专利名称：注入氢负离子的方法及注入设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将氢离子注入到由例如Si等半导体构成的衬底、由SiC、玻璃或塑料构成的绝缘材料、或金属的整体的预定深度的方法及注入设备。
注入氢离子的目的有两种。一是为了通过注入氢离子在衬底中形成弱多孔层(空洞层)，用于分割衬底。另一目的是提高所需要工件的物理特性。下面将介绍注入氢的不同目的。SOI(绝缘体上硅)衬底是一种在其绝缘层上具有单晶硅的衬底。部分SOI衬底具有其上设置Si的厚绝缘衬底(Si/绝缘衬底)。例如，已知一种结构是Si薄膜形成于兰宝石上。然而，在不同晶体上的异质生长时常会发生晶体缺陷。不能采用解理，所以不可能降低成本。因此，SOI衬底的主要部分是三层结构，其基体由硅构成，其中存在薄绝缘层和单晶硅(Si/绝缘层/Si衬底)，绝缘层是SiO2。即，三层结构是(Si/SiO2/Si衬底)。
Si晶片是一种低成本晶片，容易得到高质量的硅晶片。由于SOI衬底具有Si形成于Si上的结构，所以晶格常数相同，缺陷量少。由于存在解理，所以容易进行器件分离。为制造上述衬底，要通过注入氢离子形成内多孔层。然后，键合另一Si晶片，在多孔层进行分割，然后抛光表面，从而制造SOI。以后将介绍上述方法。用于液晶装置的基片引入了多个制造于玻璃板上的非晶硅(a-Si)上的薄膜晶体管。尽管上述结构是上述基片的主要部分，但a-Si中载流子的迁移率对于实现高速工作来说太低。目前用于具有最高性能的液晶装置的基片引入了形成于玻璃基片上的薄多晶硅膜(p-Si)。由于电子迁移率优于a-Si，所以可以实现高工作速度。例如，(1)Technical Report of Sharp Corporation第69卷第64页(1997)刊载的、Takashi Itoga、Masataka Ito和Hiroshi Takato撰写的“Low-TemperaturePolysilicon TFT-LCD”提出了上述结构。
然而，上述技术不能实现令人满意的结果。多晶具有许多晶界，它们会造成电子频繁散射。与单晶Si相比，电子迁移率不令人满意。由于在多晶硅的晶界中存在多种晶界水平，所以电子被散射，因此，人们已试图通过注入氢离子束来降低晶界水平。例如，(2)Nobuaki Suzuki的题为“Method of Manufacturing Thin-Film SemiconductorApparatus”的日本专利特许公开8-97432提出了一种建议。根据上述公开，在通过注入氢离子进行退火时，氢终止晶界处的Si。所以，可以降低该水平，因此提高迁移率。
然而，多晶薄Si膜除低迁移率外还存在另一问题。由于电流容易沿多晶Si的晶界流动，所以源和漏间会流过大漏电流。因此，需要复杂的LDD结构。结果，不可能实现设想的SOG(玻璃上的系统)。采用SOI，将氢注入到Si中，形成多孔硅，从而键合到玻璃板上。然后，从多孔层分割Si衬底，以将单晶薄Si膜键合到衬底上。由于该衬底是玻璃制造的，用以代替Si，所以可以采用与制造SOI类似的空洞切割法。因此，也可以采用一种将氢注入到Si晶片中，形成弱层，以便键合到玻璃板的方法。然后极薄地分离Si层，制造单晶Si/氧化物/玻璃层结构。在利用硅产生电力的太阳能电池中，目前主要采用单晶硅、多晶硅、非晶硅等。非晶硅便宜，但其光电转换效率低(约8％)。另一方面，单晶和多晶硅的光电转换效率可以达15-20％。因此，主要采用后者。
单晶或多晶硅太阳能电池象半导体衬底一样切割。因此，单晶或多晶硅太阳能电池的厚度应为每片500-600微米。一片的大部分被浪费掉。为了实现15-20％的光电转换效率，厚度为几微米到20微米便已足够。因此，采用利用氢离子注入的空洞的切割法。有以下两种方法。
(1)利用几百KeV-几MeV的加速能量，将氢原子注入到几微米深，进行空洞切割。
(2)将氢原子注入到几十nm到几微米深，进行空洞切割。空洞切割前或后，通过外延生长补偿不足的膜厚。已有人建议了一种方法，类似的空洞切割法与之一起用于制造薄SiC膜。SiC是一种能耐高温并可以用于另一用途的半导体。该建议提出了关于采用与通过形成已注入了氢离子的多孔层并进行剥离的制造SOI类似的方法制造薄SiC膜的方法。
(4)第45届相关协会的有关讲稿的先期论文，“Thin-film Delamination byImplanting H+and Application of Thin-film delamination to SiC”，29a-k-2，第803页(1998)。自然，仍没有制造出具有令人满意质量的任何衬底。所以也就没有实现器件。然而，做了各种尝试。
众所周知，引入了形成于绝缘材料上的单晶Si半导体层的绝缘体上的Si衬底(所谓的SOI衬底)有许多优点，例如，与常规的体Si衬底结构相比，允许高密度集成，具有制造高速器件的能力。因此，许多工厂都进行了积极的研究和开发。上述优点例如在以下文献中公开过。
(5)Special Issue“Single-crystal silicon on non-single-crystal insulators”，是由G.W.Cullen编辑，Journal of Crystal Growth，第63卷，第3期，第429-590页(1983)。
