專利名稱：：通過(guò)植入n-及p-型簇離子及負(fù)離子制造cmos器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種離子植入系統(tǒng)及一種半導(dǎo)體制造方法，其用于植入由N-型摻雜劑簇離子的簇構(gòu)成的離子束以及帶負(fù)電荷的簇離子束。
背景技術(shù)：
：域。所選雜質(zhì)元素應(yīng)與半導(dǎo)體材料適當(dāng)結(jié)合形成電載流子并改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率。其中，電載流子既可為電子(由N-型摻雜劑產(chǎn)生)亦可為空穴(由P-型摻雜劑產(chǎn)生)。所引入摻雜劑雜質(zhì)的濃度會(huì)決定由此得到的區(qū)域的導(dǎo)電性。為形成晶體管結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)及其他此等電子結(jié)構(gòu)(其統(tǒng)統(tǒng)用作半導(dǎo)體器件)，必須形成許多此等N-型及P-型雜質(zhì)區(qū)域。用于將摻雜劑引入半導(dǎo)體襯底中的傳統(tǒng)方法是通過(guò)離子植入。在離子植入中，是將一含有所需元素的進(jìn)料引入一離子源中并引入能量將該進(jìn)料離子化，從而形成含有摻雜劑元素(例如元素"As，"B,115In,"P，或mSb)的離子。然后，提供一加速電池來(lái)提取并使通常帶正電荷的離子加速，從而形成離子束。然后，如所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中所習(xí)知，使用質(zhì)量分析來(lái)選取欲植入的物質(zhì)，并將離子束射向一半導(dǎo)體襯底。加速的電場(chǎng)會(huì)使離子具有動(dòng)能，從而使離子能夠滲透入目標(biāo)中。離子的能量及質(zhì)量決定了其滲透入目標(biāo)中的深度，其中離子的能量愈大及/或質(zhì)量愈小，其速度即會(huì)愈高，因而滲透入目標(biāo)中愈深。離子植入系統(tǒng)構(gòu)造用于精心地控制植入工藝中的關(guān)鍵變量，例如離子束能量、離子束質(zhì)量、離子束電流(每單位時(shí)間中的電荷)、及在目標(biāo)處的離子劑量(滲透入目標(biāo)中每單位面積的總離子數(shù))。此外，為保持半導(dǎo)體器件的成品率，還必須控制離子束角散度(離子撞擊襯底的角度的變化)及離子束空間均勻性及范圍。近來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)植入負(fù)離子會(huì)優(yōu)于植入正離子，舉例而言，參見(jiàn)D.C.Jacobson,KonstantinBourdelle，H-J.Gossmann，M.Sosnowski，M.A.Albano,V.Babaram,J.M.Poate,AdityaAgarwal，AlexPerel及TomHorsky所著的"十硼烷，一種用于超低能量離子植入的替代方法(Decaborane,anAlternativeapproachtoUltraLowEnergyIonImplantation)"(2000年在奧地利Alpsbach舉行的IEEE第XIII屆國(guó)際離子植入技術(shù)會(huì)議會(huì)刊)；N.Kishimoto等人所著的"一種大電流負(fù)離子植入機(jī)及其對(duì)在絕緣體中制造納米晶體的應(yīng)用(AHigh-CurrentNegative-IonImplanteranditsApplicationfor:NanocrystalFabricationinInsulators)，，(1998年6月22—26日在日本Kyoto舉行的IEEE第XII屆國(guó)際離子植入技術(shù)會(huì)議會(huì)刊，(1999)342-345);N.Tsubouchi等人所著的"質(zhì)量分離的低能正離子及負(fù)離子沉積裝置的離子束表征(BeamCharacterizationofMass-Separated,Low-EnergyPositiveandNegativeIonsDepositionApparatus)，，(1998年6月22—26日在日本Kyoto舉4亍的IEEE第XII屆國(guó)際離子植入技術(shù)會(huì)議會(huì)刊，(1999)350-353);及J認(rèn)oIshikawa等人所著的"負(fù)離子植入技術(shù)(Negative-IonImplantationTechnique)，，(PhysicsResearchB96(1995)7-12中的核儀器及方法(NuclearInstrumentsandMethods))。負(fù)離子植入的一個(gè)極為重要的優(yōu)點(diǎn)是會(huì)降低在CMOS制造中由離子植入引起的VLSI器件的表面充電。一般而言，正離子的大電流(處于lmA或更大的數(shù)量級(jí))植入會(huì)在門極氧化層及半導(dǎo)體器件的其他組件上產(chǎn)生正電位，該種正電位可很容易地超過(guò)門極氧化層的損壞閾值。當(dāng)一正離子撞擊半導(dǎo)體器件的表面時(shí)，其不僅會(huì)電積一凈的正電荷，而且還同時(shí)解放二次電子，從而使電荷效應(yīng)倍增。因此，離子植入系統(tǒng)的設(shè)備經(jīng)銷商已開發(fā)出一種用于在植入過(guò)程中將低能電子引入帶正電荷的離子束內(nèi)及器件圓片表面上的精密的電荷控制裝置，即所謂的淹沒(méi)式電子槍。此種淹沒(méi)式電子系統(tǒng)會(huì)在制造工藝中引入其他變量，且無(wú)法徹底消除因表面充電而引起的成品率損失。隨著半導(dǎo)體器件變得愈來(lái)愈小，晶體管的工作電壓及門極氧化層厚度也變得愈來(lái)愈小，從而會(huì)降低半導(dǎo)體器件制造中的損壞閾值，致使成品率隨之降低。因此，對(duì)于許多前言工藝而言，負(fù)離子植入會(huì)在成品率方面較傳統(tǒng)的正離子植入有潛在的明顯改良。遺憾的是，此種技術(shù)在市面上尚未有售，且事實(shí)上，就作者所知，目前負(fù)離子植入尚未用于制造集成電路，甚至尚未用于研究及開發(fā)?，F(xiàn)有技術(shù)負(fù)離子源是依賴于所謂的負(fù)吸附性濺射耙。其中是將一重的惰性氣體(例如氮)饋送入一等離子源，由該等離子源形成Xe+離子。Xe+離子在形成后即刻被吸至一承受負(fù)偏壓的濺射靶，該濺射靶已涂覆有銫蒸氣或其他適當(dāng)?shù)膲A性材料。高能Xe+離子會(huì)濺射掉中性的靶原子，由于銫涂層具有負(fù)電子吸附性，因而某些中性的靶原子會(huì)在離開靶表面時(shí)拾取一個(gè)電子。一旦帶上負(fù)電荷，靶離子即會(huì)被推斥遠(yuǎn)離靶，并可由靜電離子光學(xué)裝置自離子源收集并會(huì)聚成一負(fù)離子束。盡管可使用此種方法產(chǎn)生半導(dǎo)體摻雜劑離子(例如硼)，然而，離子電流往往偏低，離子束出射度往往偏大，且銫蒸氣的存在會(huì)對(duì)圓片成品率造成令人無(wú)法接受的風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)閴A性金屬被認(rèn)為會(huì)嚴(yán)重污染硅的處理。因此，需要具有一種在商業(yè)上更為可行的負(fù)離子源技術(shù)。在半導(dǎo)體制造工藝中尤其關(guān)心在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成P-N結(jié)。此要求形成相鄰的N-型及P-型摻雜區(qū)域。一個(gè)形成一結(jié)的一般性實(shí)例是將N-型摻雜劑植入一已含有一均勻分布的P-型摻雜劑的半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)。在此一情形中，一重要參數(shù)是結(jié)深度，其定義為自N-型與P-型摻雜劑具有相等濃度的半導(dǎo)體表面開始的深度。該結(jié)深度主要取決于所植入摻雜劑的質(zhì)量、能量及劑量。現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的一個(gè)重要方面是不斷地向更小、更快的器件演化。該過(guò)程稱作按比例縮小(scaling)。按比例縮小是受到微影工藝的不斷改良進(jìn)步的推動(dòng)，微影工藝的不斷改良進(jìn)步使人們能夠在含有集成電路的半導(dǎo)體襯底中界定出越來(lái)越小的形體。目前已形成了一種廣為接受的按比例縮小理論用來(lái)指導(dǎo)芯片制造商適當(dāng)?shù)赝瑫r(shí)(即在每一技術(shù)節(jié)點(diǎn)或按比例縮小節(jié)點(diǎn)處)改變半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)中所有方面的尺寸。按比例縮小技術(shù)對(duì)離子植入工藝的最大影響是結(jié)深度按比例縮小，此要求隨著器件尺寸的減小而使結(jié)日益變淺。使結(jié)隨著集成電路技術(shù)按比例縮小而日益變淺這一要求可表現(xiàn)為如下要求在每一按比例縮小步驟中均必須降低離子植入能量。近來(lái)，許多關(guān)鍵植入所需的離子能量已降低到了如下程度最初開發(fā)用于產(chǎn)生能量高得多的離子束的傳統(tǒng)離子植入系統(tǒng)已無(wú)法有效地提供所需植入。這些極淺的結(jié)稱作"超淺結(jié)(Ultra-ShallowJunctions)，，或USJ。在自離子源提取離子及隨后穿過(guò)植入機(jī)的離子束線輸運(yùn)離子時(shí)，傳統(tǒng)離子植入系統(tǒng)在低離子束能量情況下的局限性最為明顯。離子提取會(huì)受到Child-Lang咖ir關(guān)系式的約束，Child-Langmuir關(guān)系式表明:所提取的離子束電流密度與提取電壓(即在提取時(shí)的離子束能量)的3/2次方成正比。圖1為一表示最大所提取砷離子束電流與提取電壓之間關(guān)系的曲線圖。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，已假定在所提取離子束中僅存在"As+離子。圖l表明，當(dāng)降低能量時(shí)，提取電流會(huì)迅速減小。在傳統(tǒng)的離子植入機(jī)中，發(fā)現(xiàn)這種"提取受限"操作方式的能量低于約10keV。