[发明专利]用于离子源的十硼烷蒸发器

说明书

本发明总体上涉及用于离子注入设备的离子源，更具体地说，涉及用于离子源的十硼烷蒸发器。

离子注入已经成为工业上标准的已被接受的技术，以掺杂物对工件比如硅晶片或玻璃基底进行掺杂，大规模地制作比如集成电路或平板显示装置。传统的离子注入系统包括一个离子源，它把所需要的掺杂元素电离，该元素随后被加速，形成有预定能量的离子束。此离子束射向工件的表面，用被掺杂的元素对工件进行掺杂。离子束的高能离子穿透工件的表面，使得它们嵌入工件材料的晶格内，形成所要求的导电区域。掺杂过程典型地是在高真空处理腔室中进行，这防止了由于与残余气体分子的碰撞使离子束分散，并使工件被大气中的颗粒污染的危险为最小。

离子剂量和离子能量是对于确定掺杂步骤的两个最重要的变量。离子剂量涉及对于一种给定的半导体材料所掺杂的离子的浓度。典型地说，对于大剂量掺杂物使用高电流离子注入装置(通常，高于10毫安(mA)的离子电流)，而对于较低剂量的应用使用中等电流离子注入装置(通常，可能高到1mA的束电流)。使用离子能量来控制在半导体装置中结的深度。组成离子束的离子的能量的大小决定被掺杂的离子的深度。高能过程比如用来在半导体装置中形成退化阱的过程要求高到几百万电子伏(MeV)的掺杂物，而浅的结可能只要求低于一千电子伏(KeV)的能量。

半导体装置越来越小的持续不断的趋势要求离子注入装置的离子源以低能量发出高的束电流。这种高的束电流提供必要的剂量，而低的能量使得可以进行浅的掺杂。例如，在互补的金属氧化物半导体(CMOS)装置中的源/漏结要求这样的高电流，低能量的应用。

在图1中示出了用来由固体形式得到用于电离的原子的一个典型的离子源10。该离子源包括一对蒸发器12和14，以及一个电离腔室16。每个蒸发器设有一个坩埚18，固体元素或固体化合物放置在此坩埚中，并且，用一个加热线圈20加热此坩埚，把固体的源材料蒸发。加热线圈的导线22把电流传导到加热线圈，热电偶24提供一个温度反馈机构。也设置有空气冷却管道26和水冷管道28。

被蒸发的源材料通过一个喷嘴30，一个石墨的喷嘴固定装置32把该喷嘴紧固到坩埚18上，被蒸发的源材料还通过蒸发器入口34，到达电离腔室16的内部。另外，也可以借助于气体入口36通过气体管线38直接把压缩气体送进电离腔室。不论在哪种情况下，靠一个被加热到以热电离方式发射电子的电弧腔室细丝40把气相的/被蒸发的源材料电离。

传统的离子源采用可电离的掺杂物气体，这种气体可以或者由压缩气体源直接得到，或者由一种已经被蒸发的固体间接地得到。典型的源元素是硼(B)、磷(P)、镓(Ga)、铟(In)、锑(Sb)和砷(As)。这些源元素中的大多数以固体形式提供，硼例外，硼典型地以气体形式提供，例如作为三氟化硼(BF₃)提供。

在掺杂三氟化硼的情况下，产生包括带一个电荷的硼离子(B+)的等离子体。如果离子束的能量水平不是一个影响因素，通常，产生足够高的硼的剂量并掺杂进基底中是不成问题的。然而，在低能应用中，硼离子束将处于被称为“束吹开”的状态，这是指在离子束内带相同电荷的离子彼此相互排斥的趋势。这种相互排斥使得离子束在传送过程中直径变大，因束线中的多个孔造成束的渐晕现象。当束的能量降低时，这严重地减少了束的传送量。

十硼烷(B₁₀H₁₄)是一种迄今还没有被用做用于硼掺杂的硼源的化合物。在图1的离子源的坩埚中不能适当地控制十硼烷的蒸发，这是因为固体形态的十硼烷的熔点大约为100摄氏度。即使不给蒸发器的加热器通电，在电弧腔室16内产生的热量将使坩埚达到这样的温度，这是因为固相材料靠近电弧腔室造成对材料的辐射加热。(在另一方面，在图1的离子源的坩埚中可以精确地控制磷的蒸发，这是因为它的熔点大约为400摄氏度。)这妨碍了在源材料的局部环境内建立中等温度(低于200摄氏度)的热平衡。

然而，十硼烷是一种用于硼掺杂物的极好的供料材料源，因为当蒸发和电离时每个十硼烷分子(B₁₀H₁₄)可以提供包括十个硼原子的分子离子。这样的源特别适用于高剂量/低能量掺杂过程，用来产生浅的结，因为与单原子的硼离子束相比，一个分子的十硼烷离子束在每单位电流可以掺杂十倍的硼剂量。另外，因为十硼烷分子在工件表面上碎裂成有大约十分之一原来的束能量的单个硼原子，所以可以以等剂量的单原子的硼离子束的能量的十倍运送此束。这一特点使得分子的离子束可以避免典型地由低能离子束运送所带来的传送量的损失。