離子注入系統及控制方法

專利名稱：離子注入系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及離子源、離子注入，尤其涉及具有高亮度、低發射率離子源、加速-減速傳送系統和改善了的離子源構造的離子注入。
背景技術：
下列專利申請案(其內容以引用的方式并入本文)描述了本發明的背景發明人托馬斯·N·霍斯奇(Thomas N.Horsky)，序列號為60/267,260，申請時間為2001年2月7日，題為《用于離子注入的離子源》的臨時專利申請案；發明人托馬斯·N·霍斯奇(Thomas N.Horsky)，序列號為60/257,322，申請時間為2000年12月19日，題為《離子注入》的臨時專利申請案；發明人托馬斯·N·霍斯奇(ThomasN.Horsky)，申請時間為2000年12月13日，題為《離子注入的離子源、系統及方法》的美國專利申請第00/33786號(申請時間為2000年11月30日)，其具有相同的參考文獻。所引用的用于美國的專利是本人1999年12月13日申請的美國臨時申請第60/170,473號之接續申請案，此臨時申請現已期滿。背景離子注入二十多年來，離子注入已成為半導體設備制造的關鍵技術，目前用于制造晶體管中的p-n結，尤其用于CMOS設備，如存儲芯片以及邏輯芯片。通過制造包含摻雜元素(如75AS，11B，115In，31P或121Sb)的陽離子(制造如硅基板中的晶體管需要此陽離子)，離子注入器可選擇性控制引入晶體管結構中的能量(由此控制注入深度)及離子流(由此控制離子劑量)。通常，離子注入使用能產生長度達約50mm帶狀離子束的離子源；將此離子束傳送到基板，通過對基板上帶狀離子束進行電磁掃描，或通過離子束對基板進行機械掃描，或兩者皆有，可實現預期的劑量或劑量均勻性。
通過近來芯片制造中對直徑300mm硅基板的問世，人們對制造比迄今傳統離子注入器設計中更大的帶狀離子束很感興趣，以在使用這些更大基片時，提高晶片產量。由于縮減了所提取帶狀離子束空間電荷的增大，通過注入器束線可傳送更多的離子電流，因此更高的帶狀離子束可實現更高的劑量率。許多此類新的注入器設計還包括一連續(一次一個晶片)處理箱，其具有高傾斜能力(如可與基板的法線成60度)。為確保劑量均勻性，通常跨越晶片對離子束進行電磁掃描，在正交方向對此晶片進行機械掃描。為達到注入劑量均勻性及重復性規格，此離子束必須具有極好的角度及空間一致性(如，離子束在晶片上的角度差異＜1度)。具有這些特點的離子束對注入器的離子束傳送光學裝置提出嚴格限制，且使用大發射率等離子體離子源常導致離子束直徑及離子束角發散增大，由于通過束線內的孔使得離子束漸暈，導致離子束在傳送中損耗。目前，低能量(小于2keV)高電流離子束的產生在連續注入器中是個問題，這樣由于特定低能量注入(如，前沿CMOS制程中離子源及漏極構造的制造)，晶片生產量極度降低。類似問題存在于分批注入器(處理安裝在一渦流盤上的多個晶片)中，尤其在低離子束能量時。
盡管有可能設計幾乎無象差的離子束傳送光學裝置，但離子束特點(空間范圍及角發散)很大程度上仍然由離子源的發射率特性決定(即，提取離子時的離子特性，其決定注入器所能達到的集中程度，及在從離子源發射時控制離子束)。目前所用的弧放電等離子體源具有較差的發射率，因此限制了離子注入器產生聚焦好、校準且可控制離子束的能力。背景離子注入源注入器工業中標準離子源技術為增強型伯納斯(Bernas)離子源。如圖1所示，一弧放電離子源，其結合一反射幾何結構一陷入電離箱(摻雜燃料氣位于此處)中的陰極燈絲發出受一磁場限制的熱電子，并受到電離箱內對面的對陰極的反射。因此，電子在陰極和對陰極之間沿螺旋形軌跡運動，并產生一高密度等離子體(大約1012離子/平方厘米)。此所謂的“等離子柱”與一離子提取孔槽平行，通過射束形成光學裝置從此孔槽提取離子。通過產生一高密度等離子體且維持放電電流高達10A，增強型伯納斯離子源有效地離解緊密結合的分子種類，如BF3，但是，由于下列等離子體相關影響，此離子源的發射率較大1)等離子體電勢(典型約為5V)為離子引入一速率隨機分量，此分量直接轉化為所提取離子角分散的增大。
2)等離子體內離子及電子的溫度可達10,000K，引入一加到(1)中的熱運動速度，并且還將一幾eV的能量擴散引入(根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布)離子，使得離子束呈現色差。
3)等離子體中離子間的庫侖散射導致離子能量的額外非熱分散。
4)由于存在顯著多余電子(即BF3中BF+，BF2+，F-碎片)，需要一高提取電流密度，以在提取時增強空間電荷力，且導致發射率增加。
5)存在用于操作所有弧放電離子源的強磁場，導致離子束偏轉，因此使得所提取離子束的發射率進一步增加，尤其在離子束能量較低時。
6)等離子體中的高頻率噪聲作為離子束電流及離子束電勢中高頻率振幅傳送到離子束中。此隨時間變化的離子束電勢使得等離子束中電荷補償很難保持，因為其可導致低能量電子明顯穩定或甚至突然損耗，電子通常沿此離子束坐圓周運動(受到正離子束電勢吸引)，導致離子束空間電荷增大。
7)離子提取孔不能延長超過75mm(典型長度在20mm與50mm之間)，因為這要求等離子柱體有顯著延長。如果陰極與對陰極之間距離較大，伯納斯(Bernas)離子源將會不穩定，并且陰極與對陰極之間距離越大，要求弧放電電流越大，以保持一穩定的等離子體，增加功耗。背景離子減速傳統設計中的離子注入器在能量低于幾個keV時傳送低能量硼的能力較差，結果導致此硼離子束電流過小，在運用低于0.18微米設計規則制造半導體芯片時不能節約成本。長久以來一在研制的下一代注入器結合不同的光學裝置原則，嘗試著解決此低能量傳送問題，此注入器前幾年已被引入固定設備市場。為抵消離子間的空間電荷排斥(這是引起離子束以低能量傳送的主要原因)，已研制出一所謂的“減速計”(即減速)方法，使得離子束以比預期注入能量更高的能量通過注入器提取及傳送，并且通過在束線后部分但在晶片目標的上游引入一減速步驟，當離子接近晶片目標時使其降低到預期注入能量。例如，離子束提取及傳送時能量可為2keV，但在到達晶片時可降低到500eV，以獲得比傳統、非減速設計的束線中可得到的空間電荷限制離子束更高的離子束電流。不幸的是，此減速方法仍具有明顯問題，降低其生產價值。當離子束通過減速透鏡具到達晶片時，離子束在空間上具有很大程度的非一致性，離子束以對應于晶片表面的更種入射角撞擊基片，具有潛在所謂的溝道效應。此減速離子束的空間及角度劑量一致性典型比傳統的、非減速離子注入更差。這使得很難獲得一致的劑量，并且需要引入其他影響成本及產量的步驟。構成問題的事實是，離子束極其不一致的側面還大大干涉注入劑量測定的精確性，因為離子注入器典型只取樣晶片平面上或平面后一部分離子束。劑量測定用于將注入程度控制在預期范圍內。加速/減速注入系統中離子束離子電流極其延展及非一致分布產生的劑量測定精確問題，因此，還影響注入精確性、注入系統的資本成本、晶片質量以及系統產量。
此外，已提出完全不同的用于表面、低能量注入方法(但目前產品中沒有采用)。此方法為在無減速步驟的傳統注入器中使用分子離子束(具有相關摻雜原子簇)。癸硼烷為此類分子材料的一個范例。
芯片廠商目前改用直徑300mm的硅基片制造CMOS(互補金屬氧化半導體)存儲芯片及邏輯芯片，以縮減生產成本(與使用可獲得的200mm基片相比較)。盡管此晶片尺寸的轉變需建立新的工廠，其配備新的用于處理更大直徑晶片的半導體生產設備，潛在每印模成本大約縮減1倍或2倍。這樣，此用于新設備的上億美元的花費有望實現低成本生產，并且最終獲得批量生產商品性及前沿半導體芯片的競爭優勢。如果使用制造工具(制造設備中的工具)生產300mm與200mm晶片單元的產量相同(一定程度上認為其產量將會相同)，這樣才能完全實現成本縮減。然而，在離子注入制造超淺(及超高密度)半導體結合時，即使最先進的加速/減速注入器在其晶片產量中劑量率仍受到限制，因此，使用較大晶片時半導體印模產量本質上具有很小或沒有凈增長。此成為芯片廠商的一個潛在困境若必須使用更多注入器以補償其低產量，由于運行這些高要求注入器成本(固定設備、生產工具占地面積、維修費用等投資增大)將會提高，設想的通過使用更大晶片幾何形狀獲得的潛在成本縮減不可能實現。背景離子摻雜過去十年中，注入系統已發展用于很大基片的離子注入，從而生產平板顯示器。這些“離子摻雜”系統將長帶狀離子束傳送到玻璃或石英基片，通常跨越固定離子束通過機械掃描這些基片。基片尺寸可達1米，因此離子帶必須同樣足夠長，以確保一致的摻雜(通常寬于基片)。為產生此帶狀離子束，大量“桶”離子源得以使用。矩形或圓柱形桶離子源為一永久磁鐵陣列包圍著的箱子，永久磁鐵通過產生尖端磁場對封閉等離子體產生磁約束。等離子體通過一個或多個射頻天線產生，此天線將射頻能量加到等離子體上。一提取透鏡具從大直徑離子源形成帶狀離子束。
由于離子摻雜系統的尺寸，不能進行質量分析，因此桶離子源產生的所有離子種類都被傳送傳送并注入基片。這導致大量與加工有關的問題，包括離子注入深度多樣化，還有有害種類的注入。桶離子源也特別易于受到在較大電離量沉積物的聚積的影響，因此潛在的n型及p型摻雜物嚴重的交叉污染要求使用專用離子摻雜系統使用者必須購買一用于p型(例如，乙硼烷氣體種的硼)摻雜物的工具以及用于n型(如，磷雜環戊二烯氣體中的磷)摻雜物的第二全套工具。此要求不僅倍增顧客固定設備成倍，還大大提高產量降低的風險，因為在系統間移動基片需要其他晶片處理步驟，并且增加基片暴露于空氣中的次數。
因此，現有技術下桶離子源技術受到以下限制(1)較大占地面積(寬、高以及長)。
(2)費用高且高度復雜。
(3)由于內壁表面面積很大以及離子源體積較大，對于離子源內壁產生B(來自原料氣B2H6)與P(來自原料氣PH3)的損耗，因此離子生產率較低。
(4)與(3)相關的離子源中沉積物的快速聚積，導致污染及散粒問題，降低產品產量。
(5)產生大量注入基片的有害離子，導致缺乏注入流程控制及設備特點伴隨退化。例如，通常用于注入硼以及p型摻雜物的B2H6等離子體中產生明顯H+與BHX+，以及B2HX+碎片。
(6)注入工序中H+較大電流的注入((5)的一種結果)限制了可獲得的劑量率并由此限制產量，因為傳送到基片的總離子電流必須低于一特定極限，以避免基片過熱。

發明內容
一方面，本發明通過離子化氣體或蒸汽分子產生一沿一軸延伸的高亮度離子束，從而提供一種離子注入方法，此分子包含一可注入種類。此方法包括提供一具有受限制出口孔的電離箱；此電離箱內提供該氣體或蒸汽，其壓力遠遠大于電離箱外一提取區域(離子將提取到這里)的壓力，通過基礎電子直接碰撞電離，將電離箱出口孔附近區域的氣體或蒸汽電離，此電離方式從氣體或蒸汽分子產生離子，使其在出口孔處的密度至少為約1010cm-3，同時保持該條件，使得離子橫向動能小于約0.7eV，出口孔(在此形成離子密度)附近電離體的寬度小于約3倍相應出口孔的寬度；且保持電離箱內條件避免形成弧放電，通過一提取系統提取電離箱內生成的離子，經過出口孔進入孔下游的提取區域，此后，通過離子束光學裝置，將離子束傳送到目標表面，并將傳送來的離子束中的離子注入目標。
本發明此方面的變體可包含一個或多個下列特點。保持電離箱內的條件，以避免產生等離子體。所提取的離子束的亮度大于約1-mA-cm-2-deg-2×(E0/E)，其中E為離子束能量，E0＝10keV。所提取的離子束的x-發射率小于約70mm-mrad×(E0/E)1/2(其中，E為離子束能量，E0＝10keV)，離子電流密度至少為1mA/cm2，即使離子質量為120aum。從出口孔提取的離子流地離子束噪音保持在小于1％。電離箱內任何磁場的強度均小于70高斯。電離箱內任何磁場的強度均小于約20高斯。電離箱內實質上無磁場。提取區域內任何磁場的強度均小于20高斯。氣體或蒸汽消耗量保持在小于10sccm。基礎電子通過電子光學裝置從電離箱外部產生的定向射束引入電離箱。即將電離的分子分別包含或由注入種類中的至少兩種原子組成。
另一方面，本發明提供一種離子注入方法，其包括通過提供一具有一出口孔的電離箱，產生一沿一軸延伸的高亮度離子束；在電離箱中提供一氣體或蒸汽分子，其每個用于電離的分子包含或由可注入種類的至少兩個原子組成；電離此分子并在特定條件下提取從上述分子形成的離子，此條件用于產生一所提取的離子束，此離子束提取時亮度大于約1-mA-cm-2-deg-2×(E0/E)、其中E為離子束能量，E0＝10keV，x-發射率小于約70mm-mrad×(E0/E)1/2(其中，E為離子束能量，E0＝10keV)，離子電流密度至少為1mA/cm2，即使離子質量為120aum，此后，通過離子束光學裝置，將離子束傳送到目標表面，并將傳送來的離子束中的離子注入目標。
