利用增强源技术进行磷或砷离子植入的制作方法

相关申请案的交叉参考

特此依据35usc119主张以olegbyl等人的名义于2014年9月1日提出申请的美国临时专利申请案第62/044,409号(标题为“利用增强技术的磷或砷离子植入(phosphorusorarsenicionimplantationutilizingenhancedsourcetechniques)”)的优先权权益。美国临时专利申请案第62/044,409号的揭示内容出于所有目的而特此以全文引用方式并入本文中。

本发明涉及磷或砷的离子植入。更具体来说，本发明涉及使用固体掺杂剂源及较高阶磷或砷植入源材料的增强源技术，且涉及相关联方法及设备。

在具体方面中，本发明涉及形成包含二聚物及四聚物的as及p群集分子以用于产生包含二聚物及四聚物的对应磷及砷群集离子。本发明进一步涉及使用气体混合物来延长源寿命，例如，如下的气体混合物：(i)ph3及pf3，(ii)ph3及pf5，(iii)pfx及h2，及(iv)pfx、ph3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值，如举例来说从3到5的值，以及对应基于as的气体混合物。可利用以预混合形式供应到离子植入机或如从不同供应器皿同流到植入机的此些气体混合物来实现用于离子植入的单体、二聚物及四聚物束的束流的改进，且获得植入机的经改进源寿命，因为所述气体混合物将最小化在仅运行氢化物源物质(ash3或ph3)时在植入机中将以其它方式形成的砷或磷沉积物，且还将最小化在仅运行氟化源物质(pf3、pf5、asf3或asf5)时将以其它方式发生的卤素效应。

背景技术：

在离子植入领域中，例如，在半导体装置制造中，不断关注改进植入过程的效率。磷及砷是常用的掺杂剂物质。

在常规惯例中，以气体、液体或固体形式提供掺杂剂物质的源化合物。所述源化合物(如果并非处于气相中)可通过升华或蒸发技术从固体形式或液体形式源化合物挥发。直接如在等离子浸没离子植入过程中或通过以下方式接着使所得掺杂剂气体经受离子化以形成用于植入于衬底中的离子物质：由电极阵列分离离子物质以形成含有穿过束线结构加速且撞击在衬底上以实现将离子植入于衬底中的所要类型的离子的离子束。

在许多情形中，针对离子植入所利用的掺杂剂源化合物在经离子化以构成用于植入的离子物质的原子方面是单原子的。从必须提供、存储及处理的掺杂剂源化合物体积的角度来看，非常优选的是，利用在经离子化以构成用于植入的离子化物质的原子方面是多原子的掺杂剂源化合物。通过利用多原子掺杂剂源化合物，掺杂剂源化合物的每单位体积可获得的掺杂剂离子量相比于单原子掺杂剂源化合物可大致增加，其中源化合物中的增加数目个掺杂剂原子一般越来越优选。因此，较高阶掺杂剂源化合物(源化合物的每分子较高数目个掺杂剂原子)相比于较低阶掺杂剂源化合物(源化合物的每分子较低数目个掺杂剂原子)通常是优选的。

技术实现要素：

本发明涉及磷或砷的离子植入。

在一个方面中，本发明涉及一种离子植入系统，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括由一或多个壁限定的离子源室，所述一或多个壁由固体含磷或含砷材料构造或使固体含磷或含砷材料沉积在其上。

在另一方面中，本发明涉及一种离子植入系统，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括离子源室；及反应器，其经配置以接收气态磷或砷掺杂剂前驱物材料且由其形成气态多原子磷或气态多原子砷，其中所述反应器构成流通回路或与流通回路流体连通地耦合，所述流通回路经布置以将气相材料递送到所述离子源室以在其中进行离子化从而形成用于植入于所述离子植入机中的衬底中的植入物质。

在又一方面中，本发明涉及一种离子植入系统，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括离子源室；含磷或含砷气相前驱物供应器，其中所述供应器经配置以将所述前驱物施配到所述离子源室；及监测与控制组合件，其经配置以在第一操作阶段中在于所述离子源室中沉积且积累源自从所述供应器施配到所述离子源室的所述前驱物的固体多原子磷或砷的条件下且在第二操作阶段中在从所述所沉积固体多原子磷或砷产生包括二聚物或四聚物的蒸汽以用于离子植入的条件下操作所述离子源室。

本发明的又一方面涉及一种离子植入系统，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括离子源室；掺杂剂源材料供应组合件，其包括含有气态磷或砷前驱物化合物的一或多个源器皿，且经配置以施配所述前驱物化合物以供在所述离子植入机中使用；及转换组合件，其经配置以将所施配气态磷或砷前驱物化合物转换为气态多原子元素磷或砷材料，且提供所述气态多原子元素磷或砷材料以供在所述离子源室中使用以由其产生磷或砷植入物质。

本发明的另一方面涉及一种离子植入系统，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括离子源室；及气体供应组合件，其包括经布置以将气体混合物供应到所述离子植入机的一或多个气体供应器皿，其中所述气体混合物包括(i)到(viii)中的一者：(i)ph3及pf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(ii)ph3及pf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(iii)pfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；(iv)pfx、ph3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值；(v)ash3及asf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(vi)ash3及asf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(vii)asfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；及(viii)asfx、ash3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值。

本发明的额外方面涉及离子植入方法，所述方法包括使用如本文中以各种方式描述的本发明的离子植入系统。

本发明的又一方面涉及一种增强离子植入机的性能的方法，所述方法包括将选自(i)到(viii)当中的气体混合物递送到其离子源室：(i)ph3及pf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(ii)ph3及pf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(iii)pfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；(iv)pfx、ph3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值；(v)ash3及asf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(vi)ash3及asf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(vii)asfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；及(viii)asfx、ash3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值。

