TWI571901B - 離子源及其操作方法 - Google Patents

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Description

離子源及其操作方法
實施例是有關於離子源領域。更特別地說，該些實施例是有關於改善搭配鹵素物種使用的離子源的生命期。
離子源(例如是間接加熱陰極(IHC)離子源)用於產生各種離子物種，離子物種包括用於植入至半導體基板中以控制其電性的摻質離子。許多摻質離子的前驅物包含鹵素物種(例如氟)，例如BF3、B2F4、GeF4、PF3、SiF4等，其可以在離子源中產生腐蝕環境。特別地說，IHC離子源的生命期典型地受限於離子源的陰極及斥拒極組件的生命期。在操作期間，暴露在鹵素(例如含氟物種)的離子源的部分可能會受到腐蝕。舉例而言，離子源組件可至少部分地由鎢所構成，其在操作期間暴露於氟物種。可能建立鹵循環(halogen cycle)，其從離子源中的相對冷的表面上移除鎢，並在相對熱的表面(例如熱電極表面或腔室壁)上將鎢再沉積。因此，在一些電極表面上可能會發生無法控制的鎢成長，其在離子源操作期 間會造成脈衝波干擾(glitching)。脈衝波干擾是平順操作的離子源受到在離子源內側或離子提取系統中所發生的電弧(arcing)擾亂的一種現象。舉例而言，當在電極表面上成長了尖銳的鎢突起(protuberance)時，將加劇脈衝波干擾。因為電場在突起表面處以強度級數增加，使得尖銳的突起可能易於產生單極或雙極的電弧放電(電弧電漿)。再者，隨著再沉積的金屬材料的不規則成長持續進行，此種成長可能導致電極與離子源腔室壁之間的電性短路，而使得電弧操作無法進行。基於上述及其他考量而需要本改善方案。
實施例包括改良的離子源及用於延長離子源生命期的技術。在一實施例中，離子源包括離子源腔室、配置在離子源腔室中且經設置以發射電子以產生電弧電漿的陰極、以及經設置以將電子驅除回到電弧電漿中的斥拒極。離子源腔室及陰極可包括耐火金屬。離子源腔室更包括經設置以提供鹵素物種至離子源腔室的氣體源、以及配置在離子源腔室中的反應性插件。在第一組操作條件下，反應性插件與鹵素物種互相起作用以在離子源腔室中得到耐火金屬的第一蝕刻速率，當離子源腔室中不配置有反應性插件時，在第一組操作條件下，離子源腔室中的耐火金屬的第二蝕刻速率大於第一蝕刻速率。
在另一實施例，離子源的操作方法包括提供鹵素物種至 離子源的離子源腔室，其中離子源腔室包括耐火金屬。所述方法也包括：在離子源腔室中提供反應性插件，反應性插件經設置與鹵素物種反應以製造一種或多種產物物種；以及，產生電弧電漿，電弧電漿包括離子源腔室中的反應性物種，其中在第一組操作條件下，鹵素氣體與反應性插件互相起作用以在離子源腔室中得到耐火金屬的第一蝕刻速率，當離子源腔室中不配置有反應性插件時，在第一組操作條件下，離子源腔室中的耐火金屬的第二蝕刻速率大於第一蝕刻速率。
100‧‧‧離子源
102‧‧‧離子源腔室
104‧‧‧陰極
106‧‧‧燈絲
108‧‧‧斥拒極
110‧‧‧氣體歧管
111‧‧‧進氣口
112‧‧‧提取板
113‧‧‧提取孔
114‧‧‧離子源腔室的內部
116‧‧‧電弧電漿
118‧‧‧反應性插件
200、210、220、302、304‧‧‧質譜
202、212、214‧‧‧譜區
204、205、206、222、224‧‧‧波峰
306、308、310、312、314、316、318‧‧‧波峰
圖1A繪示示範離子源的側視圖。
圖1B繪示圖1A的離子源的上視圖。
圖2A繪示在一組條件下的示範離子源的操作期間所製造出的物種的質譜。
圖2B繪示在另一組條件下的圖2A的示範離子源的操作期間所製造出的物種的另一質譜。
圖2C繪示在圖2B的該組操作條件下的圖2A的示範離子源的操作期間所製造出的物種的另一質譜。
