專利名稱：通過植入n－及p－型簇離子及負離子制造cmos器件的方法
相關(guān)申請案交叉參照本申請案主張優(yōu)先于并主張美國臨時專利申請案第60/392,271號及第60/391,847號的權(quán)利，該兩個臨時專利申請案均于2002年6月26日提出申請。本專利申請案亦主張優(yōu)先于共同擁有且同在申請中的美國專利申請案第10/244,617號(2002年9月16日提出申請)及美國專利申請案第10/251,491號(2002年9月20日提出申請)。
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種離子植入系統(tǒng)及一種半導體制造方法，其用于植入由N-型摻雜劑簇離子的簇構(gòu)成的離子束以及帶負電荷的簇離子束。
背景技術(shù)：
半導體器件的制造會部分地涉及到在半導體襯底中引入雜質(zhì)以形成摻雜區(qū)域。所選雜質(zhì)元素應與半導體材料適當結(jié)合形成電載流子并改變半導體材料的導電率。其中，電載流子既可為電子(由N-型摻雜劑產(chǎn)生)亦可為空穴(由P-型摻雜劑產(chǎn)生)。所引入摻雜劑雜質(zhì)的濃度會決定由此得到的區(qū)域的導電性。為形成晶體管結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)及其他此等電子結(jié)構(gòu)(其統(tǒng)統(tǒng)用作半導體器件)，必須形成許多此等N-型及P-型雜質(zhì)區(qū)域。
用于將摻雜劑引入半導體襯底中的傳統(tǒng)方法是通過離子植入。在離子植入中，是將一含有所需元素的進料引入一離子源中并引入能量將該進料離子化，從而形成含有摻雜劑元素(例如元素75As，11B，115In，31P，或121Sb)的離子。然后，提供一加速電池來提取并使通常帶正電荷的離子加速，從而形成離子束。然后，如所屬技術(shù)領(lǐng)域中所習知，使用質(zhì)量分析來選取欲植入的物質(zhì)，并將離子束射向一半導體襯底。加速的電場會使離子具有動能，從而使離子能夠滲透入目標中。離子的能量及質(zhì)量決定了其滲透入目標中的深度，其中離子的能量愈大及/或質(zhì)量愈小，其速度即會愈高，因而滲透入目標中愈深。離子植入系統(tǒng)構(gòu)造用于精心地控制植入工藝中的關(guān)鍵變量，例如離子束能量、離子束質(zhì)量、離子束電流(每單位時間中的電荷)、及在目標處的離子劑量(滲透入目標中每單位面積的總離子數(shù))。此外，為保持半導體器件的成品率，還必須控制離子束角散度(離子撞擊襯底的角度的變化)及離子束空間均勻性及范圍。
近來，人們發(fā)現(xiàn)植入負離子會優(yōu)于植入正離子，舉例而言，參見D.C.Jacobson，Konstantin Bourdelle，H-J.Gossmann，M.Sosnowski，M.A.Albano，V.Babaram，J.M.Poate，Aditya Agarwal，Alex Perel及Tom Horsky所著的“十硼烷，一種用于超低能量離子植入的替代方法(Decaborane，anAlternative approach to Ultra Low Energy Ion Implantation)”(2000年在奧地利Alpsbach舉行的IEEE第XIII屆國際離子植入技術(shù)會議會刊)；N.Kishimoto等人所著的“一種大電流負離子植入機及其對在絕緣體中制造納米晶體的應用(A High-Current Negative-Ion Implanter and its Application forNanocrystal Fabrication in Insulators)”(1998年6月22-26日在日本Kyoto舉行的IEEE第XII屆國際離子植入技術(shù)會議會刊，(1999)342-345)；N.Tsubouchi等人所著的“質(zhì)量分離的低能正離子及負離子沉積裝置的離子束表征(BeamCharacterization of Mass-Separated，Low-Energy Positive and NegativeIons Deposition Apparatus)”(1998年6月22-26日在日本Kyoto舉行的IEEE第XII屆國際離子植入技術(shù)會議會刊，(1999)350-353)；及Junzo Ishikawa等人所著的“負離子植入技術(shù)(Negative-Ion Implantation Technique)”(PhysicsResearch B 96(1995)7-12中的核儀器及方法(Nuclear Instruments andMethods))。負離子植入的一個極為重要的優(yōu)點是會降低在CMOS制造中由離子植入引起的VLSI器件的表面充電。一般而言，正離子的大電流(處于1mA或更大的數(shù)量級)植入會在門極氧化層及半導體器件的其他組件上產(chǎn)生正電位，該種正電位可很容易地超過門極氧化層的損壞閾值。當一正離子撞擊半導體器件的表面時，其不僅會電積一凈的正電荷，而且還同時解放二次電子，從而使電荷效應倍增。因此，離子植入系統(tǒng)的設備經(jīng)銷商已開發(fā)出一種用于在植入過程中將低能電子引入帶正電荷的離子束內(nèi)及器件圓片表面上的精密的電荷控制裝置，即所謂的淹沒式電子槍。此種淹沒式電子系統(tǒng)會在制造工藝中引入其他變量，且無法徹底消除因表面充電而引起的成品率損失。隨著半導體器件變得愈來愈小，晶體管的工作電壓及門極氧化層厚度也變得愈來愈小，從而會降低半導體器件制造中的損壞閾值，致使成品率隨之降低。因此，對于許多前言工藝而言，負離子植入會在成品率方面較傳統(tǒng)的正離子植入有潛在的明顯改良。遺憾的是，此種技術(shù)在市面上尚未有售，且事實上，就作者所知，目前負離子植入尚未用于制造集成電路，甚至尚未用于研究及開發(fā)。
現(xiàn)有技術(shù)負離子源是依賴于所謂的負吸附性濺射耙。其中是將一重的惰性氣體(例如氙)饋送入一等離子源，由該等離子源形成Xe+離子。Xe+離子在形成后即刻被吸至一承受負偏壓的濺射靶，該濺射靶已涂覆有銫蒸氣或其他適當?shù)膲A性材料。高能Xe+離子會濺射掉中性的靶原子，由于銫涂層具有負電子吸附性，因而某些中性的靶原子會在離開靶表面時拾取一個電子。一旦帶上負電荷，靶離子即會被推斥遠離靶，并可由靜電離子光學裝置自離子源收集并會聚成一負離子束。盡管可使用此種方法產(chǎn)生半導體摻雜劑離子(例如硼)，然而，離子電流往往偏低，離子束出射度往往偏大，且銫蒸氣的存在會對圓片成品率造成令人無法接受的風險，這是因為堿性金屬被認為會嚴重污染硅的處理。因此，需要具有一種在商業(yè)上更為可行的負離子源技術(shù)。
在半導體制造工藝中尤其關(guān)心在半導體襯底內(nèi)形成P-N結(jié)。此要求形成相鄰的N-型及P-型摻雜區(qū)域。一個形成一結(jié)的一般性實例是將N-型摻雜劑植入一已含有一均勻分布的P-型摻雜劑的半導體區(qū)域內(nèi)。在此一情形中，一重要參數(shù)是結(jié)深度，其定義為自N-型與P-型摻雜劑具有相等濃度的半導體表面開始的深度。該結(jié)深度主要取決于所植入摻雜劑的質(zhì)量、能量及劑量。
現(xiàn)代半導體技術(shù)的一個重要方面是不斷地向更小、更快的器件演化。該過程稱作按比例縮小(scaling)。按比例縮小是受到微影工藝的不斷改良進步的推動，微影工藝的不斷改良進步使人們能夠在含有集成電路的半導體襯底中界定出越來越小的形體。目前已形成了一種廣為接受的按比例縮小理論用來指導芯片制造商適當?shù)赝瑫r(即在每一技術(shù)節(jié)點或按比例縮小節(jié)點處)改變半導體器件設計中所有方面的尺寸。按比例縮小技術(shù)對離子植入工藝的最大影響是結(jié)深度按比例縮小，此要求隨著器件尺寸的減小而使結(jié)日益變淺。使結(jié)隨著集成電路技術(shù)按比例縮小而日益變淺這一要求可表現(xiàn)為如下要求在每一按比例縮小步驟中均必須降低離子植入能量。近來，許多關(guān)鍵植入所需的離子能量已降低到了如下程度最初開發(fā)用于產(chǎn)生能量高得多的離子束的傳統(tǒng)離子植入系統(tǒng)已無法有效地提供所需植入。這些極淺的結(jié)稱作“超淺結(jié)(Ultra-ShallowJunctions)”或USJ。
在自離子源提取離子及隨后穿過植入機的離子束線輸運離子時，傳統(tǒng)離子植入系統(tǒng)在低離子束能量情況下的局限性最為明顯。離子提取會受到Child-Langmuir關(guān)系式的約束，Child-Langmuir關(guān)系式表明所提取的離子束電流密度與提取電壓(即在提取時的離子束能量)的3/2次方成正比。圖1為一表示最大所提取砷離子束電流與提取電壓之間關(guān)系的曲線圖。為簡明起見，已假定在所提取離子束中僅存在75As+離子。圖1表明，當降低能量時，提取電流會迅速減小。在傳統(tǒng)的離子植入機中，發(fā)現(xiàn)這種“提取受限”操作方式的能量低于約10keV。在輸運低能離子束時亦存在相同的約束。離子束的能量愈低，其行進速度即愈低，因而對于一既定的離子束電流值，各離子會更靠近于一起，亦即離子密度會增大。此可由關(guān)系式J＝nev看出，其中J為離子束電流密度(單位為mA/cm2)，n為離子密度(單位為cm-3)，e為電子電荷(＝6.02×10-19庫侖)，v為平均離子速度(單位為cm/s)。由于各離子之間的靜電力與其間距離的平方成反比，因此在低能量下的互斥力要強得多，因而此會使離子束發(fā)散。此種現(xiàn)象稱作“離子束放大(beam blow-up)”。盡管植入機的離子束線中所存在的低能電子流往往會被帶正電荷的離子束捕獲因而有助于補償輸運期間的空間電荷放大，然而仍會出現(xiàn)離子束放大，且在存在靜電聚焦透鏡時最為顯著，因為靜電聚焦透鏡往往會自離子束中剝除掉松散結(jié)合的具有極高流動性的補償電子。對于砷(75個原子質(zhì)量單位)等偏重的原子，由于在一既定離子能量下離子速度會慢于輕的原子，因而低能光束的輸運可能很困難。對于P-型摻雜劑硼亦存在很大的提取及輸運困難。某些前沿工藝所需的極低(例如低于1keV)的植入能量以及如下事實使硼輸運變得很困難自一典型BF3源等離子中提取及輸運的大部分離子并非所需的離子11B+，而是離子碎片(例如19F+及49BF2+)，這些離子碎片會增大電荷密度及所提取離子束的平均質(zhì)量。展望VLSI半導體制造的未來，在輸運大的低能As及B電流方面所存在的這些困難將會一同使USJ的形成極具挑戰(zhàn)性。