本發明此方面或其他方面的變體可包含一個或多個下列特點。分子為二聚物。此分子包含癸硼烷。此方法的操作使得高亮度離子束與目標接觸時角發散較小，相對軸小于約1度。將傳送來的離子束注入目標，采用此步驟導致高亮度、低發散離子束在目標上形成一晶體管構造的漏極擴展區域，其中晶體管構造包含一離子源，一門以及一漏極。目標還包括一阱參雜劑，晶體管門長度為0.20um或更小，漏極擴展區域與晶體管門在側向結邊緣相交，漏極擴展區域具有3nm/10或更小的橫向陡度(lateral abruptness)，其中按照在橫向結邊緣實現注入種類體濃度的一個1 decade變化所需的橫向伸展，決定橫向陡度，按照注入離子的體濃度和阱參雜劑相等的區域決定結邊緣。漏極擴展區域的橫向陡度為2nm/10或更小。高亮度、低角發散離子束的離子在晶體管門的對面注入，在門下方清晰的限定一溝道，其包含清晰限定溝道的長度。
另一方面，本發明提供一種離子注入系統，其用于將預期低注入能量注入目標基片，此基片包含一離子源，用以產生分子離子(基于一具有即將注入的預期種類的一串原子)，一加速步驟將離子加速到基本上大于預期注入能量，以及在到達目標基片前，一減速步驟將離子能量降低到預期注入能量。
本發明此方面的變體可包含一個或多個下列特點。離子源包含一電子槍，其用于以一適于通過直接電子碰撞電離分子的速度，產生一電子束。電子能量在約20eV與500eV之間。電子槍對應于一電離箱安裝，以使電子束通過電離箱到達一束流收集器。一長度延伸的電離箱具有一相應延伸的槽形提取孔，連接于提取孔上的電子光學裝置的構造，在電子束進入分析器前，使合成電子束的側面長度相對于相應提取孔的長度得以縮減。電子光學裝置包含一望遠鏡。電離箱的提取孔長度大約為6英寸。離子注入系統構造用于分批操作，一組裝載于載體上的晶片相對離子束運動，以實現有效掃描。此離子注入系統構造成連續離子注入器。離子源具有一與離子源電離箱整體安裝的蒸發器，以及用于控制蒸發器溫度的溫度控制系統。電離箱電子槍及束流收集器(電子束引導至此)均與電離箱熱絕緣。離子源為癸硼烷源，且產生的電子形成一電子能量在約50到1000eV之間的電子束。離子源為AS2+離子源。離子源為P2+離子源。離子源為B2+離子源。離子源為In2+離子源。離子源為Sb2+離子源。
另一方面，本發明提供一種操作離子注入的方法，其通過本發明任何其他方面的離子注入系統得以實現。
另一方面，本發明提供在目標基片上以一預期注入能量注入離子的方法。此方法包括形成用于注入的分子離子(基于具有預期種類原子簇的分子)，以一基本上大于注入能量的離子能量對離子進行加速并傳送，在注入基片前，將離子減速到注入能量。
本發明此方面的變體包含一個或多個下列特點。離子為癸硼烷。離子為P2+離子。離子為B2+離子。離子為In2+離子。離子為Sb2+離子。
另一方面，本發明提供一離子注入系統，包括一具有一離子提取系統的離子注入器；一可向提取系統提供大批量離子流水平的離子源，此離子源包括一由封裝一電離體的內壁所限定的電離箱，這些內壁中的一個限定一提取孔，此提取孔的長、寬以及安裝使得該提取系統可從該電離體提取離子流；一電子槍，相對于該電離箱確定其構造、尺寸以及安裝，以沿一貫穿電離箱的軸發射基礎電子定向射束；一與電子槍成一線的用以收集此定向射束的束流收集器，此束流收集器基本保持在相對于電子槍發射器電壓的正電壓，該基礎電子射束路徑的中軸沿一大體上靠近提取孔的方向延伸，此電子束在提取孔寬度方向的尺寸大約等于或大于提取孔的寬度。
本發明此方面的變體可包括一個或多個下列特點。此離子注入系統還包括一用于將蒸汽引入電離體的蒸發器。此離子注入系統還包括一用于將氣體從氣體源引入電離體的氣體通道。此離子注入系統還包括一控制系統，此控制系統實現對基礎電子相關能量的控制，用以主要通過與來自離子槍的基礎電子撞擊電離單個蒸汽或氣體分子。該蒸汽包含癸硼烷。定向射束為帶狀離子束。帶狀離子束的寬度小于提取孔的長度。帶狀離子束寬度大于離子提取孔的長度。帶狀離子束的寬度大約與離子提取孔的長度相等。提取孔的長度至少與目標基片的長度或寬度相等。
另一方面，本發明提供一種輻照具有預定尺寸的擴展面板的方法，該方法包括運用本發明任何其他方面的離子注入系統產生一帶狀離子束，并將帶狀離子束引入擴展面板表面。
本發明此方面的變體可包含一個或多個下列特點。擴展面板為一平面平臺，該方法包括跨越基本上整個面板表面輻照此平面平臺。產生的帶狀離子束較為穩定，跨越離子束對平面平臺進行機械掃描，以實現面板的離子摻雜。帶狀離子束的長度大于平面平臺垂直掃描方向的尺寸。用于離子注入的電子束離子源的優勢一方面，本發明減少或消除上述與傳統離子注入源相關的問題。所揭示的解決方案具有下列特點，這些特點導致離子源發射率非常的低，符合下一代離子注入器的要求1)不產生等離子體，因此無等離子體電勢。
2)離子密度較低(大約1011cm-2或更小)，將離子間的庫侖散射以及合成離子能量發散減少到可忽視的程度。
3)通過直接電子碰撞電離法電離氣體分子，產生大約與中性氣體分子具有相等熱能的“冷”離子，即，＜＜1eV。此產生具有高度單能離子源的離子，并且使得所提取的離子束具有較小的角發散。
4)通過調節電子碰撞能量，可產生高百分比的相關摻雜離子，最小化空間電荷效應。
5)通常在弧放電中離解的分子離子維持在很高程度。例如，當使用磷雜環戊二烯(PH3)原料氣時，可產生大百分比的PH3+離子(如，占整個提取離子流的50％)。另一實例中，使用癸硼烷(B10H14)來產生大比率(＞70％)癸硼烷離子，B10HX+。該離子在以極低能量(＜1keV)注入硼中極為重要，且該離子的使用可大大提高所注入的劑量率。等離子體離子源(如增強型伯納斯(Bernas)離子源)不能產生癸硼烷離子，因為等離子效應與內壁高溫導致癸硼烷分子離解以及由此產生的損耗。
6)不要求存在磁場。
7)不存在弧放電離子源中觀測到的高頻噪音，通過等離子束中低能電子維持更高程度的空間電荷補償。
8)離子提取孔的尺寸可在一很廣范圍內變動，例如，從12mm到300mm或更大。此導致更大的提取電流，并且改善了下一代離子注入器設計的兼容性。事實上，此特點使得先前的離子源設計不適合于離子注入器設計。加速/減速離子注入的優勢根據本發明的一個方面，通過在注入種類時將加速/減速離子注入與分子離子以一新穎方式結合，本人提供一種技術，用以在低能離子注入中極大地提高低能離子束電流，提高質量并提高產率。通過該結合，本人實現緩解上述非一致性以及劑量測定的問題，這些問題被認為是加速/減速離子注入系統中固有的問題。
在上述系統的分子離子注入中，從一包含多重相關摻雜物原子(如，B，As，P，Sb或In)化合物形成一離子束，用以產生比傳統單體(即，單原子)離子注入更淺的注入側面以及更有效的劑量率。作為一應用于低能硼注入的重要實例，一癸硼烷分子離子，B10HX+，以能量10×E、離子電流0.10×I注入，而不是以能量E注入離子電流I的單體B+離子。擴展該實例，一5keV，1mA的B10HX+離子束相當于一500eV，1mA的B+離子束。這兩種方法的最終注入深度以及摻雜物濃度(劑量)相同，但癸硼烷注入技術具有重大優勢。因為癸硼烷離子的傳送能量(質量×速度2)是相同劑量硼離子傳送能量的10倍，并且癸硼烷離子電流是硼離子電流的十分之一，相對于單原子硼注入來說，造成離子束發散以及最終離子束損耗的空間電荷力大大減小。如上文所述，此方法用于提高傳統(即，非減速)離子注入器的有效硼劑量率。一方面，本人的貢獻在于在加速/減速離子注入中專門使用分子(簇)離子以體現意外的優勢。
根據本發明一較佳實施例，加速/減速離子注入器使用癸硼烷離子，大大提高有效硼劑量率，并且避免在注入前減速單體硼離子中固有的、在晶片上的離子束剖面特點有任何降級。同時，根據本發明，其他重要分子摻雜物可獲得類似效果。對此改善的解釋基于下列理由。
眾所周知，在傳統(即，非減速)離子注入器的初始離子提取階段以及離子束傳送階段中，可獲得的離子電流受到空間電荷效應的限制。考慮到離子提取階段，由分子注入實現的相應改善可通過探測child-langmuir極限值，即，最大空間電荷限制離子電流密度來量化，此電流密度可用于離子注入器的提取光學裝置。盡管此極限值一定程度上由注入器光學裝置的設計所決定，但已公認可由下列公式近似計算(1)Jmax＝1.72(′Ω/A)1/2U3/2d-2，其中，Jmax單位是mA/cm2，′Ω是離子電荷狀態，A是離子質量，單位是amu，U是提取電壓，單位是kV，以及d是間隙寬度，單位是cm。在實踐中，許多離子注入器使用的靜電提取光學裝置可接近此極限值。擴展公式(1)，下列用于量化分子注入相對于單原子注入的空間電荷極限的品質因數Δ，可表述如下(2)Δ＝n(Un/U1)3/2(mn/m1)-1/2，其中，Δ是相對的劑量率(atoms/s)改善，通過注入一質量為mn、包含相關摻雜物n個原子的分子化合物，加速電勢為Un(相對于一質量m1、加速電勢U1的原子的單原子注入)，可實現此改善。在調節U1在基片中產生與單體注入相同注入深度的情況下，公式(2)可簡化為(3)Δ＝n2，因此，在傳統(非加速)系統的離子提取中，以癸硼烷替代硼，可將劑量率提高100倍。
本人認識到，一加速/減速注入系統的減速階段類似于提取階段提取光學裝置的操作，這一點相對于本此問題來說至關緊要；這兩個階段都采用了短距離的強聚焦場。本人還認識到公式(1)對減速階段具有足夠精確度，以實現其性能與分子離子以及單體離子性能之間的比較。因此，本人了解，公式(3)還可用來計算減速階段。使用此分析模式，例如，一傳統加速/減速注入器可將約2mA的硼單體，以500eV的注入能量傳送到晶片上，即使具有上述嚴重的非一致性以及劑量測定問題；但是通過在加速/減速離子注入器中以癸硼烷(B10HX+)替代硼單體，在一有效生產系統中使用上述引用的專利申請中描述的技術，通過以5keV注入0.2mA的癸硼烷可實現相同劑量率。這在減速階段一定程度上降低對空間電荷的敏感性，使得加速/減速系統中伴隨減速發生的離子束剖面常見的降級，以及注入一致性、角度完全性以及劑量測定得到極大改善。
該新穎的加速/分子離子化合(使用分子(簇)離子束的加速/減速離子注入)，可用于在離子注入中將低能硼劑量率提高到以前從未在離子注入中實現的新的比率。例如，我們可想以20keV提取大于3mA癸硼烷，并將癸硼烷離子減速到5keV(減速度為4∶1)，以獲得高達30mA的劑量率，有效注入能量為500eV！此較大有效硼劑量率容易實現高劑量注入，如PMOS源/漏極延展，機械產量極限值超過每小時200個晶片(200WPH)，甚至在生產直徑300mm的基片(僅供參考2mA的傳統硼可生產產量約為25WPH，劑量為8E14)時也可實現上述產量。下文中本人將論述，此高離子束電流還可用于形成超淺結的新穎、重要方法中。
此加速/減速系統還可以用于二聚物注入。包含二聚物(至今仍不被認為是合適的離子注入材料)的離子束，結合其他摻雜物，通過使用本人上文引用的專利申請中提供的有效蒸發以及電離技術，可獲得上述優點。可形成離子束，如As2+，P2+，B2+，In2+或Sb2+，將公式(3)運用于減速階段，可將減速的離子束提高4倍，并在上述用于癸硼烷注入的方法中提高最大劑量率，緩解非一致性以及劑量測定的問題。圖表Ia列出本發明中所用的適用于二聚物注入的材料。圖表Ia

作為該系統以及方法的一部分，該二聚物化合物在低于其熔點的溫度下蒸發，且主要通過一寬電子穿過包含該蒸汽的腔體的沖擊作用電離此蒸汽。
上文揭示的用于加速/減速注入癸硼烷等系統的使用，實現了新的半導體生產方法。另一方面，通過在工序中使用上述化合物減速/分子離子方法及系統，本發明實現將一個或多個高成本步驟從許多注入工序中去除，或改善其他注入工序的成本縮減、或質量。
例如，此系統可用于改善快速暫態擴散(TED)。在制造CMOS生產中的超淺p-n結中，PMOS源/漏極(S/D)結構的形成需特別謹慎。硼是唯一具有形成S/D結構所需的足夠高固溶度的p-型摻雜物，且滿足電導率要求；但是在制造晶片所需的退火(“活化”)工序中硼在硅基片上很快擴散。該異常的硼擴散，稱作快速暫態擴散(TED)，限制了參數，尤其是p-n結陡度的獲得。我們認為TED由注入工序中在硅中產生的缺陷傳遞(有害的增加)。