有两种方法可用于制造SOI衬底。一种方法是通过直接注入氧离子形成氧化硅层的方法(SIMOX)。另一种方法是称为空洞切割法或新式切割法的通过注入氢离子的键合制造法。由于本发明涉及在晶片中注入氢离子的方法，所以可以改善该新式切割法。
利用新式切割法制造SOI衬底的方法例如公开于(6)“Smart-CutA new silicon on insulator material technology based on hydrogenimplantation and wafer bonding”，Jpn.J Appl.Phys，第36卷(1997)，第1636-1641页。其它许多文献也已发行。下面将简单介绍这些方法。氧化第一Si衬底的表面，以形成SiO2膜。然后，以1×1014/cm2或更大以约100KeV注入氢离子。于是形成深度约0.2-0.5微米的具有大孔隙率的多孔层。然后进行热处理，以恢复注入引起的表面Si层的损伤。然后，键合第一Si衬底。第二Si晶片上可以提供有绝缘层。在垂直方向施加剪切力，以在多孔层将第一衬底切掉。然后，抛光表面，从而制造出SOI衬底。
必须注入的气体可以是稀有气体或氮气，作为氢气的替代品。氢气是最优选的气体。原因是具有小质量的氢可以深注入。另外，氢不会严重损伤Si层表面。
最常用的注入氢离子的方法利用注入杂质B或P的离子注入设备。
图1示出了利用典型离子注入设备注入氢离子的方法。
利用热灯丝、微波或高频激发等离子体。即，采用灯丝激发的设备。具有可以降低到真空水平的压力的处理室1配有灯丝2。灯丝2的抽头通过绝缘部分5引出到外部。DC灯丝电源3与抽头的两端连接。处理室1具有气体入口4，以便可以供应氢气。弧光电源6(Vak)接在处理室1和灯丝2之间。加速电源7(Vacc)设置于弧光电源6的负电极和地之间。处理室1的电位为Vacc+Vak。
每个具有一个孔的三个电极设置于处理室1的出口8的外部上，以便开口部分的轴对于各部分来说是共同的。这些电极有加速电极9、减速电极10和地电极11。加速电源7的负极通过电阻13与加速电极9相连。减速电源12与减速电源10相连。四分之一圆弧质量分离磁体14设置于处理室出口8和电极9、10和11的延伸部分之上。由处理室1发射的离子束15通过入口16引入到质量分离磁体14，以便它们在磁场作用下画出曲线轨迹。然后，离子束15从出口17释放出去。由于该轨迹已根据质量和能量作了调整，所以单原子离子H+可以穿过中心轨迹26，以便穿过狭缝板18。另一方面，双原子H2+画出偏心轨迹27，然后与质量分离磁体14和狭缝的壁碰撞。于是双原子H2+耗散。一个正氢原子离子H+可以穿过狭缝板18，然后利用由对电极19和20及可变电源21构成的扫描机构22横向扫描。扫描束23注入到设置在基座25上的Si晶片24。
氢等离子体中产生了多种类型的正离子。如果注入多种类型的氢正离子，则会形成人们所不希望的多个氢注入层。因此，必须只选择和注入一种类型的氢正离子。为进行选择注入，必须进行质量分离。为了进行质量分离，可以减小束的直径。即，需要远小于晶片直径的束。由于每个束的直径小于晶片，所以这种束不能一次注入晶片的整个表面。因此，需要摆动束的扫描机构。质量分离结构和扫描机构的存在会产生各种问题。
利用离子注入设备进行质量分离、扫描和氢离子束注入的方法与常规杂质离子注入设备类似。容易估计，这种设备是一种昂贵且复杂的设备。由于必须提供高度很大的磁体，所以安装需要很大的面积。由于必须进行利用束的扫描以进行注入，所以每片晶片需要很长的处理时间。因此，产出率太低，无法降低每片SOI衬底的成本。上述事实就是为什么已认识到具有优点的SOI衬底不能广泛应用的缘故。
近些年来，已提出了另外一种方法，利用该方法，衬底暴露于氢等离子体中，负脉冲电压周期性地施加到衬底上，以便在整个衬底表面上注入氢离子。上述方法已公开于以下文献。
(7)“Ion-cut silicon-on-insulating fabrication with plasma immersion ionimplantation”，由Xing Lu S.Sundar Kumar Iyer等人编辑，Appl.Phys.Lett.71(19)，1997。
图9展示了上述技术。氢气通过原材料气入口202供应到等离子室200。由磁控管(未示出)产生并在波导管203中传输的微波204供应到等离子室200。Si晶片207设置于等离子室200中的基座208上。基座208由轴209支撑。轴209被负偏电源220加负偏。晶片207与等离子体206接触。在晶片被加负偏时，氢正离子H+和H2+一次注入到晶片的整个表面中。
上述方法不需要质量分离，因此可以简化结构。上述事实没有优点。由于不需要质量分离机构，所以等离子体中的所有正离子(H2+和H+)引入到晶片中，这是所不希望的。结果形成了每个都有大孔隙率的两个多孔层。这种情况下，不能令人满意地进行晶片的新式切割。由于分子(H2)的质量和原子(H)的质量彼此差两倍，所以在加相同的加速能量时，轻H+离子注入的深度是重H2+注入深度的两倍。第一层由H2+形成，而作为第二层的多孔层由H+形成。
必须避免在由单原子离子H+形成的第二层处进行切割。理由是在通过键合到另一晶片上制造SOI时，第一层留在SOI衬底上。如果允许更邻近表面的第一层的整个表面分离(多孔层由H2+制成)，则不会发生问题。如果在第二层存在部分切割，则会产生表面缺陷，造成制造成品率极大降低。
