TWI581315B - 鑭系元素離子源產生方法 - Google Patents

Description

鑭系元素離子源產生方法

本發明係有關於一種用於離子佈植的離子源的產生方法，特別是有關於一種產生鑭系元素離子的離子源產生方法，此離子源使用至少一種支持氣體(support gas)來增加由鑭系元素化合物電漿(plasma)中分子碰撞的機率，以提高所萃取的電子束電流大小以及穩定性。

離子佈植是一個物理程序(physical process)，其可以選擇性地將佈植材料之離子以特定的條件(如特定的能量與特定的方向)佈植到底材(substrate)上的特定區域，主要是用於將化學活躍材料物摻雜-引入至例如通常是矽之半導體材料的工作件內。一般來說，在進行離子佈植時，包含佈植材料在內之一或多種材料會先在離子源(ion source)中被解離成為電漿，電漿係於一電弧室內生成與維持，然後與佈植材料離子電性相同之一或多種離子會自此電漿中持續被抽離子源而形成離子束，然後離子束會陸續地被過濾(移除電荷-質量比不適當的離子)、加減速(調整能量)、調整方向、調整橫截面大小與輪廓，最後被引導到要被佈植的底材之特定區域。

一般而言，當一具有一特定種類離子之氣體狀態材料可在室溫下存在時，為了簡化硬體與操作，此氣體狀態材料系儲存於電弧室外接著被傳送 至電弧室，使一具有此特定種類離子之電漿可被維持。例如被廣泛使用於提供磷的磷化氫(PH3)氣體、被廣泛使用於提供砷的砷化氫(AsH3)氣體以及被廣泛使用於提供硼的三氟化硼(BF 3)氣體。

不過對於某些特別種類離子而言，例如鑭系元素，並沒有商業上可用的氣體狀態的材料。例如鐿(Yb)，對於半導體製程而言係有價值的材料，但並沒有商業上可用的氣體形式存在的材料。鑭系元素材料的佈植尚為一新發展的領域，但大部分鑭系元素材料在自然界中係以化合物的形式存在，例如室溫下的金屬氧化物。在無法提供氣體狀態材料的狀況下時，鑭系元素化合物會先於一鄰近一電弧室(arc chamber)的蒸發器(vaporizor)進行氣化的動作，以產生鑭系元素化合物的氣體，然後再自蒸發器傳送蒸發後的材料至電弧室來產生電漿。

然而，目前使用商業化蒸發器將鑭系元素化合物自固態轉為氣態的過程中，轉化的速率尚不容易穩定，進而會使得進入電弧室的氣態鑭系元素化合物的流量/流速不穩定，造成自電弧室中的電漿抽取離子束時，無法有效地控制離子束的電流大小。

此外，使用鑭系元素化合物，例如鐿的化合物，來進行離子佈植仍有許多的困難，首先由於電漿中往往同時有多種不同種類的離子，彼此之間往往會有不同的化學反應或物理反應在進行，甚至有時不會完全被解離成為電漿，而是有些直接相互進行化學反應或物理反應，或是直接與電弧室的殼體(chamber wall)或電極(electrode)或是其它硬體元件進行化學反應或物理反應。因此，在電弧室中持續產生電漿，以讓離子束可以持續被引出離子源的期間，電弧室的內部往往有不同於鑭系元素離子的副產品(by-product)產生。這些副產品通常來自於電弧室內部出現的自由氧原子(或是自由氧離子)，這些自由氧原子 (或是自由氧離子)往往會與電弧室的殼體、離子束的電極或是電弧室殼體的襯層(liner)等發生化學反應，而形成新的材料。這些新形成的材料有些會再被解離成電漿，從而使得被引出電弧室之離子束具有多種不一樣的離子，增加後續之過濾與調整等步驟的困難。

