专利名称：离子源和离子注入器及包括离子源的方法
技术领域：
本发明涉及离子源和具有离子源的离子注入器，更具体涉及用于产生在半导体制造工艺中掺杂半导体用的离子的离子源，以及涉及包括这种离子源的离子注入器。
背景技术：
通常，通过用于在半导体衬底如硅晶片上形成电路的制造工艺、用于检查在衬底上形成的电路的电性能电子管芯挑选(EDS)工艺以及用于使用环氧树脂密封半导体器件的封装工艺来制造半导体器件。
制造工艺通常分为用于在衬底上形成层的淀积工艺、用于平整化层的化学机械抛光(CMP)工艺、用于在层上形成光刻胶图形的光刻工艺、用于使用光刻胶图形由该层形成电子图形的刻蚀工艺、用于将离子注入衬底的预定区域中的离子注入工艺、用于从衬底除去颗粒的清洗工艺以及用于检查图形的电气故障的检查工艺。
为了在半导体衬底上获得掺杂区，通过将离子注入衬底的预定部分，执行离子注入工艺。该离子注入工艺使用包括离子源的离子注入器来执行。例如，在Bright等的美国专利号5,262,652，Abbott等的美国专利号6,184,532，Dudniknov等的美国专利号6,022,258以及Reyes的美国专利申请公开号2002/0185607中公开了用于产生离子的已知离子源。
已知的离子源具有其中产生离子的电弧室以及用于热发射电子到电弧室中的灯丝。灯丝电流被施加到灯丝，以便热发射电子，以及在电弧室施加相对于灯丝电流偏置的电弧电压。因此，灯丝用作阴极，而电弧室用作阳极。
通过在灯丝和电弧室之间插入绝缘部件，灯丝与电弧室电绝缘。通过施加灯丝电流到灯丝从加热的灯丝热发射电子。发射的电子与电弧室中提供的源气体碰撞，由此在电弧室中产生离子。
图1是说明现有技术离子源30的水平剖面图。图2是说明图1的离子源30的垂直剖面图。
参考图1和2，现有技术离子源30包括电弧室外壳32、灯丝34和反射体36。电弧室外壳32限定电弧室33。
灯丝34布置在电弧室33中。灯丝34邻近电弧室外壳32的第一侧壁32a。在灯丝34和第一侧壁32a之间插入第一绝缘部件38，以便灯丝34与电弧室外壳32电绝缘。
反射体36布置在电弧室33中。反射体36邻近电弧室外壳32的第二侧壁32b。第二侧壁32b与第一侧壁32a相对。第二绝缘部件40布置在反射体36和第二侧壁32b之间，以便反射体36也与电弧室外壳32电绝缘。
灯丝34电连接到灯丝电源(未示出)。灯丝34发射电子到电弧室33中。由于负电压被施加到反射体36，因此反射体36排斥电子朝第二侧壁32b移动，回到电弧室33的内部区域。因此，可以增加源气体电离效率。正电压被施加到电弧室外壳32的侧壁，以便由源气体的电子和分子之间碰撞产生的离子被返回或反弹回电弧室33。
供气管线42贯穿电弧室外壳32的第三侧壁32c的中心部分。第三侧壁32c垂直于第一侧壁32a和第二侧壁32b。离子提取管线44贯穿电弧室外壳32的第四侧壁32d。第四侧壁32d与第三侧壁32c相对。供气管线42连接到气体馈送线46，以在电弧室33中提供源气体。
发明内容
根据本发明的实施例，用于电离源气体的离子源包括限定电弧室以接收源气体的电弧室外壳。电弧室具有第一区域和第二区域。电子发射装置布置在邻近第一区域的电弧室中以及用于发射电子到第一和第二区域中，以电离源气体的。电子反射装置布置在邻近第二区域的电弧室中并用于反射从电子发射装置发射的至少一些电子到第二区域中。供气系统用于直接将源气体提供到第一区域和第二区域中。根据某些实施例，与提供到电弧室的其他区域中相比，供气系统用于提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
根据本发明的实施例，一种用于将材料注入到衬底中的离子注入器包括离子源、终端站以及传送单元。该离子源用于电离包含待注入到衬底中的材料的源气体。终端站单元用于处理衬底，以注入从离子源提供的离子。传送单元将离子源连接到终端站单元，以将离子从离子源传送到终端站单元。离子源包括限定电弧室以接收源气体的电弧室外壳。电弧室具有第一区域和第二区域。电子发射装置布置在邻近第一区域的电弧室中以及用于发射电子到第一和第二区域中，以电离源气体。电子反射装置布置在邻近第二区域的电弧室中以及用于反射从电子发射装置发射的至少一些电子到第二区域中。供气系统用于将源气体直接提供到第一区域和第二区域中。根据某些实施例，与提供到电弧室的其他区域中相比，供气系统用于提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
根据本发明的再一实施例，一种用于电离源气体的方法包括将源气体直接提供到电弧室的第一区域中和电弧室的第二区域中；从电子发射装置发射电子到第一和第二区域中，以电离源气体，其中电子发射装置布置在邻近第一区域的电弧室中；以及使用电子反射装置将从电子发射装置发射的至少一些电子反射到第二区域中，其中电子反射装置布置在邻近第二区域的电弧室中。根据某些实施例，将源气体直接提供到第一区域和第二区域中的步骤包括与提供到电子发射装置和电子反射装置之间以及第一和第二区域之间设置的电弧室的第三区域中相比，提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