从随后说明及所附权利要求书将更全面地明了本发明的其它方面、特征及实施例。

附图说明

图1是根据本发明的一个方面的离子植入过程系统的示意性表示。

图2是根据本发明的另一方面的离子植入过程系统的示意性表示。

图3是根据本发明的又一方面的离子植入过程系统的示意性表示。

图4是包含与掺杂剂源气体馈送线路呈热传递关系的离子源室的离子植入过程系统的示意性表示。

图5是包含布置有操作地定位以加热掺杂剂源气体馈送线路的热传递部件的离子源室的离子植入过程系统的示意性表示。

图6是定位在离子植入过程系统的到离子源室的掺杂剂源气体馈送线路中以产生多原子磷或砷掺杂剂物质的掺杂剂源气体反应器。

具体实施方式

本发明涉及磷或砷的离子植入，且更具体来说涉及使用固体掺杂剂源及较高阶磷或砷植入源材料的增强源技术，而且涉及相关联方法及设备。

除非上下文另外明确指出，否则如本文中所使用，单数形式“一(a、an)”及“该(the)”包含复数个指示物。

如本文关于本发明的特征、方面及实施例以各种方式陈述的本发明在特定实施方案中可构成为包括此些特征、方面及实施例以及合计在一起构成本发明的各种进一步实施方案的要素及其组分中的一些或所有、由其组成或基本上由其组成。本文中在各种实施例中且参考本发明的各种特征及方面陈述本发明。本发明预计呈各种排列及组合的此些特征、方面及实施例，如在本发明的范围内。因此，本发明可指定为包括这些具体特征、方面及实施例或其中的所选一或多者的此些组合及排列中的任一者、由其组成或基本上由其组成。

相对于本文中所陈述的本发明的各种规格及范例，本发明的化合物、组合物、组分、特征、步骤及方法可由排除具体取代基、同位素、部分、结构、成分、特性、步骤或条件(如可适用)的附文或限制在特定实施例中进一步被规定。

相对于不使用本发明的掺杂剂源组合物及方法的对应离子植入系统及过程，本发明的离子植入系统及过程实现增强离子源寿命及性能。

现在参考图式，图1是根据本发明的一个方面的离子植入过程系统的示意性表示，其中可实施本发明的磷及砷植入方法。

离子植入过程系统300包含具有固持掺杂剂气体的内部体积的存储与施配器皿302，供应所述掺杂剂气体以用于在所图解说明的离子植入室301中对衬底328进行离子植入掺杂。所述存储与施配器皿可为含有吸附剂介质的类型，掺杂剂气体物理地吸附在所述吸附剂介质上以用于所述气体的存储，其中所述气体在施配条件下从吸附剂介质解除吸附以从器皿排出。所述吸附剂介质可为固相碳吸附剂材料。此类型的基于吸附剂的器皿可从商标为sds及sage的英特格(entegris)公司(美国马萨诸塞州比勒利卡)商购。替代地，所述器皿可为在内部进行压力调节的类型，其在所述器皿的内部体积中含有一或多个压力调节器。此些压力调节器皿可从商标为vac的英特格公司(美国马萨诸塞州比勒利卡)商购。作为又一替代方案，所述器皿可含有呈固体形式的掺杂剂源材料，例如，通过对器皿及/或其内含物加热而使所述掺杂剂源材料挥发以产生掺杂剂气体作为蒸发或升华产物。此类型的固体递送器皿可从商标为proevap的英特格公司(美国马萨诸塞州比勒利卡)商购。

在图1中，存储与施配器皿302包括封围内部体积的圆柱形器皿壁304，所述内部体积固持处于吸附状态、自由气体状态或液化气体状态中的掺杂剂气体。

存储与施配器皿302包含经由施配线路372与混合室360(其为任选的)气体流连通地耦合的阀头308，混合室360又结合到排出线路312。压力传感器310可与质量流量控制器314一起安置在线路312中；其它任选监测与感测组件可与所述线路耦合，且与例如致动器、反馈与计算机控制系统、循环定时器等的控制构件介接。

混合室360还(如果使用)可与气体馈送线路370流连通地结合，补充气体供应器皿362及364耦合到气体馈送线路370，补充气体供应器皿362及364中的每一者可为相对于彼此相同或不同的类型，且可为相对于上文所描述的器皿302相同或不同的类型。器皿362可(举例来说)含有稀释气体，且器皿364可(举例来说)含有同物质气体，经布置使得可制备含有与稀释气体及/或同物质气体组合的掺杂剂气体的掺杂剂气体混合物。

形成具有阀头380固定到其的主容器部分的补充器皿362，阀头380又与补充器皿馈送线路366耦合。以相似方式，形成具有阀头382固定到其的主容器部分的补充器皿364。阀头382耦合到补充器皿馈送线路368。馈送线路366及368通过此布置将稀释及/或同物质气体递送到混合室360，以提供含有稀释及/或同物质气体的掺杂剂气体混合物以传递到植入机的离子源。出于此目的，补充器皿馈送线路366及368以及施配线路372可配备有适合阀、控制器及/或传感器以用于手动或自动控制从所述器皿及此些阀施配的材料的流量或其它特性，控制器及/或传感器可以任一适合方式与对应馈送/施配线路耦合或连接到对应馈送/施配线路。

此些阀又可与操作地链接到中央处理器单元(cpu)的阀致动器耦合。所述cpu可与前述控制器及/或传感器以信号通信关系耦合，且可编程地经布置以控制从器皿中的每一者施配的流体相对于彼此的速率、条件及量，使得从混合室360流入线路312中的掺杂剂气体混合物具有用于实施离子植入操作的所要组合物、温度、压力及流率。

