CN1973346B - 一种离子植入装置和一种通过植入氢化硼簇离子制造半导体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种离子植入装置和一种制造一半导体装置的方法，其中植入电离氢化硼分子簇以形成P型晶体管结构。举例而言，在制造互补型金属氧化物半导体(CMOS)装置中，植入该等簇以为源极和漏极结构与多栅极提供P型掺杂，此等掺杂步骤对于形成PMOS晶体管而言是至关重要的。该等分子簇离子具有化学形式BnHx +和BnHx -，其中10≤n≤100且0≤x≤n+4。

Description

一种离子植入装置和一种通过植入氢化硼簇离子制造半导体的方法
相关申请案的交叉参考
此申请案是2003年4月18日提交的题为“An Ion Implantation Deviceand a Method of Semiconductor Manufactur ing by the Implantation ofBoron Hydride Cluster Ions”的美国临时专利申请案第60/463，965号与2002年6月26日提交的题为“Electron Impac tion Source”的美国专利申请案第10/183，768号的部分接续申请案。
技术领域
本发明涉及一种制造半导体的方法，其中P型掺杂是通过植入由电离氢化硼分子形成的离子射束来完成，所述离子为BnH+和BnHx-形式，其中10≤n≤100且0≤x≤n+4。
背景技术
离子植入过程
半导体装置的制造部分地涉及将杂质引入半导体基板中以形成掺杂区域。选择杂质元素以与半导体材料适当地结合，以制成电载体，由此改变半导体材料的电导率。电载体可为电子(由N型掺杂物生成)或电子洞(由P型掺杂物生成)。如此引入的掺杂物杂质的浓度决定了所得区域的电导率。必须制造许多该等N型和P型杂质区域以形成晶体管结构、隔离结构和其它该等电子结构，其共同充当半导体装置。
将掺杂物引入半导体基板的常规方法是通过离子植入。在离子植入中，将含有所要元素的进料物质引入离子源中并引入能量以电离该进料物质，创造含有掺杂物元素(例如，元素75A s、31P和121Sb在硅中为供体或N型掺杂物，而11B和115In为受体或P型掺杂物)的离子。提供加速电场以提取和加速通常带正电的离子，因此创造离子射束(在某些情况下，可使用带负电离子来代替)。接着，如此项技术中已知，使用质谱分析来选择待植入的种类，并随后使经质谱分析的离子射束穿过离子光学器，离子光学器在将该离子射束导入半导体基板或工件之前改变其最终速度或改变其空间分布。经加速的离子拥有明确定义的动能，该动能使该等离子体能在各能量值下渗透靶到明确定义的、预确定深度。离子的能量和质量两者确定其渗透入该靶的深度，其中较高能量和/或较低质量的离子因其较大速度而渗透入该靶较深。构造该离子植入系统以仔细地控制植入过程中的关键变量，如离子能量、离子质量、离子射束电流(每单位时间的电荷)和靶处的离子剂量(每单位面积渗透入靶中的离子总数)。此外，也必须控制射束角偏差(离子击打基板角度的变化)和射束空间均匀性和程度以保持半导体装置产量。
制造半导体的关键过程是在半导体基板内创造P-N接合。此需要形成P型和N型掺杂的相邻区域。形成此一接合的重要实例是将P型掺杂物植入已含有N型掺杂物均匀分布的半导体区域。在此情况下，一个重要的参数是接合深度，其被定义为距离P型和N型掺杂物具有相等浓度的半导体表面的深度。此接合深度为植入掺杂物质量、能量和剂量的函数。
现代半导体技术的一个重要方面是对更小和更快装置的连续演变。此过程称为定标(scaling)。定标是由平版处理方法的不断进步而驱动的，其允许界定含有集成电路的半导体基板中的越来越小的特性。已发展大致已接受的定标理论来引导晶片制造商同时(意即，在各个技术或定标节点)适当调整所有半导体装置设计方面的大小。离子植入过程定标的最大影响是接合深度的定标，随着装置尺寸的减小其愈加需要浅接合。随着集成电路技术规模的扩大，对于增大浅接合的此一需求应理解为下列要求：各定标步骤必须减小离子植入能量。现代小于0.13微米的装置所要的极浅接合称为“超浅接合”或US J。
对低能射束传递的物理限制
由于CMOS过程中接合深度的侵略性扩大，许多关键植入器所需的离子能量减小到最初研制用于生成高很多的能量射束的常规离子植入系统的点，其将经大量减小的离子电流递送到晶圆，减小晶圆生产量。常规离子植入系统在低射束能量下的限制在从离子源提取离子和其随后穿过植入器射束线的传送中是最明显的。由Child-Langmuir关系(其代表经提取的射束电流密度与提取电压(意即，提取时的射束能量)成比例)支配的离子提取升高到3/2功率。图2是最大提取硼射束电流与提取电压的图表。为了简洁起见，已经假设仅11B+存在于提取射束中。图2显示随着能量的减小，提取电流快速下降。在一常规的离子植入器中，此“提取限制”操作体系在小于约10keV的能量下看到。类似的约束影响低能量射束在提取后的传送。较低能量的离子射束以较小的速度传播，因此，对于一给定的射束电流值而言，离子靠近在一起，意即，离子密度增大。此可从关系式J＝ηev看到，其中J是单位为mA/cm2的离子射束电流密度，η是单位为离子数/cm-3的离子密度，e是电荷(＝6.02×10-19库仑)，且v是单位为cm/s的平均离子速度。此外，因为离子之间的静电力与其间距离的平方成反比例关系，所以低能量下的静电排斥要强得多，导致离子射束分散增大。此现象成为“射束爆炸”，且其是低能量传送中射束损耗的主要原因。虽然植入器射束线中存在的低能量电子倾向于被带负电的离子射束捕获，补偿了传送期间空间电荷爆炸，但爆炸仍然会发生，且其在静电聚焦透镜存在下最显著，其倾向于从射束剥除宽松束缚且具高移动性的补偿电子。特定言之，存在严重的轻离子提取和传送困难，诸如质量仅为11amu的P型掺杂物硼。由于轻的硼原子比其它原子更深渗透到基板中，因此硼的所需植入能量比其它植入种类的要低。事实上，小于1keV的极低的植入能量是某些前期USJ方法所需的。事实上，从通常的BF3源极等离子体提取和传送大多数离子并非为所要的离子11B+，而是诸如19F+和49BF2+的离子片段；此等用于增大提取离子射束的电荷密度和平均质量，其进一步增大空间电荷爆炸。对于一给定的射束能量而言，已经增大的质量导致较大的射束导流系数；因为较重的离子移动较慢，所以给定射束电流的离子密度η增大，其根据以上讨论增大空间电荷影响。
分子离子植入
克服由上述Child-Langmuir关系所强加的限制的一个方法是通过将含有相关掺杂物的分子而非单一掺杂物原子电离来增大掺杂物离子的传送能量。以此方式，虽然分子的动能在传送期间较高，但在进入基板后，分子分裂为其组成原子，根据其在物质中的分布在个别原子之间分享分子能量，以使得掺杂物原子的植入能量比分子离子的原始传送动能低得多。考虑掺杂物原子“X”束缚到基团“Y”上(忽视讨论“Y”是否影响装置形成过程问题的目的)。若离子XY+代替X-植入，则必须在较高能量(以等于XY的质量除以X的质量所得的因数而增大)下提取和传送XY+；此确保了X的速度在任一情况下均相同。因为上述Child-Langmuir关系所述的空间电荷影响关于离子能量为超线性，所以最大的可传送离子电流增大。在过去，使用多原子分子来改善低能量植入的问题在此项技术中是熟知的。一个普通的实例是使用BF2+分子离子代替B+来植入低能量硼。此方法将BF3进料气体分离为用于植入的BF2+离子。以此方式，离子质量增加到49AMU，其允许提取和传送能量比使用单一硼原子增大超过4倍(意即，49/11)。然而，一旦植入，硼能量减小了同样的倍数(49/11)。值得注意的是此方法不会减小射束中的电流密度，因为在射束中每单位电荷仅存在一个硼原子。此外，此方法也将氟原子与硼一起植入半导体基板中，此是此项技术的一个不良特征，因为已知氟对半导体装置展现出不利影响。
簇植入
原则上，比上述XY+模型增大剂量速率更有效的方法是植入掺杂物原子簇，意即，形式XnYm +的分子离子，其中n和m为整数且n大于1。最近，存在将十硼烷用作离子植入的进料物质的研究工作。被植入的离子是含有10个硼原子的十硼烷分子(B10H14)的正离子，且其因此为硼原子的“簇”。此技术不仅增大了离子的质量且因此增大了传送离子能量，而且对于一给定的离子电流而言，其实质性地增大了植入剂量速率，因为十硼烷离子B10Hx +具有十个硼原子。重要的是，通过显著地减小离子射束中携带的电流(在十硼烷离子情况下为10倍)不仅减小了射束空间电荷效应，增大了射束传输，而且也降低了晶圆充电效果。因为已知正离子轰击用于通过对晶圆充电尤其是破坏灵敏性栅极隔离来减小装置产量，所以通过使用簇离子射束减小电流对于必须容纳更薄的栅极氧化物和极低的栅极阈电压的USJ装置制造而言是非常有吸引力的。因此，关键是需要解决面对现今半导体制造工业的两个特殊问题：晶圆充电和低能量离子植入的低生产量。如我们在此文献的稍后部分显示，本发明提出通过使用具有n>10的显著较大的氢化硼簇来进一步增大簇植入的益处。特定言之，我们已植入B18Hx +离子，并进一步提出使用固体进料物质十八硼烷或B18H22来植入B36Hx +离子。我们将提供显示此项技术是先前在硼簇植入中所作的努力的一个显著进步的首要结果。
