專利名稱：離子源燈絲和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及離子植入，更具體地說涉及離子源燈絲以及與之相關(guān)聯(lián)的方法和裝置。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)離子植入是用來把攙雜劑引入半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)技術(shù)。為了使所需要的攙雜劑氣體離子化，電弧放電可以在離子源的電弧室內(nèi)產(chǎn)生。離子可以從離子源中被提取出來，以形成能對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體晶片表面的具有選定的能量的離子束。束中的離子刺入半導(dǎo)體晶片形成植入?yún)^(qū)域。
一些類型的離子源包括位于電弧室內(nèi)有電阻的燈絲。為了產(chǎn)生電弧放電，當(dāng)電壓加在燈絲和正電極之間時(shí)，電流在燈絲上通過。適當(dāng)?shù)臒艚z可以是用鎢或鉭制成的。被稱為Bernas-型燈絲的傳統(tǒng)的燈絲設(shè)計(jì)包括在其頂端的線圈。其它的燈絲類型和設(shè)計(jì)也是已知的。
在某些離子植入程序中提高諸如多電荷離子之類的離子的生成效率是符合需要的。例如，提高離子化的效率能夠使束電流被增大的離子束能夠形成。用來提高離子化效率的技術(shù)包括為了提供較多的電弧功率而提高通過燈絲電流或外加的電壓。
然而，這樣的技術(shù)通常導(dǎo)致減少燈絲的使用壽命，這可能犧牲離子注入機(jī)的性能而且可能增加費(fèi)用。
本發(fā)明的概述本發(fā)明指向離子源燈絲以及與之相關(guān)聯(lián)的方法和裝置。
一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種離子源。該離子源包括電弧室和至少有一部分位于電弧室內(nèi)的燈絲。燈絲包括一對(duì)提高非卷曲的頂部結(jié)合起來的支臂構(gòu)件，頂部定義V-形或U-形的形狀。
另一方面，本發(fā)明提供在離子源中使用燈絲的方法。該方法包括在第一離子源操作條件下使用包括具有第一活性表面區(qū)域的活性部分的第一燈絲以第一效率產(chǎn)生離子源氣體離子。該方法還包括用第二離子源燈絲代替第一離子源燈絲。第二離子源燈絲包括具有比第一活性表面區(qū)域小的第二活性表面區(qū)域的活性部分。該方法進(jìn)一步包括在第一離子源操作條件下使用第二離子源燈絲以比第一效率高的第二效率產(chǎn)生離子源氣體離子。
當(dāng)連同權(quán)利要求書一起考慮的時(shí)候，其它的方面、特征和優(yōu)勢(shì)通過下面的詳細(xì)描述和附圖將變得顯而易見。
附圖簡(jiǎn)要說明

圖1示意地圖解說明可以與本發(fā)明的實(shí)施方案結(jié)合使用的離子植入系統(tǒng)。
圖2a示意地圖解說明包括傳統(tǒng)的燈絲的離子源。
圖2b示意地圖解說明包括依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燈絲的離子源。
圖3是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燈絲的側(cè)視圖。
圖4是圖3所示燈絲的俯視圖。
圖5是比較使用傳統(tǒng)的燈絲和在實(shí)施例1中描述的本發(fā)明的燈絲在各種不同的電弧電壓下獲得的P++束電流的曲線圖。
圖6是比較使用傳統(tǒng)的燈絲和在實(shí)施例1中描述的本發(fā)明的燈絲在各種不同的電弧電壓下獲得的P+++束電流的曲線圖。
圖7是比較使用傳統(tǒng)的燈絲和在實(shí)施例2中描述的本發(fā)明的燈絲在各種不同的電弧電流下獲得的P+++束電流的曲線圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明提供離子源燈絲以及與之相關(guān)聯(lián)的方法和裝置。該離子源燈絲具有發(fā)射電子的表面區(qū)域(即活性部分)比某些傳統(tǒng)的離子源燈絲小的設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)包括燈絲具有V-形或U-形活性部分，而不是在某些傳統(tǒng)的離子源燈絲中的那種卷曲的活性部分。如同下面進(jìn)一步描述的那樣，本發(fā)明的離子源燈絲能提高離子生成效率，尤其是能提高多電荷離子的生成效率。提高的離子生成效率可以使形成束電流較高的適合植入的離子束成為可能。