在所图解说明的系统300中，离子植入室301含有离子源316，离子源316从线路312接收所施配掺杂剂气体混合物且产生离子束305。离子束305通过选择所需要的离子且拒绝非选择离子的质量分析器单元322。

所选择离子通过加速电极阵列324且接着通过偏转电极326。所得经聚焦离子束撞击在衬底元件328上，衬底元件328安置在安装在主轴332上的可旋转固持器330上。掺杂剂离子的离子束如所期望用于掺杂衬底以形成经掺杂结构。

离子植入室301的相应区段分别借助于泵320、342及346通过线路318、340及344排气。

根据本发明，可采用图1中所展示的类型的离子植入系统来进行磷或砷植入，如下文更全面地描述。

在当前离子植入实践中，通常采用预非晶化植入(pai)作为基本半导体制造技术，其中采用初始植入步骤来有意地破坏衬底材料的结晶结构使得阻止随后植入步骤中的沟道作用。锗频繁地用作预非晶化植入物质。然而，寻求锗的替代方案，以便限制锗的损坏量及缺陷特性，使得最终半导体制造产品的装置性质受影响较小。

根据本发明，针对pai应用可利用(例如)呈p2+或as2+的二聚物束或p4+或as4+的四聚物束的多原子磷及砷植入物质。使用直热式或间热式热丝离子源的二聚物束或四聚物束产生以及二聚物或四聚物束良率可显著地受源等离子条件、二聚物或四聚物产生效率及保留效应影响。本发明在其一个方面中预计提供一种包括离子植入机的离子植入系统，所述离子植入机包括由一或多个壁限定的离子源室，所述一或多个壁由含磷或含砷材料构造或使含磷或含砷材料沉积在其上。

在磷的情形中，离子源室壁可由固体磷或磷化合物或复合物形成或涂覆有固体磷或磷化合物或复合物，以产生磷单体(p+)或磷二聚物(p2+)或磷四聚物(p4+)植入物质。因此可提供对离子源室中产生的源等离子中的二聚物离子布居有帮助的富含磷环境。通过使用固体磷或含磷替代材料作为离子源室壁构造材料，提供富含磷源以提供磷二聚物。离子植入系统因此提供为用于二聚物植入的专用工具。可借助到离子源室的载体气体流(例如作为用以促进离子植入系统的经改进二聚物束性能的载体气体组合物的氢化物气体、氟化物气体或氢化物与氟化物气体的混合物)操作此些离子植入系统。

通过离子源室中的磷源材料的此提供，可利用磷二聚物或四聚物植入物质进行pai操作或进行其它磷植入应用。

与磷植入有关的前述论述同样可适用于砷植入，其中离子源室由一或多个壁界定，所述一或多个壁由含砷材料构造或使含砷材料沉积在其上。

图2是根据一个实施例的间热式阴极(ihc)离子源的横截面立视图，可有效地采用所述间热式阴极(ihc)离子源进行上文所论述的磷或砷植入，或在本发明的宽广实践中以其它方式进行磷或砷植入。图2展示电弧室及相关组件。maciejowski等人的美国专利7,138,768中更全面地描述此类型的离子源。

在此ihc离子源中，具有提取孔口1012的电弧室外壳1010界定由壁1033限定的电弧室1014，壁1033由含磷或含砷材料构造或使含磷或含砷材料沉积在其上。阴极1020及反射极电极1022定位在电弧室1014内。紧密接近于阴极1020定位在电弧室1014外侧的细丝1030产生阴极的加热。载体气体可通过气体入口1034提供到电弧室1014，气体入口1034通过气体馈送线路1038耦合到气体源1035。气体源1035可包含用于将载体气体(含有氢化物气体、氟化物气体或氢化物与氟化物气体混合物)供应到电弧室1014的(若干)供应器皿或其它源结构。所述氢化物气体可包括氢、氟化氢或其它气态氢化物化合物。所述氟化物气体可包括氟、氟化氢或其它气态氟化物化合物。所述载体气体可包含同流气体、稀释剂、清洁气体或其它气态组分。在各种实施例中，所述载体气体包括气态磷化合物，例如磷化氢、磷三氟化物、磷四氟化物或其中的两者或两者以上的混合物。

在图2系统中，电弧电力供应器使正端子连接到电弧室外壳1010且使负端子连接到阴极1020。反射极电极1022可为浮动的或可连接到电弧电力供应器的负端子。所述电弧电力供应器可具有在25安培下100伏特的额定值且可以大约70伏特操作。所述电弧电力供应器使由阴极1020发射的电子加速成为电弧室1014中的等离子。

偏压电力供应器使正端子连接到阴极1020且使负端子连接到细丝1030。所述偏压电力供应器可具有在4安培下600伏特的额定值且可以大约2.5安培的电流及大约350伏特的电压来操作。所述偏压电力供应器使由细丝1030发射到阴极1020的电子加速以产生阴极1020的加热。

细丝电力供应器使输出端子连接到细丝1030。所述细丝电力供应器可具有在200安培下6伏特的额定值且可以大约140到170安培的细丝电流操作。所述细丝电力供应器产生细丝1030的加热，其又产生朝向阴极1020加速以用于加热阴极1020的电子。

源磁铁在电弧室1014内产生磁场。通常，所述源磁铁包含在电弧室1014的相对端处的极点。所述磁场的方向可颠倒而不影响离子源的操作。所述源磁铁连接到可具有在60安培下20伏特的额定值的磁铁电力供应器。所述磁场产生由阴极1020发射的电子与电弧室1014中的等离子之间的经增加相互作用。