在輸運(yùn)低能離子束時(shí)亦存在相同的約束。離子束的能量愈低，其行進(jìn)速度即愈低，因而對(duì)于一既定的離子束電流值，各離子會(huì)更靠近于一起，亦即離子密度會(huì)增大。此可由關(guān)系式J-nev看出，其中J為離子束電流密度(單位為mA/cm2)，n為離子密度(單位為cm—3),e為電子電荷(=6.02xl0—"庫(kù)侖)，v為平均離子速度(單位為cm/s)。由于各離子之間的靜電力與其間距離的平方成反比，因此在低能量下的互斥力要強(qiáng)得多，因而此會(huì)使離子束發(fā)散。此種現(xiàn)象稱作"離子束放大(beamblow-up)"。盡管植入機(jī)的離子束線中所存在的低能電子流往往會(huì)被帶正電荷的離子束捕獲因而有助于補(bǔ)償輸運(yùn)期間的空間電荷放大，然而仍會(huì)出現(xiàn)離子束放大，且在存在靜電聚焦透鏡時(shí)最為顯著，因?yàn)殪o電聚焦透鏡往往會(huì)自離子束中剝除掉松散結(jié)合的具有極高流動(dòng)性的補(bǔ)償電子。對(duì)于砷(75個(gè)原子質(zhì)量單位)等偏重的原子，由于在一既定離子能量下離子速度會(huì)慢于輕的原子，因而低能光束的輸運(yùn)可能很困難。對(duì)于P-型摻雜劑硼亦存在很大的提取及輸運(yùn)困難。某些前沿工藝所需的極低(例如低于1keV)的植入能量以及如下事實(shí)使硼輸運(yùn)變得很困難自一典型BF3源等離子中提取及輸運(yùn)的大部分離子并非所需的離子"B+,而是離子碎片(例如19F+及"BF/),這些離子碎片會(huì)增大電荷密度及所提取離子束的平均質(zhì)量。展望VLSI半導(dǎo)體制造的未來(lái)，在輸運(yùn)大的低能As及B電流方面所存在的這些困難將會(huì)一同使USJ的形成極具挑戰(zhàn)性。一種受益于上述Child-Langmuir方程式的方法是通過(guò)將一含有所涉及摻雜劑的分子離子化而非將摻雜劑原子離子化來(lái)增大離子質(zhì)量，例如圖la所示。通過(guò)此種方式，盡管在輸運(yùn)期間分子的動(dòng)能更大，然而，在進(jìn)入襯底時(shí)，分子會(huì)分裂成其構(gòu)成原子，從而使分子能量由各個(gè)原子根據(jù)原子質(zhì)量分布來(lái)分配，從而使摻雜劑原子的植入能量遠(yuǎn)低于其最初的輸運(yùn)動(dòng)能。下面考慮將一摻雜劑原子"X"結(jié)合至一基團(tuán)"Y"(為論證起見(jiàn)，不管"Y"是否會(huì)影響該器件形成工藝)。若植入離子xY+而非植入r,則xr的提取及輸運(yùn)能量必定會(huì)更高，該能量的增加系數(shù)等于((XY的質(zhì)量)/(X的質(zhì)量)h此會(huì)確保X的速度保持不變。由于在上文中Child-Langmuir方程式所述的空間電荷效應(yīng)對(duì)于離子能量而言為超線性，因而可輸運(yùn)的最大離子電流會(huì)增大。在歷史上，使用多原子分子來(lái)解決低能植入問(wèn)題的作法已為所述
技術(shù)領(lǐng)域：
所知。一常見(jiàn)的實(shí)例是在植入低能硼時(shí)使用BFZ分子取代B+。該方法將所原料氣體BF3離解成BF/用于植入。通過(guò)此種方式，將離子質(zhì)量增大至49個(gè)原子質(zhì)量單位，從而使提取及輸運(yùn)能量相對(duì)于使用單一硼原子而言幾乎增大到5倍(即49/11)。然而，在植入后，硼的能量會(huì)降低到相同的倍數(shù)(49/11)。我們注意到，由于在離子束中每單位電荷僅有一個(gè)硼原子，因而此種方法不會(huì)降低離子束的電流密度。此外，此種方法亦將氟原子隨硼一同植入半導(dǎo)體襯底中，然而人們知道，氟會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件表現(xiàn)出不利影響。目前亦存在將十硼烷作為多原子分子用于離子植入的原子離子工藝，如Jacobson等人在"十硼烷，一種用于超低能量離子植入的替代方法(Decaborane,anAlternativeapproachtoUltraLowEnergyIonImplantation)"(在奧地利Alpsbach舉行的IEEE第XIII屆國(guó)際離子植入技術(shù)會(huì)議會(huì)刊，第300-303頁(yè)(2000年))中及Yamada在"氣體簇離子束對(duì)于材料處理的應(yīng)用(Applicationofgasclusterionbeamsformaterialprocessing)"(MaterialsScienceandEngineeringA217/218,第82-88頁(yè)U996年))中所報(bào)導(dǎo)。在此種情形中，所植入粒子為十硼烷分子Bu)H"的離子，其含有10個(gè)硼原子，因而為一硼原子"簇"。此種技術(shù)不僅會(huì)增大離子質(zhì)量，而且由于十硼烷離子Bi。H/每單位電荷具有十個(gè)硼原子，因而對(duì)于一既定的離子電流，其會(huì)顯著增大植入劑量率。這是一種用于在硅中形成USJP-型金屬氧化物半導(dǎo)體(PM0S)晶體管、且一般而言用于植入極低能量硼的極具前景的技術(shù)。顯著降低離子束中所載送的電流(在使用十硼烷離子時(shí)降低一因數(shù)10)不僅會(huì)降低離子束的空間電荷效應(yīng)，而且還會(huì)降低圓片充電效應(yīng)。我們知道，由正離子束轟擊所引起的圓片充電尤其是門極氧化層充電會(huì)通過(guò)破壞敏感的門極絕緣而降低器件成品率，因而通過(guò)使用蔟離子束而實(shí)現(xiàn)的此一電流降低對(duì)于必須日益提供極低門極閾電壓的USJ器件制造而言極具吸引力。應(yīng)注意，在這兩個(gè)P-型分子植入的實(shí)例中，是通過(guò)僅將所原料材料離子化而非通過(guò)將所原料材料積聚成簇來(lái)形成離子。還應(yīng)注意，迄今為止，尚未開發(fā)出一種相媲美的用于制成N-型分子摻雜劑離子的技術(shù)?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)處理在將來(lái)能否成功可能極大地依賴于可行的N-型及P-型多原子植入技術(shù)是否能得到商業(yè)化。因此，需要解決半導(dǎo)體制造工業(yè)現(xiàn)今所面臨的兩個(gè)明顯的問(wèn)題圓片充電問(wèn)題及低能離子植入的低生產(chǎn)率問(wèn)題。在歷史上，將離子植入機(jī)劃分為三種基本類型大電流植入機(jī)，中等電流植入機(jī)及高能量植入機(jī)。而簇離子束適用于大電流及中等電流植入工藝。更具體而言，目前的大電流植入機(jī)主要用于形成晶體管的低能量、大劑量區(qū)域(例如漏極結(jié)構(gòu))及摻雜多晶硅門極。其通常為批處理植入機(jī)，亦即其可處理安裝于一轉(zhuǎn)盤上的許多個(gè)圓片而離子束保持靜止。大電流離子束線往往簡(jiǎn)單且對(duì)離子束具有大的接受度；在低能量及大電流情況下，襯底處的離子束往往較大，具有一大的角散度。中等電流植入機(jī)通常包含一順序性(每次一個(gè)圓片)處理室，其可提供一高傾斜功能(例如自襯底法線傾斜達(dá)60度)。為確保劑量的均勻性，通常以電^t方式沿一正交方向在整個(gè)圓片上掃描離子束。為滿足商業(yè)上的植入劑量均勻性及可重復(fù)性要求(通常要求僅偏差百分之幾)，離子束應(yīng)具有優(yōu)異的角度及空間均勻性(例如圓片上離子束的角度均勻性<2度)。鑒于這些要求，將中等電流離子束線設(shè)計(jì)成可提供優(yōu)異的離子束控制，但代價(jià)是接受度有限。換言之，離子通過(guò)植入機(jī)的傳輸效率受到離子束出射度的限制。目前，在順序性植入機(jī)中以低(<10keV)能量產(chǎn)生更高電流(約1mA)的離子束很成問(wèn)題，致使對(duì)于某些更低能量的植入(例如在前沿CMOS工藝中形成源極及漏極結(jié)構(gòu)時(shí))，圓片的生產(chǎn)率會(huì)低得令人無(wú)法接受。在每一離子能量〈5keV的低離子束能量下，對(duì)于批處理植入機(jī)(處理一轉(zhuǎn)盤上所安裝的許多個(gè)圓片)而言，亦存在同樣的輸運(yùn)問(wèn)題。盡管可設(shè)計(jì)出幾乎無(wú)像差的離子束輸運(yùn)光學(xué)裝置，然而離子束特性(空間范圍，空間均勻性，角散度及角度均勻性)主要取決于離子源自身的出射度性質(zhì)(即在提取離子時(shí)的離子束性質(zhì)，其決定了在離子束自離子源出射時(shí)植入機(jī)光學(xué)裝置將離子束聚焦及控制到的范圍)。而使用簇離子束代替單體離子束可提高離子束輸運(yùn)能量并降低離子束所載送電流，從而明顯增強(qiáng)離子束的出射。因此，在半導(dǎo)體制造中，需要一種簇離子及簇離子源技術(shù)，以便除了提供更有效的劑量率及更高的生產(chǎn)率外，亦在目標(biāo)上提供一經(jīng)過(guò)更佳聚焦、更為準(zhǔn)直且更嚴(yán)格受控的離子束。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種制造一半導(dǎo)體器件的方法，該方法能夠在半導(dǎo)體襯底中形成具有N-型(即受主)導(dǎo)電率的超淺的雜質(zhì)摻雜區(qū)域，而且是以高生產(chǎn)率來(lái)形成。本發(fā)明的另一方面是提供一種離子植入系統(tǒng)及方法，其中以Bi。H/的形式產(chǎn)生帶負(fù)電荷的十硼烷(B,。H")離子并將其植入一半導(dǎo)體襯底中形成p-n結(jié)。本發(fā)明的另一目的是提供一種制造一半導(dǎo)體器件的方法，該方法能夠使用AsoH/形式(對(duì)于N-型蔟,其中n=3或4且0^^n+2)及B^x+或B,。Hx匿形式(對(duì)于P-型簇)的N-型及P-型簇來(lái)形成N-型或P-型(即受主或施主)超淺的雜質(zhì)摻雜區(qū)域。本發(fā)明的又一目的是提供一種植入As3Hx+及As4Hx+形式的砷簇離子的方法，該方法能夠在一半導(dǎo)體襯底中形成N導(dǎo)電率型的超淺起植入?yún)^(qū)域。本發(fā)明的又一目的是提供一種通過(guò)如下方式制作PA+形式(其中n等于2，3或4,x處于0"《6的范圍內(nèi))的磷簇離子的方法將PH3原料氣體離子化，隨后將該磷簇植入一半導(dǎo)體襯底中以完成N-型摻雜。