用于改进硅离子注入期间的离子束电流和性能的含硅掺杂剂组合物、使用该组合物的系 ...的制作方法
【专利说明】用于改进硅离子注入期间的离子束电流和性能的含硅掺杂 剂组合物、使用该组合物的系统和方法 发明领域
[0001] 本发明涉及用于改进的娃离子注入工艺(尤其改进的束电流（beam current))的 含硅掺杂剂组合物、使用该组合物的系统和方法的独特组合。
[0002] 发明背景 离子注入是半导体/微电子制造中的重要工艺。在集成电路制造中使用离子注入工艺 来将掺杂剂杂质引入半导体晶圆中。将所需的掺杂剂杂质引入半导体晶圆中以在所需的深 度形成掺杂区域。选择掺杂剂杂质以与半导体晶圆材料结合来产生电载体，从而改变半导 体晶圆材料的导电性。所引入的掺杂剂杂质的浓度确定掺杂区域的导电性。必需产生许多 杂质区域来形成晶体管结构、隔离结构和其它电子结构，其共同充当半导体设备。
[0003] 掺杂剂杂质一般是得自源掺杂剂气体的离子。离子源灯丝（filament)用于将掺杂 剂气体源电离成各种掺杂剂离子物质。离子在离子室内产生等离子体环境。随后，从离子 室中以限定（defined)的离子束形式提取离子。所得离子束通常由束电流来表征。一般来 说，较高束电流可允许较多掺杂剂离子物质可利用于（available for)注入给定的工件(例 如晶圆）中。在这种方式下，对于给定流动速率的源掺杂剂气体，可达到掺杂剂离子物质的 较高注入剂量。可经由质量分析器/过滤器传送所得离子束，然后传送至工件(例如半导体 晶圆)的表面。（离子)束的所需的掺杂剂离子物质渗透半导体晶圆的表面，以形成具有所需 的电学和/或物理性质的一定深度的掺杂区域。
[0004] 硅注入在半导体工业中广泛地用于各种材料改性应用，例如无定形化或光致抗蚀 剂改性。在设备制造期间Si注入步骤的越来越多的使用对以增加的束电流而不损害离子 源寿命为特征的用于注入各种Si离子掺杂剂物质的改进的方法存在需求。较高的束电流 可允许较高的设备处理量（throughput)和显著的生产率改进。应理解，术语"Si离子"、"Si 离子物质"、"Si离子掺杂剂物质"和"Si+离子"在贯穿说明书中可互换使用。
[0005] 四氟化硅（SiF4)已被用作用于硅离子注入的掺杂剂气体源。然而，SiF4具有各 种缺点。特别重要地，SiF4可在其电离并产生必需量的Si+离子以建立当今应用所需要的 较高束电流的能力方面受到限制。增加从SiF4产生的Si+离子的量通常需要增加输入至 离子源的能量，其在本行业中另外被称为离子源的操作电弧电压。然而，在增加的能量水平 下操作可损坏离子源部件，这可最终降低离子源在操作期间产生Si+离子的能力。例如，随 着在典型离子注入工艺期间电弧室壁的温度增加，从SiF4释放的活性氟可更迅速蚀刻并 侵蚀钨室壁，这可导致阴极对含钨沉积物的增加的沉积更敏感。含钨沉积物抑制离子源产 生维持等离子体并产生Si+离子所必需的阈值数量的电子的能力。另外，更多的活性氟离 子可利用于传播所谓有害的"卤素循环"，通过所述卤素循环可发生离子源室壁和其它室部 件的增加的化学侵蚀。因此，在较高能量水平下操作离子源室以试图增加 SiF4的电离具有 较短离子源寿命的可能性，从而使得该操作模式是不合需要的。
[0006] 当前，没有用于保持或增加 Si+离子的束电流而不损坏离子源室部件的可行技 术。在开发组合物、使用该组合物的系统和方法，以改进所需的硅离子物质的束电流而不损 害离子源寿命方面仍然存在未满足的需求。
[0007] 发明概沐 本发明部分涉及用于改进束电流的组合物、使用该组合物的系统和方法，所述束电流 用于改进硅离子源性能。已发现，所利用的掺杂剂气体的组合物对于改进束电流的能力具 有显著影响。
[0008] 在第一方面，提供掺杂剂气体组合物，其包含基于硅的掺杂剂气体组合物。该组合 物包含第一基于硅的物质和第二物质。选择第二物质以在产生并注入活性硅离子期间在所 利用的离子源的操作电弧电压下具有比第一基于硅的物质高的电离截面。与从四氟化硅 (SiF4)产生的束电流相比，基于硅的掺杂剂气体组合物改进离子束电流，以便保持或增加 束电流而不使所述离子源降级（degradation)。