一種受益于上述Child-Langmuir方程式的方法是通過將一含有所涉及摻雜劑的分子離子化而非將摻雜劑原子離子化來增大離子質(zhì)量，例如圖1a所示。通過此種方式，盡管在輸運期間分子的動能更大，然而，在進入襯底時，分子會分裂成其構(gòu)成原子，從而使分子能量由各個原子根據(jù)原子質(zhì)量分布來分配，從而使摻雜劑原子的植入能量遠低于其最初的輸運動能。下面考慮將一摻雜劑原子“X”結(jié)合至一基團“Y”(為論證起見，不管“Y”是否會影響該器件形成工藝)。若植入離子XY+而非植入X+，則XY+的提取及輸運能量必定會更高，該能量的增加系數(shù)等于{(XY的質(zhì)量)/(X的質(zhì)量)}；此會確保X的速度保持不變。由于在上文中Child-Langmuir方程式所述的空間電荷效應對于離子能量而言為超線性，因而可輸運的最大離子電流會增大。在歷史上，使用多原子分子來解決低能植入問題的作法已為所述技術(shù)領(lǐng)域所知。一常見的實例是在植入低能硼時使用BF2+分子取代B+。該方法將所原料氣體BF3離解成BF2+用于植入。通過此種方式，將離子質(zhì)量增大至49個原子質(zhì)量單位，從而使提取及輸運能量相對于使用單一硼原子而言幾乎增大到5倍(即49/11)。然而，在植入后，硼的能量會降低到相同的倍數(shù)(49/11)。我們注意到，由于在離子束中每單位電荷僅有一個硼原子，因而此種方法不會降低離子束的電流密度。此外，此種方法亦將氟原子隨硼一同植入半導體襯底中，然而人們知道，氟會對半導體器件表現(xiàn)出不利影響。
目前亦存在將十硼烷作為多原子分子用于離子植入的原子離子工藝，如Jacobson等人在“十硼烷，一種用于超低能量離子植入的替代方法(Decaborane，an Alternative approach to Ultra Low Energy Ion Implantation)”(在奧地利Alpsbach舉行的IEEE第XIII屆國際離子植入技術(shù)會議會刊，第300-303頁(2000年))中及Yamada在“氣體簇離子束對于材料處理的應用(Applicationof gas cluster ion beams for material processing)”(Materials Scienceand Engineering A217/218，第82-88頁(1996年))中所報導。在此種情形中，所植入粒子為十硼烷分子B10H14的離子，其含有10個硼原子，因而為一硼原子“簇”。此種技術(shù)不僅會增大離子質(zhì)量，而且由于十硼烷離子B10Hx+每單位電荷具有十個硼原子，因而對于一既定的離子電流，其會顯著增大植入劑量率。這是一種用于在硅中形成USJ P-型金屬氧化物半導體(PMOS)晶體管、且一般而言用于植入極低能量硼的極具前景的技術(shù)。顯著降低離子束中所載送的電流(在使用十硼烷離子時降低一因數(shù)10)不僅會降低離子束的空間電荷效應，而且還會降低圓片充電效應。我們知道，由正離子束轟擊所引起的圓片充電尤其是門極氧化層充電會通過破壞敏感的門極絕緣而降低器件成品率，因而通過使用簇離子束而實現(xiàn)的此一電流降低對于必須日益提供極低門極閾電壓的USJ器件制造而言極具吸引力。應注意，在這兩個P-型分子植入的實例中，是通過僅將所原料材料離子化而非通過將所原料材料積聚成簇來形成離子。還應注意，迄今為止，尚未開發(fā)出一種相媲美的用于制成N-型分子摻雜劑離子的技術(shù)?；パa金屬氧化物半導體(CMOS)處理在將來能否成功可能極大地依賴于可行的N-型及P-型多原子植入技術(shù)是否能得到商業(yè)化。因此，需要解決半導體制造工業(yè)現(xiàn)今所面臨的兩個明顯的問題圓片充電問題及低能離子植入的低生產(chǎn)率問題。
在歷史上，將離子植入機劃分為三種基本類型大電流植入機，中等電流植入機及高能量植入機。而簇離子束適用于大電流及中等電流植入工藝。更具體而言，目前的大電流植入機主要用于形成晶體管的低能量、大劑量區(qū)域(例如漏極結(jié)構(gòu))及摻雜多晶硅門極。其通常為批處理植入機，亦即其可處理安裝于一轉(zhuǎn)盤上的許多個圓片而離子束保持靜止。大電流離子束線往往簡單且對離子束具有大的接受度；在低能量及大電流情況下，襯底處的離子束往往較大，具有一大的角散度。中等電流植入機通常包含一順序性(每次一個圓片)處理室，其可提供一高傾斜功能(例如自襯底法線傾斜達60度)。為確保劑量的均勻性，通常以電磁方式沿一正交方向在整個圓片上掃描離子束。為滿足商業(yè)上的植入劑量均勻性及可重復性要求(通常要求僅偏差百分之幾)，離子束應具有優(yōu)異的角度及空間均勻性(例如圓片上離子束的角度均勻性＜2度)。鑒于這些要求，將中等電流離子束線設計成可提供優(yōu)異的離子束控制，但代價是接受度有限。換言之，離子通過植入機的傳輸效率受到離子束出射度的限制。目前，在順序性植入機中以低(＜10keV)能量產(chǎn)生更高電流(約1mA)的離子束很成問題，致使對于某些更低能量的植入(例如在前沿CMOS工藝中形成源極及漏極結(jié)構(gòu)時)，圓片的生產(chǎn)率會低得令人無法接受。在每一離子能量＜5keV的低離子束能量下，對于批處理植入機(處理一轉(zhuǎn)盤上所安裝的許多個圓片)而言，亦存在同樣的輸運問題。
盡管可設計出幾乎無像差的離子束輸運光學裝置，然而離子束特性(空間范圍，空間均勻性，角散度及角度均勻性)主要取決于離子源自身的出射度性質(zhì)(即在提取離子時的離子束性質(zhì)，其決定了在離子束自離子源出射時植入機光學裝置將離子束聚焦及控制到的范圍)。而使用簇離子束代替單體離子束可提高離子束輸運能量并降低離子束所載送電流，從而明顯增強離子束的出射。因此，在半導體制造中，需要一種簇離子及簇離子源技術(shù)，以便除了提供更有效的劑量率及更高的生產(chǎn)率外，亦在目標上提供一經(jīng)過更佳聚焦、更為準直且更嚴格受控的離子束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是提供一種制造一半導體器件的方法，該方法能夠在半導體襯底中形成具有N-型(即受主)導電率的超淺的雜質(zhì)摻雜區(qū)域，而且是以高生產(chǎn)率來形成。
本發(fā)明的另一方面是提供一種離子植入系統(tǒng)及方法，其中以B10Hx-的形式產(chǎn)生帶負電荷的十硼烷(B10H14)離子并將其植入一半導體襯底中形成p-n結(jié)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造一半導體器件的方法，該方法能夠使用As0Hx+形式(對于N-型簇，其中n＝3或4且0≤x≤n+2)及B10Hx+或B10Hx-形式(對于P-型簇)的N-型及P-型簇來形成N-型或P-型(即受主或施主)超淺的雜質(zhì)摻雜區(qū)域。
本發(fā)明的又一目的是提供一種植入As3Hx+及As4Hx+形式的砷簇離子的方法，該方法能夠在一半導體襯底中形成N導電率型的超淺起植入?yún)^(qū)域。
本發(fā)明的又一目的是提供一種通過如下方式制作PnHx+形式(其中n等于2，3或4，x處于0≤x≤6的范圍內(nèi))的磷簇離子的方法將PH3原料氣體離子化，隨后將該磷簇植入一半導體襯底中以完成N-型摻雜。
本發(fā)明的又一目的是提供一種通過如下方式制作BnHx+形式(其中n等于2，3或4，x處于0≤x≤6的范圍內(nèi))的硼簇離子的方法將B2H6原料氣體離子化，隨后將該硼簇植入一半導體襯底中以完成P-型摻雜。
本發(fā)明的再一目的是提供一種用于制造半導體器件的離子植入系統(tǒng)，其已設計成使用簇離子在一半導體襯底中形成N或P導電率型的超淺的雜質(zhì)摻雜區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種植入簇離子的方法，其包括如下步驟在一離子化室內(nèi)提供一摻雜劑原子或分子源，將摻雜劑原子或分子組合成含有若干摻雜劑原子的簇，將這些摻雜劑簇離子化成摻雜劑簇離子，使用一電場提取摻雜劑簇離子并使其加速，對離子束進行質(zhì)量分析，然后將摻雜劑簇離子植入一半導體襯底中。
本發(fā)明的一個目的是提供一種如下方法通過植入一由n個摻雜劑原子(在As4Hx+情況下n＝4)構(gòu)成的簇而非每次植入一單一原子，使半導體器件制造商能夠改進在提取低能離子束時存在的困難。由于簇中的每一原子均以一E/n的能量植入，因而該種簇離子植入方法提供了低能量單原子植入的等效方法。因此，植入機以一較所需植入能量高n倍的提取電壓工作，此能夠?qū)崿F(xiàn)更高的離子束電流，尤其是在形成USJ所需的低植入能量下?？紤]離子提取階段，通過估算Child-Langmuir限值，可對簇離子植入所實現(xiàn)的相對改良進行量化。應認識到，該限值可近似表示為(1)Jmax＝1.72(Q/A)1/2V3/2d-2，其中Jmax的單位為mA/cm2，Q為離子電荷狀態(tài)，A為離子質(zhì)量(單位為AMU)，V為提取電壓(單位為kV)，d為間隙寬度(單位為cm)。圖1為一在使用75As+且d＝1.27cm情況下方程式(1)的曲線圖。在實際中，可使許多離子植入劑所用的提取光學裝置接近該限值。通過擴展方程式(1)，可界定如下指標數(shù)Δ，以對簇離子植入相對于單原子植入的生產(chǎn)率或植入劑量率的增量進行量化(2)Δ＝n(Un/U1)3/2(mn/m1)-1/2.