典型的離子植入系統(tǒng)10的示意方框圖展示在圖1中。該系統(tǒng)的離子源12包括接到電弧室16上的離子源的氣源14。如同下面進(jìn)一步描述的那樣，電弧放電由于電流在燈絲上經(jīng)過和對(duì)燈絲施加電壓而在電弧室中產(chǎn)生。電弧放電包括離子化的離子源氣體分子。離子可以從離子源中提取出來，以便形成沿著束路徑指向諸如半導(dǎo)體晶片20之類的目標(biāo)的離子束18。
離子束18借助質(zhì)量分析磁鐵22偏轉(zhuǎn)和聚焦。在質(zhì)量分析磁鐵22的下游，離子束可以被聚焦在質(zhì)量分辨狹縫組件26的平面中。離子束18被加速器28加速到預(yù)期的能量并且撞擊在位于終點(diǎn)站29之內(nèi)的晶片20上。在離子源12和晶片20之間的整個(gè)區(qū)域在離子植入期間被抽真空。
離子束18可以通過相對(duì)射束機(jī)械掃描晶片、通過相對(duì)晶片掃描離子束或通過這些技術(shù)的組合分布在晶片20的表面上。例如，晶片在離子植入期間可以被安裝在轉(zhuǎn)盤上。終點(diǎn)站29可以包括用來自動(dòng)地把半導(dǎo)體晶片加載到一個(gè)或多個(gè)用于植入的晶片位置上并且在離子植入之后將晶片從所述晶片位置取出的系統(tǒng)。離子植入系統(tǒng)可以包括未被展示但本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的其它的組成部分，例如劑量測(cè)定系統(tǒng)、電子泛射系統(tǒng)(electronflood system)和傾斜角監(jiān)視系統(tǒng)等。
圖2A展示包括具有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的燈絲32a的離子源電弧室30。在這個(gè)說明性的實(shí)施方案中，燈絲32a包括卷曲的頂部34a。圖2B展示包括具有依照本發(fā)明的設(shè)計(jì)的燈絲32b的離子源電弧室30。燈絲32b包括呈V-形的非卷曲的頂部34b。燈絲32a、32b各自的活性部分36a、36b在電弧室內(nèi)延伸距離A。如同在本文中使用的那樣，術(shù)語“活性部分”指的是燈絲位于電弧室內(nèi)的部分?；钚圆糠?6a和36b具有相似的直徑，但是活性部分36b的總長(zhǎng)度比活性部分36a的長(zhǎng)度短。所以，活性部分36b的表面積比活性部分36a的表面積小。如同下面進(jìn)一步描述的那樣，比較小的活性表面區(qū)域使本發(fā)明的燈絲(例如，32b)能夠以比傳統(tǒng)的燈絲(例如，32a)高的效率產(chǎn)生離子。
人們應(yīng)該理解本發(fā)明的燈絲設(shè)計(jì)還可以包括比傳統(tǒng)的頂部設(shè)計(jì)不包括卷曲的燈絲小的活性表面區(qū)域。
在使用期間，來自氣源14的氣體分子(圖1)通過口38送入電弧室。電流通過燈絲32a(32b，圖2b)，使活性部分36a(36b，圖2B)升溫并且從其表面熱離子發(fā)射電子。例如介于大約30伏和大約150伏之間的電壓(即電弧電壓)被加在燈絲和正電極(例如室壁)之間。從燈絲發(fā)射出來的電子與氣體分子碰撞，產(chǎn)生包括離子源氣體離子的電弧放電。為了增加裝置內(nèi)的電子路徑和增加在電弧室內(nèi)與氣體分子碰撞的可能性，還可以施加垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)。如同前面描述的那樣，離子源氣體離子可以被提取出來以形成離子束18(圖1)。
據(jù)信，與活性部分36a相比活性部分36b較小的表面區(qū)域使活性部分36b在相同的操作條件下(即，燈絲電流，電弧電壓等)被加熱到比活性部分36a高的溫度。較高的溫度導(dǎo)致較高能量的電子從活性部分36b熱電子發(fā)射出來。較高的電子能量能增加能夠使氣體分子離子化的碰撞的頻率。因此，與在相同的條件下操作的燈絲32a相比，較高的離子化效率可以通過使用燈絲32b得以實(shí)現(xiàn)。
此外，還據(jù)信，因?yàn)榛钚圆糠?6b與活性部分36a相比具有比較小的表面積，所以來自活性部分36b的電子發(fā)射與來自活性部分36a的相比被局限于比較小的區(qū)域中。因此，活性部分36b周圍的區(qū)域與活性部分36a周圍的區(qū)域相比電子密度有所增加。增加的電子密度提高了那個(gè)區(qū)域中的離子源氣體分子被多次離子化的可能性，例如，經(jīng)由與一個(gè)或多個(gè)電子高能碰撞。這也被認(rèn)為是在相同的操作條件下與燈絲32a相比提高了燈絲32b的離子化效率，尤其是就多電荷離子的生成而論是如此。