在形成前沿、超淺半導體芯片設備時，廠商希望使用很低能量(次keV)硼注入，以形成超低硼注入剖面，因此剖面的激活主要由TED決定。為減小TED范圍，結合次keV注入，使用一低熱聚積峰值退火(即，快速熱退火或RTA)，以產生更多淺p-n結。近來提出，為最小化活化p-n結的深度，所采用的硼注入最低能量大約為500eV，因為活化后，要求TED以此能量或更低能量控制剖面。然而，本人認此推測尚未在生產中得到證實，因為當硼注入深度降低時TED效應某種程度上線性下降。我們認為，此有利的TED效應的降低源于在TED中曝光硅表面作為導致缺損的“散熱器”、或吸氣劑，因此注入越淺，TED區域越小。
因為執行500eV硼注入時晶片產量已遠遠低于機械極限，甚至在減速離子注入中也是如此，并且因為注入能量小于500eV時導致晶片產量再次大大減小，此運用傳統硼注入的次500eV注入未必適用于生產。產量的降低必然影響300mm制造的經濟效應，300mm制造要求更高的用于新制造以及設備的資本成本。
但是，通過使用本發明提供的新的系統與方法并結合“淺”TED問題的改善，可獲得商業上有利的超表面注入產量，并由此可將注入設備可達到的密度以及性能擴展到新的質量水平，且尺寸更小。
所揭示的加速/減速系統還可降低對預先非晶體化的需要。為輔助減小注入硼剖面的深度，預先非晶體化(破壞晶格)注入通常在硼注入前執行，以減少溝的形成，并由此提高注入深度剖面。通過注入高劑量的鍺或硅離子束，可完成非晶體化。這是一昂貴的附加工序，其提高制造超淺p-n結的成本以及復雜性。
本人認為，按照此方面并在加速/減速機器中按照上述方法使用簇分子摻雜物可實現新的工序優勢。即，不僅可以提高硼劑量率，使注入更淺，提高裝置性能，而且此新的分子注入系統的破壞特性可能消除高費用的Ge或Si的非晶體化注入步驟。眾所周知，由于碰撞的非彈性，高密度力離子簇，如，在與硅表面碰撞時可引起局部晶體結構的破壞。當劑量率足夠大時(本發明可實現，如0.5到3mA之間癸硼烷)，最終損壞剖面可消除或減小對獨立預先非晶體化注入的需要，在生產工序中消除或減小此高費用步驟的成本。
因此，采用癸硼烷離子的加速/減速系統中高有效晶片產量的硼注入，可在100eV的低能量下用于200mm以及300mm基片的生產中。由于TED效應在此極低注入能量下可進一步減小，制造更淺的p-n結的可能性變得更大。
通過基礎電子碰撞電離法電離分子產生分子離子，可使用熱敏離子源物質，尤其是固體癸硼烷以及上述二聚物。
通過對引入一極度延伸的提取孔附近的寬電子束的使用，并采用望遠鏡式光學裝置以在離子束進入束線前減小離子束尺寸，本發明實現1)使用癸硼烷離子，注入能量在100eV到1keV之間，生產200mm以及300mm晶片的有效晶片產量；2)通過使用高劑量率的癸硼烷(如，每秒約2×1015到2×1016個離子)，產生足夠的晶體結構損傷以消除或減小對高成本預先非晶體化注入的需要。
3)由于TED，減小激活的硼離子束剖面的擴大，通過使用注入能量極低的(癸硼烷能量在大約1keV到5keV之間，相當于在100eV到500eV之間的硼能量)、超表面結合。
4)通過使用其他分子簇，包括新穎二聚物材料，以其他注入種類實現相似的有利結果。
因此，可實現更少的步驟，成本的顯著縮減，更淺且更密的p-n結，以及改善的設備性能。用于離子摻雜的電子束離子源的優勢另一方面，本發明可用于一離子摻雜系統，用于替代上述桶離子源。所揭示的離子摻雜系統具有下列優點。
(1)較小占地面積—該電子束離子源體積較小，并只在一個方向內延伸，帶狀離子束的預期長度。
(2)成本縮減—由于其尺寸緊湊以及可量測性，本發明中的離子源比現有技術中的更為簡潔并且更加便宜。
(3)高效—由于其體積較小，并且減小了表面積，相關離子在電離體內壁上的損耗相對現有技術來說大大減少。
(4)改善了對工序的控制—產生更高百分比的預期離子。此減少沉積(第一位置產生更少的離子，以或得一特定離子束電流)，提高相關摻雜離子的生產效率，并且大大改善對注入工序的控制。由于從電子束離子源產生的大部分離子為相關離子，相對于現有技術，大大改善了注入剖面以及劑量的精確度。
(5)高產量—由于其相對現有技術而言，具有更高的產生摻雜離子的能力，本發明提高了產量。
(6)軟電離—本發明提高了如癸硼烷等分子離子的有效產量，與乙硼烷相比，在離子摻雜應用中具有顯著的產量以及效率優勢。
由于其較小的占地面積以及簡單化，縮減了固定設備成本，占據更小的生產空間，提高了產量，此外本發明實現一單一離子摻雜系統，其裝配有兩個離子源，其中一個用于p型摻雜物，另一個用于n型摻雜物。使用簡單雙間隙光學裝置，該離子摻雜系統可在兩個離子源之間轉換，同時處理大量基片。這緩解了兩個專用系統的設備成本，將生產空間成本減少一半，并且降低了產品產量的風險，此風險為現有技術下離子摻雜系統的后果。


圖1是一現有技術下一離子注入源的示意圖。
圖2是圖1中現有技術下一離子注入源一部分的放大示意圖。
圖3是本發明中離子注入源的示意圖，其展示離子源沿中軸的剖視圖，因此可觀察其內部組件。
圖4是圖3中離子注入源的電離箱的放大示意圖。
圖4a是圖3離子注入源的電子光學裝置的一較佳實施例的示意圖。
圖5是電源偏壓電路示意圖，該電源向圖3中的離子注入源提供電壓。
圖6a與6b分別是本發明注入源的可選電離箱的側視截面圖及頂視截面圖。
圖7a與7b是一用于提高圖6中電離箱產生的電子束聚焦的設備的透視示意圖以及頂視示意圖。
圖7c是圖7a與7b中設備幾何尺寸的示意圖。
圖8是圖7a與7b中的設備的示意圖，這些設備并入一類似于圖3所描述的離子注入源。
圖9是本發明中一替代電離箱的頂視示意圖。
圖10是一類似于圖3的示意圖，說明并入離子注入源的圖9中的電離箱。
圖11是一離子注入的總示意圖。
圖12是發射離子束的離子源的總示意圖。
圖13是在目標基片上門附近形成一漏極擴展的離子注入的總示意圖。
圖14a是在一預先磷摻雜硅基片上通過硼離子注入形成的門緣以及漏極擴展層面的總示意圖，而圖14b是一硼與磷離子濃度的圖解說明，此濃度沿圖14a中AA部分測量，以對數標度表示。
圖15是橫向發散的圖解說明，表示在離子注入中，橫向發散為一關于目標附近離子入射角與離子注入能量的函數。
圖16a與16b是預定橫向分散的圖解說明，分別表示在離子注入中常規入射角以及7度非平行入射角情況下的離子束橫向分散。
圖17是一類似于圖4的示意圖，說明本發明中一用于產生擴展帶狀離子束的替代離子注入源。
圖18a是一本發明中能產生用于單個離子注入工具的n型及p型摻雜的雙離子源系統。
圖18b是圖18a中離子源的示意圖，此離子源可將離子注入平面平臺基片。
圖19是一用于平面平臺顯示器的摻雜工具的示意圖，可將圖18a中設備并入此平面平臺顯示器。
圖19a是癸硼烷裂化譜圖的圖解說明。
圖20是一加速/減速離子注入系統的側視截面圖，此系統具有一固定束線，晶片放置于一渦流盤上。
圖21是一適用于癸硼烷等的離子源的側視圖，該離子源可改型裝入如圖1所示的現有加速/減速離子注入系統的離子源外殼中。
圖22是另一適用于癸硼烷等的離子源的側視圖，該離子源用于一加速/加速離子注入系統，其特點為具有一高度延伸的提取孔，該提取孔用于產生一具有高度擴展橫截面的初始離子束。
圖23是一類似于圖2的離子源的示意圖，該離子源可對經過電離箱的電子束進行磁約束。
圖24是連接在一電離箱上的離子光學裝置的圖形表示，從該電離箱可提取一具有高度擴展橫截面的離子束。
圖25是本發明中一透鏡及透鏡支架組合的無標示刻度的透視圖。
圖26是圖27中電子槍的無標示刻度的透視圖。
圖27是本發明中一電子槍的無標示刻度的透視圖。
具體實施例方式
下列術語與定義適用于整篇申請案。
橫向動能(Er)動能在橫向于射束傳送方向上的分量，即，提取場方向。Er＝1/2mvT2，其中vT為速度在提取場垂直方向上的分量。
射束噪聲(N)射束電流密度中的波動，為平均電流水平的百分數，頻率高于100Hz。
發射率(ε)總發射率ε為兩個發射率的乘積，ε＝εxεy，其中在使用垂直方向槽形透鏡的情況下，εx為水平方向(沿槽的寬)的發射率，εy為垂直方向上的發射率。對于任何透鏡形狀，εx，εy沿與射束傳送方向垂直的兩個正交方向定義。發射率分量ei定義如下εx＝2κΔxαx，εy＝2κΔyαy，其中κ＝(E0/E)1/2，其中E為離子束能量，E0＝10keV；αx，αy分別為x，y方向上射束分散半角；Δx，Δy分別為x，y方向上的射束的維度，發射率參數在均沿傳送方向相同的z-位置測量，其涵蓋至少70％的射束電流。發射率分量ei的單位為mm-mrad或cm-deg。
亮度(B)B為射束電流I與總離子束發射率的比值B＝I/εxεy。
等離子體定義為一包含電離體的區域，其實質上為電中性，包含符號相反的、電荷密度基本相等的電子與離子。
離子注入源現參照附圖，離子注入中常用的離子源如圖1以及圖2所示。增強型伯納斯(Bemas)離子源通常用于高電流、高能量以及中等電流離子注入器中。離子源a通過一安裝凸緣b安裝到離子注入器的真空系統，此安裝凸緣b還包含多個用于冷卻水、熱電偶、摻雜燃料氣、冷卻氣體N2以及電源的真空通孔。摻雜燃料氣c將氣體供入弧室d，并在此電離氣體。還提供雙蒸發爐e，f，固體材料，如As，Sb2O3以及P可在蒸發爐內蒸發。蒸發爐、原料氣以及冷凝線包含于一冷機加工鋁塊g中。冷卻水用于在激活蒸發器(工作溫度為100C到800C)時限制鋁部件g的溫度劇增，并且在離子源激活時抵消弧室d引起的輻射加熱。弧室d安裝在鋁部件g上，但熱接觸較差。離子源a為弧放電離子源，其在埋入式熱絲陰極h與弧室d的內壁之間維持一連續弧放電。因為此電弧功耗一般超過300W，并且弧室d只通過輻射進行冷卻，操作中弧室的溫度可超過800C。
通過與電子流的電子碰撞或陰極h與弧室d之間放電產生的電弧，引入弧室d的氣體得以電離。為提高電離效率，通過一外電磁鐵線圈90，如圖2所示，沿連接陰極h與對陰極j的軸產生一勻強磁場i，以限定電弧電子。一對陰極或反射極j(位于弧室d內部，在陰極h的對面)通常保持在與陰極h相同的電勢，用以將由磁場i所限定的電弧電子反射回陰極h并再次反射回對陰極。此方法限定的電子軌跡呈螺旋狀，導致在陰極h與對陰極j之間產生圓柱形等離子體。圖2表明陰極與對陰極之間可能的一種軌跡，由于受到磁場B的限定，此軌跡為螺旋狀。等離子體內的等離子密度一般較大，大約1012每立方厘米；通過電荷交換，實現等離子體中的中性或電離成分進一步電離，還可以產生高電流密度的提取離子。陰極h一般為熱絲或間接加熱陰極，當受到一外部電源加熱時，此間接加熱陰極發射電子。陰極與對陰極的電壓Vc通常保持在60V到150V之間，低于電離箱d的電勢。可通過此方法獲得高達10A的高放電流D。一旦產生電弧放電等離子體，等離子體在陰極h(因為陰極h浸在弧室內，因此與最終等離子體接觸)表面附近產生一護套。此護套提供一高電場，有效地向電弧提取熱電子流；通過此方法，可獲得高放電電流。
弧室中耗散的放電功率P＝DVc，或上百瓦特。除去電弧損耗的熱能，熱陰極h還將能量輻射到弧室d的內壁。因此，弧室d為摻雜等離子體提供一較高溫度環境，通過提高弧室d內氣體壓力，減少摻雜物材料在熱弧室內壁上的凝聚，相對于冷環境提高了電離效率。
如果使用固體離子源蒸發爐e或f，蒸發后的材料通過蒸發器進料口k及l注入弧室d，并進入高壓間m及n。該高壓間用于將此蒸發后的材料在大約與弧室d相同的溫度下擴散入弧室d。同時，通過弧室對蒸發器進行的輻射加熱，通常阻止蒸發器為其內部的固體進料提供一低于約100C的穩定溫度環境。因此，該方法只能蒸發并傳入蒸發溫度大于100C、分解溫度大于800C(一伯納斯源的標稱壁溫)的固體摻雜進料。
圖3展示本發明一實施例，其某些方面在上述引用的專利申請中也得到描述，其顯示為沿離子源中軸的剖視圖，因此可觀察其內部構件。外部蒸發器28包含蒸發器主體30以及坩堝31，坩堝31用于存放固體進料29，如癸硼烷。電阻加熱器嵌入蒸發器主體30，冷凝水溝道26以及對流氣體冷卻溝道27與蒸發器主體30緊密接觸，用以向坩堝31提供一高于室溫的均衡操作溫度。坩堝31與溫控蒸發主體30之間的熱傳導由通過氣體進料器41引入坩堝-蒸發器主體連接體34的高壓氣體來實現，同時，蒸發器外殼的溫度由一熱電偶控制。通過蒸發器出口溝道39以及加熱閥門100及110，并通過流導溝道32，將蒸發后的癸硼烷或其他材料50注入電離箱44。離子源安裝凸緣36以及源部件35的溫度控制在接近或高于蒸發器溫度。