此處，Δ為與以能量U1(其中U1＝eV)進行一質(zhì)量為m1的原子的單原子植入相比，以一能量Un植入一具有n個所涉及摻雜劑原子的簇時獲得的劑量率(原子/秒)的相對提高量。倘若調(diào)整Un使摻雜劑植入深度與單原子(n＝1)情況相同，則方程式(2)簡化為(3)Δ＝n2。
因此，植入一由n個摻雜劑原子構(gòu)成的簇所提供的劑量率有可能比傳統(tǒng)的單原子植入高n2倍。在As4Hx+情況下，對于小的x，該最高劑量率提高量約為16倍。圖2顯示了低能As與As4植入之間的比較，以對此進行闡釋。
使用簇進行離子植入亦會解決低能離子束的輸運問題。應注意，簇離子植入工藝僅要求每一簇具有一個電荷，而非如在傳統(tǒng)情況中一般使每一摻雜劑原子均帶有一個電荷。由于發(fā)散性庫侖力會隨著電荷密度的降低而降低，因而此可提高輸運效率(離子束傳輸)。此外，離子簇的質(zhì)量高于其單體，因此更不易受到離子束內(nèi)庫侖力的影響。因此，使用由n個摻雜劑原子構(gòu)成的簇而非使用單一原子進行植入會改進低能離子植入中的基本輸運問題，并實現(xiàn)一生產(chǎn)率明顯更高的工藝。
為實現(xiàn)該方法，需要形成所述簇離子。與產(chǎn)生單體相比，市售離子植入機中所用的傳統(tǒng)源僅產(chǎn)生一極小部分的主要是較低階(例如n＝2)的簇，因而這些植入機無法有效地實現(xiàn)上文所列的低能簇離子束植入優(yōu)點。實際上，許多傳統(tǒng)離子源所提供的強等離子反而是將分子及簇離解成其構(gòu)成元素。而本文所述的新穎離子源由于使用了一“軟”離子化工藝(即通過高能一次電子進行的電子撞擊離子化)，因而可產(chǎn)生充足的簇離子。本發(fā)明的離子源明確設計用于產(chǎn)生及維持摻雜劑簇離子。


參照下文說明及附圖將易于了解本發(fā)明的這些及其他優(yōu)點，附圖中圖1為一顯示根據(jù)Child-Langmuir定律最大75As+離子束電流與提取能量之間關(guān)系的曲線圖；圖1a為一顯示可通過四聚物砷與單體砷獲得的最大提取電流之間的對比的曲線圖；圖2為本發(fā)明簇離子源的簡化圖式；圖2a為本發(fā)明簇離子源的一實例性實施例的立體圖；圖2b為圖2a所示離子源的一部分的側(cè)面剖視圖，其顯示離子源上面疊加有電子束及磁場；圖2c為所示離子源一部分的立體剖視圖，其顯示根據(jù)本發(fā)明的磁場及電子束源；圖2d為本發(fā)明離子源的電子束形成區(qū)域的簡化的俯視圖；
圖2e為一可與本發(fā)明結(jié)合使用的溫度控制系統(tǒng)的方塊圖；圖3為一本發(fā)明的實例性簇離子植入系統(tǒng)的簡化圖式；圖4a為一顯示在形成NMOS漏極延展區(qū)期間一CMOS制造順序的圖式；圖4b為一顯示在形成PMOS漏極延展區(qū)期間一CMOS制造順序的圖式；圖5為在制造NMOS半導體器件的工藝中一半導體襯底的圖式，其正處于N-型漏極延展區(qū)植入步驟中；圖5a為在制造NMOS半導體器件的工藝中一半導體襯底的圖式，其正處于源極/漏極植入步驟中；圖5b為在制造PMOS半導體器件的工藝中一半導體襯底的圖式，其正處于P-型漏極延展區(qū)植入步驟中；圖5c為在制造PMOS半導體器件的工藝中一半導體襯底的圖式，其正處于源極/漏極植入步驟中；圖6為一顯示由本發(fā)明離子源產(chǎn)生的PH3的質(zhì)譜的圖式；圖7為一顯示由本發(fā)明離子源產(chǎn)生的AsH3的質(zhì)譜的圖式；圖8為一顯示圓片上低能范圍內(nèi)的As4Hx+離子電流的示意圖；圖9為一顯示轉(zhuǎn)換成離子束亮度單位的圖6所述數(shù)據(jù)的示意圖；圖10為一使用本發(fā)明將AsHx+及As4Hx+離子束植入硅圓片中后，已植入的砷濃度SIMS分布的曲線圖，以及與TRIM計算結(jié)果的對比；圖11為一使用本發(fā)明離子源產(chǎn)生的B2H6的質(zhì)譜的曲線圖；圖12為一在本發(fā)明使用十硼烷原料材料情況下所記錄的正離子質(zhì)譜的曲線圖；圖13為一在本發(fā)明使用十硼烷原料材料情況下所記錄的負離子質(zhì)譜的曲線圖；圖14為一連續(xù)記錄的負離子及正離子十硼烷二者的質(zhì)譜的曲線圖，并亦顯示二聚物B20Hx；圖15為一使用本發(fā)明在20keV的十硼烷植入能量下已植入的負B10Hx離子及正B10Hx離子的SIMS分布的曲線圖；圖16為一在硅中植入20keV十硼烷時已植入SIMS分布的曲線圖，其顯示B濃度及H濃度；
圖17為一表示離子化橫截面σ與氨(NH3)的電子能量T之間函數(shù)關(guān)系的曲線圖；圖18為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的正十硼烷離子的質(zhì)譜；圖19為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的負十硼烷離子的質(zhì)譜。
具體實施例方式
下文將提供本發(fā)明的多個實施例。這些實施例涉及到制造各種N型及P-型摻雜劑簇離子以及帶負電荷的簇離子束。N-型及P-型摻雜劑簇離子以及帶負電荷的簇離子束二者均可使用圖2-2e所示的離子源來產(chǎn)生。
圖2-2e顯示一簇離子源10及其各個組件的概念圖。首先參見圖2，提供一原料氣體供應源11，例如一瓶AsH3，PH3，B2H6或蒸氣化的B10H14。原材料可在室溫下以氣體形式儲存于一氣瓶中，或者可作為自一受熱固體升華或自一液相揮發(fā)的蒸氣形式引入。原料氣體源11通過一流量控制器12連接至一離子化室13。流量控制器12既可精密至一由計算機控制的質(zhì)量流量控制器，也可簡單至一具有一預定氣體導通量的連接管。在后一種情況下，通過控制11中的氣體壓力來改變流量?？刂坪瑩诫s劑的氣態(tài)原材料的流量即會在離子化室13內(nèi)形成一穩(wěn)定的氣壓，例如該氣壓介于約3×10-4乇與3×10-3乇之間。離子化能量14是以一具有一規(guī)定能量或速度的受控電子流的形式提供。通常，將離子化室13及實際上離子源的所有組件的溫度均控制至一所需值。通過對源壓力、溫度、電子流及電子能量進行調(diào)節(jié)，會在離子化室13內(nèi)形成一環(huán)境，該環(huán)境使AsH3摻雜劑原子或分子組合形成含有多于一個所需摻雜劑元素原子的簇離子，例如四聚物化合物As4Hx+，其中x為一介于0與4之間的整數(shù)。
離子化室13中的一孔17使離子能夠逸入離子束路徑中，然后由離子化室13與一提取電極15之間的強電場進行提取。該提取或加速電場由一高電壓電源產(chǎn)生，該高電壓電源將離子化室13相對地電位偏壓至一電壓V，其中提取電極15接近地電位。該加速電場在正向上建立時會將正離子吸引出離子化室13，而當期望得到負離子時，則在反向上建立該加速電場。提取電極15使經(jīng)過加速的離子形成一離子束16。離子束16的動能由方程式(14)表示(4)E＝/qV/。
其中V為源的電位，q為每一離子的電荷。當V以伏特表示、q以電荷單位表示時，E的單位為電子-伏特(eV)。
構(gòu)成本發(fā)明離子植入系統(tǒng)的一部分的離子源為一電子撞擊式離子源。圖2a為一本發(fā)明離子源的剖面示意圖，其顯示構(gòu)成離子源10的各組件的構(gòu)造及功能。該剖面是沿一包含離子束傳播方向的平面剖切，從而將離子源分成兩半。離子源10包括在一安裝法蘭36處結(jié)合在一起的一氣化器28及一離子束形成區(qū)域12。離子源10制作為通過一安裝法蘭36介接一離子植入機的已抽空真空室或氣體工藝工具。因此，圖2a中離子源10的處于法蘭36右側(cè)的部分處于高度真空狀態(tài)(壓力＜1×10-4乇)。氣態(tài)材料被引入一離子化室44中，在其中通過來自一或多個電子束70a及70b的電子撞擊將氣體分子離子化，其中一或多個電子束70a及70b是通過一對對置的電子束入口孔71a及71b進入離子化室44。使用此一構(gòu)造，即會在靠近一離子提取孔板80中的一離子提取孔81處形成離子。然后，使用一位于離子提取孔板80前面的提取電極(未圖示)提取這些離子并將其形成一高能離子束。
有各種氣化器28適用于本發(fā)明。一實例性氣化器28顯示于圖2a中。該氣化器28為一實例性氣化器，其可由一氣化器本體30及一用于承載一固態(tài)源原材料29(例如十硼烷B10H14)的坩堝31。電阻加熱器可嵌入氣化器本體30中。水冷槽26及對流式氣冷槽27可構(gòu)造為緊密接觸氣化器本體30，用于為坩堝31提供一高于室溫的均勻的工作溫度。坩堝31與溫度受到控制的氣化器本體30之間的導熱是通過一由一氣體供給源41引入一坩堝-氣化器本體界面34中的高壓氣體來實現(xiàn)，而氣化器本體31的溫度則通過一熱電偶來監(jiān)測。氣化后的十硼烷B10H14或其他氣化材料50收集于一坩堝鎮(zhèn)氣空間51中，并在穿過氣化器出口孔39、穿過一對隔離閥100及110、一包含于一源塊35中的蒸氣導管32后，通過一蒸氣入口孔33進入離子化室44。亦可將隔離閥100、110、安裝法蘭36、及源塊35的溫度控制至接近或高于氣化器溫度，以防蒸氣冷凝。
離子源送氣系統(tǒng)可包括自兩個單獨的源為離子化室44供氣的兩個導管。第一個源可為一具有小直徑的低傳導性路徑，用于自一高壓氣源(例如一氣瓶(未圖示))氣態(tài)原材料。第二個源可來自一來自一低溫氣化器的高傳導性路徑。無論氣源如何，該送氣系統(tǒng)均會在離子化室44中維持一例如數(shù)毫乇的氣壓。氣化器28對其接觸固態(tài)材料的表面保持嚴格的溫度控制，以使流入離子化室的氣體流量保持穩(wěn)定并進而在該室內(nèi)保持穩(wěn)定的壓力。
在檢修氣化器28之前，可將隔離閥110關(guān)閉以使離子源及離子植入機保持處于真空狀態(tài)。亦可將隔離閥100關(guān)閉以使蒸氣50保持容納于坩堝31內(nèi)。然后，可將氣化器28安全地運送至一化學清洗槽，對坩堝31進行再裝料或清洗。在開啟閥門100之前，可開啟一焊接至閥門100的本體內(nèi)的通風閥111，以使坩堝空間處于大氣壓力下。一旦檢修完畢，即可重新關(guān)閉閥門100，并通過將閥門100連接至閥門110將氣化器28安裝至離子源10上，然后將通風閥111連接至一粗抽管路，以將坩堝31及閥門100與閥門110之間的死空間抽出真空。然后，即可在需要時開啟隔離閥110，此不會破壞離子源及離子植入機的真空環(huán)境。
一氣化器總成30a由一受熱及受冷卻本體30及一可移式坩堝31構(gòu)成。通過移走氣化器28背部上的一端板(未圖示)即可接觸到坩堝31。在自氣化器28移下坩堝31后，即可通過移走以彈性材料密封至坩堝端部的坩堝蓋34b并提起一用于隔離固體29的篦柵，來對坩堝31進行再裝料。在再裝料后，將坩堝31插入氣化器本體30中并對氣化器本體30正面的出口孔39進行真空密封，以將坩堝鎮(zhèn)氣空間51與存在于坩堝-氣化器本體界面34中的傳熱氣體隔絕。為實現(xiàn)坩堝31的溫度均勻性，坩堝31與氣化器本體30之間的機械配合為緊密配合。坩堝31與氣化器本體30之間的任何間隙均可填充以氣體，以利于這兩個表面之間的熱傳遞。傳熱氣體通過一端板接頭28a進入所述間隙，并可處于或接近大氣壓力。