将理解，仅以实例方式给出各种电力供应器的电压及电流额定值以及操作电压及电流。

提取电极及抑制电极以适合方式定位在提取孔口1012前面。提取电极及抑制电极中的每一者具有与提取孔口1012对准以用于提取界线清楚的离子束的孔口。所述提取电极及所述抑制电极连接到相应电力供应器。

可利用离子源控制器以通过隔离电路提供对离子源的控制。在其它实施例中，用于执行隔离功能的电路可构建到电力供应器中。所述离子源控制器可为经编程控制器或专用特殊用途控制器。在一个实施例中，所述离子源控制器并入到离子植入机的主控制计算机中。

当离子源在操作中时，细丝1030通过细丝电流以电阻方式加热到可为大约2200℃的热离子发射温度。

由细丝1030发射的电子通过细丝1030与阴极1020之间的偏压电压来加速并且轰击且加热阴极1020。阴极1020通过电子轰击加热到热离子发射温度。由阴极1020发射的电子通过电弧电压来加速且在电弧室1014内使来自气体源的气体分子离子化以产生等离子放电。通过磁场致使电弧室1014内的电子遵循螺旋轨迹。反射极电极1022由于入射电子而积聚负电荷且最终具有充足负电荷以排斥电子使其往回穿过电弧室1014，从而产生额外离子化碰撞。

反射极电极1022通过导电支撑部件1170安装到电弧室基底。阴极1020安装在电弧室外壳1010的一端处的开口中，但不物理地接触电弧室外壳1010。优选地，阴极1020与电弧室外壳1010之间的间隙为大约0.050英寸。

阴极1020与电弧室外壳1010之间存在间隙。细丝1030的加热环圈位于杯状腔1240内且等离子从电弧室1014到细丝1030的迁移是最低限度的。

离子源可进一步包含屏蔽物1400。屏蔽物1400基本上封围电弧室1014外侧接近于阴极1020及细丝1030的区域1402。屏蔽物1400的功能是在阴极1020及细丝1030附近形成对电子及等离子的势垒。屏蔽物1400在其形成对电子及等离子的势垒但不密封区域1402的意义上基本上封围区域1402。

屏蔽物1400可具有盒状结构且可由难熔金属制作。屏蔽物1400包含顶部壁1412。将理解，可利用不同屏蔽物配置。举例来说，屏蔽物1400可具有平坦主壁且可使用压铆螺母柱安装到细丝夹具。此外，屏蔽物1400可安装到离子源的另一元件。

在本发明的实践中利用的离子源可为任一适合类型，且在间热式阴极(ihc)离子源的替代方案中，离子源可为bernas源、微波源、射频(rf)源或其它类型离子源。

关于电流植入技术的方向，朝向较小节点大小的趋势正驱动持续努力以开发磷及砷的超浅结植入。此又正形成对改进二聚物或四聚物束流(例如p4+、p2+、as4+、as2+)的需要。一般来说，使用磷或砷(例如元素磷或元素砷)的固体源，可提供良好二聚物及四聚物束流，因为这些材料通常以呈固相的as4及p4的形式存在，其中所得蒸汽还具有四聚物形式。然而，固体源具有各种缺点，例如归因于在固体源磷及砷材料的蒸发所需要的高温下不能使用阀及质量流量控制器(mfc)的不良流量控制。另外，如果期望束流的改变，那么必须改变固体源蒸发器的操作温度，此频繁地涉及用于掺杂剂源之间的切换的长时间滞后，这是因为一个蒸发器必须冷却而另一蒸发器加热高达所要温度。进一步地，存在与处置固体磷及砷材料相关联的显著危险，尤其在如果蒸发器仍温热那么进行更换期间。进一步地，当在蒸发器的操作期间利用磷及砷固体时束流可改变，此归因于在固体挥发时热传递区中的改变。又进一步地，在蒸发器的使用期间，确定蒸发器中的磷或砷固体的剩余库存一般是困难的。

在本发明的另一方面中通过提供一种离子植入系统来解决前述困难，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括离子源室；及反应器，其经配置以接收气态磷或砷掺杂剂前驱物材料且由其形成例如呈气态二聚物或气态四聚物磷或气态二聚物或气态四聚物砷形式的气态多原子磷或气态多原子砷，其中所述反应器构成流通回路或与流通回路流体连通地耦合，所述流通回路经布置以将气相材料递送到所述离子源室以在其中进行离子化从而形成用于植入于所述离子植入机中的衬底中的植入物质。

举例来说，反应器可经配置且经操作以分解磷氢化物(磷化氢)或砷氢化物(砷化氢)掺杂剂前驱物材料，以形成对应固体元素磷或砷及氢，以产生气态多原子磷或气态多原子砷，例如，气相二聚物或四聚物材料。

在另一变化形式中，反应器可经布置以接收气相as或p分子源材料，例如呈气态形式的砷化氢或磷化氢或其它砷或磷化合物，且将其转换为as或p，as或p还将呈气相(g)且可为形式as(g)、p(g)或例如as4(g)或p4(g)的较高阶as或p气相物质。

在又一变化形式中，反应器可经配置以接收例如氢化物或氟化物化合物的掺杂剂前驱物材料，且将经操作以分解掺杂剂前驱物材料以在反应器内以积累模式形成固体砷或磷，且在积累预定量的固体元素砷或磷之后，接着反应器将被加热到较高温度以使固体元素砷或磷蒸发，以产生呈多原子形式(例如，二聚物或四聚物形式)的气态砷或磷。

在再一变化形式中，反应器可经布置以接收呈例如(砷化氢或磷化氢)氢化物化合物的化合物形式的掺杂剂前驱物材料，所述掺杂剂前驱物材料接着经分解以形成呈多原子(例如，二聚物或四聚物)形式的汽相砷或磷，所述汽相砷或磷从反应器连续地流动到植入机的离子源室。