在上述文献中，通过使气体流量和所加电源最佳，控制等离子状态，以便使等离子体中的正离子的比例为H2+/H+＝90∶10，从而克眼上述问题。即，H2+以高比例注入。由于单原子离子H+的量小，第一层的厚度减小。于是采用一种方法，使分离容易在第一层发生。
然而，不能完全去掉H+。因此，存在在第二层发生分离的危险。常规方法不能在优先考虑其它离子可以被忽略的前提下在等离子体中产生分子离子/原子离子中的任一种。如果等离子体参数即使发生少量偏移，也会存在正离子H2+∶H+的比例变化的问题。具体说，关键问题是不能确保制造设备的安全。
在优先注入分子离子H2+形成多孔层时，H2+需要大约是H+注入到需要深度所需电压的两倍的电压。因此，提供等离子电压的电源的技术难度增大。另外，成本也提高。因此，需要质量分离机构。
第一种方法的关键问题是需要质量分离。在等离子体中，如上所述，氢正离子包括H+和H2+离子两种。如果唯一注入一种，则多孔层令人失望地形成为多层结构。为唯一选择一种离子束，图1所示的离子注入设备配有质量分离系统。由于需要大磁体，所以设备的尺寸和成本不可能降低。由于粗束的质量不能溅射，所以要减小离子束的直径。由于离子束的直径减小，离子不能一次注入到晶片的整个表面上。因此，必须提供扫描机构，以便用该束扫描晶片的整个表面。
将衬底暴露于氢等离子体，并在衬底上施加正等离子电压以便注入氢离子的方法(见图9)，通过控制等离子体参数，解决上述问题(见图9)。然而，上述方法是不完全的方法。即，必须解决注入多种氢正离子的问题。
本发明的首要目的是提供一种在半导体衬底、绝缘衬底或金属衬底中注入氢离子从而将由氢产生的离子限制为一种的方法和设备。
本发明的另一目的是提供一种注入氢离子以将所产生的离子限制为一种类型的设备，可以消除进行质量分离的需要，并可以降低成本，及减小所需要的安装面积。
本发明再一目的是提供一种注入氢离子的设备，由于所产生的离子被限制为一种类型，所以不需要用该氢离子扫描，于是提高了产出率。
如上所述，氢正离子包括多种类型，例如H+和H2+。因此，不容易以80％或更高的比例产生一种类型的离子。如果进行质量分离，则不可能减小设备的尺寸，降低其成本。最坏的是，产出率很低，令人失望。因此，本发明不采用上述方法。
根据本发明，注入氢负离子的方法包括以下步骤产生含等离子体氢；在等离子体中产生氢负离子；在等离子体和衬底间形成电场；及利用所说电场加速来自等离子体的氢负离子，以在衬底预定深度处注入氢正离子。
根据本发明，注入氢负离子的设备，包括氢发生装置，用于产生含等离子体氢；氢负离子发生装置，用于在等离子体中产生氢负离子；及电场形成装置，用于在等离子体和衬底间形成电场；其中来自等离子体的氢负离子由该电场加速，以便将氢负离子注入到衬底的预定深度。
各附图中图1是展示用于将氢正离子注入Si晶片的常规设备的剖面示意图；图2是本发明第一实施例的剖面示意图，该实施例构成为利用高频激发产生氢等离子体，并在高频电源供应中断后，负离子暂时增加的时间周期内加正偏压，以将氢负离子注入到Si晶片中去；图3A和3B是展示脉冲波形的曲线图，展示了图2所示的第一实施例中，施加高频电源的时序和在晶片施加正偏压的时序；图4是展示第二实施例的设备的剖面图，其中利用ECR等离子法并通过在导电棒上供应电流在处理室的中间部分形成磁场，以将等离子体分成两部分，进而提高产生负离子的效率，从而将氢负离子注入到晶片中去；图5是展示第三实施例设备的剖面图，其中利用ECR等离子法并通过在导电棒上供应电流在处理室的中间部分形成磁场，以将等离子体分成两部分，进而提高产生负离子的效率，从而将氢负离子注入到晶片中去；图6是展示第四实施例的设备的剖面图，该设备使用ECR等离子法将氢负离子注入到晶片中去；图7是展示第五实施例的的剖面图，该实施例构成为采用溅射型负离子源，以将氢负离子注入到晶片中去；图8是展示制造SOI衬底的工艺的示图，该工艺包括将氢负离子注入到Si衬底中去，形成氢多孔层，然后可以粘附其它Si，从多孔层上去掉Si；图9是展示用于一次在整个表面上注入氢正离子的常规方法的剖面图；图10是展示第六实施例的设备的剖面图，该设备用于利用导电棒上的电流并利用ECR等离子法，在处理室的中间部分产生磁场，以将等离子体分成两部分，进而提高所产生负离子的比例，从而利用引出电极系统引出负离子束，将氢负离子注入到晶片中去；图11是展示第七实施例的设备的剖面图，该实施例构成为采用ECR等离子法，以利用由永久性磁体产生的磁场在处理室的中问部分形成磁场，以将等离子分成两部分，进而提高所产生负离子的比例，从而利用引出电极系统引出负离子束，将氢负离子注入到晶片中去；图12是展示本发明第八实施例剖面图，该实施例利用采用Cs的溅射型负离子源，以将氢负离子注入到晶片中去；图13是展示本发明第九实施例的设备的剖面图，该设备用于通过利用线圈产生的磁场利用微波和微波的振荡吸收进行激发，产生氢等离子体，以便暂时中断从微波源引入电子，在中断后负离子增加的短时间内在引出电极系统上施加电压，以引出负离子束，从而将氢负离子注入到Si晶片中去。
下面具体介绍本发明。
本发明中，氢负离子H-用于代替正离子。只有H-是稳定的氢负离子。如果产生分子负离子例如H2-，则上述离子的寿命短，只有几ns到几十ns。因此，上述离子快速分离为H和H-。所以，氢负离子是100％的H-。例如以下文献中已披露了氢负离子中的H-的单一性(8)Junzo Ishikawa写的“Ion Source Engineering”，由Ionics出版，见第34-35页。