离子植入系统
在过去，离子植入器已被分割成三个基本类别：高电流型、中电流型和高能量型植入器。簇射束适用于高电流和中电流植入处理。特定言之，现今的高电流植入器主要用于形成晶体管的低能量、高剂量区域，诸如漏极结构和多晶硅栅极的掺杂。其通常为批量植入器，意即，处理安装在旋转盘上的多个晶圆，离子射束保持固定。高电流传送系统倾向于比中电流传送系统简单，且结合了离子射束的大接受性。在低能量和高电流下，现有技术植入器在倾向于大的基板下产生具有大角度偏差(例如，高达7度的半角)的射束。相反，中电流植入器通常并入串行的(每次一个晶圆)处理室，其提供高倾斜能力(例如，与基板法线呈高达60度)。离子射束通常在一维方向(例如，横向)上高达2千赫兹的高频率下电磁性地或电动地扫描过晶圆，且在小于1赫兹的低频率下以正交方向机械地扫描以获得覆盖区并在基板上提供剂量均匀性。中电流植入器的处理必要条件比高电流植入器的处理必要条件更复杂。为了满足通常的商用植入器剂量均匀性和仅百分之几变化的可重复性必要条件，离子射束必须拥有优良的角度和空间均匀性(例如，射束在晶圆上的角度均匀性≤1度)。由于这些要求，设计中电流射束线在减小接受性的代价下给出优良的射束控制。意即，离子穿过植入器的传输效率受到离子射束的发射度的限制。目前，在低(<10keV)能量下产生较高的电流(约1mA)离子射束在串行植入器中尚是问题，使得晶圆生产量对于某些更低能量的植入器(例如，前沿CMOS方法中的源极和漏极结构的创造)而言不可接受地低。类似的传送问题也存在于每个离子<5KeV的低射束能量下的批量植入器(处理安装在旋转盘上的多个晶圆)中。
虽然可设计几乎无像差的射束传送光学器，但离子射束特征(空间程度、空间均匀性、角偏差和角均匀性仍然大部分由离子源自身的发射度特性(意即，在确定植入器光学器可聚焦和控制离子源发射的射束的程度的离子提取下的射束特性)来决定。使用簇射束代替单体射束可通过升高射束传送能量和减小射束携带的电流来显著地增强离子射束的发射度。然而，离子植入的现有技术离子源在产生或保存所需N型和P型掺杂物的电离簇上并不有效。因此，需要簇离子和簇离子源技术以在靶上提供更好聚焦、瞄得更准且控制得更紧密的离子射束，且此外提供更高的有效剂量速率和更高的半导体制造生产量。
用于掺杂半导体的射束线离子植入的替代方法为所谓的“等离子体浸没”。此技术在半导体工业中具有若干其它名称，诸如PLAD  (等离子体掺杂)、PPLAD(脉冲等离子体掺杂)和PI3(等离子体浸没离子植入)。使用此等技术的掺杂要求在已被抽空并接着经含有诸如三氟化硼、乙硼烷、胂或膦的选择物的掺杂物的气体回填的大真空容器中击打等离子体。根据定义等离子体中具有正离子、负离子和电子。接着靶被负偏压，由此引起等离子体中的正离子朝向该靶加速。离子的能量由等式U＝QV来描述，其中U为离子的动能、Q为离子上的电荷且V为晶圆上的偏压。通过此技术，不存在质量分析。等离子体中的所有正离子被加速且被植入晶圆中。因此，必须生成极清洁的等离子体。通过此掺杂技术，形成乙硼烷、膦或胂气体的等离子体，然后在晶圆上应用负偏压。偏压可为时间恒定型、时间变化型或脉冲型。通过知道容器中的蒸汽压力、温度、偏压的数量和偏压电压的工作循环和靶上的离子到达速率之间的关系可参数地控制剂量。也可以直接地测量靶上的电流。虽然等离子体掺杂被认为是研制中的新技术，但它是很有吸引力，因为其具有减小执行低能量的平均晶圆成本、高剂量植入(尤其是对于大号晶圆(例如，300mm)而言)的潜能。一般来说，该系统的晶圆生产量受晶圆处理时间限制，该处理包括评估处理室和一晶圆或晶圆批量每次载入处理室时净化与重新引入处理气体。此必要条件已将等离子体掺杂系统的生产量减小到约100晶圆/每小时(WPH)，刚好低于可处理超过200WPH的射束线离子植入系统的最大机械处理能力。
负离子植入
最近已认识到(例如，参看Junzo Ishikawa等人的“Negative-IonImplantation Technique”，Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch B 96(1995)7-12)植入负离子提供优于植入正离子的优势。负离子植入的一个非常重要的优势是在CMOS制造中减小VLS I装置的由离子植入诱导的表面带电。一般来说，正离子高电流(大约1mA或更大)的植入在栅极氧化物和可容易地超过栅极氧化破坏阈的半导体装置的其它组份上创造正电势。当正离子冲击半导体装置的表面时，其不仅沉积净正电荷，其同时也释放二级电子，增加带电影响。因此，离子植入系统毂的设备买主研制尖端的电荷控制装置(所谓的电子泛射枪)以在植入过程期间将低能电子引入带正电荷的离子射束并引入装置晶圆的表面上。该等电离泛射系统将额外的变量引入制造过程中，且归因于表面带电不会完全消除产量损耗。随着半导体装置变得越来越小，晶体管操作电压和栅极氧化物厚度亦变得越小，其减小半导体装置制造中的破坏阈，并进一步减小产量。因此，负离子植入潜在地提供一在产量上优于许多前期方法所用的常规正离子植入的实质改良。不行地，此技术目前并未市售，且事实上，据作者所知，负离子植入尚未用于制造集成电路，甚至于研究和开发中也尚未用之。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种制造半导体装置的方法，此方法可在半导体基板中形成P型(意即，受体)电导率的超浅杂质掺杂区域，而且是以高生产率来完成。
本发明的另一目的是提供一种制造半导体装置的方法，此方法可使用BnHx +和BnHx -(其中10<n<100且0≤x≤n+4)形式的电离簇在半导体基板中形成P型(意即，受体)电导率的超浅的杂质掺杂区域。
本发明的另一目的是提供一种通过植入形式B18Hx +或B18Hx -的B18H22(其中x为小于或等于22的整数)的十八硼烷的电离分子制造半导体装置的方法。
本发明的又一目的是提供制造半导体装置的离子植入系统，其已设计为通过使用簇离子在半导体基板中形成N或P电导率类型的超浅的杂质掺杂区域。
根据本发明一个方面，提供一种植入簇离子的方法，其包含以下步骤：提供将各含有复数个掺杂物原子的分子源提供到一电离室中，将所述分子电离为掺杂物簇离子，以电场提取和加速该等掺杂物簇离子，通过质量分析选择所要的簇离子，通过后分析离子光学器改质簇离子的最终植入能量，和将掺杂物簇离子植入到半导体基板中。
本发明的一个目的是提供一种允许半导体装置制造商改善通过植入n个掺杂物原子(在B18Hn +情况下n＝18)而非一次植入单一原子提取低能量离子射束的困难。该簇离子植入方法提供极低能量的单原子植入等价物，因为该簇的各原子植入有约E/n的能量。因此，植入器在高于所需的植入能量约n倍的提取电压下运作，其使得较高的离子射束电流成为可能，尤其是在USJ成形所需的低植入能量下。此外，簇电流的各毫安皆提供18mA单体硼的等价物。考虑到离子提取级数，由簇离子植入而成为可能的传送效率中的相对改良之处可通过评估Child-Langmuir极限来量化。应了解，此极限可通过下式来估算：
(1)Jmax＝1.72(Q/A)1/2v3/2d-2
其中Jmax以mA/cm2为单位，Q为离子电荷状态，A为以AMU为单位的离子质量，v为以kV为单位的提取电压且d为以cm为单位的间隙。图2是d＝1.27cm的11B+情况下的等式(1)的图表，其中提取射束的平均质量假定为15AMU。在实践中，许多离子植入器所用的提取光学器可接近此极限。通过延伸等式(1)，可定义下列优良指数Δ来量化相对于单原子植入的簇离子植入的生产率或植入剂量速率的增加：
(2)Δ＝n(Un/U1)3/2(mn/m1)-1/2。
此处，Δ是通过在与能量U 1(U1＝eV)下单一原子植入一个质量为m的原子相对的能量Un下植入具有n个相关掺杂物原子的簇来达成的剂量速率(原子数/秒)的相对改良。在其中Un被调节以给出与单原子(n＝1)情况下相同的掺杂物植入深度的情况下，等式(2)简化为：
