一种用于生产离子簇、电离分子和电离单原子的离子源的制作方法

本发明涉及适用于离子注入机的离子源，更具体地，涉及可以在不同应用中产生电离簇，电离分子和电离单原子的离子源配置。

背景技术：

离子源是离子注入机的关键组件。离子源产生离子束，该离子束穿过离子注入机的束线并被传送到半导体晶片。要求离子源为各种不同的离子种类和提取电压生成稳定，轮廓分明的离子束。在半导体生产设备中，包括离子源在内的离子注入机需要长时间运行而无需维护或修理。

离子注入机具有常规使用的具有直接加热的阴极的离子源，其中用于发射电子的灯丝安装在离子源的电弧室中，并暴露于电弧室中的高腐蚀性等离子体中。这种直接加热的阴极通常包括直径相对较小的金属丝，因此在相对短的时间内在电弧室的腐蚀环境中退化或失效。为了改善离子源的寿命，已经开发了间接加热的阴极离子源。间接加热的阴极包括相对较大的阴极，该阴极通过来自细丝的电子轰击而加热并热电子发射电子。灯丝在电弧室中与等离子体隔离，因此使用寿命长。阴极的相对较大的结构确保了长时间的运行。

尽管有这些改进，离子源在某些操作条件下仍可能无法提供令人满意的性能。现有技术的半导体器件需要极低的结深度，这是用低植入物敌人获得的。然而，离子注入机通常被设计用于在相对高的注入能量下有效地操作，并且可能不能在浅结注入所需的能量下有效地起作用。在低植入能量的情况下，传送到晶圆的电流远低于所需的电流，在某些情况下可能接近零。结果，需要极长的植入时间来达到指定剂量，并且对产量产生不利影响。由于离子源在低提取电压下无法高效运行，因此小离子电流可能会传递到晶圆。此外，离子束在通过离子注入机的束线传输时会膨胀，并且离子可能会沿着束线而不是目标半导体晶圆撞击离子注入机的组件。

通过运行较重的分子或原子团簇，可以显着提高低能量生产率。常规的热阴极离子源产生高产量的单原子，但往往会破坏团簇和分子，从而降低了生产率的提高。产生分子和簇的离子源公开在美国专利no.2002年9月17日授予horsky的美国专利6,452,338。所公开的离子源依靠电子束来使分子和簇离子化而不会使它们分解。该专利将电子能量范围描述为20-1200ev，其中最高能量用于完全分解分子并产生多电荷离子。由于该源中缺少等离子体，因此该源的提取电流受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的是，根据现有技术中半导体制造商更喜欢离子注入机在宽范围的注入参数下运行，以减少对多个离子注入机的需求。更具体地说，离子注入机应该在各种离子产生中具有可接受的性能，包括非常低的能量以实现浅结深度。现有技术的离子源具有有限的操作范围。因此，需要改进的离子源和产生离子的方法。

本发明的技术方案是：一种离子源，包括：电弧室壳体限定的电弧室；第一掺杂剂源，被配置为在第一操作模式下向电弧室供应第一掺杂剂材料；第一电子源，被配置为在第一操作模式下电离第一掺杂剂材料；

第二掺杂剂源，其被配置为在第二操作模式下向电弧室供应第二掺杂剂材料；第二电子源，其被配置为在第二操作模式下使第二掺杂剂材料电离，其中离子源在第一操作模式下提供第一掺杂剂材料的离子，并在第二操作模式下提供第二掺杂剂材料的离子；

所述第一电子源被配置为在所述第一操作模式下在相对较低的温度下电离所述第一掺杂剂材料，并且其中，所述第二电子源被配置为在相对较高的第二操作模式温度下电离所述第二掺杂剂材料；

所述第一掺杂剂源包括低温蒸发器，所述第一掺杂剂源被配置为在所述第一操作模式下将所述第一掺杂剂材料的分子供应至所述电弧室；其中所述第一电子源包括位于所述电弧室外部的灯丝和用于将由所述灯丝产生的电子加速到所述电弧室中的加速电极；