反应器因此布置为与离子植入系统的气体递送线路流体连通，其中例如磷化氢或砷化氢气体的气态磷或砷掺杂剂前驱物材料从其供应器皿或其它源流动到反应器。

反应器维持在充分高温度以致使磷化氢或砷化氢在生产过程中发生反应以用于形成所要气态多原子元素磷或砷产物。流动到反应器的所要气态多原子元素磷或砷产物穿过气体递送线路到达离子源室。反应器及反应器与离子源室之间的气体递送线路的温度维持在适合水平以避免气态四聚物在离子源室上游的凝结。

反应器可经设计以实现流入磷化氢或砷化氢掺杂剂前驱物气体或其它磷或砷掺杂剂前驱物气体的预定反应程度。反应器可为任一适合大小及构形，且可举例来说为圆柱形、矩形、正方形或其它横截面形状。在一些实施例中，反应器可包括到离子源室的气体递送线路的区段。在其它实施例中，其可相对于气体递送线路同心地布置在反应器上游及下游。一般来说，可采用对分解磷或砷源气体且产生汽相四聚物有效的反应器的任一适合设计。反应器可以任一适合方式来加热，例如，经由反应器内的或与反应器热接触的电阻加热元件、经由反应器的辐射加热、经由反应器的传导加热、经由反应器的对流加热或对提供分解磷或砷源气体以产生所要元素磷或砷产物所必需的温度有效的任一其它布置及热传递形态。

反应器可适当地经定大小以提供在于包含反应器的离子植入系统的操作中利用的磷或砷源气体的流率下产生此类气体的所要分解程度的保持时间。在实施例中，反应器可构造有内部介质或组件以提供对流动穿过反应器的源气体的增强热传递及/或所述源气体的滞留时间。以实例方式，此些内部介质或组件可包括挡板、叶片、螺丝元件或产生反应器中的延伸气体流路径及用于加热流动穿过反应器的气体的延伸热传递表面的其它流指向部件。另外或替代地，所述内部介质或组件可包括提供扭曲流路径及热传递增强的包装介质或组件，例如焊珠、金属泡沫、玻璃棉或类似物。

在其它实施例中，反应器可以缠绕在离子植入系统的电弧室上的管的形式提供，以实现对管及其中的气体内含物的加热，或反应器可以安置在电弧室的内部体积中的不直接暴露于等离子的通道的形式提供，例如，使得所要四聚物在电弧室中的通道中就地形成，且从所述通道排出到室中的内部体积。

当部署在将掺杂剂前驱物气体递送到离子源室的流通回路中时，反应器可位于此回路中的质量流量控制器(mfc)上游或下游。反应器可专用于一种掺杂剂前驱物气体或可位于所有气体流动穿过其到达离子源室的共同线路中。如所提及，汽相元素磷或砷物质不在反应器与离子源室之间凝结是必要的。此可通过对应流通回路的适当温度控制来实现。在一个实施例中，可通过在距离子源室从1.25cm到30.5cm(0.5到12英寸)的长度内以传导方式加热通向离子源室的气体递送源管来适应用以阻止汽相四聚物的凝结的必需温度。

在另一实施例中，例如由适合金属(优选地高导电金属，例如w、ni、cu、mo、au、al、ag或类似物)制成的金属蛤壳的热传递部件放置在气体递送源管周围，其中蛤壳的一端与离子源室接触以使得热能够通过源管传导到上游。

在又一实施例中，气体递送源管可用电阻加热元件来加热，或如先前所论述的管可缠绕在离子源室上。

在反应器中，反应可以任一适合方式来控制，例如，通过控制反应物掺杂剂前驱物气体(例如磷化氢或砷化氢)的流率、通过控制反应器的温度、通过控制反应器内的压力、通过流量控制阀、流量限制注孔等的适当使用或通过前述各项的组合。作为说明性实例，通过传感器在监测与控制组合件中的适当部署，可监测四聚物的束流，以产生传输到控制器的束流信号，所述控制器接着响应地传输控制信号以调制流量及/或温度及/或压力(通过为此目的提供的适当受控装置)，且其中监测流量、温度及压力以确保此些参数的精确调制。

反应器因此可坐落在到离子源室的单独线路(不同于到所述室的其它气体供应线路)中，或反应器可坐落在到离子源室的单个共同线路中使得递送到离子源室的所有气体通过反应器。在后一情形中，当其它掺杂剂物质流动穿过反应器时可关断反应器或可以可控制方式降低其中的温度。

提供用于分解磷或砷掺杂剂前驱物气体以形成气相四聚物物质的反应器使得磷或砷掺杂剂前驱物气体能够在适合源器皿中经供应。相应地，掺杂剂可非常迅速地从一者切换到另一者而不暴露于固体形式的磷或砷，且通过监测来自源器皿的气体的压力的简单权宜之计容易地实现掺杂剂前驱物库存的监测，因为掺杂剂前驱物呈气态形式(例如，如磷化氢或砷化氢)。进一步地，由于掺杂剂前驱物在第一实例中以气态形式供应，因此可经由对掺杂剂前驱物流率(磷化氢或砷化氢气体)的控制来控制束流。在采用气相掺杂剂前驱物的情况下，掺杂剂前驱物供应器皿的更换所需的时间远少于当采用固体蒸发器来供应掺杂剂前驱物时替换固体蒸发器所需的时间，因为必须允许经排空蒸发器冷却，且新蒸发器必须填充有掺杂剂前驱物、经装设且加热到操作温度。

