TW424251B - Decaborane vaporizer for ion source - Google Patents

Description

A7 B7 4 24-2 5 1 五、發明説明（丨） 〔發明之領域〕 本發明關於供離子植入裝備之離子源，及特別關於離 子源之癸硼烷蒸發器。 〔發明之背景〕 離子植入在工業中已成爲一標準接受之技術，用以將 雜質摻入工件如矽晶圓或玻璃基體，如大量製造積體電路 及平面板顯示器所用者。傳統離子植入系統包括一離子源 ，其將理想之摻雜劑元件離子化，該元件於是被加速以形 成能量之離子束。離子束被導向工件之表面上以將摻雜劑 元件植入工件。離子束之能源離子貫穿工件之表面，俾嵌 入工件材料之晶格]4形成理想導電區。植入方法在高真空 處理室執行，該室可防止離子束與剩餘氣體分子碰撞而分 散，及可將工件受到空中粒子所污染之危機降至最低。 離子劑量及能量爲兩項用來限定植入步驟之重要變數 。離子劑量與已知半導體材料之植入離子濃度有關。高電 流植入器(通常大於10mA)離子束電流用來作高劑量植入， 中電流植入器(通常可能高至1mA)用來供較低劑量應用。 離子能量用來控制半導體裝置中之接點深度。離子之能量 位準構成離子束，此位準決定植入離子之深度之程度。高 能量方法如用來在半導體裝置中形成減速井，需要高達數 百萬電子伏特(MeV)之植入，而淺接點僅需要一千電子伏 特(KeV)之能量。 越來越小之半導體裝置之趨勢，需要一種有離子源之 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 、-0-

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家摞隼（^^)从+現格（210乂297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4ι 2 4:2 5 i I A7 _B7_____ 五、發明説明（> ) 植入器發射低能量之高離子束電流。高離子束電流提供必 需之劑量位準，而低能量位準可作淺植入。在互補式金氧 半導體（CMOS)裝置之源/汲極接點中需要此種高電流低能 量之應用。 圖1顯示自固態形式獲得原子供離子化之用之典型離 子源10。此離子源包含一對蒸發器12及14及一離子化室 16。每一蒸發器備有坩堝1S，其中放置一固體元件或化合 物，再由加熱器線圏20予以加熱以將固態源物體蒸發。加 熱器線圏接線傳導電流至加熱器線圈2〇，熱耦器24提 供溫度回授機構。並備有空氣冷卻導管26及水冷導管28 〇 * 蒸發後之源材Θ通過一噴嘴30，其由石墨噴嘴制動器 32固定在坩堝18，及通過蒸發器入口 34至離子化室16之 內部。或者，亦可直接饋送壓縮氣體由氣體入口 36經氣體 管線38進入離子化室。在此情況下，氣體/蒸發之源材料 已被一電弧室燈絲40所離子化’該燈絲由熱離子發射電子 所加熱。 傳統離子源利用一可離子化之摻雜劑氣體，其可直接 自壓縮氣體源或間接自固體形式經過蒸發而獲得。典型源 元件爲硼(B)、磷(P)、鎵（Ga)、銦（In)、銻（Sb)、砷（As)。 大多數此等源件均以固態提供’除硼之外，其典型以氣體 提供，即三氟化硼(BF3) ° 在植入三氟化硼情況下，瑕成一電漿，其中含有充電 之硼（B+)離子。建立及植入足夠高劑量之硼進入基體，在 4 ^紙張尺度適用+國國家標準（CNS ) Λ4規格（2Ϊ0Χ297公釐) "** " (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 B7 五、發明説明（7 ) 離子束能量位準並非因素時並不困難。在低能量應用中， 硼離子數將受到一“束擴張”情況之影響，其指離子束中相 同充電之離子互相排斥之趨勢。此種互相排斥造成輸送時 離子束之直徑擴張，導致離子束線中之許多孔隙而使離子 束暈逝。在離子束能量降低時，此舉可嚴重降低離子束之 輸送。 癸硼烷(B1QHi4)爲複合物，其在以前未被用爲作硼植入 之硼源。