具有镓离子的离子束的产生方法及其装置与流程

本发明涉及一种离子源，且尤其涉及一种与半导体制造有关，用以产生镓(Ga)离子的材料系统以及装置。

背景技术：
加工技术(processingtechnique)，例如是离子植入(ionimplantation)，提供使用多种物种(species)来加工基板(substrate)的能力。在离子植入系统中，可用的多种离子源包括固体、液体以及气体型(gas-based)的离子源。对于许多离子物种而言，多种气态前驱物(precursor)可被用于作为加工基板的材料的来源(source)。然而，对于一些离子物种而言，其不存在气态前驱物，或其存在的气态前驱物产生低的束电流(beamcurrent)。对于那些缺乏有效的(effective)气态前驱物的离子物种而言，液体和/或粉末前驱物可能是可用的，但这些前驱物需要使用蒸发器(vaporizer)来产生用于离子源的气相物种，并从此离子源提取离子。达成上述前驱物的另一种方法是使用固体靶材(solidtarget)，此靶材可被插入到离子源腔室(chamber)。在此种设置(configuration)中，可在离子源腔室中使用选择的离子物种来产生等离子体(plasma)，此离子物种例如是惰性气体离子。固体靶材可作为等离子体离子的溅镀(sputtering)靶材，其中，等离子体离子加速朝向靶材并从靶材溅射出原子或原子团。然而，若靶材是介电材料，施加于靶材的直流偏压(dcbias)将无法让靶材产生偏压(biasing)，这使得等离子体与靶材之间的有效电位降(potentialdrop)相当于等离子体电位与浮动的自偏压电位(selfbiaspotential)间的差异，此自偏压电位在介电靶材(dielectrictarget)的表面上形成。此电位(其伏特(volts)相当于单电荷离子的离子能量的eV)通常在数伏特到数十伏特的范围内，导致离子以可小于100eV的能量撞击(striking)靶材。由于对于多数材料来说，其溅射率(sputteryield)在此能量范围内是低的，所以需要采用结合等离子体的蚀刻气体(etchantgas)，以增加靶材原子变为气相的产生速率(yieldrate)。镓离子早已被用来在聚焦离子束(focusedionbeam)加工上，其中镓离子来自液体源(liquidsource)。然而，这可能不适合在一个相对较大的区域内需要高电流密度(currentdensity)的系统。在固体靶材的情况下，由于元素金属的低熔融温度(meltingtemperature)，使固体镓靶材不易用于离子源。从上述的观点而言，很明显地，改善镓离子源是需要的。

技术实现要素：
在一实施例中，一种镓离子束的产生方法，其包括在等离子体腔室中提供镓化合物靶材(galliumcompoundtarget)，此镓化合物靶材包括镓以及至少一种额外元素(element)。镓离子束的产生方法还包括在等离子体腔室(plasmachamber)中，使用至少一种气态物种(gaseousspecies)来启动等离子体，以及提供气态的蚀刻物种源(asourceofgaseousetchantspecies)，气态的蚀刻物种源可用来与镓化合物靶材反应，以形成挥发性镓物种。在一实施例中，一种具有镓离子的离子束的产生方法，其包括在等离子体腔室中提供至少部分的镓化合物靶材，此镓化合物靶材包括镓以及至少一种额外元素。具有镓离子的离子束的产生方法还包括在等离子体腔室中，使用至少一种气态物种来启动等离子体，以及提供气态的蚀刻物种源与镓化合物靶材反应，以形成挥发性镓物种。在其他实施例中，一种产生镓离子束的装置包括等离子体源，在等离子体腔室中产生等离子体，此等离子体具有至少一种气态物种。产生镓离子束的装置还包括至少部分配置(diposed)在等离子体腔室中的镓化合物靶材，此镓化合物靶材具有镓以及至少一种额外元素，其中一种或多种的前述至少一种气态物种与镓化合物靶材相互作用，以产生气态的蚀刻物种，此气态的蚀刻物种可用来与镓化合物靶材反应，以形成挥发性含镓(gallium-containing)物种。附图说明图1显示了一实施例中的离子源。图2显示了符合本实施例的产生镓离子的情况。图3显示了氮化镓的溅射率曲线。