述第二掺杂剂源包括气体供应，所述第二电子源包括间接加热的阴极和配置为加热所述间接加热的阴极的灯丝；

还包括：灯丝电源，其提供用于加热所述灯丝的电流；偏置电源，其耦合在所述灯丝和所述阴极之间；以及电弧电源，其耦合在所述阴极和所述电弧室之间；

阴离子源，则包括：灯丝电源，用于提供用于加热所述灯丝的电流；以及加速电源，其耦合在所述加速电极和所述灯丝之间。

所述的离子源，其中，所述第二电子源被配置为在所述第一操作模式下用于所述第一电子源的束流收集器，所述第二电子源在所述第一操作模式下被冷却。

所述的离子源，其中，所述第一电子源被配置为在所述第二操作模式下排斥电子。

所述的离子源，其中，所述第一电子源和第二电子源位于所述电弧室的相对端。

其中，所述第一电子源包括灯丝和位于所述灯丝和所述电弧室之间的灯丝屏蔽，所述灯丝屏蔽件包括用于使由所述灯丝产生的电子通过的多个孔，所述第二电子源包括间接加热的阴极和配置为加热所述间接加热的阴极的灯丝。

一种离子源，包括：限定电弧室的电弧室壳体；

第一掺杂剂源，其被配置为在第一操作模式下向电弧室供应第一掺杂剂材料；

第二掺杂剂源，其被配置为在第二操作模式下向电弧室供应第二掺杂剂材料；和

电子源，包括位于电弧室中的阴极，配置为在通电时产生电子的灯丝和配置为在第一工作模式下将电子引导至电弧室并将电子引导至阴极的控制元件在第二操作模式下加热；

所述电子源被配置为在所述第一操作模式下以相对较低的温度电离所述第一掺杂剂材料，并且其中所述电子源被配置为在以下温度下以相对较高的温度电离所述第二掺杂剂材料。第二种操作模式；所述第一掺杂剂源包括低温蒸发器；

所述第一掺杂剂源被配置为在所述第一操作模式下向所述电弧室供应第一掺杂剂材料的分子；

所述电子源包括位于所述电弧室外部的灯丝和用于将由所述灯丝产生的电子加速到所述电弧室中的加速电极；

所述阴极包括孔，并且其中，所述电子源还包括聚焦电极，以在所述第一操作模式下将电子引导通过所述阴极中的孔进入所述电弧室。

根据本发明，一种离子源包括一个电弧室外壳，该电弧室外壳限定了一个电弧室。第一掺杂剂源，其被配置为在第一操作模式下向电弧室供应第一掺杂剂材料；第二掺杂剂源，其被配置为在第二操作模式下向电弧室供应第二掺杂剂材料；电子源和电子源，该电子源包括位于电弧室中的阴极，配置为在通电时产生电子的灯丝和配置为在第一工作模式下将电子引导至电弧室并将电子引导至电弧室的控制元件。阴极，用于在第二操作模式下对其进行加热。

根据本发明，提供了一种用于在电弧室中产生离子的方法。该方法包括：在第一操作模式下将第一掺杂剂材料供应到电弧室；使用第一电子源在第一操作模式下将第一掺杂剂材料电离；在第二操作模式下，将第二掺杂剂材料供应到电弧室；以及使用第二电子源在第二操作模式下电离第二掺杂剂材料，其中离子源在第一操作模式下提供第一掺杂剂材料的离子并在第二操作模式下提供第二掺杂剂离子。

还可以通过将电子引导到电弧室中，在第一操作模式下使第一掺杂剂材料电离；通过将电子引导至位于电弧室内的阴极以加热阴极，从而在第二操作模式下使第二掺杂剂材料电离。

包括在所述第一操作模式下将所述第二电子源偏置为电子束偏转；包括在所述第一操作模式下冷却所述第二电子源。

包括在所述第二操作模式下偏置所述第一电子源以排斥电子。

还包括在所述第一操作模式下将所述电弧室保持在较低的温度，并且在所述第二操作模式下，将所述电弧室保持在较高的温度。

使所述第一掺杂剂材料电离包括在相对较低的温度下产生分子离子。使所述第二掺杂剂材料电离包括在相对较高的温度下产生原子离子。

根据本发明，一种离子源包括分子离子源，该分子离子源被配置为在第一操作模式下产生分子离子。原子离子源，被配置为在第二操作模式下产生原子离子；以及开关元件，其被配置为在第一操作模式下沿着束线引导来自分子离子源的分子离子，并且被配置为在第二操作模式下沿着束线引导来自原子离子源的原子离子。