可使用(舉例而言)對可嵌入于氣化器本體30中的電阻元件的比例-積分微分(PID)閉環(huán)控制來實施溫度控制。圖2e顯示一較佳實施例的方塊圖，其中界定三個溫度區(qū)域?qū)跉饣鞅倔w30的區(qū)域1，對應于隔離閥100及110的區(qū)域2，及對應于源塊35的區(qū)域3。每一區(qū)域均可具有一專用控制器，例如一Omron E5CK數(shù)字控制器。在最簡單的情形中，加熱元件自身即用于主動地控制溫度高于室溫，例如介于18℃與200℃之間。因此，可將筒式電阻加熱器嵌入氣化器本體30(加熱器1)及源塊35(加熱器3)中，同時可將閥門100，110纏繞以硅酮帶加熱器(加熱器2，其中電阻元件為絲或箔帶)?？蓪⑷齻€熱電偶(在圖2e中標識為TC1，TC2及TC3)嵌入這三個組件30，35，100中的每一組件內(nèi)，并由三個專用溫度控制器中的每一溫度控制器來連續(xù)讀取。溫度控制器1，2及3分別由用戶編程至溫度設定點SP1，SP2及SP3。在一實施例中，這些溫度設定點須使SP3＞SP2＞SP1。舉例而言，倘若期望使氣化器溫度為30℃，則SP2可為50℃，SP3可為70℃。控制器的工作方式通常為當TC反饋值與設定點不一致時，控制器的比較器會根據(jù)需要啟動冷卻或加熱作業(yè)。舉例而言，倘若僅使用加熱來改變溫度，則如果不是TC1≤SP1，比較器輸出將為零?？刂破骺砂魂P(guān)于輸出功率與溫度差SP1-TC1之間的非線性函數(shù)關(guān)系的查用表，并向控制器的加熱器電源饋送適當?shù)男盘?，以將溫度平滑地調(diào)節(jié)至所編程的設定點值。一種改變加熱器功率的通常方法是對電源進行脈寬調(diào)制；此種技術(shù)可用于在滿量程的1％與100％之間進行功率調(diào)節(jié)。此等PID控制器通常可將溫度設定點(偏差)保持在0.2℃以內(nèi)。
為保持溫度均勻性，可選擇具有高導熱性的氣化器本體材料?？墒褂梦挥跉饣鞅倔w30的外表面上的空氣槽有意地對氣化器本體30施加一小的熱泄漏(圖2a)，以提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低沉降時間。空氣槽27環(huán)繞氣化器本體30并由板(未圖示)遮蓋。可通過導管將空氣輸送至一整合于端板38中集管系統(tǒng)內(nèi)的各個槽，以提供適度的連續(xù)對流冷卻?？諝庠诮?jīng)過一用于控制流量的計量閥后通過入口送入。最后，空氣自空氣總成排入房間排氣口。
除空氣冷卻外，亦可采取措施使用液體來冷卻氣化器本體30。舉例而言，可通過一例如1米長、直徑為6mm且來回貫穿氣化器本體30的孔徑用管道輸送冷卻劑?？赏ㄟ^安裝至本體端口26上的接頭進行連接。液體冷卻可使氣化器總成快速冷卻，從而可在需要時提供快速的檢修周期。
可通過一氣體導管33(例如來自一高壓氣瓶)將氣體饋送入離子化室44中。如上文所述，固態(tài)原材料可在氣化器28中氣化，然后，蒸氣會通過蒸氣導管32饋送入離子化室44中。如上文所述，氣化器本體30的溫度控制會使位于多孔隔離柵欄34a下方的固態(tài)原材料29保持處于一不變的溫度。鎮(zhèn)氣空間31中所積聚的蒸氣50饋送過鉆孔39及截止閥100及110，然后通過位于源塊35中的蒸氣導管32饋送入離子化室44中。因此，氣態(tài)及固態(tài)的帶摻雜劑的材料均可通過該離子源得到離子化。
圖2b為一側(cè)面剖視圖，其顯示一本發(fā)明的多電子束離子源構(gòu)造的基本光學設計。在本發(fā)明的一實施例中，一對在空間上分離的受熱白熱絲110a及110b發(fā)射出一對在空間上分離的電子束70a及70b，該對電子束70a及70b在束引導場或靜磁場B 135a及135b(沿一垂直于所示紙平面的方向)的作用下，沿一90度軌跡首先穿過一對基板孔106a及106b及一對相間隔的基板105a及105b，然后穿過一對電子入射孔71a及71b進入離子化室44。一路穿過離子化室44(即穿過電子入射孔71a及71b二者)的電子在束引導場或靜磁場135a及135b的作用下彎向一對發(fā)射器屏蔽板102a及102b。當電子束70a及70b傳播穿過基板孔106a及106b時，通過施加一電壓Va至基板105a及105b(由正向電源115提供)并施加電壓Ve至白熱絲135a及135b(由負向電源116提供)，使電子束70a及70b在射入離子化室44之前減速。在離子束形成及輸運區(qū)域中(即在離子化室44外)使電子束能量保持充分高于進行離子化通常所需的能量至關(guān)重要，這是因為在較低能量情況下，空間電荷效應會嚴重降低束電流并增大電子束直徑。因此，在該區(qū)域中，期望使電子束能量保持處于1.5keV與5keV之間。
所有電壓均以離子化室44為基準。舉例而言，若Ve＝-0.5kV且Va＝1.5kV，則電子束的能量表示為e(Va-Ve)，其中e為電子電荷(6.02×10-19庫侖)。因此，在本實例中，電子束70a或70b在形成及偏轉(zhuǎn)時的能量為2keV，但在進入電子入射孔71a，71b后，其能量僅為0.5keV。
下表給出了使一能量為E的電子束彎曲90度所需的磁場B的近似值。
表1在本發(fā)明中為實現(xiàn)90度偏轉(zhuǎn)所需的磁場強度與電子能量的關(guān)系電子能量E 磁場B

圖2b中所示的其他要件包括所提取的離子束120、一源靜電屏蔽板101、及一對發(fā)射器屏蔽板102a及102b。這些發(fā)射器屏蔽板102a及102b具有兩種用途屏蔽電磁場及屏蔽雜散電子或離子束。舉例而言，發(fā)射器屏蔽板102a及102b可使電子束70a及70b免受與基板105a及105b與源屏蔽板101之間的電位差相關(guān)聯(lián)的場的影響，并亦用作來自對置的電子發(fā)射器的雜散電子束的傾卸地。源屏蔽板101則使離子束120不受基板105a及105b與離子化室44之間的電位差所產(chǎn)生場的影響，并亦用于吸收雜散電子及離子，否則這些雜散電子及離子會影響離子源要件。為此，發(fā)射器屏蔽板102a及102b與源屏蔽板101二者均由高熔點金屬(例如鉬或石墨)制成。或者，可通過由一鐵磁性物質(zhì)(例如磁性不銹鋼)制成源屏蔽板101將離子束120與磁場B 135a及135b更徹底地屏蔽開來。
圖2c為一顯示機械細節(jié)的剖視圖，其清晰地顯示如何將圖2b所示內(nèi)容整合入圖2a所示離子源中。其中，由一或多個白熱絲110a及110b以熱離子方式發(fā)射電子，這些電子加速移動至一對對應的陽極，由此形成電子束70a及70b。此一構(gòu)造可提供若干優(yōu)點。首先，白熱絲110a及110b既可分別工作亦可一同工作。第二，由于電子束是在離子化室外部產(chǎn)生，因而發(fā)射器的壽命相對于已知構(gòu)造得到延長，這是因為發(fā)射器處于駐存有離子源的植入機真空室的低壓環(huán)境中且發(fā)射器亦有效地受到防離子轟擊保護。
來自一對永久磁鐵130a及130b以及一對磁極總成125a及125b的磁通構(gòu)成束引導場，用于在電子束于其中傳播的磁極總成端部間的氣隙兩端建立均勻的磁場。磁場135a及135b與電子束70a及70b的電子束能量的匹配方式須使電子束70a及70b如圖所示偏轉(zhuǎn)90度并進入離子化室44中。使電子束70a及70b偏轉(zhuǎn)例如90度后，在發(fā)射器與離子化室之間即不會存在視線，由此可防止發(fā)射器受到高能帶電粒子的轟擊。
由于Va相對于離子化室44為正電壓，因而電子束70a及70b在穿過由基板孔106a及106b以及電子入射孔71a及71b所界定的間隙時會減速。因此，基板孔106a與電子入射孔71a、及基板孔106b與電子入射孔71b、與其間的間隙的組合，分別形成一靜電透鏡，在本實例中形成一減速透鏡。使用減速透鏡，可使人們能夠調(diào)節(jié)電子束的離子化能量且不會顯著影響電子束的產(chǎn)生及偏轉(zhuǎn)。
該間隙可由一或多個陶瓷間隔片132a及132b來建立，陶瓷間隔片132a及132b支撐每一基板105a及105b并用作一與處于離子化室電位的源塊35相隔離的支座。陶瓷間隔片132a及132b既提供電絕緣又提供機械支撐。應注意，為清楚起見，在圖3中未示出發(fā)射器屏蔽板102及源屏蔽板101。
由于電子入射孔106a及106b可限制電子束70a及70b的穿過，因而基板105a及105b可攔截高能電子束70a及70b的一部分。因此，基板105a及105b必須受到主動冷卻或被動冷卻。主動冷卻可通過使液體冷卻劑(例如水)流過基板來實現(xiàn)?；蛘?，可通過容許基板達到一其能通過向其周圍環(huán)境輻射而得到冷卻的溫度，來實現(xiàn)被動冷卻。該穩(wěn)態(tài)溫度取決于所攔截電子束的功率、基板的表面積及比輻射率、以及周圍組件的溫度。當使用可冷凝的氣體(例如十硼烷蒸氣)時，容許基板105a及105b在升高的溫度下工作可能較佳，因為可冷凝的氣體可在低溫表面上形成具有污染性且會形成粒子的膜。
圖2d顯示該離子源的電子束形成區(qū)域的簡化的俯視圖。白熱絲110b相對離子化室44處于電位Ve，例如-0.5keV，而陽極140b、磁極總成125b、基板150b、及發(fā)射器屏蔽板102b均處于陽極電位Va，例如1.5keV。因此，電子束能量為2keV。電子束70b會在磁極總成125b的磁極之間的氣隙中在磁場135b的作用下偏轉(zhuǎn)，從而使電子束70b穿過基板孔106b?；蹇?60a及160b以及電子入射孔71a及71b的典型直徑值分別為1cm。
圖3顯示該離子源與關(guān)鍵的下游元件一起構(gòu)成一本發(fā)明所提出的簇離子植入系統(tǒng)。亦可采用不同于圖3所示的構(gòu)造。其中離子源21耦接提取電極22，以形成一含有簇離子的離子束20。離子束20通常含有許多種不同質(zhì)量的離子(亦即在離子源21中可為之形成具有一既定電荷極性的離子的所有物質(zhì))。然后，離子束20射入分析磁鐵23。分析磁鐵23根據(jù)磁鐵線圈中的電流在離子束輸運路徑內(nèi)形成一偶極磁場；該磁場的方向垂直于圖3所示平面。分析磁鐵23的功能是通過將離子束彎成一其半徑取決于各單個離子的質(zhì)量電荷比的圓弧，將離子束在空間上分成一組分量細離子束。此一圓弧在圖3中顯示為一離子束分量24，即所需離子束。磁鐵23可使一既定離子束沿一由下列方程式(5)所示的半徑彎曲(5)R＝(2mU)1/2/qB其中R為彎曲半徑，B為磁通密度，m為離子質(zhì)量，U為離子動能，q為離子的電荷狀態(tài)。