使用本發(fā)明燈絲能實(shí)現(xiàn)的較高的離子化效率通常是在不犧牲燈絲壽命的情況下獲得的。這代表超過某些用來提高離子化效率的傳統(tǒng)技術(shù)(例如那些涉及通過可能減少燈絲壽命的增大電弧電流和/或電弧電壓來增加電弧功率的技術(shù))的優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明的燈絲尺寸部份地取決于使用它們的系統(tǒng)和工藝。通常燈絲具有與傳統(tǒng)的燈絲設(shè)計(jì)相似的橫截面積并且進(jìn)入電弧室延伸相同的距離(例如，圖1中的A)是符合要求的。這能增加本發(fā)明的燈絲與現(xiàn)有的離子植入系統(tǒng)的相容性并且有助于用本發(fā)明的燈絲替代傳統(tǒng)的燈絲。如同前面描述的那樣，本發(fā)明的燈絲與傳統(tǒng)的燈絲相比可以有被減少的活性部分長(zhǎng)度。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的燈絲(例如，32b)的活性部分長(zhǎng)度是傳統(tǒng)燈絲(例如，32a)的活性部分長(zhǎng)度的大約50％至大約80％。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的燈絲的活性部分長(zhǎng)度是傳統(tǒng)燈絲的活性部分長(zhǎng)度的大約60％至大約70％。例如，活性部分長(zhǎng)度大約為1.3英寸的本發(fā)明的燈絲能用來代替活性部分長(zhǎng)度大約為2.0英寸而且包括卷曲的頂部的傳統(tǒng)燈絲。
然而，人們應(yīng)該理解在一些實(shí)施方案中本發(fā)明的燈絲可以具有與傳統(tǒng)燈絲相同的長(zhǎng)度。在這些實(shí)施方案中，本發(fā)明的燈絲的較小的活性表面區(qū)域可以作為較小的橫截面積的結(jié)果。
圖3和4進(jìn)一步圖解說明依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燈絲42的設(shè)計(jì)。如圖所示，燈絲42包括通過V形的頂部48結(jié)合起來的實(shí)質(zhì)上平行支臂構(gòu)件44，46。在其它的實(shí)施方案中，頂部可以是U形的和/或可以定義曲率半徑。在其它的實(shí)施方案中，頂部可以有其它的形狀。支臂構(gòu)件不平行也是可能的。
在圖3和4的實(shí)施方案中，支臂構(gòu)件44，46定義的第一平面B與頂部48所定義平面C相交，形成角度D。這種設(shè)計(jì)可以有助于頂部48在電弧室中定位于靠近氣體入口的地方，這在某些情況下可能是優(yōu)選的。因?yàn)轫敳?8通常是燈絲最熱的部分，所以使頂部位于氣體入口附近能夠增加這個(gè)區(qū)域中發(fā)射的電子的密度，從而能提高離子化效率。
人們還應(yīng)該理解在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中支臂構(gòu)件44、46和頂部48可以在同一平面中。
與本發(fā)明一起使用的燈絲可以是用鎢、鉭、或其它技術(shù)上已知的適當(dāng)?shù)牟牧现瞥傻摹?br> 本發(fā)明的燈絲可以被用在任何適當(dāng)?shù)碾x子植入系統(tǒng)中。這種燈絲可以提高任何類型的離子源氣體的離子化效率。然而，這種燈絲對(duì)于增加來自具有高電離電位的離子源氣體(例如氦)離子的生產(chǎn)或者對(duì)于增加多電荷離子的生產(chǎn)可能是特別有用的。具體地說，He++的生產(chǎn)效率可以通過使用本發(fā)明的燈絲得以提高。在一些實(shí)施方案中，在電弧室內(nèi)可以提供氣體混合物并且使之離子化。例如，在一些實(shí)施方案中，為了進(jìn)一步增加氦的電離電位，在電弧室內(nèi)提供氦氣/第二種氣體的混合物可能是符合需要的。適當(dāng)?shù)暮せ旌衔锖凸に囈延忻枋觯?，?002年4月3日申請(qǐng)的以“Helium Ion Generation Mothed and Apparatus(氦離子的生成方法和裝置)”為題的共同擁有的未審的美國專利申請(qǐng)(尚未分配序列號(hào))中，其揭示在此通過引證被全文并入本文。
本發(fā)明將通過下面實(shí)施例予以進(jìn)一步的舉例說明，這些實(shí)施例本質(zhì)上是說明性的，不被看作是限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1這個(gè)實(shí)施例說明用使用本發(fā)明的與傳統(tǒng)燈絲相比活性表面區(qū)域有所減少的燈絲的離子源生產(chǎn)包括多電荷氦離子(He++)的離子束。
來自Varian Semiconductor Equipment Associated，Inc.(VSEA)，(Gloucester MA，USA)的EHPi-500型中等強(qiáng)度電流的離子注入機(jī)經(jīng)過改造后包括250伏特(V)和4安培(A)電弧電源并且允許大約3倍于市售機(jī)器配置所允許的大約10托的最大值的氣體壓力。這臺(tái)注入機(jī)改造后還允許50A的離子源磁鐵電流和高達(dá)25毫安(mA)的引出電流。
