TW202111753A

TW202111753A - 用於改善束電流之系統以及方法的離子源

Info

Publication number: TW202111753A
Application number: TW109128156A
Authority: TW
Inventors: 勝武常; 法蘭克辛克萊; 麥可聖彼得
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2021-03-16
Also published as: US20210066019A1; US11120966B2; WO2021045874A1

Abstract

公開一種採用負偏壓陰極及一個或多個側電極的間熱式陰極（IHC）離子源。所述一個或多個側電極使用電極電源來施加偏壓，所述電極電源相對於腔室供應處於0伏到-50伏之間的電壓。透過調整來自電極電源的輸出，可針對不同的種類來優化束電流。例如，當側電極處於與腔室相同的電壓下時，可優化某些種類，例如砷。當側電極相對於腔室處於負電壓下時，可優化其他種類，例如硼。在某些實施例中，控制器與電極電源連通，以基於期望的原料氣體來控制電極電源的輸出。

Description

用於從離子源改善束電流之系統以及方法

本發明是有關於一種離子源，且更具體來說，是有關於一種其中施加到側電極的電壓可變化以改善束電流的間熱式陰極（IHC）離子源。

可使用各種類型的離子源來形成在半導體加工設備中所使用的離子。一種類型的離子源是間熱式陰極（indirectly heated cathode，IHC）離子源。IHC離子源透過向設置在陰極後面的絲極（filament）供應電流來工作。絲極發射熱電子，所述熱電子被朝向陰極加速且對陰極進行加熱，此又使陰極向離子源的腔室中發射電子。由於絲極受陰極保護，因此相對於伯納式離子源（Bernas ion source），絲極的壽命可延長。陰極設置在腔室的一個端部處。斥拒極（repeller）通常設置在腔室的與陰極相對的端部上。陰極及斥拒極可被施加偏壓，以斥拒電子，從而將電子朝向腔室的中心往回引導。在一些實施例中，使用磁場來進一步將電子局限在腔室內。

在這些離子源的某些實施例中，在腔室的一個或多個壁上也設置有側電極。這些側電極可被施加偏壓，以控制離子及電子的位置，從而增大腔室的中心附近的離子密度。提取開孔沿著另一側、鄰近腔室的中心而設置，可經由所述抽取開孔提取離子。

根據所使用的原料氣體，施加到陰極、斥拒極及側電極的最佳電壓不同。

因此，改善各種種類的束電流的系統及方法將是有益的。此外，如果此種系統能很容易地適應不同的種類，則將是有利的。

本發明揭示一種採用負偏壓陰極及一個或多個側電極的IHC離子源。所述一個或多個側電極使用電極電源來施加偏壓，所述電極電源相對於腔室供應處於0伏到-50伏之間的電壓。透過調整來自電極電源的輸出，可針對不同的種類來優化束電流。例如，當側電極處於與腔室相同的電壓下時，可優化某些種類，例如砷。當側電極相對於腔室處於負電壓下時，可優化其他種類，例如硼。在某些實施例中，控制器與電極電源連通，以基於期望的原料氣體來控制電極電源的輸出。

根據一個實施例，公開一種離子源。所述離子源包括：腔室，包括至少一個導電壁；陰極，設置在所述腔室的一個端部上；第一側電極，設置在一個側壁上；電弧電源，用於相對於所述導電壁對所述陰極施加為負電壓的偏壓；以及電極電源，用於對所述第一側電極施加偏壓，其中所述電極電源的輸出相對於所述導電壁處於0 V到-50 V之間。在某些實施例中，所述離子源更包括與所述電極電源連通的控制器。在一些進一步的實施例中，所述控制器基於所使用的原料氣體而改變所述電極電源的所述輸出。在某些實施例中，如果使用砷系原料氣體，則所述控制器將所述電極電源的所述輸出設定到0 V。在某些實施例中，如果使用硼系原料氣體，則所述控制器將所述電極電源的所述輸出設定到處於-5 V與-50 V之間的值。在一些進一步的實施例中，如果使用硼系原料氣體，則所述控制器將所述電極電源的所述輸出設定到處於-8 V與-30 V之間的值。在一些實施例中，所述控制器將所述電極電源的所述輸出設定到如下值：所述值使得硼分率比當所述電極電源的所述輸出為0 V時的所述硼分率大至少15%。在一些實施例中，所述離子源包括設置在第二側壁上的第二側電極，其中所述第二側電極與所述電極電源連通。在某些實施例中，所述離子源包括設置在所述腔室的相對端部上的斥拒極。