其次，有些副產品會形成粉末沉積在電弧室內部，或附著在電弧室之電極與殼體上，造成干擾或甚至破壞這些硬體元件之功能。例如，當電極是由鎢所形成時，積聚在電極表面之氧化鎢會降低其作為電極的功能。這些副產品的出現，會降低鑭系元素離子源之效能，提高離子源進行清潔修護的頻率，使得離子源的使用時間縮短，例如剝離現象(peelng)會影響離子束的形狀，粉末則可能會成為顆粒來源(particle source)汙染離子束。

第三，鑭系元素化合物的沸點通常很高，例如鐿的化合物在需要蒸發器加熱至攝氏600~700度才能形成氣態，因此從加熱開始到能產生電漿萃取離子束的時間(ramp up time)較長，所產生的離子也不多，而由於離子數量太少，使得所產生的離子束電流太小，難以進行控制跟利用。

對於鑭系元素以外的元素，習知技術已發展出不少方法來改善於電漿中副產品所引起的問題。而其中一個在近年來快速發展的作法，是輸入額外的材料到電弧室的電漿中，透過這些額外材料與這些副產品的相互作用，讓副產品不再壘積於電弧室內部；或是透過讓額外材料與原本用來產生離子源的材料相互作用，直接消除副產品的生成，或是透過其它方式來延長電弧室與電極的使用壽命。在此，僅列舉幾件與使用額外材料之作法相關的前案作為參考，例如美國專利7223984、美國專利8288257、美國專利7446326以及美國早期公開20120118232。

然而，到目前為止還沒有任何一個方法是針對鑭系元素化合物所提出的。由於即便是相類似的方法，也會隨著待佈植離子的不同、用來形成電漿的材料不同以及離子源產生裝置硬體設計不同等等變數而變化，都各自有適用的製程，目前還沒有發現可以同時適用於鑭系元素離子源的方法。因此，仍有必要發展新的方法來提高鑭系元素離子源的穩定性以及延長鑭系元素離子源產生裝置的使用壽命。

下述內容為本發明之一或多個面向的簡單摘要。此簡單摘要並不是本發明之廣泛綜述，也並未企圖標識出本發明之關鍵或重要元素，也並未企圖劃定本發明的範圍。相對地，此簡單摘要之主要目的是簡潔地呈現本發明的一些概念，藉以作為在後續之實施方式中詳細描述本發明之前的序言。

本發明的基本概念在於於含有鑭系元素化合物氣體的電弧室中輸入由惰性氣體(inert gas)，例如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)或是氡(Rn)，所組成之支持氣體(support gas)來穩定並且加速電漿的形成，進而能穩定鑭系元素離子束的萃取。由於惰性氣體的化學活性低，不易與離子源中的物質發生反應，因此當惰性氣體在電漿中被加熱而產生較大的動能/動量時，會與形成於電弧室中的副產品發生碰撞，進而將副產品直接撞擊而解離形成為電漿中正負離子，或是將已堆積在電弧室內某處的副產品撞擊到鬆脫掉落在電弧室之底部，或是使副產品無法持續堆積成緊密結構而掉落在電弧室底部，而不與電漿或是電弧室內襯、電極等關鍵硬體有所接觸，進而減少或甚至消除最後所萃取的離子束中副產品的數量。

此外，由於惰性氣體具有較多的最外層電子，將支持氣體加入可以釋放大量的熱電子進入電弧室中，進而加快電弧室中電漿的形成的速度，並且使所形成的電漿更加穩定。

再者，惰性氣體的熱導率較鑭系元素化合物蒸氣的熱導率為低，亦即熱能較不易散失，故將支持氣體加入電漿中可以提高電弧室的熱能使用率，大幅縮短低溫啟動(cold start)的時間，使得鑭系元素離子束可以更快的被萃取出來。

為了實現上述與相關的內容，本發明至少包含詳述如下的種種特徵，特別是在申請專利範圍中強調的種種特徵。以下的文字描述與相關的圖示整體地描述本發明的種種面向與具體應用。這些描述與這些圖示，無論如何，這些僅僅是本發明種種可能變化中的某一些變化。本發明之種種目的、種種優點與種種新特徵，可以藉由參考以下詳細描述之實施方式與參照各個圖示而得以發現。

