用于锗和硼离子注入的助气的实施的制作方法

专利名称：用于锗和硼离子注入的助气的实施的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体装置制造和离子注入，并且尤其涉及提高离子注入器中的离子源的性能和延长所述离子源的寿命的方法。
背景技术：
离子注入是在半导体装置制造中为将掺杂物选择性地注入至半导体和/或晶片材料中采用的物理过程。因此，注入的过程不依赖掺杂物与半导体材料之间的化学相互作用。为了离子注入，将掺杂物原子/分子离子化、加速、形成束、解析、扫过晶片，或者将晶片扫过此束。掺杂物离子物理轰击晶片、进入表面并且停留在表面之下，位于与离子的能量相关的深度。参见

图1，离子注入器或离子注入系统典型包括三个区块或子系统:(i)离子源室102，其包含用于输出离子束的离子源，(ii)束线组件110，其包括用于质量解析离子束的质量解析磁铁，以及(iii)处理室112，其包含从束线组件接收离子束的标靶位置，如要由离子束注入的半导体晶片114或其他基板。向更小半导体装置的持续趋势需要用于以低能量传递高束电流的束线架构。高束电流提供必须的计量水平，而低能量允许浅的注入。例如，半导体装置中的源极/漏极节需要这种高电流、低能量应用。离子注入器中的离子源典型地通过在源室102内将其成分之一是所需的掺杂元素的源气离子化并且以离子束的形式抽取离子化的源气。离子源可以采取在高电流离子注入设备中典型采用的感应加热的阴极(IHC)的形式。组成源气的所需的掺杂元素的实例包括硼⑶、锗(Ge)、磷⑵或硅(Si)。例如，源气可以是含氟气体，如三氟化硼(BF3)、四氟化锗(GeF4)、三氟化磷(PF3)或四氟化硅(SiF4)等。
当离子源是用分子源气所操作时，通常产生除了想要注入的物种之外的物种，导致归因于在源气的解离/离子化的过程中产生的这些物种的累积或腐蚀性的离子源故障。这些物质中的某些可能具有极低的蒸气压，并且作为结果在源的内表面上凝结。例如，这些固态沉积物随着时间可能通过改变壁的电特性或部分地阻挡离子源电极孔而干扰离子源操作，从而减小可得的离子电流。在锗和硼离子注入中使用的离子源降低的寿命可以归因于四氟化锗(GeF4)和三氟化硼(BF3)源气的解离过程中自由氟自由基的生成。这些氟自由基与通常用于建构离子源室以便在700°C以上的高操作温度下提供结构整体性的耐火金属如钨和钥反应。在作为卤素循环已知的过程中，六氟化钨(WF6)或氟化钥(MoF6)分子在热表面上分解并且在阴极表面处凝结。WF6和MoF6分子各产生六个另外的自由氟自由基，从而加速WF6和MoF6形成。在不存在还原剂以脱除氟原子的情况下，这些分子不会在室表面上自发分解。钨和钥分子累积在阴极表面上，增加阴极尺寸并且导致从阴极表面的电子发射劣化。此外，离子源室102中过多的自由氟自由基可以导致室壳罩材料和内部构件的腐蚀。易碎的柱状结构堆积并且断开，通过将阴极或反射极桥接至地，或者并射入至导致放电的抽取/抽取抑制高电压场，从而导致放电。之后可以将该材料沿着束线向下传输至晶片。已显示在离子源室内产生的材料或碎屑可能被抽取并传输至基板。这些颗粒对半导体装置产率有直接的影响。移除这些沉积物的一种方法是以下费时的过程:以某些预定间隔从系统移除离子源并且物理清洁该源或者使气体物种流动以溅射清洁电弧室。这方法不是高效的，并且在任一种情况都严重影响工具的生产力。另一种方法是通过使高度反应性的气体流动经过源而原位清洁源，其中选择气体物种以使氟气体自由基在它们可以攻击内部和外部离子源构件之前被捕捉并泵出。

发明内容
下面给出简化概述以便提供对本发明的一个或多个方面的基本理解。本概述不是本发明的广泛综述，并且既非意图指定本发明的关键或重要构成，也不意图描述其范围。相反，本概述的主要目的是以简化形式给出本发明的一些概念，作为之后给出的更详细描述的前序。本发明的各方面通过提供用于提高离子注入器中的离子源的性能的方法而有助于离子注入处理，其中将至少一种助气(co-gas)与含氟掺杂物源气一起引入至离子源室中，该助气与源气的解离并离子化的氟成分反应，以减少对离子源室的损害并增加离子源寿命。在本文公开了用于实施本方法的相关设备和离子注入系统。为了完成前述和相关方面，本发明包括下文完整描述并在权利要求书中特别指出的特征。以下叙述和附图详细给出本发明特定示例性方面和实施。然而，这些只是其中可以采用本发明的原理的多种方式中仅仅数种的表示。当结合附图考虑时，本发明的其他目的、优点、新特征将从本发明的以下详述变得明显。