所述分子离子源在相对较低的温度下运行，并且其中所述原子离子源在相对较高的温度下运行。所述的离子束发生器，其中，所述开关元件包括可开关磁体，还包括第一和第二阻挡元件，用于分别选择性地阻挡分子离子源和原子离子源的输出。

有益效果：提出了一种离子源和分子离子源，能够减少对多离子注入机的需求。包括提供非常低的能量以实现浅结深度，是一种改进的离子源和产生离子的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，请参考附图，在此通过引用将其并入其中，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的离子源的示意性框图。

图2是根据本发明的第二实施例的电子源的示意性框图，以冷操作模式示出。

图3是图1的电子源的示意性框图(以热运行方式显示)；

图4是根据本发明第三实施例的离子束发生器的示意性框图。

图5是根据本发明的第四实施例的离子束发生器的示意性框图。

图6是根据本发明的第五实施例的离子源的示意图，以冷操作模式示出。

图7是图6的离子源的示意图。在图6中，以热运行模式示出。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的第一实施例的离子源。离子源具有用于产生电离的分子和离子化的簇的冷操作模式，以及用于产生电离的单原子和其他常规物种的热操作模式。热操作模式涉及等离子体的产生，而冷操作模式避免等离子体的产生。

具有引出孔12的电弧室壳体10限定了电弧室14。阴极20的一端定位在电弧室14内。位于电弧室14外部，紧邻阴极20的灯丝30在热工作模式下产生阴极20的加热。阴极20被配置为间接加热的阴极。阴极20和灯丝30在热操作模式下用作电子源。在热操作模式下将被电离的材料从汽化器/气体源40供应到电弧室14。

电弧电源50具有连接到电弧室壳体10的正极端子和连接到阴极20的负极端子。电弧电源50将由阴极20发射的电子加速到电弧室14中的等离子体中。

偏置电源52具有连接到阴极20的正端子和连接到灯丝的负端子。

30.偏置电源52将灯丝30发射的电子加速到阴极20，以在热操作模式下产生阴极20的加热。

灯丝电源54具有连接到灯丝30的输出端子。灯丝电源54产生灯丝30的加热，其继而产生电子，所述电子朝着阴极20加速以加热阴极20。

源磁体(未示出)沿箭头62所示的方向在电弧室14中产生磁场b。通常，源磁体在电弧室14的相对两端包括磁极。源磁体连接到磁体电源(未显示)。在热操作模式下，磁场使阴极20发射的电子与电弧室14中的等离子体之间的相互作用增强。源磁体在冷运行模式下断电。

用于在冷操作模式下操作的电子源100位于电弧室14的与阴极20相反的一端。电子源100包括位于电弧室14外部的灯丝110，位于电弧室14内部的加速电极112以及聚焦灯丝110连接到用于加热灯丝110的灯丝电源120。加速电源122连接在加速电极112和灯丝110之间，用于将由灯丝110产生的电子加速成电子束。聚焦电源124连接在聚焦电极114和灯丝110之间，以通过电弧室壳体10中的开口将电子聚焦到电弧室14中。加速电源122可以将由灯丝110产生的电子加速到大约在大约10nm的范围内的能量。

20-1000电子伏特在冷操作模式下要电离的材料从汽化器/气体源32供应到电弧室14。

图1所示的离子源为离子源。图1提供了一种允许离子源以两种模式运行的有效装置：冷运行模式，其目标是分子和簇的轻度电离和保留，而热运行模式，其等离子体的形成，以及等离子体的完全分解和电离。源的内容是目标。这种布置可以使离子源在注入机的整个性能范围内保持高生产率，而不仅仅是高能量或低能量。基本概念是在电弧室的两端放置电子源。一个电子源可以包括间接加热的阴极，该阴极在热工作模式下用作电子源。另一个电子源包括电子源，用于在冷运行模式下软化离子化送入电弧室的分子。在美国专利no.5,200,200中公开了有关在冷模式下工作的电子源的其他细节。2002年9月17日授予horsky的美国专利6,452,338。任何时候都不使用的电子源可能会偏置以充当推斥极，以改善离子源内的电子寿命。因此，在热模式下，电子源100的部件可以被偏置以用作电子排斥器，而在冷模式下，阴极20可以被偏置以用作电子排斥器。