所選離子束僅由質(zhì)量-能量乘積范圍較窄的離子構(gòu)成，以使離子束在磁鐵作用下的彎曲半徑使該離子束穿過一質(zhì)量鑒別孔27。而離子束中未被選中的分量則不會穿過該質(zhì)量鑒別孔27，而是在其他位置受到攔截。對于質(zhì)量電荷比m/q小于所選束的離子束25(例如由質(zhì)量為1或2個原子質(zhì)量單位的氫離子構(gòu)成)，磁場會感應出一更小的彎曲半徑，從而使該離子束相交于磁鐵室的內(nèi)徑壁30或其他位置。對于質(zhì)量電荷比大于所選離子束的離子束26，磁場會感應出一更大的彎曲半徑，從而使該離子束撞擊磁鐵室的外徑壁29或其他位置。在所屬技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，分析磁鐵23與質(zhì)量鑒別孔27組合構(gòu)成一質(zhì)量分析系統(tǒng)，其用于從自離子源提取出的多物質(zhì)離子束20中選出離子束24。然后，可使所選離子束24穿過一后分析加速/減速級31。該級31可將離子束能量調(diào)節(jié)至具體植入工藝所要求的所需最終能量值。舉例而言，后分析加速/減速級31可為一靜電透鏡或一LINAC(線性加速器)的形式。為防止那些已在鑒別孔與圓片之間經(jīng)歷過電荷交換或中和反應(因而不具有正確的能量)的離子傳播至圓片，可在該離子束路徑內(nèi)包含入一“中性束過濾器”或“能量過濾器”。舉例而言，后分析加速/減速級31可在所選離子束24因一所施加的DC電磁場而被限制跟隨的離子束路徑中包含一“折線(dogleg)”或小角度偏轉(zhuǎn)；而已變?yōu)橹行曰驇Ф鄠€電荷的離子束分量將肯定不會沿循該路徑。然后，如圖3所示，經(jīng)過能量調(diào)節(jié)的離子束進入植入系統(tǒng)中的離子束掃描系統(tǒng)32。該離子束掃描系統(tǒng)32掃描該離子束，以使整個目標28受到均勻植入。可使用各種構(gòu)造，例如使用一維或兩維掃描系統(tǒng)、及靜電性-磁性掃描系統(tǒng)。
然后，離子束進入亦處于高度真空環(huán)境中的圓片處理室33，并在此處撞擊目標28。圓片處理室及圓片運送系統(tǒng)可具有各種構(gòu)造，主要的構(gòu)造類別為順序式(每次一個圓片)或批處理式(在一轉(zhuǎn)盤上一同處理許多個圓片)。在順序式處理室中，通常以機械方式沿一個維(橫向或豎向)掃描過離子束，離子束則在正交方向上以電磁方式掃描，以保證植入劑具有較佳的空間均勻性。在批處理式系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動會沿徑向方向提供機械掃描，同時亦進行豎直或水平方向的掃描，而離子束則保持靜止。
對于簇離子植入，為提供精確的摻雜劑布置，需要使離子簇中所含的n個摻雜劑原子均以相同的動能滲入襯底；在其中分子離子為An+(亦即其由n個摻雜劑原子A唯一地構(gòu)成)形式的最簡單情形中，該n個摻雜劑原子中的每一原子在滲入半導體襯底中時均必須相同地接收到該離子簇能量的1/n。例如，Sze在VLSI技術(shù)(VLSI Technology，McGraw Hill，第253-254頁(1983年))中已確認，每當一多原子分子撞擊一固態(tài)的目標表面時，均會出現(xiàn)此種能量等分現(xiàn)象。此外，此種植入的電性結(jié)果需要與使用單原子離子植入進行的等效植入相同。此等結(jié)果已由Jacobson等人詳細顯示于“十硼烷，一種用于超低能量離子植入的替代方法(Decaborane，an Alternative approach to Ultra Low EnergyIon Implantation)”(在奧地利Alpsbach舉行的IEEE第XIII屆國際離子植入技術(shù)會議會刊，第300-303頁(2000年))，其中系針對使用十硼烷進行植入的情形加以闡述，實際上，預計對于任何摻雜劑簇均會得到相同的結(jié)果。
在離子植入期間，摻雜劑原子可能會通過隧穿(即沿一含有一低晶格原子密度的對稱方向或“隧道”進入襯底晶格)而更深地滲入半導體襯底中。若離子軌跡與半導體晶格中一通道的方向重合，則離子基本不會碰撞襯底原子，從而會擴大摻雜劑的轟擊范圍。一種用于限制甚至防止隧穿的有效方法是在襯底表面上形成一非晶層。一種形成此一層的方法是在襯底中植入與襯底的構(gòu)成元素相同的元素離子或植入具有相同電性質(zhì)(即來自周期表中的同一欄)的離子，以使該植入過程所造成的晶體破壞足以消除襯底表面處的層的晶體結(jié)構(gòu)且不會隨后在激活步驟中改變襯底的電性質(zhì)。舉例而言，可在硅襯底中以20keV的能量、5×1014cm-2的劑量植入硅或鍺，以在硅襯底中形成此一非晶層，隨后再使用簇離子植入進行淺摻雜層植入。
此種方法的一重要應用是作為CMOS制造順序的一部分，使用簇離子植入來形成N-型及P-型淺結(jié)。CMOS是目前所使用的主要的數(shù)字集成電路技術(shù)，其名稱表示在同一芯片上形成N-溝道及P-溝道MOS晶體管二者(互補(Complementary)MOSN及P二者)。CMOS的成功之處在于，電路設計者可利用相反晶體管的互補性質(zhì)形成更佳的電路，尤其是形成所吸取的有功功率低于其他技術(shù)的電路。應注意，術(shù)語N及P是基于負性(negative)及正性(positive)(N-型半導體具有負性多數(shù)載流子，反之亦然)，且若反轉(zhuǎn)每一區(qū)域的類型(極性)，則N-溝道及P-溝道晶體管將彼此相同。在同一襯底上制造兩種類型的晶體管要求依序植入一N-型雜質(zhì)然后植入一P-型雜質(zhì)，同時使用一光阻劑屏蔽層保護另一類型的器件。應注意，每一晶體管類型均要求具有兩種極性的區(qū)域方能正確工作，但形成淺結(jié)的植入劑與晶體管為同一類型N-型淺植入劑形成N-溝道，P-型淺植入劑形成P-溝道。該工藝的一個實例顯示于圖4a及圖4b中。具體而言，圖4a顯示一種通過一N-型簇植入88形成N-溝道漏極延展區(qū)89的方法，而圖4b顯示通過一P-型簇植入91形成P-溝道漏極延展區(qū)90。應注意，N-型及P-型晶體管二者均要求具有相同結(jié)構(gòu)的淺結(jié)，因而既使用N-型亦使用P-型簇植入有利于形成高級CMOS結(jié)構(gòu)。
圖5顯示此種方法在制成NMOS晶體管情況下的一個應用實例。該圖顯示已經(jīng)歷過半導體器件的某些前端制造工藝步驟后的半導體襯底41。該結(jié)構(gòu)由一N-型半導體襯底41組成，該半導體襯底41已經(jīng)過如下步驟處理P-阱43、溝槽絕緣42及門極疊層形成44、45。P-阱43與N-型襯底41形成一結(jié)，該結(jié)為阱中的晶體管提供結(jié)絕緣。溝槽絕緣42則在N-阱與P-阱之間(即在整個CMOS結(jié)構(gòu)中)提供橫向介電絕緣。然后，制成包含門板氧化層44及多晶硅門電極45的門極疊層，為形成晶體管門極疊層，門極氧化層44及多晶硅門電極45已經(jīng)過圖案化。此外，亦已涂覆光阻劑46并將其圖案化，以使對應于NMOS晶體管的區(qū)域外露，而襯底中的其他區(qū)域則受到光阻劑層46的保護。此時，在該工藝流程中，襯底即已作好漏極延展區(qū)植入準備，漏極延展區(qū)植入是器件制造工藝所需的最淺摻雜層。0.13μm技術(shù)節(jié)點的前沿器件的典型工藝要求是砷植入能量介于1keV與2keV之間、砷劑量為5×1014cm-2。然后，使簇離子束47(在本實例中為As4Hx+)射向半導體襯底，通常須使離子束的傳播方向垂直于襯底，以免受到門極疊層的蔭蔽。As4Hx+簇的能量應為所需As+植入能量的四倍，例如介于4keV與8keV之間。離子簇在撞擊襯底時離解，然后摻雜劑原子在接近半導體襯底表面的淺層中靜止下來，該淺層即形成漏極延展區(qū)48。應注意，相同的植入劑會進入門電極49的表面層，為門電極提供額外摻雜。因此，圖5所述工藝為本發(fā)明所提出方法的一個重要應用。
該方法的另一實例顯示于圖5a中形成深的源極/漏極區(qū)。該圖顯示圖5所示半導體襯底41已經(jīng)歷過其他半導體器件制造工藝步驟。這些其他工藝步驟包括形成一墊氧化層51及在門極疊層的側(cè)壁上形成間隔層52。此時，涂覆一光阻劑層53并將其圖案化，以曝光欲植入的晶體管(在本實例中為NMOS晶體管)。接下來，實施離子植入，形成源極及漏極區(qū)55。由于此次植入要求以低能量、大劑量進行植入，因而其為本發(fā)明所提出的簇植入方法的一恰當應用。0.13μm技術(shù)節(jié)點的典型植入?yún)?shù)約為6keV/砷原子(54)及5×1015cm-2的砷劑量，因而其需要進行一24keV、1.25×1015cm-2的As4Hx+植入，或者一12keV、2.5×1015cm-2的As2Hx+植入，抑或一6keV、5×1015cm-2的As+植入。如圖5所示，通過此次植入會形成源極及漏極區(qū)55。這些區(qū)域會在各電路互連線(將在該工藝中后續(xù)形成)與由漏極延展區(qū)48結(jié)合溝道區(qū)56及門極疊層44、45界定而成的本征晶體管之間提供一高導電率連接。應注意，門電極45可曝露至本次植入(如圖所示)，若確為如此，則源極/漏極植入劑會為門電極提供主摻雜源。在圖5a中此顯示為復摻雜層57。
圖5b及5c分別顯示形成PMOS漏極延展區(qū)148及PMOS源極及漏極區(qū)155的詳圖。若顛倒摻雜類型，則圖5a與5b所示結(jié)構(gòu)及工藝相同。在圖5b中，通過植入一硼簇植入劑147形成PMOS漏極延展區(qū)148。對于0.13μm技術(shù)節(jié)點而言，此次植入的典型參數(shù)為500eV/硼原子且劑量為5×1014cm-2。因此，B10Hx植入的能量為5keV且十硼烷劑量為5×1013cm-2。圖5c顯示再次通過植入一諸如十硼烷等P-型簇離子束154形成PMOS源極及漏極區(qū)148。對于0.13μm技術(shù)節(jié)點而言，此次植入的典型參數(shù)為2keV/硼原子且硼的劑量為5×1015cm-2(即5×1014cm-2的20keV十硼烷)。
一般而言，離子植入自身不足以形成一有效的半導體結(jié)；為使所植入的摻雜劑電性激活，需要進行熱處理。在植入之后，半導體襯底的晶體結(jié)構(gòu)會受到嚴重破壞(襯底原子被移出晶格位置)，且所植入摻雜劑僅弱結(jié)合至襯底原子，因而所植入層的電性質(zhì)較差。通常是在高溫下(高于900℃)實施熱處理或退火來修復半導體晶體結(jié)構(gòu)，并將摻雜劑原子以取代方式定位，即將摻雜劑原子置于晶體結(jié)構(gòu)中其中一個襯底原子位置處。此種取代使摻雜劑能夠與襯底原子相結(jié)合并變得具有電活性；換言之，改變半導體層的導電率。然而，此種熱處理會對淺結(jié)的形成起反作用，這是因為在熱處理期間所植入摻雜劑會發(fā)生擴散。事實上，熱處理期間的硼擴散是在亞0.1微米范圍內(nèi)獲得USJ的限制因素。為使淺植入摻雜劑的擴散最小化，目前已經(jīng)開發(fā)出用于此種熱處理的先進工藝，例如“峰值退火”。峰值退火是一種快速熱處理工藝其中在最高溫度處的駐留時間接近于零溫度盡可能快地驟然上升及下降。通過此種方法，達到激活所植入摻雜劑所需的高溫同時使所植入摻雜劑的擴散最小化?？梢灶A料，此種先進的熱處理工藝將與本發(fā)明結(jié)合使用，以使其對制成完整半導體器件的益處最大化。