附图简述图1是适合实施本发明的一个或多个方面的框图形式的离子注入系统。图2A是示例根据本发明的某方面的离子源组件的一个实施方案的离子注入系统。图2B是示例根据本发明的某方面的离子源组件的备选实施方案的离子注入系统。图2C是示例根据本发明的某方面的离子源组件的另外的备选实施方案的离子注入系统。图2D是示例根据本发明的某方面的离子源组件的再另外的备选实施方案的离子注入系统。图3是示例根据本发 明的某方面的方法的流程图。图4是示例在amu-19处的氟峰和在amu_20处的HF峰的图示，其中随着助气的流速增加F的振幅(离子电流)减小并且HF增加。图5是示例归因于从电弧狭缝和电弧室衬里移除因为晶界由氟的腐蚀形成的柱状W的颗粒减少的图示。发明详述现在将参考附图描述本发明，其中遍及全文使用相同的附图标记指代相同的组件。本领域技术人员将明白本发明并不限于下文所示例和叙述的示例性实施和方面。先参考图2，其以框图的形式描述适合用于实施本发明的一个或多个方面的离子注入系统200。系统200包括用于沿束路径产生离子束204的离子源组件202。离子源组件202包括，例如，具有附带的电源208的等离子体源206。等离子体源206可以，例如，包括相对长的等离子体限制室，离子束从所述等离子体限制室抽取并被加速。含氟掺杂气源216的供应经由入口 224连接至离子源室206。掺杂气控制器218操作上控制掺杂气源216至离子源室206的流动和速率。至少一种助气220的供应经由入口 224连接至离子源室206。助气控制器222操作上控制要供应至离子源室206的助气的流动和速率。含氟掺杂气可以包括三氟化硼(BF3)、四氟化锗、(GeF4)、三氟化磷(PF3)或四氟化硅(SiF4)中的一个或多个。至少一种助气可以包括氢(H2)或氪(Kr)中的一个或多个。在离子源室206的操作过程中，将含氟掺杂气源216和至少一种助气220经由入口 224引入至离子源室中。含氟掺杂气源216解离和/或离子化以形成含有掺杂离子和氟离子的带电粒子的等离子体。自由氟离子与氢助气220反应以形成氟化氢分子，使其通过从离子源室体与其构件之间的电弧缝和或间隙逸出而将其从室206移除。将带正电的分子的一部分由抽取电极207抽取并传输至AMU束导引器211。在二种情况下，都将其通过真空栗系统234栗送。图2B-2D示例本发明的备选实施方案。在前面的实施方案中从分开的供应获得含氟掺杂气源和至少一种助气，并且在进入至离子源室206中之前在入口 224中混合，但也预期助气包括多于一种助气，例如氢和氪，助气源可以作为预先混合的产品获得，并且作为单一产品供应至离子源室，如图2B所示。在图2B中，离子注入系统200包括离子源组件202，其包括含氟掺杂物源气216和以单一源226供应的助气的混合物。将含氟掺杂物源气216经由入口 224供应至离子源室206，而掺杂气控制器218控制掺杂气源216至离子源室206中的流动和速率。助气的单一源混合物226经由入口 224进入离子源室206，带有助气控制器222控制混合物226至离子源室206中的流动和速率。虽然图2B的实施方案示例含氟掺杂气源216和助气混合物226通过其进入离子源室206的单一入口 224，但还预期气体源216和助气混合物226可以经由分开的入口进入离子源室，例如，用于气体源216的入口和用于助气混合物226的单独的入口。在离子源室206的操作过程中，将含氟掺杂气源216和助气混合物226经由入口224释放至离子源室206中。含氟掺杂气源解离和/或离子化以形成含有掺杂离子和氟离子的带电粒子的等离子体。自由氟离子与来自助气混合物226的氢离子反应以形成氟化氢分子，将其通过真空泵系统234从室206移除。助气混合物226的氪气被离子化并加速至带负电的阴极和反射极。该撞击使得将阴极和反射极原子从离子源室206内的那些重要表面溅射出来并且再沉积在其他较不重要的表面上。离子化的氪也做为。将离子化的氪经由抽取电极207从电弧室抽取。中性氪离子从电弧室构件之间的电弧缝和其他间隙漏出，并且通过真空泵系统234泵出。