本發(fā)明的又一目的是提供一種通過(guò)如下方式制作BA+形式(其中n等于2，3或4，x處于0《x《6的范圍內(nèi))的硼簇離子的方法將82^原料氣體離子化，隨后將該硼簇植入一半導(dǎo)體襯底中以完成P-型#^雜。本發(fā)明的再一目的是提供一種用于制造半導(dǎo)體器件的離子植入系統(tǒng)，其已設(shè)計(jì)成使用簇離子在一半導(dǎo)體襯底中形成N或P導(dǎo)電率型的超淺的雜質(zhì)摻雜區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種植入簇離子的方法，其包括如下步驟在一離子化室內(nèi)提供一摻雜劑原子或分子源，將摻雜劑原子或分子組合成含有若干摻雜劑原子的簇，將這些摻雜劑簇離子化成摻雜劑簇離子，使用一電場(chǎng)提取摻雜劑簇離子并使其加速，對(duì)離子束進(jìn)行質(zhì)量分析，然后將摻雜劑簇離子植入一半導(dǎo)體襯底中。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種如下方法通過(guò)植入一由n個(gè)摻雜劑原子(在As4Hx+情況下n=4)構(gòu)成的簇而非每次植入一單一原子，使半導(dǎo)體器件制造商能夠改進(jìn)在提取低能離子束時(shí)存在的困難。由于蔟中的每一原子均以一E/n的能量植入，因而該種簇離子植入方法提供了低能量單原子植入的等效方法。因此，植入機(jī)以一較所需植入能量高n倍的提取電壓工作，此能夠?qū)崿F(xiàn)更高的離子束電流，尤其是在形成USJ所需的低植入能量下?？紤]離子提取階段，通過(guò)估算Child-Langmuir限值，可對(duì)簇離子植入所實(shí)現(xiàn)的相對(duì)改良進(jìn)行量化。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，該限值可近似表示為(1)4^=!.輔/4",其中/,的單位為mA/cm2,Q為離子電荷狀態(tài)，A為離子質(zhì)量(單位為AMU),K為提取電壓(單位為kV),d為間隙寬度(單位為cm)。圖1為一在使用75As+且d-1.27cm情況下方程式(l)的曲線圖。在實(shí)際中，可使許多離子植入劑所用的提取光學(xué)裝置接近該限值。通過(guò)擴(kuò)展方程式(l),可界定如下指標(biāo)數(shù)A,以對(duì)簇離子植入相對(duì)于單原子植入的生產(chǎn)率或植入劑量率的增量進(jìn)行量化(2)d^KfCJUt^幼鄉(xiāng)ii/裕tr"此處，A為與以能量W(其中^產(chǎn)eV)進(jìn)行一質(zhì)量為現(xiàn)的原子的單原子植入相比，以一能量tt植入一具有n個(gè)所涉及摻雜劑原子的簇時(shí)獲得的劑量率(原子/秒)的相對(duì)提高量。倘若調(diào)整tt使摻雜劑植入深度與單原子(n=l)情況相同，則方程式(2)簡(jiǎn)化為(3)△=n2。因此，植入一由n個(gè)摻雜劑原子構(gòu)成的蔟所提供的劑量率有可能比傳統(tǒng)的單原子植入高W倍。在AsJlx+情況下，對(duì)于小的x,該最高劑量率提高量約為16倍。圖2顯示了低能As與As4植入之間的比較，以對(duì)此進(jìn)行闡釋。使用簇進(jìn)行離子植入亦會(huì)解決低能離子束的輸運(yùn)問(wèn)題。應(yīng)注意，簇離子植入工藝僅要求每一簇具有一個(gè)電荷，而非如在傳統(tǒng)情況中一般使每一摻雜劑原子均帶有一個(gè)電荷。由于發(fā)散性庫(kù)侖力會(huì)隨著電荷密度的降低而降低，因而此可提高輸運(yùn)效率(離子束傳輸)。此外，離子簇的質(zhì)量高于其單體，因此更不易受到離子束內(nèi)庫(kù)侖力的影響。因此，使用由n個(gè)摻雜劑原子構(gòu)成的簇而非使用單一原子進(jìn)行植入會(huì)改進(jìn)低能離子植入中的基本輸運(yùn)問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)一生產(chǎn)率明顯更高的工藝。為實(shí)現(xiàn)該方法，需要形成所述簇離子。與產(chǎn)生單體相比，市售離子植入機(jī)中所用的傳統(tǒng)源僅產(chǎn)生一極小部分的主要是較低階(例如n=2)的簇，因而這些植入機(jī)無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)上文所列的低能簇離子束植入優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，許多傳統(tǒng)離子源所提供的強(qiáng)等離子反而是將分子及簇離解成其構(gòu)成元素。而本文所述的新穎離子源由于使用了一"軟"離子化工藝(即通過(guò)高能一次電子進(jìn)行的電子撞擊離子化)，因而可產(chǎn)生充足的簇離子。本發(fā)明的離子源明確設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生及維持摻雜劑簇離子。參照下文說(shuō)明及附圖將易于了解本發(fā)明的這些及其他優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1為一顯示根據(jù)Child-Langmuir定律最大"As+離子束電流與提取能量之間關(guān)系的曲線圖la為一顯示可通過(guò)四聚物砷與單體砷獲得的最大提取電流之間的對(duì)比的曲線圖2為本發(fā)明簇離子源的筒化圖式；圖2a為本發(fā)明簇離子源的一實(shí)例性實(shí)施例的立體圖；圖2b為圖2a所示離子源的一部分的側(cè)面剖^L圖，其顯示離子源上面疊加有電子束及磁場(chǎng)；圖2c為所示離子源一部分的立體剖視圖，其顯示根據(jù)本發(fā)明的磁場(chǎng)及電子束源；圖2d為本發(fā)明離子源的電子束形成區(qū)域的簡(jiǎn)化的俯視圖2e為一可與本發(fā)明結(jié)合使用的溫度控制系統(tǒng)的方塊圖3為一本發(fā)明的實(shí)例性簇離子植入系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖式；圖4a為一顯示在形成麗OS漏極延展區(qū)期間一CMOS制造順序的圖式；圖4b為一顯示在形成PMOS漏極延展區(qū)期間一CMOS制造順序的圖式；圖5為在制造麗OS半導(dǎo)體器件的工藝中一半導(dǎo)體襯底的圖式，其正處于N-型漏極延展區(qū)植入步驟中；圖5a為在制造畫OS半導(dǎo)體器件的工藝中一半導(dǎo)體襯底的圖式，其正處于源極/漏極植入步驟中；圖5b為在制造PMOS半導(dǎo)體器件的工藝中一半導(dǎo)體襯底的圖式，其正處于P-型漏極延展區(qū)植入步驟中；圖5c為在制造PMOS半導(dǎo)體器件的工藝中一半導(dǎo)體襯底的圖式，其正處于源極/漏極植入步驟中；圖6為一顯示由本發(fā)明離子源產(chǎn)生的PH3的質(zhì)譜的圖式；圖7為一顯示由本發(fā)明離子源產(chǎn)生的AsH3的質(zhì)語(yǔ)的圖式；圖8為一顯示圓片上低能范圍內(nèi)的AsA+離子電流的示意圖9為一顯示轉(zhuǎn)換成離子束亮度單位的圖6所述數(shù)據(jù)的示意圖10為一使用本發(fā)明將AsH/及As4H/離子束植入硅圓片中后，已植入的砷濃度SIMS分布的曲線圖，以及與TRIM計(jì)算結(jié)果的對(duì)比；圖11為一使用本發(fā)明離子源產(chǎn)生的BA的質(zhì)鐠的曲線圖12為一在本發(fā)明使用十硼烷原料材料情況下所記錄的正離子質(zhì)語(yǔ)的曲線圖13為一在本發(fā)明使用十硼烷原料材料情況下所記錄的負(fù)離子質(zhì)譜的曲線圖14為一連續(xù)記錄的負(fù)離子及正離子十硼烷二者的質(zhì)語(yǔ)的曲線圖，并亦顯示二聚物B2。HX;圖15為一使用本發(fā)明在20keV的十硼烷植入能量下已植入的負(fù)Bn^離子及正Bi。H,離子的SIMS分布的曲線圖16為一在硅中植入20keV十硼烷時(shí)已植入SIMS分布的曲線圖，其顯示B濃度及H濃度；圖17為一表示離子化橫截面cy與氨(NH3)的電子能量T之間函數(shù)關(guān)系的曲線圖18為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的正十硼烷離子的質(zhì)譖；圖19為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的負(fù)十硼烷離子的質(zhì)譜。具體實(shí)施例方式下文將提供本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例。這些實(shí)施例涉及到制造各種N-型及P-型摻雜劑簇離子以及帶負(fù)電荷的簇離子束。N-型及P-型摻雜劑簇離子以及帶負(fù)電荷的簇離子束二者均可使用圖2-2e所示的離子源來(lái)產(chǎn)生。圖2-2e顯示一簇離子源IO及其各個(gè)組件的概念圖。首先參見(jiàn)圖2，提供一原料氣體供應(yīng)源11，例如一瓶AsH3，PH3,BA或蒸氣化的B,。H14。原材料可在室溫下以氣體形式儲(chǔ)存于一氣瓶中，或者可作為自一受熱固體升華或自一液相揮發(fā)的蒸氣形式引入。原料氣體源11通過(guò)一流量控制器12連接至一離子化室13。流量控制器12既可精密至一由計(jì)算機(jī)控制的質(zhì)量流量控制器，也可簡(jiǎn)單至一具有一預(yù)定氣體導(dǎo)通量的連接管。在后一種情況下，通過(guò)控制11中的氣體壓力來(lái)改變流量?？刂坪瑩诫s劑的氣態(tài)原材料的流量即會(huì)在離子化室13內(nèi)形成一穩(wěn)定的氣壓，例如該氣壓介于約3xl(T乇與3><10—3乇之間。離子化能量14是以一具有一規(guī)定能量或速度的受控電子流的形式提供。通常，將離子化室13及實(shí)際上離子源的所有組件的溫度均控制至一所需值。通過(guò)對(duì)源壓力、溫度、電子流及電子能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)在離子化室13內(nèi)形成一環(huán)境，該環(huán)境使AsH3摻雜劑原子或分子組合形成含有多于一個(gè)所需摻雜劑元素原子的簇離子，例如四聚物化合物As4Hx+,其中x為一介于0與4之間的整數(shù)。