圖3繪示在額外的一組條件下的示範離子源的操作期間所製造出的物種的另一質譜。
現在將參照繪示一些實施例的附圖在下文中更完整地描述本揭露。然而，此揭露的目的可以許多不同形式來實施且不應該被視為受限於本文中所闡述的實施例。取而代之的是，提供這些實施例以使得此揭露將更為通透及完整，且將更完整地傳達此揭露的目的的範圍給本技術領域具有通常知識者。在圖式中，相似元件符號始終表示相似的元件。
在多個示範實施例中，離子源經設置以改善效能及/或延長離子源的操作生命期。根據本實施例配置的離子源包括由耐火金屬構成且經設計以在高溫下操作的多種離子源。在這些離子源中，包括間接加熱陰極(IHC)離子源，其中陰極可在超過2000℃的溫度下操作(例如是約2200℃)。離子源可至少部分地由鎢、鉬或其他耐火金屬所構成。在操作期間，離子源的其他部分(例如離子源腔室壁)可達到500℃至約1000℃的溫度範圍內，且特別是介於500℃至約800℃之間。在本實施例中，提供由耐火金屬構成的離子源及置於暴露於蝕刻物種的離子源腔室中的反應性插件，蝕刻物種是當在離子源腔室中點燃電弧放電(電弧電漿)所產生的。在使用鹵素氣體、鹵素物種(例如是鹵素氣體)或鹵素氣體的產物的離子源的操作期間，反應性插件聯合鹵素物種互相起作用以減少來自於離子源腔室中的耐火金屬蝕刻。詞彙“鹵素物種”在本文中是指稱任何含鹵素的氣體化合物及其可能在電漿中產生的衍生物。此對於減少離子源組件的腐蝕是有益的，且此亦防止由被蝕刻的 耐火金屬的再沉積所造成之耐火金屬在離子源熱表面上的再成長。接著，隨著耐火金屬再成長的減少，將減少或防止可能由再成長的耐火金屬沉積物所另外產生的不穩定性及/或短路。如以下詳述，鹵素物種及/或反應性插件可起作用以產生低游離電位(ionization potential)的氣體物種，其中所述低游離電位為約11eV以下。此對於降低電弧電漿中的電子溫度是有效的，且此間接地降低電漿電位且因此導致了低撞擊能(bombarding energy)的離子穿越電弧腔室壁前或電弧電極前的鞘。低的離子能轉換為在耐火金屬表面的低的離子濺鍍場(ion sputter yield)。反應性插件亦可與鹵素物種扮演產生反應產物的犧牲材料，且從而減少鹵素物種與耐火金屬表面的反應，以使得在離子源操作期間此種表面的蝕刻速率相較於不存在反應性插件來說是低的。
圖1A繪示根據本實施例的離子源100的一般特徵。離子源100為間接加熱陰極(IHC)離子源，其包括離子源腔室102，離子源腔室102裝載有陰極104、斥拒極108及具有提取孔113的提取板112。離子源100亦包括燈絲106以加熱陰極104。在操作中，藉由氣體歧管110將物種(例如是氣體物種)透過進氣口111提供至離子源腔室102的內部114。氣體歧管110可以氣體物種或蒸氣的形式提供給料，給料在離子源腔室102中為可離子化的。根據本實施例，適合的給料包括硼(B)、碳(C)、磷(P)、砷(As)、矽(Si)、氫(H)及氟(F)的一種或多種氣體化合物。實施例不受限於本文所述者。
當加熱陰極114且在離子源腔室102與陰極104及斥拒極108之間施加電位差(電壓)時，可產生電弧電漿116，其中陰極及斥拒極被保持在相同的電位。離子源100耦接至為了清楚說明而末繪示的多個習知組件，其包括用於陰極104及燈絲106的電源供應器。在多個實施例中，離子源腔室及其中包括陰極104及斥拒極108的組件是由鎢、鉬、或其他耐火金屬所構成的。在多個實施例中，可以鹵素物種的形式供應給料。舉例來說，離子源100可被運用於習知用於B、P、As、Si或其他物種的離子植入的束線設備中，且B、P、As、Si或其他物種中的各者可由含鹵前驅物物種衍生。可用做為藉由離子源100所產生的離子的前驅物的鹵素物種的實例包括BF3、PF3、SiF4、B2F4、GeF4等。此外，鹵素物種包括另一鹵素物種的產物。舉例而言，可將BF3氣體提供至離子源，且BF3離子、BF2中性粒子(neutral)、BF2離子、BF中性粒子、BF離子及F中性粒子、F正價離子及負價離子及其他重的中性自由基或離子BxFy等全部可透過來自母BF3氣體的一個或多個製程產生，且將全部被視為鹵素物種。實施例不受限於本文所述者。