图2C示例另外的实施方案，其中提供分开的入口 219、239、244:入口 219用于源气216，入口 239用于氢助气并且入口 244用于氪助气240。之后将气体216、236、240在离子源室206中混合。含氟掺杂气源216至离子源室206中的速率和流动通过掺杂气控制器218控制。氢助气236经由入口 239进入离子源室206，其速率和流动通过助气控制器238控制。氪助气240经由入口 244进入离子源室206，其速率和流动通过助气控制器242控制。离子源系统200的再另一个实施方案在图2D中示出，其中将掺杂气源和相容的助气混合物作为单一源246提供。含氟掺杂气和助气的单一源混合物246经由入口 250进入离子源室206，带有控制器248控制混合物246至离子源室206中的流动和速率。图3是示例根据本发明某方面的用于提高离子注入器中的离子源的性能和延长所述离子源的寿命的方法300的流程图。方法300在离子注入系统的操作过程中采用至少一种助气，以便有助于当采用含氟掺杂源气时产生的自由氟离子的移除。上面的图和叙述也可以参考方法300用 于进一步描述。方法300在框302处开始，其中供应含氟掺杂物源气和至少一种助气。该方法在306处继续，其中将含氟源气和至少一种助气引入至离子源室中。在308处，将通过阴极发射的电子加速并且在离子源室内将含氟掺杂源气的气体分子离子化，以裂解含氟掺杂气并且产生所需的离子。在310处，使助气与氟离子反应。在312处，抽取离子化的掺杂离子、掺杂物同位素、氟化物和氟化氢。解离并离子化的氟离子成分与至少一种助气反应。在助气包括氢的情况下，将形成氟化氢分子，并且在314处将其从离子源室移除。不带正电的气体将从电弧室漏出，并且之后通过真空泵系统泵出。在316处，将抽取的掺杂离子从离子束注入至工件中，如硅晶片。虽然，为了简化说明的目的，将方法300描绘并叙述为连续执行，应当明白并理解的是，本发明不限于所示次序，因为根据本发明，某些方面可以与本文描绘并叙述的其他方面以不同的顺序出现和/或同时出现。例如，可预期含氟掺杂气和至少一种助气至离子源室中的流动可以同时发生。在另一个实施方案中，预期这些气体的流动可以依序发生，以使得将含氟掺杂气引入至离子源室中，之后是至少一种助气至离子源室中的流动。此外，不是所有所示特色或框都需要用于实施根据本发明的某方面的方法。获得最大束电流和最佳生产力所需的至少一种助气的选定流速可以凭经验建立。相较于含氟掺杂源气太低的助气的流动将不会有效移除自由氟离子以达到提高离子注入器中的离子源的性能和延长所述离子源寿命的益处。太高的助气流动可能导致等离子体中掺杂离子降低的产率，以及可得掺杂离子电流的减少。此外，太高的组合气体的流速将增加源压力，具有至抽取电极电弧放电的增加的风险。因此，适宜的是将最大量的氟自由基移除而不有害地影响束电流。至少一种助气的流速可以通过以下方式预定:确定在不使用助气的情况下传递所需的束电流的配比，并且之后渐增地引入助气流动，直到束电流开始降低。为确保贯穿源的寿命的稳定的束电流性能，可以将该流动设定为低于该阈值一些百分比。此外，该配比可以通过以下方式进一步验证:进行AMU束质谱并且比较不想要的气体上的减少相对与助气反应之后形成的所得气体的增加。以这种方式，助气至离子源室中的速率和流动可以在离子注入系统的操作过程中调节。在图4中，示例了 amu-19处的氟峰和amu_20处的HF峰的示例性图示，其中随着助气流速增加F振幅(离子电流)减小并且HF增加。对于每个水平的助气流动进行质谱分析。首先在不使用助气的情况下优化配比(如通过Osccm的气体流动所示)。参考图4，氟(amul9)的最高峰在amul9处获得，并且最小的HF峰在amu20处。随着助气的流动增加，F峰减小并且HF峰增大。因此，所确定的是在2.5sccm的助气处束电流开始降低，并且做出在2sCCm处运行的决定，以确保贯穿离子源室的寿命的稳定的束电流。图5是示例颗粒归因于将W的柱状形成物从电弧缝和电弧室衬里通过晶界由氟的腐蚀而移除的图示。测量每次注入之后晶片上大于0.065微米的颗粒的量，以及根据本发明的方法的柱状形成物的移除之后颗粒的减少(平均值)。
虽然已关于一个或多个实施示例并叙述本发明，但本领域技术人员在阅读并了解本说明书和附图后会知道等价的变化和修改。尤其关于由上述构件(组件、装置、线路、系统...等)执行的不同功能，除非另外指出，用于描述这种构件的术语(包括提及“方式”)预期对应于进行所述构件的特定功能的任何构件(例如，功能上等价的构件)，即使其在结构上不单价于在本文示例的本发明的示例性实施中进行该功能的所公开的结构。此外，虽然本发明的特定特征可能已关于几个实施中的仅一个公开，但这种特征可以与其他实施的一个或多个其他特征按需要并且有利于任何给定或特别应用组合。此外，在于该详述或权利要求中使用术语“包含”、“含有”、“具有”、“有”、“带有”或其变化用语的范围内，这些术语意图是以类似于术语“包括”的方式成为开放式的。此外，术语“示例”意图给出实例，而不是最好的或较佳的方面或实施。
权利要求