注入機(jī)中所用的燈絲具有與通常在這臺(tái)離子注入機(jī)中使用的包括卷曲頂部的傳統(tǒng)的Bernas型燈絲相同的直徑和活性部分伸入電弧室的距離。所用燈絲的活性部分的總長(zhǎng)度是大約1.3英寸(3.3cm)，比用于傳統(tǒng)燈絲的2.0英寸(5.1cm)短。
氦被用作離子源氣體。離子源在大約240伏特的電弧電壓、大約4.3安培的電弧電流、大約25托的源壓力和大約15毫安的引出電流下操作。在這些操作條件下，大約47μA的He++調(diào)定束電流被測(cè)量。這個(gè)調(diào)定束電流在目標(biāo)晶片轉(zhuǎn)變成大約40μA的He++電流。
表1展示其它的操作條件和實(shí)測(cè)的He+和He++的調(diào)定束電流。
表1
實(shí)施例2這個(gè)實(shí)施例說明依照本發(fā)明使用活性表面區(qū)域相對(duì)傳統(tǒng)的燈絲有所減少的燈絲所獲得的被增加的束電流和離子化效率。
采用在實(shí)施例1中描述的離子注入機(jī)。采用磷氣源。在一組試驗(yàn)中使用傳統(tǒng)的燈絲(2.0英寸活性部分)。在另一組試驗(yàn)中使用表面區(qū)域被減少的燈絲(1.3英寸活性部分)。傳統(tǒng)的燈絲和表面區(qū)域被減少的燈絲具有相同的直徑并且深入電弧室同樣的距離。
采用兩種燈絲的試驗(yàn)是在大約3.85托的氣體壓力和大約4安培的電弧電流下進(jìn)行的。在兩組試驗(yàn)中，電弧電壓都是從大約20伏特增加到150伏特。P++離子和P+++離子的束電流是按每個(gè)10伏特增量進(jìn)行測(cè)量的。圖5將使用傳統(tǒng)燈絲獲得的P++離子的束電流與使用表面區(qū)域被減少的燈絲獲得的P++離子的束電流進(jìn)行比較。圖6將使用傳統(tǒng)燈絲獲得的P+++離子的束電流與使用表面區(qū)域被減少的燈絲獲得的P+++離子的束電流進(jìn)行比較。如圖5和6所示，使用表面區(qū)域被減少的燈絲獲得的P++離子和P+++離子的束電流大于那些使用傳統(tǒng)燈絲獲得的束電流。這表示使用表面區(qū)域被減少的燈絲獲得增強(qiáng)的磷離子化。
采用兩種燈絲的附加組的試驗(yàn)是在大約3.85托的氣體壓力和大約120伏特的電弧電壓下進(jìn)行的。在兩組試驗(yàn)中，電弧電流都是從大約0安培增加到大約4.5安培。P+++離子的束電流是按每個(gè)0.5安培增量進(jìn)行測(cè)量的。圖7將使用傳統(tǒng)燈絲獲得的P+++離子的束電流與使用表面區(qū)域被減少的燈絲獲得的P+++離子的束電流進(jìn)行比較。如圖7所示，使用表面區(qū)域被減少的燈絲獲得的P+++離子的束電流大于那些使用傳統(tǒng)燈絲獲得的束電流。這表示使用表面區(qū)域被減少的燈絲獲得增強(qiáng)的磷離子化。
上面的描述和實(shí)施例傾向于是說明性的和并非窮盡的。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員這種描述將提出許多變化和替代方案。所有這些替代方案和變化都傾向于被包括在權(quán)利要求書的范圍之中。本領(lǐng)域技術(shù)人員將承認(rèn)在此描述的特定的實(shí)施方案的其它等價(jià)方案，這些等價(jià)方案也傾向于被權(quán)利要求書囊括。此外，在獨(dú)立的權(quán)項(xiàng)中提出的具體特征可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)以其它方式相互結(jié)合，以致本發(fā)明也應(yīng)該作為明確地指向具有權(quán)項(xiàng)特征的任何其它的可能組合的其它的實(shí)施方案被辨認(rèn)。
權(quán)利要求
1.一種離子源，其中包括電弧室；以及至少有一部分位于電弧室中的燈絲，該燈絲包括一對(duì)通過非卷曲的頂部結(jié)合起來的支臂構(gòu)件，頂部定義V-形或U-形的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中支臂構(gòu)件是通常平行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中支臂構(gòu)件定義第一平面，而且頂部定義與第一平面呈銳角相交的第二平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中燈絲是用鎢或鉭制成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，進(jìn)一步包括在室中形成的離子源氣體入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的離子源，其中頂部是燈絲到離子源氣體入口最近的部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中燈絲的活性部分延伸到電弧室之中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，進(jìn)一步包括離子源的氣源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中離子源氣體是氦。