本发明利用了负离子中的H-的显著的单一性。必须处理的由Si构成的衬底、介质衬底或由玻璃构成的衬底设置于等离子室内，使它们等离子体接触。然后，以脉冲的形式在必须处理的衬底上和基座上施加正压，以便单原子氢负离子H-集中注入到衬底中。衬底预先与等离子体接触，然后将氢离子集中注入到整个衬底中。等离子体和衬底间存在着所谓空间电荷层的薄不连续电位层。加速电压施加到该空间电荷层上，以便加速H-离子。
由于不存在其它氢负离子，所以不需要质量分离。由于衬底设置在等离子室中，然后使衬底与等离子体接触，所以不用进行束扫描，也不需要束扫描。由于进行集中的注入，所以可以实现高产出率。上述事实是本发明的基本部分。
由于只有单原子和一价H-存在于氢负离子中，所以不需要质量分离。因此，不需要大且重的质量分离磁体。所以，可以减小设备的尺寸，并可以减小安装所需要的面积。由于不需要磁体，所以可以降低成本。
由于不需要质量分离，没有必要形成细离子束。衬底直接设置于等离子体中，所以衬底可以预先与等离子体接触。然后，以脉冲的方式加正电压，以将氢负离子注入到衬底中。由于不进行束扫描，所以可以降低设备的成本，降低的量对应于扫描机构的成本。由于不需要扫描机构，所以不需要扫描距离，可以减小安装设备所需要的面积。由于可以集中进行离子注入，所以可以极大地缩短完成注入工艺所需要的时间，进而可以极大地提高产出率。另外，可以降低利用空洞切割法制造SiSOI衬底的成本。
应注意，采用氢负离子束注入的本发明有一个问题。即，必须获得大量产生氢负离子的方法。所有常规技术都采用必须注入的正氢离了的原因是正离子容易产生。负离子不容易产生。由于存在电中性条件，所以正离子的数＝电子数+负离子。等离子体中，负离子的数总是小于正离子数。由于负离子和电子都是带负电的粒子，所以产生了在通过使离子源处于负态注入负离子时电子也被注入的问题。在电子注入到衬底中后，浪费了需要的离子流。另外，存在着衬底被电子加热的问题，这是所不希望的。离子注入设备的主要部分采用正离子，是因为正离子容易产生，且可以防止电子的混合。
一些方案可以解决难以产生负离子的问题。一个方案是在等离子体中保持中性态时，快速消隐电子，以暂间增加负离子的方法。如果进行到单价离子的转变，则电子数+负离子数＝正离子数。因此，在电子数暂时变到更接近零时，负离子数可能会更接近正离子数。在等离子体激发装置中断时，在等离子体装置接通时，电子温度快速降低。所以低能电子增加。
在碰撞时具有大截面积且容易结合的低能电子与中性原子和分子发生碰撞。已与中性氢原子碰撞的低能电子被中性氢原子俘获，所以低能电子变成单价H-。与中性氢分子的碰撞造成了分子分裂成带一定电荷的两个原子。于是产生中性原子和负离子H-。在如上所述等离子体被消隐时，电子快速减少，负离子增加。自然，上述现象暂时发生。然后正离子和负离子后来都开始减少。在上述短时间内，在衬底(晶片)和基座上加偏压，以将负离子注入到晶片中。
由于在短时间内进行注入，必须进行重复注入。因此，以脉冲的方法接通/截止等离子体，然后在预定时间延迟后，以脉冲的方式在晶片和基座上加偏压。尽管每次注入的离子的量很小，但由于重复注入操作，可以获得所需要的剂量。上述方法暂时称为“后切断正脉冲法”。
除后切断正脉冲法外，还已知另一用于致密地产生负离子的方法。等离子体中的电子具有高温度和几十eV的高能量。因此，不容易与中性原子结合。能量为约0.1eV-约0.01eV的低速电子容易与中性原子结合，允许产生负离子。因此，上述方法具有将电子能量降低到约0.1eV或更低的步骤，以扩大与中性原子和中性分子碰撞和结合的截面积。上述方法称为“能量过滤法”。上述方法是一种就负离子所花的时间和所占空间而言提高负离子密度的方法。上述方法可与后切断正脉冲法同时采用。
有一种利用Cs具有低功函数的事实产生负离子的方法。上述方法是已知的方法。即，允许Cs预先粘附到正偏的靶上，然后中性原子和分子与Cs碰撞。于是Cs原子向中性原子和分子移动，以便产生负离子。尽管使Cs为正离子，但由于电子从靶传来，所以Cs可以恢复到中性态。上述方法巧妙了采用Cs容易释放电子的事实(具有低功函数)。应注意，Rb可以代替Cs。上述方法可与后切断正脉冲法一起使用。
产生等离子体的方法包括多个方法，它们是利用灯丝的弧光放电法、平行板和平板电极间的高频放电法、DC放电法、微波放电法和产生溅射负离子的方法。离子源以对应于上述激发装置的数量存在。本发明可以用于后切断正脉冲法源中的任何一种。
尽管氢气是最合适的原材料气，但原材料气不限于此。关于原材料气的替代品，可以采用氢+稀有气体。稀有气体例如可以是氦气和氩气。上述气体在等离子态是稳定的，允许在稀有气体和氢彼此碰撞时产生氢负离子。因此，负离子的密度可进一步提高。
关于原材料的替代品，还可以采用含氢类型的气体，例如SiH4或CH4，用作原材料气。在采用SiH4时，除H-外，还产生SixHy离子。将作为很重的离子的附加离子简单注入到衬底表面附近的位置。因此，上述离子容易抛光去除。
本发明中，正电压加于设置成与等离子体接触的晶片上，然后将氢负离子H-注入到Si衬底、玻璃衬底或介质衬底中。由于氢负离子的主要等离子体是H-，所以不需要质量分离。由于避免了为进行质量分离而减小束的直径，所以不需要扫描设备，因此，可以简化设备，并可以减小设备尺寸，提高产出率。下面介绍产生不容易产生的负离子的方法。(后切断负离子束法)以脉冲方式接通等离子体。在等离子体切断后，正电压立即以脉冲的方式加于衬底(晶片)上，以便注入负离子(该方法是以脉冲方式接通等离子体，在等离子体截止后立即在引出电极系统上加预定电压，以便注入负离子)。
