸收此熱。可藉由透過一配件476引入之一冷卻劑從腔122移除經吸收熱，該配件476將水繞送至穿過壁之一通路中且藉由一第二出口配件(未展示)離開腔。藉由此配置，壁之溫度可維持在低於100°C之溫度，使得離子源112用作一冷壁離子源。
在離子植入器之操作期間，天線430之靠近支撐板450之一區尤其易於塗佈有濺射材料。為最小化此濺射之效應，在將天線插入至支撐板450中之前，兩個屏蔽件480可在鋁天線上方滑移。此等屏蔽件較佳地由鋁構成且藉由屏蔽件與天線430之經曝露鋁之外表面之間的一摩擦適配維持在適當位置中。
在離子源112之操作期間，摻雜劑元素之沈積物可形成於限定電離區420之內壁412、414及416上。在離子源112在正常操作條件下操作時，一清洗氣體可與反應氣體同時流動。可提供一清洗氣體源482及一對應質量流量控制器484，其中質量流量控制器484之清洗氣體輸出在被遞送至電漿腔122之前與質量流量控制器168之反應氣體輸出組合於導管170中。替代地，可將反應氣體及清洗氣體分開遞送至電漿腔。作為一進一步替代方案，清洗氣體可在其之活性離子植入操作之後流動至電漿腔。
將認知，反應氣體源166可含有反應氣體與清洗材料及/或其他材料(諸如稀釋劑、平衡導向材料、冷卻劑等)之組合。
圖6係包括一離子源腔544及一方法監測及控制系統之一離子植入系統500之一示意性表示。
如展示，離子植入系統500包含其中安置氣體供應鋼瓶之一氣體箱510，包含：一反應氣體鋼瓶512，其耦合至其中具有流量控制閥524之施配線518；一清洗流體鋼瓶514，其耦合至其中具有一流量控制閥526之施配線520；及一稀釋流體鋼瓶516，其耦合至其中具有流量控制閥528之施配線522。鋼瓶512中之反應氣體經配置用於與在離子源腔544 (圖6中未展示)中提供或與離子源腔544相關聯之一摻雜劑源反應物反應。
閥524、526及528分別藉由信號傳輸線530、536及534連接至一中央處理單元(CPU)，藉此CPU可操作以在一特定程度上回應於一循環時間程式或產生提供對由CPU監測之方法條件及/或組件之一閥調變回應之CPU能力之其他信號而打開或關閉各自閥。
耦合至各自鋼瓶之施配線518、520及522終止於一混合腔532，使得各自反應氣體、清洗流體及稀釋流體之多者可視需要選擇性地彼此混合。替代地，一單一鋼瓶(即，反應氣體鋼瓶512)可經配置以將其內容物施配至腔532以從此流動至其中含有壓力傳感器540及質量流量控制器(MFC) 542之饋送線且從此流動至離子源腔544。離子源腔544經配置用於電離操作以使藉由反應氣體與摻雜劑源反應物反應而在其中產生之摻雜劑源電離。進行電離操作以產生一離子射束以傳輸至離子植入器腔546。離子植入器腔546含有安裝於其中之一半導體或其他微電子器件基板以將選定電離摻雜劑物種植入基板中。
在圖6之此闡釋性系統中，藉由信號傳輸線538將至離子源之饋送線中之壓力傳感器540以信號傳輸關係連結至CPU。亦藉由一信號傳輸線將質量流量控制器以信號傳輸關係連結至CPU。藉由壓力傳感器之此配置，產生與饋送線中之壓力相關之一信號且在線538中將其傳輸至CPU以用於監測目的。
在反應氣體流動至離子源之期間，饋送線中之壓力由壓力傳感器540感測且在信號傳輸線538中傳輸至CPU。
接著，CPU可回應地調變反應氣體至離子源腔之流量。CPU亦可藉由憑藉在信號傳輸線536中發送至閥之一控制信號打開流量控制閥526而控制清洗流體從鋼瓶514至饋送線中之流量。替代地，可減小至離子源之電弧功率。作為一又進一步替代方案，反應氣體之駐留時間可藉由以下方法而減少：增加反應氣體之流速；由在信號傳輸線530中傳輸至閥之控制信號打開閥524；及/或添加清洗流體及/或稀釋流體，使得體積流速之總增加導致反應氣體在流動迴路及離子源腔中之駐留時間減少。以此方式，可控制地調變反應氣體與摻雜劑源反應物之反應以提供適當離子植入系統操作。
在另一態樣中，本發明係關於鎵離子植入方法，其包括：使一鎵前驅體電離以形成鎵植入物種；及將鎵植入物種植入一基板中。鎵前驅體含有氮化鎵、氧化鎵或氮化鎵或氧化鎵之一富含同位素類似物(其包括富含同位素69 Ga或71 Ga高於天然豐度之鎵)且可視情況呈可消耗結構之形式。