所属领域的普通技术人员从附图的阅读和优选实施例的详细描述将理解本发明的更多特点、优点和细节，这种描述仅仅是本发明的说明。
通过参考下面的详细描述，同时结合附图，将使本发明的实施例的上述及其他特点和优点将变得更为明显，其中图1是说明现有技术离子源的水平剖面图。
图2是说明图1的现有技术离子源的垂直剖面图；图3是说明根据本发明的实施例的离子源的水平剖面图；图4是说明图3的离子源的垂直剖面图；图5是说明根据本发明的实施例的灯丝电源和电弧电源的电路图；图6是说明根据本发明的实施例包括选择性的电子发射装置和选择性的电子反射装置的图3和4的离子源的剖面图；图7是说明根据本发明的再一实施例的供气系统的剖面图；图8是说明根据本发明的再一实施例的供气系统的剖面图；图9是说明根据本发明的再一实施例的气体注入器的不完全放大的剖面图。
图10是说明根据本发明的实施例包括图3的离子源的离子注入器的示意性剖面图；
图11是说明图10的离子注入器的终端站单元的放大剖面图；以及图12是说明根据比较例子和根据本发明的实施例的例子由离子源产生的离子束的离子电流的曲线图。
具体实施例方式
下面参考附图更完全地描述本发明，附图中示出本发明的说明性实施例。在图中，为了清楚可以放大区域或部件的相对尺寸。但是，本发明可以以许多不同形式体现，不应该认为局限于在此阐述的实施例中；相反，提供这些实施例是为了本发明将是彻底的和完全的，并将本发明的范围完全传递给所属领域的技术人员。
应当理解当一个元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接到”另一元件或层，或“耦合到”另一元件或层，或与另一元件或层“结合”时，它可以直接在另一元件上，连接到另一元件或层，或耦合到另一元件或层，或可以存在插入元件或层。相反，当一个元件被称为直接在另一元件或层“上”，或“直接连接到”到另一个元件或层时，不存在插入元件或层。相同的标记始终指相同的元件。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列项的任意和所有组合。应当理解，尽管在此可以使用术语第一、第二、第三等来描述各个元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该被这些术语限制。这些术语仅仅用来使一个元件、层或部分与其它区域、层或部分相区别。因此，在不脱离本发明的教导的条件下，下面论述的第一元件、组件、区域、层或部分可以称为第二元件、组件、区域、层或部分。
为了便于描述，在此可以使用空间相对术语如“在...底下”、“在...下面”、“下”、“在...之上”、“上”等描述一个元件或部件与图中所示的另一元件或部件的关系。应当理解这些空间相对术语旨在包括除图中描绘的取向之外的使用或操作中器件的不同取向。例如，如果在图中该器件被翻转，那么描述为在其他元件“下面”或“底下”的元件将定向在其他元件或部件“之上”。因此，示例性术语“在...下面”可以包括“在...之上”和“在...之下”的两种取向。器件可以被另外定向(旋转90度或以其他取向)以及由此解释在此使用的空间相对的描述词。
在此使用的专业词汇仅仅用于描述具体实施例而不是用来限制本发明。如在此使用的单数形式“a”，“an”和“the”同样打算包括复数形式，除非上下文另外清楚地表明。还应当理解，在说明书中使用的术语“comprises”和/或“comprising”说明陈述部件、整体、步骤、操作、元件、和/或组件的存在，但是不排除存在或增加一个或多个其他部件、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
在此参考剖面图描述了本发明的实施例，剖面图是本发明的理想化实施例(和中间结构)的示意图。因而，将预想由于制造技术和/或容差图例形状的变化。因此，本发明的实施例不应该认为限于在此所示的区域的特定形状，而是包括由制造所得的形状的偏差。例如，图示为矩形的注入区一般地将具有圆滑的或弯曲的特点和/或在其边缘具有注入浓度的梯度，而不是从注入区至非注入区的二元变化。同样，通过注入形成的掩埋区在掩埋区和通过其进行注入的表面之间的区域中可能引起某些注入。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，以及它们的形状不打算图示器件区域的实际形状，以及不打算限制本发明的范围。
除非另外限定，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属的技术领域的普通技术人员通常理解的相同意思。还应当理解，术语如在通常使用的词典中定义的那些术语应该解释为具有符合相关技术的环境中的意思且不被解释理想化或过度地形式感知清楚地，除非在此清楚地限定。
