TWI518733B - 離子源、離子植入系統與產生多個電荷離子於離子源內的方法 - Google Patents

離子源、離子植入系統與產生多個電荷離子於離子源內的方法 Download PDF

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Description

離子源、離子植入系統與產生多個電荷離子於離子源內的方法
本發明是有關於一種離子植入，且更特別的是有關於一種可改善用於離子植入系統的離子源。
在包括用來製程半導體的基板的離子植入的高體積製造製程中，增加離子電流一直是優先考量。離子源不間斷的挑戰是有能力去破壞且離子化分子氣體，其普遍用來當作植入進入基板的參雜物的源。相關的問題為從先驅物成分產生多個電荷離子的效率。眾所周知的，在離子植入系統中，多個帶電離子可以是用來當作增加離子植入能量而無需增加加速電壓的方法。產業界面對的一個特別的挑戰為從分子先驅物產生多個帶電參雜離子的能力。常用的離子源，像是間接加熱陰極源可以得到例如是更高部份的單一電荷離子而非理想的。
成分的離子化至多個帶電態通常是經由逐步製程進行。 先驅物分子首先分解成構成所述分子的中性原子成分。中性原子由於電子的碰撞而接著損失一個初始電子，因而形成單一帶電離子。單一帶電離子由於另一個電子的碰撞接著損失第二個電子，依此類推。為了增加多帶電離子的產生，較為理想的是增加離子的生產率及減少離子在逐步生產製程的損失率。此目的原則上可以用各種方式達成。其一為可增加離子源中的電漿內的電子能量。離子化程度亦可增加，意味著帶電粒子的比例，像是帶電分子和中性分子的比例，增加。除此之外，盡量減少離子損失率因碰撞中性或腔室壁增加總離子的產生率。然而，在今日，許多的離子成分的IHC離子源成分其離子的產生是少於理想的。
基於上述，可以意識到有需要改善離子植入設備，且特別是為了多個電荷離子而發展離子源科技以增加在離子源內的電流生成能力。
在一個實施例中，一離子源包括一弧形腔室以及一發射器，發射器具有一配置於弧形腔室的表面，其中發射器是用以在弧形腔室內產生一電漿。離子源更包括具有一反射極表面的一反射極，反射極放置於發射器表面的對面，以及一中空陰極，耦合至反射極且用以提供進料進入弧形腔室內。
在更進一步的實施例中，在離子源內產生多個電荷離子的方式包括引導進料經由中空陰極進入一離子源的一弧形腔室， 離子源包括一反射極及一發射器，發射器具有配置於弧形腔室內的表面，反射極配置於發射器的對面。此方法亦包括供給能量給發射器，由此發射電子以在弧形腔室內產生一電漿，供給能量給中空陰極且離子化通過那邊的進料。
95‧‧‧光束
100‧‧‧離子植入系統
101‧‧‧電源供應器
102、200、500、600‧‧‧離子源
104‧‧‧電極
106‧‧‧質量分析磁鐵(光束元件)
108‧‧‧減速臺(光束元件)
110‧‧‧校正磁鐵(光束元件)
112‧‧‧第二減速臺(光束元件)
114‧‧‧支撐物
202、602‧‧‧弧形腔室
204‧‧‧絕緣破壞
205‧‧‧萃取裝配
206‧‧‧間接加熱陰極
208‧‧‧燈絲
210‧‧‧發射器
211‧‧‧表面
212‧‧‧弧形電源供應器
214‧‧‧燈絲電源供應器
215‧‧‧偏壓供應器
216‧‧‧中空陰極裝配
217‧‧‧軸
218‧‧‧反射極(部)
219‧‧‧反射極表面
220‧‧‧中空陰極
222‧‧‧圓柱管絕緣體
224‧‧‧端口
302‧‧‧增強放電
304‧‧‧窄放電
306‧‧‧氣體成分
402‧‧‧氣體
404‧‧‧放電部
502‧‧‧分離中空陰極電源供應器
604‧‧‧氣體端口
606、702‧‧‧放電
608‧‧‧氣體流動控制器
D‧‧‧直徑
L‧‧‧長度
圖1繪示為與本發明的多個實施例相符的一離子植入系統。
圖2繪示為本實施例包括一離子源的側剖面示意圖的複合圖。
圖3繪示為操作圖2的離子源的一個例子。
圖4繪示為圖3所繪示的操作的細節。
圖5繪示為本發明另一實施例中的另一離子源的側剖面示意圖。
圖6繪示為本發明另一離子源在一種操作模式下的側剖面示意圖。
圖7繪示為說明圖6的離子源在另一個操作模式下的側剖面示意圖。
本發明現在將於下文中藉由發明的實施例，參考隨附的圖式(揭示本發明的實施例)而被描述地更為充分。然而，本發明可 以用許多不同形式來實施，且不應被建構為對於本案所列的實施例的限制。相反地，提供這些實施例以使本發明是徹底且完善，且完全傳遞發明的範疇至本領域的技術人員。所有的圖式中，類似的數字代表類似的元素組成部分。