特定實施例包含其中鎵前驅體富含同位素69 Ga高於天然豐度之方法及其中鎵前驅體富含同位素71 Ga高於天然豐度之方法。
如上文在一進一步態樣中廣泛描述之離子植入方法可使用包括富含同位素69 Ga高於60%之一鎵前驅體之前驅體材料實行。例如，前驅體中之鎵之一總量中之69 Ga之量可在具有選自65%、70%、75%、80%、85%、90%及95%中之一下限及大於下限且選自75%、80%、85%、90%、95%、98%、99%、99.5%、99.8%、99.9%及100%中之一上限之一範圍內。在各種實施例中，前驅體中之鎵之一總量中之69 Ga之量可在從65%至100%之一範圍內。
替代地，上文廣泛描述之離子植入方法可使用包括富含同位素71 Ga高於40%之一鎵前驅體之前驅體材料實行。此前驅體中之鎵之一總量中之71 Ga之量可在具有選自45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%及95%中之一下限及大於下限且選自75%、80%、85%、90%、95%、98%、99%、99.5%、99.8%、99.9%及100%中之一上限之一範圍內。在一特定實施方案中，前驅體中之鎵之一總量中之71 Ga之量可在從45%至100%之一範圍內。實例
根據本發明，在用於一電弧腔中時，含有氮化鎵(GaN)或含有氧化鎵(Ga2 O3 )或此等之一組合之一固體前驅體(例如，呈一可更換襯墊之形式)可產生有用或有利之一射束電流，同時亦導致一有用或相對長源壽命。具體言之，當與使用氣態三甲基鎵Ga(CH3 )3 作為一前驅體比較時，在一離子源腔中，如本文中描述之由氮化鎵或氧化鎵製成之一固體前驅體(例如，形成為一可更換離子源腔襯墊)可產生一有用或有利高射束電流且可提供一鎵離子源，該鎵離子源在實質上大於由氣態三甲基鎵提供之時間週期之一時間週期內可為連續的。 1.  氣態三甲基鎵前驅體(比較)。
圖7A展示使用各種流量位準之三甲基鎵作為一前驅體，以以下測試反應器條件達成之Ga+射束電流之一實例。 電弧電壓=60 V 源射束=20 mA
如圖7A處展示，在1 sccm、電弧電壓60 V及源射束20 mA下，達成多至4.728 mA之Ga+射束電流。在1.25 sccm下，達成4.818 mA射束電流。但射束在該時間係不穩定的。
在射束變得不穩定之前，源僅能夠操作多至2小時。射束不穩定性據信係歸因於內部之碳/鎵累積物之形式之離子腔之污染，其中從三甲基鎵衍生出碳/鎵。 2.  氧化鎵前驅體
圖8A至圖8E展示藉由使用固體氧化鎵作為可更換腔襯墊，以不同類型及量之共反應物及以下一般測試條件而達成之Ga+射束電流之實驗實例： 電弧電壓=不同(60 V、90 V、120 V) 源射束=20 mA 共反應物=不同
圖8A係一離子源腔之一內部之一自上而下視圖，其包含在相鄰於對陰極之內部之一底表面處(在圖中，腔之左端)之一可更換氧化鎵片材。離子源腔之全部其他內表面(底部、側及頂部之其餘部分)係鎢。
圖8B展示在不同BF3 流速及電弧電壓下達成有用射束電流。
圖8C、圖8D及圖8E展示作為一共反應物之氙、具有不同氫含量之BF3 及作為一共反應物之SiF4 之射束電流值。 3.  氮化鎵
圖9A至圖9D展示藉由使用氮化鎵、不同共反應物及以下一般測試條件而達成之射束Ga+電流之實例： 電弧電壓=不同(60 V、90 V、120 V) 源射束=20 mA 共反應物=不同
圖9A係一離子源腔之一內部之一自上而下視圖，其包含在相鄰於對陰極之內部之一底表面處(在圖中，腔之左端)之一可更換氧化鎵片材。離子源腔之全部其他內表面係鎢。
圖9B展示在不同BF3 流速及電弧電壓下達成有用射束電流。
圖9C及圖9D展示作為共反應物之氙及SiF4 之射束電流值。 4.  一離子源腔中之氮化鎵可消耗結構與一單獨氧化鎵可消耗結構之組合
圖10A至圖10D展示藉由在一單一離子源腔中使用氮化鎵作為一可消耗結構(可更換襯墊)與一單獨氧化鎵可消耗結構(可更換襯墊)之組合，以不同共反應物及以下一般測試條件而達成之Ga+射束電流之實例： 電弧電壓=不同(60 V、90 V、120 V) 源射束=20 mA 共反應物=不同