如由本发明人理解，在现有技术离子源如离子源30(图1和2)中，与电弧室33中的其它地方相比，在电弧室33的第一内部区域48a和第二内部区域48b中源气体被更活跃地电离。第一内部区域48a和第二内部区域48b分别邻近灯丝34和反射体36。因为在第一和第二内部区域48a和48b处从灯丝34发射的电子具有最大的动能，因此在第一和第二内部区域48a和48b中源气体也具有最大的离子化级别。因为供气管线42布置在第一内部区域48a和第二内部区域48b之间，但是，源气体不可以被直接提供到第一和第二内部区域48a和48b。因此，电弧室33中的源气体的总的电离效率可能被减小。结果，离子注入工艺的处理量可能被减小以及非电离的源气体可能污染离子注入器。
根据本发明的实施例，提供离子源和/或引入离子源的离子注入器，可以克服现有技术离子源和离子注入器的缺点，以及增加源气体的离子化的效率。根据本发明的实施例，构成和采用离子源，以便源气体被直接提供到邻近电子发射装置的电弧室的第一区域中以及提供到邻近电子反射装置的电弧室的第二区域。
图3是说明根据本发明的实施例的离子源100的水平剖面图。图4是说明离子源100的垂直剖面图。离子源100可以用来在半导体衬底如硅晶片上执行离子注入工序，以形成接触区如源/漏区。
离子源100包括电弧室外壳102、电子发射装置111和电子反射装置113。电弧室外壳102在其中限定电弧室103。电子发射装置111与电子反射装置113合作。电子发射装置111包括灯丝110。电子反射装置113包括反射体112。
电弧室103提供其中源气体被电离的空间或容积。更具体，源气体在从灯丝110延伸到反射体112的区域106中被电离，以在其中形成等离子体。源气体包括离子前体。灯丝110发射电子到电弧室103的空间中，以便电离源气体。反射体112反射或排斥从灯丝110发射的电子朝电弧室103的区域106的方向。
灯丝110和反射体112沿纵轴A-A互相隔开。沿轴A-A在灯丝110和反射体112之间插入区域106。反射体112面对灯丝110。灯丝110，反射体112和部分区域106通常沿轴A-A排列。
电弧室外壳102包括第一侧壁102a、第二侧壁102b、第三侧壁102c和第四侧壁102d。第一侧壁102a和第二侧壁102b彼此基本上相对。第三侧壁102c和第四侧壁102d彼此基本上相对。第一侧壁102a基本上平行于第二侧壁102b。第三侧壁102c基本上平行于第四侧壁102d。此外，第三和第四侧壁102c和102d基本上垂直于第一和第二侧壁102a和102b。因此，电弧室103被第一、第二、第三和第四侧壁102a，102b，102c和102d限定。
灯丝110布置在电弧室103中。灯丝110可以邻近于第一侧壁102a设置。部分灯丝110穿过第一侧壁102a在电弧室103的外部延伸。
反射体112也布置在电弧室103中。反射体112邻近于第二侧壁102b设置。部分反射体112穿过第二侧壁102b在电弧室103的外面延伸。反射体112相对和面对灯丝110。
灯丝110通过设置在第一侧壁102a上和/或穿过第一侧壁102a的一个或多个第一绝缘部件114与第一侧壁102a电绝缘。第一绝缘部件114插入灯丝110和第一侧壁102a之间。第一绝缘部件114包围灯丝的各个延伸部分。
反射体112通过部分地包围反射体112的延伸部分的第二绝缘部件116与第二侧壁102b电绝缘。第二绝缘部件116布置在第二侧壁102b上和/或穿过第二侧壁102b，以及插入延伸部分和侧壁102b之间。
根据选择性实施例(未示出)，灯丝110和反射体112可以分别与第一和第二侧壁102a和102b隔开预定距离。在此情况下，灯丝110和反射体112可以与第一和第二侧壁102a和102b电绝缘，不采用第一和第二绝缘部件114和116。
根据更多实施例(未示出)，第一侧壁102a可以包括第一孔，具有基本上大于灯丝110的延伸部分的直径。穿过第一孔的灯丝110的延伸部分具有预定的围绕间隙，以便灯丝110与第一侧壁102a电绝缘。附加地，第二侧壁102b可以具有第二孔，第二孔具有基本上大于反射体112的延伸部分的直径。穿过第二孔的反射体112的延伸部分具有预定的围绕间隙，以便反射体112与第二侧壁102b电绝缘。
第一供气入口104a和第二供气入口104b贯穿第三侧壁102c。入口104a和104b与电弧室103相连和与电弧室103流动地连通。在电离工序过程中源气体通过第一和第二供气入口104a和104b提供到电弧室103中。
第一供气入口104a直接将源气体提供到位于第一供气入口104a上的电弧室103的第一内部区域或容积106a中。第一内部区域106a邻近于灯丝110设置。第二供气入口104b直接将源气体提供到位于第二供气入口104b上的电弧室103的第二内部区域或容积106b中。区域106b邻近于反射体112布置。具体，与区域106b相比，区域106a位于更接近灯丝110，与区域106a相比，区域106b位于更接近反射体112。此外，根据某些实施例以及如图所示，与反射体112相比，区域106a位于更接近灯丝110，以及与灯丝110相比，区域106b位于更接近反射体112。
