使用过氧化氢作为主掺杂剂的共伴气体或吹扫气体进行原位清洁以尽量减少离子源中的积碳的制作方法

本申请要求名称为“in-situcleaningusinghydrogenperoxideasco-gastoprimarydopantorpurgegasforminimizingcarbondepositsinanionsource”、申请日为2016年9月30日、申请序列号为15/281,844的美国专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本发明总体上涉及半导体器件制造和离子注入，更具体涉及一种改善离子注入机中的离子源性能并延长离子源使用寿命的方法。

背景技术：

离子注入是半导体器件制造中所采用的物理过程，选择性将掺杂剂注入半导体和/或晶片材料。因此，注入行为并不依赖于掺杂剂及半导体材料间的化学交互作用。对于离子注入，使掺杂剂原子/分子离子化、加速、形成离子束，分析并扫过晶片，或者使晶片扫过离子束。掺杂离子以物理方式轰击晶片、进入表面并在与其能量有关的深度下停止在该表面下方。

参照图1，系统100包括用于沿射束路径106产生离子束104的离子源102。束线组件110设置于离子源102的下游，用于自其接收射束。束线系统110可包括(未示出)质量分析器、例如可包括一个或多个间隙的加速结构以及角能量滤波器。束线组件110位于接收射束的路径上。质量分析器包括诸如磁体的场发生部件并且操作成提供跨越射束路径106的场，以使来自离子束104的离子在根据质量(例如荷质比)变化的轨迹上转向。行经磁场的离子受力，该力引导射束路径106上所需质量的各个离子并使非所需质量的离子远离射束路径转向。

在系统100中设置处理腔室112，该处理腔室所包含的目标位置从束线组件110接收离子束104并沿射束路径106支撑一个或多个工件114，如半导体晶片，以便使用最终经质量分析的离子束来进行注入。然后，处理腔室112接收指向工件114的离子束104。应当领会，系统100中可采用不同类型的处理腔室112。例如，“分批型”处理腔室能够同时在旋转支撑结构上支撑多个工件114，其中工件114旋转通过离子束的路径，直至所有工件114经完全注入。另一方面，“串列型”处理腔室112沿射束路径106支撑单个工件114以供注入，其中以串列方式每次一个地注入多个工件114，每一工件完全经注入之后才开始对下一工件的注入。处理腔室112还可包括扫描设备(未示出)，用于使离子束104相对于工件114移动或使工件相对于离子束移动。

离子注入机中的离子源生成离子束104通常是通过在源腔室102内使源气体离子化，该源气体的组分可为所需的掺杂元素，并以离子束的形式引出离子化的源气体。由激励器实现离子化过程，该激励器可采用加热丝极、丝热阴极(间热阴极“ihc”)或射频(rf)天线的形式。

组成源气体的所需掺杂元素的示例能够包括碳、氧、硼、锗、硅等。碳的使用日益增多，碳可用于许多注入步骤，如材料改性。碳注入物所用的最常见前体源气体包括二氧化碳和一氧化碳。

构建如图1所示的离子源腔室102时，通常使用诸如钨和钼的耐熔金属来形成腔室102的阴极电极和内壁表面。利用含碳材料生成碳离子的过程中，在离子腔室中生成碳原子，并且碳原子与构建电极、腔室内衬、腔室本体和弧隙的材料反应。元素碳趋向于积聚到这些表面上，不利地影响离子源的效率并污染腔室102。

技术实现要素：

本发明通过提供改善用于碳注入物的离子注入系统中离子源性能并延长离子源寿命的系统、装置和方法而克服现有技术的局限性。据此，下文提出本发明的简要发明内容，提供对本发明某些方面的基本理解。本发明内容并非本发明的详尽综述。既非旨在确定本发明的关键或主要元素，亦非限定本发明的范围。其目的在于，以简化形式呈现本发明的某些构思，作为下文具体实施方式的引言。

本发明各方面有助于离子注入过程，除去分子碳源气体的离解和离子化中生成并可能累积到离子源相关结构上的碳原子，从而减少来自阴极的电子发射。这样就增加束电流以及离子源的使用寿命。本文揭示用于执行所述方法的相关设备和离子注入系统。