進一步如圖1B所繪示者，離子源100包括一對反應性插件118。在所繪示的實施例中，第一反應性插件118配置在離子源腔室102的第一區(上部)中，而第二反應性插件118配置在離子源腔室102的第二區(下部)中。在其他實施例中，離子源中可包括單一反應性插件或三個或更多的反應性插件。值得注意的是，在其 他實施例中，一對反應性插件可位於離子源腔室102相對的左區及右區(從圖1B的角度觀看)中。如以下詳述，反應性插件118經設置與含鹵素物種反應，以限制離子源腔室102中的耐火金屬材料的蝕刻或腐蝕。由於陰極104及斥拒極108兩者皆由耐火金屬所構成，此減少的腐蝕增加兩者的生命期，其改善離子源生命期。
在IHC離子源是由鎢構成的案例中，本案發明人已發現用於反應性插件118的材料與供應至離子源腔室102的鹵素物種的特定組合對減少鎢腐蝕特別地有效。在習知操作中，所謂鹵循環意味著，在鹵素物種(例如氟物種)存在時將鎢原子從相對冷的表面移除，並在相對熱的表面上再沉積鎢原子。藉由在離子源100的操作期間提供反應性插件118及反應性物種的組合，可以減少鎢蝕刻的方式來改變電弧電漿116的化學性質及能量。
在一組實驗中，由單一平板組成的α-氧化鋁(或“Al2O3”)插件配置在鎢IHC離子源腔室中，在鎢IHC離子源腔室中使用不同的氟化氣體來製造放電。特別地說，在一例中，操作離子源中的電弧電漿持續65小時，同時將NF3供應至離子源腔室。操作後，可在整個離子源腔室中觀察到大量的鎢沉積物，包括在陰極及斥拒極表面上的約1至3毫米的鎢沉積物。在第二例中，除了供應BF3至離子源腔室之外，在準相同操作條件下操作離子 源中的電弧電漿持續120小時。操作後，觀察到少量的鎢再沉積。
在另外的實驗中，在使用NF3及BF3型電弧電漿的離子源的操作期間，將所提取的離子束的質譜收集並進行比對。圖2A繪示對IHC離子源供給2.1sccm的NF3及0.4sccm的H2時自IHC離子源所提取的離子質譜200。此質譜(其將離子電流(ion current)繪示為離子質量/電荷比例的函數)的特徵在於做為標示的多個波峰。這些波峰包括鋁物種及由NF3前驅物物種所衍生的副產物物種。特別地說，譜區202包括表示電流約為4mA的波峰，其屬於質荷比(mass/charge ratio)為約27amu的單一電荷Al+。質譜200亦包括分別表示AlF2 +及AlF+的波峰204及波峰205，其可由NF3衍生的氟物種與Al2O3插件的反應形成。在質譜200中亦存在有寬的波峰206(其為六個同位素的疊積(convolution))，波峰206的峰電流為約1mA且屬於W2+。這些結果表示，伴隨著在65小時的操作後觀察到大量再沉積的鎢位於陰極上，在2.1sccm的NF3及0.4sccm的H2的氣流條件下離子源放電時產生大量的鎢元素物種。
反之，圖2B繪示質譜210，其收集自當提供2.3sccm的BF3至離子源腔室時從IHC離子源所提取的離子。相似於圖2A所觀察到的結果，譜區212包括表示電流約為4.5mA的波峰，其屬於質荷比為約27amu的單一電荷Al+。然而，質譜210在屬於W2+的譜區214中繪示非常小的波峰。再者，如圖2C所繪示，當延伸的質譜220的收集高達200amu/電荷(amu/charge)時，相對於Al+ 的波峰來說，波峰222及224(分別表示W2+及W+)非常小。這些結果表示，相較於在2.1sccm的NF3/0.1sccm的H2的氣流條件下的離子源的操作來說，在氧化鋁插件存在時，在2.3sccm的BF3的氣流條件下離子源的操作使得離子源放電時的鎢蝕刻速率大幅地減少。