各式的實施例包含設備和系統以產生高電流離子源。在一些實施例中，一離子源包括一間接加熱陰極及一中空陰極，兩者交互操作以產生一具有更高濃度的多個帶電離子的電漿。離子源可經由中空陰極注入氣體而進入離子源腔室。在操作上，中空陰極是用以分解及激發例如是分子成分的氣體，當該氣體被引導至離子源腔室時。中空陰極更用以產生一供應充滿能量的電子於離子源腔室內。這些特性促進了產生一電漿於離子源腔室內，其中電漿可提高多個帶電離子濃度，從而增加了可被萃取以作為處理一基板的一離子束的多帶電離子的離子電流。
參考圖式，圖1為一個實施例包括一離子源102的一離子植入系統100的方塊圖，它的操作細節如下。一電源供應器101供應需要的能量給用以產生特定成分之離子的離子源102。產生的離子經由一系列的電極104(萃取電極)從源中被萃取，且排列成使用各種離子光束元件106、108、110、112操控且指向一基板的離子光束95。萃取之後，離子光束95通過一質量分析磁鐵106。質量分析配置有特別的磁場，使得只有具備所需的質量對電荷的比例的離子可穿過分析儀。所需成分的離子經由通過一減速臺108至一校正磁鐵110。校正磁鐵110供給能量以依據外加磁場的強度 和方向偏折離子細束以提供瞄準向一工作材或放置在支撐物114(例如是托板)上的基板的一帶狀離子光束。在一些情況下，第二減速臺112可以配置於校正磁鐵110和支撐物114之間。當離子與基板裡的電子及原子核碰撞時，離子會失去能量並根據加速能量而靜止在基板內的理想深度。
圖2繪示了和本發明中一個實施例的一離子源200相符的細節。離子源200包括一弧形腔室202，此弧形腔室202包含一放電，且此放電是從經由萃取裝配205萃取一離子束。離子源200裝配有一間接加熱陰極206，此間接加熱陰極206藉著一絕緣破損204，可以是空氣間隔，而與弧形腔室202電性絕緣。間接加熱陰極206可具有一燈絲208及一發射器210。發射器210連接至一弧形電源供應器212的負端子，其正端子連接至離子源腔室。間接加熱陰極206用以產生一放電於弧形腔室202內，當弧形電源供應器212提供一介於弧形腔室202和發射器210之間的一偏壓時，以及當電流藉著燈絲電源供應器214送經燈絲208時。圖2更顯示，離子源200包括一具有一負端子的偏壓電流供應器215，此偏壓電流供應器215電性連接至燈絲208。偏壓電源供應器215作為提供一介於燈絲208和發射器210之間的電位差，在發射器210內產生正比於所需之電子能量的熱。接著，電子由發射器210的表面211發射，有效地游離被吸納至弧形腔室202的氣體分子。
相對於傳統的離子源，離子源200亦包括中空陰極裝配216。在本實施例中，中空陰極裝配216位於發射器210的對面。 中空陰極裝配216包括一反射極部(也稱作“反射極”)218以及一中空陰極220。反射極部218可以是由傳統的反射材料，例如是鎢和石墨，所構成。在本實施例中，反射極部218及中空陰極220可以互相耦合，使得當電壓訊號供應至反射極部218或中空陰極220的其一時，兩部份皆獲得相同的電位。在其他實施例中，反射極部218可以是與中空陰極220相隔開或/且獨立加偏壓。在各式的實施例中，中空陰極220的端口224位於反射極218的反射表面219上。如圖2所示，在一些實施例中，反射極部218圓周式地圍繞於中空陰極220的端口224，使得端口224在反射極表面219形成孔。當適當的電位供應至中空陰極裝配216時，反射極表面219可用來反射由發射器210的表面211發射的電子。如圖2所示，在一些實施例中，中空陰極裝置216及間接加熱陰極(indirectly heated cathode，IHC)分享一共同軸，此軸可以是弧形腔室202的軸217。
如以下關於圖4的細節，中空陰極220用以引導一進料，例如是氣體或蒸汽，進入弧形腔室202，進而點燃中空陰極的放電，促進所需的離子成分產成於弧形腔室202內。進料可包括將要植入進入一基板的成分及/或稀釋劑(dilutant)。細節如下，在操作中，中空陰極220用以執行一個或更多個多重操作，包括分解進料，例如是分子氣體成分分解成為較小的片斷，例如是原子，離子化進料，例如是氣體成分及/或移動進入弧形腔室202內所產生的電子。與本實施例一致的，合適的進料包括一個或更多個硼 (B)、碳(C)、磷(P)、砷(As)、氫(H)以及氟(F)。
