专利名称：离子源灯丝和方法
技术领域：
本发明一般地涉及离子植入，更具体地说涉及离子源灯丝以及与之相关联的方法和装置。
本发明的现有技术离子植入是用来把搀杂剂引入半导体材料的传统技术。为了使所需要的搀杂剂气体离子化，电弧放电可以在离子源的电弧室内产生。离子可以从离子源中被提取出来，以形成能对准半导体晶片表面的具有选定的能量的离子束。束中的离子刺入半导体晶片形成植入区域。
一些类型的离子源包括位于电弧室内有电阻的灯丝。为了产生电弧放电，当电压加在灯丝和正电极之间时，电流在灯丝上通过。适当的灯丝可以是用钨或钽制成的。被称为Bernas-型灯丝的传统的灯丝设计包括在其顶端的线圈。其它的灯丝类型和设计也是已知的。
在某些离子植入程序中提高诸如多电荷离子之类的离子的生成效率是符合需要的。例如，提高离子化的效率能够使束电流被增大的离子束能够形成。用来提高离子化效率的技术包括为了提供较多的电弧功率而提高通过灯丝电流或外加的电压。
然而，这样的技术通常导致减少灯丝的使用寿命，这可能牺牲离子注入机的性能而且可能增加费用。
本发明的概述本发明指向离子源灯丝以及与之相关联的方法和装置。
一个方面，本发明提供一种离子源。该离子源包括电弧室和至少有一部分位于电弧室内的灯丝。灯丝包括一对提高非卷曲的顶部结合起来的支臂构件，顶部定义V-形或U-形的形状。
另一方面，本发明提供在离子源中使用灯丝的方法。该方法包括在第一离子源操作条件下使用包括具有第一活性表面区域的活性部分的第一灯丝以第一效率产生离子源气体离子。该方法还包括用第二离子源灯丝代替第一离子源灯丝。第二离子源灯丝包括具有比第一活性表面区域小的第二活性表面区域的活性部分。该方法进一步包括在第一离子源操作条件下使用第二离子源灯丝以比第一效率高的第二效率产生离子源气体离子。
当连同权利要求书一起考虑的时候，其它的方面、特征和优势通过下面的详细描述和附图将变得显而易见。
附图简要说明
图1示意地图解说明可以与本发明的实施方案结合使用的离子植入系统。
图2a示意地图解说明包括传统的灯丝的离子源。
图2b示意地图解说明包括依照本发明的一个实施方案的灯丝的离子源。
图3是依照本发明的一个实施方案的灯丝的侧视图。
图4是图3所示灯丝的俯视图。
图5是比较使用传统的灯丝和在实施例1中描述的本发明的灯丝在各种不同的电弧电压下获得的P++束电流的曲线图。
图6是比较使用传统的灯丝和在实施例1中描述的本发明的灯丝在各种不同的电弧电压下获得的P+++束电流的曲线图。
图7是比较使用传统的灯丝和在实施例2中描述的本发明的灯丝在各种不同的电弧电流下获得的P+++束电流的曲线图。
本发明的详细描述本发明提供离子源灯丝以及与之相关联的方法和装置。该离子源灯丝具有发射电子的表面区域(即活性部分)比某些传统的离子源灯丝小的设计。适当的设计包括灯丝具有V-形或U-形活性部分，而不是在某些传统的离子源灯丝中的那种卷曲的活性部分。如同下面进一步描述的那样，本发明的离子源灯丝能提高离子生成效率，尤其是能提高多电荷离子的生成效率。提高的离子生成效率可以使形成束电流较高的适合植入的离子束成为可能。
典型的离子植入系统10的示意方框图展示在图1中。该系统的离子源12包括接到电弧室16上的离子源的气源14。如同下面进一步描述的那样，电弧放电由于电流在灯丝上经过和对灯丝施加电压而在电弧室中产生。电弧放电包括离子化的离子源气体分子。离子可以从离子源中提取出来，以便形成沿着束路径指向诸如半导体晶片20之类的目标的离子束18。
离子束18借助质量分析磁铁22偏转和聚焦。在质量分析磁铁22的下游，离子束可以被聚焦在质量分辨狭缝组件26的平面中。离子束18被加速器28加速到预期的能量并且撞击在位于终点站29之内的晶片20上。在离子源12和晶片20之间的整个区域在离子植入期间被抽真空。
离子束18可以通过相对射束机械扫描晶片、通过相对晶片扫描离子束或通过这些技术的组合分布在晶片20的表面上。例如，晶片在离子植入期间可以被安装在转盘上。终点站29可以包括用来自动地把半导体晶片加载到一个或多个用于植入的晶片位置上并且在离子植入之后将晶片从所述晶片位置取出的系统。离子植入系统可以包括未被展示但本领域技术人员众所周知的其它的组成部分，例如剂量测定系统、电子泛射系统(electronflood system)和倾斜角监视系统等。