癸硼烷之蒸發在圖1之離子源坩堝中無法作適當 之控制，因爲固態之癸硼烷之熔點爲攝氏100度。在電弧 室16中產生之熱，即使在蒸發器加熱器未啓動時，亦可使 坩堝達到如此之溫度。因爲固態相材料與電弧室之接近會 導致材料之輻射熱。t(磷蒸發可準確在圖1之離子源之坩渦 中加以控制，因爲其熔點爲400°C)。此舉可防止在源材料 之本地環境中建立中度溫度(小於2〇〇°C)熱平衡。 癸硼烷是一種優異之供硼植入之饋送材料源，因每一 癸硼烷分子(B1GH14)在蒸發及離子化時，可提供含十個硼原 子之分子離子。此種源特別適合用來作淺接點之高劑量/低 能量植入方法，因爲分子癸硼烷離子束可在每一單位電流 較單一硼離子束植入十倍之硼劑量。此外，因爲癸硼烷分 子可在工件表面將原始之束能量分裂成大約十分之一之硼 原子，此離子束之傳送可十倍於等劑量單一硼離子束之能 量。此一特性可使分子離子束避免輸送之損失’此一損失 特別在低能量離子束輸送時發生。 因此，本發明之目的爲提供一離子源作離子植入器之 5 本紙浪尺度適用中国國家標準（CNS〉ΛΦ現格（210XM7公疫) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，·ιτ 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 ^2425^ Λ7 B7 五、發明説明（ψ) 源，其可準確及控制蒸發癸硼烷，或其他適用之植入衬料 ，以克服已知離子源之缺點。 〔發明之槪述〕 本發明備有一離子植入器之離子源’包含⑴昇華器， 具有一空腔以容納待昇華之材料源，及將材料源昇華；（ii) 離子化室，供將昇華之源材料離子化，離子化室位於違離 昇華器之處；（iii)一饋入管，供連接昇華室至離子化室； 及(iv)—加熱媒介，將昇華器之至少一部份及饋入管加熱。 一控制機構供控制加熱媒介之溫度。控制機構含加熱元件 將加熱媒介加熱、一幫浦以循環加熱媒介、至少一熱耦至 加熱媒介提供溫度同授、及一控制器對溫度回授響應以輸 出控制信號至加熱元件。 因爲昇華器遠離離子化室，昇華器內之溫度被熱隔離 ’提供一穩定之熱環境不被離子化室之溫度所影響。因此 ’昇華室之溫度，癸硼烷昇華即在該室發生，其溫度可以 單獨控制，與離子化室之作業溫度無關，準確度可達甚高 。（l°c以內） 〔圖示簡單說明〕 圖1爲離子植入器使用之傳統離子源透視圖，部份爲 截面圖； 圖2爲根據本發明原理所構製之離子植入器使用之離 子源之第一實施例之略圖，部份爲截面圖； 6 ------^---1--(，\-裝------訂------線 (請先聞讀背面之注$項再填窩本頁) ; 本紙張尺度適用中國國家播準（CNS ) A4現格（210X 297公疫） 424251 Α7 Β7 五、發明説明（ς) 圖3爲取自圖2之線3-3之離子源之另一實施例之連 接管之截面圖； 圖4A爲圖2中之連接管之第一實施例之長度上存在 之壓差代表圖形； 圖4B爲圖3中之連接管之第二實施例之長度上存在 之壓差代表圖形。 〔較佳實施例之詳細敘述〕 參考圖2，離子植入器離子源5G之第一實施例係根據 本發明所構造。離子源50含一不反應之熱傳導昇華器或坩 堝52、一加熱媒介儲存器54 '加熱媒介幫浦55、溫度控 制器56、離子化室>58、及(在第一實施例中）大流量控制器 60。坩堝52位於遠離離子化室58，及由饋入管62連接至 該處，該管由石英或不銹鋼製成。在第一實施例中，饋入 管62由外部單一室環狀護套90沿全部長度包圍。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 坩堝52提供一容器64包封成一空腔66以容納源材 料68。此容器最好由不活動(惰性)材料製成，如不銹鋼、 石墨、石英或氮化硼等，該容器能容納足夠之源材料，如 癸硼烷(B1()H14)。雖然本發明以下將以癸硼烷一詞進一步敘 述，但本發明之原理可供其他分子固態源材料使用，如氯 化銦(InCl)，其特性爲具有低熔點(昇華溫度在2(TC及150 。