(3)Δ＝n2。
因此，n个掺杂物原子的簇的植入具有提供比常规植入单一原子高的剂量速率n2的潜力。在B18Hx情况下，此最大的剂量速率改良大于300。将簇离子用于离子植入明确解决了低能量(尤其小于keV)离子射束的传送。应注意的是簇离子植入方法每簇仅需要一个电荷，而非常规情况中的携带一个电荷的每一个掺杂物原子。因此，传送效率(射束传输)被改良，因为扩散库仑力由于电荷密度的减小而减小了。重要的是，此特性可减小晶圆充电，因为对于一给定的剂量速率而言，晶圆上所发生的射束电流被戏剧性地减小。同样，因为本发明产生许多量的氢化硼负离子(诸如B18Hx -)，所以其可使高剂量速率下负离子植入商业化。因为负离子植入比正离子植入产生较小的晶圆充电，且因为此等电流也通过使用簇而被大大减小，所以由晶圆充电而导致的产量损耗可进一步被降低。因此，植入n个掺杂物原子的簇而非单一原子改善了低能量离子植入中的基础传送问题并可使更具戏剧性的生产能力的方法成为可能。
此方法的可用性需要形成簇离子。商业离子植入器中所用的现有技术离子源相对于其单体的产生仅产生一小部分主要为低次序的簇(例如，n＝2)，且因此此等植入体不能有效地实现以上所列的低能量簇射束植入优点，事实上，由许多常规离子源提供的强烈等离子体更适合将分子和簇分离成其组份元素。本文中所述的新颖的离子源由于其使用“软”电离方法(即电子冲击电离)产生充足的簇离子。本发明的离子源是专门为了产生和保存掺杂物簇离子的目的而设计的。代替打击弧形放电等离子体来创造离子，本发明的离子源利用了通过以一或多个聚焦电子射束的形式注射的电子对处理气体进行电子冲击电离。
附图说明
参考下列说明书和附图，本发明的这些和其它优点将变得容易理解，其中：
图1A是根据本发明的示例性高电流簇离子植入系统的示意图。
图1B是图1A的植入系统中所用的加减速电极的示意图。
图1C是根据本发明的高电流簇离子植入系统的替代实施例。
图1D是根据本发明的高电流簇离子植入系统的另一替代实施例。
图1E是根据本发明的示例性中电流簇离子植入系统的示意图。
图2是说明根据等式(1)的Child-Langmuir Law的最大11B-射束电流与提取能量的符号图。
图3是根据本发明的离子源的透视图，以剖面显示来展示其内部组件。
图4A是图3中所示的离子源的一个实施例的一部分的侧面图，以剖面显示电子射束和磁场重叠于其上。
图4B类似于图4A但说明了具有两个电子射束源极的替代配置。
图5A是图3的簇离子离子源的透视图表，其显示电离区域的细节。
图5B类似于图5A但说明了具有两个电子射束源极的替代配置。
图5C是形成图5B中所说明的离子源的电子射束的简化顶视图。
图6是本发明离子源中所用的3区温度控制系统的图表。
图7A是磁轭总成的透视图，其说明包括永久磁铁的磁性电路。
图7B是整合于本发明的离子源的电离室中的磁轭总成的透视图。
图7C是穿过磁轭总成截面的在xy平面中的磁通量的说明。
图7D是图7A中所说明的磁轭总成的替代实施例的透视图，该替代实施例包括一电磁铁。
图7E除了其是涉及图7D中所示的实施例之外，其余类似于图7B。
图7F是穿过图7E中所述的磁轭总成截面的在yz平面中的的磁通量的说明。
图7G类似于图7F，除了其说明在xz平面中的磁通量。
图7H描述具有图7B的轭总成与电子枪之间的接近渗透性的磁性屏蔽的本发明的离子源。
图8A是使用本发明的离子源的十八硼烷射束电流和汽化压力与汽化器温度的图解说明。
图8B是B18H22分子的球和棒模型。
图9是由本发明的离子源产生、在高质量分辨下收集的B18H22的正离子质谱的图解说明。
图10是覆盖有在高质量分辨下收集并由本发明的离子源产生的B18H22的正离子质谱的B18H22的负离子质谱的图解说明。
图11A是由本发明的离子源产生、在高质量分辨下收集的B18H22的负离子质谱的图解说明。
图11B是B18H22的负质谱的图解说明，该B18H22由本发明的离子源产生、在最高质量分辨下收集且具有膨胀的水平比例以使得可分辨个别离子质量。
图12是B18Hx +射束电流所谓射束提取能量的函数的图解说明，其通过本发明的簇离子植入系统在晶圆位置附近测量。
图13是使用本发明的簇离子植入系统，将图12的数据转化为作为硼植入能量的函数的硼剂量速率(使用B18Hx +植入)的图解说明。
图14是NMOS漏极延伸形成期间CMOS制造次序的图表。
图15是PMOS漏极延伸形成期间CMOS制造次序的图表。
图16是制造NMOS半导体装置方法中的N型漏极延伸植入步骤处的半导体基板的图表。
图17是制造NMOS半导体装置方法中的源极/漏极植入步骤处的半导体基板的图表。
图18是制造PMOS半导体装置方法中的半导体基板在P型漏极延伸植入步骤的图表。
图19是制造PMOS半导体装置方法中的半导体基板在源极/漏极植入步骤的图表。
图20是来自20Ke VB18Hx +离子射束的硼浓度的类植入S IMS分布的图解说明，该离子射束通过根据本发明的簇离子植入系统植入硅晶圆中。
图21是电离截面σ作为氨(NH3)的电子能量T的函数的图解说明。
具体实施方式
簇离子植入系统
图1A是根据本发明的高电流型簇离子植入系统的示意图。也可以是除图1A中所示的配置之外的配置。一般来说，离子植入体的静电光学器采用埋置于固持在不同电势下的导电板中的槽(在一维方向上显示大纵横比率的缝隙)，其倾向于产生带状射束，意即，在一维方向上延伸的射束。已证明此方法在减小空间电荷力上是有效的，且其通过允许分离色散(短轴)和非色散(长轴)方向中的聚焦元件简化了离子光学器。使本发明的簇离子离子源10与提取电极220相耦合以创造含有诸如B18Hx+或As4 +的簇离子的离子射束20Q。该等离子体通过提取电极220从称为离子提取缝隙的离子源10中的加长槽提取，该提取电极220也结合了尺寸比离子提取缝隙的尺寸稍大的槽形透镜：典型的离子提取缝隙的尺寸可(例如)50mm高×8mm宽，但可为其它尺寸。电极是四极管配置中的加速减速电极，意即，在较高能量下从离子源提取离子并接着在其退出电极之前将其减速的电极。
图1B显示加速减速电极的示意图。其包含通过电源极Vs偏压的抑制板300、通过电源极Vf偏压的提取板302和在植入体终端接地处的接地板304(不必在减速机器中接地)。离子提取缝隙板80与通过电源极Va固持于离子源电势下的离子源10中的电离室44固持于等电势下。对于正离子的产生而言，Va>0、Vf<0且Vs<0。对于负离子的产生而言，Va<0、Vf＝0且V s>0。举例而言，为了产生20keV正离子，通常的电压为Va＝20kV、Vs＝-5KV、Vf＝-15kV。注意此意谓各种板的实际电压为：提取缝隙板80＝20kV、抑制板300＝-20KV、提取板302＝-15KV、接地板304＝0V。对于产生负离子而言，电源极电压反向。通过使用双极电源极，负离子或正离子可通过图1A、1C、1D和1E的新颖植入体设计而生成。因此，离子在较高能量下从离子源提取，且其通过离开接地板304、使得较高提取电流和改良所得离子射束200的聚焦和传输成为可能来减速。
离子射束200(图1A)通常含有许多不同质量的离子，意即，离子源210中所创造的具有给定电荷极性的所有离子种类。离子射束200接着进入分析器磁铁230。由于电流在磁铁线圈中的作用，分析器磁铁230在离子射束传送路径内创造双极磁场；磁场的方向显示为与图1A的平面正交，其也沿着一维光学器的非色散轴。分析器磁铁230也是在质量分辨缝隙270位置处形成离子提取缝隙(意即，离子的光学“目标”或源)的实像的聚焦元件。因此，质量分辨缝隙270具有纵横比率与离子提取缝隙的类似但尺寸比其稍大的槽形式。在一个实施例中，分辨缝隙270的宽度连续可变以允许选择植入体的质量分辨此特性对于将氢化硼簇离子的传递射束电流最大化而言是重要的，该等氢化硼簇离子显示通过一个AMU分离的许多离子状态，其实例说明于图11A中。分析器磁铁230的主要作用是通过以一弧形弯曲离子射束来使离子射束空间地分离或分散为一组组份射束泄出，该弧的半径视离散离子的质荷比而定。该弧在图1A显示为射束分量240(所选离子射束)。分析器磁铁230沿着以下等式(4)所给定的半径弯曲一给定射束：
(4)R＝(2mU)1/3/q B，
其中R为弯曲半径，B为磁通量密度，m为离子质量，U为离子动能且q为离子电荷状态。