图2A展示包括具有传统设计的灯丝32a的离子源电弧室30。在这个说明性的实施方案中，灯丝32a包括卷曲的顶部34a。图2B展示包括具有依照本发明的设计的灯丝32b的离子源电弧室30。灯丝32b包括呈V-形的非卷曲的顶部34b。灯丝32a、32b各自的活性部分36a、36b在电弧室内延伸距离A。如同在本文中使用的那样，术语“活性部分”指的是灯丝位于电弧室内的部分。活性部分36a和36b具有相似的直径，但是活性部分36b的总长度比活性部分36a的长度短。所以，活性部分36b的表面积比活性部分36a的表面积小。如同下面进一步描述的那样，比较小的活性表面区域使本发明的灯丝(例如，32b)能够以比传统的灯丝(例如，32a)高的效率产生离子。
人们应该理解本发明的灯丝设计还可以包括比传统的顶部设计不包括卷曲的灯丝小的活性表面区域。
在使用期间，来自气源14的气体分子(图1)通过口38送入电弧室。电流通过灯丝32a(32b，图2b)，使活性部分36a(36b，图2B)升温并且从其表面热离子发射电子。例如介于大约30伏和大约150伏之间的电压(即电弧电压)被加在灯丝和正电极(例如室壁)之间。从灯丝发射出来的电子与气体分子碰撞，产生包括离子源气体离子的电弧放电。为了增加装置内的电子路径和增加在电弧室内与气体分子碰撞的可能性，还可以施加垂直于电场的磁场。如同前面描述的那样，离子源气体离子可以被提取出来以形成离子束18(图1)。
据信，与活性部分36a相比活性部分36b较小的表面区域使活性部分36b在相同的操作条件下(即，灯丝电流，电弧电压等)被加热到比活性部分36a高的温度。较高的温度导致较高能量的电子从活性部分36b热电子发射出来。较高的电子能量能增加能够使气体分子离子化的碰撞的频率。因此，与在相同的条件下操作的灯丝32a相比，较高的离子化效率可以通过使用灯丝32b得以实现。
此外，还据信，因为活性部分36b与活性部分36a相比具有比较小的表面积，所以来自活性部分36b的电子发射与来自活性部分36a的相比被局限于比较小的区域中。因此，活性部分36b周围的区域与活性部分36a周围的区域相比电子密度有所增加。增加的电子密度提高了那个区域中的离子源气体分子被多次离子化的可能性，例如，经由与一个或多个电子高能碰撞。这也被认为是在相同的操作条件下与灯丝32a相比提高了灯丝32b的离子化效率，尤其是就多电荷离子的生成而论是如此。
使用本发明灯丝能实现的较高的离子化效率通常是在不牺牲灯丝寿命的情况下获得的。这代表超过某些用来提高离子化效率的传统技术(例如那些涉及通过可能减少灯丝寿命的增大电弧电流和/或电弧电压来增加电弧功率的技术)的优势。
本发明的灯丝尺寸部份地取决于使用它们的系统和工艺。通常灯丝具有与传统的灯丝设计相似的横截面积并且进入电弧室延伸相同的距离(例如，图1中的A)是符合要求的。这能增加本发明的灯丝与现有的离子植入系统的相容性并且有助于用本发明的灯丝替代传统的灯丝。如同前面描述的那样，本发明的灯丝与传统的灯丝相比可以有被减少的活性部分长度。在一些实施方案中，本发明的灯丝(例如，32b)的活性部分长度是传统灯丝(例如，32a)的活性部分长度的大约50％至大约80％。在一些实施方案中，本发明的灯丝的活性部分长度是传统灯丝的活性部分长度的大约60％至大约70％。例如，活性部分长度大约为1.3英寸的本发明的灯丝能用来代替活性部分长度大约为2.0英寸而且包括卷曲的顶部的传统灯丝。
然而，人们应该理解在一些实施方案中本发明的灯丝可以具有与传统灯丝相同的长度。在这些实施方案中，本发明的灯丝的较小的活性表面区域可以作为较小的横截面积的结果。
图3和4进一步图解说明依照本发明的一个实施方案的灯丝42的设计。如图所示，灯丝42包括通过V形的顶部48结合起来的实质上平行支臂构件44，46。在其它的实施方案中，顶部可以是U形的和/或可以定义曲率半径。在其它的实施方案中，顶部可以有其它的形状。支臂构件不平行也是可能的。