图4显示了磷化镓的溅射率曲线。图5显示了砷化镓的溅射率曲线。图6显示了由遭受等离子体的砷化镓靶材所产生的离子物种。图7显示了氧化镓的溅射率曲线。图8显示了符合一实施例的由遭受等离子体的氧化镓靶材所产生的离子物种。图9显示了符合另一实施例的由遭受另一等离子体的氧化镓靶材所产生的离子物种。图10显示了一例示性的离子植入系统。【符号说明】100：离子源102：靶材座104：靶材106：阴极108：灯丝110：斥拒极112：提取孔114：斥拒极116：腔室118：等离子体202：离子204：中性物种205：电子206：等离子体鞘边界208：镓原子210：含镓气态物种600：质谱800：质谱1000：系统1001：电源1002：离子源1004：电极1005：束1006：质量分析磁铁1008：减速台1010：校正磁铁1012：第二减速台1014：支件具体实施方式本发明的实施例提供改良的镓离子源。在多个实施例中，改良的源可包括等离子体类型离子源(plasma-basedionsource)的固体镓化合物靶材与大气气体物种(ambientgasspecies)的新颖组合，例如是间接加热阴极(indirectlyheatedcathode，IHC)离子源。本实施例可用于例如是离子植入系统，此系统包括束线离子植入系统(beamlineionimplantationsystem)，在此束线离子植入系统中，镓离子从离子源提取(extracted)并朝靶材提供。特定的实施例指用于间接加热阴极源或采用固体靶材的其他等离子体型离子源的靶材/气体的组合。虽然已经采用镓离子于聚焦离子束的技术，基于上述原因，高电流与高产出量(throughput)的镓离子源已经发展落后。在一高电流应用的实例中，镓可用作例如是硅的IV族半导体的受体型(p型)掺质(dopant)。然而，相较于镓而言，传统商业用离子植入系统更着重于以硼(boron)作为p型掺质。高电流镓离子源的发展，可让在大型基板中以镓作为掺质的使用更加容易，此使用例如是商业化半导体晶圆制造。特别地，本实施例提供固体镓型(gallium-based)靶材材料，此材料可与各种蚀刻气体结合使用，以在离子源中产生镓离子，此离子源适于提供离子植入用的离子。图1显示了例示性的离子源100，此离子源包括靶材座(targetholder)102、靶材104以及阴极106。在一些实施例中，如图1所示，阴极106可为由灯丝(filament)108加热的间接加热阴极。离子源100还包括斥拒极(repeller)110以及提取孔(extractionaperture)112。离子源100的操作可与传统IHC离子源的操作类似。举例而言，偏压电源(biaspowersupply)(未显示)可具有连接到阴极106的正端(positiveterminal)以及连接到灯丝108的负端(negativeterminal)。偏压电源使得由灯丝108发射(emitted)的电子加速至阴极106，以产生阴极106的加热。此外，未显示的灯丝电源(filamentpowersupply)可加热灯丝108，因而产生朝阴极106加速的电子，并从而导致加热。提取孔112可包括提取电极(extractionelectrode)以及抑制电极(suppressionelectrode)(皆未显示)，如本技术领域中已知，此二电极对准(alignedwith)提取孔112。当离子源100在操作时，灯丝108藉由灯丝电流IF被电阻加热(heatedresistively)至热离子发射温度(thermionicemissiontemperatures)，此温度的级数(order)例如是2200℃。由灯丝108发射的电子藉由灯丝108与阴极106之间的偏压VB加速，此加速电子轰击(bombard)阴极106并加热阴极106。由阴极106发射的电子藉由电弧电压(arcvoltage)加速，此电弧电压可施加于离子源100的等离子体腔室，且可在腔室116中游离(ionize)从气体源(gassource)114接收的气体分子，从而形成等离子体118。由于入射电子而使斥拒极110积聚负电荷，斥拒极最终并具有足够的负电荷使电子斥退回腔室116，产生额外的游离碰撞(ionizingcollision)。