100、100’‧‧‧離子源產生裝置

120‧‧‧蒸發器

110‧‧‧電弧室

130‧‧‧支持氣體供應裝置

第一A圖為本發明鑭系元素離子源產生方法所使用之一離子源產生裝置之一實施例的方塊示意圖。

第一B圖為本發明鑭系元素離子源產生方法所使用之一離子源產生裝置之另一實施例的方塊示意圖。

第二A圖為本發明鑭系元素離子源產生方法之一較佳實施例的流程。

第二B圖為本發明鑭系元素離子源產生方法又一較佳實施例的流程。

本發明將詳細描述如一些實施例如下。然而，除了所揭露之實施例外，本發明亦可以廣泛地運用在其他之實施例。本發明之範圍並不受該些實施例之限定，乃以其後之申請專利範圍為準。而為提供更清楚之描述及使熟悉該項技藝者能理解本發明之發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對之尺寸而繪圖，某些尺寸與其他相關尺度之比例會被突顯而顯得誇張，且不相關之細節部分亦未完全繪出，以求圖示之簡潔。

在隨著半導體製程/元件的開發，使用鑭系元素來進行佈植的需求亦有逐漸增加。一般來說，鑭系元素是以金屬氧化物(或是鹵化物)的粉末型態，經過蒸發器的氣化轉換為氣態後，持續輸入到離子源內部並予以解離成為電漿，在從離子源中將含有鑭系元素離子的離子束萃取出離子源。

但是，使用鑭系元素氧化物(或是鹵化物)來維持離子源內部的電漿時，無可避免地也會在電弧室內部產生氧或氟的離子或原子(或甚至分子)。由於氧或氟之高化學活性，極可能與電漿中的其它離子相互結合產生新的物質而改變電漿的性質，進而影響持續由電漿被拉出之離子束的組成、電流大小以及電流形狀等性質，其也可能與電漿中的其它離子相互結合產生新的物質，沉積在電弧室底部而產生顆粒污染(particle contaminant)，使得過程中需要花時間來清潔電弧室，進而縮短電弧室可使用的效率。氧或氟的離子或原子也可能與電弧室的一或多硬體元件之材料發生反應而形成新的物質在這些硬體元件的表面上，進而影響這些硬體元件之正常運作並縮短這些硬體元件的使用壽命。舉例來說，像是電弧室的殼體，用來萃取離子束的電極，用來激發與維持電漿的電 極，或是電弧室殼體之內表面用以防治腐蝕的墊層(liner)等等硬體都有可能會與氧或氟進行反應，使得電弧室的使用壽命縮短。

本發明所提出的鑭系元素離子源產生方法的基本概念係在電弧室中另外輸入由惰性氣體，例如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)或是氡(Rn)，所組成之支持氣體，藉以提高電弧室中分子碰撞的機率，來改善因為上述反應所產生的副產品所導致的種種問題。次要的，除了增加撞擊來清除電弧室的內表面以及反應電極上的副產品外，於電弧室中加入支持氣體亦可降低電弧室中混合氣體的熱導率，進而縮短低溫啟動(cold start)的時間，使得鑭系元素離子束可以更快的被萃取出來。另外，本發明所提出的鑭系元素離子源產生方法所選用的支持氣體應具有低游離能的特性，使得所選用的支持氣體於電弧室中加熱時，可以釋放出大量的熱電子，以加速電漿的形成，進而增加電漿的穩定性，使得離子束可以持續並且足量地自電漿中抽離。再者，本發明所提出的鑭系元素離子源產生方法所選用的支持氣體可具有低熱導率，使得電弧室中的熱能不易散失，使得低溫啟動的時間縮短，進而加速鑭系元素離子源的產生。