離子氣體源傳送系統包括從獨立的兩個離子源向此電離箱供料的導管。第一個導管具有較小直徑、低傳導率的溝道，其與一高壓氣體離子源，如氣瓶連接。第二導管是連接于一低溫蒸發器的高傳導率溝道，此蒸發器用于蒸發固體材料。與離子源無關，氣體傳導系統保持電離箱內氣體濃度為幾個微米汞柱。蒸發器嚴格控制其與固體材料接觸的表面的溫度，使電離箱內氣體濃度保持穩定。
再次參照圖3，蒸發器部件30a包含一加熱主體以及一冷卻主體30，以及一活動坩堝34。通過移動蒸發器后部的底板28，可向坩堝中添加材料。
一旦將坩堝從蒸發器移開，打開蓋34b并提高門34a，可再次填充材料。蓋34b通過彈性塑料封接到坩堝邊緣，門34a容納固體29。
再次填充后的坩堝插入主體后，對主體前端的孔39進行氣封。該孔39為蒸汽的出口。坩堝與主體之間保持精密結合，以實現坩堝溫度的一致性。空隙間注入一氣體(冷氣體)，用以推動兩個表面間的熱傳導。冷氣體通過底板裝置28a進入空隙。
通過使用嵌入主體的電阻元件PID閉環控制來實現溫度控制。主體材料導熱性很高，適于保持溫度的均衡性。一小熱泄漏特意用于主體，以保持運用外部空氣溝道的控制系統的穩定。空氣溝道27穿過蒸發器主體并被未圖示的板覆蓋。空氣傳送到多頭管系的溝道中，此多頭管系并入蒸發器底板28，以提供輕微對流冷卻。空氣經過一用于流量控制的計量閥后，通過此入口注入。空氣離開該部件進入排氣室。
除空氣冷卻外，還可以使用液體冷卻蒸發器主體。冷卻液通過一1m長、直徑6mm的往復穿過主體的孔輸送。通過安裝到主體溝道26的連接件，產生連接。液體冷卻快速冷卻蒸發器部件，減小操作周期，并可改變固體種類。
現在參照圖4，利用通過導管進入電離箱44與部件35之間空隙36的高壓氣體，使得電離箱44與部件35保持良好的熱接觸。氣態材料，如存放在氣瓶中的PH3等工序氣體，可通過進氣口33進入電離箱44。電離箱44內的氣體壓力一般為大約1×10-3托，而電離箱44外部區域的壓力大約為1×10-5托。現參照圖4，電子槍42產生的電子束125通過電子束入口孔45進入電離箱44，平行并非常接近離子提取孔底板80中的離子提取孔槽46，電子束穿過電離箱44，通過電子束出口孔47離開電離箱44，并受到束流收集器70的阻攔。束流收集器70通過水冷卻支架130用水冷卻，此水冷卻支架攜帶去離子水(電阻大于10MΩ-cm)。通過絕緣隔離56，將束流收集器電絕緣，因此可在HV水饋通170對束流收集器70所收集的電子束流進行監控。通過一電絕緣、熱傳導的密封墊，使得離子提取孔80與電離箱44電絕緣，并且離子提取孔80偏移到一相對于電離箱44的負電位。此離子提取孔80的偏壓形成一漂移電場，使得離子向孔80靠近，并向其他熱離子提供一漂移速度，實現比不存在漂移電場時更高的提取離子電流。部分離子源構造尺寸典型為一直徑7.5mm圓形電子入口孔45，一直徑10mm電子束出口孔47，一直徑25mm長65mm的電子槍部件42，以及一高67mm的電離箱44。電子槍外殼142上的切口48使得外殼142上包含陰極的部分可暴露于材料外殼內的真空環境中，延長陰極143的使用壽命。
電子槍光學裝置由陰極143，射束整形電極145，第一陽極147，聚焦電極149，第二陽極150，以及出口透鏡152組成。該透鏡系統提取一空間電荷限制電子流，并且由第一陽極147，聚焦電極149，第二陽極150以及出口透鏡152組成的下游四元件透鏡，校準并將電子流加速到預期最終能量。熱陰極143發射熱離子電子，此熱陰極由，如，高熔點金屬或LaB6制成，可對其直接或間接加熱。在電子經過第一陽極的皮爾斯(Pierce)幾何間隙時對其進行加速，陰極143與第一陽極147之間的等電勢由圓錐形射束整形電極145以及第一陽極形成，第一陽極通過修正空間電荷效應，最大化輸出電流。離子束提取電壓可為5keV，通過下游光學裝置中的可將最終能量減到約在70eV到2000eV之間。
圖4a展示電子光學裝置的一較佳實施例，其中該第二陽極150’以及出口透鏡152的形狀根據皮爾斯(Pierce)幾何圖形來確定。該幾何學由透鏡145’以及147’所限定的皮爾斯(Pierce)提取器144的幾何結構轉化而來，因此由連接150’及152’所限定的透鏡153可有效地用作減速透鏡，將一低能量(如100eV或更小)、大體上平行的電子束引入電離箱44。將“反向皮爾斯”用于減速透鏡153，有助于修正一空間電荷限制的電子束，因此更有可能將一更高并且更為平行的低能量電子通量引入電離箱44。例如，電子束可以1keV的能量提取入透鏡147’，以500eV的能量傳送入透鏡150’，并且在透鏡152’中減小到100eV，實現比提取器144中以100eV提取的電子束更高的電子電流。
沿電子束路徑特意產生的陽離子可進一步改善電子槍光學裝置中、尤其是減速透鏡153中的空間電荷力。離子的正空間電荷抵消了電子的空間負電荷，減小了離子束中電子間的凈庫倫排斥，因此減小了離子束擴散，更加有可能實現更高的電子電流。此方法更有效地減小空間電荷力因為離子質量大、速度小，所以消耗速度小，若離子產生速度等于離子損耗速度，則可保持一適當的電荷平衡。電子束路徑中任意一點處離子產生速度與此處可電離氣體的局部壓力成比例。例如，認為圖4a中局部氣體壓力P1＞P2＞P3＞P4(本人發現通過調整單個透鏡元件與周圍真空間的流導，可控制局部壓力Pi)。另外，認為主要氣體種類為癸硼烷(B10H14)，為了產生陽離子，氣體分子具有一較大電子碰撞電離側面。在電離箱44中，P1最高，約10-3托，因此空間電荷補償十分有效。此確保在主要電離區域電子束傳送的一致性，確保離子提取孔46附近離子密度的一致性，因此確保所提取離子束中離子密度的一致性。P4為離子源真空外殼周圍的壓力(額定為10-5托或更小)，并且因為電離箱44中的氣體穿過電子束入口孔45’，所以在這些極值之間產生較大壓力梯度。由于減速透鏡153靠近45’，P2相對較高，空間電荷排斥大大減小。P3所在區域臨近陰極143’，因此要求P3接近P4，即P3足夠小，癸硼烷分子到達陰極表面的速度小于沉積在陰極表面的癸硼烷副產物的解吸速度。這對低溫陰極如LaB6，以及場發射器陰極十分重要。通常，高熔點金屬陰極在高溫下操作不成問題，在此高溫下可產生裂解的工序氣體的沉積。
圖5展示電源的偏壓電路，此電源向電子槍元件、離子源以及專用儀表提供電壓。圖5中所用的符號具有下列含義Vs(離子源電壓)0-40kV pos@100mA。調整離子束能量，相對于地電位向電離箱加一偏壓。
Vc(陰極電壓)0-2kV neg@100mA。調整電子束能量，相對于電離箱向陰極加一偏壓。
VF(燈絲電壓)0-5V@50A。向直接或間接加熱陰極發射器提供加熱電流。
VE(提取孔電壓)0-20V neg@100mA。相對于電離箱對離子體取孔加一偏壓。
V1(陰極護罩電壓)0-50V neg@10mA。相對于陰極對離子束整形電極加一偏壓。
V2(陽極電壓)0-5keV pos@50mA。相對于陰極對第一陽極加一偏壓。
V3(聚焦電壓)0-5keV pos@10mA。相對于陰極對聚焦電壓加一偏壓。
V4(出口透鏡電壓)0-2keV pos@50mA。相對于陰極對出口透鏡加一偏壓，并測定電子束離開由陰極、陽極、聚焦以及出口透鏡組成的四極管時的能量。
VD(束流收集器電壓)0-2keV pos@100mA。相對于陰極對束流收集器加一偏壓。
M1測定離開電子槍時的電子電流。
M2測定陰極發射電流。
M3測定到達束流收集器的電子電流。
本發明的另一實施例尤其適于從一1-3英寸長的槽提取離子的離子注入系統。該實施例提供一用于產生高離子電流(例如，每一摻雜離子流可達5mA)的有效設計。該設計中，一長度大約與離子提取槽長度相同的燈絲提供低能量電子的一維“薄片”。該燈絲方向與離子提取孔槽平行，如圖6所示。不需要第一實施例中的電子束。此幾何形狀具有兩個顯著優點1)可獲得高電子電流，以及2)可獲得低電子噴射能量，同時仍輸送高電子電流。2)的一個推論為，由于在大約100eV的電離橫截面比，如2keV大5倍，因此可獲得極大的離子電流。3)最后，不需使用磁場，不必使用磁場來限制電子流的擴散，因為以一維電子束提取電子，大大減小了空間電荷效應。
因此，圖6a展示一離子源的簡單設計，其中將電子沿與所提取的離子束相同的方向注入電離箱。通過燈絲頭171以及直流電源172對一長燈絲170進行加熱，以沿燈絲的長度方向發射電子173。該燈絲可為例如，一帶狀或粗鎢絲。電源172對燈絲170施加一低于電離箱175的偏壓，因此通過一位于電離箱175尾部中間的矩形入口槽74，對電子進行加速。這構成一二極管裝置。圖6b的投影D-D中展示此幾何形狀的頂視圖。延展電子束將在電離箱175內電離該氣體；通過離子提取孔底板177中離子提取孔176提取離子。除簡潔外，圖6a中設計的優點為通過長燈絲170可產生高電子電流，并且可沿離子提取孔176聚焦此電子束。此方法產生的離子流應當一致，因為穿過電離箱175內氣體的電子路徑長度和離子提取孔176的長度相等。同時，由于電子束在垂直方向上延長，受空間電荷擴散影響較小，因此相對于一較小的、圓形電子束，一具有給定能量的更高的總電子電流可傳送入電離箱175。
為改善性能，將一具有較長矩形槽的柵極179嵌入燈絲170與電離箱入口孔174之間，以增強離子束的聚焦。這構成一三極管結構。為避免由于燈絲蒸發后覆蓋入口孔174，或鎢或錸最后進入電離箱引起的對電離箱175的過渡金屬污染，該燈絲與電離箱的距離可更遠，從視線中除去蒸發了的材料。
示意圖7a展示了該實施例。燈絲170遠離電離箱175，電子束通過一由一組長的矩形孔組成的透鏡傳送。示意圖7a展示一三極管裝置，其中燈絲170、射束整形電極178、柵極179以及電離箱入口孔174均處于不同的電勢，但此裝置不僅僅局限于三極管；視情況可增加更多的透鏡。頂視圖7b更加詳細地展示了圖7a中的電子光學裝置以及電子束173的傳送。通常，電極電壓為陰極電勢Vc＝-100V，射束整形電極V1＝-102V，柵極電勢V2＝+100V，離子源電勢Vs＝0(所有電壓均相對于電離箱或離子源的電勢)，以及例如，離子提取電極電勢VE＝-5V，盡管透鏡系統的電勢Vc到Vs可控制在一很大電壓范圍以及電子能量范圍內，以最佳化產生用于特定注入工序的相關離子。離子提取孔177的電壓VE為一偏壓，此偏壓可形成一持續漂移電場E，圖7b中也展示了此電場。E向電離箱內產生的離子施加一漂移電壓，使得正電荷離子偏向離子提取孔底板177，通過一外部提取場，可從此處有效提取離子，形成離子束。由于離子沿電子束173產生，E傾向于對離子產生一向前的動量，因此離子動能的側向分力基本上為熱能，即，大小＜＜1eV。圖8展示并入一類似于圖3所描述的離子源的圖7a以及圖7b的三極管燈絲發射的實施例。圖8詳細說明電離箱175以及三極管200，并且展示了位于離子源部件35內的三極管。圖3中其他元件，如低溫蒸發器28，閥門100與110，安裝凸緣36以及進氣口33，盡管無圖示，也是本實施例的一部分。但是，電子槍42，電磁鐵線圈90以及束流收集器70不屬于圖8所示的實施例，因為與電子槍相關的部件已用三極管200來替代。圖8所示的方法的其他優點為1)燈絲位于遠處的一低氣壓位置(通過，例如，真空流導190直接將其暴露于離子源真空外殼的真空環境)，延長燈絲壽命；2)燈絲遠離電離箱避免了燈絲材料對電離箱的污染；3)透鏡系統推動了電子束的加速-減速傳送，可在電離箱內獲得更高電子電流；4)通過水冷卻離子源鋁部件35，易于將燈絲170產生的輻射熱負載傳遞到更大范圍；5)可將電子束聚焦在離子提取孔，提高離子提取效率，減小側向動量。由于額定電子軌跡沿圖7b中的漂移電場E，因此通過電子碰撞產生的離子到達提取孔時具有基本的的動能側向熱分量，即＜＜1keV。6)圖7b與圖8中的實施例結果產生低發射率、高亮度的離子源，改善了對離子在注入器中傳送的控制，與現有技術相比較，更加提高了晶片基片上離子束空間及角度的一致性。