根據另一實施例，公開一種離子源。所述離子源包括：腔室，包括至少一個導電壁；陰極，設置在所述腔室的一個端部上；第一側電極，設置在一個側壁上；電弧電源，用於相對於所述導電壁對所述陰極施加為負電壓的偏壓；電極電源，用於對所述第一側電極施加偏壓；以及控制器，包括輸入裝置，操作員能夠透過所述輸入裝置輸入期望的原料氣體，且其中所述控制器控制所述電極電源的輸出，使得當選擇第一種類的原料氣體時所述輸出為0 V且當選擇第二種類的原料氣體時所述輸出為負電壓。在一些實施例中，所述第一種類包括砷系原料氣體。在一些實施例中，所述第二種類包括硼系原料氣體。在某些實施例中，其中所述負電壓是相對於所述導電壁處於-5 V與-50 V之間。在某些實施例中，所述負電壓是相對於所述導電壁處於-8 V與-30 V之間。在某些實施例中，所述離子源更包括設置在第二側壁上的第二側電極，其中所述第二側電極與所述電極電源連通。在一些實施例中，所述離子源更包括設置在所述腔室的相對端部上的斥拒極。

根據另一實施例，公開一種離子源。離子源包括：腔室，包括至少一個導電壁；陰極，設置在所述腔室的一個端部上；第一側電極，設置在一個側壁上；電弧電源，用於相對於所述導電壁對所述陰極施加為負電壓的偏壓；電極電源，用於對所述第一側電極施加偏壓；以及開關，具有兩個輸入且具有輸出，其中第一輸入與所述導電壁連通，第二輸入與所述電極電源連通，且所述輸出與所述第一側電極連通，使得在第一位置上，所述第一側電極與所述電極電源電連通，且在第二位置上，所述第一側電極與所述導電壁電連通。在某些實施例中，所述離子源更包括與所述開關的選擇信號連通的控制器。在某些實施例中，在使用第一種類的原料氣體時所述控制器選擇所述第一位置且在使用第二種類的原料氣體時所述控制器選擇所述第二位置。在一些進一步的實施例中，所述第一種類包括硼系原料氣體。

如上所述，將被施加到離子源內的各種組件的最佳電壓可根據所使用的原料氣體而變化。意外地，已經發現對側電極施加負偏壓可改善某些種類的分率。圖1示出在某些實施例中允許側電極相對於腔室壁被施加負偏壓的離子源10。圖2示出圖1的離子源10的剖視圖。

離子源10可為間熱式陰極（IHC）離子源。離子源10包括腔室100，腔室100包括兩個相對的端部及連接到這些端部的壁101。這些壁101包括側壁104、提取板102及與提取板102相對的底壁103。腔室100的壁101可由導電材料構成，且可彼此電連通。在某些實施例中，所有壁101均是導電的。在其他實施例中，至少一個壁101是導電的。陰極110在腔室100的第一端部105處設置在腔室100中。絲極160設置在陰極110的後面。絲極160與絲極電源165連通。絲極電源165被配置成使電流通過絲極160，使得絲極160發射熱電子。陰極偏壓電源115相對於陰極110對絲極160施加負的偏壓，因此這些熱電子從絲極160被朝向陰極110加速且在其撞擊陰極110的後表面時對陰極110進行加熱。陰極偏壓電源115可對絲極160施加偏壓，以使得絲極160的電壓比陰極110的電壓負例如200 V到1500 V之間。接著，陰極110在其前表面上向腔室100中發射熱電子。