所选离子射束仅包含狭窄范围的质量能量产物的离子，以使得通过磁铁的离子射束弯曲半径发送该射束穿过质量分辨缝隙270。未选择的射束分量不穿过质量分辨缝隙270，但其在别处被截取。对于具有比所选射束240小的质荷比m/q 250的射束(例如包含具有1或2AMU质量的氢离子)而言，磁场诱导较小的弯曲半径且射束截取磁铁真空室的内部半径墙300或质量分辨缝隙的上游。对于具有比所选射束240大的质荷比m/q 260的射束而言，磁场诱导较大的弯曲半径且射束击打磁铁室的外半径墙290或质量分辨缝隙的上游。如此项技术中完善的建立，分析器磁铁230与质量分辨缝隙270的组合形成质量分析系统，其从提取自离子源10的多种类射束200选择离子射束240。所选射束240接着穿过后分析加速/减速电极310。此阶段310可将射束能量调整到特定植入过程所需的所要最终能量值。举例而言，在低能量、高剂量过程中，若形成离子射束并将其在较高能量下传送且接着在到达晶圆之前减速到所要的较低植入离子能力，则可获得较高电流。后分析加速/减速透镜310是构造与减速电极220类似的静电透镜。为了产生低能量正离子射束，由终端外壳208密闭植入器的前面部分并将其在地面下浮动。为了安全起见，接地的法拉第笼(Faraday cage)205围绕外壳208。因此，离子射束可在较高能量下传送或质量分析，并在到达工件之前减速。因为减速电极300是强烈聚焦光学器，所以双重四极子320重新聚焦离子射束240以减小交偏差和空间程度。为了防止在分辨缝隙和基板312经受电荷交换或中和反应(并因此不拥有正确能量)的离子传播到基板312，将中性射束过滤器310a(或“能量过滤器”)并入此射束路径中。举例而言，所示的中性射束过滤器310a在射束路径中并入所选离子射束240被束缚以穿过施加的PC电磁场的“狗腿”型或小角偏转；然而，已成电中性或多重带电的射束分量不一定穿过此路径。因此，仅相关的且具有正确离子能量的离子穿过过滤器310a的出口缝隙314的下游。
一旦射束由四极对320定型并通过中性射束过滤器310a过滤，离子射束240就进入亦固持于高真空环境中的晶圆处理室330，其中其击打安装于旋转盘315上的基板312。基板的各种材料适合本发明，诸如硅、绝缘硅应变超晶格基板和硅锗(SiGe)应变超晶格基板。许多基板被安装于盘上以使得许多基板如硅、绝缘硅应变超晶格基板和硅锗(SiGe)应变超晶格基板。许多基板被安装于盘上以使得许多基板可同时植入，意即，以批模式植入。在分批系统中，盘的涡流提供径向方向的机械扫描，且旋转盘的垂直或水平扫描亦同时奏效，离子射束保持固定。
图1C和图1D中说明高电流植入器的替代实施例。详言之，图1C说明与图1A中所述类似的加速减速植入器，除了射束线已通过移除双重四极子320和中性射束过滤器310a显著缩短之外。此配置导致穿过植入器的更好的射束传输，并提供基板312上更高的射束电流。
图1D说明非加速减速植入器，意即，其中整个植入器的真空系统在地面上。因此，相对于图1C中所示的实施例删除减速透镜310和终端外壳208。簇射束植入方法在低于keV能量下递送非常高效的掺杂物射束电流，甚至在无减速时。图1D中所说明的簇射束植入系统被大大简化且制造更经济。其亦具有较短的射束线，因此增大了射束到基板312的传输。
图1E示意性地说明并入本发明的所提议的中电流植入器。存在图1E中所示的植入器的许多替代性配置。在通过提取电极401提取且传送过分析器磁铁402和质量分辨缝隙403的离子源400中产生通常高几厘米且宽小于1厘米的离子射束。此产生特定质量能量产物的射束404。因为能量由提取电压啦固定，所以单一质量通常在给定分析器磁铁402场下穿过质量分析器和分辨缝隙。以上等式(4)描述此方法。氢化硼簇离子射束退出分辨缝隙并进入加速减速电极405。特定设计此电极亦添加能量到离子射束或减小离子射束的能量。对于低能量植入而言，射束传送通过在较高能量下提取射束并接着在减速电极中减小能量来增强。如图2中所说明的Child-Langmuir Law限制可从离子源提取的电流。电流密度限制对能量的U 3/2依赖(其中U为提取能量)是造成较高提取能量下电流增大的原因。对于较高能量植入而言，加速减速电极用于将离子射束的能量增大到高于提取能量的能量。提取能量通常为20-40keV且可减速到小于1keV或加速到单一带电离子高达200keV和多个带电离子高达500keV的能量。加速后，射束被传送入四极透镜406中以使能量经加速减速电极调整后的射束重新聚焦。此步骤通过植入器的休息(rest)增大了传输效率。若允许射束通过离开加速减速区域膨胀，则其将撞击射束线的墙并通过射束击打射束线408的墙引起生成粒子以及不可用于植入靶中。紧接着射束遭遇到通常水平地以一维方式扫描射束的扫描模组407。扫描频率通常在千赫兹范围。此引起射束具有非常大的角变化，导致射束在靶的不同部分以不同的角击打靶。为了消除此扫描所诱导的偏差，用射束瞄准仪410导引射束。射束瞄准仪为磁性或静电性且其产生宽的平行射束409。瞄准仪亦从射束移除离子，归因于射束线中遭遇的电荷交换反应，该射束为与预定的能量不同的能量。在退出瞄准仪后，射束进入晶圆处理室411中并击打靶412。中电流植入器通常一次处理一个晶圆。此在工业中已知为串行处理。晶圆的覆盖区通过以与射束清扫器方向正交(orthogonal)的方向平移晶圆，例如以垂直尺度。与具有每周期5-10或更多秒时间的“快速”扫描频率相比，垂直的频率非常慢。晶圆上的剂量(离子数/cm2)通过监视安装于晶圆附近的法拉第杯413中的射束电流来控制。一旦各扫描出于扫描极端，射束就进入法拉第杯并被监视。
此允许射束电流在等于该射束扫描频率的速率(例如每秒1000次)下测量。此信号接着用于控制射束扫描在正交方向上的垂直平移速度以获得晶圆间的均匀剂量。此外，串行处理室允许相对于离子射束定位晶圆的自由。在植入过程期间晶圆可旋转且可倾斜到大角度，与射束法线呈多达60度。
诸如B18Hx -或As4Hx +的簇离子射束的使用允许射束提取和传输在比诸如B+或As-的单体情况下高的能量下发生。打击靶后，离子能量按个别组份原子的质量比分割。对于B18H22而言，有效的硼能量为射束能量的10.8/216.4，因为平均硼原子具有的质量为10.8amu且分子具有的平均质量为216.4amu。此允许射束在植入能量20倍下提取和传送。此外，剂量速率比单体离子的速率高18倍。此导致晶圆的较高生产率和较少带电。晶圆充电减小，因为每18个原子仅有一个电荷植入晶圆中而非每一原子有一个电荷与单体射束植入。
掺杂有簇的等离子体
用于掺杂半导体的射束线离子植入的替代性方法为所谓的“等离子体浸没”。此技术在半导体工业已知为若干其它名称，诸如PLAD(等离子体掺杂)、PPLAD(脉冲等离子体掺杂和PI3(等离子体浸没离子植入)。使用此等技术的掺杂要求在已被抽空并接着经含有诸如三氟化硼、乙硼烷、胂或膦的选择物的掺杂物的气体回填的大真空容器中击打等离子体。根据定义等离子体中具有正离子、负离子和电子。接着靶被负偏压，因此引起等离子体中的正离子朝向该靶加速。离子的能量由等式U＝QV来描述，其中U为离子的动能、Q为离子上的电荷且V为晶圆上的偏压。通过此技术，不存在质量分析。等离子体中的所有正离子被加速且被植入晶圆中。因此，必须生成极清洁的等离子体。通过此掺杂技术，诸如B18H22的硼簇或诸如As4Hx的蒸汽可被引入容器和点燃的等离子体中，然后在晶圆上应用负偏压。偏压可为时间恒定型、时间变化型或脉冲型。此等簇的使用是有益的，因为氢化物簇的掺杂物原子与氢的比率(例如使用B18H22对比B2H6和As4Hx对比AsH3)大于简单氢化物的比率，且当使用簇时剂量速率亦可高的多。通过已知容器中的蒸汽的压力、温度、偏压的数量和偏压电压的工作循环和靶上的离子到达速率之间的关系可参数地控制剂量。亦可直接地测量靶上的电流。由于射束线植入，若十八硼烷为所选蒸汽，则使用十八硼烷将产生所需的剂量速率的18倍增强和高20倍的加速电压。若使用As4Hx，则存在所需的4倍剂量速率增强和4倍电压。由于利用簇的射束线植入，亦存在变化减小。
簇离子源
图3是簇离子源10和其各种组份的图表。其构造以及其操作的较佳模式详细揭示于2002年6月26日递交的发明人为T.N.Horsky的共同拥有的美国专利申请案第10/183，768号“Electron Impac tIon Source”中，该案以引用的方式并入本文中。离子源10是新颖的冲击电离源极的一个实施例。图3是用于阐明补足离子源10的组份的功能性的源极构造的截面示意图表。通过安装法兰36的方式将离子源10应用到离子植入器的抽空真空室或其它处理工具的界面。因此，如图3所示，到法兰36右边的离子源10在高真空下(压力<1×10-4托)。将气态物质引入电离室44中，其中气体分子通过来自电子射束70A或70B的电子冲击来电离，其通过电子入口缝隙71B进入电离室44以使得电子射束70A或70B与离子提取缝隙81对准，并通过电子出口缝隙71A退出电离室44。在如图4A和图5A中所示的结合单一电子枪和射束收集器的一个实施例中，在离开电离室44后，电子射束通过位于电离室44外部的射束收集器72来停止。因此，在邻近似乎为离子提取缝隙板80中的槽的离子提取缝隙81处创造离子。接着通过位于离子提取缝隙板80前面的提取电极(未显示)提取该等离子体并形成为有能量的离子射束。电离区域详细显示于图4A与4B和图5A与5B中。