在圖2的實施例中，中空陰極220電性連接至弧形電源供應器212。中空陰極220可以是由部份供應弧形腔室202的氣體進料線(gas feed line)的導電材料來製作。提供一圓柱管絕緣體222以絕緣中空陰極220從可能耦合至氣體供應(未繪示)的接地管部分。
圖3繪示離子源200的操作的一個例子。在圖3所示的例子中，離子源200產生一增強放電302，用以增加產生的多帶電離子電流。氣體成分306被引導穿過中空陰極220且從端口224離開(如圖2所示)而進入弧形腔室202。在各式實施例中，氣體流動速率範圍從約0.5-200sccm，氣體流動速率涵蓋一般使用於傳統IHC離子源的流動速率。在各式實施例中，中空陰極220的直徑範圍約從1公釐至數公分或更大。
在本發明中，中空陰極220的長度L通常大於六倍的中空陰極220的直徑D。在圖3的操作中，中空陰極220維持在低於弧形腔室202幾十到幾百伏特的電位。在此情況下，中空陰極220內的某些位置可滿足氣體壓力乘上中空陰極的直徑D等於1torr．cm的條件，在此條件下會發生氣體成分306的點電性擊穿(point electrical breakdown)。然後，於中空陰極220中產生的電子可在中空陰極220內的牆上來回反射。當電子持續在中空陰極220的內部上反射時，離子化氣體成分306的氣體分子。此情況產生延伸進入弧形腔室202的窄放電304，提供電子及離子的源至增強 放電302。
中空陰極220的溫度可上升，以使得電子的熱游離發射從中空陰極220的內牆開始且一自持電漿(self-sustaining plasma)形成於中空陰極220內，如以下關於圖4的討論。在一些實施例中，若自我加熱不足，管子可以是由線加熱器來加熱(未繪示)。在一般的操作中，反射極部218獲得升高的溫度，不需要外部加熱中空陰極220。
圖4繪示依據各式實施例中形成增強放電的細節。只描述部份的弧形腔室202，不包括發射器210。在本實施例中，如圖3的討論，氣體被引導經由中空陰極220進入弧形腔室202。目的僅為了說明，氣體402繪示為氣體分子，在一個例子裡可以是PH3。當PH3分子被引導向端口224，通向弧形腔室202時，中空陰極220產生如前面所提到的電子。在中空陰極220內產生的電子導致創造了在中空陰極220裡面的放電部404以及如前面所討論的從中空陰極220延伸的那部份的窄放電304的窄放電304。放電部404造成分子氣體的分解，例如PH3，可產生像是P、H，和產生磷離子和氫離子，還有電子等產物。如圖4的說明，磷離子可包括單一帶電、雙重帶電及三重帶電離子。
在一些例子中，相較於在沒有中空陰極220的操作下產生的IHC離子源的電子流，中空陰極220可產生上至額外幾安培的電子流。舉例而言，在一些實施例中，中空陰極220可產生上至額外五安培的電子流。再者，中空陰極220產生電子的電子能 量注入弧形腔室202，其約略是中空陰極電壓的電子能量。此能量可以是大大的高於產生於傳統IHC離子源的電子的電子能量。
特別地，中空陰極220可產生一弧形電流，其足以產生5×1013至2×1014cm3的電漿載子密度，超越了一般由傳統IHC離子源產生的電漿密度。因為多種原因，窄放電304及增強放電302因此相對於傳統的IHC離子源對於產生更高產量的多個帶電離子是特別有效。首先，出現在窄放電304及增強放電302的高電子密度增加了中性成分可在與弧形腔室202的牆壁碰撞而中性化前經歷與電子的多重碰撞或者被從(電)弧形室室202萃取出來的可能性。如此一來，轉而增加了那些前面提到逐步的離子化製程所形成的多帶電離子的可能性。再者，從中空陰極220產生的電子的電子能量可以是高於傳統IHC離子源，更增加了創造多個帶電離子的機率。舉例而言，上至幾百伏特的電位可以應用至中空陰極220，其產生了可比得上藉由中空陰極220注入弧形腔室202內的電子的電子能量。此能量足以引起成分中的多重離子化，例如是具有第一、第二及第三離子化電位，約分別為10eV、20eV及30eV的磷。
在一些實施例中，中空陰極220的末端，其窄放電304被創造處，可以被覆蓋，以使得蓋子(未繪示)具有小於中空陰極220的直徑D的口孔或洞口。此配置可促進中空陰極220在給定通過中空陰極220的氣體流動速率時能在較高壓力下操作。