根据某些实施例，以及如图所示，供气入口104a，104b每个用于将源气体直接注入电弧室103中，以便源气流直接和无阻地流动(即，通过电弧室外壳102的结构元件等)到各个希望的区域106a，106b。亦即，从跟随第一基本上直流管线或路径的入口104a流出的第一气体从电弧室103进入区域106a。同样，从跟随第二基本上直流管线或路径的入口104b流出的第二气体从电弧室103进入区域106b。
根据本发明的某些实施例，通过入口104a，104b引入源气体，以便源气体被直接提供到区域106a，106b，以便开始，预电离的源气体以比提供到或通过电弧室103中的其他区域更大的质量流速被提供到区域106a，106b中或通过区域106a，106b，电弧室103中的其他区域发生较不活跃的电离(即，不在电子发射装置和电子反射装置之间以及邻近电子发射装置和电子反射装置的每一个的那些区域)。结果，进入或通过电弧室103的各个区域(包括区域104a，104b)的源气体的各个质量流速更多与电弧室的那些区域中的电离(即，激励)电子的密度成正比。提供更有效的离子化的源气体的电离材料。
离子源100被配置为第一供气入口104a优先直接将第一源气流提供到区域106a中，以及第二供气入口104b优先直接将第二源气流提供到区域106b中。亦即，与沿轴A-A的区域106a，106b之间的电弧室103的区域或电弧室103中的其它区域相比，更多的第一和第二源气流被入口104a，104b直接提供到各个区域106a，106b中。此外，与引入到区域106b中相比，可以从入口104a引入更多的第一源气流到区域106a中，以及，与引入区域106a中相比，从入口104b引入更多的第二源气流到区域106b中。
根据某些实施例以及如图所示，入口104a，104b沿轴A-A隔开，以便入口104a比入口104b更接近灯丝110和区域106a，以及入口104b比入口104a更接近反射体112和区域106b。根据某些实施例，在相对于轴A-A横向的方向D1和D2中，入口104a和104b分别将它们的源气体直接流动到室103中。根据某些实施例以及如图所示，方向D1和D2基本上垂直于轴A-A。来自入口104a和104b的第一和第二气流的流径在方向D1和D2中延伸，方向D1和D2交叉各个区域106a和106b。
第一供气入口104a沿纵轴A-A与灯丝110隔开第一距离d1(从入口104a的中心起计算)。第二供气入口104b沿纵轴A-A与反射体112隔开第二距离d2(从入口104b的中心起计算)。根据某些实施例，第一距离d1在约5至15mm的范围之内，以及第二距离d2在约5至15mm的范围之内。根据某些实施例，第一供气入口104a的直径基本上与第二供气入口104b的直径相同。根据某些实施例，每个入口104a，104b的直径处于约3至5mm的范围之内。
在第三侧壁102c上布置第一接头或连接部件108a以及第二接头或连接部件108b。供气系统120通过第一和第二连接部件108a和108b连接到电弧室103。第一和第二供气入口104a和104b分别通过第三侧壁102c延伸到电弧室103的外部，然后连接到第一和第二连接部件108a和108b。
供气系统120包括气体源122、第一管线124和两个第二管线126。源气体通过第一管线124和第二管线126从气体源122提供到电弧室103中。第一管线124分为接近第一和第二连接部件108a和108b的第二管线126。第二管线126分别通过第一和连接部件108a和108b连接到第一和第二供气入口104a和104b。
供气系统120还包括安装在第一管线124中的质流控制器(MFC)130和闸阀128，以便控制被引入电弧室103中的源气体的流速。
根据某些实施例，源气体包括如硼(B)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等元素。这些元素可以改变在衬底上形成的层和/或衬底的电性能。根据某些实施例，源气体包括BF3。当包括BF3的源气体被提供到电弧室102中，由于源气体和从灯丝110发射的电子之间的碰撞，在电弧室103中可以产生包括10B+、10BF+、10BF3+、11B+和/或11BF2+的离子。根据本发明的某些实施例，源气体还包括不活泼气体如氩(Ar)气或氮(N2)气。
图5是说明根据本发明的实施例的灯丝电源140和电弧电源142的电路图。灯丝电源140电连接到灯丝110(图3)，以及电弧电源142电连接到电弧室外壳102(图3)。
参考图3至5，灯丝电流从灯丝电源140流动到灯丝110，以由此从灯丝110热发射电子到电弧室103中。相对于灯丝电流偏置的电弧电压从弧电源142施加到电弧室外壳102。
灯丝110的延伸部分电连接阴极端子和灯丝电源140的阳极端子。电弧电源142的阳极端子电连接到电弧室102，而电弧电源142的阴极端子电连接到灯丝电源140的阴极端子。灯丝电源140的阴极端子和电弧电源142也被电连接到源地线144。