相应地，在离子植入系统中提供用于分解含磷或含砷气体的反应器因此准许利用气态掺杂剂前驱物同时获得益处而不具有使用固体磷或砷源材料的缺点实现离子植入系统的实质改进。

应了解，包含上文所描述的那些离子植入系统以及下文所描述的那些离子植入系统的本文中所描述的离子植入系统可为多种类型，且可举例来说包括其中离子植入机为束线植入机的离子植入系统、其中离子植入机经配置以用于制造太阳电池板或其它光生伏打产物的离子植入系统或者其中离子植入机为其它类型或具体地经配置以用于制造其它离子植入的组件、结构、组合件或其它产物的离子植入系统。因此，所述离子植入系统可经配置以制造半导体或其它微电子产品，或减少光生伏打电池，其中在制造结晶硅太阳能电池时形成p-n结中植入例如磷的n类型供体掺杂剂。

本发明在又一方面中涉及一种离子植入系统，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括离子源室；掺杂剂源材料供应组合件，其包括含有气态磷或砷前驱物化合物的一或多个源器皿，且经配置以施配所述前驱物化合物以供在所述离子植入机中使用；及转换组合件，其经配置以将所施配气态磷或砷前驱物化合物转换为气态多原子元素磷或砷材料，且提供所述气态多原子元素磷或砷材料以供在所述离子源室中使用以由其产生磷或砷植入物质。

在此离子植入系统中，所述转换组合件在一个实施例中包括用于将所述所施配气态磷或砷前驱物化合物热转换为所述气态多原子元素磷或砷材料的反应器。

在此离子植入系统的另一实施例中，所述转换组合件包括监测与控制组合件，所述监测与控制组合件经配置以在第一操作阶段中在于离子源室中沉积且积累源自从此供应组合件施配到离子源室的前驱物化合物的固体多原子磷或砷的条件下且在第二操作阶段中在从所沉积固体多原子磷或砷产生包括二聚物或四聚物的蒸汽以用于离子植入的条件下操作离子源室。

在此离子植入系统中，前述离子源室可包括第一离子源室，其中所述离子植入系统包括第二离子源室，所述第二离子源室经配置以接收从供应器施配的前驱物且以与所述第一离子源室相同的操作方式操作但在操作中偏移使得在第一操作阶段中操作所述第二离子源室而在第二操作阶段中操作所述第一离子源室，且使得在第二操作阶段中操作所述第二离子源室而在第一操作阶段中操作所述第一离子源室。

所述系统因此可体现有在同一植入工具中的两个离子源，其中一个离子源处于沉积积累模式中，且另一离子源处于植入模式中，或替代地可关于两个或两个以上单独植入工具利用监测与控制系统，使得其中的所选一或多者在第一操作阶段中，而其中的另外一或多者在第二操作阶段中(例如以循环重复且交替方式)，其中所述离子源中的每一者经历连续第一及第二操作阶段。

本发明在另一方面中涉及一种离子植入系统，所述离子植入系统包括：离子植入机，其包括离子源室；及气体供应组合件，其包括经布置以将气体混合物供应到所述离子植入机的一或多个气体供应器皿，其中所述气体混合物包括(i)到(viii)中的一者：(i)ph3及pf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(ii)ph3及pf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(iii)pfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；(iv)pfx、ph3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值；(v)ash3及asf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(vi)ash3及asf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(vii)asfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；及(viii)asfx、ash3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值。所述惰性气体可包括选自由以下各项组成的群组的惰性气体：氩、氖、氮、氙、氦及其中的两者或两者以上的混合物。

本发明在又一方面中涉及一种离子植入方法，所述离子植入方法包括使用如本文中以各种方式描述的离子植入系统。

在另一方法方面中，本发明涉及一种增强离子植入机的性能的方法，所述方法包括将选自(i)到(viii)当中的气体混合物递送到其离子源室：(i)ph3及pf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(ii)ph3及pf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ph3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(iii)pfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；(iv)pfx、ph3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值；(v)ash3及asf3，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从40％到60％的范围内；(vi)ash3及asf5，其中基于所述气体混合物的总体积，ash3的浓度按体积计介于从50％到75％的范围内；(vii)asfx及h2，其中x具有任一化学计量可接受值，且其中基于所述气体混合物的总体积，h2的浓度按体积计不超过50％；及(viii)asfx、ash3、h2及惰性气体，其中x具有任一化学计量可接受值。

图3是根据本发明的又一方面的利用反应器来分解气态磷或砷掺杂剂前驱物的离子植入过程系统的示意性表示。

在图3系统中，提供含有例如磷化氢或砷化氢的掺杂剂源气体的两个掺杂剂源气体器皿402及404。器皿402、404耦合到施配室406。这些器皿通常经布置使得所述器皿中的一者将气体施配到室406，而另一者处于含有掺杂剂源气体的填满的备用模式中，且其中所述器皿能够通过相应器皿的阀头中的其相应流量控制阀的适当调制进行切换。所述流量控制阀可借助于信号传输线路438及440与cpu430操作地链接，信号传输线路438及440与用于器皿402及404的相应阀的适合阀致动器耦合，使得cpu控制相应阀以适应通过两个器皿中的在线一者进行施配，其中另一器皿的流量控制阀保持在关闭状况中。cpu因此经布置使得其可实现两个器皿的切换，使得通过其流量控制阀的打开将新填满的器皿切换到施配模式，且使得通过其之前打开的流量控制阀的关闭将耗尽器皿切换到更换模式。