在等离子发生装置接通时，在等离子发生室中产生含氢等离子体。切断等离子发生装置。然后，在几微秒内将等离子体中的电子温度从几十eV快速降到5-7eV。另一方面，电子及正负离子的密度在上述时间周期内基本上不改变，等离子体中，低能电子变为占主导地位。由于低速电子和氢分子经历离解粘附，所以氢负离子产生的可能性迅速增大。上述事实容易由式“”和“”表示。由于发生上述粘附，所以中性原子的密度在等离子体发生装置切断后立即迅速增大。在20-30微秒时间周期后，为轻物质的电子迅速扩散，因此被消隐。于是密度降低。具有大质量的正负离子基本上不被消隐。因此，产生不寻常的等离子体，(基本不含电子)，具有极当大的电子密度，其中正负离子保持等离子体。例如下述文献中已公开了上述现象。
(9)Seiji Samukawa的“Pusle Modulated Plasma”，Applied Physics，第66卷第6期550-558页(1997)。
(10)M.B.Hopkins，M，.Bacal & W.G.Graham，“Enhanced volume productionofnegative ions in the post discharge of a multicusp hydrogen discharge”，J.Appl.Phys.70(4)，2009-2014页(1991)。
文献(9)公开了氯和氩的等离子体。文献(10)公开了检测氢等离子体的结果。本发明人巧妙采用了上述技术。在等离子体被切断后的短时间内实现了负离子密度高的状态。本发明具有在形成不寻常的等离子体后(正离子数＝负离子数时)立即将正脉冲电压加于衬底上即基座的步骤。结果，氢负离子(H-)注入到Si衬底的整个表面。等离子室分成两个室。原材料气引入第一等离子室，以被激发产生等离子体。在第二等离子室中，设置有晶片和基座。由磁场实现的能量过滤器形成在两等离子室之间。在第一等离子室中，有力地进行等离子的产生，以便电子具有高能量。能量过滤器禁止高能量的电子通过。在第二等离子室，大量低能电子存在。低能电子具有与中性分子和原子碰撞和结合的大截面积。低能电子与中性原子结合，中性原子转变成负离子H-。如上所述，低能电子的量减少后，低能电子从第一等离子室引入。能量过滤器对于电子能量具有选择性。应注意，允许中性原子和分子自由通过。这是通过形成具有几十高斯强度的磁场实现的。上述磁场可以通过相对地设置永久性磁体形成。关于替代方法，可以通过使电流通过多根平行导电棒形成磁场。Cs方法是一种Cs用作负离子源的已广泛应用的方法。在Cs吸收到金属材料表面时，Cs具有降低金属材料表面的功函数的作用。由于功函数降低，电子容易发生放电。在金属材料被加负偏时，金属材料用作电子放电的材料。氢分子和氢正离子与Cs碰撞，电子提供给氢分子等。于是产生氢负离子。固态Cs容纳于蒸发源中，然后将Cs加热并汽化，以便引入到金属材料的表面。关于Cs的替代品，可以采用铷Rb、钾K、或钡Ba。参见图2，下面将介绍第一实施例。具有原材料气引入开口29的处理室30是一种利用高频激发产生等离子体的设备。基座电极31设置于处理室30的下部，同时对电极32设置于上部。基座电极31由轴33支撑。轴33通过绝缘部件34与处理室30绝缘。平行板电极31和32中的对电极32通过电线37、匹配盒38、电线39和第一开关40连接到13.5MHz的高频电源41。高频电源41由第一触发电路45触发，以便周期性地接通/切断。
Si衬底58安装于平行板电极31和32中的基座电极31上。与基座电极31相连的轴33通过绝缘部件34由处理室30支撑。轴33通过电线42和第二开关43连接到正偏电源44的正极。注意，上述电源是正偏电源，即，不是负偏电源。第二开关43由第二触发电路46周期性的开/关。
时序调节电路47以预定的时间延迟接通/切断第一和第二触发电路45和46，如图3A和3B所示。接通等离子体的第一开关以脉冲方式在短时间内开/关。这之后，立即向基座电极31和晶片58加正偏压的第二开关43在短时间内开/关。这样做的理由如下。
氢气引入到等离子室30。第一触发电路45打开第一开关40(脉冲的第一转换48)。高频功率加到对电极32和基座电极31上。于是在这些电极之间发生辉光放电，从而产生了氢等离子体。电子的动能约为几十eV。上述状态是一种在高频功率电源49接通时等离子体接通的状态，如图3A和3B所示。
在第一触发电路45切断时(下降沿50)，第一开关40关闭。于是开始消隐等离子体。电子温度下降，引起了等离子体中每个都具有几十eV的高能电子在约几微秒内被迅速消隐。同时，电子的能量损失到约几eV的低能。如果能量低，则速度降低，因此，与氢原子的碰撞截面积大大增大。即，容易发生与氢的碰撞。低能电子能够离解地粘附氢分子，从而产生了H-。因此，触发电路45切断50后，H-的密度迅速升高。在气压上升和所提供的微波功率增大以增强电场时，H-离子优先产生。结果，负离子的主要部分构成为单原子和单价H-离子。尽管由于上述事实取决于等离子容器和产生条件，上述事实一般不能应用，但H-的密度在几十微秒到100毫秒的范围内有一个峰值。此时，负离子的数量已增大到等于正离子的数量。随后与壁面的碰撞等导致了H-逐渐减少。
