Газоразрядный источник молекулярных пучков ионов фосфора

Полезная модель относится к полупроводниковой технологии, а именно, к технике получения молекулярных ионных пучков фосфора (P₄⁺и P₂⁺) и может быть использована в имплантерах ионов низкой энергии в производстве микросхем высокой степени интеграции. Сущность полезной модели: газоразрядный источник пучков молекулярных ионов фосфора с накаленным катодом содержит разрядную камеру - полый анод протяженной формы 1, на одной из стенок анода вдоль длинной стороны выполнена эмиссионная щель. На торцах анода установлены прямонакальный катод 2 с экраном 3 и отражатель электронов 4. Соосно с эмиссионной щелью вне разрядной камеры смонтированы супрессор 5 и ускоряющий электрод 6. Ионный источник включает магнитную систему, создающую магнитное поле направленное вдоль оси анода. Дополнительно ионный источник оборудован диссоциатором, включающим в себя камеру 8, тепловой экран 9, кварцевую трубку 10 и спираль нагревателя 11, который соединен паропроводом определенной длины с разрядной камерой. В качестве источника паров молекулярного фосфора в ионном источнике используется газообразное соединение фосфин, который будучи введенным в диссоциатор распадается на составляющие: молекулярный водород и молекулярный фосфор Р ₄. Использование газообразного соединения фосфора с водородом в качестве источника паров молекулярного фосфора в совокупности с диссоциатором дает возможность увеличить скорость изменения натекания с десятков минут до нескольких единиц секунд, стабилизировать натекание газа. А также за счет разложения фосфина в диссоциаторе на фосфор и водород полностью исключить на выходе из ионного источника соединения фосфора с водородом, решив таким образом проблему утилизации этого вредного вещества, и за счет этого же увеличить долю молекулярных ионов фосфора Р₄ и Р₂.

Полезная модель относится к полупроводниковой технологии, а именно, к технике получения молекулярных ионных пучков фосфора (P₄⁺ и P₂⁺) и может быть использована в имплантерах ионов низкой энергии в производстве микросхем высокой степени интеграции.

Тенденции в развитии современной полупроводниковой технологии таковы, что для увеличения производительности и расширения функциональных возможностей интегральных схем (микропроцессоров и других микросхем высокой степени интеграции), а также снижения себестоимости компонентов или структур микросхем, необходимо уменьшать размеры этих компонентов и увеличивать их количество, приходящиеся на единицу площади кристалла микросхемы. Это побуждает непрерывно совершенствовать и развивать технологическое оборудование для производства микросхем. Уменьшение размеров компонентов микросхем и освоение всего нанометрового масштаба (нанодиапазона) размеров структур приводит к необходимости снижения энергии ионов легирующих элементов. Уменьшение энергии ионов легирующих материалов за счет снижения ускоряющего напряжения в существующих ионных источниках при сохранении высокой плотности ионного тока, отвечающего за производительность процесса, ограничено, поскольку плотность ионного тока пропорциональна величине ускоряющего напряжения в степени 3/2 согласно закону Чайлда-Ленгмюра. Одним из возможных путей уменьшения энергии, приходящейся на один атом легирующего материала, является генерация пучков ионов молекул, включающих в себя несколько (два и более) этих атомов. В связи с этим перспектива применения молекулярных ионов (многоатомных конгломератов или кластеров M_n) объясняется тем, что при данном ускоряющем напряжении имплантируемая энергия, приходящаяся на один атом в молекуле, снижается на величину кратную числу атомов n в молекуле или кластере, тогда как имплантируемая доза увеличивается в n по сравнению с имплантацией одноатомных ионов.