现参考图3，气体可经由气体管道33进料于电离室44中。固体进料物质可在汽化器28中汽化，且蒸汽通过源极组块35内的蒸汽管道32进料于电离室44中。将位于穿孔的分离屏障34a下的固体进料物质29固持于通过汽化器外壳30的温度控制的均匀温度下。在压载体积31中累积的蒸汽50穿过管道39和穿过一或多个中断阀100和110进料。中断阀110内的蒸汽50的极小的压力通过电容压力计规格60来监视。通过位于源极组块35的蒸汽管道32将蒸汽50进料于电离室44中。因此，气态的和固体的含掺杂物物质均可通过此离子源电离。
图4A、4B、5A和5B说明离子源光学器设计的替代性实施例。特定言之，图4A和5A说明结合单一电子源极的本发明的一个实施例。图4B和5B说明结合双电子源极的本发明的一个实施例。
单一电子源极
特定言之，图4A是说明根据本发明的离子源配置的光学器设计的一个实施例的截面侧视图。在本发明的此实施例中，电子射束70从经加热的灯丝110发射并归因于射束引导器的影响执行90度轨道，例如，将静态的磁场B135(以与所指示的纸平面正交的方向)并入电离室44中，首先通过基底板105中的基底板缝隙106，并接着通过电离室44中的电子入口缝隙70a。通过穿过电离室44的所有道路(意即，穿过电子入口缝隙70a和电子出口缝隙71)的电子通过射束收集器72来截取。发射体屏蔽102与基底板105等电势并为传播电子射束70提供静电屏蔽。随着电子射束70传播过基底板缝隙106，其在进入电离室44之前通过应用电压Va到基底板105(但是为正向电源极115)和Vc到灯丝135(但是为负向电源极116)(相对于电离室44均被偏压)减速。维持电子射束能量显著高于形成射束和传送区域(意即，电离室44的外侧)的电离通常所需的能量是重要的。此是归因于在低能量下严重减小射束电流和增大电子射束直径的空间电荷影响。因此，需要将此区域中的电子射束能量维持在约1.5keV和5keV之间。
所有电压均相对于电离室44。举例而言，若Vc＝-0.5KV且Va＝1.5kV，则电子射束的能量因此由e(Va-Vc)给出，其中e是电子电荷(6.02×10-19库仑)。因此，在此实例中，电子射束70在2keV能量下形成和偏离，但在进入电子入口缝隙70a后，其仅具有0.5keV的能量。
图4A中所示的其它元件包括提取离子射束120、源极静电屏蔽101和发射体屏蔽102。发射体屏蔽102屏蔽电子射束70以免受与基底板105与源极屏蔽101之间的电势差异相关的场，该源极屏蔽101与电离室44等电势。源极屏蔽101屏蔽离子射束120以免受由基底板105与电离室44之间的电势差异所生成的场，并用于吸收可另外冲击离子源元件的散落电子和离子。由于此原因，发射体屏蔽102和源极屏蔽101为难熔金属(诸如钼)构造。或者，免受磁场B 135和B＇119的离子射束120的更完全屏蔽可通过制造铁磁物质(诸如磁性不锈钢)的源极屏蔽101来完成。
图5是说明机械细节的剖面图且其明确显示图4A的内容物如何并入图3的离子源中。电子从灯丝110热离子地发射并加速到阳极140，形成电子射束70。因为电子射束70在电离室外部生成，所以相对于已知的配置，发射体寿命被延伸，因为发射体在存在离子源的植入器真空外壳的低压环境中，且因为发射体亦有效地防止离子轰击。
来自永久磁铁130和磁极总成125的磁通量通过在传播电子射束70的磁极总成125的末端之间的空气间隙间建立均匀的磁场而用于引导射束。使磁场B 135和电子射束70的电子射束能量相匹配以使得电子射束70偏离约90度，并如所示般进入电离室44。通过偏离电子射束70(例如)90度，无视线存在于发射体110和含有离子的电离室44之间，因此通过带有能量的电荷的粒子防止了发射体的轰击。
因为Va相对于电离室44而言是正性的，所以当电子射束70通过由基底板缝隙106和电子入口缝隙70a界定的间隙时其被减速。因此，基底板缝隙106和电子入口缝隙70a与其之间的间隙的组合形成静电透镜，在此情况下，形成减速透镜。减速透镜的使用允许调整电子射束的电离能量而大体不影响电子射束生成和偏离。
间隙可通过一或多个陶瓷间隔132来建立，该等间隔支持基底板105并用作远离源极组块35的固定器，其在电离室电势下。陶瓷间隔132提供电隔离和机械支持两者。应注意，为了清楚起见，图5A中不显示发射体屏蔽102和源极屏蔽101。图7A-7H中所示的磁轭总成亦不显示。
因为电子入口缝隙106可限制电子射束70的传输，所以基底板可截取显著部分的有能量的电子射束70。因此基底板105必须经积极冷却或消极冷却。积极冷却可通过将液体冷却剂(诸如水)通过基底板105或迫使压缩空气流过所述基底板105来完成。在一个替代性实施例中，消极冷却通过允许基底板105达到一定温度来完成，借此其通过辐射冷却到其周围温度。此稳定状态的温度取决于基底板的截取射束功率、表面积与发射率和周围组份的温度。当流动可在曝露的冷表面形成污染和形成粒子的膜的可冷凝气体时，允许基底板105在高温下(例如在250℃下)操作是有利的。
双电子源极
图4B时说明双电子射束离子源配置的光学器设计的一个替代性实施例。在本发明的此实施例中，一对空间分离的电子射束70a与70b从一对空间分离的经加热的灯丝110a与110b发射并电子射束70从经加热的灯丝110发射并归因于射束引导器或进入电离室44中的静态的磁场B 135与135b(以与所指示的纸平面正交的方向)的影响执行90度轨道，其首先通过一对基底板缝隙106a与106b和一对间隔开的基底板105a与105b，并接着通过一对电子入口缝隙71a与71b。通过射束引导器或静态的磁场135a与135b将通过穿过电离室44的所有道路(意即，穿过电子入口缝隙71a与71b)的电子朝向一对发射体屏蔽102a与102b弯曲。随着电子射束传播过基底板缝隙106a与106b，其在进入电离室44之前通过应用电压Va到基底板105a与105b(但是为正向电源极115)和Ve到灯丝135a与135b(但是为负向电源极116)来减速。维持电子射束能量显著高于形成射束和传送区域(意即，电离室44的外侧)的电离通常所需的能量是重要的。此是归因于在低能量下严重减小射束电流和增大电子射束直径的空间电荷影响。因此，需要将此区域中的电子射束能量维持在约1.5keV和5keV之间。
类似于单一电子源极的实施例，所有双电子源极的电压亦均相对于电离室44。举例而言，若Ve＝-0.5kV且Va＝1.5kV，则电子射束的能量因此由e(Va-Vc)给出，其中e是电子电荷(6.02×10-19库仑)。因此，在此实例中，电子射束70a、70b在2keV能量下形成和偏离，但在进入电子入口缝隙71a、71b后，其仅具有0.5keV的能量。
下列表给出将具有能量E的电子射束弯曲90度所需的磁场B的近似值：
表1
为完成本发明中的90度偏离的磁场强度对电子能量的依赖
            能量E                          磁场B
  1500eV   51G
  2000eV   59G
  2500eV   66G
图4B中所示的其它元件包括提取离子射束120a、源极静电屏蔽101a和一对发射体屏蔽102a与102b。此等发射体屏蔽102a与102b用于两个目的：提供免受静电场的屏蔽和提供免受散落电子或离子射束的屏蔽。举例而言，发射体屏蔽102a与102b屏蔽电子射束70a与70b以免受与基底板105a与105b和源极屏蔽101之间的电势差异相关的场，且亦用作用于来自相反电子发射体的散落电子射束的收集器。源极屏蔽101屏蔽离子射束120以免受由基底板105a与105b和电离室44之间的电势差异所生成的场，并用于吸收将另外冲击离子源元件的散落电子和离子。由于此原因，发射体屏蔽102a与102b以及源极屏蔽101为难熔金属(诸如钼或石墨)构造。或者，免受磁场B 135a与135b的离子射束120的更完全屏蔽可通过构造铁磁物质(诸如磁性不锈钢)的源极屏蔽101a来完成。图5是说明机械细节的剖面图且其明确显示图4B的内容物如何并入图3的离子源中。电子从一或多个灯丝110a与110b热离子地发射并加速到阳极140a与140b，形成电子射束70a与70b。该配置提供若干益处。首先，灯丝110a与110b可单独操作或一起操作。第二，因为电子射束70a、70b在电离室外部生成，所以相对于已知的配置，发射体寿命被延伸，因为发射体在存在离子源的植入器真空外壳的低压环境中，且因为发射体亦有效地防止离子轰击。