根据某一示例性方面，设置用于改善离子注入性能的离子源组件。该离子源组件包括离子源腔室和源气体供应源，其配置成向离子源腔室提供分子碳源气体。例如，该分子碳源气体包括甲苯或其他碳氢化合物的源材料。设置源气体流控制器，其配置成控制分子碳源气体流向离子源腔室。

例如，激发源配置成激发分子碳源气体，在其中形成碳离子和原子碳。引出电极进一步配置成从离子源腔室中引出碳离子，在其中形成离子束。

根据本发明，设置过氧化氢共伴气体供应源，其配置成向离子源腔室提供预定浓度的过氧化氢气体。例如，过氧化氢共伴气体流控制器配置成控制过氧化氢气体流向离子源腔室，其中过氧化氢气体配置成经由激发源在离子源腔室内分解，在其中形成游离氢和氧自由基。游离氢和氧自由基进一步与来自离子源腔室中的分子碳源气体的原子碳反应，其中在离子源腔室内形成二次碳氢化合物以及二氧化碳、一氧化碳和水中的一种或多种元素。进一步设置真空泵系统，其配置成从离子源腔室中除去碳氢化合物，其中减少离子源腔室内的原子碳沉积并且延长离子源腔室的使用寿命。

将分子碳源气体和过氧化氢共伴气体同时或依序引入离子源腔室。替代地，将分子碳源气体与过氧化氢共伴气体预混之后引入离子源腔室。例如，过氧化氢共伴气体能够与分子碳源气体在注入的同时用作共伴气体，而在非注入期间用作吹扫气体，或者两者兼备。例如，残碳与过氧化物中的氧反应形成一氧化碳或二氧化碳气体，泵走这些气体。这样就能尽量减少离子源腔室中的碳层积聚。例如，诸如氩气的惰性气体进一步稳定电弧等离子体，而不会显著促成化学反应。

上述发明内容仅旨在给出本发明某些实施方案的某些特征的简要概述，并且其他实施方案可包括较上述内容补充和/或不同的功能。特别是，本发明内容不应解释为限制本申请的范围。因此，为达成上述相关目的，本发明包括下文描述并在权利要求书中具体指出的特征。下文的附图说明及具体实施方式详细阐述本发明的某些说明性实施方案。但这些实施方案是指各种方式中可运用本发明原理的几种方式。结合附图考虑时，参阅下文的具体实施方式能够更清楚地理解本发明的其他方面、优势及新颖性特征。

附图说明

图1示出适于实施本发明一方面或多方面的离子注入系统的框图；

图2a为示出根据本发明某一方面的离子注入系统的离子源组件的某一实施方案；

图2b为示出根据本发明某一方面的离子注入系统的离子源组件的替代实施方案；

图2c为示出根据本发明某一方面的离子注入系统的离子源组件的进一步实施方案；

图3为示出根据本发明某一方面在离子源腔室中归一化分子碳射束强度的质谱的图形表示；

图4为示出根据本发明某一方面的甲苯与过氧化氢共伴气体的束电流的质谱的图形表示；

图5为示出根据本发明某一方面的甲苯与氩和过氧化氢共伴气体的束电流的质谱的图形表示；

图6为示出根据本发明某一方面的方法的流程图。

具体实施方式

本发明总体上针对一种用于尽量减少离子注入系统中的离子源内积碳的系统、设备及方法。据此，现将参照附图对本发明予以阐述，其中相同的附图标记通篇可指相同的元件。应当理解，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限制目的。出于解释目的，在下文中阐明若干具体细节，以便全面理解本发明。然而，本领域技术人员会显而易知，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实施。另外，本发明的范围不应受到下文结合附图所述的实施方案或实例的限制，而仅受所附权利要求及其等效范围的限制。

还应指出，附图用于说明本发明实施方案的某些方面，由此应视为仅供示意性说明。具体而言，根据本发明的实施方案，附图中所示的元素并不一定互成比例绘制，将附图中各元素的布置选为可清楚地理解相应实施方案，不得理解为必然表示这类实施方式中各组件的实际相对位置。另外，若非特别注明，则本文所述的各种实施方案及实例的特征可互相组合。