Известен источник ионов [1], в котором реализована генерация молекулярных ионов, в том числе, и молекулярных ионов фосфора. Источник состоит из разрядной камеры в виде протяженного прямоугольного параллелепипеда, вдоль длинной стороны которого выполнено эмиссионное прямоугольное окно с размерами 8×48 мм². Со стороны эмиссионного окна вне разрядной камеры находится ионно-оптическая система. На торцах разрядной камеры установлены с одной стороны отражатель или коллектор электронов, с противоположной стороны установлена электронная пушка. При этом эта пушка ориентирована таким образом, что электронный пучок из этой пушки, для того чтобы попасть внутрь разрядной камеры, в процессе своего движения поворачивается на 90° магнитным полем, с помощью специально смонтированной магнитной системы из постоянных магнитов. Таким образом, одним из недостатков этого источника является сложность его конструкции, вследствие использования электронной пушки с поворотом электронного пучка. Ионы фосфора, в том числе и молекулярные, появляются в результате ионизации электронным пучком паров фосфора, напускаемых в разрядную камеру ионного источника. Источником паров фосфора является твердый красный фосфор, который будучи нагретым в печи от 325°С до 400°С, в зависимости от требуемого тока ионного пучка, испаряется в основном в виде молекул Р₄.

Наиболее близким устройством к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является ионный источник [2], взятый нами за прототип, и состоящий из разрядной камеры-анода, имеющего форму протяженного прямоугольного параллелепипеда, вдоль длинной стороны которого на одной из его стенок, выполнена прямоугольная эмиссионная щель с размерами 1×40 мм². На торцах разрядной камеры установлены: с одной стороны - прямонакальный катод с экраном и, с противоположной стороны - отражатель электронов, который в зависимости от режима работы может либо быть соединен электрически с анодом, либо находится под плавающим потенциалом. Напротив эмиссионной щели с внешней стороны разрядной камеры установлены электроды ионно-оптической системы - супрессор и ускоряющий электрод. Ионный источник помещен в магнитное поле, направленное вдоль разрядной камеры. Ионизация паров фосфора в источнике осуществляется электронами, эмитированными термокатодом. В режиме генерации молекулярных ионов отражатель электронов соединен с анодом. В данном ионном источнике, также как в источнике [1] пары фосфора, которые подаются в разрядную камеру, получают в результате нагрева твердого красного фосфора в печи. Однако использование красного фосфора в качестве источника паров молекулярного фосфора P₄ сопряжено с рядом проблем, связанных с:

а) многофазной природой коммерческого фосфора;

в) нестабильностью скорости испарения и других термодинамических свойств;

с) термодинамической нестабильностью красного фосфора, т.е. возможностью его трансформации из одного аллотропного состояния в другое;

д) низкой кинетикой испарения фосфора.

Все это приводит к нестабильности натекания паров фосфора в разрядную камеру источника ионов, а последнее обстоятельство приводит к тому, что процесс регулировки скорости натекания паров, который в основном осуществляется за счет изменения температуры нагрева красного фосфора, становится достаточно сложным и длительным, доходящим по времени до десятков минут. И это благодаря большой длительности процесса установления равновесного давления паров над нагретой поверхностью фосфора. Что очень затрудняет получение потока пара молекул фосфора Р₄ с постоянной скоростью натекания и значительно усложняет систему и программу автоматического регулирования.

Альтернативным источником фосфора, в том числе, и молекулярного фосфора, является фосфин, представляющий собой в нормальных условиях газообразное соединение фосфора с водородом с молекулярной формулой РН ₃. Фосфин используется как рабочая среда в разрядных системах ионных источников в основном для получения атомарных ионов (как однозарядных, так и многозарядных) фосфора. Применение фосфина позволяет решить проблему оперативной регулировки и стабилизации скорости натекания газа в разрядную камеру, так как регулировка натекания осуществляется специальными вентилями, быстродействие которых значительно превышает скорость изменения температуры красного фосфора. Однако эксперименты с напуском фосфина в разрядную камеру ионного источника показали, что в ионном пучке наряду с ионами фосфора Р⁺, P₂⁺, P₃⁺ и P₄⁺ имеются и ионы РН⁺, РН₃⁺. При этом суммарный ток ионов РН⁺ , PH₃⁺ достаточно значительный и может достигать 25-30% полного тока пучка. Наличие этих ионов в составе ионного пучка является нежелательным, так как это приводит к снижению газовой эффективности ионного источника и увеличению нагрузки на источники питания ионно-оптической системы и, особенно, на высоковольтный источник питания системы ускорения ионного пучка, что снижает энергетическую эффективность источника. Кроме того фосфин является очень токсичным и коррозионным веществом, поэтому необходимо оборудовать установки ионной имплантации средствами утилизации фосфина, который присутствует в этом случае в выхлопе вакуумных насосов, так как выброс его в атмосферу недопустим.