在从第一触发电路45接通到其切断期间，更优选电子密度极度降低。在第一触发电路45切断(51)到其10微秒后切断的期间内，第二触发电路46接通(53)。在第二触发电路46接通(54)时，20KV-220KV的正偏以脉冲的形式加于Si衬底上。晶片上加有正偏电压，以便将等离子体57中的负离子引出到晶片58上，并加速到晶片的深部。由于等离子体57的散布大于晶片58的尺寸，所以氢负离子均匀地注入到整个表面上。因此，不需要扫描。尽管负离子减少，但正偏压快速停止(第一转换55)。因此，可以防止浪费时间。
防止接通等离子体的下一操作(第一转换48)，以便产生等离子体。然后，等离子体消隐，以便负离子浓度增大，然后加正偏压(第一转换53)。重复上述操作，以便重复将负离子H-少量注入到晶片中。
在该实施例中，采用半导体开关作开关40和43。在上述情况下，证实了具有1％的占空比和高达几Hz到10KHz的重复频率。注意，也可以采用晶闸管等用作开关装置。
第一实施例的基本部分在于等离子体接通/切断，H-离子在等离子体切断和在要求时序施加正偏压的周期内大量产生，以将H-离子注入到Si衬底中。巧秒地采用等离子体切断后负离子立即增加的现象。
尽管采用了高频激发设备，但本发明不限于此。等离子发生装置可以是微波等离子体或DC放电等离子体代替高频等离子体。任何情况下，在周期性地接通/切断等离子发生装置的操作期间切断等离子体发生装置后，负离子立即增加，此时正偏压加到晶片上。有许多方法可以大量产生氢负离子。具体说，在研制用于核聚变研究中的中性粒子注入设备(NBI中性束注入)的氢负离子源时得到了许多结果。第二实施例采用了上述技术。以下文献中公开了该氢负离子源的结构和工作情况。
(11)Ionics出版的Junzo Ishikawa写的“Ion Source Engineering”，第486-492页。
氢气引入到等离子室，然后设置于等离子中的加热灯丝受激，并被加热，产生热电子。采用约40V-100V的DC电压，加热灯丝作为负电极，等离子室壁作为正电极。然后引发DC放电，以产生氢等离子体。永久性磁体设置于等离子发生室的外部，使南极和北极交替设置。形成多极(尖点磁场)磁场，以有效地限制等离子体。
等离子室被磁场分成第一等离子室和第二等离子室。在电流通过多个平行导电棒时，形成约几十高斯的弱磁场。上述结构称为“能量过滤器”。能量过滤器防止了产生于第一等离子室中的大量约几十eV的高能电子引入到第二等离子室。
在第二等离子室中，产生等离子体，其中含有大量约1eV-约0.1eV的低能电子。电子离解地粘附到氢分子上导致产生了大量H-。
图4具体展示了第二实施例。能量过滤器增加了低能电子，进而增强了负离子的产生。尽管下面将作为例子介绍加热灯丝等离子发生设备，但本发明可应于另一激发方法。等离子室61引入气体入口和气体出口(未示出)。氢气、氩气等通过气体入口引入。灯丝64可以穿过引入端62，以便连接到灯丝电源65。弧光电源66和第一开关67设置于灯丝64和等离子室61之间。灯丝64被加热，以便放出热电子。热电子流向等离子室61的壁，以发生弧光放电。弧光放电的结果是气体被激发，于是产生了等离子体。
在等离子体室61的中间部分设置多个平行导电棒69。使电流在相同方向上流动。于是在导电棒69周围形成约几十高斯到约100高斯的磁场。高能电子不能通过弱磁场形式的势垒。低能电子能够通过上述势垒。因此，由导电棒69产生的磁场用作能量过滤器，允许低能电子选择性通过。
等离子室61被导电棒69分成上下两部分，上部是由加热灯丝激发氢的部分，上部被称为第一等离子室68。下部是产生负离子的部分，下部被称为第二等离子室70。晶片72已安装于其上的基座73设置于第二等离子室70中。基座73通过轴74与外部电路相连。轴74与第二开关76和正偏电源77相连。时序调节电路78以脉冲形式，按图3A和3B所示的时序开/关第一开关67和第二开关76。
适当地确定正偏压，使氢注入到Si晶片中。一般情况下，采用约20KeV到220KeV实现注入深度。时序调节电路78开/关第二开关76。在第二开关被关闭时，晶片被偏置为正电压。因此，深深地注入氢负离子。由于晶片设置于散布的等离子体中，所以氢负离子可以一次注入到整个表面上。由于等离子体具有大面积，所以不需要质量分离和束扫描。
多个永久性磁体71设置于等离子室61下部的外壁上，以便相邻磁体的南北极交替反转。相邻磁体产生尖点磁场，以便实现将带电粒子限制在等离子室中间部分的效果。
下面将介绍该操作。氢气通过气体入口引入。灯丝引起热电子，使之放电，以便发生弧光放电。结果，激发气体，从而产生等离子体。等离子体含有正离子、电子、中性原子和分子。尽管只含有少量负离子，但含有大量电子。电子具有约10eV的高能量。由于电子是高速电子，所以不容易发生与中性原子的碰撞。
由导电棒69形成的磁场B(几十高斯到100高斯)存在于第一等离子室68和第二等离子室70之间的界面。带电粒子具体为高速电子不能通过该磁场形式的势垒。中性原子和分子能够通过磁场B。具有低能(约1eV或更低)的重量轻的电子能够通过导电棒69的磁场B。低能电子被磁场俘获，进行回旋运动。然后，低能电子脱离磁场的作用。
由于低能电子存在于第二等离子室70中，所以低能电子解离地粘附于中性氢分子上。结果，产生了氢负离子。低能电子的主要部分可以附着于中性原子和分子上，所以低能电子消隐。此时，负离子密度极大的提高。此时，在晶片72和基座73上加正偏压，从而由静电力极强地吸引负离子。