离子提取器310通过贯穿电弧室外壳102的第四侧壁102d的离子提取出口或管线109连接到电弧室103。离子提取器310通过离子提取管线109从电弧室103提取离子。离子提取器310电连接到提取电源146的阴极端子。抑制电源148电连接离子提取器310和提取电源146，以便防止离子提取器310产生辐射。
根据本发明的某些实施例，电子反射装置113的反射体112具有负电位，以排斥从灯丝110发射的电子朝电弧室103的第一和第二区域106a和106b的方向，如图5所示，反射体112电连接到灯丝电源140的阴极端子。
根据本发明的某些实施例，离子源100包括电子发射装置，电子发射装置包括用于发射电子到电弧室103中的阴极帽盖152。图6是说明根据本发明的实施例包括选择性的电子发射装置111a和选择性的电子反射装置113a的选择性离子源100a的剖面图。
参考图3，5和6，电子发射装置111a包括管150、阴极帽盖152以及灯丝154。管150通过电弧室外壳102的第一侧壁102a延伸到电弧室103。阴极帽盖152布置在管150的端部。灯丝154安装在管150中。灯丝154电连接到灯丝电源140。管150通过包围管150的第一绝缘部件156与电弧室外壳102电绝缘。
从灯丝154发射的电子与阴极帽盖152碰撞，以便阴极帽盖152被电子加热。当阴极帽盖152被足够地加热时，加热的阴极帽盖152热发射电子到电弧室103中。
如图6所示，电子反射装置113a采用反射极158代替反射体112。反射极158面对并与电子发射装置111a合作。反射极158布置在电弧室外壳102的第二侧壁102b上。反射极158可以基本上与阴极帽盖152相对。反射极158也通过在反射极158和第二侧壁102b之间插入的第二绝缘部件157与电弧室外壳102电绝缘。电浮置的反射极158用来反射或排斥从灯丝110发射的电子朝电弧室103的第一和第二区域106a和106b的方向。当反射极158用作电子反射装置时，发射到电弧室103中的电子被电浮置的反射极158聚集。一旦由于聚集的电子反射极158具有负电位，那么反射极158排斥从灯丝110发射的电子朝电弧室103的第一和第二区域106a和106b的方向，由此增加源气体的离子化的效率。
图7是说明根据本发明的再一实施例的供气系统160的剖面图。参考图4和7，供气单元160包括气体源162、第一管线164、一对第二管线166、闸阀168、第一MFC 169a和第二MFC 169b。
闸阀168安装在第一管线164中，第一管线164连接到气体源162。第二管线166与第一管线164相背离。第二管线166分别连接到布置在电弧室外壳102的第三侧壁102c上的第一连接部件108a和第二连接部件108b。第一和第二MFCs169a和169b分别被安装在第二管线108a和108b中。每个第一和第二MFCs169a和169b可被操作为有选择地调整流过各个入口104a和104b并进入电弧室103中的源气体的流速。如上所述，源气体被引入电弧室103的第一区域106a和第二区域106b中。这里，提供到第一区域106a中的源气体的第一流速可以基本上等于被引入第二区域106b的源气体的第二流速。另外地，MFCs169a，169b可以被有选择地调整，以通过入口104a和104b提供不同的流速。根据某些实施例，通过入口104a的第一流速基本上大于通过入口104b的第二流速。这些可以是有利的，因为接近灯丝110的电子的第一密度相对大于邻近于反射体112的电子的第二密度。根据某些实施例，第一流速和第二流速之间的比率处于约1.0∶1.0至约2.0∶1.0的范围之内。
图8是说明根据本发明的再一实施例的供气系统170的剖面图。参考图4和8，供气系统170包括气体源172、第一管线174以及与第一管线174隔开的第二管线176。
第一管线174和第二管线176分别通过第一连接部件108a和第二连接部件108b连接到第一供气入口104a和第二供气入口104b。源气体通过第一和第二管线174和176以及第一和第二供气入口104a和104b从气体源172引入到电弧室103中。为了控制源气体的流速，第一闸阀179a和第一MFC178a被安装在第一管线174中，以及第二闸阀179b和第二MFC被安装在第二管线176中。
图9是说明根据本发明的再一实施例的气体注入器180的剖面图。参考图3和9，离子源100还包括分别设置在第一和第二供气入口104a和104b的每一个中的第一和第二喷气嘴或注入器180(图9中仅仅示出了一个气体注入器180)。每个气体注入器180包括插入各个供气入口104a和104b中的体部分182，以及安装在第三侧壁102c的内部上的法兰或头部184。头部184可以与体部182集成。头部184可以具有基本上大于体部182的尺寸。通过头部184和体部182形成多个注气孔186。通过增加从入口104a，104b流动的源气体的速度气体注入器180可以用来增加源气体电离的效率，以及由此分别将源气体更直接引入邻近于灯丝110和反射体112的第一和第二区域106a和106b中。