还应理解，在下文的描述中，图中所示或文中所述的功能模块、装置、组件、电路元件或者其他物理或功能单元之间的任何直接连接或耦接也能通过间接连接或耦接来实施。还应领会，图中所示的功能模块或单元在一种实施方案中可作为分立的特征或电路实施，而在另一种实施方案中补充或替代地作为共同的特征或电路来全部或部分实施。举例而言，几个功能模块可作为在共同处理器(如信号处理器)上运行的软件形式实施。还应理解，若非另作注明，则下文中描述为有线(wire-based)的任何连接也可作为无线通信实施。

近年来，人们对离子注入系统中使用碳作为预非晶化物种方面产生浓厚的兴趣。由于其质量很低，在常规工件温度下通常难以用单体碳进行非晶化，除非剂量远超1×1015cm^-2。然而，当经由点状离子束注入机(例如马萨诸塞州比弗利axcelistechnologies公司制造的optimahdx型或purionh型注入机)进行注入时，如果在注入期间冷却晶片并且碳束的密度足够高，硅晶片中碳的非晶化阈值可能降低至5×1014cm^-2。在晶片温度为-30℃至-50℃的范围内，能够使用单体碳(c)注入物进行硅晶片的非晶化。但使用低温单体碳注入物的缺陷在于，每单位时间注入的晶片的数量(俗称每小时晶片wph)减少。

另外，在离子注入期间降低工件温度的效果是尽量减少注入物在晶格上的“自退火”成分，在离子渗入晶片的晶格结构之后的极短时间内发生损伤弛豫。扩散过程也对衬底温度十分敏感。减少或消除自退火会产生更大的原子净位移和变化的损伤分布，从而形成更厚的非晶层并减少可能导致器件泄漏的射程末端(eor)损伤。

另一种途径是以等效的更高能量但在环境温度下使用分子碳，以便实现与硅晶体的单体碳(c)非晶化类似的效果。在高温下固相外延再生后，材料损伤的物理性质相似，能够减少并修复射程末端位错环。还能获得其他改进，诸如改进退火期间的固相外延再生，更清晰的非晶/结晶边界，以及减少瞬态增强扩散(ted)中的掺杂剂移动。

在半导体加工的损伤工程中使用分子碳(如甲苯c7h8)避免在注入大分子(如c7)时须将衬底冷却至零下温度而增加费用和复杂性。由于甲苯分子的大小，在预定能量下冲击致使半导体工件的晶体结构非晶化，从而产生更厚的损伤层并改善器件性能。

首先参照图2a，以框图形式提供示例性离子注入系统200，其中该离子注入系统适于实施本发明的一方面或多方面。系统200包括用于沿光束路径205产生离子束204的离子源组件202。例如，离子束组件202包括具有相伴电源208的离子源腔室206。例如，离子源腔室206可包括相对较长的等离子体约束室，从该室中引出离子束204并使其加速。引出电极207定位成从离子源腔室206中引出离子束。

包含分子碳源气体211的源气体供应源210经由共同的入口212耦合至离子源腔室206。例如，与离子源腔室206相关联的激励器214配置成激励分子碳源气体211，在其中形成等离子体。例如，激励器214可包括加热丝极、丝热阴极(间热阴极“ihc”)或可操作地耦合至电源208的射频(rf)天线。然后，通过引出电极207引出离子束204并使其导向定位于处理腔室218内的工件216(例如半导体晶片，如硅)，其中将离子注入工件。