圖10A係一離子源腔之一內部之一自上而下視圖，其包含在相鄰於對陰極之內部之一底表面處(在圖中，腔之左端)之一可更換氧化鎵片材及在相鄰於一陰極之內部之一底表面處(在圖中，腔之右端)之一第二可更換氮化鎵片材。圖10B係在內底表面處具有氧化鎵及氮化鎵之可更換片材之內部之一側視透視圖。
離子源腔之全部其他內表面係鎢。
圖10C展示在不同BF3 流速下達成之有用射束電流，且射束電流不經受BF3 之較高流速下之一射束電流減少。
圖10D展示在將氙用作一共反應物氣體時之有用射束電流值。
10:離子植入系統 12:電弧腔 14:氣體饋送線 16:電漿 50:散熱器裝置 70:離子源裝置 72:摻雜劑源氣體饋送線 80:襯墊 82:開口 84:氣體流動通道 86:氣體流動通道 112:離子源 122:電漿腔 124:離子萃取器總成 142:電極 146:萃取孔徑板 166:源 168:質量流量控制器 170:導管 300:離子植入方法系統 301:離子植入腔 302:儲存及施配容器 305:離子射束 308:閥頭 310:壓力感測器 312:排放線 314:質量流量控制器 316:電離器 318:線 320:泵 322:質量分析器單元 324:加速電極陣列 326:偏轉電極 328:基板 330:可旋轉固持器 332:心軸 340:線 342:泵 344:線 346:泵 412:導電腔壁/內壁 414:導電腔壁/側壁/內壁 415:中心軸 416:導電腔壁/內壁 420:電離區 422:電漿腔支撐件 430:金屬天線 432:金屬表面 440:磁性濾波器總成 450:可移除支撐板 452:圓形切口 456:真空壓力配件 457:腳部片段 458:端蓋 460:平坦表面 462:平行外表面 464:凸緣部分 470:環形磁體 472:連接器 474:鐵磁插入件 476:配件 480:屏蔽件 482:清洗氣體源 484:質量流量控制器 500:離子植入系統 510:氣體箱 512:反應氣體鋼瓶 514:清洗流體鋼瓶 516:稀釋流體鋼瓶 518:施配線 520:施配線 522:施配線 524:流量控制閥 526:流量控制閥 528:流量控制閥 530:信號傳輸線 532:混合腔 534:信號傳輸線 536:信號傳輸線 538:信號傳輸線 540:壓力傳感器 542:質量流量控制器(MFC) 544:離子源腔 546:離子植入器腔 A:箭頭 TC1:監測熱電偶 TC2:監測熱電偶
圖1係一離子植入系統之一示意性表示，其包含具有一氣體饋送線之一電弧腔以將摻雜劑源氣體饋送至電弧腔以在腔中使其電離。 圖2係圖1離子植入系統之一橫截面，其示意性地展示在此系統之電弧腔中產生一電漿。 圖3係一離子源總成之一橫截面透視圖，其包括一離子源裝置及用於離子源裝置之熱管理之散熱器裝置。 圖4係一離子植入方法系統之一示意性表示，其包含含有氣體之一儲存及施配容器，該氣體經供應用於一基板在所繪示離子植入腔中之離子植入摻雜。 圖5係一離子植入系統之一離子源之一橫截面視圖。 圖6係包括一方法監測及控制系統之一離子植入系統之一示意性表示。 圖7A展示使用三甲基鎵前驅體之射束電流資料。 圖8A係如描述之一離子源腔之一自上而下視圖，其含有氧化鎵可更換襯墊作為一可消耗結構。 圖8B至圖8E藉由使用氧化鎵可更換襯墊作為一前驅體而展示鎵離子射束電流資料。 圖9A係如描述之一離子源腔之一自上而下視圖，其含有氮化鎵可更換襯墊作為一可消耗結構。 圖9B至圖9D藉由使用氮化鎵可更換襯墊作為一前驅體而展示鎵離子射束電流資料。 圖10A係如描述之一離子源腔之一自上而下視圖，其含有氧化鎵可更換襯墊作為一可消耗結構且亦含有氮化鎵可更換襯墊作為一可消耗結構。 圖10B係圖10A之離子源腔之一側視透視圖。 圖10C及圖10D展示藉由使用氮化鎵可更換襯墊及氧化鎵可更換襯墊之一組合作為前驅體之鎵離子射束電流資料。
500:離子植入系統
510:氣體箱
512:反應氣體鋼瓶
514:清洗流體鋼瓶
516:稀釋流體鋼瓶
518:施配線