参考图10和11，离子注入器10包括离子源100、终端站单元200和传送单元300。图10是说明离子注入器10的示意性剖面图。图11是说明终端站单元200的放大剖面图。
如上所述，离子注入器10将离子从离子源100直接提供到半导体衬底20的预定部分中。终端站单元200处理半导体衬底20，以将离子注入半导体衬底20的希望部分。传送单元300将离子源100连接到终端站单元200。传送单元300将离子从离子源100传送到终端站单元200。
如上所述，离子源100包括用于提供产生离子的空间的电弧室外壳102，电子发射装置用于提供电子到电弧室103中，电子反射装置用于排斥电弧室103内的电子，以及供气系统用于提供源气体到电弧室103中。从离子源100产生的离子被注入到装载在终端站单元200中的半导体衬底20的希望部分中。
终端站单元(end station unit)200包括离子注入室230、用于保持半导体衬底的卡盘以及连接到卡盘210的驱动单元220。卡盘210和驱动单元220布置在离子注入室230中。驱动单元220使在卡盘210上装载的半导体衬底20倾斜，以便控制离子束的入射角。驱动单元220也垂直地移动卡盘210，以沿设置在卡盘210上的半导体衬底20扫描离子束。
卡盘210可以使用静电压力保持半导体衬底20。驱动单元220包括用于使卡盘210倾斜的第一移动部件222和用于沿垂直方向移动卡盘210的第二移动部件224。第一移动部件222调整在卡盘210上设置的半导体衬底20的倾斜角，以便避免在注入工序过程中由半导体衬底20的晶体结构引起的沟道效应。例如，当离子束被水平地照射在半导体衬底20上时，第一移动部件222沿相对于半导体衬底20的垂直线倾斜半导体衬底20约±7°度。亦即，当第一移动部件222以约±7°倾斜半导体衬底20时，离子束的入射角约为83°。
根据某些实施例，终端站单元200包括用于同时保持多个衬底的分批式卡盘，代替如图11所示的单个型卡盘210。
传送单元300包括离子提取器310、分析器磁铁320和加速器330。离子提取器310提取来自离子源100的离子。分析器磁铁320从由离子提取器310提取的离子当中选择待注入到部分半导体衬底20中的离子。加速器330加速从分析器磁铁320选择的离子。
提取电压被施加到离子提取器310，以从电弧室103提取离子。在离子提取器310和分析器磁铁320之间布置第一极性变换器。第一极性变换器340变换离子束的极性，离子束包括由离子提取器310提取的离子。第一极性变换器340可以包括电子捐献物质如固体镁和加热器。当加热器加热固体镁直到适当的温度(例如，约450℃)时，从固体镁发射的蒸发镁分子可以与由离子提取器310提取的离子碰撞。根据蒸发的镁分子和提取的离子之间的碰撞，离子束的极性从正极性转变为负极性。分析器磁铁320从具有负极性的离子束中包括的离子当中选择希望的离子。
包括由分析器磁铁320选择的离子的离子束被感应到加速器330。然后在加速器330中加速所选择的离子，以具有各种能量级。此外，第二极性变换器350布置在加速器330中，以转变离子束的极性，离子束包括穿过加速器330的离子。第二极性变换器350使用汽提气体转变离子束的极性。因此，第二极性变换器350可以包括汽提器。
加速器330可以包括用于加速具有负极性的离子束的第一加速部件和用于加速具有正极性的离子束的第二加速部件。为了将离子束的极性从负极性转变为正极性，在第一加速部件和第二加速部件之间布置第二极性变换器350。被第一加速部件加速的负极性离子束通过从第二极性变换器350提供的汽提气体变为正极性离子束。使用第二加速部件加速转变的正极性离子束。汽提气体可以包括氮气或氩气。通过汽提气体的负离子和分子之间的碰撞，负极性离子束中包括的负离子变为正离子。
传送单元300包括离子过滤器360、扫描器磁铁370和准直仪磁铁380。离子过滤器选择具有希望能量级或级别的离子。扫描器磁铁370扫描水平延伸的离子束，离子束包括具有期望能量级的离子。准直仪磁铁380提供相对于衬底20的整个扫描区域平行的离子束。
根据本发明的实施例，离子注入器10包括可移动的法拉第圆筒系统和剂量法拉第圆筒系统，以便测量离子的剂量和离子束的离子电流的均匀性，离子束具有通过扫描器磁铁370和准直仪磁铁380形成的带状。可移动法拉第圆筒系统可以沿离子束的延伸方向移动，以及剂量法拉第圆筒系统可以设置在卡盘210之后。
例子-离子源的离子化效率的估计具有上述结构的离子源构成例子1至6，以及现有技术设计的离子源用作比较例子。测量与各种施加的加速度能量相关的离子束的离子电流，以根据比较例子和例子1至6估计离子源的离子化效率。
下列图表示出了根据用于八种施加的加速能量的每一个的比较例子和例子1至6，由离子源产生的离子束的离子电流。图12是说明根据比较例子和例子1至6，由离子源产生的离子束的离子电流的曲线图。
图表
在上述图表和12中，BF3气体用作源气体和使用分析器磁铁形成由离子源产生的包括11B+离子的离子束。使用可移动法拉第圆筒系统和剂量法拉第圆筒系统测量离子束的离子电流。