因此，絲極電源165向絲極160供應電流。陰極偏壓電源115對絲極160施加偏壓，以使得絲極160比陰極110更負，從而使電子從絲極160被朝向陰極110吸引。另外，陰極110電連接到電弧電源175。電弧電源175的正極端子可電連接到壁101，使得來自電弧電源175的輸出相對於壁101為負的。在此壁中，陰極110相對於腔室100保持在負電壓下。在某些實施例中，陰極110可相對於腔室100被施加處於-30 V與-150 V之間的偏壓。

在某些實施例中，腔室100的導電壁連接到電接地。在某些實施例中，壁101為其他電源提供接地參考。

在此實施例中，斥拒極120在腔室100的與陰極110相對的第二端部106上設置在腔室100中。顧名思義，斥拒極120用於將從陰極110發射的電子斥拒回腔室100的中心。例如，在某些實施例中，斥拒極120可相對於腔室100被施加為負電壓的偏壓以斥拒電子。例如，在某些實施例中，斥拒極120相對於腔室100被施加處於-30 V與-150 V之間的偏壓。在這些實施例中，如圖1所示，斥拒極120可與電弧電源175電連通。在其他實施例中，斥拒極120可相對於腔室100浮動。換句話說，當浮動時，斥拒極120不電連接到電源或腔室100。在此實施例中，斥拒極120的電壓傾向於漂移到與陰極110的電壓接近的電壓。作為另一選擇，斥拒極120可電連接到壁101。

在某些實施例中，在腔室100中產生磁場190。此磁場旨在沿著一個方向來局限電子。磁場190通常平行於側壁104從第一端部105延伸到第二端部106。舉例來說，電子可被局限在與從陰極110到斥拒極120的方向（即，y方向）平行的柱中。因此，電子在y方向上移動不會經受電磁力。然而，電子在其他方向上的移動可經受電磁力。

在圖1所示實施例中，第一側電極130a及第二側電極130b可設置在腔室100的側壁104上，使得側電極位於腔室100內。側電極130a、130b可為圍繞電漿的U形或管狀形。側電極130a、130b可各自與電極電源177電連通。電極電源177的正極端子可電連接到壁101，使得來自電極電源177的輸出相對於壁101為負的。電極電源177可為可編程的。換句話說，電極電源177的輸出電壓可為可編程的，例如透過控制器180。

在圖2中，陰極110被示出為與離子源10的第一端部105相對。第一側電極130a及第二側電極130b被示出位於腔室100的相對的側壁104上。磁場190被示出為在Y方向上被引導到頁面之外。在某些實施例中，側電極130a、130b可透過使用絕緣體或真空間隙與腔室100的側壁104分離。從電極電源177到第一側電極130a及第二側電極130b的電連接可透過將導電材料從腔室100的外部傳遞到相應的側電極來實現。

陰極110、斥拒極120、第一側電極130a及第二側電極130b中的每一者均由導電材料（例如金屬）製成。這些組件中的每一者均可與壁101實體分離，從而可對每個組件施加不同於接地的電壓。

設置在提取板102上的可為提取開孔140。在圖1中，提取開孔140設置在平行於X-Y平面（平行於頁面）的一側上。此外，儘管未示出，但離子源10更包括氣體入口，待電離的原料氣體通過所述氣體入口被引入腔室100。原料氣體可為任何期望的種類，包括但不限於硼系原料氣體（例如三氟化硼（BF₃ ）或B₂ F₄ ）或者砷系原料氣體（例如砷化氫（AsH₃ ））。

控制器180可與所述電源中的一者或多者連通，以使得由這些電源供應的電壓或電流可透過控制器180來修改。控制器180可包括處理單元，例如微控制器、個人計算機、專用控制器或另一合適的處理單元。控制器180還可包括非暫時性存儲元件，例如半導體存儲器、磁性存儲器或另一合適的存儲器。此種非暫時性存儲元件可包含使得控制器180能夠執行本文所述功能的指令及其他數據。

控制器180可用於向電極電源177及其他電源（例如電弧電源175、陰極偏壓電源115及絲極電源165）中的一者或多者供應控制信號，以改變其各自的輸出。在某些實施例中，控制器180可具有輸入裝置181，例如鍵盤、觸摸屏或其他裝置。操作員可利用此輸入裝置181向控制器180通知每一電源的期望輸出電壓。在其他實施例中，操作員可選擇期望的原料氣體，且此種原料氣體的每一電源的適當輸出電壓可由控制器180自動配置。