参考图。如图1所示，冷模式部件140包括汽化器/气体源32，加速电源122，聚焦电源124，灯丝电源120，丝110和聚焦电极114。热模式部件142包括汽化器/气体源40，电弧电源。电源50，偏置电源52和灯丝电源54。电弧室壳体10和相关部件在冷模式和热模式下操作。当离子源在冷模式下操作时，热模式部件142被断电，禁止和/或断开连接。相反，当离子源在热模式下运行时，冷模式部件140被断电，被禁止和/或断开。

参照图1至图5描述本发明的第二实施例。图2和3的实施例。图2和3类似于图1的实施例。除了不需要阴极20和灯丝30以外，电子源100与图1中的电子源100相同，并且电子源100在冷和热操作模式下均产生电子。在图。参照图2和图3，示出了电子源100的基本组件。加速电极112a被配置为具有用于电子束132通过的孔口130的环形阴极。

在图1所示的冷运行模式下，如图2所示，聚焦电极114被偏压到焦点电子束132，从而穿过加速电极112a中的孔130并进入电弧室14(图1)。加速电极112a可以由钨或在冷操作模式下具有良好电子发射的其他材料制成。电子束132在电弧室14中产生电离的分子或电离的簇而不会产生等离子体。

在图2所示的热操作模式下，如图3所示，由灯丝110产生的电子被聚焦电极114散焦，从而撞击加速电极112a。电子产生电极112a的加热并将电子发射到电弧室14中。因此，在热工作模式下，加速电极112a用作间接加热的阴极。

在本发明的另外的实施例中，一种注入器结构使得在注入器上包括一个以上离子源变得方便实用，其中两个离子源的设计和工作原理可能有很大不同。已经开发出簇或分子离子源，其改善了低能量生产率，特别是对于硼。然而，产生高分子离子输出的离子源通常具有较差的常规离子种类，特别是多链离子的产生。分子离子源的选择基本上是制造专用的低能硼工具的选择，这在市场上没有吸引力。这些实施方案解决了如何在保持常规物质的高产量的同时获得分子离子源的低能量生产率益处的问题。

参照图4描述本发明的第三实施例。图4的实施例。图4允许注入机主要使用束线中已经存在的元素在两个离子源的输出之间切换。离子注入机包括常规的原子离子源。将分子离子源添加到注入机。

将分子离子源添加到离子注入机中，例如由variansemiconductorequipmentassociates，inc.制造和销售的vllsta810。将分子离子源添加到一定位置，以便在操作时其输出沿加速柱的轴。在这种情况下，滤波磁铁关闭。因此，滤波器磁铁允许在两个源之间进行选择。当过滤器磁铁打开时，选择常规源；当过滤器磁铁关闭时，选择分子离子源。这是源的优选布置，因为过滤磁体的低质量能量乘积将限制可施加到分子离子源的提取电压。

参考图。参照图4，离子束产生器200产生所需种类的离子束，将离子束中的离子加速至所需能量，并对离子束进行质量/能量分析以去除能量和质量污染物，并提供具有低能量的高能离子束212。能量和质量污染物的水平。离子束发生器200的主要部件包括常规或原子离子源220，分子离子源224，源过滤器230，加速/减速柱232和质量分析仪240。常规离子源220沿输入轴定位。在源滤波器230通电的情况下，对源滤波器230进行检测。分子离子源224沿加速/减速柱232的轴定位，而源过滤器230断电。关于具有单个离子源的离子束发生器的其他细节在美国专利no.renau等人于2000年10月10日发布的美国专利6,130,436。分子离子源224可以是上述美国专利no.5,828,200中所述的类型。例如，us6,452,338。