離子化室13中的一孔17使離子能夠逸入離子束路徑中，然后由離子化室13與一提取電極15之間的強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行提取。該提取或加速電場(chǎng)由一高電壓電源產(chǎn)生，該高電壓電源將離子化室13相對(duì)地電位偏壓至一電壓F,其中提取電極15接近地電位。該加速電場(chǎng)在正向上建立時(shí)會(huì)將正離子吸引出離子化室13，而當(dāng)期望得到負(fù)離子時(shí)，則在反向上建立該加速電場(chǎng)。提取電極15使經(jīng)過(guò)加速的離子形成一離子束16。離子束16的動(dòng)能由方程式(14)表示(4)丑=/#八其中K為源的電位，《為每一離子的電荷。當(dāng)K以伏特表示、《以電荷單位表示時(shí)，五的單位為電子-伏特(eV)。構(gòu)成本發(fā)明離子植入系統(tǒng)的一部分的離子源為一電子撞擊式離子源。圖2a為一本發(fā)明離子源的剖面示意圖，其顯示構(gòu)成離子源IO的各組件的構(gòu)造及功能。該剖面是沿一包含離子束傳播方向的平面剖切，從而將離子源分成兩半。離子源10包括在一安裝法蘭36處結(jié)合在一起的一氣化器28及一離子束形成區(qū)域12。離子源10制作為通過(guò)一安裝法蘭36介接一離子植入機(jī)的已抽空真空室或氣體工藝工具。因此，圖2a中離子源IO的處于法蘭36右側(cè)的部分處于高度真空狀態(tài)(壓力〈lxlO"乇)。氣態(tài)材料被引入一離子化室44中，在其中通過(guò)來(lái)自一或多個(gè)電子束70a及70b的電子撞擊將氣體分子離子化，其中一或多個(gè)電子束70a及70b是通過(guò)一對(duì)對(duì)置的電子束入口孔71a及71b進(jìn)入離子化室44。使用此一構(gòu)造，即會(huì)在靠近一離子提取孔板80中的一離子提取孔81處形成離子。然后，使用一位于離子提取孔板80前面的提取電極(未圖示)提取這些離子并將其形成一高能離子束。有各種氣化器28適用于本發(fā)明。一實(shí)例性氣化器28顯示于圖2a中。該氣化器28為一實(shí)例性氣化器，其可由一氣化器本體30及一用于承載一固態(tài)源原材料29(例如十硼烷B,。H")的坩堝31。電阻加熱器可嵌入氣化器本體30中。水冷槽26及對(duì)流式氣冷槽27可構(gòu)造為緊密接觸氣化器本體30,用于為坩堝31提供一高于室溫的均勻的工作溫度。坩堝31與溫度受到控制的氣化器本體30之間的導(dǎo)熱是通過(guò)一由一氣體供給源41引入一坩堝-氣化器本體界面34中的高壓氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)，而氣化器本體31的溫度則通過(guò)一熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)。氣化后的十硼烷Bu^4或其他氣化材料50收集于一坩堝鎮(zhèn)氣空間51中，并在穿過(guò)氣化器出口孔39、穿過(guò)一對(duì)隔離閥IOO及110、一包含于一源塊35中的蒸氣導(dǎo)管32后，通過(guò)一蒸氣入口孔33進(jìn)入離子化室44。亦可將隔離閥IOO、110、安裝法蘭36、及源塊35的溫度控制至接近或高于氣化器溫度，以防蒸氣冷凝。離子源送氣系統(tǒng)可包括自兩個(gè)單獨(dú)的源為離子化室44供氣的兩個(gè)導(dǎo)管。第一個(gè)源可為一具有小直徑的低傳導(dǎo)性路徑，用于自一高壓氣源(例如一氣瓶(未圖示))氣態(tài)原材料。第二個(gè)源可來(lái)自一來(lái)自一低溫氣化器的高傳導(dǎo)性路徑。無(wú)論氣源如何，該送氣系統(tǒng)均會(huì)在離子化室44中維持一例如數(shù)毫乇的氣壓。氣化器28對(duì)其接觸固態(tài)材料的表面保持嚴(yán)格的溫度控制，以使流入離子化室的氣體流量保持穩(wěn)定并進(jìn)而在該室內(nèi)保持穩(wěn)定的壓力。在檢修氣化器28之前，可將隔離閥110關(guān)閉以使離子源及離子植入機(jī)保持處于真空狀態(tài)。亦可將隔離閥100關(guān)閉以使蒸氣50保持容納于坩堝31內(nèi)。然后，可將氣化器28安全地運(yùn)送至一化學(xué)清洗槽，對(duì)坩堝31進(jìn)行再裝料或清洗。在開啟閥門100之前，可開啟一焊接至閥門IOO的本體內(nèi)的通風(fēng)閥111,以使坩堝空間處于大氣壓力下。一旦^r修完畢，即可重新關(guān)閉閥門100,并通過(guò)將閥門IOO連接至閥門110將氣化器28安裝至離子源10上，然后將通風(fēng)閥111連接至一粗抽管路，以將坩堝31及閥門100與閥門IIO之間的死空間抽出真空。然后，即可在需要時(shí)開啟隔離閥110,此不會(huì)破壞離子源及離子植入機(jī)的真空環(huán)境。一氣化器總成30a由一受熱及受冷卻本體30及一可移式坩堝31構(gòu)成。通過(guò)移走氣化器28背部上的一端板(未圖示)即可接觸到坩堝31。在自氣化器28移下蚶堝31后，即可通過(guò)移走以彈性材料密封至坩堝端部的坩堝蓋34b并提起一用于隔離固體29的蓖柵，來(lái)對(duì)坩堝31進(jìn)行再裝料。在再裝料后，將坩堝31插入氣化器本體30中并對(duì)氣化器本體30正面的出口孔39進(jìn)行真空密封，以將坩堝鎮(zhèn)氣空間51與存在于坩堝-氣化器本體界面34中的傳熱氣體隔絕。為實(shí)現(xiàn)坩堝31的溫度均勻性，坩堝31與氣化器本體30之間的機(jī)械配合為緊密配合。蚶堝31與氣化器本體30之間的任何間隙均可填充以氣體，以利于這兩個(gè)表面之間的熱傳遞。傳熱氣體通過(guò)一端板接頭28a進(jìn)入所述間隙，并可處于或才妄近大氣壓力?？墒褂?舉例而言)對(duì)可嵌入于氣化器本體30中的電阻元件的比例-積分微分(PID)閉環(huán)控制來(lái)實(shí)施溫度控制。圖2e顯示一較佳實(shí)施例的方塊圖，其中界定三個(gè)溫度區(qū)域?qū)?yīng)于氣化器本體30的區(qū)域1，對(duì)應(yīng)于隔離閥100及110的區(qū)域2，及對(duì)應(yīng)于源塊35的區(qū)域3。每一區(qū)域均可具有一專用控制器，例如一OmronE5CK數(shù)字控制器。在最簡(jiǎn)單的情形中，加熱元件自身即用于主動(dòng)地控制溫度高于室溫，例如介于18。C與20(TC之間。因此，可將筒式電阻加熱器嵌入氣化器本體30(加熱器1)及源塊35(加熱器3)中，同時(shí)可將閥門IOO，110纏繞以硅酮帶加熱器(加熱器2，其中電阻元件為絲或箔帶)。可將三個(gè)熱電偶(在圖2e中標(biāo)識(shí)為TC1，TC2及TC3)嵌入這三個(gè)組件30,35，100中的每一組件內(nèi)，并由三個(gè)專用溫度控制器中的每一溫度控制器來(lái)連續(xù)讀取。溫度控制器1,2及3分別由用戶編程至溫度設(shè)定點(diǎn)SP1,SP2及SP3。在一實(shí)施例中，這些溫度設(shè)定點(diǎn)須使SP3〉SP2〉SP1。舉例而言，倘若期望使氣化器溫度為3(TC,則SP2可為50°C，SP3可為70°C?？刂破鞯墓ぷ鞣绞酵ǔ楫?dāng)TC反饋值與設(shè)定點(diǎn)不一致時(shí)，控制器的比較器會(huì)根據(jù)需要啟動(dòng)冷卻或加熱作業(yè)。舉例而言，倘若僅使用加熱來(lái)改變溫度，則如果不是TC1〈SP1，比較器輸出將為零。控制器可包含一關(guān)于輸出功率與溫度差SP1-TC1之間的非線性函數(shù)關(guān)系的查用表，并向控制器的加熱器電源饋送適當(dāng)?shù)男盘?hào)，以將溫度平滑地調(diào)節(jié)至所編程的設(shè)定點(diǎn)值。一種改變加熱器功率的通常方法是對(duì)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制；此種技術(shù)可用于在滿量程的1%與100。/。之間進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。此等PID控制器通?？蓪囟仍O(shè)定點(diǎn)(偏差)保持在0.2。C以內(nèi)。為保持溫度均勻性，可選擇具有高導(dǎo)熱性的氣化器本體材料?？墒褂梦挥跉饣鞅倔w30的外表面上的空氣槽有意地對(duì)氣化器本體30施加一小的熱泄漏(圖2a),以提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低沉降時(shí)間?？諝獠?7環(huán)繞氣化器本體30并由板(未圖示)遮蓋?？赏ㄟ^(guò)導(dǎo)管將空氣輸送至一整合于端板38中集管系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)槽，以提供適度的連續(xù)對(duì)流冷卻。空氣在經(jīng)過(guò)一用于控制流量的計(jì)量閥后通過(guò)入口送入。最后，空氣自空氣總成排入房間排氣口。除空氣冷卻外，亦可采取措施使用液體來(lái)冷卻氣化器本體30。舉例而言，可通過(guò)一例如1米長(zhǎng)、直徑為6mm且來(lái)回貫穿氣化器本體30的孔徑用管道輸送冷卻劑。可通過(guò)安裝至本體端口26上的接頭進(jìn)行連接。液體冷卻可使氣化器總成快速冷卻，從而可在需要時(shí)提供快速的檢修周期?？赏ㄟ^(guò)一氣體導(dǎo)管33(例如來(lái)自一高壓氣瓶)將氣體饋送入離子化室44中。如上文所述，固態(tài)原材料可在氣化器28中氣化，然后，蒸氣會(huì)通過(guò)蒸氣導(dǎo)管32饋送入離子化室44中。如上文所述，氣化器本體30的溫度控制會(huì)使位于多孔隔離柵欄34a下方的固態(tài)原材料29保持處于一不變的溫度。鎮(zhèn)氣空間31中所積聚的蒸氣50饋送過(guò)鉆孔39及截止閥100及110，然后通過(guò)位于源塊35中的蒸氣導(dǎo)管32饋送入離子化室44中。因此，氣態(tài)及固態(tài)的帶摻雜劑的材料均可通過(guò)該離子源得到離子化。圖2b為一側(cè)面剖視圖，其顯示一本發(fā)明的多電子束離子源構(gòu)造的基本光學(xué)設(shè)計(jì)。