Задачей предлагаемой полезной модели является достижение высокой оперативности в регулировке скорости натекания рабочего вещества в разрядную камеру ионного источника, при сохранении высокого выхода молекулярных ионов фосфора.

Технический результат - увеличение выхода молекулярных ионов фосфора P ₄ и Р₂, повышения газовой и энергетической эффективности ионного источника и решение проблемы утилизации фосфина, за счет полного исключения из состава ионного пучка ионов соединений фосфора с водородом.

Указанная задача и технический результат при осуществлении полезной модели достигаются за счет использования газоразрядного источника молекулярных ионных пучков фосфора, содержащего разрядную камеру - полый анод, имеющую протяженную форму, с эмиссионной щелью для извлечения ионов, выполненной на одной из стенок анода вдоль длинной его стороны и двумя диафрагмирующими отверстиями на торцах анода. Источник также включает в себя прямонакальный катод с экраном и отражатель электронов, каждый из которых размещены на противоположных торцах анода, напротив диафрагмирующих отверстий, супрессор с ускоряющим электродом, которые установлены напротив эмиссионной щели вне разрядной камеры и магнитную систему, создающую магнитное поле, направленное вдоль оси анода. Согласно предложенной полезной модели, газоразрядный источник дополнительно оборудован диссоциатором газообразного соединения фосфора с водородом - фосфином, соединенным с разрядной камерой паропроводом.

Использование газообразного соединения фосфора с водородом в качестве источника паров молекулярного фосфора в совокупности с диссоциатором дает возможность увеличить скорость изменения натекания с десятков минут до нескольких единиц секунд и стабилизировать натекание газа. За счет разложения фосфина в диссоциаторе на фосфор Р₄ и молекулярный водород полностью исключить на выходе из ионного источника соединения фосфора с водородом, полностью решив таким образом проблему утилизации этого вредного вещества, и за счет этого же увеличить долю молекулярных ионов фосфора Р₄ и P₂.

Газоразрядный источник молекулярных ионов, схема которого приведена на фиг.1, состоит из разрядной камеры - анода 1, имеющего форму протяженного полого прямоугольного параллелепипеда, вдоль длинной стороны которого на одной из его стенок, выполнена прямоугольная эмиссионная щель с размерами 1×40 мм². На торцах разрядной камеры сделаны диафрагмирующие отверстия, напротив которых установлены: с одной стороны - прямонакальный катод 2 с экраном 3 и, с противоположной стороны, отражатель электронов 4, в режиме генерации молекулярных ионов соединенный с анодом. Соосно с эмиссионной щелью с внешней стороны разрядной камеры установлены электроды ионно-оптической системы - супрессор 5 и ускоряющий электрод 6. Ионный источник помещен в магнитное поле, направленное вдоль длинной стороны разрядной камеры. В качестве источника паров фосфора P₄ выбран газ фосфин РН₃. При этом газ фосфин в отличие от прототипа [1] и ионного источника [2] поступает в разрядную камеру через диссоциатор, активная зона которого нагрета до температуры не выше 700°С и в котором происходит диссоциация фосфина в соответствии со следующей реакцией 4РН₃=Р₄ +6Н₂. Таким образом на выходе диссоциатора мы получаем молекулярный водород и фосфор в виде пара, состоящего практически только из молекул Р₄, которые далее по паропроводу 7 поступают в разрядную камеру 1. Диссоциатор состоит в свою очередь из камеры 8, теплового экрана 9, кварцевой трубки 10 и спирали нагревателя 11. Кварцевая трубка и спираль нагревателя образуют активную зону диссоциатора. Длина паропровода, представляющего собой металлическую трубку из нержавеющей стали, выбирается минимально возможной настолько, насколько позволяет конструкция ионного источника. Это необходимо для того, чтобы за счет тепла выделяемого в разрядной камере и активной зоне диссоциатора поддерживать температуру стенок паропровода достаточно высокой для предотвращения конденсации паров фосфора на стенках паропровода. Однако длина паропровода не должна быть и слишком малой, так как с помощью паропровода обеспечивается требуемый перепад давлений между активной зоной диссоциатора и разрядной камерой. Для данной конкретной конструкции ионного источника, наиболее оптимальная длина паропровода, при его диаметре 5 мм, лежит в пределах 10-15 см.