为产生被提取孔112所提取的镓离子，靶材104可提供镓源，此镓源被传输至腔室116、游离化后，接着加速通过提取孔112。本发明人已经确定一套标准以及这些标准的新颖组合，以发展出镓化合物靶材/气态物种系统，此系统可用于镓离子源。镓化合物可用作离子源中的固体靶材，离子源例如是IHC离子源，此镓化合物可实现一个或多个所期望的参数(parameter)。举例而言，用作靶材材料的镓化合物具有高溅射速率(sputteringrate)。高溅射速率表示当遭受(subiectedto)来自离子源等离子体的离子轰击时，含镓材料将从靶材表面溅射出来(经由动量转移过程而喷射出(ejected))。通过这种方式，对于在离子源的等离子体中给定的溅射离子密度而言，可产生相对较大数目的镓离子。另一个可达到的参数是，镓与化合物靶材(compoundtarget)的其他构成(constituent)之间的溅射率(sputteryield)差别不大。在许多已知的化合物靶中，溅射会造成靶材组分(composition)上的变化，其原因在于一种成分(component)相较于另外一种成分优选地被移除。此过程可导致被移除的材料其组分的不稳定飘移(drift)，且可造成靶材表面的不良(undesirable)变化。在离子源腔室中，维持稳定的靶材组成不是所关心的事，此处可期望从靶材产出较靶材其他成分较高比例(fraction)的镓，以便从溅镀靶材材料产生包含较高比例的镓的离子。另一个所期望的参数是，用作靶材的镓化合物具有高熔融温度(meltingtemperature)。高熔融温度促进离子源上的使用，离子源例如是IHC源，在IHC源中的靶材可大幅被加热。此参数排除了低熔点材料的使用，低熔点材料例如是上文所述的镓金属。产生于离子源中的气态含镓物种不会形成可沉积在离子源内的固体副产物。可期望的是，避免离子源内不想要的表面沉积。另一个需要考虑的参数是，镓化合物材料可容易地受到一种或多种由等离子体提供的物种的化学蚀刻。图2显示了符合本实施例的从镓化合物靶材104产生镓离子的例示性过程。在显示的实施例中，等离子体118包括(正电)离子202、中性物种204以及电子205(负电)。当离子到达等离子体鞘边界(plasmasheathboundary)206时，离子可用相当于等离子体与靶材之间电位降(potentialdrop)的能量，加速跨越鞘(sheath)并撞击靶材104。对于绝缘的靶材(insulatingtarget)而言，这种在IHC等离子体中的电位降通常可为数伏特到数十伏特。因此，离子202可用通常小于约100eV的能量撞击靶材104。在这种离子能量的范围内，溅射率通常显著地低于适用多数材料的最高(maximum)溅射率，此最高溅射率通常可发生在离子能量为1,000V至10,000V的范围内。因此，对于每个入射到靶材上的离子202而言，其藉由溅射来从靶材104移除的镓原子208的数目可相对地低。因此，提供额外的来源(additionalsource)来从靶材104移除镓可为有用的。在一些实施例中，用以移除镓的额外的来源可为气态的蚀刻物种的形式，此气态的蚀刻物种可用来与镓化合物靶材反应，以形成挥发性镓物种。换句话说，挥发性镓物种可为从靶材104的表面解离(dissociate)的含镓物种，以形成可进入等离子体118中的气态分子。气态的蚀刻物种可为离子、中性粒子(neutral)或两者兼具。如图2所显示，举例而言，中性物种204可在靶材104的表面与镓原子208反应，形成含镓气态物种210。在一实例中，挥发性镓物种(也就是含镓物种210)可为GaF2，可藉由在靶材104表面的镓与含氟(fluorine-containing)物种的反应而形成GaF2，将在下文进行讨论。在多个实施例中，详述见下文，气态的蚀刻物种源可为供给到离子源腔室的气体和/或可为镓化合物靶材本身的成分。本发明人已对多种镓化合物进行研究，以致发现用于高电流镓离子源的新颖材料系统，详述见下文。图3显示了例示性的氮化镓(GaN)的模拟溅射率，其呈现出超过2000℃的高熔融温度，并因此GaN是用于IHC源的潜在候选。如图所显示，在1000eV时，GaN呈现相对高的平均溅射率(averagesputteryield)，其平均溅射率的级数接近1，且即使在100eV，GaN仍具约0.2的可观(appreciable)溅射率。