来自一对永久磁铁130a与130b和一对磁极总成125a与125b的磁通量用于形成射束引导，该等射束引导用于在传播电子射束70a、70b的磁极总成125a、125b的末端之间的空气间隙间建立均匀的磁场。使磁场135a与135b和电子射束70a与70b的电子射束能量相匹配以使得电子射束70a与70b偏离约90度，并如所示般进入电离室44。通过偏离电子射束70a与70b(例如)90度，无视线存在于发射体和含有离子的电离室44之间，因此通过带有能量的电荷的粒子防止了发射体的轰击。
因为Va相对于电离室44而言是正性的，所以当电子射束70A、70B通过由基底板缝隙106a与106b和电子入口缝隙71a与71b界定的间隙时其被减速。因此，基底板缝隙106a和电子入口缝隙71a、基底板缝隙106b和电子入口缝隙71b和其之间的间隙的组合各形成静电透镜，在此情况下，形成减速透镜。减速透镜的使用允许调整电子射束的电离能量而大体不影响电子射束生成和偏离。间隙可通过一或多个陶瓷间隔132a与132b来建立，该等间隔支持各基底板105a与105b并用作远离源极组块35的固定器，其在电离室电势下。陶瓷间隔132a与132b提供电隔离和机械支持两者。应注意，为了清楚起见，图3中不显示发射体屏蔽102和源极屏蔽101。
因为电子入口缝隙106a与106b可限制电子射束的传输，所以基底板105a与105b可截取一部分的有能量的电子射束70a、70b。因此基底板105a与105b必须经积极冷却或消极冷却。积极冷却可通过将液体冷却剂(诸如水)通过基底板来完成。或者，在一个替代性实施例中，消极冷却通过允许基底板达到一定温度来完成，借此其通过辐射冷却到其周围温度。此稳定状态的温度取决于基底板的截取射束功率、表面积与发射率和周围组份的温度。当流动可在冷表面形成污染和形成粒子的膜的可冷凝气体时，允许基底板105a、105b在高温下(例如在200℃下)操作是有利的。
图5C是图4B与5B中所说明的源极的电子射束成形区域的简化顶视图。灯丝110b在电势Ve下，例如关于电离室44(图3)的-0.5keV，且阳极140b、磁极总成125b、基底板105b和发射体屏蔽102b均在阳极电势Va下，例如1.5keV。因此，电子射束能量为2keV。电子射束70b通过磁极总成125b的极之间的空气间隙中的磁场135b来偏离，以使得电子射束70b通过基底板缝隙106b。基底板缝隙106a与106b和电子入口缝隙71a与71b的直径的典型值均为1cm，虽然可能为更大或更小的缝隙。
电离可能性
图21说明电离可能性如何依赖于电子冲击电离的电子能量。以氨(NH3)为举例说明。可能性以横截面σ表示，以10-16cm2为单位。电子能量T以eV计，意即电子伏特。显示两组从第一原理计算所得的标记为BEB(垂直IP)和BEB(绝热IP)的理论曲线，和由Djuric等人(1981)与由Rao与Srivastava(1992)所提供的两组实验性数据。图21说明某些电子能量范围比其它能量范围产生更多电离的事实。一般而言，截面对于约50eV与500eV之间的电子冲击能量是最高的，峰值在约100eV处。因此，电子射束进入电离室44所具有的能量是一个重要的参数，其影响本发明的离子源的操作。图4A、4B和5A与5B中所示的特性显示本发明如何并入电子光学器，该等电子光学器允许电子冲击电离能量的较宽控制同时在接近恒定的条件下于离子源的电子射束形成和偏离区域中操作。
温度控制
本发明的离子源的一个方面是电离室温度的使用者控制以及源极组块和阀的温度。当汽化可冷凝气体、以经冷凝的物质防止表面的显著涂覆和确保蒸汽穿过管道39、阀100、110和蒸汽进料32有效传送时，此特性是有利的。该源极利用加热与冷却的组合以达成源极温度的精确控制。独立的温度控制提供于汽化器28、中断阀100与110和源极组块35。与提取缝隙板80相同，通过与电子射束70互动来消极地加热电离室44，且虽然源极组块35与电离室44之间和电离室44与提取缝隙板80之间的界面为热导电性，但维持稳定的操作温度，以使得源极组块温度<电离室温度<提取缝隙温度。将外部的电控制器(诸如Omr on型号E5CK)用于温度控制。加热由埋置的电阻加热器来提供，该等电阻加热器的加热电流由电控制器控制。冷却由(例如)共同拥有的PCT申请案US 01/18822和美国申请案第10/183，768号中所进一步描述的对流和传导气体冷却方法的组合来提供，该等申请案均以引用的方式并入本文中。
图6说明用于三个独立温度区的闭合回路控制系统，其显示其中三个温度区如下定义的较佳实施例的方块图表：区1用于汽化器体30、区2用于隔离阀100与110，且区3用于源极组块35。各区可具有专用的控制器；例如0mr on E5CK数字控制器。在最简单的情况下，加热元件单独用于积极地控制高于室温的温度，例如，介于18℃与200℃之间或更高。因此，电阻弹药筒型加热器可埋置于汽化器体30(加热器1)和源极组块35(加热器3)中，而阀100、110可用其中电阻元件为线或箔条的聚硅氧条加热器(加热器2)来包裹。在图6中标记为TC1、TC2和TC 3的三个热电偶可埋置于三个组件30、35、100(110)的每一个中且通过三个专用的温度控制器的每一个来连续地阅读。分别以温度设定点SP1、SP2和SP3来使用者程序化温度控制器1、2和3。在一个实施例中，温度设定点为使得SP3>SP2>SP1的点。举例而言，在其中需要汽化器温度在30℃的情况下，SP2可为50℃且SP 3为70℃。通常操作控制器以使得当TC重读不与设定点匹配时，控制器的比较仪按需要启动冷却或加热。举例而言，在其中仅加热用于改变温度的情况下，比较仪输出为零，除非TC 1<SP1。控制器可含有输出功率作为温度差异SP1-TC 1的非线性函数的查找表，并填写控制器的加热器电源极的适当信号以将温度平稳地调节到经程序化的设定点温度。改变加热器功率的典型方法时通过电源极的脉冲宽度调制。此技术可用于调节1％与100％全刻度之间的功率。该等PID控制通常可保持温度设定点在0.2℃内。
磁轭总成
在一个实施例中，均匀的磁场B＇119是通过将图7A中所示的永久磁轭总成500并入电离室44中在电离室44中建立的。现参考图7A，磁通量通过一对永久磁铁(例如，钐梏磁铁510a与510b)生成并通过C形对称极片520a与520b之间的间隙返回穿过轭总成500。电子射束70进入轭520a中的电子洞530a并穿出轭520b中的电子洞530b。图7C显示轭总成500如何整合于电离室44中。在图7B中，电离室44具有经研磨穿的部分，其接收轭总成500和极520a与520b以使得轭总成500的表面550和电离室44的表面齐平。经机械加工为电离室44的部分的窄环面540a与540b(未显示)的内部墙界定电子入口缝隙70a和电子出口缝隙71，确保轭总成500的铁磁物质不曝露于电子射束、减小含铁金属在电离室44的电离体积内的污染的任何可能性。图7C显示沿着轭总成500的含xy平面(x为水平，y为垂直，与图5中所示的电子射束70的传播方向反平行)的截面的通量线，其以场建模软件计算。非常均匀的场线119在电子射束70的传播体积内生成。B＇119针对于平行引入电子射束70以限制电子射束70。
图7D显示磁轭总成的一个不同的实施例。此实施例由磁性线圈610、上轭620a与上极630a和下轭630a与下极630b组成。带轴线圈600以通过上极630a与下极630b之间的真空间隙返回通量的磁性电路连接上轭620a与下轭630b。通量由通过线圈610线的电流来生成。通量通过带轴磁芯600运载到上下轭630a与630b。通过改变线圈电流，进而可在真空间隙中改变磁通量密度(意即，磁场的强度)。
图7E显示整合于本发明的离子源中的图7D的磁轭总成的剖面图(含有Y-Z平面)。图7E中所述的轭总成的几何学与图7B中所述的轭总成明显不同。图7B的显著偏差在于沿着Y方向定向(与离子射束的传播方向反平行)的轭620a与620b的几何学。图7E的轭总成亦利用较简单的磁性电路，其仅具有一对返回轭620a与620b，而非两对图7A中所述的磁轭总成500中的返回轭。线圈610被埋置于源极组块35中以将线圈的热沉提供到温度受控的源极组块35(图7E中未显示)。