圖7c展示類似于圖7b中三極管的四極管幾何形狀，但也具有尺寸數據。尺寸單位為mm。該四極管具有精確的變焦功能，因此透鏡系統的聚焦性能某些程度上與最終電子能量無關。這允許以更高的能量提取從耐熔燈絲170’發射的電子，此能量比進入電離箱175’的離子更高，即通過減速將更高的、空間電荷限制的電子電流傳送入電離區域。代表性透鏡電壓如圖表A所示，物距為4倍透鏡孔的直徑(“D”)，距離四極管基準面的像距為6D。通過以300eV到100eV等能量范圍提取電子，此透鏡將能量為100eV的電子注入電離區域。此類調整假設電子進入電離箱時能量為100eV。由于這些是一維透鏡，在槽的長度方向(y-方向)不會聚集或限制電子束。在高電流密度時，由于空間電荷排斥，電子束沿y方向擴散，通過漸暈導致電子束損耗。通過電子碰撞電離沿電子路徑產生陽離子，空間電荷排斥與離子束損耗可大大減小。離子的正空間電荷抵消電子的負空間電荷，減小離子束中電子間凈庫侖斥力，因此減小離子束擴散并且實現更高的電子電流。為避免電離區域181’產生的離子進入四極管時損耗，透鏡元件180’通常保持在一相對電離箱電勢V0的正電勢。
在射束路徑中產生陽離子，是一種有效減小空間電荷力的方法由于離子質量大、速度小，所以其消耗速率較小，如果離子產生速度等于離子損耗速度，可保持一適當的電荷平衡。電子束路徑中任何位置的離子產生速度與此處可電離氣體的局部壓力成比例。例如，圖7c中局部氣體壓力P1＞P2＞P3＞P4(本人發現可通過調整單個透鏡元件與周圍真空間的流導，可控制局部壓力Pi)。另外，主要氣體種類為癸硼烷(B10H14)，為了產生陽離子，氣體分子具有一較大電子碰撞電離側面。在電離箱175’中，P1最高，約10-3托，因此空間電荷補償十分有效。此確保在主要電離區域電子束傳送的一致性，確保離子提取孔176’附近離子密度的良好一致性，因此確保所提取離子束中離子密度的一致性。P4為離子源真空外殼周圍的壓力(額定為10-5托或更小)，并且因為電離箱175’中的氣體穿過電子束入口孔174”，所以在這些極值中產生較大壓力梯度。由于減速透鏡153靠近45’，P2相對較高，空間電荷排斥大大減小。P3所在區域臨近陰極143’，因此要求P3接近P4，即P3足夠小，癸硼烷分子到達陰極表面的速度小于沉積在陰極表面的癸硼烷副產物的解吸速度。這對低溫陰極如LaB6，以及場發射器陰極十分重要。通常，高熔點金屬陰極在高溫下操作不成問題，在此高溫下可產生裂解的工序氣體的沉積。
另一實施例中，圖9展示混合離子源的頂視圖，此離子源結合前兩個實施例的設計以及操作特點。圖9類似于圖7b，但展示圓形電子束210(進入圖中的平面)相交于從基于長燈絲發射器的三級管200產生的帶狀電子束173。因此，此第三實施例具有一軸向的、長燈絲發射器以及一縱向電子束。圖10詳細說明并入離子源部件的本實施例，此圖為圖3的改進。除了圖3中展示的低溫蒸發器28，圖10還包含一由離子源裝置35包圍的高溫蒸發器220。蒸發器210位于離子源裝置35內部，因此不會干擾蒸汽導管32或圖3中的氣體進口33。氣體通過蒸汽導管225從蒸發器220注入電離箱175，如圖10所示。該第二蒸發器用于從固體摻雜化合物，如元素P，As以及Sb，以及Sb2O3，InC13引出蒸汽。因此，此類以及其他常用固體摻雜物的蒸汽，以及如癸硼烷(B10H14)與三甲基銦(TMI)等熔點極低的材料的蒸汽可通過圖10所示的實施例注入電離箱44。
圖9及圖10所示的實施例的特點及優點為1)可獲得高離子束電流；2)不需磁場，結合提取孔附近的高電子密度，沿漂移電場方向的路徑產生離子，導致發射率很低的離子源；3)可使用全部固體與氣體進料補充物，兩個蒸發器的結合可容納n型以及p型摻雜物，而不需維護不同注入器之間的離子源；4)燈絲產生的低能電子束，結合電子槍產生的高能電子束，通過逐步電離工序產生多重電荷離子種類，此工序中通過低能離子束產生大量單電荷種類，此單電荷種類通過高能離子束再次電離，產生多重電離種類；5)對多個電子源電子束能量的調整能力，使得圖9中的離子源在產生不同進料分子種類時具有很大的靈活性，調整離子束種類，使其滿足特定注入要求。漏極擴展當用于一將產生更高性能設備的晶體管漏極擴展區域的注入處理時，此處所揭示的技術具有顯著優點。基本原理是所揭示的離子源將產生一低發射率離子束，此離子束又將產生一橫向陡度減小了的結，此結以縮放技術中所需的方法，使晶體管具有更高的性能。
橫向結陡度更大的晶體管以多種方式改善其性能。首先，結區域為串聯電阻提供一部件，陡度越大的結將提供越小的串聯電阻，小串聯電阻又將提高晶體管的驅動電流與跨導。同時，陡度較大的結減小了導電性亞閾值，當電源電壓減小時，此原理尤為重要。此特點的一個優點在于，例如，減小了關閉狀態電流，這將減小整個電路的靜態電流，延長電池壽命。亞閾值指數的改善使得該技術的整體設計更加具有靈活性，實現了在不提高晶態電流的情況下減小閾值電壓。這實現電路性能(通過降低閾值電壓改善其性能)與備用電源(通過降低靜態電流提高其性能)之間的直接交替使用。隨著電源電壓的降低，這些特點更加重要，因為每次技術形成時其大于0.25um。
在離子注入領域，離子束產生并]傳送到一碰撞目標，其具有的能量使得離子進入目標材料并穿透一定深度。這一點在圖11中得到示意。目標通常為硅晶片1，一晶體管或其他設備將在此晶片上制造。將離子束2引入硅晶片，特意使離子進入一定深度，以制造一功能器件。離子并非沿同一路徑傳送，在硅晶片中分布原子，如圖1中深度剖面5所示。深度剖面通常由兩個參數描述投射范圍6以及分散7，投射范圍6為平均穿透深度，分散7是對原子分布深度變化的測量。這些參數很大程度上由用于注入工序的離子束的條件決定，這些離子束具有質量更大的離子或具有產生更淺剖面的更低能量。通常，離子注入工序的分析只考慮完全平行的離子束2，這使得可以直接計算預期剖面、投射范圍以及分散。然而，離子束并非完全平行。射束中總存在一些不平行的部分，如圖中的非平行離子4。非平行離子4將以非零入射角3碰撞軌基片。通常，所有的離子束均包含非平行分量，其程度很大程度上由射束條件、注入裝置零件以及注入器的調節決定。下文將討論多角度離子注入。
離子束非平行分量的描述具有多種方法。首先，離子束10產生并離開離子源9，可測量發射率8以描述離子束10的角度分布，如圖12所示。該參數是對離子束從離子源提取時整個角度分布的測量，通常為立體角。一旦離子束傳送到束線，通常用來討論角度分布的術語為散度11。散度11指離子束相對于離子束中軸的最大角度。但離子束到達目標時，由于實現特定處理效果，目標可能相對離子束中軸傾斜，因此每個離子都具有一上述入射角。因此，當離子束到達目標時，離子束散度11產生一入射角范圍。應注意，這些術語及參數受到限制事實上離子束包含向各個方向傳送的離子，具有一描述離子密度的分布函數，此發散角為關于發散角的函數。因為下列描述中大部分是關于具有較大角度的離子，所以這些術語仍然可用。
這里所討論的示范離子注入工序為漏極擴展注入。這是形成晶體管的步驟之一如圖13所示。漏極擴展注入十分有效，因為其形成了限定晶體管功能性最重要的方面。首先，通過此方法可實現自動調準門電極13/門氧化物12層疊的形狀可產生一輪廓分明的門緣14。該裝置掩蓋了即將形成漏極擴展的離子束2。在門層疊移開處，注入穿透硅基片并形成一注入層，此注入層即為漏極擴展15，但在門層疊沒有移開處，注入穿透門電極16。此工序使得漏極擴展結與門電極成一線，這樣產生一良好的晶體管結構，稱作自對準門。下文將進一步討論，非平行離子4以及尤其是那些引入門下面并與硅基片碰撞的離子，如圖3所示的離子。
半導體技術的一個重要方面是需要恒定縮放。通過縮放，減小所有的尺寸，使得在一給定的軌基片面積上可放置更多的晶體管，減小了每一功能的成本。對于離子注入，結果是恒定需要減小離子能量，因為減小尺寸還包括減小離子深度尺寸，可通過減小碰撞能量來實現。值得注意，半導體技術的許多方面，包括離子注入，必須持續研制出新的方法、裝置以及材料，以滿足工業上對縮放的需求。縮放已充分發展，使離子注入中主要實現產生足夠淺的結，以滿足縮放要求。在p型結的形成中最嚴重的問題是所用的硼原子較輕并且傾向于較深地穿透硅基片。p型漏極擴展是尤其具有挑戰性的注入，因為其使用能量最低的硼離子束。我們已了解，以低能量傳送高電流離子束的離子注入具有固有的問題，并且用以提高低能量硼離子束電流的方法對所傳送的離子束，尤其對其散度具有反作用。
形成漏極擴展所需的步驟不僅僅是離子注入。此外，為使注入的原子保持電活性，需執行已加熱或退火工序。此加熱處理必須在高溫(即＞900C)，因此必須考慮擴散效應。擴散指注入的離子離開其注入深度剖面，此剖面通常較淺，并在基片橫向范圍內。由于需產生一淺結(實際上為超淺結或USJ)，必須最小化擴散效應。還有一問題是需最小化擴散時間快速暫態擴散(TED)效應。離子注入產生的對硅晶體的注入破壞，引起注入層中的填隙原子，因此產生該效應。其結果導致很短時間的硼擴散的增強。然而，需要一短暫的退火工序以最小化擴散，因此TED效應要求縮短退火時間。我們了解到，擴散以及TED均在深度和橫向上移動注入層。先進的退火裝置及方法可用于執行此關鍵工序，在保持結較淺的同時，必須有利于提高其橫向陡度。
硼注入能量的測量是硼注入的關鍵由于低電流傳送能力產生低生產率。由于需要低離子能量下的高離子電流，結果導致離子束具有高空間電荷密度，這將產生問題。從離子源提取的離子束中，空間電荷密度趨向于抵消提取場的電荷密度，導致著名的離子束電流與能量之間E3/2的關系。由于能量減小，該效應大大減小了可得離子束電流。此外，傳送中離子束的空間電荷傾向于產生庫侖力，使得離子橫向偏離離子束，導致在離子束傳送到束線時產生“離子束擴散”并損耗離子束電流。這在很大程度上由能量的大小決定，導致很難將低能量的硼(LEB)傳送到目標硅基片。
注入工業中有兩個用來描述產生LEB離子電流的方法，均導致到達基片的離子束更加擴散。第一中方法是設計一離子源與硅晶片間最短距離的束線，使更多的離子束到達晶片。這些短束線具有更加開闊的傳送槽，因此一更大的離子束可穿過此距離。就離子束散度來講，此方法可在晶片上產生更高的離子束散度。第二種提高LEB離子電流的方法是對離子束進行減速。該方法中，離子束以一高能量提取并傳送，然后在即將進入晶片前對離子束進行減速，使其以恰當的能量注入。該方法也導致在晶片上離子束具有更高的散度，并且產生能量污染。
深度剖面最重要的部分是結緣，如圖14a及14b所示。圖中表明，注入的硼層與摻雜濃度反應產生一P/N結。圖14a展示門緣以及漏極擴展，其中展示一橫向切口(A-A’17)，此切口低于并平行于硅基片表面。圖14b中，摻雜濃度沿A-A切口表示。在漏極擴展區域，硼濃度18很高，大約1E20cm-3，此為對數標尺19的一個較大值。在LEB注入漏極擴展前，已產生一N型摻雜濃度20，圖中為磷，但可為任意N型摻雜物。關鍵特點在于兩種摻雜濃度相等的點為結緣21。由于N型濃度更可能是大約E17-E18cm-3，此處濃度值較低。因此，此處硼濃度18也處于次等級。我們發現，結緣處的硼濃度比漏極擴展內的濃度小得多，至少小100X。這一點十分重要，因為其表明一射束較小分量，大約1％，對結緣的決定有著很大的影響，下文將進一步描述。此外，結緣處橫向硼剖面的斜率定義為漏結的橫向陡度。此參數單位通常為nm/decade(納米/10)，或剖面的橫向伸展，單位nm，用以將硼濃度提升一個等級。漏極橫向陡度的一個典型值，用于0.18um技術，為10nm/dec，對于每一代產品的目標是其縮放減小＜5mn/decade。
一低散度射束，如本發明中的離子束，用于形成漏極擴展時，將提高漏極擴展的橫向陡度，產生更高性能的晶體管。兩種機理實現了該優點減小了的橫向穿透率以及減小了的橫向分散。
第一成分，橫向穿透率，從幾何學角度講很精確。參照圖13，一具有較低發散的離子束基本上按要求從門緣下面，將所有引入的離子注入漏極擴展范圍內。將一發散射束束引入非平行離子，我們對按照圖13所描述的方法定位的非平行離子尤其感興趣，其中離子穿透硅基片的位置恰好在門緣14的基底處。整體上，該離子到達標有X的位置，此位置獲自漏極擴展硼原子的主要分布的橫向移動。由于發散離子束內存在一定范圍的入射角，導致門緣下方剖面的橫向擴展。這在橫向產生一階梯式結，與低散度離子束產生的結相比，該階梯式結陡度較小。如上文所述，結緣處的濃度比漏極擴展內的峰值濃度小得多，因此離子束中只有很少部分(1％)具有高散度，以橫向大大擴展此結。此外，離子束中通常具有一角度范圍，其中角度為越大，密度越小，同時形成一橫向階梯式結。通過對使用低散度離子束產生的改善的估算，我們通過入射角正弦乘以結緣垂直深度，可估算橫向位移。若離子束發散度為7度，橫向位移為結深度的12％，然而正常估算是橫向結緣為結深度的70％。由于現在橫向結可為垂直結深度的82％，因此發散離子束產生的結將比低散度離子束產生(由于該效應)的結擴展17％。