如上述图表和图12所示，尽管离子束的离子电流根据施加的加速能量而变化，但是由例子1至6的离子源产生的离子束的离子电流基本上大于由比较例子的离子源产生的离子束的离子电流。因此，根据本发明的实施例构成的离子源具有基本上大于现有技术离子源的源气体的电离效率。
根据本发明的实施例，离子源可以具有增加的源气体电离效率，因为源气体通过第一供气入口被直接提供到邻近于电子发射装置的第一区域中以及通过第二供气入口被直接提供到邻近于电子反射装置的第二区域中。更有效的离子化可以防止或减小由非电离的源气体引起的离子源的杂质。通过增加离子束中的离子密度可以增加离子束的均匀性。此外，包括离子源的离子注入器具有增加的源气体电离效率。
此外，当离子注入工序采用根据本发明的实施例的离子源时，离子注入工序的处理量可以被增强。例如，离子注入工序的处理时间可以减小约3,990秒至约2,990秒。
根据某些实施例，通过至在电子发射装置和电子反射装置之间振荡的路径的磁场(例如，通过外部磁场发生器提供)限制从电子发射装置发射的高能离子。
根据某些实施例，离子源是Bernas型离子源。
根据某些实施例，在电离工序过程中电弧室103保持真空。
上述是本发明的说明且不允许被认为是其限制。尽管已经描述本发明的一些示例性实施例，但是所属领域的技术人员将容易理解在不显著地脱离本发明的新颖性教导和优点的条件下，在示例性实施例中许多改进是可能的。由此，所有这种改进都确定为包括在权利要求所限定的本发明的范围内。在权利要求书中，装置-加功能条款用来覆盖执行所述功能的在此描述的结构，以及不仅结构等效而且也等效结构。因此，应当理解上文是本发明的说明以及不允许被认为是局限于公开的特定实施例，而且对公开实施例的改进以及其他实施例确定为包括在附加权利要求的范围内。发明由下列权利要求限定，具有在其中包括的权利要求的等效物。
权利要求
1.一种用于电离源气体的离子源，该离子源包括限定电弧室以接收源气体的电弧室外壳，电弧室具有第一区域和第二区域；布置在邻近第一区域的电弧室中以及用于发射电子到第一和第二区域中以电离源气体的电子发射装置；布置在邻近第二区域的电弧室中以及用于反射从电子发射装置发射的至少一些电子到第二区域中的电子反射装置；以及用于直接提供源气体到第一区域和第二区域中的供气系统。
2.根据权利要求1的离子源，其中与提供到电弧室的其他区域中相比，供气系统用来提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
3.根据权利要求2的离子源，其中与提供到位于电子发射装置和电子反射装置之间以及第一和第二区域之间的电弧室的第三区域中相比，供气系统用来提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
4.根据权利要求1的离子源，其中供气系统包括第一和第二供气入口，以及用于沿第一基本上直流路径直接将第一源气流从第一供气入口提供到第一区域，以及用于沿第二基本上直流路径直接将第二源气流从第二供气入口提供到第二区域。
5.根据权利要求1的离子源，其中电子发射装置和电子反射装置沿轴隔开。第一和第二区域沿轴隔开以及布置在电子发射装置和电子反射装置之间；供气系统包括沿轴隔开的第一和第二供气入口；以及第一供气入口用于将源气体直接提供到第一区域中，以及第二供气入口用于将源气体直接提供到第二区域中。
6.根据权利要求1的离子源，其中供气系统包括在电弧室外壳的侧壁中布置的第一供气入口和第二供气入口，其中第一供气入口和第二供气入口分别用于将源气体直接提供到第一区域和第二区域中。
7.根据权利要求6的离子源，其中该供气系统包括包括供应源气体的气体源；连接到气体源的第一管线；以及与第一管线分开并分别连接到第一和第二供气入口的一对第二管线。
8.根据权利要求7的离子源，其中供气系统还包括安装在第一管线中的闸阀和质流控制器。
9.根据权利要求7的离子源，其中该供气系统还包括安装在第一管线中的闸阀；以及安装在每个第二管线中的质流控制器。
10.根据权利要求6的离子源，其中第一和第二供气入口的每一个具有约3至5mm的直径。
11.根据权利要求6的离子源，其中第一供气入口的中心部分和电子发射装置之间的距离处于约5至15mm的范围之内。
12.根据权利要求6的离子源，其中第二供气入口的中心部分和电子反射装置之间的距离处于约5至15mm的范围之内。
13.根据权利要求6的离子源，其中该供气系统包括包括供应源气体的气体源将气体源连接到第一供气入口以将源气体提供到第一区域的第一管线；以及将气体源连接到第二供气入口以将源气体提供到第二区域的第二管线。
14.根据权利要求13的离子源，其中该供气系统还包括安装在第一管线中的第一闸阀和第一质流控制器；以及安装在第二管线中的第二闸阀和第二质流控制器。
15.根据权利要求1的离子源，其中离子源用于以第一流速将源气体直接提供到第一区域中以及以第二流速直接提供到第二区域中，以及第一流速等于或大于第二流速。
16.根据权利要求1的离子源，还包括分别耦合到第一和第二供气入口以将源气体注入第一和第二区域中的第一和第二气体注入器，气体注入器分别邻近于第一和第二区域设置。