本發明所使用之支持氣體，可以是單一種的惰性氣體，例如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)或是氡(Rn)，也可以其中至少兩種以上惰性氣體的混成，其中惰性氣體混成的比例與方式在本發明中並不設限。首先，選用惰性氣體作為支持氣體是要利用惰性氣體的低化學活性來避免因為加入中間介質而產生副產品的可能性，當電漿的溫度加熱支持氣體時，支持氣體的動能與動量皆會增加，電弧室中分子碰撞的機率會大幅的提升，使用低化學活性的惰性氣體作為支持氣體可減少因分子碰撞產生負產品的可能性，並且得以進而利用分子的碰撞來破壞已生成副產品之結構，使其不能緊密堆積在電弧室內 部，以達成對電弧室的內表面以及反應電極進行清潔的效果。在一較佳的實施例中，本發明選用惰性氣體的平均原子/分子量不小於18amu，例如單一的氬、氪、氙、氡或其中兩者以上的混成，作為支持氣體。當支持氣體的平均原子/分子量不小於不小於18amu時，可以顯著的看到對電弧室中具有清潔的效果，堆積於電弧室底部的白色粉末明顯減少，剝蝕(peeling)的現象也幾乎消失。

其次，選用惰性氣體作為支持氣體是要利用惰性氣體最外層電子數較多，因此惰性氣體經過加熱時有機會釋放出較多的熱電子。由於熱電子持續碰撞佈植氣體有利於電漿的形成，因此惰性氣體作為支持氣體可以穩定電弧室中的電漿，當電漿可以持續形成的時候，離子束便可以持續地自電漿中抽離形成離子源；此外，熱電子亦有維持電弧室中溫度的效果，可以有效提升電弧室的熱效能，縮短離子源低溫啟動的時間。從另一方面來說，選用惰性氣體作為支持氣體也是利用惰性氣體的低游離能的特性，當惰性氣體被加熱時，惰性氣體所吸收的能量超過惰性氣體的游離能時，惰性氣體最外層的電子便會鬆脫離開原本的原子而形成熱電子，因此惰性氣體低游離能的特性也同樣意味著使用惰性氣體作為支持氣體較容易形成熱電子。在一較佳的實施例中，本發明選用惰性氣體的平均第一游離能不高於1600KJ/mol，例如單一的氬、氪、氙、氡或其中兩者以上的混成，作為支持氣體。當支持氣體的平均第一游離能不高於1600KJ/mol時，釋放進入電弧室的熱電子數量足以顯著提升電弧室的熱效能，可以將離子源低溫啟動的時間縮短多達50%。

再者，選用惰性氣體作為支持氣體是要利用惰性氣體低熱導率的特性(低於鑭系化合物氣體的熱導率)，當惰性氣體經過加熱時，惰性氣體的低熱導率會使得電弧室中的熱量不易向外傳開，進而能減少熱量的散失，提升電弧 室的熱效能，縮短離子源低溫啟動的時間。在一較佳的實施例中，本發明選用惰性氣體的平均熱導率不高於0.02W/mK，例如單一的氬、氪、氙、氡或其中兩者以上的混成，作為支持氣體。當支持氣體的平均熱導率不高於0.02W/mK時，支持氣體的加入能顯著提升電弧室的熱效能，有效地縮短從加熱開始到可以萃取出鑭系元素離子束之間的時間。

不同的變化，皆不違反本發明之精神，而是取決於實際應用時怎樣可以達到將副產品影響極小化以盡量延長離子源使用壽命之目的。在本發明未特別詳述的實施例中，熟悉該項技藝者當可使用其他具有相同性質的氣體來作為支持氣體，例如低化學活性的氣體，或是低游離能，或是低熱導率的氣體。換句話說，本發明的精神係在於將化學活性低、具有低游離能且/或熱導率低的氣體加入裝有氣態的鑭系元素化合物的電弧室中，來提供清潔電弧室內壁以及反應電極的效果，並且加速並且穩定電弧室中電漿的產生，使得所萃取的鑭系元素離子束的電流得以穩定，因此本發明所使用的支持氣體並不以單一或混合的惰性氣體為限，只要化學物理性質相似的氣體皆可以達到本發明的效果。

