[发明专利]双等离子体离子源

说明书

技术领域

本发明整体上涉及离子注入系统，尤其涉及用于利用双等离子体离子源进行离子注入的系统和方法。

背景技术

在半导体器件和进一步的产品的制造中，离子注入系统用于将掺杂元素注入到半导体工件、显示面板和玻璃基板等中。为了制造n型和/或p型掺杂区域，或者在工件中形成钝化层，典型的离子注入系统或离子注入机用杂质的离子束对工件进行注入。在用于掺杂半导体时，离子注入系统将已选择的离子种类注射到所述工件中，以产生期望的非本征材料性质。典型地，掺杂剂原子或分子被电离并隔离、被加速和/或减速、被形成束，以及被注入到工件中。掺杂剂离子以物理方式撞击且进入工件的表面，且典型地停留在工件表面的下面且位于其晶格结构中。

典型的离子注入系统通常是复杂的分系统的集合，其中每个分系统对掺杂剂离子执行特定动作。可以以气体形式(例如工艺气体)或以固体形式(随后被蒸发)引入掺杂剂元素，其中所述掺杂剂元素被设置在电离腔的内部且通过适合的电离过程进行电离。在过去十年间，所谓的“Bemas-style”离子源已经被广泛地接收作为用于高电流和中电流离子注入系统的工业标准。例如，电离腔被保持在低压力下(例如真空)，其中例如丝位于电离腔内且被加热到电子被从丝发射出的温度点。然后，来自所述丝的带负电的电子被吸引到所述腔内的电性相反的阳极，其中在从丝到阳极的行进过程中，电子与掺杂剂源元素(例如分子或原子)碰撞，这会导致电子与源气体材料分离，从而使所述源气体电离且产生等离子体，即来自掺杂剂源元素的多个带正电的离子和带负电的电子。带正电的离子随后被经由引出电极通过引出缝或孔从所述腔“引出”，其中通常沿着离子束路径朝向工件引导离子。

上述类型的被加热的丝阴极通常会随着时间快速地退化(degrade)。因此，已经开发出了对这种类型的离子源的常见的变体，且将其部署在商业离子注入系统中，其采用间接加热的阴极(IHC)，其中电子发射器是被设置在电离腔内的圆筒形阴极，通常直径为10mm，厚度为5mm。所述阴极被由从位于阴极后面的丝引出的电子束加热，从而被保护免受电离腔的严酷环境的影响。在其它专利中(例如被共同受让给本发明的申请人的第5,497,006号美国专利)示出一个示例性IHC离子源。

在丝阴极的情形中，阴极加热器的功率通常在几百瓦的量级上，而在IHC的情形中，所述功率通常在一千瓦的量级上。在用标准注入气体(如三氟化硼(BF₃)、磷化氢(PH₃)和砷化氢(AsH₃))进行操作时，典型的最大被引出的离子束电流处于50到100mA的范围内，需要数百瓦的放电功率(阴极电压乘以阴极电流)。在具有这些阴极加热器功率和放电功率的情况下，离子源的壁通常会达到超过400摄氏度的温度。对于标准气体的操作，因为防止了磷和砷在壁上的凝结，从而极大地减少在改变种类时的交叉污染，所以这些高壁温度是有利的。

对于低能量硼注入，已经证实了在生产量上具有实质的改进，例如，使用大的单个带电离子(例如癸硼烷(B₁₀H₁₄)或十八硼烷(B₁₈H₂₂))。为了防止分子的分解，这样的大分子等离子体的放电功率和等离子体密度与标准注入气体相比必须保持在更低的水平上。通常，引出的离子电流为5到10mA，仅需要几十瓦的放电功率。尽管上述的标准源可以使用标准注入气体在这些低的功率下稳定地运行，但是在运行癸硼烷或十八硼烷时会遇到问题。对于丝与气体接触的Bernas源的情形，所述丝受到硼烷的攻击(attack)，而无法保持稳定的放电。在IHC的情形中，放电更加稳定，但大分子的热分解高得难以接受。由于阴极的高辐射功率，分解同时发生在热阴极和壁上，热阴极和壁很难保持处于低的温度。