專利名稱：具有改進的蒸氣流的十硼烷汽化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及離子注入設(shè)備的離子源，特別涉及，具有改進的蒸氣流特性的離子源的十硼烷汽化器。
背景技術(shù)：
在如集成電路和平面顯示器等的產(chǎn)品的大規(guī)模制造中，離子注入已經(jīng)成為用雜質(zhì)攙雜諸如硅晶片或玻璃襯底等的器件的行業(yè)標準采用的技術(shù)。常規(guī)離子注入系統(tǒng)包括離子源，它將希望的攙雜劑元素離子化，然后，攙雜劑元素的離子被加速形成預定能量的離子束。這個離子束被引導到工件的表面，用攙雜劑元素注入工件。離子束的高能離子穿透器件表面，使得它們嵌入到工件材料的結(jié)晶晶格中，形成希望導電率的區(qū)域。
這個注入工藝一般在高真空處理室中進行，所述室防止由于離子束與殘余的氣體分子碰撞造成的離子束的分散，并且使得懸浮的顆粒污染工件的危險最小。
離子劑量和能量是限定注入步驟的兩個最重要的變量。離子劑量涉及給定半導體材料的注入離子的濃度。一般是，對于高離子劑量的注入用高電流注入器(通常大于10毫安(mA)離子束電流)，同時對低劑量的應用用中等電流注入器(通常能夠到約1mA離子束電流)。用離子能量控制在半導體器件中的結(jié)的深度。構(gòu)成離子束的離子的能量等級確定注入離子的深度的大小。諸如在半導體器件中用于形成倒置型阱(retrograde well)使用的那些高能工藝要求到幾百萬電子伏(MeV)的注入，同時淺結(jié)可僅需要小于1千電子伏(KeV)的能量。
向越來越小的半導體器件的不斷發(fā)展的趨向要求的注入器帶有以低能量提供高束電流的離子源。高束電流提供需要的劑量水平，同時低能等級允許淺注入。例如，互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件中的源/漏結(jié)要求用這樣的高電流，低能的應用。
圖1示出從固態(tài)獲得離子化原子的典型離子源10。離子源包括一對汽化器12和14，和離子化室16。每個汽化器帶有坩堝18，其中放置固體元素或化合物，且該坩堝用加熱線圈20加熱，以汽化固體源材料。加熱線圈的頭部22向加熱器線圈傳導電流，熱電偶24形成溫度反饋機構(gòu)。還設(shè)有空氣冷卻導管26和水冷卻導管28。
汽化的源材料通過由石墨噴嘴保持器32固定到坩堝18的噴嘴30，且通過汽化器入口34到離子化室16的內(nèi)部。另外也可以，經(jīng)由氣體管線38通過氣體入口36，向離子化室直接供給壓縮的氣體。在任一情況中，氣體/汽化的源材料由被加熱到熱發(fā)射電子的電弧室燈絲40離子化。
常規(guī)離子源利用從壓縮氣體源直接獲得或者從已被汽化的固體間接獲得的可離子化的摻雜劑氣體。典型的源元素是硼(B)、磷(P)、鎵(Ga)、銦(In)、銻(Sb)和砷(As)。除了一般以氣態(tài)，如三氟化硼(BF3)提供的硼外，這些源元素多數(shù)以固態(tài)提供。
在注入三氟化硼的情況，產(chǎn)生的等離子體包括帶單一電荷的硼離子(B+)。如果束的能量等級不是一個因素，在襯底中產(chǎn)生和注入足夠高的硼劑量不成問題。但是，在低能量應用中，硼離子束遇到所謂的“束膨脹”的狀態(tài)，也就是，在離子束內(nèi)的相同的帶電離子彼此排斥的傾向。這樣的相互排斥使得離子束在傳輸時直徑膨脹，造成由于在束線路中的多孔形成束的暈映(vignetting)。由于這降低了束能量，所以嚴重地降低束的傳輸。
十硼烷(B10H14)是迄今尚未作為硼注入的重要硼源使用的化合物。因為固態(tài)的十硼烷的熔點約為100度℃，所以在圖1的離子源坩堝中不能夠適當?shù)乜刂剖鹜榈钠Ｒ驗楣滔嗖牧辖咏娀∈以斐刹牧系妮椛浼訜?，所以即使汽化器加熱器不通電，在電弧?6內(nèi)產(chǎn)生的熱也使得坩堝達到這樣的溫度。(在另一方面，因為磷具有約400℃的熔點，所以在圖1的離子源坩堝中能夠準確控制磷的汽化)。這妨礙了在源材料的局部環(huán)境內(nèi)建立中溫(小于200℃)的熱平衡。
但是，因為在被汽化和離子化時每個十硼烷分子(B10H14)能夠提供包括十個硼原子的分子離子，所以十硼烷是硼注入供給料的優(yōu)良源。因為，分子十硼烷離子束能夠注入的每單位電流的硼劑量是單原子的硼離子束硼劑量的十倍，所以這樣的源特別適合產(chǎn)生淺結(jié)的高劑量/低能量注入工藝。此外，因為十硼烷分子在工件表面上破裂成大約十分之一原始束能量的單個硼原子，所以能夠以十倍于劑量相等的單原子硼離子束的能量傳送這個束。這個特征使得分子離子束能夠避免通常由低能離子束傳送引起的傳輸損失。