17.根据权利要求16的离子源，其中第一和第二气体注入器的每一个包括用于喷射源气体的多个注气孔。
18.根据权利要求1的离子源，其中电子发射装置包括电连接到灯丝电源的灯丝，灯丝穿过电弧室外壳的侧壁延伸到电弧室中。
19.根据权利要求18的离子源，还包括在灯丝和电弧室的侧壁之间布置的第一绝缘部件。
20.根据权利要求1的离子源，其中电子发射装置部件包括穿过电弧室外壳的侧壁延伸到电弧室中的管；连接到管的端部的阴极帽盖；以及布置在管中的灯丝，灯丝电连接到灯丝电源。
21.根据权利要求20的离子源，还包括布置在管和电弧室外壳的侧壁之间的第二绝缘部件。
22.根据权利要求1的离子源，其中电子反射装置包括电连接到负电位的反射体。
23.根据权利要求1的离子源，其中电子反射装置包括电浮置的反射极。
24.一种用于将材料注入到衬底中的离子注入器，该离子注入器包括用于电离源气体的离子源，源气体包含待注入到衬底中的材料；用于处理衬底，以注入从离子源提供的离子的终端站单元；以及将离子源连接到终端站单元，以将离子从离子源传送到终端站单元的传送单元；其中该离子源包括限定电弧室以接收源气体的电弧室外壳，电弧室具有第一区域和第二区域；布置在邻近第一区域的电弧室中以及用于发射电子到第一和第二区域中以电离源气体的电子发射装置；布置在邻近第二区域的电弧室中以及用于反射从电子发射装置发射的至少一些电子到第二区域中的电子反射装置；以及用于直接提供源气体到第一区域和第二区域中的供气系统。
25.根据权利要求24的离子注入器，其中与提供到电弧室的其他区域中相比，供气系统用于提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
26.根据权利要求24的离子注入器，其中终端站单元包括用于支撑衬底的卡盘；以及用于倾斜卡盘，以调整包括离子的离子束的入射角，以及移动卡盘，以扫描被卡盘支撑的衬底表面的驱动部件。
27.根据权利要求24的离子注入器，其中传送单元包括用于从离子源提取离子以形成第一离子束的离子提取器；用于选择待注入到衬底中的离子的分析器磁铁；以及用于加速第二离子束的加速器，第二离子束包括由分析器磁铁选择的具有希望能量级的离子。
28.根据权利要求24的离子注入器，其中供气系统包括布置在电弧室外壳的侧壁中的第一供气入口和第二供气入口，其中第一供气入口和第二供气入口分别用于将源气体直接提供到第一区域和第二区域中。
29.根据权利要求28的离子注入器，其中供气单元还包括包括供应源气体的气体储藏室；连接到气体源的第一管线；以及与第一管线分开并分别连接到第一和第二供气入口的一对第二管线。
30.根据权利要求24的离子注入器，其中离子源用于以第一流速将源气体直接提供到第一区域中和以第二流速直接提供到第二区域中，以及第一流速等于或大于第二流速。
31.根据权利要求24的离子注入器，还包括分别耦合到第一和第二供气入口以将源气体注入第一和第二区域中的第一和第二气体注入器，气体注入器分别邻近于第一和第二区域设置。
32.根据权利要求24的离子注入器，其中电子发射装置包括电连接到灯丝电源的灯丝，灯丝穿过电弧室外壳的侧壁延伸到电弧室中。
33.根据权利要求24的离子注入器，其中该电子发射装置包括延伸到电弧室外壳中的管；连接到管的端部的阴极帽盖；以及布置在管中并电连接到灯丝电源的灯丝。
34.根据权利要求24的离子注入器，其中电子反射装置包括电连接到负电位的反射体。
35.根据权利要求24的离子注入器，其中电子反射装置包括电浮置的反射极。
36.一种用于电离源气体的方法，该方法包括直接将源气体提供到电弧室的第一区域中和电弧室的第二区域中；从电子发射装置发射电子到第一和第二区域中，以电离源气体，其中电子发射装置布置在邻近第一区域的电弧室中；以及使用电子反射装置将从电子发射装置发射的至少一些电子反射到第二区域中，其中电子反射装置布置在邻近第二区域的电弧室中。
37.根据权利要求36的方法，其中将源气体直接提供到第一区域和第二区域中包括，与提供到电子发射装置和电子反射装置之间和第一和第二区域之间设置的电弧室的第三区域中相比，提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
全文摘要
一种用于电离源气体的离子源包括限定电弧室以接收源气体的电弧室外壳。电弧室具有第一区域和第二区域。电子发射装置布置在邻近第一区域的电弧室中以及用于发射电子到第一和第二区域中以电离源气体。电子反射装置布置在邻近第二区域的电弧室中以及用于反射从电子发射装置发射的至少一些电子到第二区域中。供气系统用于将源气体直接提供到第一区域和第二区域中。根据某些实施例，与提供到电弧室的其他区域中相比，供气系统用于提供更大质量流速的源气体到第一和第二区域中。
文档编号H01J27/02GK1758409SQ20051008854
公开日2006年4月12日 申请日期2005年8月4日 优先权日2004年8月4日
发明者金勇权, 李在哲, 姜成镐, 李相哲, 郑义庸 申请人:三星电子株式会社