圖6演示磷簇離子的產(chǎn)生及經(jīng)過質(zhì)量鑒別的磷簇離子束的形成。該質(zhì)譜顯示使用磷化氫(PH3)作為源原料氣體，在本發(fā)明離子源工作期間所取數(shù)據(jù)。該質(zhì)譜顯示豎直刻度61上的離子電流強度與水平刻度62上的分析儀磁場(其決定離子質(zhì)量∶電荷比)的關(guān)系。電流是在一其中二次電子受到有效抑止的法拉第杯中進行測量。水平刻度62與磁場成線性關(guān)系，但與質(zhì)量∶電荷比成非線性關(guān)系，因為對于一既定的提取電壓V，這兩個量之間的關(guān)系為m/q＝aB2，其中a為一常數(shù)。此使得越高的質(zhì)量峰值在水平刻度62上越靠近于一起。磷簇是作為信號65，66及67觀測出，其分別具有兩個、三個及四個磷原子/每簇。對該質(zhì)譜的分析表明，本發(fā)明的離子源在工作期間可支持簇的形成及保持。圖中左側(cè)的第一組信號63為氫離子，其質(zhì)量數(shù)為1及2。氫的峰值相對較小，遠小于含磷離子的峰值。第二組信號64出現(xiàn)于質(zhì)量31與35之間，其對應于含有一個磷原子的離子。在一傳統(tǒng)的植入工藝中，可視所選質(zhì)量鑒別孔27(參見圖2)的選擇而定，植入一個、若干個或所有這些峰值。在某些應用中，若在工藝中對H較為敏感，則可能要求僅選擇31P+峰值。在此種情況下，可采用一窄的質(zhì)量鑒別孔來排除氫化物峰值，例如PHx+，其中x＝1，2，3或4。其他工藝則可能要求植入該組中的所有峰值，以提高生產(chǎn)率。右側(cè)的下一組信號65由磷的二聚物P2-組成，其中這些粒子中的每一粒子均含有兩個磷原子。最左側(cè)的大信號對應于質(zhì)量數(shù)為62的P2+，右側(cè)的相鄰信號則為對應于P2Hx+的信號，其中x介于1與6之間。亦注意到，這些信號的強度較單體峰值64降低，但所觀測到的強度取決于整組源輸入設定值并可針對所需的離子束狀態(tài)進行優(yōu)化，例如若期望使用二聚物，則使P2+峰值的相對重量最大化。質(zhì)量鑒別孔的選取可確定有多少這些離子束將在植入工藝中受到植入。右側(cè)的下一信號組66對應于含有三個磷原子(P3+)的磷簇離子。右側(cè)的下一信號67對應于含有四個磷原子的磷簇離子。有趣的是，我們會注意到，該簇的強度大于P3Hx+簇，使用P4+簇時的凈劑量率(4×所觀測強度)高于在植入P+或P2+時的凈劑量率，且所植入的每一磷原子的能量僅為標稱離子束能量的1/4。
圖7顯示使用本發(fā)明時AsH3的質(zhì)譜。離子束能量為19keV，因而As4Hx+的有效As植入能量將為4.75keV。圖7中As4Hx+的離子束電流約為0.25mA，因而等效的As摻雜劑電流約為1mA。圖7亦顯示，植入含有As，As2，As3或As4的離子束將得到介于0.5mA與1.0mA之間的離子電流，且僅通過調(diào)節(jié)分析儀磁鐵電流來選擇圖7所示質(zhì)譜的不同部分，即亦可得到介于約20與5keV之間的有效植入能量范圍。
圖8顯示As4Hx+電流與As植入能量的函數(shù)關(guān)系。離子束的角散度被質(zhì)量鑒別孔(例如參見圖3中的27)與法拉第杯之間的孔在橫向或發(fā)散方向上限定至一半角度或11mR，或約為0.6度。1keV/原子是將砷植入USJ器件中所需的半導體工藝的下限值。
圖9顯示將圖8所示離子束電流換算為離子束亮度單位，并與一“典型”的現(xiàn)代中等電流植入機相比較。其改進量約為30倍(假定該中等電流植入機的技術(shù)規(guī)范為40mrad半角度接受度，在10keV下的離子束電流為200μA)。Stephens在離子植入技術(shù)手冊(Handbook of Ion Implantation Technology，J.F.Ziegler版，North-Holland，第455-499頁(1992年))中將亮度B定義為(6)B＝2I/π2ε2(μA-mm2-mrad2)，其中I為有效摻雜劑離子束電流(單位為微安)，ε為離子束出射度，單位為平方(毫弧度-毫米)。出射度由下式計算(7)ε＝δa，其中δ為離子束在發(fā)散平面內(nèi)的半寬度，a為半錐形束角，二者均在圖像平面處，即在鑒別孔位置處測得。
離子束亮度是一用于量化有多少離子束電流能夠(例如)通過一具有一定直徑及長度的管轉(zhuǎn)換成一定接受量的重要指標。由于離子植入機束線具有明確規(guī)定的接受量，因而對于出射度受限的離子束而言，亮度是一重要的生產(chǎn)率量度。出射度通常是低能束輸運中的限制因素。我們注意到，這基本上是使用簇離子而非使用單體離子的益處所在，如方程式(1)-(3)所示。對于As4植入，根據(jù)方程式(3)，預計處理量的提高量為16倍，即Δ＝n2。
圖10顯示分別在4.75keV及19keV下使用AsHx+及As4Hx+離子對硅樣本進行植入時得到的二次離子質(zhì)譜(SIMS)。原子劑量約為1×1016cm-2。將這些數(shù)據(jù)與一在該行業(yè)中模擬在硅中進行離子植入時通常所用的完全動態(tài)散射模型TRIM相比較，結(jié)果表明，我們確實正以指定能量植入As及As4。
圖11顯示乙硼烷B2H6的質(zhì)譜，乙硼烷為一種在傳統(tǒng)離子植入中并不常用但市面有售的氣態(tài)材料。圖11顯示H(H+，H2+，H3+)、B(B，BH+，BH2+)、B2(B2+，B2H+，B2H2+，B2H3+，B2H4+)、B3(B3，B3H+，B3H2+，B3H3+，B3H4+)、B4(B4，B4H+，B4H2+，B4H3+，B4H4+)的分組及一B5組。圖11所示質(zhì)譜的解讀可能略為復雜，這是因為存在兩種自然出現(xiàn)的硼的同位素10B及11B，其以約4∶1的11B對10B比率來表示，該比率反映了其自然豐度。舉例而言，在具有11個原子質(zhì)量單位的峰值處同時存在11B及10BH二者。
圖12演示本發(fā)明中硼的氫化物簇及正簇離子的產(chǎn)生。該質(zhì)譜顯示在使用氣化的十硼烷B10H14作為源原料材料時在本發(fā)明離子源工作期間所取數(shù)據(jù)。圖中顯示ByHx+形式(其中1≤y≤10，0≤x≤14)的硼的氫化物簇，其分別相隔1amu且自1amu至約124amu。所觀測到的最大信號B10Hx+對應于十硼烷分子離子，其是通過將十硼烷母分子直接離子化而形成。
圖13顯示一由本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的十硼烷負離子質(zhì)譜，其類似于圖12所示質(zhì)譜。負十硼烷離子所形成的離子狀態(tài)要少得多，因而大部分(約90％)的離子包含于母B10Hx-峰值內(nèi)。使用負離子對半導體進行離子植入極為有益，因為其會實質(zhì)消除在正離子植入時所觀測到的圓片充電現(xiàn)象。通常，一離子源不會同時產(chǎn)生一既定材料的足量的正離子及負離子二者；圖12及13所示峰值離子電流相同(處于兩倍以內(nèi))。在圖14中，針對一擴展的質(zhì)量范圍對此進行了鮮明的顯示。這些數(shù)據(jù)是通過如下方式進行收集使用本發(fā)明的離子植入系統(tǒng)收集一正離子質(zhì)譜，然后反轉(zhuǎn)離子植入機電源的極性，并在同一張紙上收集相同質(zhì)量范圍內(nèi)的負離子質(zhì)譜。為收集圖14，將法拉第杯電流饋送至一x-y紙張記錄儀。在使用十硼烷情況下植入負離子而非植入正離子會明顯存在若干重要優(yōu)點1)有更多的有用的離子電流處于所感興趣的峰值內(nèi)，從而產(chǎn)生更大的有用的摻雜劑通量；2)母峰值的質(zhì)量變窄了近二分之一(在負離子情況下半最大值處的滿寬度為5個原子質(zhì)量單位，而在正離子情況下為九個原子質(zhì)量單位)，及3)當使用負離子取代正離子時，消除了圓片充電現(xiàn)象，此在所屬技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛接受。
圖15顯示以20keV的十硼烷能量植入硅樣本中的正十硼烷離子及負十硼烷離子二者的SIMS分布曲線。如果每一離子均具有相同數(shù)量的硼原子，則這些分布曲線會如人們所預計的那樣近乎相同，并因此植入相同的預定范圍。
圖16顯示負十硼烷植入情況下的SIMS數(shù)據(jù)，其亦顯示了H的濃度。H的劑量為硼的劑量的0.9倍，此表明負十硼烷的平均化學分子式為B10H9-。
圖17顯示在電子撞擊離子化情況下離子化幾率如何依賴于電子能量。圖中使用氨(NH3)作為例解。圖中將幾率表示為橫截面σ，單位為10-16cm2。電子能量(T)的單位為eV，即電子-伏特。圖中顯示兩組根據(jù)第一原理計算出的理論曲線(標記為BEB(豎直IP)及BEB(絕熱IP))及兩組由Djuric等人(1981)及Rao和Srivastava(1992)得出的試驗數(shù)據(jù)。圖17顯示了如下事實某些電子能量范圍會比其他能量范圍引起更大程度的離子化。盡管這些數(shù)據(jù)適用于產(chǎn)生正離子，然而類似的考慮因素亦適用于負離子的產(chǎn)生明顯存在強的能量依賴性。一般而言，在電子撞擊能量介于約50eV與500eV之間時產(chǎn)生正離子的橫截面最大，且在約100eV時達到峰值。因此，電子束進入離子化室44時的能量是一重要參數(shù)，其會影響本發(fā)明離子源的運行，因此我們所設計的電子束輸運使?jié)B入離子化室的電子的能量在接近零eV至約5000eV之間可變。圖2b至圖2d所示裝置顯示了本發(fā)明如何包含可對電子撞擊離子化能量進行寬廣控制同時在離子源的電子束形成及偏轉(zhuǎn)區(qū)中在接近恒定的條件下工作的電子光學裝置。
圖18為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的正十硼烷離子的質(zhì)譜。圖中分別標出了構(gòu)成該質(zhì)譜的各種離子。一般而言，這些離子為BnHx+形式，其中1≤n≤10，0≤x≤14。最大的峰值是母B10Hx+離子，其中該峰值強度的大部分處于約8amu(原子質(zhì)量單位)內(nèi)。該母離子將可能選擇用于正離子植入。
圖19為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的負十硼烷離子及正十硼烷離子的質(zhì)譜。圖中分別標出了構(gòu)成該質(zhì)譜的各種離子。其中負離子譜遠比正離子譜簡單。具體而言，不存在明顯的氫離子或更低階硼離子，而該質(zhì)譜的約90％是由母B10Hx+離子構(gòu)成。與B10Hm+離子相似，該負母離子的大部分峰值強度處于約8amu內(nèi)。該母離子將可能選擇用于負離子植入。
有若干種元素可用于在半導體中形成淺結(jié)。對于硅應用而言，主要的摻雜劑為硼、磷、砷及銻，因而這些元素最有可能用于形成淺結(jié)。此外，硅及鍺植入劑用于在硅中形成非晶態(tài)區(qū)域，因而這些因素的簇將適用于形成淺非晶態(tài)區(qū)域。對于化合物半導體而言，適用于淺結(jié)的元素包括硅、鍺、錫、鋅、鎘及鈹，因而這些元素的簇有機會用于在化合物半導體制造中形成淺結(jié)。
該方法的一個方面是在離子化室內(nèi)提供適用于形成簇離子的正確環(huán)境。所述各種元素中的每一種元素均具有不同的化學性質(zhì)，因而最佳環(huán)境會因每一種元素而異。為獲得最佳性能，每一元素及每一所選簇均將要求使用不同的一組輸入?yún)?shù)。可供用于進行最佳化的參數(shù)包括由原料材料流控制的源壓力，由溫度控制系統(tǒng)控制的離子化室內(nèi)的溫度，離子化能量強度及特性，例如當離子化能量為電子束時的電子束電流及電子能量。這些基本參數(shù)一起形成適用于形成摻雜劑簇并將摻雜劑簇離子化的適當?shù)脑措x子化室環(huán)境。