另外，鑭系元素化合物氣體與支持氣體二者的流量/速比例係可以調整，在儘量不影響到自電弧室中的電漿抽出離子束的數量的前提下，本領域具有通常知識者當可以透過調整這二者的流量比來儘可能地降低副產品對硬體所造成的剝蝕。

本發明所提出之鑭系元素離子源產生方法所使用的離子源產生裝置可概述如第一A圖所示之示意圖。請參考第一A圖，第一A圖為本發明鑭系元素離子源產生方法所使用之一離子源產生裝置100之一實施例的方塊示意圖。離子源產生裝置100包含有一電弧室110、一蒸發器120以及一支持氣體供應 裝置130。蒸發器120與支持氣體供應裝置130分別連接到電弧室110。蒸發器120係用來放置固態的鑭系元素化合物，並且對其加熱，使固態的鑭系元素化合物轉換為氣態的鑭系元素化合物氣體，在透過蒸發器120之間的連結傳送至電弧室110。電弧室110係用來將鑭系元素化合物氣體進行解離，使其形成含有鑭系元素離子之電漿，如此便可透過離子束萃取裝置(未繪示)將鑭系元素離子自電弧室110中抽出，形成可用來進行佈植的鑭系元素離子源。支持氣體供應裝置130係用來將支持氣體加入電弧室110中來加速並且穩定電漿的形成。

在另一實施例中，用來實現本發明鑭系元素離子源產生方法的離子源產生裝置可以具有不同的結構。請參考第一B圖，第一B圖為本發明鑭系元素離子源產生方法所使用之一離子源產生裝置100’之另一實施例的方塊示意圖。如第一B圖所示，離子源產生裝置100’與離子源產生裝置100不同之處在於蒸發器120與支持氣體供應裝置130是先連接在一起，然後再一併連接到電弧室110，與離子源產生裝置100中蒸發器120與支持氣體供應裝置130分別連接到電弧室110不同。請注意，上述實施例僅作為範例說明之用，並非作為本發明之限制條件，本發明鑭系元素離子源產生方法對所使用的離子源產生裝置的硬體結構不做限制，只要結構上能夠讓支持氣體以及鑭系元素化合物氣體都能進入電弧室110就可以用來實現本發明鑭系元素離子源產生方法。

本發明所提出之離子源產生方法可以概述如第二A圖所示之流程。首先，如步驟201所示，提供鑭系元素化合物氣體與支持氣體至電弧室18。支持氣體可以是化學活性低、具有低游離能且/或低熱導率的的氣體，例如單一或室兩種以上惰性氣體的混成。接著，如步驟203所示，在電弧室18中解離至少部分鑭系元素化合物氣體以產生電漿。然後，如步驟205所示，將離子束自電漿 引出電弧室18形成離子源。當然，本發明所提出之鑭系元素離子源產生方法，亦可以概述如第二B圖所示之流程。第二B圖與第二A圖大致相似，主要的差別是在第二B圖之步驟204中，鑭系元素化合物氣體與支持氣體皆至少部分被解離而在電弧室18形成電漿。

另外，由於支持氣體是要用來改善因為佈植氣體被解離成電漿所產生之副產品所引起的問題，本發明亦可於鑭系元素化合物氣體與支持氣體輸入電弧室的順序上加以變化，例如可以在鑭系元素化合物氣體被激發成電漿之前便將支持氣體傳輸至電弧室；在另一變化中，也可以在鑭系元素化合物氣體已經被激發成電漿之後才將支持氣體輸入至電弧室；在又一變化中，也可以在鑭系元素化合物氣體不再被激發成電漿時仍輸入支持氣體至電弧室。