從在離子源中點燃電弧電漿時所發生的基本製程的能量的觀點可解釋上述結果。觀察到在特定的一組操作條件下，於BF3型電漿與NF3型電漿之間的改變使得電漿密度大幅地改變。此可使得電漿電位大幅地改變，且間接地改變撞擊離子源腔室(包括腔室壁、斥拒極、陰極及面板)表面的離子物種的動能。特別地說，電弧電漿中的電漿的形式意味著，相對於腔室及電極電位而言，電漿中的電荷密度與電漿電位是平衡的。值得注意的是，電漿為準電中性的，其意指離子數相等於電子數。當電漿密度相對低時，電漿羽(plasma plume)(電弧電漿)與陰極電位之間的電位差(又稱“陰極陷(cathodic fall)”)相對地高。隨著電漿密度降低，陰極陷調整變得較大，從而使得較高動能的離子離開電漿羽。此情形導致在離子撞擊時從陰極發射較多的二次電子。接著，增加的電子發射使得電漿維持動態平衡。若電漿密度相對地高，則陰極陷變得相對地小。在此情形中，為了維持平衡，將使得更多的離子撞擊陰極以補償從電漿向陰極加速的離子被給予較小的離子能。
從相對於NF3電漿在BF3電漿中所產生的物種的游離電位差的觀點可至少部分地解釋於BF3電漿與NF3電漿之間的電漿 性質的改變。表I說明BF3電漿及NF3電漿中多個感興趣物種的游離能。除非另外標示，本文中的詞彙“游離能”是指第一游離能。在BF3電漿中，BF3分子可解離為BF2、BF、及B等物種。如表I所說明，這些解離產物物種的游離能為8至11eV的範圍內，其大幅地低於NF3電漿的解離產物的游離能，包括F(17.42eV)、N(14.71eV)及N2(15.75eV)。鑑於上述事實，游離截面(ionization cross-section)僅有些許的不同，且此導致相較於NF3型電漿的解離產物而言，BF3的硼解離產物具有較高的游離率係數。此可藉由使用Al2O3插件的IHC離子源操作期間的量測來確認，其中在相同的放電功率下，BF3型電漿產生約25mA的電流，而NF3型電漿僅產生約16mA的電流。較高的電漿密度導致較小的電漿電位，且因此當離子從電漿加速並撞擊離子源腔室中的表面(其轉變為較低離子能的離子撞擊離子源腔室的金屬表面)，電漿流與離子源腔室表面之間的電位差較小。因此，如所觀察到的，可預期在BF3型電漿中有較少的濺鍍材料(例如鎢)。
應注意的是，當電弧電漿是由衍生於氧化鋁插件的NF3型電漿或BF3型電漿氣體物種點燃時，其自身可調整電漿的性質。舉列而言，相信鋁或氟化鋁產物可在氧化鋁暴露於含氟前驅物的電漿中產生。因為鋁金屬的第一游離電位為5.99eV，當鋁自氧化鋁插件被蝕刻時，由氧化鋁插件產生的鋁物種可作用以增加NF3型電漿或BF3型電漿中的電漿密度。然而，在NF3型電漿(其中解離產物的游離臨界(ionization threshold)表示為約1.5eV或更高)存在時，鋁物種無法對將電漿密度增加至離子能減少以使得鎢金屬濺鍍被抑制的程度發揮足夠的貢獻。另一方面，氧化鋁插件及BF3的組合(兩者所產生的物種的游離能在11eV以下)足以產生足夠高的電漿密度，且因此產生較低的離子撞擊能以抑制離子源腔室中的鎢濺鍍。
在另外的實施例中，反應性插件118可由固態矽所製造。離子源100的操作期間，固態矽可扮演犧牲材料，其優先地被氟化氣體或氟自由基所蝕刻，因此抑制了離子源腔室102的鎢或鉬表面的蝕刻及沉積。在一實施例中，反應性插件118經設置為固態矽插件，且將BF3氣體提供至離子源腔室102。氟或氟化氣體可易於與矽反應以產生氟化矽(例如SiF2及SiF4)，其在離子源腔室102的典型操作溫度時各自為氣相物種。此些SiF2及SiF4產物可因此在操作期間被易於排出離子源腔室102外。雖然反應性插件118中矽的存在抑制了鎢材料的蝕刻，但被暴露的表面(例如離子源腔室102中的鎢表面)仍可與含氟氣體物種反應至一定的程度而 產生氟化鎢。接著，氟化鎢可與反應性插件118(矽插件)反應以產生氟化矽，同時將氟化鎢還原為鎢金屬。