从施配室406，所施配掺杂剂源气体在含有压力传感器410的施配线路408中流动。所述压力传感器通过信号传输线路436以信号传输关系与cpu430链接。施配线路408中的所施配掺杂剂源气体流动穿过质量流量控制器412且以通过可由cpu430调整的质量流量控制器的设置判定的流率排出，cpu430经布置以出于此目的在信号传输线路434中将控制信号传输到质量流量控制器412。所施配掺杂剂源气体接着进入反应器416。加热所述反应器，如由表示从适合源(例如，经配置以通过例如传导、辐射、连接或其它加热模式的任一适当加热形态将反应器加热到适合升高温度的加热器)到反应器的热传输的示意性箭头q所展示。

在反应器中，分解掺杂剂源气体以形成元素磷或元素砷(如可适用)，其中元素材料接着形成二聚物或四聚物气相材料以用于随后植入。二聚物或四聚物气相材料接着流动穿过施配线路408的下游部分进入离子植入机420。为了阻止二聚物或四聚物气相材料的凝结，通过加热器418将施配线路408加热到阻止此凝结的适当温度。加热器418可包括任一适合加热设备或装置，且可举例来说由电阻加热线圈构成。在离子植入机420中，二聚物或四聚物气相材料传递到离子源室以用于离子化以形成接着植入于衬底(未展示)中的植入物质，如先前所描述。

图3系统还包含气体供应器皿422及424，以将例如稀释剂、清洁气体、载体气体、同流气体等的额外气体供应到离子植入机420。以相似于先前涉及器皿402及404所描述的布置的方式，cpu430通过信号传输线路442及444分别耦合到器皿424及422的流量控制阀致动器。来自器皿422的气体在线路446中施配到施配室426，施配室426可同时或顺序地接收线路448中的来自器皿424的气体。从施配室426，气体在含有质量流量控制器428的馈送线路450中流动到离子植入机420。cpu430通过信号传输线路432而与质量流量控制器428以信号传输关系耦合。

通过前述布置，cpu430从信号传输线路436中的压力传感器410接收指示所施配掺杂剂源气体压力的压力感测信号，且所述cpu经配置以响应地或独立地调制质量流量控制器412及428以及气体器皿402、404、424及422的流量控制阀的设置以用于操作离子植入系统。所述cpu可为任一适合类型，且可举例来说包括微处理器、可编程逻辑控制器、特殊用途可编程计算机或经配置且操作以用于监测且控制离子植入系统的其它中央处理单元，与适当传感器、信号传输线路等一起作为用于离子植入系统的监测与控制组合件的组件。虽然未具体展示，但cpu可经布置且经配置以监测及/或控制反应器416的加热及加热器418的输出，以确保作为馈送到离子植入机420的气相材料的二聚物或四聚物掺杂剂材料的所要产生及维护。

将认识到，可采用替代离子植入过程系统布置。举例来说，气体供应器皿可经布置使得每一气体供应器皿将气体施配到含有专用质量流量控制器的线路中，其中相应气体线路在质量流量控制器的下游组合成到离子源室的单个气体流线路。用于将气态磷化氢或砷化氢掺杂剂源化合物转换为较高阶多原子气态掺杂剂材料的反应器可位于到离子源室的此单个气体流线路中。相应气体还可单独流动到离子源，或掺杂剂、载体气体、清洁气体、同物质气体等的多个气体流动流中的单独者可以各种排列中的任一者组合，如在本发明的过程及设备的给定应用中可为必要或合意的，使得此些气体流中的某些气体流在离子源室上游组合，而其它气体流在不混合或组合的情况下直接流动到离子源室。气体供应器皿可替代其上的可致动阀而配备有手动阀，其中可致动流量控制阀位于相应气体供应器皿的下游。

图4是包含与掺杂剂源气体馈送线路604呈热传递关系的离子源室600的离子植入过程系统的示意性表示。离子源室600经布置为植入机602的组件。在此实施例中，掺杂剂源气体馈送线路604从近端608成螺旋形地缠绕在离子源室600上，其连续地包围离子源且在沿着离子源室的表面轴向延伸的线路的一部分中结束且在远端606处与离子源室600的内部体积气体流连通地连通。

在此布置中，掺杂剂源气体馈送线路604由在操作中处于升高温度的离子源室600加热。以此方式，如果在反应器(例如)用于磷化氢或砷化氢分解及二聚物/四聚物形成时布置馈送线路604，那么将掺杂剂源气体馈送线路604加热到形成气态二聚物或四聚物磷或砷材料的温度。替代地，如果此气态二聚物或四聚物材料已在线路604的近端608上游的反应器中形成，那么仅仅加热线路604以阻止流动穿过线路604到离子源室600的二聚物或四聚物材料的凝结。

图4设备进一步包含气体馈送线路610以用于例如稀释剂气体、载体气体、清洁气体、同流气体等的额外气体到离子源室600的同时、在先或随后流动。

图5是离子植入过程系统的示意性表示，所述离子植入过程系统包含构成植入机602的一部分的离子源室600且布置有操作地定位以加热掺杂剂源气体馈送线路704的热传递部件700。通过此布置，在操作中由离子源室600产生的热由热传递部件700以传导方式传输到气体馈送线路704，使得不会发生在线路704中流动到离子源室的掺杂剂源材料的凝结。

图6是定位在通向离子植入过程系统的离子源室的掺杂剂源气体馈送线路中以产生多原子植入物质的掺杂剂源气体反应器的示意性表示。所述反应器适于接收含磷或含砷气态掺杂剂源材料以在其中进行分解以形成元素磷或砷，所述元素磷或砷又产生用于植入的磷或砷二聚物或四聚物材料。所述反应器包括具有入口802的外壳800，入口802用于接收进入反应器的内部体积(如箭头a所指示)的含磷或含砷气态掺杂剂源材料。热输入q通过可为传导、对流、辐射或其它加热器类型的适合热源传输到反应器。