在工作期間，絲極電源165使電流通過絲極160，這使得絲極160發射熱電子。這些電子撞擊陰極110的後表面，這可能比絲極160更正，從而使陰極110加熱，這又使陰極110向腔室100中發射電子。這些電子與透過氣體入口被饋入到腔室100中的氣體分子碰撞。這些碰撞產生正離子，所述正離子形成電漿150。電漿150可透過由陰極110、斥拒極120、第一側電極130a及第二側電極130b產生的電場來進行局限及操縱。此外，在某些實施例中，電子及正離子可能在某種程度上受到磁場190的局限。在某些實施例中，電漿150被局限在腔室100的中心附近，靠近提取開孔140。

意外地，已經發現施加到側電極130a、130b的負電壓可增加某些原料氣體的分率。具體來說，不受任何特定理論的約束，據信負偏壓側電極130a、130b將電漿150中的電子斥拒遠離各側並朝向腔室100的中心，在腔室100的中心處可能發生與原料氣體的更多碰撞。這種對電子的增強局限可解釋某些種類分率的增加。相反，當側電極130a、130b被接地時，由於來自電漿150的電子被吸引到這些表面，因此電子可能丟失到電極或腔室100。

在某些實施例中，可對側電極130a、130b施加0 V與-50 V之間的電壓。在某些實施例中，電壓可處於-5 V與-50 V之間。在某些實施例中，電壓可處於-5 V與-30 V之間。在某些實施例中，電壓可處於-8 V與-30 V之間。在這些實施例中的每一者中，可透過電弧電源175對陰極110施加負電壓。

已經發現，透過對側電極130a、130b施加負電壓來提高硼的分率。然而，透過施加負電壓並不能提高例如砷等其他種類的分率。相反，對於這些種類，已經發現當側電極130a、130b處於與腔室100相同的電壓下時，分率被最大化。

因此，在某些實施例中，控制器180與電極電源177連通。控制器180可從用戶或操作員接收輸入，所述輸入指示哪種原料氣體正被引入到腔室100中。基於期望的原料氣體，控制器180可對電極電源177進行編程，以輸出期望的電壓。如上所述，在某些實施例中，期望的輸出電壓可為0 V，例如在砷系原料氣體（例如砷化氫）的情況下。在其他實施例中，期望的輸出電壓可處於-5 V與-50 V之間，且更具體來說處於-8 V與-30 V之間，例如在硼系原料氣體（例如三氟化硼）的情況下。因此，當用戶選擇第一種類（例如砷化氫）時，控制器將電極電源177的輸出電壓相對於腔室設定到0 V。當用戶選擇第二種類（三氟化硼）時，控制器將電極電源177的輸出電壓設定為負電壓。在某些實施例中，此負電壓相對於腔室可處於-5 V與-50 V之間。在其他實施例中，負電壓可處於-8 V與-30 V之間。在某些實施例中，選擇負電壓，使得分率比電極電源177的輸出為0 V時的分率大至少15%。在另一實施例中，控制器180可從用戶或操作員接收關於將由電極電源177供應的期望電壓的輸入。在此實施例中，控制器180簡單地設定期望的輸出電壓。

此外，離子源可利用多於兩個種類來工作。例如，可透過供應與為第一種類或第二種類供應的電壓不同的負電壓來優化第三種類的電離。在此實施例中，控制器180可將電極電源177的輸出電壓設定到第三電壓。

儘管以上公開內容闡述具有兩個側電極130a、130b的IHC離子源，但本發明不限於此實施例。例如，圖3示出具有一個側電極130的另一IHC離子源11。側電極130與電極電源177連通。對此側電極130施加電壓可與上述相同。此IHC離子源11的所有其他方面與上述相同。

儘管以上公開內容闡述具有可編程輸出電壓的電極電源177，但本發明不限於此實施例。圖4示出離子源12的另一實施例，其中電極電源179輸出恆定的負電壓。在某些實施例中，此負電壓相對於腔室可處於-5 V與-50 V之間。在其他實施例中，負電壓可處於-8 V與-30 V之間。