固體源汽化器的另一重要要求是，蒸氣流輸出(到圖1的噴嘴30)保持固定，使得離子化室接收汽化材料的一致的源以便離子化。例如，汽化器負荷的溫度的變化會造成從汽化器到離子化室的氣流減小，和隨之離子發(fā)生器(ionizer)的產(chǎn)率降低。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種離子注入器的離子源，它能夠準確地和可控地汽化十硼烷，或其他的適合的注入材料，以克服現(xiàn)有技術(shù)離子源的缺點。本發(fā)明的另一目的是提供具有提供穩(wěn)定和一致蒸氣流輸出的汽化器的離子源。

發(fā)明內(nèi)容
提供用于離子注入器的離子源，它包括(i)升華器，它具有接收要升華的源材料和用于升華所述源材料的腔室；(ii)氣體注入器，用于向腔室注入氣體；(iii)離子化室，用于離子化升華的源材料，所述離子化室遠離所述升華器；(iv)供給管，用于將升華器連接到離子化室。注入腔室的氣體可以是氦或氫，并且設(shè)計成改善在升華室的壁和源材料之間的傳熱。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的用于離子注入器的離子源的透視的部分剖視圖；圖2是用于根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的離子注入器的離子源的第一實施例的示意性的部分剖視圖；和圖3是結(jié)合和不結(jié)合本發(fā)明的伴用氣體注入機構(gòu)的圖2離子源中的十硼烷蒸氣分壓力的曲線圖。
具體實施例方式
見圖2，示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的離子注入器離子源50的第一實施例。離子源50包括不起反應的導熱升華器或坩堝52、加熱介質(zhì)存儲器54、加熱介質(zhì)泵55、溫度控制器56、離子化室58和流量控制器60。由石英或不銹鋼構(gòu)成的坩堝52遠離離子化室58，且通過供給管62與其連接。供給管62基本沿其整個長度被外部單一室環(huán)套90包圍。
坩堝52提供一個封閉容納源材料68的腔室66的壁構(gòu)成的容器64。這個容器最好是由適當?shù)牟黄鸱磻?惰性)材料構(gòu)成，如不銹鋼、石墨、石英或氮化硼，且能夠保持足夠量的如十硼烷(B10H14)等的源材料。雖然下面本發(fā)明僅是結(jié)合十硼烷描述，但是應理解，本發(fā)明的原理可以用于以特征為具有低熔點(如升華溫度在20℃到150℃之間)和大的蒸氣壓力(即在10-2托到103托之間)的其他的分子固體源材料，如氯化銦(InCl)。
用包含在存儲器54中的加熱介質(zhì)70加熱壁容器64的壁，提供升華過程使得十硼烷蒸發(fā)。升華過程包括不進入到中間液態(tài)將十硼烷從固態(tài)轉(zhuǎn)變到氣態(tài)。金屬絲網(wǎng)71防止非蒸發(fā)的十硼烷從坩堝52脫離。完全汽化的十硼烷經(jīng)由供給管62從坩堝52出來，進入控制蒸氣流量的流量控制器60，因此計量供給到離子化室的蒸發(fā)的十硼烷量，并如現(xiàn)有技術(shù)那樣。也同現(xiàn)有技術(shù)那樣，離子化室58將流量控制器60提供的汽化的十硼烷離子化。
本發(fā)明的離子源50提供控制機構(gòu)，用于控制坩堝52的操作溫度，以及將汽化的十硼烷向離子化室58輸送的供給管62的溫度。在存儲器54內(nèi)通過電阻或相似的加熱元件80加熱加熱介質(zhì)70。如下所述，溫度控制裝置包括溫度控制器56，它獲得經(jīng)由熱電偶92從存儲器54反饋的輸入的溫度，且向加熱元件80輸出控制信號，使得存儲器中的加熱介質(zhì)70被加熱到適當?shù)臏囟取?br> 加熱介質(zhì)70包括提供高熱容的礦物油或其他的適當介質(zhì)(如水)。加熱元件80將油加熱到20℃到150℃的溫度范圍內(nèi)，并由泵55通過套90圍繞坩堝52和供給管62循環(huán)。泵55分別設(shè)有入口和出口82和84，存儲器54相似地設(shè)有入口86和出口88。盡管在圖2中示出單向順時針方式，但是在坩堝52和供給管62周圍的加熱介質(zhì)的流動方式可以是提供在坩堝52和供給管62周圍介質(zhì)合理循環(huán)的任何方式。