Были проведены экспериментальные исследования предложенной полезной модели устройства. Ионный источник работал в так называемом пучково-плазменном режиме, когда отражатель был соединен с анодом. Основные параметры эксперимента были следующими: разрядное напряжении 300 В, ток разряда 120-130 мА, ток ионного пучка 0.6 мА, ускоряющее напряжение 15 кВ и напряжение супрессора 4.5 кВ. С помощью натекателя Micromate фирмы Hoke регулировался напуск газа фосфина в рабочую зону диссоциатора, а следовательно, и скорость натекания продуктов реакции диссоциации в ионный источник. Скорость натекания фосфина оценивалась по величине давления в вакуумной камере ионного источника, в экспериментах оно поддерживалось на уровне 6×10^-5 торр. Этот режим соответствовал наиболее оптимальному режиму работы ионного источника для случая получения ионного пучка с максимальной долей ионов фосфора P₄.

Результаты эксперимента приводятся на фиг.2, на котором показан массзарядовый состав сепарированного ионного пучка при разных токах накала спирали диссоциатора. Спектральная линия красного цвета - так спектр пучка выглядит, когда ток накала спирали равен нулю или меньше некоторого значения (в нашем случае менее 1.6 А), при котором диссоциация фосфина незначительна. Синяя линия - при токе близком к 1.7 А. И черная линия при токе более 1.8 А, после которого состав ионного пучка значительно не меняется. В левом верхнем углу приведено более детально поведение составляющих пучка Р, РН, РН₃. Зеленая линия - это ток в магните сепаратора. Таким образом, дополнение ионного источника диссоциатором приводит к почти двукратному увеличению тока ионов фосфора P₂ и Р₄, и полному отсутствию в пучке ионов соединений фосфора с водородом, что решает проблему утилизации соединений фосфора с водородом, представляющих собой потенциальную опасность для окружающей среды и персонала, обслуживающих оборудование. Следует отметить, что двукратное увеличение тока ионов P ₄ эквивалентно восьмикратному росту атомарных ионов фосфора.

Как было отмечено выше, нам доступна информация только об одном источнике других авторов, а именно об источнике ClusterIon® Source [2], разработанном Томасом Хорски из SemEquip Inc. Этот источник имеет разрядную камеру (анод) с эмиссионной щелью 8×48 мм, и способен обеспечить ток ионов фосфора близким к 3 мА. Площадь эмиссионной поверхности у ClusterIon® Source на порядок превышает площадь эмиссии нашего источника, и если сравнивать оба источника по плотности эмиссионного тока, то они практически одинаковы и близки к 1 мА/см², это говорит о том, что параметры плазмы внутри разрядных камер тоже одинаковы. Отличается предлагаемый нами ионный источник от ClusterIon® Source во-первых, значительной простой конструкции; во-вторых, практически полным отсутствием ионов РН, РН₃ в ионном пучке, что повышает газовую и энергетическую эффективность ионного источника, а также полностью решает проблему утилизации фосфина.

Источники информации:

1. Thomas N. Horsky, Universal ion source for cluster and monomer implantation, AIP Conf. Proc., v.866, 159 (2006)

2. V.I.Gushenets, E.M.Oks, A.Hershcovitch, T.V.Kulevoy, Molecular Phosphorus Ion Source for Semiconductor Technology, 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings. Tomsk: 2010. 783 pp.

Газоразрядный источник молекулярных пучков ионов фосфора с накаленным катодом, содержащий разрядную камеру - полый анод протяженной формы, на одной из стенок анода вдоль длинной стороны выполнена эмиссионная щель, а на торцах сделаны диафрагмирующие отверстия, прямонакальный катод с экраном и отражатель электронов, каждый из которых размещен на противоположных торцах анода, супрессор с ускоряющим электродом, установленные соосно с эмиссионной щелью вне разрядной камеры, и магнитную систему, создающую магнитное поле, направленное вдоль оси анода, отличающийся тем, что дополнительно оборудован диссоциатором газообразного соединения фосфора с водородом - фосфином и соединенным с разрядной камерой паропроводом.