由於反應性插件118具有矽表面，且矽表面在離子源100的操作期間暴露於電弧電漿116中，故藉由來自放電的離子的矽表面濺鍍可防止鎢的鈍化層形成在反應性插件118上。因此，當將反應性插件118設置為矽插件時，反應性插件118持續供應可蝕刻的矽，且其減少離子源腔室102中的鎢或其他耐火金屬從表面被蝕刻。因此，將矽材料用做為反應性插件118隨同例如是BF3的氣體，將有效減少耐火金屬的蝕刻及減少耐火金屬再沉積於陰極104、斥拒極108及離子源腔室102中的其他地方，因此增加離子源的生命期。
為了評價離子源與反應性矽插件的操作效果，進行一組實驗，其中於操作期間存在及不存在固態矽插件時，從IHC離子源收集質譜。圖3表示的實驗結果包括在IHC離子源操作期間具有矽插件時的質譜302(連續線)、以及在IHC離子源操作期間不具有矽插件時的質譜304(虛線)。各質譜包括一系列的波峰，其表示不同的質荷比(如上述)。特別地說，質譜302包括多個波峰306、308、310、312、314及316，其表示矽離子及氟化矽(如所繪示)。在質譜304中不存在這些波峰表示著波峰306至316是由矽插件的存在所產生的。其他硼、氟及氟化硼的波峰在質譜302及質譜304中是通用的，且它們表示由BF3氣體衍生的離子物種的產物。再者，質譜304包括波峰318，其不存在於質譜302中(或非常低)。波峰318指示為W2+，從而表示當插件不存在時，電弧電漿中存 在大量的鎢物種。質譜302中，在質荷比為約92amu處的W2+波峰降低表示使用矽插件大輻地抑制鹵循環。除了減少離子源表面的金屬蝕刻外，使用矽做為反應性插件的實施例的優點包括沒有額外的金屬物種從矽插件被引入至電弧電漿中。此外，在離子源被用於植入矽的應用中，犧牲矽插件的存在增加了在電弧電漿中離子化的氣相矽的供應，且因此在特定的功率位準下增加了可從離子源提取的矽束電流(silicon beam current)。
應注意的是，在本實施例中，反應性插件(其對於抑制離子源腔室中的耐火金屬表面的蝕刻是有效的)僅需要佔據離子源腔室相對小的部分。在一些實施例中，反應性插件或插件可具有表面積A1，表面積A1為包括離子源腔室的內側壁、陰極及斥拒極的表面積A2的部分。在一些情況下，A1/A2等於約0.01至0.2。因此，表面積構成由耐火金屬表面所表示的表面積的適當部分的反應性插件或插件不需要將離子源的其他組件大幅地重新設計。
本揭露不受限於本文所記載的特定實施例的範圍。事實上，除了本文所揭露的實施例以外，本技術領域具有通常知識者將從所闡述的記載及附圖理解到本揭露的其他多個實施例及改良方法。因此，此些其他實施例及改良方法傾向於落於本揭露的範圍中。再者，雖然在本文中已為了特殊的目的在特殊的環境下以特殊的實施方式來描述本揭露，但本技術領域具有通常知識者將理解本揭露的用途將不受於此，且可為了任意數量的目的在任意數量的環境下有效地實施本揭露。因此，應該如本文所記載之本 揭露的全廣度及精神來看待本揭露的目的。
100‧‧‧離子源
102‧‧‧離子源腔室
104‧‧‧陰極
106‧‧‧燈絲
108‧‧‧斥拒極
110‧‧‧氣體歧管
111‧‧‧進氣口
112‧‧‧提取板
113‧‧‧提取孔
114‧‧‧離子源腔室的內部
116‧‧‧電弧電漿

Claims (19)