見圖2，坩堝腔室66被加壓，以便促進汽化(升華)十硼烷通過供給管62從坩堝52到離子化室58的材料轉(zhuǎn)移。在提高腔室66內(nèi)的壓力時，材料轉(zhuǎn)移的速度相應地增加。離子化室在接近真空下(約為1毫托)操作，因此，從坩堝52到離子化室58的沿供給管62的整個長度存在壓力梯度。坩堝52的壓力一般在1托左右。
通過將坩堝52設(shè)在遠離離子化室58的位置，在坩堝腔室66內(nèi)的溫度被隔熱，從而提供不受在離子化室58中的溫度影響的熱穩(wěn)定環(huán)境。這樣，在十硼烷升華發(fā)生的坩堝腔室66中的溫度可以以高度準確度(1℃內(nèi))，且與離子化室58的操作溫度獨立地控制。另外，通過保持經(jīng)由加熱的供給管62向離子化室58運送時的汽化十硼烷的固定溫度，不發(fā)生蒸氣的凝聚和熱分解。
溫度控制器56通過控制加熱介質(zhì)存儲器70的加熱元件80的操作，來控制坩堝52和供給管62的溫度。熱電偶92測定存儲器70的溫度，并且將溫度反饋信號93傳送到溫度控制器56。通過向存儲器加熱元件80輸出控制信號94，溫度控制器以已知方式響應這個輸入反饋信號。這樣，直到離子化室的位置，為暴露給固相十硼烷和汽化的十硼烷的整個表面提供了一致的溫度。
除了控制坩堝52的壁64的溫度和坩堝腔室66內(nèi)的壓力外，本發(fā)明提供改進壁64和源材料68之間導熱率的機構(gòu)。這個機構(gòu)包括通過閥98可控地向坩堝腔室66提供的氣體源96。具體地說，導管或管100將氣體源96連接到閥98的入口，并且管102將閥98的出口連接到腔室66。管102設(shè)有出口嘴或注入器104。在優(yōu)選實施例中，包含在氣體源96中的氣體(這里也稱為伴用氣體(co-gas))是氫或氦，但也可考慮具有適當?shù)膶崧实钠渌栊詺怏w。
經(jīng)由嘴104進入腔室66的氣體的作用是提高在坩堝壁64和在坩堝中的汽化的源材料6 8之間的傳熱特性。這樣，源材料被有效完全地汽化，增加對于給定量的十硼烷源材料68來說，坩堝能夠提供汽化的十硼烷的時間。此外，改善了汽化的輸出流的穩(wěn)定性。
向腔室66提供的伴用氣體減少坩堝負荷的溫度的變化，否則會導致從坩堝到離子發(fā)生器58的汽化氣流的降低，因而使得離子源產(chǎn)量降低。另外，因為汽化的十硼烷穩(wěn)定供給到離子發(fā)生器58，所以離子發(fā)生器具有提高的離子提取特性。
通過控制(通過泵55)所述系統(tǒng)中的加熱介質(zhì)的循環(huán)和控制(通過加熱元件80)加熱介質(zhì)的溫度，能夠?qū)㈦x子源50控制到約20℃到150℃(+/-1℃)量級的工作溫度。與距離子化室最近的供給管的端比較，在坩堝上的精確溫度控制更為關(guān)鍵，以控制坩堝的壓力以及因此從坩堝流出的蒸氣流量。此外，通過控制坩堝腔室內(nèi)的十硼烷的分壓力，改進了從坩堝流出的蒸氣流的均勻性。
圖3示出在坩堝腔室中加伴用氣體(在0.5sccm流速的氦的情況)來穩(wěn)定在蒸發(fā)器的整個工作過程中十硼烷分壓力的方式。在圖3中，示出使用氦伴用氣和不使用時的坩堝腔室66中的十硼烷蒸氣分壓。如圖3所示，在不使用伴用氣時，十硼烷分壓開始呈高峰，然后快速降低。但是，在使用伴用氣時，十硼烷分壓在所示的三小時期間的大部分保持相對穩(wěn)定。結(jié)果，坩堝的汽化的十硼烷輸出相應地被穩(wěn)定。
在離子注入器中使用圖2的離子源50，向工件注入整個的分子(十個硼原子)。在工件的表面分子破裂，以致每個硼原子的能量大約是十個硼的原子團(在B10H14的情況)的能量的十分之一。因此，能夠以十倍于所需硼注入的能量傳送束，使得能夠很淺地注入，而沒有很大的束穿透損失。
此外，在給定束電流情況，每個單位電流向工件傳遞十倍的劑量。而且，因為每單位劑量的電荷是單原子束注入的十分之一，所以對于給定的劑量率，工件的充電問題相當小。最后，因為在汽化器腔室中的伴用氣的存在，改善了源材料與腔室壁的導熱率，產(chǎn)生汽化器的均勻穩(wěn)定的蒸氣流輸出。