在第二实施例中，氢气只提供到第一等离子室68中。本发明不限于此。一般来说，产生负离子的效率会随氢气压力的升高而增大。为提高产生负离子的效率，还可以向第二等离子室70中提供氢气。可以禁止向第一等离子室中提供氢气，而只向第二等离子室70提供氢气。
在正偏切断56时，晶片暴露于正离子中。上述状态不会产生任何问题。正离子的简单接触不会引起其引入到晶片中。该实施例中，时序调节电路78间歇地激发等离子体。从等离子切断起的短时间后，以脉冲形式在晶片72上加正电压。在负离子的密度升高时，晶片被偏置为正压，所以负离子可有效地注入到晶片中。图5展示了第三实施例。该实施例构成为能量过滤器由永久性磁体81-84构成，用它们代替导电棒。除用于形成尖点磁场的永久性磁体71外，面向同一方向的永久性磁体81-84设置在等离子室61的中间高度。指向一个方向的磁通密度B形成在永久性磁体81和82之间，及永久性磁体83和84之间。磁通密度B中断了高速电子，即用作能量过滤器。于是可以得到与电流通过图4所示的导电棒结构可以得到的相同的效果。设置于下部的永久性磁体71产生尖点磁场。在晶片72用间歇的正电功率偏置时，负离子可以与上述实施例类似地注入。由于负离子一次注入到整个表面上，所以不需要质量分离和束扫描。图4和5展示了加热灯丝等离子设备。图6展示了ECR微波等离子设备，该设备采用由ECR线圈产生的垂直磁场代替尖点磁场，进行限制操作。
由磁控管85产生的微波87在波导管86中传输。微波87穿过介质材料窗88。等离子室89引入了气体入口(未示出)和气体出口(未示出)，并采用微波将气体激发为等离子体。线圈90设置在等离子室89周围。线圈90在等离子室89中的等离子体91中产生垂直磁场92。电子在线圈磁场的作用下作回旋运动。在回旋运动的频率和微波的频率相同的区域内，发生微波的共振吸收(ECR)。因此，等离子的密度提高。由基座93支撑的晶片94设置于等离子室89中。等离子体91和晶片94的整个表面彼此接触。开关97和正偏电源98与基座93相连。时序调节电路99周期性地打开/关闭开关97。合适的时间延迟后，也以与图3A和3B所示相同的时序接通/切断磁控管85。
磁控管85以脉冲形式操作。对应于此，等离子体接通。等离子体消隐后，负离子的密度提高。与此同时，晶片94和基座93被偏置为正压。结果氢负离子H-注入到Si晶片中。由于整个表面与等离子体接触，所以氢负离子可以一次注入到整个表面中。由于只产生一种负离子，所以不需要质量分离。由于束的直径没减小，所以不需要扫描机构。图7示出了第五实施例。在该实施例中，采用使用铯的溅射型负离子源。例如以下文献中公开了使用铯的溅射型负离子源。
(12)Tetsuo Tomioka，Hiroshi Tuji，Yoshitaka Toyoda，Yasuhito Goto和JunzoIshikawa等人的“Characteristic for Extracting Oxygen and Fluorine Negative Ion fromRFPlasma Sputtering Type Negative Heavy Ion Source”Proc.BEAMs 1995，Tokyo，第191-194页。
导电靶101设置于等离子发生室100的上部。靶101的轴可以穿过绝缘部件102，以便向外放电，并与负偏电源103相连。原材料气通过气体入口104供应。绕了几匝的高频线圈105设置于等离子发生室100中。高频线圈105的抽头可以穿过绝缘部件106，以便向外部放电。抽头的一端可以穿过匹配盒107和第一开关108，以便连接到高频电源109。高频电源109的一端接地。高频线圈105的另一端接触地。基座110和晶片111设置于等离子发生室100的下部。轴112可以穿过绝缘部件113，以便延伸到外部。轴112、基座110和晶片111与第二开关114和正偏电源115相连。正偏电源115给氢离子供应20KeV到220KeV的加速能量。时序调节电路116以脉冲形式，以图3A和3B所示的时序，开/并第一和第二打开/关闭开关108和114。
烘箱117设置于等离子发生室100外部。铯Cs118容纳于烘箱117中。设置于烘箱周围的加热器119能够加热烘箱117。管道120设置在烘箱117上。设置在管道的引出端的喷嘴121设置成面向靶101的下表面。在Cs被加热器119加热时，产生蒸汽，该蒸汽从喷嘴121喷出，以便可以附着于靶101的表面上。气体出口在引出电极的下游形成，允许将内部压力降低到真空。下面介绍上述结构的操作情况。
在靶101上加约300V-800V的负电压。从烘箱117产生铯蒸汽，以便该蒸汽可以附着于靶101上。氩Ar、氙Xe等溅射气体与氢气的混合气体引入到等离子发生室100中。一部分氢分子被吸收到靶的铯层表面上。第一开关108关闭，以便高频电压加到高频线圈105上。该高频垂直振荡气体中的电子，使之与原子碰撞，从而电离电子。因此，可以产生混合气体(Xe+H)的等离子体。该等离子体是电子、正离子、中性原子团和中性分子的集合。
由于负电压加于靶101上，所以，混合气体中情性气体中的正离子例如Xe+离子吸引到靶上。惰性气体的正离子与靶的氢分子碰撞，以便溅射靶。氢分子从Cs上取走了电子，并被分解，从而氢分子形成为单原子负离子H-。由于使用了Cs，所以负离子的密度可以提高。尽管可以产生氢负离子，但本采用第一实施例中所述的方案。在以脉冲形式将电源供应到高频线圈后，时序调节电路116立即将晶片111偏置为正电压。