在反应器中产生的二聚物或四聚物材料沿由箭头b所指示的方向在出口804处从其排出。

反应器可含有用以提供经延伸热传递表面及/或流动穿过反应器的材料的滞留时间的调制的内部结构、组件或材料。相应地，反应器可含有提供经延伸流体流动路径的挡板808，如所展示。另外或替代地，反应器可在通过保持网筛810及814固定地定位的底盘中含有焊珠材料812。另外或替代地，反应器可含有可在反应器的内部体积中通过小孔板818固定在适当位置的纤维垫或泡沫材料816，如所图解说明。另外或替代地，反应器可含有用于赋予流动穿过反应器的流体漩涡运动的螺旋形主体820。将了解，反应器可含有各种各样的内部组件及/或材料，从而用于实现反应器中的材料的所要加热且为流动穿过反应器的材料提供适当滞留时间使得有利地由流入气态含磷或含砷前驱物材料形成二聚物及四聚物物质。

在历史上，采用固体磷及固体砷作为用于在离子植入过程中产生磷及砷离子的主要馈送材料，其中加热固体材料以产生递送到离子源室以用于离子化及离子提取的蒸汽。由于磷及砷蒸汽由在高温下分解成二聚物且接着分解成单体的四聚物(p4及as4)构成，因此固体磷及固体砷为用于形成二聚物及四聚物的理想馈送材料。在离子植入工业中，因为例如磷化氢及砷化氢的用于产生对应单体(p+及as+)的更方便的气相前驱物而抛弃了此些固体的使用，且任何返回使用固体磷及砷馈送材料将需要用可容纳此些固体磷及砷馈送材料的新离子植入系统进行的高成本的离子植入机改装或替换。尽管可使用磷化氢及砷化氢在离子植入机中在特定条件下产生二聚物及四聚物，但此些二聚物及四聚物的所得产物处于低浓度，使得其为商业不合意的。

在另一方面中，本发明克服此些缺点。磷化氢及砷化氢两者均在升高温度下分解成元素磷及砷，此即一种可能在常规离子植入机中发生但被所形成的任何固体元素磷或砷进行如下操作的事实所掩盖的过程：(i)由于离子源室中的极高温度而蒸发，或(ii)与源自原始磷或砷氢化物化合物的氢发生反应且返回为气相作为磷化氢或砷化氢，或(iii)变得离子化为单体离子，或(iv)在其可形成二聚物或四聚物之前从离子源室泵出。

就这一点来说，本发明实施与常规离子植入系统操作的根本背离，其中在继续直到预定所要量的固体磷或固体砷已沉积在离子源室中为止的第一“积累”操作模式中，离子源室接收气态磷化氢或砷化氢且在包含分解磷化氢或砷化氢以在离子源室中沉积固体磷或固体砷的温度的操作条件下操作。

在其中离子源室已装载有预定量的固体磷或固体砷的“积累”操作模式的此周期之后，在初级“植入”操作模式中操作离子植入系统。在此植入操作模式中，气态磷化氢或砷化氢在其中离子源室经“调谐”以利用所积累元素固体来产生富含经提取以用于离子植入的二聚物或四聚物的蒸汽的操作条件下流动到含有所积累元素磷或砷固体的离子源室中。

出于此目的，所述离子植入系统可包括监测与控制组合件，所述监测与控制组合件经配置以在第一操作阶段中在于离子源室中沉积且积累源自从所述供应器施配到离子源室的前驱物的固体多原子磷或砷的条件下且在第二操作阶段中在从所沉积固体多原子磷或砷产生包括二聚物或四聚物的蒸汽以用于离子植入的条件下操作离子源室。

如在先前所论述的离子植入系统中，前述离子源室可包括第一离子源室，其中所述离子植入系统包括第二离子源室，所述第二离子源室经配置以接收从供应器施配的前驱物且以与所述第一离子源室相同的操作方式操作但在操作中偏移使得在第一操作阶段中操作所述第二离子源室而在第二操作阶段中操作所述第一离子源室，且使得在第二操作阶段中操作所述第二离子源室而在第一操作阶段中操作所述第一离子源室。

如先前所描述，系统因此可体现有在同一植入工具中的两个离子源，其中一个离子源处于沉积积累模式中，且另一离子源产生包括二聚物或四聚物的蒸汽，或替代地可关于两个或两个以上单独植入工具利用监测与控制系统，使得其中的所选一或多者在第一操作阶段中，而其中的另外一或多者在第二操作阶段中(例如，以循环重复且交替方式)，其中所述离子源中的每一者经历连续第一及第二操作阶段。

此顺序积累/植入操作因此提供使用固体元素磷或固体元素砷的优点，而不需要修改离子植入系统或改变常规地利用的掺杂剂前驱物材料。

可在磷植入的情形中实施前述离子植入系统操作，其中与磷化氢一起或替代磷化氢使用三氟化磷及/或五氟化磷以用于与所积累固体元素磷发生反应以产生用于植入的所要二聚物或四聚物。同样地，在砷植入的情形中，可与砷化氢一起或替代砷化氢使用对应砷氟化合物作为气态含砷材料以用于与所积累固体元素砷发生反应。

因此将了解，本发明的各种方面及实施例使得能够在磷及砷离子植入中实现实质改进。

尽管本文中已参考具体方面、特征及说明性实施例来陈述本发明，但将了解，本发明的效用不因此受限制，而是延伸到且囊括多种其它变化形式、修改及替代实施例，如基于本文中的说明呈现在本发明的所属领域的技术人员眼前的。对应地，如下文所主张的本发明打算被广泛地解释并诠释为包含在其精神及范围内的所有此些变化形式、修改及替代实施例。