520:施配線
522:施配線
524:流量控制閥
526:流量控制閥
528:流量控制閥
530:信號傳輸線
532:混合腔
534:信號傳輸線
536:信號傳輸線
538:信號傳輸線
540:壓力傳感器
542:質量流量控制器(MFC)
544:離子源腔
546:離子植入器腔

Claims (13)

  1. 一種能夠產生鎵離子之離子源裝置，該裝置包括： 一離子源腔；及 一可消耗結構，其在該離子源腔中或與該離子源腔相關聯，該可消耗結構包括氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合。
  2. 如請求項1之離子源裝置，該裝置包括一離子源腔，該離子源腔包含： 一內部，其由包含側壁、一底部及一頂部之內表面界定， 一陰極及對陰極，其等在該內部，及 一或多個含鎵片狀結構，其或其等在該內部且覆蓋該等內表面之一或多者，該一或多個含鎵片狀結構包括氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合。
  3. 如請求項2之裝置，其中該一或多個含鎵片狀結構可從該內部移除。
  4. 如請求項2之裝置，其中該一或多個含鎵片狀結構包括至少80重量%之氮化鎵。
  5. 如請求項2之裝置，其中該一或多個含鎵片狀結構包括至少80重量%之氧化鎵。
  6. 如請求項2之裝置，其中該一或多個含鎵片狀結構覆蓋該腔之該等內表面之一總面積之從約5%至約80%。
  7. 如請求項2之裝置，其中該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合含有基於該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合中之鎵之一總量(原子)之大於60%之69 Ga。
  8. 如請求項1之裝置，其中該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合中之69 Ga之量係在基於該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合中之鎵之一總量(原子)之從65%至100%之一範圍內。
  9. 如請求項1之裝置，其中該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合含有基於該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合中之鎵之一總量(原子)之大於40%之71 Ga。
  10. 如請求項1之裝置，其中該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合中之71 Ga之量係在基於該氮化鎵、氧化鎵或其等之組合中之鎵之一總量(原子)之從45%至100%之一範圍內。
  11. 如請求項1之裝置，其包括與該內表面流體連通之一反應氣體源。
  12. 一種形成鎵離子之方法，該方法包括： 在一離子源腔中產生電離鎵，其中該離子源腔具有與其相關聯之一可消耗結構，且其中該可消耗結構包括固體摻雜劑源材料，該固體摻雜劑源材料易於與一反應氣體反應以將摻雜劑以氣態形式釋放至該離子源腔以在其中進行電離以形成該等電離摻雜劑物種，該固體摻雜劑源材料包括氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合，及 使該可消耗結構與該反應氣體反應以產生該電離鎵。
  13. 如請求項12之方法，其中： 該離子源腔包含： 一內部，其由包含側壁、一底部及一頂部之內表面界定，及 一陰極及對陰極，其等在該內部，且 其中該可消耗結構包括一或多個含鎵片狀結構，其或其等在該內部且覆蓋該等內表面之一或多者，該一或多個含鎵片狀結構包括氮化鎵、氧化鎵或其等之一組合， 該方法包括： 使該反應氣體流動至該內部，該反應氣體與該氮化鎵或氧化鎵反應以將氣態鎵釋放至該內部。
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