  1. 一種離子源，包括：離子源腔室；陰極，配置在所述離子源腔室中且經設置以發射電子以在所述離子源腔室中產生電弧電漿，所述離子源腔室及所述陰極包括耐火金屬；斥拒極，經設置以將電子驅除回到所述電弧電漿中；以及反應性插件，配置在所述離子源腔室中，所述反應性插件與被引入至所述離子源腔室中的鹵素物種互相起作用以在以在所述離子源的操作期間抑制所述耐火金屬的蝕刻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述反應性插件包括氧化鋁。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述反應性插件包括矽。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述鹵素物種包括BF3。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述反應性插件為配置在所述離子源腔室的第一區中的第一反應性插件，所述離子源更包括第二反應性插件，所述第二反應性插件配置在所述離子源腔室的第二區中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述陰極及所述斥拒極配置在所述離子源腔室的對向側，且其中所述反應性插 件配置在所述陰極與所述斥拒極之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述鹵素物種經設置以產生游離臨界小於約11eV的產物物種。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中所述耐火金屬包括鎢或鉬。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，所述斥拒極配置在所述陰極的對向且由所述耐火金屬構成，所述斥拒極及所述陰極保持在陰極電位。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的離子源，其中所述反應性插件包括第一表面積A1，其中所述離子源腔室的內部腔室壁、所述陰極及所述斥拒極共同包括第二表面積A2，其中A1/A2的比等於約0.01至約0.20。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的離子源，其中在所述第一組操作條件期間，所述陰極的溫度為約2000℃或更高，且所述離子源腔室的壁的溫度包括在500℃至800℃的範圍內的溫度。
  12. 一種離子源的操作方法，包括：提供鹵素物種至具有耐火金屬的離子源腔室；在所述離子源腔室中提供反應性插件，所述反應性插件經設置以與所述鹵素物種反應以產生一種或多種產物物種；以及在所述離子源腔室中產生電弧電漿，所述電弧電漿包括所述鹵素物種，其中所述鹵素物種及所述反應性插件互相起作用以在所述離子源的操作期間抑制所述耐火金屬的蝕刻。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的離子源的操作方法，更包括將所述反應性插件提供為氧化鋁插件。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的離子源的操作方法，更包括將所述反應性插件提供為矽插件。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的離子源的操作方法，更包括將所述鹵素氣體提供為BF3。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的離子源的操作方法，其中所述鹵素氣體與所述反應性插件經設置以產生游離能小於約11eV的氣體物種。
  17. 如申請專利範圍第12項所述的離子源的操作方法，其中所述耐火金屬包括鎢或鉬。
  18. 如申請專利範圍第12項所述的離子源的操作方法，更包括提供包括第一表面積A1的所述反應性插件，提供具有第二表面積A2的所述離子源腔室的內部表面，其中A1/A2的比等於約0.01至約0.20。
  19. 如申請專利範圍第12項所述的離子源的操作方法，其中所述產物物種包括所述鹵素物種以及所述反應性插件中的物種。
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