必須強調的是，本發明並沒有限制要透過怎樣的方式來調整與控制這些鑭系元素化合物氣體與這些支持氣體之間的比例。舉例來說，本發明可以是由離子佈植機的操作人員，人為操控鑭系元素化合物氣體與支持氣體分別被傳輸進入電弧室的時間關係與流量大小關係。在本發明之未繪示的實施例中，亦可透過內建的/外接的積體電路，或電腦界面，或軔體(firmware)來控制鑭系元素化合物氣體與支持氣體之間的比例。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他為脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍。

步驟 201、203、205

Claims (17)

1. 一種鑭系元素離子源的產生方法，包括下列步驟：使用一蒸發器來加熱一種或多種非氣態的鑭系元素化合物，使得該一種或多種非氣態的鑭系元素化合物轉變為一種或多種氣態的鑭系元素化合物；將該一種或多種氣態的鑭系元素化合物透過可流通至一電弧室之一通道傳送至該電弧室；提供能量給該一種或多種氣態的鑭系元素化合物，使含有鑭系元素離子之一電漿形成於該電弧室中；將至少一種支持氣體透過該通道傳送至該電弧室，其中該支持氣體係提供自一支持氣體供應裝置，且該蒸發器與該支持氣體供應裝置係相連接，並且再一併透過該通道連接到該電弧室；以及將鑭系元素離子自含有鑭系元素離子之該電漿中萃取出來形成一鑭系元素離子束。
2. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體包含單一種惰性氣體。
3. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體兩種以上惰性氣體的混成。
4. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體之平均原子/分子量不小於18原子質量單位(a.m.u.)。
5. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體之平均第一游離能不高於1600KJ/mol。
6. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體之平均熱導率低於該一種或多種氣態的鑭系元素化合物的熱導率。
7. 如申請專利範圍第6項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體之平均熱導率不高於0.02W/mK。
8. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體亦被激發而在該電弧室中形成電漿。
9. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體在該一種或多種氣態的鑭系元素化合物被激發成電漿之前被傳輸至該電弧室。
10. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體在該一種或多種氣態的鑭系元素化合物被激發成電漿後才被輸入至該電弧室。
11. 一種鑭系元素離子源的產生方法，包括下列步驟：加熱一種或多種非氣態的鑭系元素化合物，使得該一種或多種非氣態的鑭系元素化合物轉變為一種或多種氣態的鑭系元素化合物；同時傳送該一種或多種氣態的鑭系元素化合物及至少一種支持氣體至該電弧室；提供能量給該電弧室，使含有鑭系元素離子之一電漿形成於該電弧室中；以及將鑭系元素離子自含有鑭系元素離子之該電漿中萃取出來形成一鑭系元素離子束。
12. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體為氙(Xe)。
13. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該支持氣體為氬(Ar)。
14. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該一種或多種氣態的鑭系元素化合物為含鐿(Yb)元素化合物。
15. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該一種或多種氣態的鑭系元素化合物為含鐿(Yb)元素化合物，且該支持氣體為氙(Xe)。
16. 如申請專利範圍第1項之鑭系元素離子源的產生方法，其中該一種或多種氣態的鑭系元素化合物為含鐿(Yb)元素化合物，且該支持氣體為氬(Ar)。
17. 一種鑭系元素離子源的產生方法，包括下列步驟：加熱一種或多種非氣態的鑭系元素化合物，使得該一種或多種非氣態的鑭系元素化合物轉變為一種或多種氣態的鑭系元素化合物，其中該一種或多種氣態的鑭系元素化合物為含鐿(Yb)元素化合物；傳送該一種或多種氣態的鑭系元素化合物至該電弧室；傳送至少一種支持氣體至該電弧室；提供能量給該電弧室，使含有鑭系元素離子之一電漿形成於該電弧室中；以及將鑭系元素離子自含有鑭系元素離子之該電漿中萃取出來形成一鑭系元素離子束。