图7F描述穿过图7D的磁轭总成的通量路径和通量密度，泄漏极的通量主要受限于无离子射束路径的离子源的前面，而相对均匀的通量密度产生于其中存在含有电子射束70的电离体积的极630a与630b之间。具有3000安培匝数的线圈电流，沿着Z方向(连接上极630a与下极630b的中心的线)可产生约100高斯的磁通量密度。因此通过控制流过线圈610的电流沿着Z产生0到100的使用者可选择的通量密度。现参考图7G，其显示在电离区域内的且与含有离子提取板80＇和离子提取板81＇的平面相平行的X-Z平面中的通量线。直接通过离子提取缝隙81＇的通量的Z分量在此区域中十分均匀。离子提取缝隙81＇将沿着纸平面中的Z定向。
图7H描述在电子枪的基底板105下并入高渗透性磁性屏蔽640，以防止由极630a所产生的场渗透于区域650中，其中电子射束为90度导向。无屏蔽640，沿着垂直方向或y方向的散落磁场经引起电子射束在横向方向或x方向上的不想要的偏离，引起进入电离室44之前的电子射束的轨道660的误差。
通过将如图7H中所示的磁轭总成并入图4A的离子源中，(例如)实现一限制磁场帮助取消分散性空间电荷力的所得用途，该等分散性空间电荷力在减速后(意即，当其进入电离室44时)将爆炸(b l ow up)电子射束70。此具有使得电子射束70中的较高电荷密度(因此在邻近离子提取缝隙81的较佳电离区域附近具有较高的离子密度)成为可能、导致增大的离子电流120的益处。另外的收获可通过电源极117相对于电离室将射束收集器72偏压到负电压Vr来实现。举例而言，若Vr≤Vc，则可建立反射模式，借此电子射束70中所含的主要电子从射束收集器72反射，增大电子的有效路径长度。在足够低的电子能量下，限制场(confining field)B＇119的存在引起反射的电子沿着B＇方向执行螺旋状的轨道。应注意B 135与B，119方向正交，B135使电子射束70偏斜于电离室44中且B＇119限制所得射束；因此将磁性屏蔽118添加到基底板105的底部。磁性屏蔽118由高渗透性金属制成以便防止两个场混合；此将电子射束70的路径分离成磁场的两个区域；电离室44外侧和电离室44内。
用于生成氢化硼簇离子的方法
本文中所述的方法可认为是本发明的离子源的正常操作，其中与其它操作性模式唯一不同的是源极参数(进料物质、进料气体流速、电子电离能量与电流和源极组份温度)的使用者选择值。可使用固体十八硼烷(B18H22)以通过使用图3中所述的汽化器和离子源产生形式B18Hx +的氢化硼簇离子。十八硼烷在室温下为稳定固体且具有几毫托的蒸汽压力。为了生成有用的约1sccm的十八硼烷质量流32，将汽化器保持在90℃下。图8A显示两个变量作为汽化器温度的函数的曲线：右垂直轴的汽化器压力，和递送到类似图1d中所述的高电流植入器的后分析法拉第杯离子电流。返回参考图3，通过与阀110连通的电容压力计60测量汽化器压力。典型的源极操作参数为：阀(100与110)温度＝120℃，源极组块温度＝120℃，电子电离能量＝1keV，电子射束电流＝70mA。此通过设定Vc＝-1kV、Va＝1.3kV、Vr＝-1kV和灯丝发射电流＝160mA来达成。
图8b说明B18H22的分子结构并显示H原子(亮半球)和B原子(暗半球)的相对位置。
图9显示十八硼烷质谱，其在与用于生成图8A的彼等条件类似的条件下于类似于图10所揭示的簇离子植入系统中收集。将可变分辨缝隙270设定为高质量分辨率，其选择4AMU宽的离子射束240到下游的法拉第杯。图10显示负离子和正离子两者的十八硼烷质谱，其在与用于生成图9数据的彼等条件类似的条件下收集。将所有植入器电源极的极性颠倒以在负离子和正离子之间转换，在数分钟内将其依次收集并记录于同一曲线上。B18Hx +和B18Hx -峰在AMU下，其分别提出B18H16 +和B18H16 -离子的最可能的化学式。在与用于收集图9数据的条件类似的条件下收集图11A，但是需将分辨缝隙270设定为允许约18AMU通过下游，其允许高的多的B18Hx +电流。然而，主要峰中的结构缺少证明质量分辨减小。图11是在最高质量分辨下收集的细节。具有设定在<1mm下的分辨缝隙，仅有单一的AMU通过下游到法拉第。因此，通过一个AMU分离的个别氢化硼峰是清除可见的。图12显示法拉第下的射束电流相对于提取电压而无离子射束的任何减速的曲线，其下图11A的低质量分辨下收集。图13显示图12的数据转化为原子硼电流与有效植入能量的关系，作为与单体硼植入比较的手段。原子硼电流＝18X十八硼烷法拉第电流，且有效的植入能量＝11/210X提取电压。此等电流是目前可由常规单体硼植入(尤其是无离子减速)获得的许多倍。
为了表征半导体硼掺杂的B18Hx +的植入分布，将商用的硅晶圆浸没于HF溶液中以移除任何原来的氧化物，并植入与图1P中所揭示的类似的簇离子植入系统中。通过植入1.1×1015cm-2的B18Hx +剂量递送2×1016cm-2的硼剂量。B18Hx +离子能量在植入期间为20keV，导致每硼原子约1keV的有效硼植入能量。图20显示如S IMS(第二离子质谱)所测定的已植入硼分布。该分布的峰在约50A下，其与1keV硼植入的TRIM计算所预测的58A的计划范围十分一致。
N型和P型浅接合的形成
此方法的一个重要应用是将簇离子植入作为CMOS制造序列的部分用于形成N型和P型浅接合。CMOS在当前使用中是支配性的数字集成电路技术且其名称表示在同一晶片上形成N通道和P通道MOS晶体管(互补型MOS：N和P两者)。CMOS的成功是电路设计者可利用相对晶体管的互补型本质来创造更好的电路，具体而言比替代性技术耗用较少有效功率的一个电路。应注意N和P术语是基于Negative(负性)和Positive(正性)(N型半导体具有多数为负性的载波，反之亦然)，且N通道和P通道晶体管是具有每一区域类型(极性)颠倒的彼此的复制品。同一基板上的两种类型晶体管的制造需要按序植入N型杂质和记者P型杂质，同时以光致抗蚀剂的屏蔽层保护其它类型装置。应注意每一晶体管类型需要两极性的区域正确地操作，但形成浅接合的植入器与晶体管同一类型：N型浅植入N通道晶体管中且P型浅植入P通道晶体管中。此过程的一个实例于图14和15中显示。特定言之，图14说明一种通过N型簇植入器88形成N通道漏极延伸89的方法，而图15显示通过P型簇植入器91形成P通道漏极延伸90。应注意N型和P型晶体管需要类似几何的浅接合，并因此具有N型和P型簇植入器对于形成先进的CMOS结构而言是有利的。
此方法应用的一个实例在图16中显示用于形成NMOS晶体管的情况。此图显示半导体基板41，其已经受制造半导体装置的前期方法步骤的一些。举例而言，该结构含有经P井43、沟槽隔离42和栅极堆栈形成44、45步骤处理的N型半导体基板41。形成栅极堆栈、P井和沟槽隔离的示例性方法揭示于2003年6月18日提交的题为“A s emi conduc t o r Dev i ce and Me t hodof Fabrica t i ng a Sem i conduc t or Dev i ce”的的共同提交的专利申请案PCT/US 03/19085(律师摘要号(a t t orney docke t no.)211843/00030)中。
P井43形成与为井43中的晶体管提供结合隔离的N型基板41的结合。沟槽隔离42提供N井和P井(意即，在整个CMOS结构中)之间的横向电介质隔离。栅极堆栈由栅极氧化物层44和聚硅氧栅极电极45来构造，其被图案化以形成晶体管栅极堆栈。应用光致抗蚀剂46并图案化以使得NMOS晶体管的区域被曝露，但基板41的其它区域被屏蔽。在应用光致抗蚀剂46后，该基板41就可以用于漏极延伸植入器，其为装置制造方法所需的最浅掺杂层。0.13μm技术节点的前缘装置的典型的处理必要条件是介于1keV与2keV之间的砷植入能量和5x1014cm-2的砷剂量。在此情况下，簇离子射束47(As4Hx +)通常在半导体基板下导向以使得离子射束的传播方向与该基板正交，以避免被栅极堆栈遮蔽。As4Hx +簇的能量应为所要的As+植入能量的4倍，例如，介于4keV与8keV之间。簇通过冲击与基板分离，且掺杂物原子开始静止在半导体基板附近的浅层中，其形成漏极延伸区域48。我们注意到同一植入体进入栅极电极49的表面层，提供栅极电极的额外掺杂。因此，图16中所述的方法是本发明的一个重要应用。