與離子束散度以及橫向結的形成有關的第二機理為橫向分散。產生分散，原因是目標硅基片不是一致同質介質，而是單個原子有規律的排列形成的晶格，其原子之間具有間隙。引入的離子可直接與一硅原子碰撞，以一掠入射與硅原子碰撞，或完全沒有擊中硅原子。此統計過程導致各種引入的硼離子的各種分布。該分散通常認為是深度剖面的一個垂直變量，但是一如本發明中的掩蔽緣還涉及橫向分散。主要原因是橫向分散由入射角決定，分散離子產生更多的橫向分散。對此現象更加詳細的討論，可參照Nacagawa，Hada以及Thome等人的IIT’98，第767頁。圖15復制此參考文獻中的一圖表，其說明以一關于入射角θ與離子能量的函數計算橫向發散。橫向到垂直發散額定期望值70％如水平虛線所示，其中明確假設入射角為0度。數據點用于各種入射角與能量，但圖中表明很有可能入射角為7度的離子的橫向發散至少是常規模式的兩倍。還發現，對更高的入射角，其影響越大，因此分布橫向擴散，這恰好與保持結陡度的期望相反。
參照圖16a與圖16b，為對這些效應相關量值進行數值估算，構造了一模式，該模式可將這些效應歸結為相同的條件。該模式的一步為通過取近似值減少變量垂直結深度等于投射區域(Rp)加上兩倍的垂直發散(ΔRp)或Xj＝Rp+2ΔRp通過上述關系式，實現用垂直發散來表示橫向結位置。
通過該模式，低散度橫向結緣出現在兩倍橫向分散的位置。由于我們已了解，橫向發散為垂直發散的0.7倍，橫向結緣出現在門緣內1.4ΔRp處。現在，發散離子束包括兩種情況，這加強了橫向結緣的產生。第一種情況為橫向分散是常規入射角的兩倍，因此數值為2.8ΔRp。第二種情況為數值等于結深度12％的幾何效應，此時為0.48ΔRp。結合其他情況，在門緣內3.28ΔRp位置處產生一橫向結緣，或橫向再擴展2.3倍。該橫向陡度也將提高一類似比率。使用低發射率離子源可直接產生該顯著優點。
與一MOS晶體管有關的另一關鍵參數為溝道長度。溝道長度為離子源與漏極之間的距離，即，離子源與漏極橫向結緣之間的距離。目前，討論集中在晶體管的漏極側，但門的另一側具有另一區域，在形成漏極的同時此區域形成電源。應注意，電源及漏極的橫向擴展決定溝道深度。注入剖面由注入參數決定，最主要的是種類與能量，但還包括斜度，捻度以及射束散度。同樣，射束發射率決定射束散度，因此影響晶體管的形成。很明顯，對于低散度的射束，溝道長度較長，因為較少的離子束穿透門層疊。通常，長的溝道不具有優點，但低散度情況下產生一更接近理想位置的晶體管，在該理想位置，溝道長度與門長度相等。
此情況下，高散度射束的問題在于散度不能保持恒定。由于射束調節與設置中固有的偏差，這是具有明顯散度射束的必然結果。由于每次穿過孔隙時，損耗部分射束，并且由于空間位置與部分射束到達基片時具有的角度直接相關，還損耗部分散度泡，因此產生偏差。例如，考慮兩種情況一種情況為射束設置集中到孔內，另一種情況為孔只可容納部分射束。在射束集中到孔中的情況下，散度也將集中，因此射束進入晶片的角度為額定角度+/-5度。第二種情況下，孔所限制的射束邊緣也是角分散的極限值，該極限值只限制射束的一邊。因此，此情況下，射束在基片上的角度可為額定角度+2/-5度。此時，如果散度受到限制的一邊是限定晶體管溝道的邊，我們通過消除高入射角離子已改變了結剖面，因此溝道可能變長，因為離子在門緣下穿透很深。該溝道長度偏差尤其不合要求，低發射率射束不會產生此偏差。我們發現，所討論的偏差很正常，是現代裝置自動化的結果。目前的生產工具中，一自動化程序通過執行上述步驟以產生并優化射束狀態。正常情況下該系統每次不會產生相同的射束狀態；其任務是產生符合要求的射束狀態，并且通常有多種調節方案。這些調節方案在射束中產生不同的散度，產生具有可變散度的射束時，不需要存在偏心射束，或任何異常狀態。
低發射率離子束的另一優點在于其可設計工序，因此溝道長度一致較小，而不是必須設計使得只在最差情況下產生最短的溝道。由于電路的性能與溝道長度直接相關，在保持其他工序步驟不變的條件下，產生一致的短的溝道可直接實現更高的性能。
由于溝道太短不能維持漏極至電源的電壓，或由于短溝道效應閾值電壓超出操作范圍，因此太短得溝道很可能導致失敗。因此，在設計工序與電路的過程中，必須謹慎考慮加工偏差的正常范圍產生的溝道長度分布，使得不存在不合格的晶體管(1ppm的不合格率已是太大)。換句話說，溝道分布具有較小偏差，這允許設計更短的平均溝道長度，結果在不增加成本的情況下提高性能。擴展帶狀射束目前，人們對發展傳統的離子注入器以產生更大范圍的帶狀射束十分感興趣。由于下列因素人們對擴展帶狀射束注入產生興趣1)目前工業范圍轉移到較大基片，即直徑300mm的硅晶片；2)用于傳統的CMOS及其他設備的生產，期望制造更大基片，即直徑450mm的硅晶片；以及3)為提高晶片產量并提高基片上劑量的一致性，目前工業范圍向連續注入器設計轉移，此設計結合電磁掃描擴展帶狀射束可具有更多優點。傳統離子注入中，基片面積變大晶片產量將降低，產量與基片面積成反比，此外，在硅設備生產中，除非晶片產量嚴格保持恒定，否則人們不會認識到使用大面積基片的預期經濟效應，傳送更高離子束電流的能力對于離子注入的持續發展尤為關鍵。傳送到晶片的束電流(由此決定的劑量率)可用帶狀射束的長度來測量，由于下列原因，現有技術中離子源阻礙了此要求1)現有技術中離子注入源只能產生范圍受限制的離子帶(在2-3英寸之間)，及2)如果擴展帶狀離子束由射束延伸光學裝置產生，射束的電流密度與放大率成比例下降，因此傳送到大面積基片的總電流不變。
通過運用上述實施例1，2，3中的技術，可產生類似于直接從離子源提取的幾乎任意范圍的帶狀離子束。這通過以圖17所示的方式縮放離子源的長度即可實現。圖17展示一類似于圖4的實施例，即，一電子槍230將一可變能量電子束235傳送入一充滿含有摻雜物的氣體的電離箱240，電子束受到水冷卻束流收集器250的阻擋。電子束接近且平行于離子提取孔260傳送，通過提取光學裝置從該孔提取離子束。電磁線圈(無圖示)提供一可選外部磁場B。一方向與電子束路徑平行的縱向磁場的使用將在一很長的路徑上限制電子束235。路徑長度為(x+y)，如圖17所示，其中x為電子槍的長度，y為電離箱的長度(y還近似為離子提取孔的長度，以及所提取的帶狀離子束270的預期長度)。本人假象電離箱240的剖面為圓柱形，提取孔占據圓柱體的一個平面。
圖17中的裝置可有利的作為用于平面平臺顯示器離子摻雜的離子源。例如，離子提取孔260長度可為850mm，用于產生帶狀射束以注入具有750mm的較小尺寸的矩形面板。該情況下，圖17中電離箱的長度y將大于850mm，如900mm。電子槍230用于將一高電流、低能量的射束235傳送入電離箱240。典型規格為圓柱形透鏡直徑＝1英寸，電子束能量＝100eV(可在20eV到250eV之間調整)，最大電子電流＝200mA，電子電流動態范圍＝400(即，電子電流可在500uA到200mA之間調整)。通過一由一對電磁線圈產生的外部磁場B，該電子束在電子槍與電離箱內均受到約束。由于離子源中電子束路徑很長，通過磁場B對該電子束進行適當約束并校準。磁通密度在50G到200G之間，以保持離子提取孔260長度上離子產量(離子密度)的一致性，當其由于受到低能量電子束的空間電荷力作用穿過電離箱240時，限制電子束直徑的擴散。通過減小電離箱內原料氣的壓力(相對于現有技術中通常離子源壓力，范圍在約4×10-4到4×10-3托)，進一步提高沿提取孔的離子產生的一致性，因此更小部分的電子將從射束擴散出，例如，電離箱壓力為1×10-4托或更小。我們發現，由于等離子體不能保持在較低壓力下，因此現有技術中等離子體離子源不可在顯著的低壓下操作。該低壓操作模式在離子摻雜系統中可減少過程氣體的消耗，減少量大于一個數量級，大大降低了工具所有權價格(COO)。
圖18b說明了工具所有權價格(COO)的進一步顯著縮減，圖18b展示一具有雙提取槽光學裝置610的雙離子源系統600。一對大直徑電磁線圈620提供一包圍兩個離子源的均強磁場。通過將n型(如磷)材料放入離子源1，將p型(如硼)放入離子源2，圖18中的實施例可將n型以及p型摻雜物注入單個離子摻雜工具。通常，離子源1，2并非同時運作。若需要，兩個注入相同摻雜物的離子源可同時運作，產生兩個帶狀射束，使注入的劑量率加倍。圖18b說明產生了兩個帶狀離子束，射束630(如，包含硼)與射束640(如，包含磷)。
圖18b展示圖18a中雙離子源，該離子源通過帶狀射束660摻雜一矩形面板650。本示范例中，面板650安裝在一掃描平臺670上，沿方向680對面板650的長度方向進行機械掃描。該情況下，離子束660大于面板較短的一邊的長度。
圖19展示一用于摻雜平面平臺的同屬離子摻雜系統。面板690從真空盒770加載入處理箱710，旋轉90度，在離子束660’前垂直掃描。圖示表明，圖18a、18b中的雙離子源600’并入該系統。為提高透明度，不包括電磁線圈以及機械引線零件。
離子摻雜中選擇的p型原料氣為乙硼烷(B2H6)以及三氟化硼(BF3)。由于離子源與基片間無質量分析，因此離子源中產生的所有離子都注入基片。這使得使用三氟化硼(BF3)較為困難，因為例如，氟對氧化物有害，產生工序效應。同時，等離子體中氟的含量是硼的三倍，可注入大量的氟。在使用B2H6時，由于H注入具有較少工序效應(H注入可導致，例如，對基片的額外加熱)大部分廠商更愿意使用乙硼烷(B2H6)，主要有兩個缺點1)大范圍的裂化譜圖(產生許多不同離子，例如，大量H+與BHx+，以及B2Hx+，由于注入樣品的硼有效能量的多樣性，這導致注入范圍的廣闊末端。)2)射束電流不夠大，由于傳統“桶”離子源中，大部分產生的包含硼的離子沉淀在離子源的內壁上，因此導致產量較低。
使用圖17中的離子源并且用癸硼烷作為原料氣可解決問題1)和2)，因為可產生高電流的70％純癸硼烷射束(如圖19a中一硼的NIST可追蹤光譜所示)，本人的離子源表面積比桶離子源小幾個數量級，圖17中的離子源展示一高效的離子提取。與現有技術相比，使用圖17中的癸硼烷離子源可實現更高的產量，更低的COO，以及形成更少的顆粒(因為離子源中聚集的材料較少)。加速/減速技術高亮度離子束的產生在離子注入中十分重要，在與基片碰撞前，將離子束減速，因為減速后，離子束的角散度及其空間擴展都將提高。為在目標基片上產生減速后具有良好空間一致性的小角散度的射束，需要一初始低發射率的射束。由于射束發射率(在兩個正交方向產生射束直徑以及角散度)與能量成反比，上游射束的發射率必須小于基片上所需的發射率，差額至少等于減速率。通過增加一系列孔，射束發射率可保持低于一給定值，最終束通量非常低。因此，要求使用一高亮度的離子源，其中亮度定義為射束電流除以發射率(即，射束電流/單位面積/單位立體角)。亮度不受此系列孔的影響，因此亮度是一有用的性能系數。
特定注入生產，如產生漏極擴展，要求在基片上具有低角散度以及低能量的離子，除非使用一高亮度離子源，否則這兩個因素相互制約。最終結果是高亮度射束比低亮度射束產生更高的注入劑量率。這可直接導致高產量，將低設備成本。
使用包含單電荷但多個摻雜原子的電離簇，可產生更高亮度的射束，尤其是在我們用劑量率或“有效”射束電流代替射束電流時。由于n個原子的單電荷簇必須加速到n倍的能量，簇射束的發射率是等效單體射束的1/n。由于劑量率也是電子離子束的n倍，一給定簇射束電流亮度增加到n2，亮度定義為劑量率除以發射率。因此，使用可產生簇離子束的高亮度離子源，可將離子束減速，以更好地控制注入，此注入角散度低、空間一致性良好，并且產量高。
圖20基本類似于圖1，圖1引用自美國專利第00/33786號，此申請中具有詳細的描述，展示一傳統硼注入中的減速注入器的總示意圖。圖20描述了一傳統的、非減速注入器。例如，離子源548產生的從一一維孔(即一延伸孔)提取的離子，通過一電極553，傳送能量減速到明顯大于預期最終注入能量，并且注入分析器磁鐵543，此磁鐵根據離子質量-電荷比將射束橫向分散。一質量解析孔(槽)544只允許相關離子(具有一預定質量-電荷比的離子)通過下游進入一活動法拉第(Faraday)以測定離子束電流，或(當Faraday縮回時)進入減速電極。該減速電極557將離子束減速到預期注入能量，然后該離子束碰撞晶片基片555。圖1說明一分批型注入器，其具有一機械旋轉與掃描圓盤545，但通用的減速方法也可用于連續注入器。
現有技術中已知，在到達減速電極前，離子束中的部分離子與注入器束線中剩余氣體分子或離子束中其他離子發生電荷交換反應的可能性有限，大多數加速/減速注入器包含一射束過濾器(圖20中無圖示)或其他種類能量過濾器(如，E×B過濾器，靜電偏轉器，“狗腿”等)，以確保只具有預定能量的離子到達晶片。