(:之間)及相當之蒸氣壓力（ι〇_2托及丨〇3托）。 癸硼院係由將容器64以在儲存器54內之加熱媒介70 將容器壁加熱之昇華方法予以蒸氣化。此昇華方法包括將 7 本紙張尺度適用中國國家;^擎（CNS ) ^4规格（ϋχ297公釐) ^ 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明説明（L) 癸硼院自固態變成氣態而不進入中間之液態。一線網絡71 防止未蒸發之癸硼烷自坩堝52逸出。完全蒸發之癸硼烷經 H人管62逸出坩堝52再進入大量流體控制器60 1該控制 器控制蒸氣之流動’及測量蒸氣化之癸硼烷之量’其備供 離子化室之用’已爲此技藝所週知。 離子化室58將蒸氣化之癸硼烷離子化，該癸硼烷係由 大流量控制器60所提供，或自壓縮氣體源之氣體入口饋入 器72提供。一 RF (射頻）激勵器74如天線被激勵以發射 RF信號，其將蒸氣化癸硼烷分子離子化以創造電漿。一磁 濾波器76將電漿過濾，萃取器電極(未示出)位於離子化室 58之出口孔隙78之外’該萃取器經由孔隙萃取電槳如此 技藝中所熟知者。琴取之電發形成一離子束，其被調整並 辛皮導向目標工件。此一離子化室58之舉例曾揭示於頒給本 發明之受領人之美國專利號碼5,661，3〇8 ’並以參考方式併 入此文。 本發明之離子源50可提供一控制機構以控制坩堝52 之作業溫度、及饋入管62之作業溫度，蒸氣化之癸硼烷經 由該管通過至離子化室58。加熱媒介70由電阻或相似加 熱元件80在儲存器54中加熱。溫度控制裝置包含溫度控 制器56，該控制器自儲存器S4經熱耦92獲得一輸入溫度 回授’及輸出一控制信號至加熱元件80，如下所述，俾在 儲存器中之加熱媒介70被加熱至適當溫度。 加熱媒介70含礦物油或其他適當媒介(水），其可提供 高熱能力。此礦物油被加熱元件80加熱至溫度2(rC至15〇 本紙張 I----rL__:1丨.,>裝------訂—-----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨 s (〇粑）八4規格（21〇\ 297公釐）

五、發明説明（Ί ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 °C，再由幫浦55圍繞坩堝52，及饋入管62通過護套90 循環。幫浦55備有入口 82及出口 84，儲存器54亦備有 入口 86及出口 88。加熱媒介圍繞坩堝52及饋入管62之 流動方式’雖然在圖2中係單一方向順時鐘方式，但亦可 任何方式’其能提供媒介繞坩堝52及饋入管62之合理循 環即可。 或者’本發明之第二實施例中，饋入管62係以毛細管 方式備用，護套90係以同軸雙室護套方式備用，含有內護 套90A由外護套90B所包圍（見圖3)。加熱媒介可被幫浦 進入內護套90A(位於鄰近毛細管62)及幫浦離開外護套 9〇B(位於自內護套90A徑向向外）。在第二實施例中，大流 量控制器60以位於舞入管/離子化室介面之加熱關閉閥(未 示出)所取代，大流量由直接改變儲存器54之溫度而增加 或降低。圍繞毛細管之同軸護套之安排之優點爲，能提供 圍繞毛細管之內徑之絕緣護套，因而導致更均勻之溫度。 參考圖2，坩堝空腔66被加壓以便蒸氣化之(昇華之） 癸硼烷自坩堝52經由饋入管62至離子化室58之易於輸送 。當坩堝空腔66中壓力上升，材料輸送之速率相對增加。 離子化室以接近真空（1毫托)操作，因此，壓差存在於饋入 管62之全長度上，自坩堝52至離子化室58。坩堝之壓力 典型爲1托（torr)。 圖4A顯示本發明（圖2)之第一實施例之饋入管62全 長壓差代表圖，其係在坩堝與離子化室間之距離d而測量 。此壓力曲線沿饋入管線性下降，直到大流量控制器60， 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Λ4規格（210 X 297公釐） I---rL__v裝------訂 ------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ' 4 2 4? A7 B7 五、發明説明（s ) 於是由大流量控制器所修改，再繼續在所餘之距離d直到 離子化室58作線性下降。