例如，分子碳源气体211可包括碳氢化合物，如甲苯(c7h8)或其他碳氢化合物(cxhx)。例如，甲苯为弱键合的分子，其通常需要最小的能量来裂解其中的键。照此，电源208通常在极低的弧电压下运行，从而转化为低加速电势，使离子行进到电接地。通常，随着时间推移，甲苯会污染激励器214(例如阴极表面)或改变其功函，从而减少电子发射和所需离子的伴生产物。当维持电子发射所需的电压超过电源208的额定功率时，先前尝试克服激励器214表面的污染(诸如使用大型阴极电源)失败。因此，当电源208达到其极大值时，电源将以开环运行并且无法正常自伺服。在另一种替代方案中，将更低质量的阴极尖端用于激励器214，并且使用功函更低的耐熔金属，诸如钽。由于引入过氧化氢，需要添加氩或类似的惰性气体来消除阴极氧化。不使用经离子化的惰性气体来溅射清洁阴极表面的情况下，电子发射减少，随后离子束电流减小。例如，残碳与过氧化物中的氧反应形成一氧化碳或二氧化碳气体，泵走这些气体。这样就能尽量减少离子源腔室中的碳层积聚。例如，进一步引入惰性气体并使其离子化，以抵消因过氧化氢分解所致的阴极氧化。例如，诸如氩气的惰性气体进一步稳定电弧等离子体，而不会促成如下化学反应：

c7h8+h2o2+ar→c1h1+c2h2+c3h3+c4h4+c5h5+c6h6+c7h7+oh+h2o+ar(1)

分子碳源气体211(如甲苯)中的碳通常需要高于正常流速(例如，高于约10sccm)，在30℃下具有约36.7torr的相应压力，生成的蒸汽足以支持可靠的操作。这种更高的分子碳流增加原子碳在离子源腔室206内以及引出电极207和相关光学器件上的沉积。照此，残留的原子碳将聚积在离子源腔室206的内表面上并且通常经受高应力，从而当离子源腔室206冷却时，残留的原子碳通常会从表面上剥离或剥落。照此，使用常规的系统和方法会经历过度的电弧放电并缩短离子源腔室206的使用寿命。

因此，根据本发明，源气体流调节器219控制分子碳源气体211向离子源腔室206的气体量和流速。另外，含有过氧化氢共伴气体221的过氧化氢共伴气体供应源220还经由共同的入口212耦合至离子源腔室206。共伴气体流调节器222控制要供应到离子源腔室206的过氧化氢共伴气体221的气体量和流速。例如，过氧化氢共伴气体221包含50％以上的游离剂。

图2b至图2c示出本发明的替代实施方案。在前述实施方案中，源气体211和过氧化氢共伴气体221从分开的供应源获得并在入口212中混合之后进入离子源腔室206，还可设想，可获得分子碳源气体211和过氧化氢共伴气体221作为预混产物，并以一种产物供应到离子源腔室206，如图2b所示。照此，在单个来源中供应源气体与共伴气体的混合物226，相关联的气流计228控制混合物226流入离子源腔室206的流速和流量。单一来源226通过入口212进入离子源腔室206。

在离子源腔室206的运行期间，分子碳源气体与过氧化氢共气体的混合物226通过入口212释放到离子源腔室206中。分子碳源气体与过氧化氢气体离解和/或离子化形成含有碳离子、氢离子和氧离子的带电粒子的等离子体。游离氧离子与来自这两种气体的氢离子反应形成水分子和氢氧化物，通过真空泵系统234从腔室206中除去这些水分子和氢氧化物。

图2c示出另一实施方案，其中设置两个分开的入口230和232，一个入口用于分子碳源气体211，一个入口用于过氧化氢共伴气体221。然后，在离子源腔室206中混合气体211和221。用于源气体210的气流计218和用于共伴气体220的气流计212分别控制气体通过入口230和232流入离子源腔室206。在离子源腔室206的运行期间，分子碳源气体211与过氧化氢共伴气体221通过入口212引入离子源腔室206。分子碳源气体211离解和/或离子化形成含有碳离子和氧离子的带电粒子的等离子体。游离氧离子与过氧化氢共伴气体221反应形成一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)以及水分子和氢氧化物，通过真空泵系统234从腔室206中除去这些物质。