通常，分批型減速注入器將使用一穩定離子束，通過旋轉與機械掃描圓盤545實現射束對晶片的掃描；然而，也有可能運用其他實施例。例如，本發明可用于一連續型注入器(每次處理一個晶片)，連續注入器可在一個方向實現快速掃描(通過靜電掃描陽極或定向磁場)，同時晶片支架在垂直方向完成緩慢機械掃描。可選方法為，通過雙電磁掃描對一穩定晶片進行掃描。據本人所知連續型減速注入器從未投入市場，本人發現該設計具有顯著優點，可適于單晶片處理，同時可實現晶片支架(目前使用分批注入器不可能實現)的高傾斜角(達60度)。優選的高斜角注入在許多處理中都很重要，例如，在制造阱構造或S/D擴展壓型時。此外，期待新型經片制造設備，以用于單晶片處理，減小分批處理引起昂貴的300mm過程晶片的風險。
連續注入要求射束剖面具有比分批注入更高程度的一致性，以在晶片上保持良好的注入一致性，與直徑200mm的基片相比，對于直徑300m的基片，此要求更難實現。本發明一個特點為通過連續、高電流束線注入系統將簇射束注入與加速/減速技術相結合，如上文所述，改善了的射束剖面滿足射束剖面一致性要求，此要求可提高連續注入器的有效產量。
圖21展示本發明使用的離子源的一較佳實施例，此離子源安裝在一傳統離子注入器的真空外殼上。該離子源在上述美國專利第00/33786號中詳細描述，包含在此專利申請的圖9B中。該離子源與目前所用的商業離子注入中的傳統離子源操作原理不同，離子不是通過弧放電或等離子體產生，而是通過直接電子碰撞電離一高能定向寬基礎電子束產生，該基礎電子穿過一電離腔516’。該離子源可用于電離分子化合物，并可提供高電流癸硼烷離子，以及圖表1a中的包含二聚物的化合物的高電流離子。該離子源結合一低溫蒸發器528，以從具有低熔點的固體材料，如氫氧化銦、三甲基銦以及癸硼烷，產生蒸汽，還結合氣體進口526，該進口允許電離氣態化合物，例如PH3，AsH3，GeH4，B2H6以及更多常見的注入氣體，如BF3，SbF3及PF3。圖21中的實施例展示一延伸電子槍，其結合一90度彎曲平臺或鏡面587，以減小離子源系統的占地面積，用以改型用于現有的離子注入器，并節省空間，同時將一電子光學裝置全部定額裝備并入電子槍，以實現電子能量的變化，滿足所選分子種類的電離要求。
圖23展示一離子源的另一不同實施例，其為電子槍，此電子槍在上述引用的專利申請中也有詳細描述。電子槍本身以一加速/減速原理運作，不使用旋轉平臺。圖23展示一安裝在類似于圖21的真空外殼內，該外殼改進適用于直流電子槍設計。圖23中的實施例還包含一組電磁線圈，將基礎電子約束在離子源的電離腔內。具有可控可變電子能量的高電子電流可通過電子槍注入電離腔；束流收集器536’(圖22)收集了大部分穿過電離腔的電子。
圖22中的實施例中，電離箱的長度以及相應提取孔的長度大大延伸，此延伸了的電離箱的長度具有很少消極效應，同時在離子源的操作上具有很大優點。該極度延伸與離子注入中常用的傳統伯納斯(Bernas)型弧放電離子源形成鮮明對比。在傳統伯納斯(Bernas)型弧放電離子源中，如果箱的長度(由此陰極與反射極之間的距離)顯著大于正常長度，同時操作伯納斯(Bernas)離子源所需的電弧電流大大提高(傳統的伯納斯(Bernas)離子源的陰極-反射極距離約為2英寸，電弧電流達5A)，電弧將變得很不穩定。通過大大延伸電離腔的長度以及離子提取槽孔的長度，根據本發明，與上述實施例相比，可提取更大的離子電流。當射束從提取孔射出時，使用專用光學裝置，用以減小射束剖面的長度。圖24描述了該方法。延伸的電離箱500具有一延伸離子提取孔510，從此孔提取離子，并通過提取透鏡520對離子進行加速。目前，本人設想提取孔510的長度約為6英寸，是傳統高電流離子注入器弧放電箱提取間隙長度的三倍。提取透鏡520具有望遠鏡的專用性能；透鏡520為兩級加速透鏡，其中第一透鏡的第二焦點以及第二透鏡的第一焦點大致重合，實現套管式聚焦。通過調節透鏡520產生3∶1的縮小，離子束的高度充分縮小，同時維持一校準良好的射束軌跡530，離子束按照此軌跡注入器的分析器磁鐵540。迄今，此離子光學方法人不能成功，因為如果高電流注入器的離子提取孔很長，以提高所提取的單體射束的射束電流，空間電荷力將阻礙透鏡520的正常運行，并且射束軌跡530將不能進行良好聚焦；即，射束將擴散。實際上，與傳統的、2英寸提取孔相比，最終結果是將更少的有效射束電流提取并注入分析器磁鐵。這是因為在傳統的高電流注入器的傳統伯納斯(Bernas)弧放電離子源中，提取時的射束的傳送的空間電荷受到完全限制，因為高達50mA的離子電流(在BF3等離子體中，約30％或高達15mA的是硼離子，B+)通過2英寸孔很容易產生。相反，本發明中的離子源，通過一2英寸孔可產生1mA或更大的離子電流，其中約70％為癸硼烷，因此即使通過一6英寸孔，也能產生約3mA到5mA的離子電流。由于可以用一比使用硼的減速注入器(減速率非任意，而是選自預期能量污染范圍與傳送界限內，以獲得預期射束電流水平)高得多的能量提取該低離子電流，相同于圖24的描述，射束的傳送不受空間電荷限制。因此，通過延長本發明中離子源(如圖24所示)的提取孔，可將射束電流增至三倍，同時保持良好的射束發射率參數。電子槍現在將概述電子槍的構造。觀測發現很難在真空環境下使用所揭示的熱陰極電子槍，因為來自熱陰極的輻射負載以及陰極頭與周圍環境間的熱傳遞，特別與單個透鏡元件的電子轟擊，共同導致熱消散成為透鏡設計中的一個重大問題，此透鏡設計將透鏡與通過一冷蓄水池達到熱平衡的物體分離。這一發現十分重要。創造電絕緣、熱傳導的機械路徑來把熱量從單個透鏡元件中傳導出，其中最重要的將是陰極裝置，因為電子槍主要通過陰極裝置來消散熱量。同樣這也十分困難，因為到達一冷卻的儲熱器的電絕緣、熱傳導路徑的機械構造在實際中很難實現，并且失敗的可能性較大。該問題的一個可能的解決方案為允許透鏡元件浮動到與其周圍環境處于熱平衡的任何溫度，但是，該方法也存在問題。即使使用可輕松維持1000℃或更高操作溫度的耐火材料建造透鏡元件，但是與過程氣體的相互作用使得這一方案不盡如人意。特別是在這樣的環境下使用癸硼烷可導致其與透鏡元件接觸而使癸硼烷裂解并在透鏡元件上形成硼微粒沉積，這總的來說對注入工序是有害的，通過覆蓋絕緣體，電路發生短路，大大縮短陰極與離子源的使用壽命。根據本發明，通過熱輻射及一與透鏡元件周圍4π球面角度的冷空間之間的真空，尤其是將透鏡相互或相對離子源本身準確定位的導熱支架，可實現一精確的溫度控制裝置。
參照圖25，一透鏡元件300由夾固支架310支持。支架310由一延伸的矩形橫截面鋁棒組成，此鋁棒具有可通過一夾固裝置夾持透鏡300的大輻射表面。在上述實施例中，通過插入一擴張工具(無圖示)將夾具擴張，從而將透鏡300插入孔中，或者，夾具310與透鏡300可通極限冷卻將透鏡300縮小到一個比該孔更小的尺寸，將夾具310與透鏡300結合在一起，該冷卻可通過，例如，浸入一液氮定浴槽，并將冷卻的縮小直徑的透鏡300插入夾具310，接著將透鏡300上升到室溫，因此通過低溫將部件焊接在一起。這些安裝及支持透鏡元件(如透鏡元件300)的設備通過該配對的、相互接觸的表面進行熱傳遞，并且能夠從夾具支架310的大表面積進行輻射熱消散。為增強鋁支架310的輻射性能，可以將這些裝置陽極氧化或者在這些裝置上覆蓋一層碳的膠狀懸浮體，如膠體石墨。透鏡支架310與透鏡元件300裝配的另一優點在于此支架與透鏡元件可以為不同的材料。例如，透鏡300可由化學性質上穩定的不銹鋼構成，或者由高溫下結構特性非常好的鉬構成。
參照圖26及27，此電子槍由四個不連續且分離的透鏡元件組成陰極部件320，接著依次為第一陽極330，聚焦電極340，以及出口透鏡350，排列中的各透鏡處于不同的電勢，這些透鏡各由一支架支持，這些支架的結構大體上與上述支架310的結構相同。透鏡元件350與一外殼360的基座之間具有一個間隙，此外殼完全包圍四個分隔開的透鏡支架組合。鋁外殼360可維持比透鏡320-350低得多的溫度，并允許多個透鏡支架370之間的輻射耦合。通過將外殼360的基座360a與前述一水冷式或控溫式源塊緊密耦合，保持良好熱接觸，從而實現外殼的這一特性。
由于接觸表面積較大并且熱耦合較好(后者由基座360a與控溫式源塊之間的熱傳導彈力密封實現)，可將外殼360維持在與源塊相差不大的溫度。因此，多個透鏡支架370與外殼360之間可維持一溫差，能夠從透鏡支架的寬廣輻射表面進行良好的輻射傳遞。另外，使用輻射冷卻使得電子槍具有一個穩定的操作溫度，此操作溫度可能獨立于電子槍元件中消散的能量。這一穩定性歸功于輻射冷卻的非線性效應，此效應處于低溫時比處于高溫時效率低很多。因此，這一裝置在一定程度上可自我調節，并允許電子槍元件一致的操作溫度。
這些多個透鏡支架370剖面的構造主要為矩形，使得較大表面積既暴露于其它鄰近透鏡元件支架的表面，又暴露于外殼360的表面。這一布置可實現兩個功能。第一個功能為通過緊密接近由外殼360代表的儲熱器將期待產生最高功率消散的區域(即包含陰極部件320的最上的透鏡元件與最下的透鏡，出口透鏡350)直接冷卻，同時消散在透鏡元件330與340中的一些電源(見圖26)散布在透鏡元件之間，實現一個更一致的操作溫度。但是，大量輻射耗損面積暴露于容納所有的透鏡元件的冷卻外殼360，因為支架的四側都輻射暴露于此外殼的對面。如果一支架的兩個或更少的側面暴露于鄰近元件，則兩個或更多的側面對暴露于冷卻外殼360。
現在參照圖25，支架310的標準尺寸為長l為170毫米，寬w為26毫米，以及高h為12毫米。透鏡元件300通常具有一12.5毫米的內徑，以及一16毫米的外徑。
現在參照圖26，展示了整個電子槍部件的尺寸，其中長L為6英寸，高H為3英寸，以及寬W為1.5英寸。饋通380通過390指示的金屬彈簧與單個透鏡元件接觸，一陶瓷支架板395使得這些金屬彈簧相互電絕緣，此支架板使得夾具具有機械穩定性，因此當夾具與若干透鏡支架370接合時，它們實現與單個元件的電接觸并且提供標定指數與記錄以調整透鏡元件的位置。鋁棒400固定這些透鏡元件并確保其同軸，此鋁棒400穿過單獨擴孔到各透鏡支架370的多個阿留馬鋁錳合金撐桿410。如此實現了電力分離，控制了透鏡元件之間距離并確保了三個尺寸間的調整。
透鏡元件320，330，340，350以及任何隨后的透鏡必須維持在達到一高度公差的同軸關系以確保電子束的恰當聚焦與減小色差。設置在透鏡元件之間的場對這一調整非常敏感，特別是在由透鏡系統的圓柱對稱性定義的極角度坐標中(z軸為機械軸，即方向為電子束的傳播方向)，以及橫截該軸的兩維空間坐標中。但是，必須說明的是，電子束的正確方向與聚焦所需調整度在機械操作的正常限度以內，且最重要的是，保持在通過阿留馬鋁錳合金棒400以及單個撐桿410實現的調整技術，以及透鏡元件320饋通350以及多個支架370的精確機械加工范圍內。這些透鏡元件在正確調整基礎上的構造確保射束將按正確方向穿過電離室中的預期空間，并且確保對射束進行很好地約束，且沿與離子提取孔的長度尺寸平行的方向傳播。因此，如上所述，將一小體積電離區域精確定位在與離子提取孔相鄰的位置以獲得高亮度與低發射率。此外，透鏡元件的恰當的溫度控制對總體離子源作業很重要，這一控制可阻止過程氣體或過程蒸汽的凝聚或分解，此過程氣體或過程蒸汽通常占據電離室并因此滲透入電子槍區域。如果在透鏡元件中發生過量凝聚或分解，將會縮短離子源的整體壽命，且會對預防性維修的時間間隔產生不良影響。為了確保從離子提取孔徑中提取的離子具有恰當離子束特性，電離區域相對于離子提取孔的一致定位顯得尤為重要。電子束的未對準與散焦將導致在接近度與電子束大小的非期望的變化，由此導致沿著離子提取孔的長軸的電離區域的非期望的變化。但是，恰當的電子束調整與恰當的電子束聚焦(其兩者通過支架的已說明的定位與耦合特點以及溫度穩定性來實現)確保電離室產生的離子束明亮，離子的橫向運動能量受到限制，且產生的離子大部分位于孔徑的前面并具有一貫穿提取孔長軸的統一密度。從離子源提取的離子束的亮度與總電流成正比，并與從離子提取孔出來時離子的發射率成反比。當總電流不變而電離體積減少時，亮度提高。因此根據上述設計，通過實現良好控制在一小電離體積中的一密集電子束，我們獲得一離子源，該離子源的亮度比通過由一散焦或未對準的電子束產生的擴散電離區域所獲得的離子源的亮度大得多。