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，一對(duì)在空間上分離的受熱白熱絲110a及110b發(fā)射出一對(duì)在空間上分離的電子束70a及70b,該對(duì)電子束70a及70b在束引導(dǎo)場(chǎng)或靜磁場(chǎng)B135a及135b(沿一垂直于所示紙平面的方向)的作用下，沿一90度軌跡首先穿過(guò)一對(duì)基板孔106a及106b及一對(duì)相間隔的基板105a及105b，然后穿過(guò)一對(duì)電子入射孔71a及71b進(jìn)入離子化室44。一路穿過(guò)離子化室44(即穿過(guò)電子入射孔71a及71b二者)的電子在束引導(dǎo)場(chǎng)或靜^f茲場(chǎng)135a及135b的作用下彎向一對(duì)發(fā)射器屏蔽板102a及102b。當(dāng)電子束70a及70b傳播穿過(guò)基板孔106a及106b時(shí)，通過(guò)施加一電壓Va至基板105a及105b(由正向電源115提供)并施加電壓Ve至白熱絲135a及135b(由負(fù)向電源116提供)，使電子束70a及70b在射入離子化室44之前減速。在離子束形成及輸運(yùn)區(qū)域中(即在離子化室44外:i使電子束能量保持充分高于進(jìn)行離子化通常所需的能量至關(guān)重要，這是因?yàn)樵谳^低能量情況下，空間電荷效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低束電流并增大電子束直徑。因此，在該區(qū)域中，期望使電子束能量保持處于1.5keV與5keV之間。所有電壓均以離子化室44為基準(zhǔn)n舉例而言，若Ve--0.5kV且Va=1.5kV，則電子束的能量表示為e(Va-Ve)，其中e為電子電荷(6.02xl(T"庫(kù)侖)。因此，在本實(shí)例中，電子束70a或70b在形成及偏轉(zhuǎn)時(shí)的能量為2keV，但在進(jìn)入電子入射孔71a，71b后，其能量?jī)H為0.5keV。下表給出了使一能量為E的電子束彎曲90度所需的磁場(chǎng)B的近似值。表l在本發(fā)^尹^,現(xiàn)"^諒#摩需種磁場(chǎng)資4與吆雜量W^系電子能量E磁場(chǎng)B<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>圖2b中所示的其他要件包括所提取的離子束120、一源靜電屏蔽板101、及一對(duì)發(fā)射器屏蔽板102a及102b。這些發(fā)射器屏蔽板102a及102b具有兩種用途屏蔽電磁場(chǎng)及屏蔽雜散電子或離子束。舉例而言，發(fā)射器屏蔽板102a及102b可使電子束70a及70b免受與基板105a及105b與源屏蔽板101之間的電位差相關(guān)聯(lián)的場(chǎng)的影響，并亦用作來(lái)自對(duì)置的電子發(fā)射器的雜散電子束的傾卸地。源屏蔽板101則使離子束120不受基板105a及105b與離子化室44之間的電位差所產(chǎn)生場(chǎng)的影響，并亦用于吸收雜散電子及離子，否則這些雜散電子及離子會(huì)影響離子源要件。為此，發(fā)射器屏蔽板102a及102b與源屏蔽板101二者均由高炫點(diǎn)金屬(例如鉬或石墨)制成。或者，可通過(guò)由一鐵磁性物質(zhì)(例如磁性不銹鋼)制成源屏蔽板101將離子束120與磁場(chǎng)B135a及135b更徹底地屏蔽開來(lái)。圖2c為一顯示機(jī)械細(xì)節(jié)的剖視圖，其清晰地顯示如何將圖2b所示內(nèi)容整合入圖2a所示離子源中。其中，由一或多個(gè)白熱絲110a及110b以熱離子方式發(fā)射電子，這些電子加速移動(dòng)至一對(duì)對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極，由此形成電子束70a及70b。此一構(gòu)造可提供若干優(yōu)點(diǎn)。首先，白熱絲110a及110b既可分別工作亦可一同工作。第二，由于電子束是在離子化室外部產(chǎn)生，因而發(fā)射器的壽命相對(duì)于已知構(gòu)造得到延長(zhǎng)，這是因?yàn)榘l(fā)射器處于駐存有離子源的植入機(jī)真空室的低壓環(huán)境中且發(fā)射器亦有效地受到防離子轟擊保護(hù)。來(lái)自一對(duì)永久磁鐵130a及130b以及一對(duì)磁極總成125a及125b的磁通構(gòu)成束引導(dǎo)場(chǎng)，用于在電子束于其中傳播的磁極總成端部間的氣隙兩端建立均勻的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)135a及135b與電子束70a及70b的電子束能量的匹配方式須使電子束70a及70b如圖所示偏轉(zhuǎn)90度并進(jìn)入離子化室44中。使電子束70a及70b偏轉(zhuǎn)例如90度后，在發(fā)射器與離子化室之間即不會(huì)存在視線，由此可防止發(fā)射器受到高能帶電粒子的轟擊。由于Va相對(duì)于離子化室44為正電壓，因而電子束70a及70b在穿過(guò)由基板孔106a及106b以及電子入射孔71a及71b所界定的間隙時(shí)會(huì)減速。因此，基板孔106a與電子入射孔71a、及基板孔106b與電子入射孔71b、與其間的間隙的組合，分別形成一靜電透鏡，在本實(shí)例中形成一減速透鏡。使用減速透鏡，可使人們能夠調(diào)節(jié)電子束的離子化能量且不會(huì)顯著影響電子束的產(chǎn)生及偏轉(zhuǎn)。該間隙可由一或多個(gè)陶瓷間隔片132a及132b來(lái)建立，陶瓷間隔片132a及132b支撐每一基板105a及105b并用作一與處于離子化室電位的源塊35相隔離的支座。陶瓷間隔片132a及132b既提供電絕緣又提供機(jī)械支撐。應(yīng)注意，為清楚起見(jiàn)，在圖3中未示出發(fā)射器屏蔽板102及源屏蔽板101。由于電子入射孔106a及106b可限制電子束70a及70b的穿過(guò)，因而基板105a及105b可攔截高能電子束70a及70b的一部分。因此，基板105a及105b必須受到主動(dòng)冷卻或被動(dòng)冷卻。主動(dòng)冷卻可通過(guò)使液體冷卻劑(例如水)流過(guò)基板來(lái)實(shí)現(xiàn)?；蛘撸赏ㄟ^(guò)容許基板達(dá)到一其能通過(guò)向其周圍環(huán)境輻射而得到冷卻的溫度，來(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)冷卻。該穩(wěn)態(tài)溫度取決于所攔截電子束的功率、基板的表面積及比輻射率、以及周圍組件的溫度。當(dāng)使用可冷凝的氣體(例如十硼烷蒸氣)時(shí)，容許基板105a及105b在升高的溫度下工作可能較佳，因?yàn)榭衫淠臍怏w可在低溫表面上形成具有污染性且會(huì)形成粒子的膜。圖2d顯示該離子源的電子束形成區(qū)域的簡(jiǎn)化的俯視圖。白熱絲110b相對(duì)離子化室44處于電位Ve,例如-O.5keV，而陽(yáng)極140b、》茲極總成125b、基板150b、及發(fā)射器屏蔽板102b均處于陽(yáng)極電位Va,例如1.5keV。因此，電子束能量為2keV。電子束70b會(huì)在磁極總成125b的磁極之間的氣隙中在磁場(chǎng)135b的作用下偏轉(zhuǎn)，從而使電子束70b穿過(guò)基板孔106b?；蹇?60a及160b以及電子入射孔71a及71b的典型直徑值分別為1cm。圖3顯示該離子源與關(guān)鍵的下游元件一起構(gòu)成一本發(fā)明所提出的簇離子植入系統(tǒng)。亦可采用不同于圖3所示的構(gòu)造。其中離子源21耦接提取電極22，以形成一含有簇離子的離子束20。離子束20通常含有許多種不同質(zhì)量的離子(亦即在離子源21中可為之形成具有一既定電荷極性的離子的所有物質(zhì))。然后，離子束20射入分析磁鐵23。分析》茲鐵23根據(jù)磁鐵線圈中的電流在離子束輸運(yùn)路徑內(nèi)形成一偶極磁場(chǎng)；該磁場(chǎng)的方向垂直于圖3所示平面。分析磁鐵23的功能是通過(guò)將離子束彎成一其半徑取決于各單個(gè)離子的質(zhì)量電荷比的圓弧，將離子束在空間上分成一組分量細(xì)離子束。此一圓弧在圖3中顯示為一離子束分量24,即所需離子束。i茲鐵23可使一既定離子束沿一由下列方程式(5)所示的半徑彎曲(5)/=師〃vw其中W為彎曲半徑，5為^茲通密度，/H為離子質(zhì)量，^為離子動(dòng)能，G為離子的電荷狀態(tài)。所選離子束僅由質(zhì)量-能量乘積范圍較窄的離子構(gòu)成，以使離子束在磁鐵作用下的彎曲半徑使該離子束穿過(guò)一質(zhì)量鑒別孔27。而離子束中未被選中的分量則不會(huì)穿過(guò)該質(zhì)量鑒別孔27，而是在其他位置受到攔截。對(duì)于質(zhì)量電荷比/zA小于所選束的離子束25(例如由質(zhì)量為l或2個(gè)原子質(zhì)量單位的氫離子構(gòu)成)，磁場(chǎng)會(huì)感應(yīng)出一更小的彎曲半徑，從而使該離子束相交于磁鐵室的內(nèi)徑壁30或其他位置。對(duì)于質(zhì)量電荷比大于所選離子束的離子束26，磁場(chǎng)會(huì)感應(yīng)出一更大的彎曲半徑，從而使該離子束撞擊磁鐵室的外徑壁29或其他位置。在所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中眾所周知，分析磁鐵23與質(zhì)量鑒別孔27組合構(gòu)成一質(zhì)量分析系統(tǒng)，其用于從自離子源4是取出的多物質(zhì)離子束20中選出離子束24。然后，可^f吏所選離子束24穿過(guò)一后分析加速/減速級(jí)31。該級(jí)31可將離子束能量調(diào)節(jié)至具體植入工藝所要求的所需最終能量值。舉例而言，后分析加速/減速級(jí)31可為一靜電透鏡或一LINAC(線性加速器)的形式。為防止那些已在鑒別孔與圓片之間經(jīng)歷過(guò)電荷交換或中和反應(yīng)(因而不具有正確的能量)的離子傳播至圓片，可在該離子束路徑內(nèi)包含入一"中性束過(guò)濾器"或"能量過(guò)濾器"。舉例而言，后分析加速/減速級(jí)31可在所選離子束24因一所施加的DC電磁場(chǎng)而被限制跟隨的離子束路徑中包含一"折線(dogleg)"或小角度偏轉(zhuǎn)；而已變?yōu)橹行曰驇Ф鄠€(gè)電荷的離子束分量將肯定不會(huì)沿循該路徑。然后，如圖3所示，經(jīng)過(guò)能量調(diào)節(jié)的離子束進(jìn)入植入系統(tǒng)中的離子束掃描系統(tǒng)32。