為了在負電壓與接地之間切換，使用開關178。開關178可為單刀雙擲開關（single pole, double throw switch）。在某些實施例中，開關178可為繼電器。開關具有兩個輸入及一個輸出。第一輸入與電極電源179電連通。第二輸入與腔室100電連通。開關178的輸出與側電極130a、130b電連通。當開關178處於圖4中標記為「a」的位置上時，側電極130a、130b使用電極電源179來施加負偏壓。當開關178處於圖4中標記為「b」的位置上時，側電極130a、130b被接地。在一些實施例中，開關178具有選擇信號。控制器180可向此選擇信號提供輸出，以在兩個位置之間進行選擇。因此，在此實施例中，控制器180可提供輸出以選擇第一位置，其中當選擇第一種類時，電極電源179連接到側電極。另外，控制器180可提供輸出以選擇第二位置，其中當選擇第二種類時，腔室100連接到側電極。當選擇第一種類（例如硼系原料氣體）時，控制器180可選擇第一位置。當選擇第二種類（例如砷系原料氣體）時，控制器180可選擇第二位置。

儘管圖4示出使用兩個側電極130a、130b的離子源12，但應理解，此實施例也可適用於具有單側電極的離子源，例如圖3所示。

此外，儘管以上公開內容是關於IHC離子源闡述的，但本發明不限於此實施例。例如，離子源可為伯納式離子源。伯納式離子源類似於IHC離子源，但缺少陰極（絲極充當陰極）。換句話說，熱電子直接從絲極發射到腔室中，且使用這些電子來給電漿供能。作為另一選擇，配置電路可與卡魯特龍離子源（Calutron ion source）一起使用，所述離子源類似於伯納式離子源，但缺少斥拒極。類似地，本發明也適用於弗里曼離子源（Freeman ion source），其中絲極從離子源的一個端部延伸到相對的端部。

本申請中的上述實施例可具有許多優點。透過將側電極電連接到負電源，基於原料氣體，可容易地操縱及優化向側電極供應的電壓。在一個測試中，離子源的側電極被接地到腔室壁，且將三氟化硼引入腔室中。原料氣體以4.75 sccm引入，另外還有0.80 sccm的稀釋氣體（氫氣）。輸出電流設定到40 mA。發現了在使用法拉第杯測量時，總束電流的14.8 mA是單電荷硼離子（即，B+）。這意味著硼分率為約37%。然後相對於腔室壁對側電極施加-10 V的偏壓，且在所有其他參數保持不變的情況下重複測試。在此第二測試中，發現了總束電流的17.8 mA是單電荷硼離子。這意味著硼分率為44.5%。因此，透過對側電極施加負偏壓實現了20%的硼分率的增加。相反，發現了當使用砷化氫作為原料氣體時，透過將電極電源的輸出設定到0電壓來優化砷分率。與側電極連通的負偏壓電源的使用使得能夠容易地實現這些改變。

此外，增加的分率意味著更多摻雜劑束電流。目前，製作改善的功率裝置（例如用於電動汽車的功率裝置）使用更多中等能量（例如250 keV）的束電流來執行高劑量植入，其中劑量可為5E15/cm² 或大於5E15/cm² 。

本發明的範圍不受本文所述具體實施例限制。實際上，透過閱讀以上說明及附圖，對所屬領域中的一般技術人員來說，除本文所述實施例及修改以外，本發明的其他各種實施例及對本發明的各種修改也將顯而易見。因此，這些其他實施例及修改都旨在落在本發明的範圍內。此外，儘管本文中已針對特定目的而在特定環境中在特定實施方案的上下文中闡述了本發明，然而所屬領域中的一般技術人員將認識到，本發明的效用並非僅限於此且可針對任何數目的目的在任何數目的環境中有益地實施本發明。因此，應考慮到本文所述本發明的全部範圍及精神來理解以上提出的發明申請專利範圍。