在图3和4的实施方案中，支臂构件44，46定义的第一平面B与顶部48所定义平面C相交，形成角度D。这种设计可以有助于顶部48在电弧室中定位于靠近气体入口的地方，这在某些情况下可能是优选的。因为顶部48通常是灯丝最热的部分，所以使顶部位于气体入口附近能够增加这个区域中发射的电子的密度，从而能提高离子化效率。
人们还应该理解在本发明的一些实施方案中支臂构件44、46和顶部48可以在同一平面中。
与本发明一起使用的灯丝可以是用钨、钽、或其它技术上已知的适当的材料制成的。
本发明的灯丝可以被用在任何适当的离子植入系统中。这种灯丝可以提高任何类型的离子源气体的离子化效率。然而，这种灯丝对于增加来自具有高电离电位的离子源气体(例如氦)离子的生产或者对于增加多电荷离子的生产可能是特别有用的。具体地说，He++的生产效率可以通过使用本发明的灯丝得以提高。在一些实施方案中，在电弧室内可以提供气体混合物并且使之离子化。例如，在一些实施方案中，为了进一步增加氦的电离电位，在电弧室内提供氦气/第二种气体的混合物可能是符合需要的。适当的氦混合物和工艺已有描述，例如，在2002年4月3日申请的以“Helium Ion Generation Mothed and Apparatus(氦离子的生成方法和装置)”为题的共同拥有的未审的美国专利申请(尚未分配序列号)中，其揭示在此通过引证被全文并入本文。
本发明将通过下面实施例予以进一步的举例说明，这些实施例本质上是说明性的，不被看作是限制本发明的范围。
实施例1这个实施例说明用使用本发明的与传统灯丝相比活性表面区域有所减少的灯丝的离子源生产包括多电荷氦离子(He++)的离子束。
来自Varian Semiconductor Equipment Associated，Inc.(VSEA)，(Gloucester MA，USA)的EHPi-500型中等强度电流的离子注入机经过改造后包括250伏特(V)和4安培(A)电弧电源并且允许大约3倍于市售机器配置所允许的大约10托的最大值的气体压力。这台注入机改造后还允许50A的离子源磁铁电流和高达25毫安(mA)的引出电流。
注入机中所用的灯丝具有与通常在这台离子注入机中使用的包括卷曲顶部的传统的Bernas型灯丝相同的直径和活性部分伸入电弧室的距离。所用灯丝的活性部分的总长度是大约1.3英寸(3.3cm)，比用于传统灯丝的2.0英寸(5.1cm)短。
氦被用作离子源气体。离子源在大约240伏特的电弧电压、大约4.3安培的电弧电流、大约25托的源压力和大约15毫安的引出电流下操作。在这些操作条件下，大约47μA的He++调定束电流被测量。这个调定束电流在目标晶片转变成大约40μA的He++电流。
表1展示其它的操作条件和实测的He+和He++的调定束电流。
表1
实施例2这个实施例说明依照本发明使用活性表面区域相对传统的灯丝有所减少的灯丝所获得的被增加的束电流和离子化效率。
采用在实施例1中描述的离子注入机。采用磷气源。在一组试验中使用传统的灯丝(2.0英寸活性部分)。在另一组试验中使用表面区域被减少的灯丝(1.3英寸活性部分)。传统的灯丝和表面区域被减少的灯丝具有相同的直径并且深入电弧室同样的距离。
采用两种灯丝的试验是在大约3.85托的气体压力和大约4安培的电弧电流下进行的。在两组试验中，电弧电压都是从大约20伏特增加到150伏特。P++离子和P+++离子的束电流是按每个10伏特增量进行测量的。图5将使用传统灯丝获得的P++离子的束电流与使用表面区域被减少的灯丝获得的P++离子的束电流进行比较。图6将使用传统灯丝获得的P+++离子的束电流与使用表面区域被减少的灯丝获得的P+++离子的束电流进行比较。如图5和6所示，使用表面区域被减少的灯丝获得的P++离子和P+++离子的束电流大于那些使用传统灯丝获得的束电流。这表示使用表面区域被减少的灯丝获得增强的磷离子化。
采用两种灯丝的附加组的试验是在大约3.85托的气体压力和大约120伏特的电弧电压下进行的。在两组试验中，电弧电流都是从大约0安培增加到大约4.5安培。P+++离子的束电流是按每个0.5安培增量进行测量的。图7将使用传统灯丝获得的P+++离子的束电流与使用表面区域被减少的灯丝获得的P+++离子的束电流进行比较。如图7所示，使用表面区域被减少的灯丝获得的P+++离子的束电流大于那些使用传统灯丝获得的束电流。这表示使用表面区域被减少的灯丝获得增强的磷离子化。