該離子束掃描系統(tǒng)32掃描該離子束，以使整個(gè)目標(biāo)28受到均勻植入?？墒褂酶鞣N構(gòu)造，例如使用一維或兩維掃描系統(tǒng)、及靜電性-磁性掃描系統(tǒng)。然后，離子束進(jìn)入亦處于高度真空環(huán)境中的圓片處理室33,并在此處撞擊目標(biāo)28。圓片處理室及圓片運(yùn)送系統(tǒng)可具有各種構(gòu)造，主要的構(gòu)造類別為順序式(每次一個(gè)圓片)或批處理式(在一轉(zhuǎn)盤上一同處理許多個(gè)圓片)。在順序式處理室中，通常以機(jī)械方式沿一個(gè)維(橫向或豎向)掃描過(guò)離子束，離子束則在正交方向上以電磁方式掃描，以保證植入劑具有較佳的空間均勻性。在批處理式系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)沿徑向方向提供^L械掃描，同時(shí)亦進(jìn)行豎直或水平方向的掃描，而離子束則保持靜止。對(duì)于簇離子植入，為提供精確的摻雜劑布置，需要使離子簇中所含的n個(gè)摻雜劑原子均以相同的動(dòng)能滲入襯底；在其中分子離子為An+(亦即其由n個(gè)摻雜劑原子A唯一地構(gòu)成)形式的最簡(jiǎn)單情形中，該n個(gè)摻雜劑原子中的每一原子在滲入半導(dǎo)體襯底中時(shí)均必須相同地接收到該離子簇能量的l/n。例如，Sze在VLSI技術(shù)(VLSITechnology,McGrawHill,第253-254頁(yè)(1983年))中已確認(rèn)，每當(dāng)一多原子分子撞擊一固態(tài)的目標(biāo)表面時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)此種能量等分現(xiàn)象。此外，此種植入的電性結(jié)果需要與使用單原子離子植入進(jìn)行的等效植入相同。此等結(jié)果已由Jacobson等人詳細(xì)顯示于"十硼烷，一種用于超低能量離子植入的替代方法(Decaborane，anAlternativeapproachtoUltraLowEnergyIonImplantation)"(在奧地利Alpsbach舉行的IEEE第XIII屆國(guó)際離子植入技術(shù)會(huì)議會(huì)刊，第300-303頁(yè)(2000年))，其中系針對(duì)使用十硼烷進(jìn)行植入的情形加以闡述，實(shí)際上，預(yù)計(jì)對(duì)于任何摻雜劑簇均會(huì)得到相同的結(jié)果。在離子植入期間，摻雜劑原子可能會(huì)通過(guò)隧穿(即沿一含有一低晶格原子密度的對(duì)稱方向或"隧道"進(jìn)入襯底晶格)而更深地滲入半導(dǎo)體村底中。若離子軌跡與半導(dǎo)體晶格中一通道的方向重合，則離子基本不會(huì)碰撞襯底原子，從而會(huì)擴(kuò)大摻雜劑的轟擊范圍。一種用于限制甚至防止隧穿的有效方法是在襯底表面上形成一非晶層。一種形成此一層的方法是在襯底中植入與襯底的構(gòu)成元素相同的元素離子或植入具有相同電性質(zhì)(即來(lái)自周期表中的同一欄)的離子，以使該植入過(guò)程所造成的晶體破壞足以消除襯底表面處的層的晶體結(jié)構(gòu)且不會(huì)隨后在激活步驟中改變襯底的電性質(zhì)。舉例而言，可在硅襯底中以20keV的能量、5xl0"cm—2的劑量植入硅或鍺，以在硅襯底中形成此一非晶層，隨后再使用簇離子植入進(jìn)行淺摻雜層植入。此種方法的一重要應(yīng)用是作為CM0S制造順序的一部分，使用簇離子植入來(lái)形成N-型及P-型、淺結(jié)。CMOS是目前所使用的主要的數(shù)字集成電路技術(shù)，其名稱表示在同一芯片上形成N-溝道及P-溝道M0S晶體管二者(互補(bǔ)(Complementary)M0S:N及P二者)。CMOS的成功之處在于，電路設(shè)計(jì)者可利用相反晶體管的互補(bǔ)性質(zhì)形成更佳的電路，尤其是形成所吸取的有功功率低于其他技術(shù)的電路。應(yīng)注意，術(shù)語(yǔ)N及P是基于負(fù)性(negative)及正性(￡ositive)(N-型半導(dǎo)體具有負(fù)性多數(shù)載流子，反之亦然)，且若反轉(zhuǎn)每一區(qū)域的類型(極性)，則N-溝道及P-溝道晶體管將彼此相同。在同一襯底上制造兩種類型的晶體管要求依序植入一N-型雜質(zhì)然后植入一P-型雜質(zhì)，同時(shí)使用一光阻劑屏蔽層保護(hù)另一類型的器件。應(yīng)注意，每一晶體管類型均要求具有兩種極性的區(qū)域方能正確工作，但形成淺結(jié)的植入劑與晶體管為同一類型N-型淺植入劑形成N-溝道，P-型淺植入劑形成P-溝道。該工藝的一個(gè)實(shí)例顯示于圖4a及圖4b中。具體而言，圖4a顯示一種通過(guò)一N-型簇植入88形成N-溝道漏極延展區(qū)89的方法，而圖4b顯示通過(guò)一P-型簇植入91形成P-溝道漏極延展區(qū)90。應(yīng)注意，N-型及P-型晶體管二者均要求具有相同結(jié)構(gòu)的淺結(jié)，因而既使用N-型亦使用P-型簇植入有利于形成高級(jí)CMOS結(jié)構(gòu)。圖5顯示此種方法在制成麗0S晶體管情況下的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。該圖顯示已經(jīng)歷過(guò)半導(dǎo)體器件的某些前端制造工藝步驟后的半導(dǎo)體襯底41。該結(jié)構(gòu)由一N-型半導(dǎo)體襯底41組成，該半導(dǎo)體襯底41已經(jīng)過(guò)如下步驟處理P-阱43、溝槽絕緣42及門極疊層形成44、45。P-阱43與N-型襯底41形成一結(jié)，該結(jié)為阱中的晶體管提供結(jié)絕緣。溝槽絕緣42則在N-阱與P-阱之間(即在整個(gè)CMOS結(jié)構(gòu)中)提供橫向介電絕緣。然后，制成包含門極氧化層44及多晶硅門電極45的門極疊層，為形成晶體管門極疊層，門極氧化層44及多晶硅門電極45已經(jīng)過(guò)圖案化。此外，亦已涂覆光阻劑46并將其圖案化，以使對(duì)應(yīng)于NMOS晶體管的區(qū)域外露，而襯底中的其他區(qū)域則受到光阻劑層46的保護(hù)。此時(shí)，在該工藝流程中，襯底即已作好漏極延展區(qū)植入準(zhǔn)備，漏極延展區(qū)植入是器件制造工藝所需的最淺摻雜層。0.13MJii技術(shù)節(jié)點(diǎn)的前沿器件的典型工藝要求是砷植入能量介于1keV與2keV之間、砷劑量為5xl014cnf2。然后，使簇離子束47(在本實(shí)例中為As4Hx+)射向半導(dǎo)體襯底，通常須使離子束的傳播方向垂直于襯底，以免受到門極疊層的蔭蔽。AsJC蔟的能量應(yīng)為所需As+植入能量的四倍，例如介于4keV與8keV之間。離子簇在撞擊襯底時(shí)離解，然后摻雜劑原子在接近半導(dǎo)體襯底表面的淺層中靜止下來(lái)，該淺層即形成漏極延展區(qū)48。應(yīng)注意，相同的植入劑會(huì)進(jìn)入門電極49的表面層，為門電極提供額外摻雜。因此，圖5所述工藝為本發(fā)明所提出方法的一個(gè)重要應(yīng)用。該方法的另一實(shí)例顯示于圖5a中形成深的源極/漏極區(qū)。該圖顯示圖5所示半導(dǎo)體襯底41已經(jīng)歷過(guò)其他半導(dǎo)體器件制造工藝步驟。這些其他工藝步驟包括形成一塾氧化層51及在門極疊層的側(cè)壁上形成間隔層52。此時(shí)，涂覆一光阻劑層53并將其圖案化，以曝光欲植入的晶體管(在本實(shí)例中為NMOS晶體管)。接下來(lái)，實(shí)施離子植入，形成源極及漏極區(qū)55。由于此次植入要求以低能量、大劑量進(jìn)行植入，因而其為本發(fā)明所提出的簇植入方法的一恰當(dāng)應(yīng)用。0.13(am技術(shù)節(jié)點(diǎn)的典型植入?yún)?shù)約為6keV/砷原子(54)及5xl015cm—2的砷劑量，因而其需要進(jìn)行一24keV、1.25x1015cnf2的As4H/植入，或者一12keV、2.5xl015cnf2的AsH直入，抑或一6keV、5xl015cm—2的As+才直入。如圖5所示，通過(guò)此次植入會(huì)形成源極及漏極區(qū)55。這些區(qū)域會(huì)在各電路互連線(將在該工藝中后續(xù)形成)與由漏極延展區(qū)48結(jié)合溝道區(qū)56及門極疊層44、45界定而成的本征晶體管之間提供一高導(dǎo)電率連接。應(yīng)注意，門電極45可曝露至本次植入(如圖所示)，若確為如此，則源極/漏極植入劑會(huì)為門電極提供主摻雜源。在圖5a中此顯示為復(fù)摻雜層57。圖5b及5c分別顯示形成PMOS漏極延展區(qū)148及PMOS源極及漏極區(qū)155的詳圖。若顛倒摻雜類型，則圖5a與5b所示結(jié)構(gòu)及工藝相同。在圖5b中，通過(guò)植入一硼簇植入劑147形成PMOS漏極延展區(qū)148。對(duì)于0.13|^1技術(shù)節(jié)點(diǎn)而言，此次植入的典型參數(shù)為500eV/硼原子且劑量為5x10"crir2。因此，Bi。Hx植入的能量為5keV且十硼烷劑量為5xl013cm—2。圖5c顯示再次通過(guò)植入一諸如十硼烷等P-型簇離子束154形成PMOS源極及漏極區(qū)148。對(duì)于0.13pm技術(shù)節(jié)點(diǎn)而言，此次4直入的典型參^:為2keV/硼原子且硼的劑量為5xl015ctn—2(即5x10"cm—2的20keV十硼烷)。一般而言，離子植入自身不足以形成一有效的半導(dǎo)體結(jié)；為使所植入的摻雜劑電性激活，需要進(jìn)行熱處理。在植入之后，半導(dǎo)體襯底的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)受到嚴(yán)重破壞(襯底原子被移出晶格位置)，且所植入摻雜劑僅弱結(jié)合至襯底原子，因而所植入層的電性質(zhì)較差。通常是在高溫下(高于900°C)實(shí)施熱處理或退火來(lái)修復(fù)半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)，并將摻雜劑原子以取代方式定位，即將摻雜劑原子置于晶體結(jié)構(gòu)中其中一個(gè)襯底原子位置處。此種取代使摻雜劑能夠與襯底原子相結(jié)合并變得具有電活性；換言之，改變半導(dǎo)體層的導(dǎo)電率。