圖5繪示額外的實施例的一離子源500，其包括耦合至 IHC的一分離中空陰極電源供應器502，以相對於IHC施加獨立偏壓。此配置促進了藉由中空陰極220注入的電子的電子能量的調節，可以用於增加如上討論之成分被離子化的離子化行為的多個帶電離子的產生。舉例而言，在本實施例中，分離中空陰極電源供應器502可施加100V的電壓，產生約100eV的電子能量給藉由中空陰極220注入的電子，此能量可以是大大的高於由間接加熱陰極206所發出的電子的電子能量。
在各式的額外的實施例中，離子源包括從中空陰極相隔開的端口以直接提供氣體至弧形腔室，並與被引導通過中空陰極的氣體分開。圖6繪示具有位於弧形腔室602的中間部內的氣體端口604的離子源600。在一些實施例中，氣體端口604可為不同的氣體，並非提供於通過中空陰極220的氣體。舉例而言，可以提供PH3通過中空陰極220，同時提供不同的氣體通過氣體端口604。在其他實施例中，離子源600可用以流動相同的氣體(並)通過氣體端口604及中空陰極220。在一些實施例中，離子源600可用以在單獨提供氣體通過中空陰極220、通過氣體端口604或者通過中空陰極220及氣端口阜604之間作轉換。如圖6更進一步所示，提供氣體流動控制器608，可以用以在第一安排中指引氣體只流動通過氣體端口604，在第二安排中指引氣體只流動通過中空陰極220，以及在第三安排中指引氣體流動通過氣體端口604及中空陰極220。在圖6所示的特別例子中，提供氣體以通過氣體端口604及通過中空陰極220，從而產生放電606，為一增強放電，其 包括一較高電流由於從中空陰極220的電子注入。
現在轉而到圖7，其顯示另一個僅提供氣體通過氣體端口604之離子源600的操作例子。在此情況中，中空陰極220是去能量的(unenergized)，使得中空陰極220裡面沒有發展放電，從而無法藉由來自中空陰極220的發射而使放電702被增強。
雖然並未說明於圖式中，值得一提的是，在前面提到的實施例的離子源，如同一般在傳統IHC源的情況，可以提供磁鐵來產生沿著軸217的磁場。偶然地，在典型的100Gauss左右的磁場強度下操作本實施例的離子源可增加操作中空陰極裝置的穩定性。
綜上所述，本實施例以新穎的方式整合中空陰極進入包括間接加熱陰極的離子源腔室內。提供比傳統IHC離子源優越，包括在離子源放電中產生較高電子流及較高電子能量。另一個優點是達到較高程度的原子化分子成分的能力以及用給定的先驅物氣體生成更多總量的多電荷離子成分的能力。更進一步的優點是中空陰極可以是位於反射極結構裡面，從而避免廣泛地重新配置現存的IHC離子源設計的需要。
本發明不被在此描述的特定的實施例的範疇所限制。事實上，除了那些描述於此(的實施例)，其它對本發明的修改的各式實施例，從前面的描述及隨附的圖片(來看)將對那些本領域普通技術人員是顯而易見的。因此，這樣的其他實施例及修改是傾向落入本發明的範疇裡面的。更進一步的，雖然本發明在此已將在特 殊環境下，為了特殊目的的特殊執行情況描述於內文，那些本領域普通技術人員將辨識出其效用並不限制於其中，且本發明可以有益地為任何數量的目的施行於任何數量的環境。
200‧‧‧離子源
202‧‧‧弧形腔室
204‧‧‧絕緣破壞
205‧‧‧萃取裝配
206‧‧‧間接加熱陰極
208‧‧‧燈絲
210‧‧‧發射器
211‧‧‧表面
212‧‧‧弧形電源供應器
214‧‧‧燈絲電源供應器
215‧‧‧偏壓供應器
216‧‧‧中空陰極裝配
217‧‧‧軸
218‧‧‧反射極(部)
219‧‧‧反射極表面
220‧‧‧中空陰極
222‧‧‧圓柱管絕緣體
224‧‧‧端口
D‧‧‧直徑
L‧‧‧長度

Claims (18)

  1. 一種離子源，包括：一弧形腔室；一發射器，具有一配置於該弧形腔室內的表面，該發射器用以產生一電漿於該弧形腔室內；一反射極，具有一位於該發射器表面對面的表面；以及一中空陰極，耦合至該反射極且用以提供一進料至該弧形腔室內，其中當該中空陰極維持在低於該弧形腔室幾十到幾百伏特的一電位時，該中空陰極用以產生一放電於其內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中該中空陰極用以離子化通過於其中的該進料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中該反射極表面配置環繞該中空陰極。