1.一种用于提高离子注入器中的离子源的性能和延长所述离子源的寿命的离子注入系统，所述离子注入系统包括: 离子源组件，所述离子源组件包括掺杂气控制器、助气控制器以及离子源室，所述掺杂气控制器操作上控制含氟掺杂气源至离子源室中的速率和流动，并且所述助气控制器操作上控制助气至离子源室中的速率和流动，其中所述助气与所述含氟掺杂气反应； 束线组件，所述束线组件从所述离子源接收所述离子束并且处理所述离子束；以及 标靶位置，所述标靶位置从所述束线组件接收所述离子束。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述助气控制器将所述助气从一个或多个助气源释放至所述离子源室中。
3.如权利要求2所述的系统，其中将所述助气和所述掺杂气同时释放至所述离子源室中。
4.如权利要求2所述的系统，其中将所述助气和所述掺杂气依序释放至所述离子源室中。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述助气至所述离子源室中的速率和流动的操作上控制是预定的。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述助气至所述离子源室中的速率和流动的操作上控制是在所述离子注入系统的操作过程中调节的。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述含氟掺杂气源包括三氟化硼、四氟化锗、三氟化磷或四氟化硅中的一个 或多个。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述助气包括氢。
9.如权利要求9所述的系统，其中所述助气与所述含氟掺杂气反应以形成氟化氢。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述助气进一步包括氪。
11.一种用于提高离子注入器中的离子源的性能的设备，所述设备包括: 掺杂气控制器，所述掺杂气控制器用于将掺杂气弓I入至所述离子源室中，所述掺杂气包括含氟气体；以及 助气控制器，所述助气控制器用于将至少一种助气引入至所述离子源室中，所述助气与所述掺杂气中的氟反应以提高所述离子源的性能。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述至少一种助气与所述含氟掺杂气反应以产生氟化氢。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述助气包括氢。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述助气进一步包括氪。
15.一种用于提高包括离子源室的离子源的生产力的方法，所述方法包括: 将含氟掺杂气源引入至所述离子源室，用于在所述离子源室中产生等离子体； 将至少一种助气引入至所述离子源室，所述助气操作上与所述等离子体中的氟离子反应，以减少所述离子源室中污染物的形成； 激发所述室内的含氟气体源，以生成解离并离子化的掺杂物和氟自由基成分的等离子体；以及 使所述气体源的解离并离子化的氟成分与所述至少一种助气反应，以减少离子源室的中毒并增加离子源寿命。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述气体源包括三氟化硼、四氟化锗、三氟化磷或四氟化硅中的一个或多个。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述助气包括氢。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述助气进一步包括氪。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述气体源的解离并离子化的氟成分与所述至少一种助气的反应包括形成氟化氢。
20.如权利要求15所述的方法， 所述方法进一步包括将预定量的助气释放至所述离子源室中。
全文摘要
公开的是用于提高离子源的性能和延长离子源的寿命的离子注入系统。将含氟掺杂气源与一种或多种助气一起引入至离子室中。一种或多种助气可以包括氢或氪。助气缓和了由离子源室中的自由氟离子所引起的导致离子源故障的效果。
文档编号H01J37/317GK103222029SQ201180055553
公开日2013年7月24日 申请日期2011年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者奈尔·卡尔文, 谢泽仁 申请人:艾克塞利斯科技公司