然而，此種熱處理會(huì)對(duì)淺結(jié)的形成起反作用，這是因?yàn)樵跓崽幚砥陂g所植入摻雜劑會(huì)發(fā)生擴(kuò)散。事實(shí)上，熱處理期間的硼擴(kuò)散是在亞0.1微米范圍內(nèi)獲得USJ的限制因素。為使淺植入摻雜劑的擴(kuò)散最小化，目前已經(jīng)開發(fā)出用于此種熱處理的先進(jìn)工藝，例如"峰值退火"。峰值退火是一種快速熱處理工藝其中在最高溫度處的駐留時(shí)間接近于零溫度盡可能快地驟然上升及下降。通過(guò)此種方法，達(dá)到激活所植入摻雜劑所需的高溫同時(shí)使所植入摻雜劑的擴(kuò)散最小化?？梢灶A(yù)料，此種先進(jìn)的熱處理工藝將與本發(fā)明結(jié)合使用，以使其對(duì)制成完整半導(dǎo)體器件的益處最大化。圖6演示磷簇離子的產(chǎn)生及經(jīng)過(guò)質(zhì)量鑒別的磷簇離子束的形成。該質(zhì)鐠顯示使用磷化氫(PH3)作為源原料氣體，在本發(fā)明離子源工作期間所取數(shù)據(jù)。該質(zhì)譜顯示豎直刻度61上的離子電流強(qiáng)度與水平刻度62上的分析儀磁場(chǎng)(其決定離子質(zhì)量電荷比)的關(guān)系。電流是在一其中二次電子受到有效抑止的法拉第杯中進(jìn)行測(cè)量。水平刻度62與磁場(chǎng)成線性關(guān)系，但與質(zhì)量電荷比成非線性關(guān)系，因?yàn)閷?duì)于一既定的提取電壓V,這兩個(gè)量之間的關(guān)系為//g=a》，其中a為一常數(shù)。此使得越高的質(zhì)量峰值在水平刻度62上越靠近于一起。磷簇是作為信號(hào)65,66及67觀測(cè)出，其分別具有兩個(gè)、三個(gè)及四個(gè)磷原子/每簇。對(duì)該質(zhì)諳的分析表明，本發(fā)明的離子源在工作期間可支持簇的形成及保持。圖中左側(cè)的第一組信號(hào)63為氫離子，其質(zhì)量數(shù)為1及2。氫的峰值相對(duì)較小，遠(yuǎn)小于含磷離子的峰值。第二組信號(hào)64出現(xiàn)于質(zhì)量31與35之間，其對(duì)應(yīng)于含有一個(gè)磷原子的離子。在一傳統(tǒng)的植入工藝中，可視所選質(zhì)量鑒別孔27(參見(jiàn)圖2)的選擇而定，植入一個(gè)、若干個(gè)或所有這些峰值。在某些應(yīng)用中，若在工藝中對(duì)H較為敏感，則可能要求僅選擇"P+峰值。在此種情況下，可采用一窄的質(zhì)量鑒別孔來(lái)排除氫化物峰值，例如PH二其中x-l，2,3或4。其他工藝則可能要求植入該組中的所有峰值，以提高生產(chǎn)率。右側(cè)的下一組信號(hào)65由磷的二聚物P卩組成，其中這些粒子中的每一粒子均含有兩個(gè)磷原子。最左側(cè)的大信號(hào)對(duì)應(yīng)于質(zhì)量數(shù)為62的P2+,右側(cè)的相鄰信號(hào)則為對(duì)應(yīng)于PJC的信號(hào)，其中x介于1與6之間。亦注意到，這些信號(hào)的強(qiáng)度較單體峰值64降低，但所觀測(cè)到的強(qiáng)度取決于整組源輸入設(shè)定值并可針對(duì)所需的離子束狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，例如若期望^f吏用二聚物，則使P/峰值的相對(duì)重量最大化。質(zhì)量鑒別孔的選取可確定有多少這些離子束將在植入工藝中受到植入。右側(cè)的下一信號(hào)組66對(duì)應(yīng)于含有三個(gè)磷原子(P3+)的磷簇離子。右側(cè)的下一信號(hào)67對(duì)應(yīng)于含有四個(gè)磷原子的磷簇離子。有趣的是，我們會(huì)注意到，該簇的強(qiáng)度大于P孔+蔟，使用P/蔟時(shí)的凈劑量率(4x所觀測(cè)強(qiáng)度)高于在植入p+或pr時(shí)的凈劑量率，且所植入的每一磷原子的能量?jī)H為標(biāo)稱離子束能量的1/4。圖7顯示使用本發(fā)明時(shí)AsH3的質(zhì)譜。離子束能量為19keV,因而AsA+的有效As植入能量將為4.75keV。圖7中AsA+的離子束電流約為0.25mA,因而等效的As摻雜劑電流約為1mA。圖7亦顯示，植入含有As,As2,As3或As4的離子束將得到介于0.5mA與1.GmA之間的離子電流，且僅通過(guò)調(diào)節(jié)分析儀磁鐵電流來(lái)選擇圖7所示質(zhì)諳的不同部分，即亦可得到介于約20與5keV之間的有效植入能量范圍。圖8顯示AsA+電流與As植入能量的函數(shù)關(guān)系。離子束的角散度^^量鑒別孔(例如參見(jiàn)圖3中的27)與法拉第杯之間的孔在橫向或發(fā)散方向上限定至一半角度或llmR,或約為0.6度。1keV/原子是將砷植入U(xiǎn)SJ器件中所需的半導(dǎo)體工藝的下限值。圖9顯示將圖8所示離子束電流換算為離子束亮度單位，并與一"典型"的現(xiàn)代中等電流植入機(jī)相比較。其改進(jìn)量約為30倍(假定該中等電流植入機(jī)的技術(shù)規(guī)范為40mrad半角度接受度，在10keV下的離子束電流為200)。Stephens在離子植入技術(shù)手冊(cè)(HandbookofIonImplantationTechnology,J.F,Ziegler版,North-Hoiland,第455-499頁(yè)(1992年))中將亮度汐定義為(6)5=2//;rV(|oA-mm2-mrad2),其中/為有效摻雜劑離子束電流(單位為微安)，c為離子束出射度，單位為平方(毫弧度-毫米)。出射度由下式計(jì)算(7)s,，其中5為離子束在發(fā)散平面內(nèi)的半寬度，a為半錐形束角，二者均在圖像平面處，即在鑒別孔位置處測(cè)得。離子束亮度是一用于量化有多少離子束電流能夠(例如)通過(guò)一具有一定直徑及長(zhǎng)度的管轉(zhuǎn)換成一定接受量的重要指標(biāo)。由于離子植入機(jī)束線具有明確規(guī)定的接受量，因而對(duì)于出射度受限的離子束而言，亮度是一重要的生產(chǎn)率量度。出射度通常是低能束輸運(yùn)中的限制因素。我們注意到，這基本上是使用簇離子而非使用單體離子的益處所在，如方程式(l)-(3)所示。對(duì)于As4植入，根據(jù)方程式(3),預(yù)計(jì)處理量的提高量為16倍，即A-n2。圖10顯示分別在4.75keV及19keV下使用AslC及As4H/離子對(duì)硅樣本進(jìn)行植入時(shí)得到的二次離子質(zhì)語(yǔ)(SIMS)。原子劑量約為1x10"cm—2。將這些數(shù)據(jù)與一在該行業(yè)中模擬在硅中進(jìn)行離子植入時(shí)通常所用的完全動(dòng)態(tài)散射模型TMM相比較，結(jié)果表明，我們確實(shí)正以指定能量植入As及As"圖11顯示乙硼烷BA的質(zhì)譜，乙硼烷為一種在傳統(tǒng)離子植入中并不常用但市面有售的氣態(tài)材料。圖ll顯示H(fT,H2+,H3"、B(B，BH+，BH2+)、B2(B2+,B2H+,B2H2+，B2H3+,B2H4+)、B3(B3,B3H+,B3H"B3H3+，B3H4+)、B4(B4，B4H+，B4H2+,B4H3+，B4H4+)的分組及一Bs組。圖11所示質(zhì)譜的解讀可能略為復(fù)雜，這是因?yàn)榇嬖趦煞N自然出現(xiàn)的硼的同位素"B及"B,其以約4:1的"B對(duì)1DB比率來(lái)表示，該比率反映了其自然豐度。舉例而言，在具有11個(gè)原子質(zhì)量單位的峰值處同時(shí)存在hb及"bh二者。圖12演示本發(fā)明中硼的氫化物簇及正簇離子的產(chǎn)生。該質(zhì)譜顯示在使用氣化的十硼烷B,。H"作為源原料材料時(shí)在本發(fā)明離子源工作期間所取數(shù)據(jù)。圖中顯示ByH/形式(其中l(wèi)《y《10,0《x《14)的硼的氫化物簇，其分別相隔1amu且自1amu至約124amu。所觀測(cè)到的最大信號(hào)B,。H,+對(duì)應(yīng)于十硼烷分子離子，其是通過(guò)將十硼烷母分子直接離子化而形成。圖13顯示一由本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的十硼烷負(fù)離子質(zhì)i普，其類似于圖12所示質(zhì)譜。負(fù)十硼烷離子所形成的離子狀態(tài)要少得多，因而大部分(約90%)的離子包含于母B1()HX—峰值內(nèi)。使用負(fù)離子對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行離子植入極為有益，因?yàn)槠鋾?huì)實(shí)質(zhì)消除在正離子植入時(shí)所觀測(cè)到的圓片充電現(xiàn)象。通常，一離子源不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一既定材料的足量的正離子及負(fù)離子二者；圖l2及13所示峰值離子電流相同(處于兩倍以內(nèi))。在圖14中，針對(duì)一擴(kuò)展的質(zhì)量范圍對(duì)此進(jìn)行了鮮明的顯示。這些數(shù)據(jù)是通過(guò)如下方式進(jìn)行收集使用本發(fā)明的離子植入系統(tǒng)收集一正離子質(zhì)諳，然后反轉(zhuǎn)離子植入機(jī)電源的極性，并在同一張紙上收集相同質(zhì)量范圍內(nèi)的負(fù)離子質(zhì)譜。為收集圖14，將法拉第杯電流饋送至一x-y紙張記錄儀。在使用十硼烷情況下植入負(fù)離子而非植入正離子會(huì)明顯存在若干重要優(yōu)點(diǎn)1)有更多的有用的離子電流處于所感興趣的峰值內(nèi)，從而產(chǎn)生更大的有用的摻雜劑通量；2)母峰值的質(zhì)量變窄了近二分之一(在負(fù)離子情況下半最大值處的滿寬度為5個(gè)原子質(zhì)量單位，而在正離子情況下為九個(gè)原子質(zhì)量單位)，及3)當(dāng)使用負(fù)離子取代正離子時(shí)，消除了圓片充電現(xiàn)象，此在所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中得到廣泛接受。圖15顯示以20keV的十硼烷能量植入硅樣本中的正十硼烷離子及負(fù)十硼烷離子二者的SIMS分布曲線。