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的離子源，其中該中空陰極更包括一絕緣部件，配置於該中空陰極與一用以提供一種類至該中空陰極的氣體進料線之間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的離子源，其中該中空陰極更包括一孔洞，配置於鄰近該中空陰極的一末端，該孔洞具有小於該中空陰極的一直徑的直徑。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，更包括：一第一電源供應器，用以供應一偏壓以加偏壓至相對於該IHC配件的一弧形腔室；以及 一第二電源供應器，耦合至該中空陰極，用以加偏壓至相對於該IHC配件的該反射極與中空陰極配件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中該中空陰極用以提供上至五安培的電子流進入該電漿。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，更包括一從該中空陰極隔開的端口，用以在與該中空陰極相隔開的一位置提供該進料至該弧形腔室。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中該發射器與該中空陰極交互操作而產生，當供給能量至該中空陰極時，在該弧形腔室體內的多個電荷離子的一第一濃度大於由該發射器獨自生成的多個電荷離子的一第二濃度。
  10. 一種離子植入系統，包括：一離子源，包括：一弧形腔室；一發射器，具有一配置於該弧形腔室內的表面，該發射器用以產生一電漿於該弧形腔室內；一反射極，具有一位於該表面對面的反射極表面；以及一中空陰極，耦合至該反射極且用以提供一進料至該弧形腔室內，其中當該中空陰極維持在低於該弧形腔室幾十到幾百伏特的一電位時，該中空陰極用以產生一放電於其內；以及一支撐物，位於該離子源的下游且用以支撐一基板。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入系統，更包括： 一萃取裝配，用以從該弧形腔室萃取多個離子；以及多個束線組件，用引導該些離子至該基板。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入系統，其中該反射極表面配置環繞該中空陰極的一端口。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入系統，其中該發射器與該中空陰極交互操作而產生，當供給能量至該中空陰極時，在該弧形腔室內的多個電荷離子的第一濃度大於由該發射器獨自生成的多個電荷離子的第二濃度。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入系統，其中該中空陰極用以離子化通過於其中的該進料。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的離子植入系統，更包括：一從該中空陰極隔開的端口，用以在與該中空陰極相隔開的一位置提供該進料至該弧形腔室；以及一控制器，透過該中空陰極與該端口以提供該進料至該弧形腔室內。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的離子植入系統，其中該進料包括至少一硼、碳、磷、砷、氫以及氟。
  17. 一種產生多個電荷離子於一離子源內的方法，包括：透過一中空陰極而引導一進料進入一離子源一弧形腔室，該離子源包括一反射極及一發射器，該發射器具有一配置於該弧形腔室內的表面，該反射極相對於該發射器配置；供給能量給該發射器且由此發射多個電子以在該弧形腔室內 產生一電漿；以及供給能量給該中空陰極且離子化通過於其中的該進料，其中離子化該進料包括藉由該中空陰極維持在低於該弧形腔室幾十到幾百伏特的一電位，以產生一放電於該中空陰極內。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的產生多個電荷離子於一離子源內的方法，更包括加偏壓於該中空陰極至相對於該弧形腔室為一負電位。
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