10、11、12:離子源 100:腔室 101:壁 102:提取板 103:底壁 104:側壁 105:第一端部 106:第二端部 110:陰極 115:陰極偏壓電源 120:斥拒極 130:側電極 130a:第一側電極 130b:第二側電極 140:提取開孔 150:電漿 160:絲極 165:絲極電源 175:電弧電源 177、179:電極電源 178:開關 180:控制器 181:輸入裝置 190:磁場 a、b:位置 X、Y、Z:方向

為更好地理解本發明，參考併入本文中供參考的附圖，且在附圖中：圖1是根據一個實施例的離子源。圖2是圖1的離子源的剖視圖。圖3是根據第二實施例的離子源。圖4是根據另一實施例的離子源。

11:離子源

100:腔室

101:壁

105:第一端部

106:第二端部

110:陰極

115:陰極偏壓電源

120:斥拒極

130:側電極

140:提取開孔

150:電漿

160:絲極

165:絲極電源

175:電弧電源

177:電極電源

180:控制器

181:輸入裝置

190:磁場

X、Y、Z:方向

Claims

一種離子源，包括：腔室，包括至少一個導電壁；陰極，設置在所述腔室的一個端部上；第一側電極，設置在一個側壁上；電弧電源，用於相對於所述導電壁對所述陰極施加為負電壓的偏壓；以及電極電源，用於對所述第一側電極施加偏壓，其中所述電極電源的輸出相對於所述導電壁處於0 V到-50 V之間。
如請求項1所述的離子源，更包括與所述電極電源連通的控制器。
如請求項2所述的離子源，其中所述控制器基於所使用的原料氣體而改變所述電極電源的所述輸出。
如請求項3所述的離子源，其中如果使用砷系原料氣體，則所述控制器將所述電極電源的所述輸出設定到0 V。
如請求項3所述的離子源，其中如果使用硼系原料氣體，則所述控制器將所述電極電源的所述輸出設定到處於-5 V與-50 V之間的值。
如請求項5所述的離子源，其中所述控制器將所述電極電源的所述輸出設定到如下值：所述值使得硼分率比當所述電極電源的所述輸出為0 V時的所述硼分率大至少15%。
如請求項1所述的離子源，更包括設置在第二側壁上的第二側電極，其中所述第二側電極與所述電極電源連通。
一種離子源，包括：腔室，包括至少一個導電壁；陰極，設置在所述腔室的一個端部上；第一側電極，設置在一個側壁上；電弧電源，用於相對於所述導電壁對所述陰極施加為負電壓的偏壓；電極電源，用於對所述第一側電極施加偏壓；以及控制器，包括輸入裝置，操作員能夠通過所述輸入裝置輸入期望的原料氣體，且其中所述控制器控制所述電極電源的輸出，使得當選擇第一種類的原料氣體時所述輸出為0 V且當選擇第二種類的原料氣體時所述輸出為負電壓。
如請求項8所述的離子源，其中所述第一種類包括砷系原料氣體。
如請求項8所述的離子源，其中所述第二種類包括硼系原料氣體。
如請求項8所述的離子源，其中所述負電壓是相對於所述導電壁處於-5 V與-50 V之間。
如請求項8所述的離子源，更包括設置在第二側壁上的第二側電極，其中所述第二側電極與所述電極電源連通。
一種離子源，包括：腔室，包括至少一個導電壁；陰極，設置在所述腔室的一個端部上；第一側電極，設置在一個側壁上；電弧電源，用於相對於所述導電壁對所述陰極施加為負電壓的偏壓；電極電源，用於對所述第一側電極施加偏壓；以及開關，具有兩個輸入且具有輸出，其中第一輸入與所述導電壁連通，第二輸入與所述電極電源連通，且所述輸出與所述第一側電極連通，使得在第一位置上，所述第一側電極與所述電極電源電連通，且在第二位置上，所述第一側電極與所述導電壁電連通。
如請求項13所述的離子源，更包括與所述開關的選擇信號連通的控制器，其中在使用第一種類的原料氣體時所述控制器選擇所述第一位置且在使用第二種類的原料氣體時所述控制器選擇所述第二位置。
如請求項14所述的離子源，其中所述第一種類包括硼系原料氣體。