此方法应用的另一实例显示於图17中：形成深源极/漏极区域。此图显示在制造半导体装置中实施另外的处理步骤之后的图16的半导体基板41。额外的处理步骤包括在栅极堆栈的侧墙上形成衬垫氧化物51和形成间隔物52。衬垫氧化物51是用于保护曝露的基板区域、栅极电极49的顶部和潜在曝露的栅极电介质边缘的氧化物(二氧化硅)薄层。通常热成长衬垫氧化物51到5-10nm的厚度。另一方面，间隔物52是电介质(二氧化物、氮化硅或它们的组合)区域，其属于栅极堆栈的侧面且用来使栅极电极绝缘。其亦充当源极/漏极植入(例如54)的排列引导器，其必须从栅极边缘向后间隔以使晶体管正确运行。间隔物52通过沉积二氧化硅和/或氮化硅层来形成，该等层接着以离开栅极堆栈侧面上的残留层同时从源极/漏极区域清除电介质的方式进行等离子体蚀刻。
在蚀刻间隔物52后，施加光致抗蚀层53并将其图案化以曝露于待植入的晶体管(此实例中的NMOS)。紧接着，执行形成源极和漏极区域55的离子植入。因为此植入体在低能量下要求高剂量，所以其为所提议的簇植入方法的适当应用。0.13μm技术节点的典型植入参数是在5×1015cm-2的砷剂量下每一砷原子约6keV，所以其要求24keV、1.25×1015cm-2As4Hx +植入，12keV、2.5×1015cm-2AsxH2 +植入或6keV、5×1015cm-2As+植入。如图16所示，源极和漏极区域55通过此植入来形成。此等区域提供电流互连(在方法中待稍后形成)与固有晶体管之间的高电导率连接，该固有晶体通过漏极延伸48结合通道区域56和栅极堆栈44、45来界定。栅极电极45可曝露于此植入(如图示)中，且若如此，源极/漏极植入提供用于栅极电极的主要掺杂源极。此在图17中显示为多掺杂层57。
显示PMOS漏极延伸148和PMOS源极和漏极区域155形成的详细图表分别显示於图18和19中。结构与方法与图17和图18中的相同，其中掺杂物类型反向。在图18中，PMOS漏极延伸148通过植入硼簇植入体147来形成。此植入体的典型参数是每个硼原子500eV植入体能量和每0.13μm技术节点5x1014cm-2的剂量。因此，211AMU下的B18Hx+植入体在2.8×1013cm-2的十八硼烷剂量下为9.6keV。图19显示再次通过植入P型簇离子射束154(诸如十八硼烷)形成PMOS源极和漏极区域148。此植入体的典型参数是每个硼原子约2keV的能量和每0.13μm技术节点5x1015cm-2硼剂量(意即，在2.8×1014cm-2下为38.4keV十八硼烷)。
一般来说，单就离子植入对于形成有效的半导体接合是不够的：需要热处理来电活化植入的掺杂物。植入后，半导体基板的晶体结构被严重破坏(基板原子移除晶体晶格位置)且植入的掺杂物仅弱结合到基板原子上，使得植入层具有较差的电特性。通常执行高温下(大于900℃)的热处理或退火以修补半导体晶体结构和取代地定位掺杂物原子，意即，在晶体结构中的一个基板原子的位置，此取代允许掺杂物与基板原子结合且变得电活性；意即，改变半导体层的导电性。然而，此热处理对形成浅接合产生消极影响，因为热处理期间发生了植入掺杂物的扩散。事实上，热处理期间的硼扩散是达成小于0.1微米的体系(regime)中的USJ的限制因素。已对此热处理发展先进的方法来使浅植入掺杂物的扩散降至最低，诸如“峰值退火”。峰值退火是一种快速的热处理，其中最高温度下的滞留时间接近零：温度尽可能快地上升和下降。以此方式，达到活化植入掺杂物所需的高温同时植入掺杂物的扩散被降至最低。预期将结合本发明来利用该先进的热处理以使其在制造完整半导体装置中的利益最大化。
显然，鉴于以上教示，本发明的许多修改或改变是可能的。因此，应了解，在附属权利要求书的范围内，本发明可以以上文具体描述之外的方式来实践。

Claims (24)

1.一种植入离子的方法，其包含以下步骤：
(a)产生一体积的包含BnHm形式的氢化硼分子的气相分子，其中n和m为整数，且n＞10及m≥0；
(b)通过不将全部BnHm +离子分离的电离技术，以500V或1000V的电子电压将所述气相分子电离以得到BnHm +离子；及
(c)通过一电场加速所述BnHm +离子到一靶中。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包含产生一体积的十八硼烷B18H22的气相分子。
3.如权利要求2所述的方法，其中步骤(c)包含加速B18Hx +分子，其中0≤x≤22。
4.如权利要求2所述的方法，其中步骤(c)包含加速B18Hx -分子，其中0≤x≤22。
5.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包含藉由加热到20℃以上使一固体升华来产生一体积气体。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(c)包含加速所述氢化硼离子到一硅靶中。
7.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包含加速氢化硼离子到一绝缘体上外延硅基板靶中。
8.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包含加速氢化硼离子到一应变超晶格基板靶中。
9.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包含加速氢化硼离子到一硅锗(SiGe)应变超晶格靶中。
10.一种植入离子的方法，其包含以下步骤：
(a)产生一体积的包含氢化硼BnHm分子的气相分子，其中n和m为整数，且n＞10及m≥0；
(b)通过不将全部分子离子分离的等离子体技术，以500或1000V的电子电压将所述气相分子电离产生BnHm +离子；及
(c)通过一电场加速该等分子离子以植入到一靶中来执行半导体掺杂。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述电场是一时变电场。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述电场是一脉冲电场。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述电场是一恒定或直流电(DC)电场。
14.如权利要求10所述的方法，其中步骤(a)包含产生十八硼烷B18H22蒸汽。
15.如权利要求10所述的方法，其中步骤(b)包含形成B18Hx +离子的等离子体，其中0≤x≤22。
16.如权利要求10所述的方法，其中步骤(a)包含藉由加热到20℃以上使一固体升华来产生一体积气体。
17.如权利要求10所述的方法，其中步骤(c)包含加速所述氢化硼离子到一硅靶中。
18.如权利要求10所述的方法，其中步骤(c)包含加速所述氢化硼离子到一绝缘体上外延硅基板靶中。
19.如权利要求10所述的方法，其中步骤(c)包含加速所述氢化硼离子到一应变超晶格基板靶中。
20.如权利要求10所述的方法，其中步骤(c)包含加速所述氢化硼离子到一硅锗(SiGe)应变超晶格靶中。
21.一种形成具有一基板的金属氧化物半导体(MOS)的方法，该方法包含以下步骤：
(a)在所述基板的一第一区域中形成一井和相对沟槽隔离；
(b)在界定所述基板曝露部分的所述相对沟槽隔离之间的所述基板上形成一栅极堆栈；所述形成包含以下步骤：i)沉积或成长一栅极电介质；ii)沉积一多晶硅栅极电极，和iii)图案化以形成该栅极堆栈；
(c)将衬垫氧化物沉积在所述基板的所述曝露部分和所述栅极堆栈的顶部上；
(d)通过不将全部BnHm +离子分离的电离技术，以500V或1000V的电子电压Ve产生BnHm +离子，其中n和m为整数，且n＞10及m＞0；
(e)植入所述BnHm +离子以在所述栅极堆栈与所述相对沟槽隔离之间形成漏极延伸；形成与所述栅极堆栈相邻的间隔物；
(f)植入P型簇离子以形成源极和漏极区域；
(g)提供热处理以活化通过所述掺杂步骤而植入的物质，从而形成P型金属氧化物半导体(MOS)装置(PMOS)。
22.如权利要求21所述的方法，其进一步包括以下步骤：
(a)隔离所述基板上的第一和第二区域；
(b)在一第一区域中形成所述PMOS装置；和
(c)在一第二区域中形成NMOS装置。
23.如权利要求22所述的方法，其中步骤(c)包括将N型簇离子植入所述第二区域中。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述N型簇离子是As4Hx +，其中0≤x≤6。
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