在較佳實施例中，距離d大約爲 24吋。此一距離僅係提供舉例之目的。本發明涵蓋一昇華 器/蒸發器位於遠離離子化室，但並不限制代表此遙遠位置 之任何特殊距離。 圖4B顯示本發明（圖3)第二實施例之饋入管62之全 長之壓差代表圖，並以坩堝離子化室/關閉閥介面間之距離 d所測量。當關閉閥打開，壓力輪廓自坩堝至離子化室/關 閉閥介面成線性下降。當閥閉合，壓差不再存在。如上所 述，在此第二實施例中未使用大流量控制器。 將坩堝52遠離離子化室58，在坩堝空腔66內之溫度 得以熱隔離，因而辦供熱穩定環境不受離子化室58溫度之 影響。如此，癸硼烷昇華處理發生之坩堝空腔66之溫度可 以單獨控制，而與離子化室58作業溫度無關，並可達高度 準確（1°C之內）。此外，在輸送蒸氣化癸硼烷經加熱之饋入 管62至離子化室58時，保持蒸氣化癸硼烷之溫度不變， 蒸氣之凝解或熱分解均不致發生。 以控制加熱煤介儲存器之加熱元件80使溫度控制器 56控制坩堝及饋入管62之溫度。熱耦92偵感出儲存器7〇 之溫度並發出溫度回授信號至溫度控制器56。溫度控制器 以已知方式響應輸入回授信號，而輸出控制信號94至儲存 器加熱元件80。以此方式，一均勻之溫度可提供至所有表 面，固態及蒸發之癸硼烷即暴露其上，視離子化室之位置 而定。 10 本紙張尺度適用中國國家標筚（CNS)Λ4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '言

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^ 2 4 r- ] Α7 Β7 五 '發明説明（ij ) 以控制系統中（經幫浦55)加熱媒介之循環及加熱媒介 之溫度(經由加熱元件80) ’離子源5G之溫度可控制在20 °C至150°C(+/-1°C)。與距離子化室最近之饋入管末端相較 ，坩堝之準確之溫度控制極爲重要，以控制坩堝之壓力及 流出坩堝之蒸氣流速。 在一離子植入器中利用圖2之源50之任一實施例，全 部分子（10硼原子）均可植入工件中。分子在表面上分裂， 俾每一硼原子約爲10,硼原子束(B1()H!4之情況)能量之十分 之一。因此，離子束可以十倍理想硼植入能量被輸送，而 達到淺植入而無顯著之輸送損失。此外，在固定之束電流 下，每一單元電流可發送十倍之劑量至工件。最後，因爲 每單元劑量之電荷釋單原子束植入之十分之一，工件電荷 問題對固定劑量率而言較不嚴重。 准此，以上已敘述供離子植入器之改進之離子源一較 佳實施例。以上述之說明，可了解此說明僅係舉例，本發 明並不限於上述之特殊實施例，不同之修改及置換可以實 施而不致有悖以下申請專利範圍中之限定範疇。 -----rL__L_LIU裝------訂------.線 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规格（21〇X 297公捷）

Claims (1)

1. 4 2 425 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1·一種用於離子植入器之離子源（50)，包含： ⑴一昇華器(52)，具有空腔（66)以容納有待昇華之源材 料(68)及將源材料昇華； (ii)一離子化室（58)，供將昇華之源材料離子化，該離 子化室位於遠離該昇華器之處； (&)饋入管（62)，以連接該昇華器（52)至該離子化室 (58);及 (iv)—加熱媒介（70)，供將該昇華器（52)及該饋入管 (62)之至少一部份加熱。 2·如申請專利範圍第1項之離子源(50)，尙含一控制 機構供控制該加熱媒介(70)之溫度。 3. 