如上文所述，與單摻雜劑原子的離子植入相比，摻雜劑原子簇的離子植入使人們能高效地以一淺的深度植入N-型及P-型摻雜劑二者。
上文已與若干實施例一起闡述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明并不僅限于此。舉例而言，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員易知，亦可對其作出各種修改、改動、改良及組合。
顯然，根據(jù)上文所教示內(nèi)容，可對本發(fā)明作出許多修改及改變。因此，應了解，可在隨附權(quán)利要求書范圍內(nèi)，以不同于上文所具體闡述的其他方式來實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子As4+；及將所述N-型As4+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一砷化氫(AsH3)氣體源；在所述砷化氫(AsH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)砷化氫(AsH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述砷化氫(AsH3)氣體離子化。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取As4+離子。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析并選擇所述As4+離子。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
10.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子As3+；及將所述N-型As3+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一砷化氫(AsH3)氣體源；在所述砷化氫(AsH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)砷化氫(AsH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述砷化氫(AsH3)氣體離子化。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取As3+離子。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析并選擇所述As3+離子。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
19.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子As4Hx+，其中x為一整數(shù)且1≤x≤6；將所述N-型摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一砷化氫(AsH3)氣體源；在所述砷化氫(AsH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)砷化氫(AsH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述砷化氫(AsH3)氣體離子化。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取所述摻雜劑簇離子。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析并選擇一或多種所述As4Hx+物質(zhì)。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
28.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子As3Hx+，其中x為一整數(shù)且1≤x≤5；及將所述N-型As3Hx+簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一砷化氫(AsH3)氣體源；在所述砷化氫(AsH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)砷化氫(AsH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述砷化氫(AsH3)氣體離子化。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取所述摻雜劑簇離子。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析并選擇一或多種所述As3Hx+物質(zhì)。
34.如權(quán)利要求28所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子，及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
37.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子P4+；及將所述N-型P4+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一磷化氫(PH3)氣體源；在所述磷化氫(PH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)磷化氫(PH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述磷化氫(PH3)氣體離子化。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
40.如權(quán)利要求38所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
41.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取P4+離子。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其進一步包括如下步驟通過選擇所述P4+物質(zhì)對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析。
43.如權(quán)利要求37所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
45.如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
46.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子P3+；及將所述N-型P3+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一磷化氫(PH3)氣體源；在所述磷化氫(PH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)磷化氫(PH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述磷化氫(PH3)氣體離子化。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
49.如權(quán)利要求47所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
50.如權(quán)利要求47所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取P3+離子。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其進一步包括如下步驟通過選擇所述P3+物質(zhì)對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析。
52.如權(quán)利要求46所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
54.如權(quán)利要求52所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
55.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子P2+；及將所述N-型P2+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一磷化氫(PH3)氣體源；在所述磷化氫(PH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)磷化氫(PH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述磷化氫(PH3)氣體離子化。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
58.如權(quán)利要求56所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
59.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取P2+離子。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，其進一步包括如下步驟通過選擇所述P2+物質(zhì)對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析。
61.如權(quán)利要求55所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
63.如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
64.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型簇摻雜劑離子P4Hx+，其中x為一整數(shù)且1≤x≤6；及將所述N-型P4Hx+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一磷化氫(PH3)氣體源；在所述磷化氫(PH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)磷化氫(PH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述磷化氫(PH3)氣體離子化。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
67.如權(quán)利要求65所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