上面的描述和实施例倾向于是说明性的和并非穷尽的。对于本领域技术人员这种描述将提出许多变化和替代方案。所有这些替代方案和变化都倾向于被包括在权利要求书的范围之中。本领域技术人员将承认在此描述的特定的实施方案的其它等价方案，这些等价方案也倾向于被权利要求书囊括。此外，在独立的权项中提出的具体特征可以在本发明的范围内以其它方式相互结合，以致本发明也应该作为明确地指向具有权项特征的任何其它的可能组合的其它的实施方案被辨认。
权利要求
1.一种离子源，其中包括电弧室；以及至少有一部分位于电弧室中的灯丝，该灯丝包括一对通过非卷曲的顶部结合起来的支臂构件，顶部定义V-形或U-形的形状。
2.根据权利要求1的离子源，其中支臂构件是通常平行的。
3.根据权利要求1的离子源，其中支臂构件定义第一平面，而且顶部定义与第一平面呈锐角相交的第二平面。
4.根据权利要求1的离子源，其中灯丝是用钨或钽制成的。
5.根据权利要求1的离子源，进一步包括在室中形成的离子源气体入口。
6.根据权利要求5的离子源，其中顶部是灯丝到离子源气体入口最近的部分。
7.根据权利要求1的离子源，其中灯丝的活性部分延伸到电弧室之中。
8.根据权利要求1的离子源，进一步包括离子源的气源。
9.根据权利要求1的离子源，其中离子源气体是氦。
10.根据权利要求1的离子源，其中离子源气体是氦和第二种气体的混合物。
11.一种操作离子源中的灯丝的方法，其中包括在第一离子源操作条件下使用包括具有第一活性表面区域的活性部分的第一灯丝以第一效率产生离子源气体离子；用第二离子源灯丝代替第一离子源灯丝，第二离子源灯丝包括具有比第一活性表面区域小的第二活性表面区域的活性部分；以及在第一离子源操作条件下使用第二离子源灯丝以比第一效率高的第二效率产生离子源气体离子。
12.根据权利要求11的方法，其中第二离子源灯丝的活性部分的总长度小于第一离子源灯丝的活性部分的总长度。
13.根据权利要求12的方法，其中第二离子源灯丝的活性部分是第一离子源灯丝的活性部分的总长度的大约50％到大约80％。
14.根据权利要求12的方法，其中第二离子源灯丝的活性部分是第一离子源灯丝的活性部分的总长度的大约60％到大约70％。
15.根据权利要求11的方法，其中第二离子源灯丝的活性部分的横截面积与第一离子源灯丝的活性部分的横截面积相同。
16.根据权利要求11的方法，其中第二离子源灯丝的活性部分的总长度与第一离子源灯丝的活性部分的总长度相同，而第二离子源灯丝的活性部分的横截面积小于第一离子源灯丝的活性部分的横截面积。
17.根据权利要求11的方法，其中第二离子源灯丝包括一对通过非卷曲的顶部结合起来的支臂构件。
18.根据权利要求17的方法，其中非卷曲的顶部定义V-形或U-形的形状。
19.根据权利要求17的方法，其中支臂构件定义第一平面，而顶部定义与第一平面呈锐角相交的第二平面。
20.根据权利要求11的方法，其中第一离子源灯丝包括卷曲的顶部。
21.根据权利要求11的方法，其中所产生的离子源气体离子是带多电荷的。
22.根据权利要求11的方法，其中所产生的离子源气体离子是氦离子。
23.根据权利要求11的方法，其中离子源气体包括氦。
全文摘要
这项发明提供离子源灯丝以及相关联的方法和装置。这种离子源灯丝具有与某些传统的离子源灯丝相比发射电子的表面区域(即活性部分)较小的设计。适当的设计包括具有V－形或U－形活性部分的灯丝，而不是在某些传统的离子源灯丝中的那种卷曲的活性部分。这项发明的离子源灯丝能提高离子生成的效率，尤其是多电荷离子的生成效率。这种提高的离子生成效率可以使形成具有适合植入的较高的束电流的离子束成为可能。
文档编号H01J37/08GK1526154SQ02807672
公开日2004年9月1日 申请日期2002年4月3日 优先权日2001年4月3日
发明者詹米·M·雷耶斯, 詹米 M 雷耶斯 申请人:瓦里安半导体设备联合公司