此外，氮(N)与镓(Ga)之间的相对溅射率约略相等，说明GaN靶材在等离子体溅镀的设置中可相对稳定。图4显示了例示性的磷化镓(GaP)的模拟溅射率，呈现出相对高的溅射率，且由镓优选地被溅射导致溅射率的差别只有相对小。举例而言，在约1100eV时，GaP呈现的溅射率接近1。然而，已知GaP在约900℃时会解离。此外，已观察到GaP会在用于溅镀GaP的等离子体腔室内沉积不想要的(unwanted)磷材料。图5显示了例示性的砷化镓(GaAs)的模拟溅射率，其呈现出约1238℃的高熔融温度，因此GaAs也是用于IHC源的潜在候选。GaAs的各个构成的溅射率也相对较稳健(robust)，例如相较于GaP而言。特别地，图6显示了离子束的质谱(massspectroscopic)量测结果，此离子束从包含固体GaAs靶材的离子源所提取。藉由量测从采用GaAs靶材的离子源所提取的离子，对此现象进行研究。与GaAs靶材结合使用的等离子体包括三氟化氮(NF3)气体。质谱(massspectrum)600包括代表不同Ga与As物种的多个峰值(peak)，这些Ga与As物种包括69Ga+、71Ga+、69Ga2+、7iGa2+、69Ga+、75As+、75As2+以及75As3+。如从质谱600中所显而易见，As的相对含量(relativeabundance)明显地大于Ga的相对含量。也已研究其他材料，此材料包括氧化镓型(galliumoxidebased)的靶材。举例而言，化合物氧化镓(Ga2O3)具有1900℃的熔融温度，因此非常适合用于在产生高温的离子源环境(ambient)中操作，此离子源环境例如是IHC离子源。特别地，图7显示了例示性的Ga2O3的模拟溅射率结果(以下也仅称作“氧化镓”)。虽然在氧化镓化合物靶材中的镓的整体溅射速率低于在砷化镓、在磷化镓以及在氮化镓中，但氧化镓材料是热稳定的，且不会形成可能不期望沉积在离子源中的固体副产物。根据各种实施例，呈现了用以产生稳定且高电流镓离子源的气态物种与镓化合物靶材的新颖组合。虽然，对于在等离子体型离子源中操作，期望固体靶材要产生高溅射率的镓，以产生足够的镓来提供高镓离子束电流(ionbeamcurrent)，然而在产生(create)镓离子的高电流时，也应考虑其他因素。举例而言，正如前文所提到，作为化学蚀刻剂(chemicaletchant)的物种可有效地与镓原子反应，以产生挥发性含镓气态物种。无论是透过溅射，或透过形成挥发性含镓气态物种，一旦镓物种离开镓化合物靶材的表面，镓物种将在离子源等离子体中遭受游离。取决于等离子体构成的组分，镓物种相对于其他气相物种的游离可得到提升。因此，在多个实施例中，其揭露了镓靶材与气态物种的结合，此结合在镓化合物靶材上产生结合了镓物种的选择性游离(selectiveionization)的溅射与化学蚀刻结合物。图8呈现从离子源所提取的离子束的质谱量测结果，此离子源包含遭受含三氟化硼(BF3)的等离子体(BF3-containingplasma)的固体氧化镓靶材。在此例示性实施例中，将氧化镓靶材置于离子源腔室中，在此离子源腔室中引入BF3气体并在此产生等离子体。除了提供可从氧化镓靶材溅射出镓原子的离子外，含BF3的等离子体还提供来自BF3分子的蚀刻物种。这些物种可用来从固体氧化镓靶材蚀刻出镓，从而产生足够的镓来供给镓离子的高电流。图8中的质谱800显示代表不同Ga物种的多个峰值，这些Ga物种包括69Ga+、71Ga+、69Ga2+、71Ga2+，以及多种含氧物种与含氟物种。可以明显地看出，相对于由前述含氧物种与含氟物种所产生的非镓离子束电流而言，镓离子束电流(个别镓离子峰值的总和)相对较大。在离子束中量测到的镓离子，其可以下列方式产生：一些Ga物种从固体氧化镓靶材溅射出来并喷射(ejected)进入离子源等离子体中，而其他Ga物种则被来自BF3气体的物种化学蚀刻出来，形成进入离子源等离子体的气态含镓物种。离子源等离子体中的镓中性物种藉由与高能(energetic)物种碰撞而在此等离子体中被游离，其后此游离的物种可经由提取系统(例如是提取孔112)被提取，以形成镓离子束。