例如，图3示出利用甲苯(c7h8)作为分子碳源气体211的示例性束谱240，其中甲苯为具有91的相应原子质量单位(amu)的多数峰。余峰一般是不可用副产物，这种副产物通常不会用于离子注入，但有助于在图2a至图2c的离子源腔室206内成碳。通过真空泵系统234除去不可用的副产物和剩余的一氧化碳、二氧化碳和水。例如，分子碳源气体211和过氧化氢共伴气体221的化学反应能够描述为：

ah2o2+bcxhx→chxcx(g)+dh2o(2)

其中常数a、b、c和d根据为注入选择的理想分子碳源气体来平衡。

图4示出甲苯作为分子碳源气体211和过氧化氢共伴气体221的束谱242，其中amu26、28和29的峰显示不可用的碳离子与o^-反应并且能够经由图2a至图2c的真空泵系统234从离子源腔室206中除去，而并非沉积在离子源腔室内。

图5示出束谱244，显示低流量氩气与高流量过氧化氢一起进入离子源腔室的效果。使氩气或类似的惰性气体离子化有助于防止阴极表面氧化并随之减少阴极电子发射(例如减小离子束电流)。具有amu12、13、14和28的峰说明经由引入过氧化氢共伴气体221除去图2a至图2c的离子源腔室206内的碳沉积物。根据本发明另一示例性方面，图6示出根据本发明某一方面在离子注入机中利用分子碳源气体来改善离子源性能并延长离子源使用寿命的示例性方法300。方法300在离子注入系统的操作期间使用过氧化氢共伴气体，以便有助于使用分子碳源气体时除去生成的碳。为进一步描述该方法300，还能参考上述附图和内容。

应当指出，尽管在本文中以一系列动作或事件阐述示例性方法，但应领会，本发明不仅限于这类动作或事件的所示次序，根据本发明，某些步骤会以不同顺序执行且/或与除本文所述之外的其他步骤同时进行。此外，并非所述各步骤均需用于实现根据本发明的方法。还应领会，所述方法可结合本文所述的系统并结合本文未示的其他系统来实施。

方法300始于框302，其中供应分子碳源气体和过氧化氢共伴气体。该方法继续至306，其中将源气体和共伴气体供给到离子源腔室中，其中使由阴极发射的电子加速，并且在308，在离子源腔室内使源气体的气体分子离子化，以裂化源气体并产生所需的离子。在310，过氧化氢共伴气体与游离氧离子反应形成水或氢氧化物。在312，引出经离子化的碳离子、碳同位素和氧。然后在314，通过真空泵系统除去水和氢氧根分子。在316，将所引出的碳离子从离子束注入工件。

所选择的分子碳源气体和过氧化氢共伴气体的流速能够改变，这样除去最大量的氧离子也不会对束电流产生不利影响。供应的共伴气体量能够至少部分通过分析操作期间的射束合成来确定。

然而，出于简述目的，将方法300描绘且描述为连续执行，应当理解，本发明并不受限于说明顺序，根据本发明的某些方面会以不同顺序发生并/或与不同于本文所述的其他方面同时发生。譬如设想，分子碳源气体和过氧化氢共伴气体流入离子源腔室可以同时发生。在另一实施方案中设想，这些气体的流动可以依序发生，以使分子碳源气体引入离子源腔室，随后使含氢的共伴气体流入离子源腔室。此外，并非所述各特征或框图均需用于实现根据本发明一方面的方法。

尽管本发明已针对一个或多个实施方式来阐明，但基于对本发明说明书及附图的阅读和理解，本领域的技术人员应领会等同的变型及修改。特别关于由上述部件(组合、器件、电路、系统等)执行的各种功能，若非特别注明，则用于描述这些部件的术语(包括提及“装置”)旨在对应于执行所述部件的特定功能(即功能上等同)的任意部件，即便其在结构上不等同于执行本文所述的本发明典型实施方式所公开的结构亦然。另外，虽然仅就多种实施方式中的某种方式揭示本发明的特定特征，如若适于或利于任何指定或特定应用，则这一特征可结合其他实施方式的一个或多个其他特征。此外，就术语“包含”、“具有”、“带有”或其变体用于说明书和权利要求而言，这样的术语旨在以类似于术语“包括”的方式具有包容性。此外，术语“示例性”旨在表示实例而非最佳或最优的方面或实施方式。