分子离子源与用于离子注入的所有工艺气体均不兼容。一种源架构可能无法有效地从标准注入气体以及十八硼烷和其他高分子量前驱物气体中产生离子束。在另一个实施例中，系统提供了在两个物理上分开的离子源之间切换离子束而无需机械地移动离子源的功能。在此实施例中，对诸如在vllsta810离子注入机中使用的过滤磁体或预分析磁体进行了修改，以接收来自左右两个不同离子源的电子束。可以通过反转磁体中的磁场来切换所利用的源。一个来源是常规离子源或原子离子源，另一个来源是分子离子源。

参照图6描述本发明的第四实施例。分子离子源300和原子离子源302安装在真空腔室310内。分子离子源300和原子离子源302相对于束轴312以相反的角度设置。过滤磁体320位于下游。真空室310中的分子离子源300和原子离子源302具有相同的作用力。通过使磁体电流的极性反转，可以使由过滤磁体320产生的磁场反转。可移动的法拉第束传感器330可位于分子离子源300的输出处，而可移动的法拉第束传感器332可位于原子离子源302的输出处。束传感器330和332可移动进出路径分别由离子源300和302产生的离子束。滤波器磁体320将由源300或302产生的离子束340输出到离子注入机的束线。

当要使用源302时，调谐束，然后在磁场指向上方(垂直于图5的平面)的情况下打开滤波器磁体320。这使得由源302产生的离子束被过滤磁体320偏转并被引导到离子注入机中。如果切换到源300，则磁场反转以指向下方，并且来自源300的离子束被引导到离子注入机中。可移动的法拉第光束传感器300和332通过阻止未使用的光源输出来使调谐光束保持开启状态。这种布置增加了切换时间。

参照图1至图5描述本发明的第五实施例。图6和7示出了在冷操作模式下作为分子离子源的操作。在图6中示出了在热操作模式下作为原子离子源的操作。

具有抽气孔412的电弧室壳体410限定了电弧室414。可以将不同的蒸发器/气体源连接到电弧室414，以在冷操作模式和热操作模式下进行操作，如以上结合图4所述。

冷却的灯丝屏蔽420和灯丝422位于电弧室414的一端。灯丝屏蔽420具有多个孔424，以使电子从灯丝422传递到电弧室414。灯丝电源426的输出端子连接到灯丝422。电弧电源428具有连接到电弧室壳体410和灯丝422的输出端子。间接加热的阴极430和灯丝432位于电弧室414的相对端。电源50、52和54对应于电源。图1中所示的帘布层50、52和54。参照图1并结合热操作模式进行了上述描述。

在图1所示的冷运行模式下，发动机处于冷却状态。如图6所示，灯丝422产生电子，该电子穿过冷却的灯丝屏蔽420中的孔424并且使电弧室414中的掺杂剂材料电离，从而产生分子离子。在冷操作模式下，阴极430可以被冷却并且可以用作推斥极电极。在冷操作模式下，灯丝422和灯丝屏蔽420用作电子源。

在图1所示的热操作模式下，如图7所示，灯丝432产生电子，该电子加热阴极430，从而在电弧室414内产生电子，并使掺杂剂材料电离以产生原子离子。在热操作模式下，灯丝屏蔽420可以用作推斥极电极。在热操作模式下，灯丝432和间接加热的阴极430用作电子源。

一些离子注入机利用带状离子束进行离子注入。该技术可扩展到使用十八碳硼烷等重气体的分子源。电弧室和接地电极的修改允许分子离子源提取带状离子束，用于离子注入。

当前的带状离子束源技术使分子种类解离并且不能形成大电流分子束。具有适当电弧室设计的分子离子源允许提取具有足够电流的高分子量束，以用于离子注入应用。

已经详细描述了本发明的几个实施例和示例，本领域技术人员将容易想到各种修改和改进。这样的修改和改进旨在落入本发明的精神和范围内。此外，本领域技术人员将容易理解，本文列出的所有参数均是示例性的，并且实际参数将取决于使用本发明的系统的特定应用。因此，前面的描述仅是示例性的，并不意在限制。本发明仅由所附权利要求及其等同物限定。