此透鏡及透鏡支架設計賦予離子束亮度特性，其中離子源的亮度被最大化。當在一加速-減速型的離子注入器中使用時，這些亮度特性就非常重要。在此離子注入器中，晶片上的注入性能與離子束的亮度成正比。即，注入器形成的設備特性及注入器生產率與離子束的亮度級直接相關。因此這一設計實現加速-減速型注入器的高亮度射束，并由此改善了加速-減速設計的性能。
在使用癸硼烷或相似原子團進一步提高射束亮度的情況下(此射束是在任何類型注入器中傳遞的射束，且特別是關于加速-減速注入離子的射束)，包括電子槍元件(這些元件與在這種情況下產生的癸硼烷蒸汽接觸)在內的離子源的所有部分的優良溫度控制對離子源的成功很關鍵。尤其，這一溫度控制將產生高離子電流能，同時使得最終離子源具有更長的壽命，并且使得最終注入具有更高的有效產量。當癸硼烷遇到超過350℃的壁溫時，它將分裂成硼成分。分解的硼微粒可以沉積在陰極與透鏡元件上。當有明顯的硼被沉積在陰極上時，它可以使陰極的性能退化，且大大減少離子產量，并因此減小了陰極的壽命。硼成分還可以導致透鏡元件負荷且使其在控制電子束時的有效性變低，并因此降低了離子源產生的離子束的亮度。因此，由上述設計實現的良好的溫度控制對癸硼烷的成功實施，特別是加速-減速應用中的癸硼烷的成功實施很關鍵。
權利要求
1.一種離子注入方法，其通過電離一氣體或蒸汽分子，產生一沿一軸延伸的高亮度離子束，該氣體或蒸汽分子包含一注入種類，該方法包含提供一具有一受限制出口孔的電離箱，在該電離箱內提供該氣體或蒸汽，其壓力遠遠大于位于電離箱外部的提取區域的壓力，離子將被提取入該區域，通過基礎電子直接碰撞電離，將電離箱出口孔孔臨近區域的氣體或蒸汽電離，從氣體或蒸汽分子產生的離子在出口孔處的密度為至少約1010cm-3，同時保持限制離子的橫向動能小于約0.7eV的條件。將臨近出口孔的電離空間的寬度限制在小于約三倍相應出口孔的寬度，在出口孔處形成該離子密度；并且保持電離箱內的條件以避免形成弧放電，通過提取系統，使在該電離箱內形成的離子通過該出口孔進入該出口孔下游的提取區域，此后，通過離子束光學裝置，將該射束傳送到一目標表面，以及將所傳送的離子束中的離子注入該目標。
2.如權利要求1所述的方法，其中保持電離箱內的條件以防止產生等離子體。
3.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中離子束在提取時的亮度大于約1mA-cm-2-deg-2×(E0/E)，其中E為射束能量，E0＝10keV。
4.如上述權利要求中任一所述的方法，其中離子束在提取時的x-發射度小于約70mm-mrad×(E0/E)1/2(其中E為為射束能量，E0＝10keV)，離子電流密度為至少1mA/cm2，即使離子質量為120amu。
5.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中將通過出口孔提取的離子束的射束噪聲保持在小于1％。
6.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中電離箱內任一磁場的場強低于70高斯。
7.如權利要求6所述的方法，其中電離箱內任一磁場的場強低于20高斯。
8.如權利要求7所述的方法，其中電離箱內基本上不存在磁場。
9.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中提取區域內任一磁場具有一低于20高斯的場強。
10.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中保持該氣體或蒸汽的消耗量低于10sccm。
11.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中通過在電離箱外部產生的定向射束中的電子束光學裝置將該基礎電子引入電離箱。
12.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中即將電離的每個分子分別包含或由注入種類的至少兩個原子組成。
13.一種離子注入方法，其包括通過提供一具有一出口孔的電離箱，產生一沿一軸延伸的高亮度離子束，在電離箱中提供一氣體或蒸汽的分子，其中即將電離的每個分子分別包含或由注入種類的至少兩個原子組成。在將該分子電離并提取從該分子形成的離子的條件下，在提取后以產生亮度大于約1mA-cm-2-deg-2×(E0/E)，其中E為為射束能量，E0＝10keV，且x-發射率小于約70mm-mrad×(E0/E)1/2(其中E為為射束能量，E0＝10keV)，離子束電流至少為1mA/cm2，即使離子質量為120aum，此后通過離子束光學裝置，將射束傳播到目標表面，以及將所傳送的離子束中的離子注入目標。
14.如權利要求12項或13所述的方法，其中分子為二聚物。
15.如權利要求12項或13所述的方法，其中分子包含癸硼烷。
16.如上述權利要求中任一項所述的方法，其執行使得高亮度離子束在與目標接觸時具有一相對于所述軸小于約1度的低角散度。
17.如權利要求16所述的方法，其中運用將所傳送的離子束中的離子注入目標的這一步驟導致該高亮度、低散度射束在目標上形成一晶體管結構的漏極擴展區域，其中該晶體管構造包含一源、一門以及一漏極。
18.如權利要求17所述的方法，其中該目標還包含一阱參雜劑，且該晶體管結構中的該門具有一0.20um或更小的門長度，該漏極擴展與該門在橫向結邊緣相交，該漏極擴展具有一3nm/10nm或更小的橫向陡度，其中橫向陡度定義為實現注入種類體濃度在橫向結邊緣10變化所需的橫向擴展，該結邊緣定義為所注入的離子與阱參雜劑的體濃度相等的區域。
19.如權利要求18所述的方法，其中該漏極擴展具有一2nm/10nm或更小的橫向陡度。
20.如權利要求17項到19項中任一項所述的方法，其中將該高亮度、低角散度射束中的離子在門的對端注入，在該門的下方清晰地限定一溝道。
21.如權利要求20所述的方法，其中在該門的下方清晰地限定該溝道包括清晰地限定該溝道的長度。
22.一種用于以預期的低注入能量注入目標基片的離子注入系統，其包含一用于產生分子離子(基于一具有即將注入的預期種類的一串原子的分子)離子源，一實現將離子加速到遠遠大于預期注入能量的傳送能量的加速平臺，以及一位于目標基片前的將離子能量減速到預期注入能量的減速平臺。
23.如權利要求22所述的離子注入系統，其中該離子源包含一用于生成電子束的電子槍，所生成的電子以受控能量適用于通過直接電子碰撞電離將分子電離。
24.如權利要求23所述的離子注入系統，其中該電子的該能量在約20eV到500eV之間。
25.如權利要求22項、23項或24所述的離子注入系統，其中將該電子槍安裝到一電離箱上，使得電子穿過該電離箱進入一束流收集器。
26.如權利要求22項到25項中任一項所述的離子注入系統，其中一長度延伸的電離箱具有一相應延伸的槽形提取孔，且連接在該孔后的電子束光學裝置構建為用于在射束進入分析器前，相對于相應提取孔的長度減小最終射束的剖面長度。
27.如權利要求26所述的離子注入系統，其中該電子束光學裝置包含一望遠鏡。
28.如權利要求26項或27所述的離子注入系統，其中該電離箱的提取孔長度大約為6英寸。
29.如權利要求22項到28項中任一項所述的離子注入系統，其構建以用于用于分批操作，一組安裝在載體上的晶片相對于射束運動，以實現掃描。
30.如權利要求22項到28項中任一項所述的離子注入系統，其構建用于一連續離子注入器。
31.如權利要求22項到30項中任一項所述的離子注入系統，其中該離子源具有一與該離子源電離箱成一體的蒸發器，以及用于控制該蒸發器的溫度控制系統。
32.如權利要求31所述的離子注入系統，其中電離箱電子槍以及電子束引導至的束流收集器分別與電離箱熱絕緣。
33.如權利要求22項到32項中任一項所述的離子注入系統，其中該離子源為癸硼烷源，并且構建特定的電子用于產生一電子能量在約50到1000eV之間的電子束。
34.如權利要求22項到33項中任一項所述的離子注入系統，其中離子源為As2+離子源。
35.如權利要求22項到33項中任一項所述的離子注入系統，其中離子源為P2+離子源。
36.如權利要求22項到33項中任一項所述的離子注入系統，其中離子源為B2+離子源。
37.如權利要求22項到33項中任一項所述的離子注入系統，其中離子源為In2+離子源。
38.如權利要求22項到33項中任一項所述的離子注入系統，其中離子源為Sb2+離子源。
39.一種通過使用上述權利要求中任一項離子注入系統實施離子注入的方法。
40.一種將一預期注入能量的離子注入目標基片的離子注入方法，其包含產生分子離子(基于一具有即將注入的預期種類的一串原子的分子)，將離子加速到遠遠大于預期注入能量的能量并以該能量傳送，在注入基片前，將離子減速到注入能量。
41.如權利要求40所述的方法，其中離子為癸硼烷離子。
42.如權利要求40所述的方法，其中離子為P2+離子。
43.如權利要求40所述的方法，其中離子為B2+離子。
44.如權利要求40所述的方法，其中離子為In2+離子。
45.如權利要求40所述的方法，其中離子為Sb2+離子。
46.一種離子注入系統，其包含一具有一離子提取系統的離子注入器；一可向該離子提取系統提供商業離子電流水平的離子的離子源，該離子源包括一電離箱，該電離箱由封閉一電離腔的壁限定，該壁之一限定一提取孔的長度及寬度，該長度和寬度的尺寸設定和布置實現通過所述提取系統從所述電離腔體提取離子流；一電子槍，其相對于電離箱的構造、尺寸以及布置用于沿一貫穿該電離箱的軸發射一基礎電子的定向射束；一與電子槍成一線的束流收集器，用于接收該定向射束，該束流收集器保持在一相對于電子槍發射極電壓基本上為正電壓的基本電壓，所述基本電子射束路徑的軸沿大體上靠近孔的方向延伸，該電子束在相對于提取孔寬度方向具有一與提取孔寬度相等或更大的尺寸。
47.如權利要求46所述的離子注入系統，其還包含一用于將蒸汽引入電離腔的蒸發器，一用于將氣體從氣源引入電離腔的氣體通道，以及一用于控制基礎電子的能量的控制系統，其主要通過與電子槍發射的基礎電子碰撞將單個蒸汽或氣體分子電離。
48.如權利要求47所述的離子注入系統，其中該蒸汽包含癸硼烷。
49.如權利要求46所述的離子注入系統，其中定向射束為帶狀離子束。
50.如權利要求49所述的離子注入系統，其中該帶狀射束的范圍小于離子提取孔的長度。
51.如權利要求49所述的離子注入系統，其中該帶狀射束長于離子提取孔。
52.如權利要求49所述的離子注入系統，其中該帶狀射束的長度大約與離子提取孔的長度大致相等。
53.如權利要求51所述的離子注入系統，其中所述提取孔的長度至少與目標基片的長度或寬度相等。
54.一種輻照一具有預期尺寸的擴展面板的方法，該方法包含通過權利要求46到53中任一項所述的離子注入系統產生一帶狀離子束，以及將該帶狀離子束引入該擴展面板的一表面。
55.如權利要求54所述的方法，其中該擴展面板為一平面平臺，該方法包括基本上跨過整個面板表面輻照該平面平臺。
56.如權利要求55所述的方法，其中產生的帶狀離子束是穩定的，將該平面平臺跨過射束進行機械掃描，實現平臺的離子摻雜。
57.如權利要求56所述的方法，其中該帶狀離子束長度大于平面平臺基片垂直于掃描方向上的的尺寸。
全文摘要
具有高亮度的離子注入，通過在電離箱(80；175)的出口孔(46；176)附近直接電子撞擊電離例如，二聚物或癸硼烷的氣體或蒸氣得到離子束。較佳地，應保持能夠產生一相當大的離子密度并將離子橫向動能限制在0.7eV(電子伏特)以內的條件；出口孔附近的電離體積的寬度限制在約三倍出口孔的寬度以內；出口孔十分細長；避免或限制磁場；保持低離子束噪音；保持電離箱內的條件以阻止弧放電的形成。通過離子束光學裝置，例如圖(20)中的分批注入器，或連續注入器，將從離子源產生的離子傳送到目標表面并注入；在有些情況下，結合加速－減速束線使用離子簇更加有利。本發明還揭示了電子槍構造、帶狀電子源以及電離箱構造。本發明展示了半導體設備，如CMOS(互補金屬氧化半導體)設備的漏極擴展以及平面平臺摻雜的形成特點。
文檔編號H01J27/20GK1477984SQ01819851
公開日2004年2月25日 申請日期2001年6月12日 優先權日2000年11月30日
發明者T·N·霍爾斯基, B·C·科恩, W·A·克魯爾, G·P·小薩科, T N 霍爾斯基, 克魯爾, 小薩科, 科恩 申請人:賽米奎珀公司