特别地，BF3可根据以下机制在等离子体中产生含镓物种。在第一步骤中，BF3气态物种在等离子体中解离而可产出多种产物，产物包括原子的氟(F)气体物种。来自氧化镓靶材的镓原子的蚀刻以及随后镓离子的产生可以下列方式进行：Ga(s)+2F(g)＞GaF2(g)(1)GaF2(g)+e＞GaF(g)+F(g)+e(2)GaF(g)+e＞Ga(g)+F(g)+e(3)Ga(g)+e＞Ga++e+e(4)在Ga与F于放电(discharge)中解离后，从解离过程中产生的两个气相(g)氟原子与来自固体靶材(s)的镓原子结合，根据反应(1)形成不稳定的挥发性化合物GaF2(g)，此GaF2进入气相。根据反应(2)与(3)，此GaF2(g)易解离成Ga(g)以及F(g)。根据反应(4)，此Ga(g)物种可存在于等离子体中，且随后在等离子体中遭受与高能电子的游离碰撞，以形成Ga+。虽然使用Ga2O3/BF3系统，仅产生相对小量不想要的(unwanted)氧离子电流，然而却产生出较大比例的来自BF3的含氟离子。因此，从Ga2O3/BF3提取的“镓(gallium)”离子束产生相对较高量作为污染物的含氟离子。在其他实施例中，将氧化镓靶材置于离子源腔室中(例如是腔室116)，在此离子源腔室中引入NF3气体并产生等离子体。在等离子体离子源中结合使用NF3气体与Ga2O3具有多项优点。举例而言，NF3很容易地(readily)解离成包括氟的反应产物，从而如上文反应(1)到(4)所示，此产物可与氧化镓靶材中的镓反应以产生气相镓。此外，如图9所显示，使用NF3将减少在等离子体中形成的非镓离子的相对量。特别地，图9呈现从离子源所提取的离子束的质谱量测结果，此离子源包含遭受含NF3的等离子体(NF3-containingplasma)的固体氧化镓靶材。在此情况下，相较于如图8所显示的BF3/氧化镓系统而言，镓离子束电流增加约两倍。并且，由非镓离子所携带的电流相对量相对较少。可将此差异解释成在BF3等离子体中相对于NF3等离子体中的游离特性上的差异。如表I所显示，镓的游离能是5.99eV，此相对较小的值说明当镓中性粒子进入等离子体后，如上文反应(4)所给，镓中性粒子藉由与高能电子碰撞而可容易地游离。除非另有说明，本文使用的术语“游离能(ionizationenergy)”是指第一游离能(thefirstionizationenergy)。在BF3等离子体中，在其他物种之中，BF3分子可解离成BF2、BF以及B。如表I所显示，各种这些解离产物的物种具有范围是8-11eV的游离能，此游离能略高于镓的游离能，但为足够接近，使得一些BF3的解离产物会在包含镓离子的等离子体中被游离。在NF3等离子体中，NF3分子可容易地解离成氟物种以及氮物种。如进一步示于表1，氮与氟的游离能(ionizationenergy)分别高于镓的游离能超过8eV以及11eV。因此，在NF3等离子体中，电子的能量分布(electronenergydistribution)被Ga夹住(clamped)(5.99eV的游离能)，从而更不可能游离具有高游离能的其他物种，例如是氮以及氟。表I物种游离能(eV)B8.29BF29.40BF11.12BF315.70F17.42N14.57Ga5.99在另一实施例中，提供用于蚀刻镓化合物靶材的蚀刻物种可能来自镓化合物靶材本身。举例而言，可将镓化合物制造成包含前驱物材料(precursormaterial)的靶材，此前驱物材料被用作镓的蚀刻剂(etcant)来源。在多个实施例中，可使用三卤化镓(galliumtrihalide)作为靶材材料。化合物三氯化镓(GaCl3)、三碘化镓(GaI3)以及三溴化镓(GaBr3)皆具有低于250℃的熔融温度，使得将这些化合物用于靶材温度通常很高的IHC离子源中变得缺乏吸引力。然而，化合物GaF3(本文中也称作“三氟化镓(galliumfluoride)”具有估计约1000℃的熔融温度。因此，在一些实施例中，可在离子源(例如是IHC离子源)中采用GaF3靶材来产生含镓离子的离子源。特别地，可使用例如是惰性气体的气体来启动等离子体放电(plasmadischarge)。适合的惰性气体的实例包括氦(He)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)以及其混合物。