[0009] 在第二方面，提供用于在硅离子注入期间提供改进的束电流的系统。该系统包含 由电弧室壁部分限定的离子源装置，其中该室包含至少部分配置于室壁内的硅离子源。提 供与所述离子源装置流体连通的一个或更多个供应容器。该一个或更多个供应容器存储基 于硅的掺杂剂气体组合物。组合物包含第一基于硅的物质和第二物质，其中选择所述第二 物质以在注入活性硅离子期间在离子源的操作电弧电压下具有比第一基于硅的物质高的 电离截面。一个或更多个供应进料管线对应于该一个或更多个供应容器。该一个或更多个 进料管线从一个或更多个供应容器经由壁延伸入室中。配置一个或更多个供应容器，以使 基于硅的掺杂剂组合物经由一个或更多个供应进料管线被分配并且进入所述离子源装置 中，从而允许硅离子源将基于硅的掺杂剂气体组合物电离，以至少从所述第一基于硅的物 质产生至少一部分活性硅离子。与单独从SiF4产生的束电流相比，活性硅离子产生增加的 束电流。
[0010] 在第三方面，提供在硅离子注入期间增加束电流的方法。该方法包括选择第一基 于硅的物质并且选择第二物质，所述第二物质具有在产生并注入活性硅离子期间在待利用 的离子源的预定操作电弧电压下比第一基于硅的物质高的电离截面。在一个或更多个供应 容器中提供第一基于硅的物质和第二物质。第一基于硅的物质和第二物质从一个或更多个 供应容器流入离子源装置中。第一基于硅的物质电离。产生活性硅离子。与单独从SiF4 产生的束电流相比，产生增加的束电流，其中与单独从SiF4产生的束电流相比，所述增加 的束电流延长源寿命。
[0011] 附图简沐 本发明的目标和优势从其以下结合附图的优选实施方案的详述来更好理解，其中同样 的数字自始至终表示相同的特征，其中： 图1表示并入本发明的原则的离子注入机； 图2表示硅注入系统内的图1的离子注入机； 图3是本发明的基于硅的掺杂剂气体组合物与其它类型基于硅的掺杂剂气体材料的 束电流水平的比较； 图4将对于不同的含Si气体在不同能量水平下的电离截面作图；以及 图5表示用不同的含硅掺杂剂组合物操作之后的电弧室沉积物。
[0012] 发明详沐 本发明的各种要素的关系和功能通过以下详述来更好理解。详述考虑本公开内容范围 内的呈各种排列和组合形式的特征、方面和实施方案。因此，可将本公开内容规定为包含下 列、由下列组成或基本上由下列组成:这些特定特征、方面和实施方案或其选定的一个或更 多个的此类组合和排列中的任何一个。
[0013] 如在本文中并且贯穿说明书中使用的"Si离子"表示各种硅离子掺杂剂物质，包括 适合于注入衬底中的硅或含硅阳离子。
[0014] 如本文使用，除非另外指示，否则所有浓度以体积百分比（"vol%"）表示。
[0015] 在一方面，本公开内容涉及与常规的硅掺杂剂源相比，用于增加 Si束电流的新颖 的含硅掺杂剂组合物、使用所述组合物的系统和方法。如在本文中并且贯穿说明书中使用 的术语本发明的"基于硅的掺杂剂气体组合物"意欲指第一基于硅的物质和第二物质，其被 选择来使得第二物质在如本文描述的选定离子注入操作条件（例如，输入到离子源的电弧 电压或能量）下具有比第一基于硅的物质高的电离截面。"电离截面"定义为当原子或分子 经历与发射自离子源的电子碰撞时发生电离的概率（以面积单位来测量）。第二物质是允 许离子源在一定条件下操作的互补（complimentary)气体，与用于娃注入的离子注入工艺 中只利用SiF4相比，所述条件有助于保持其效率更长持续时间。如本文描述的本发明的基 于硅的掺杂剂气体组合物与先前的硅掺杂剂源材料相比改进离子源的性能而不损害离子 源寿命。"离子源性能"考虑到关键的性能量度，其包括束电流的稳定性、源寿命和束故障 (beam glitching)的程度。如本文使用的"束故障"是指可导致束电流短暂降低的电压放 电。本公开内容在本文中在各种实施方案中并且参照本发明的各种方面和特征来阐明。
[0016] 相对于通常用于硅离子注入的其它常规的源掺杂剂气体，独特的基于硅的掺杂剂 气体组合物使得能够增加束电流而不损害离子源寿命。可使用第一基于硅的物质和第二物 质的众多组合。例如，第一基于硅的物质可包括Si2H6并且第二物质可包括Xe或其它惰性 气体。在其它代表性实例中，SiH4可与第二物质（包括Xe或其它惰性气体）一起使用。或 者，SiH2C12或SiF2H2可与第二物质（包括各种稀释剂，例如Xe和/或Kr)一起使