如申請專利齊圍第2項之離子源(50)，其中該控制 機構含一加熱元件(8〇)以將加熱媒介(7〇)加熱、一幫浦(55) 將該加熱媒介循環、至少一個熱耦(92)以自加熱媒介(70)提 供溫度回授、及一控制器（56)對該溫度回授響應以輸出一 第一控制信號(94)至該加熱元件。 經濟部中央樑隼局貞工消費合作社印策 4. 如申請專利範圍第2項之離子源（5〇)，其中該加熱 媒介(70)爲水。 5·如申請專利範圍第2項之離子源（50)，其中該加熱 媒介(70)爲礦物油。 6.如申請專利範圍第2項之離子源（50)，其中該源材 料爲分子固體，具有蒸氣壓力在1(Τ2托及1〇3托之間，及 昇華溫度在2〇°C及150°C之間。 7·如申請專利範圍第2項之離子源（50)，其中該源材 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格U丨0 X 297公釐） 4 2 42 5 A8 B8 C8 D8 經濟部中央揉隼局貝工消費合作社印装 申請專利範圍 料爲癸硼烷。 S.如申請專利範圍第2項之離子源(50)，其中該饋入 管(62)由石英組成。 9.如申請專利範圍第2項之離子源（50)，其中該饋入 管(62)由不銹鋼組成。 10·如申請專利範圍第2項之離子源(50)，其中該離子 化室(58)包括一入口（72)以接收自一壓縮氣體源之氣體。 11.如申請專利範圍第2項之離子源(50)，其中該饋入 管(62)由護套(90)包圍，該加熱媒介(70)即經由該護套循環 〇 12·如申請專利範圍第U項之離子源(5〇)，其中該護 套(9〇)包含一內護套t(9〇A)由一外護套(90B)所包圍。 Π·—種離子源(50)之蒸發器，包含： (i)—坩堝（52)，具有空腔(66)以容納源材料(68)以備蒸 發及供將源材料蒸發； .(i〇—饋入管（62)，以連接該蒸發器（52)至位於遙遠處 之離子化室，蒸發之源材料在該室被離子化;及 (iii)一加熱媒介（70)，供將該蒸發器（52)及該饋入管 (62)之至少一部份加熱。 14_如申請專利範圍第13項之蒸發器（5〇)，尙含一控 制機構以控制該加熱媒介(7〇)之溫度。 15.如申請專利範圍第14項之蒸發器（5〇)，其中該控 制機構含一加熱元件（80)以將加熱媒介(7〇)加熱、一幫浦 (55)供將加熱媒介循環、至少一個熱耦(92)以自加熱媒介 H張尺度用中國國家標準（CNS > A4现格（210X297公龙:一) " (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   4 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 C8 D8 六、申請專利範圍 (70)提供溫度回授、及一控制器（56)對溫度回授響應以輸出 第一輸出信號（94)至該加熱元件。 16. 如申請專利範圍第14項之蒸發器（50)，其中該加 熱媒介(70)爲水。 17. 如申請專利範圍第1_4項之蒸發器（50)，其中該加 熱媒介(70)爲礦物油。 18. 如申請專利範圍第14項之蒸發器（50)，其中該源 材料爲分子固體，具有蒸氣壓力在托及1〇3托之間’ 及昇華溫度在20°C及150°C之間。 19. 如申請專利範圍第14項之蒸發器（50)，其中該源 材料爲癸硼烷。 20. 如申請專利_圍第14項之蒸發器（50)，其中該饋 入管(62)由不銹鋼組成。 21. 如申請專利範圍第14項之蒸發器(50)，其中該饋 入管(62)由石英組成。 22. 如申請專利範圍第14項之蒸發器(50)，其中該饋 入管（62)由護套（90)所包圍，加熱媒介(70)經由該護套循環 〇 23. 如申請專利範圍第22項之蒸發器（5〇)，其中該護 套（90)包含一內護套（90A)包含一內護套（90A)由一外護套 (90B)所包圍。 (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) ___3 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）