来自惰性气体的离子可接着与GaF3靶材相互作用来产生气态的蚀刻物种，此气态的蚀刻物种产生从GaF3靶材释放出的挥发性的镓。举例而言，惰性镓离子可从GaF3靶材溅射出材料，造成包括氟原子的氟物种在离子源腔室中产生而进入气相。如反应(1)到(3)所描述，氟物种可随后与GaF3靶材中的镓反应，造成靶材蚀刻出镓并将镓释放进入气相。此外，可在等离子体中产生氟离子。在离子源腔室中使用惰性气体(例如是氩)启动等离子体后，随着游离气态氟物种的产生变得足以产生自我维持的等离子体(self-sustainingplasma)时，进入离子源腔室中的惰性气体的流量(flow)可缓降(rampeddown)和/或终止，在此等离子体中，用于等离子体的离子源是GaF3靶材。在自维持的等离子体中，通过化学蚀刻以及溅射，氟从靶材的产出速率足以产生足够的氟离子以及反应性(reactive)物种来用于持续蚀刻靶材。在没有氟气体(例如是NF3)时使用GaF3靶材产生镓离子束的一项优点是，将消除氟气体对离子源硬件(hardware)的任何腐蚀作用(corrosiveeffect)，离子源硬件例如是气体供给线(gasfeedline)。如前所述，可在束线离子植入系统(beam-lineionimplantationsystem)(离子植入机(ionimplanter))中采用镓离子源。图10是此种离子植入机的方块图(blockdiagram)，其显示可用于本发明的实施例中的离子植入机的一般特征。系统1000包括离子源1002。电源(powersupply)1001将所需的能量供给离子源1002，离子源1002经设置以产生镓离子。经由一连串的电极1004(提取电极)，产生的镓离子从源中被提取并形成束(beam)1005，此束1005穿过质量分析磁铁(massanalyzermagnet)1006。此质量分析器设置有特定的磁场，使得只有具所期望的质量电荷比(mass-to-chargeratio)的离子能够穿行分析器。镓离子穿过减速台(decelerationstage)1008到校正磁铁(correctormagnet)1010。将校正磁铁1010通电(energized)，以使离子束流(beamlets)根据所施加磁场的强度和方向偏转，提供瞄准工件或基板的束，此工件或基板放置在支件(support)1014(例如是平台(platen))上。在某些情况下，可将第二减速台1012配置在校正磁铁1010与支件1014之间。当镓离子与基板中的电子以及原子核碰撞时，镓离子失去能量并基于加速能量(accelerationenergy)，停止在基板中所期望的深度范围内。根据本发明的实施例，可将基板连接至可移动的平台，以提供一套(set)对于束(例如是束1005)的相对运动。此相对运动可包括平移运动(translationalmotion)、扭转运动(twistmotion)以及倾斜运动(tiltmotion)。植入系统1000包括倾斜平台(tiltstage)，其提供基板相对于入射束(incidentbeam)的倾斜，举例而言，相对于基板的法线，此倾斜从约-75度至+75度。虽然上文详述的实施例着重于产生将使用于束线植入装置的IHC源的镓离子束，然而其他实施例延伸到固体靶材镓离子源，其可采用射频激发(RFexcitation)或其他来源来产生等离子体。并且，可调度(deploy)本实施例的离子源，用于需要高镓离子电流的任何装置或加工。此外，本发明的实施例包括使用任何气体，此气体提供蚀刻剂以从固体靶材蚀刻出镓，且此气体提供具有比镓还高的游离能的成分，其成分例如是氮以及氟。本发明不局限于本文所描述的具体实施例的范围。事实上，除了本文所述之外，从前述和附图，本技术领域中具有通常知识者，将显而易见本发明的其他多种实施例和修改。因此，此其他实施例和修改都将落入本发明的范围内，此外，虽然本发明已经在本文的上下文中描述在特定环境中，为达某一特定用途的特定实现方式，本技术领域中具有通常知识者将理解，其实用性并不限于此，而本发明可有益地在任意数的环境中，为任意数的用途而实现。因此，上文所载的申请专利范围应理解成，考虑到如本文所述的本发明的全方面和精神。