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中離子源氣體是氦和第二種氣體的混合物。
11.一種操作離子源中的燈絲的方法，其中包括在第一離子源操作條件下使用包括具有第一活性表面區(qū)域的活性部分的第一燈絲以第一效率產(chǎn)生離子源氣體離子；用第二離子源燈絲代替第一離子源燈絲，第二離子源燈絲包括具有比第一活性表面區(qū)域小的第二活性表面區(qū)域的活性部分；以及在第一離子源操作條件下使用第二離子源燈絲以比第一效率高的第二效率產(chǎn)生離子源氣體離子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中第二離子源燈絲的活性部分的總長(zhǎng)度小于第一離子源燈絲的活性部分的總長(zhǎng)度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中第二離子源燈絲的活性部分是第一離子源燈絲的活性部分的總長(zhǎng)度的大約50％到大約80％。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中第二離子源燈絲的活性部分是第一離子源燈絲的活性部分的總長(zhǎng)度的大約60％到大約70％。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中第二離子源燈絲的活性部分的橫截面積與第一離子源燈絲的活性部分的橫截面積相同。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中第二離子源燈絲的活性部分的總長(zhǎng)度與第一離子源燈絲的活性部分的總長(zhǎng)度相同，而第二離子源燈絲的活性部分的橫截面積小于第一離子源燈絲的活性部分的橫截面積。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中第二離子源燈絲包括一對(duì)通過非卷曲的頂部結(jié)合起來的支臂構(gòu)件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中非卷曲的頂部定義V-形或U-形的形狀。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中支臂構(gòu)件定義第一平面，而頂部定義與第一平面呈銳角相交的第二平面。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中第一離子源燈絲包括卷曲的頂部。
21.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所產(chǎn)生的離子源氣體離子是帶多電荷的。
22.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所產(chǎn)生的離子源氣體離子是氦離子。
23.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中離子源氣體包括氦。
全文摘要
這項(xiàng)發(fā)明提供離子源燈絲以及相關(guān)聯(lián)的方法和裝置。這種離子源燈絲具有與某些傳統(tǒng)的離子源燈絲相比發(fā)射電子的表面區(qū)域(即活性部分)較小的設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)包括具有V－形或U－形活性部分的燈絲，而不是在某些傳統(tǒng)的離子源燈絲中的那種卷曲的活性部分。這項(xiàng)發(fā)明的離子源燈絲能提高離子生成的效率，尤其是多電荷離子的生成效率。這種提高的離子生成效率可以使形成具有適合植入的較高的束電流的離子束成為可能。
文檔編號(hào)H01J37/08GK1526154SQ02807672
公開日2004年9月1日 申請(qǐng)日期2002年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月3日
發(fā)明者詹米·M·雷耶斯, 詹米 M 雷耶斯 申請(qǐng)人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備聯(lián)合公司