如果每一離子均具有相同數(shù)量的硼原子，則這些分布曲線會(huì)如人們所預(yù)計(jì)的那樣近乎相同，并因此植入相同的預(yù)定范圍。圖16顯示負(fù)十硼烷植入情況下的SIMS數(shù)據(jù)，其亦顯示了H的濃度。H的劑量為硼的劑量的0.9倍，此表明負(fù)十硼烷的平均化學(xué)分子式為B1()H9-。圖17顯示在電子撞擊離子化情況下離子化幾率如何依賴于電子能量。圖中使用氨(NH3)作為例解。圖中將幾率表示為橫截面cj，單位為10—"cm2。電子能量(T)的單位為eV,即電子-伏特。圖中顯示兩組根據(jù)第一原理計(jì)算出的理論曲線(標(biāo)記為BEB(豎直IP)及BEB(絕熱IP))及兩組由Djuric等人(1981)及Rao和Srivastava(1992)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖17顯示了如下事實(shí)某些電子能量范圍會(huì)比其他能量范圍引起更大程度的離子化。盡管這些數(shù)據(jù)適用于產(chǎn)生正離子，然而類似的考慮因素亦適用于負(fù)離子的產(chǎn)生明顯存在強(qiáng)的能量依賴性。一般而言，在電子撞擊能量介于約50eV與500eV之間時(shí)產(chǎn)生正離子的橫截面最大，且在約100eV時(shí)達(dá)到峰值。因此，電子束進(jìn)入離子化室44時(shí)的能量是一重要參數(shù)，其會(huì)影響本發(fā)明離子源的運(yùn)行，因此我們所設(shè)計(jì)的電子束輸運(yùn)使?jié)B入離子化室的電子的能量在接近零eV至約5000eV之間可變。圖2b至圖2d所示裝置顯示了本發(fā)明如何包含可對(duì)電子撞擊離子化能量進(jìn)行寬廣控制同時(shí)在離子源的電子束形成及偏轉(zhuǎn)區(qū)中在接近恒定的條件下工作的電子光學(xué)裝置。圖18為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的正十硼烷離子的質(zhì)譜。圖中分別標(biāo)出了構(gòu)成該質(zhì)譜的各種離子。一般而言，這些離子為BJC形式，其中1^1^10,03^14。最大的峰值是母BwH/離子，其中該峰值強(qiáng)度的大部分處于約8amu(原子質(zhì)量單位)內(nèi)。該母離子將可能選擇用于正離子植入。圖19為使用本發(fā)明的離子源產(chǎn)生的負(fù)十硼烷離子及正十硼烷離子的質(zhì)譜。圖中分別標(biāo)出了構(gòu)成該質(zhì)譜的各種離子。其中負(fù)離子譜遠(yuǎn)比正離子譜簡(jiǎn)單。具體而言，不存在明顯的氫離子或更低階硼離子，而該質(zhì)譜的約90。/。是由母Bu)[C離子構(gòu)成。與Bi。lC離子相似，該負(fù)母離子的大部分峰值強(qiáng)度處于約8amu內(nèi)。該母離子將可能選擇用于負(fù)離子植入。有若干種元素可用于在半導(dǎo)體中形成淺結(jié)。對(duì)于硅應(yīng)用而言，主要的摻雜劑為硼、磷、砷及銻，因而這些元素最有可能用于形成淺結(jié)。此外，硅及鍺植入劑用于在硅中形成非晶態(tài)區(qū)域，因而這些因素的簇將適用于形成淺非晶態(tài)區(qū)域。對(duì)于化合物半導(dǎo)體而言，適用于淺結(jié)的元素包括硅、鍺、錫、鋅、鎘及鈹，因而這些元素的簇有機(jī)會(huì)用于在化合物半導(dǎo)體制造中形成淺結(jié)。該方法的一個(gè)方面是在離子化室內(nèi)提供適用于形成簇離子的正確環(huán)境。所述各種元素中的每一種元素均具有不同的化學(xué)性質(zhì)，因而最佳環(huán)境會(huì)因每一種元素而異。為獲得最佳性能，每一元素及每一所選簇均將要求使用不同的一組輸入?yún)?shù)。可供用于進(jìn)行最佳化的參數(shù)包括由原料材料流控制的源壓力，由溫度控制系統(tǒng)控制的離子化室內(nèi)的溫度，離子化能量強(qiáng)度及特性，例如當(dāng)離子化能量為電子束時(shí)的電子束電流及電子能量。這些基本參數(shù)一起形成適用于形成摻雜劑簇并將摻雜劑簇離子化的適當(dāng)?shù)脑措x子化室環(huán)境。如上文所述，與單摻雜劑原子的離子植入相比，摻雜劑原子簇的離子植入使人們能高效地以一淺的深度植入N-型及P-型摻雜劑二者。上文已與若干實(shí)施例一起闡述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明并不僅限于此。舉例而言，所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員易知，亦可對(duì)其作出各種修改、改動(dòng)、改良及組合。顯然，根據(jù)上文所教示內(nèi)容，可對(duì)本發(fā)明作出許多修改及改變。因此，應(yīng)了解，可在隨附權(quán)利要求書范圍內(nèi)，以不同于上文所具體闡述的其他方式來(lái)實(shí)施本發(fā)明。權(quán)利要求1、一種將摻雜劑材料植入一襯底內(nèi)的方法，該方法包括如下步驟產(chǎn)生PnHx+形式的N-型簇離子，其中n和x為整數(shù)，且n處于2＜n＜4，x處于0＜x＜6的范圍內(nèi)；自一第二分子物質(zhì)產(chǎn)生P-型簇離子；將所述N-型簇離子植入一襯底上的一第一區(qū)域內(nèi)；及將所述P-型簇離子植入所述襯底上的一第二區(qū)域內(nèi)。2、如權(quán)利要求1所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括自磷化氫(PH3)氣體產(chǎn)生所述N-型簇離子。3、如權(quán)利要求1所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括自元素磷的蒸氣P產(chǎn)生所述N-型簇離子。4、如權(quán)利要求2所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P/簇離子。5、如權(quán)利要求3所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P/簇離子。6、如權(quán)利要求2所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P/蔟離子。7、如權(quán)利要求3所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P/簇離子。8、如權(quán)利要求2所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P;蔟離子。9、如權(quán)利要求3所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P2+蔟離子。10、如權(quán)利要求2所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P4C簇離子，其中x為一整數(shù)且l&《6。11、如權(quán)利要求2所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生PA+簇離子，其中x為一整數(shù)且l《x《5。12、如權(quán)利要求2所述的方法，其中自一第一分子物質(zhì)產(chǎn)生N-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生P2H/蔟離子，其中x為一整數(shù)且l《x《4。13、如權(quán)利要求l所述的方法，其中自一第二分子物質(zhì)產(chǎn)生P-型簇離子的步驟包括自十硼烷(B,。H14)氣體產(chǎn)生所述簇離子。14、如權(quán)利要求13所述的方法，其中自一第二分子物質(zhì)產(chǎn)生P-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生BJC蔟離子，其中n及x為整數(shù)且2^1^10，0^x^14。15、如權(quán)利要求14所述的方法，其中自一第二分子物質(zhì)產(chǎn)生P-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生B,。H/簇離子，其中x為一整數(shù)且0^^14。16、如權(quán)利要求l所述的方法，其中自一第二分子物質(zhì)產(chǎn)生P-型簇離子的步驟包括產(chǎn)生負(fù)B,。H「簇離子，其中x為一整數(shù)且0^x^14。17、一種半導(dǎo)體裝置，其包括一PA+形式的N-型摻雜劑，其被植入所述村底的一第一區(qū)域內(nèi)，其中n和x為整數(shù)，且n處于2SnS4，x處于0《x《6的范圍內(nèi)；及一P-型摻雜劑，其被植入形成一半導(dǎo)體裝置的所述襯底的一第二區(qū)域內(nèi)。18、如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述P-型摻雜劑為BJ/，其中n和x為整數(shù)，且n處于2《n《4,x處于0SxS6的范圍內(nèi)。19、如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述P-型摻雜劑為BnHx—，其中n和x為整數(shù)，i^lO且x處于0^x^14的范圍內(nèi)。20、如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述P-型摻雜劑為Bl+,其中n和x為整數(shù)，且n-10,x處于0Sx《14的范圍內(nèi)。全文摘要本發(fā)明揭示一種用于將簇離子植入半導(dǎo)體襯底中以進(jìn)行半導(dǎo)體器件制造的離子植入系統(tǒng)(10)，并揭示一種制造一半導(dǎo)體器件的方法。其中為在CMOS器件中形成晶體管，植入N-型及P-型摻雜劑簇。舉例而言，在植入期間分別使用As₄H_x⁺簇與B₁₀H_x或B₁₀H_x⁺簇作為As及B摻雜的摻雜源。本發(fā)明揭示一種用于將簇離子植入半導(dǎo)體襯底中以進(jìn)行半導(dǎo)體器件制造的離子植入系統(tǒng)(10)。文檔編號(hào)H01L27/085GK101308785SQ20081011149公開日2008年11月19日申請(qǐng)日期2003年6月6日優(yōu)先權(quán)日2002年6月26日發(fā)明者托馬斯·N·霍爾斯基,達(dá)勒·C·雅各布森,韋德·A·克魯爾申請(qǐng)人:山米奎普公司