68.如權(quán)利要求65所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取P4Hx+離子，其中x為一整數(shù)且1≤x≤6。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析并選擇一或多種P4Hx+物質(zhì)。
70.如權(quán)利要求64所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
71.如權(quán)利要求70所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
72.如權(quán)利要求70所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
73.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生N-型簇摻雜劑離子P3Hx+，其中x為一整數(shù)且1≤x≤5；及將所述N-型P3Hx+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一磷化氫(PH3)氣體源；在所述磷化氫(PH3)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)磷化氫(PH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述磷化氫(PH3)氣體離子化。
75.如權(quán)利要求74所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
76.如權(quán)利要求74所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
77.如權(quán)利要求74所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取所述摻雜劑簇離子。
78.如權(quán)利要求74所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述所提取的離子進行質(zhì)量分析并選擇一或多種P3Hx+物質(zhì)。
79.如權(quán)利要求73所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
80.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生一N-型簇摻雜劑離子P2Hx+，其中x為一整數(shù)且1≤x≤4及將所述N-型P2Hx+摻雜劑簇離子植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的N-型摻雜。
81.如權(quán)利要求80所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一磷化氫(PH3)氣體源；在所述磷化氫(PH3)氣體源與所述離子化室之間提供一導管，以使所述氣態(tài)磷化氫(PH3)連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述磷化氫(PH3)氣體離子化。
82.如權(quán)利要求80所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
83.如權(quán)利要求80所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
84.如權(quán)利要求80所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取所述摻雜劑。
85.如權(quán)利要求84所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述所提取的簇離子進行質(zhì)量分析并選擇一或多種P2Hx+物質(zhì)，其中x為一整數(shù)且1≤x≤4。
86.如權(quán)利要求80所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生P-型摻雜劑簇離子；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
87.如權(quán)利要求86所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生負十硼烷簇離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
88.如權(quán)利要求86所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生正十硼烷簇離子(B10Hx+)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
89.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生一摻雜劑簇離子BnHx+，其中n及x為整數(shù)且2≤n≤9、1≤x≤14；及將所述摻雜劑離子簇植入所述襯底中的一第一區(qū)域內(nèi)。
90.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一乙硼烷(B2H6)氣體源；在所述乙硼烷(B2H6)氣體源與一離子化室之間提供一導管，以使所述乙硼烷(B2H6)氣體連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述乙硼烷(B2H6)氣體離子化。
91.如權(quán)利要求90所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
92.如權(quán)利要求90所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
93.如權(quán)利要求90所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取所述摻雜劑簇離子。
94.如權(quán)利要求93所述的方法，其進一步包括如下步驟通過選擇所述摻雜劑簇離子對所述所提取的簇離子進行質(zhì)量分析。
95.如權(quán)利要求89所述的方法，其進一步包括如下步驟產(chǎn)生N-型摻雜劑簇離子；及將所述N-型摻雜劑簇離子植入所述襯底內(nèi)一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
96.如權(quán)利要求95所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生砷的簇離子(AsmHx+)，其中m＝2，3，或4且0≤x≤6。
97.如權(quán)利要求95所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生磷的簇離子(PmHx+)，其中m＝2，3，或4且0≤x≤6。
98.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括產(chǎn)生負十硼烷簇摻雜劑離子(B10Hx-)，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14；及將所述負十硼烷(B10Hx-)摻雜劑簇離子植入所述襯底上的一第一區(qū)域內(nèi)，從而形成所述襯底的P-型摻雜。
99.如權(quán)利要求98所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一十硼烷(B10H14)蒸氣源；在所述十硼烷(B10H14)蒸氣源與一離子化室之間提供一導管，以使所述十硼烷(B10H14)蒸氣連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述十硼烷(B10H14)蒸氣離子化。
100.如權(quán)利要求99所述的方法，其中所述離子化步驟包含由一或多個電子束在所述離子化室內(nèi)輻照。
101.如權(quán)利要求99所述的方法，其進一步包括如下步驟將所述離子化室的溫度控制至一預定值。
102.如權(quán)利要求99所述的方法，其中所述植入步驟包括如下步驟使用一電場自所述離子化室提取負十硼烷簇離子B10Hx-，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
103.如權(quán)利要求102所述的方法，其進一步包括如下步驟對所述負十硼烷簇離子進行質(zhì)量分析并選擇一或多種所述B10Hx-物質(zhì)，其中x等于0≤x≤14。
104.一種半導體器件，其包括一襯底，其具有一或多個由一N一型材料形成的N-型區(qū)域；及一植入所述N-型區(qū)域的P-型摻雜劑，所述P-型摻雜劑通過將負十硼烷簇離子B10Hx-植入所述p-型區(qū)域中而形成，其中x為一整數(shù)且0≤x≤14。
105.一種形成簇離子的方法，其包括將一摻雜劑原子源提供入一離子化室內(nèi)；及將所述摻雜劑原子組合成含有若干摻雜劑原子的簇。
106.如權(quán)利要求105所述的方法，其進一步包括將所述摻雜劑簇離子化成摻雜劑簇離子；提取所述摻雜劑簇離子；及將所述摻雜劑簇離子植入一襯底中。
107.如權(quán)利要求105所述的方法，其中所述摻雜劑原子源為AsH3的形式。
108.如權(quán)利要求107所述的方法，其中所述摻雜劑原子源為PH3的形式。
109.如權(quán)利要求107所述的方法，其中所述摻雜劑原子源為B2H6的形式。
110.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括提供一十硼烷(B10H14)蒸氣源；在所述十硼烷(B10H14)蒸氣源與一離子化室之間提供一導管，以使所述氣體連通所述離子化室；及在所述離子化室中將所述十硼烷(B10H14)蒸氣離子化。
111.一種通過在一半導體襯底內(nèi)植入摻雜劑材料來制造一半導體器件的方法，其包括如下步驟將所述N-型摻雜劑簇離子植入所述襯底的一第一區(qū)域中，從而形成所述襯底的N-型摻雜；及將所述P-型摻雜劑簇離子植入所述襯底中一不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于將簇離子植入半導體襯底中以進行半導體器件制造的離子植入系統(tǒng)(10)，并揭示一種制造一半導體器件的方法。其中為在CMOS器件中形成晶體管，植入N－型及P－型摻雜劑簇。舉例而言，在植入期間分別使用As
文檔編號H01L21/8238GK1679153SQ03820085
公開日2005年10月5日 申請日期2003年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月26日
發(fā)明者托馬斯·N·霍爾斯基, 達勒·C·雅各布森, 韋德·A·克魯爾 申請人:山米奎普公司