因此，說明了用于離子注入器的改進的離子源的優(yōu)選實施例。然而，在考慮上述描述時，應理解，上述說明僅是示范說明，本發(fā)明不限于在此說明的特定實施例，在不偏離由后附的權(quán)利要求書及其等同物限定的本發(fā)明范圍內(nèi)可以對上述說明進行各種重新安排、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種用于離子注入器的離子源(50)，包括(i)升華器(52)，它具有接收升華的源材料和升華所述源材料的腔室(66)；(ii)氣體注入器(104)，其用于向所述腔室(66)注入氣體；(iii)離子化室(58)，其用于離子化升華的源材料，所述離子化室遠離所述升華器；和(iv)供給管(62)，其用于將所述升華器(52)連接到所述離子化室(58)。
2.如利要求1所述的離子源(50)，還包括用于加熱至少所述升華器(52)和所述供給管(62)的一部分的加熱介質(zhì)(70)，和用于控制所述加熱介質(zhì)(70)的溫度的控制機構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的離子源(50)，其中所述控制機構(gòu)包括用于加熱加熱介質(zhì)(70)的加熱元件(80)、用于循環(huán)所述加熱介質(zhì)的泵(55)、用于提供來自所述加熱介質(zhì)(70)的溫度反饋的至少一個熱電偶(92)；和響應所述溫度反饋向所述加熱元件輸出第一控制信號(94)的控制器(56)。
4.如權(quán)利要求2所述的離子源(50)，其中所述氣體是氦。
5.如權(quán)利要求2所述的離子源(50)，其中所述氣體是氫。
6.如權(quán)利要求2所述的離子源(50)，其中所述源材料是蒸氣壓在10-2托到103托之間且升華溫度為20℃到150℃之間的分子固體。
7.如權(quán)利要求6所述的離子源(50)，其中所述源材料是十硼烷。
8.如權(quán)利要求7所述的離子源(50)，其中所述氣體改進升華器(52)的壁(64)和源材料(68)之間的傳熱能力。
9.一種離子源(50)的蒸發(fā)器，其包括(i)坩堝(52)，它具有用于容納要汽化的源材料(68)和用于汽化源材料的腔室(66)；(ii)氣體注入器(104)，其用于向所述腔室(66)注入氣體；(iii)供給管(62)，其用于將所述汽化器(52)連接到在其中可以離子化汽化的源材料的遠離的離子化室；和(iv)加熱介質(zhì)(70)，其用于加熱所述汽化器(52)和所述供給管(62)的至少部分。
10.如權(quán)利要求9所述的汽化器，還包括用于控制所述加熱介質(zhì)(70)的溫度的控制機構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的汽化器，其中所述控制機構(gòu)包括用于加熱加熱介質(zhì)(70)的加熱元件(80)；用于循環(huán)所述加熱介質(zhì)的泵(55)；用于從所述加熱介質(zhì)(70)提供溫度反饋的至少一個熱電偶(92)；和響應所述溫度反饋，向所述加熱元件輸出第一控制信號(94)的控制器(56)。
12.如權(quán)利要求10所述的汽化器，其中所述氣體是氦。
13.如權(quán)利要求10所述的汽化器，其中所述氣體是氦。
14.如權(quán)利要求10所述的汽化器，其中所述源材料是具有10-2托到103托蒸氣壓力和20℃到150℃之間的升華溫度的分子固體。
15.如權(quán)利要求14所述的汽化器，其中所述源材料是十硼烷。
16.如權(quán)利要求15所述的汽化器，其中所述氣體改進在坩堝(52)的壁(64)和源材料(68)之間的傳熱能力。
全文摘要
提供用于離子注入器的離子源，包括(i)升華器(52)，它具有接收要升華的源材料(68)和升華所述源材料的腔室(66)；(ii)氣體注入器(104)，其向腔室(66)注入氣體；(iii)離子化室(58)，其用于離子化升華的源材料，所述離子化室遠離所述升華器；供給管(62)，其用于將升華器(52)連接到離子化室(58)。向腔室注入的氣體可以是氦或氫，用于改善在升華器(52)的壁(64)和源材料(68)之間的傳熱能力。
文檔編號H01J27/08GK1541401SQ02815643
公開日2004年10月27日 申請日期2002年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月7日
發(fā)明者A·佩雷爾, B·范德伯格, A 佩雷爾, 虜 申請人:艾克塞利斯技術(shù)公司