在高频加于高频线圈105上时，高频强有力地移动电子，以产生等离子体。在高频供应中断时，电子丧失动能。于是与中性氢分子的碰撞几率提高。低速电子的主要部分附着于中性氢上，将之变成了负离子。具体说，调节必须加入的铯的量，可以产生单极H-。此时，在晶片上加正偏压，可以将负离子有效地注入到晶片中。
上述方法存在一个问题，Si衬底上的Cs或注入到短距离内的Cs必须去除。然而，可以得到产生负离子的效率高的优点。在放电中断(图3A和3B中的51)期间，氢负离子不注入到衬底(Si晶片)中。由于等离子体始终保持中性状态，所以正离子与等离子发生室的壁等碰撞。正离子与覆盖有铯的靶碰撞，于是进一步提高了负离子的密度。由于电子从负偏电源103提供，所以，可以以高密度产生负离子。
图8展示了本发明的工艺，其中氢负离子少注入Si衬底中，以形成由氢构成的多孔膜。然后，其它Si离子可以附着于多孔膜上，从而分离Si，由此制造SOI衬底。简言之，(1)氧化第一Si衬底的表面，从而形成SiO2膜。然后，(2)注入氢负离子，从而形成具有高孔隙率的多孔层。然后(3)进行热处理，恢复注入操作引起的表面Si层的损伤。然后，(4)键合第一Si衬底。然后，(5)在垂直方向上施加剪切力，在多孔层切掉第一衬底。然后，(6)抛光表面。于是可以制造SOI衬底。
氢负离子注入到由半导体、金属或绝缘材料构成的衬底，以便氢掩埋于预定深度。由于离子在由半导体、金属或绝缘材料构成的衬底的整体都与等离子体接触的状态下进行离子注入。所以离子可集中注入到衬底到整个表面中。通过调节等离子参数，可以单极形式只产生氢负离子H-。在正等离子偏压周期性加于衬底上时，只有H-在短时间内以需要的量稳定地注入。可以消除提供质量分离系统的需要。由于不需要进行质量分离的巨大设备，所以可以降低设备的成本。另外，还可以减小安装设备需要的面积。由于不进行质量分离，所以可以消除减小束直径的需要。另外，不需要扫描。由于可以不进行扫描地集中注入，所以可以提高产出率。
另外，等离子发生装置周期性地接通/切断，以在等离子发生装置切断时，将正偏等离子体加于衬底上。可以防止由于电子过辐射造成的衬底过热和等离子偏置电源的容量增大。因此，可以提供需要小安装面积的低成本、稳定的离子注入设备。有许多方法可以大量产生氢负离子。具体说，在研制用于核聚变研究中的中性粒子注入设备(NBI中性束注入)的氢负离子源时得到了许多结果。第六实施例采用了上述技术，以下文献中公开了氢负离子源的结构和工作情况。
(11)Ionics出版的Junzo Ishikawa写的“Ion Source Engineering”，第486-492页。
氢气引入到等离子室，然后设置于等离子中的加热灯丝受激，并被加热，产生热电子。采用约40V-100V的DC电压，加热灯丝作为负电极，等离子室壁作为正电极。然后引发DC放电，以产生氢等离子体。永久性磁体设置于等离子发生室的外部，使南极和北极交替设置。形成多极(尖点磁场)磁场，以效地限制等离子体。
等离子室被磁场分成第一等离子室和第二等离子室。在电流通过多个平行导电棒时，形成约几十高斯的弱磁场。上述结构称为“能量过滤器”。能量过滤防止了产生于第一等离子室中的大量约几十eV的高能电子引入到第二等离子室。
在第二等离子室中，产生等离子体，其中含有大量约1eV-约0.1eV的低能电子。电子分解地粘附到氢分子上导致产生了大量H-。
具有所示的极性的电压加到设置于第二等离子室和Si衬底之间多孔电极系统上以引出氢负离子束。以约10KeV-100KeV的能量作用于氢负离子束，以便氢负离子束注入到需要的深度。至少一个多孔电极具有磁场形状装置，以通过在束引出空间中形成约几十高斯到几百高斯的弱磁场，取出混合的电子，并引出负离子束。
图10具体展示了第六实施例。能量过滤器增加了低能电子，进而增强了负离子的产生。尽管下面将介绍ECR等离子发生设备，但本发明可应于另一激发方法。等离子室361引入气体入口362。磁控管364产生微波366。微波366可以穿过波导管365和介质窗379，以便引入到等离子室361。线圈367产生满足ECR条件的磁场。即，在微波为2.45GHz时，可以实现875高斯的磁通密度。于是电子共振吸收该微波。
在等离子体室361的中间部分设置多个平行导电棒369，使电流在相同方向上流动。于是在导电棒369周围形成约10高斯到约几十高斯的磁场。磁场在外壳方向形成，即，磁通密度B产生于水平方向。电子在水平磁场周围进行螺旋运动。尽管螺旋运动的周期不取决于能量，但其半径正比于能量的平方。由于法拉第力正比于电子速度，法拉第力在高能电子情况下会被放大。高能电子不能通过弱磁场形式的势垒。低能电子不能通过上述势垒。因此，由导电棒369产生的磁场用作能量过滤器，允许低能电子选择性通过。
等离子室361被导电棒369垂直分成上下两部分。上部是共振吸收微波的部分，上部被称为第一等离子室368。下部是产生负离子的部分，下部被称为第二等离子室370。第二等离子室370的下部开口。三个引出电极系统设置于开口下。设置加速电极375、减速电极376和地电极377，每个电极都具有多个引出离子束的开口。上述电极是多孔电极板。为了从多孔引出电极系统375、376和377直线引出离子束，在同一位置处形成离子束透过开口。其上安装Si晶片372的基座373设置于电极的向上的位置。基座373由轴374支撑。电压是地电压(地电位)。加速电源386(Vacc)的正极接地，而其负极通过电阻器388接加速电极375。加速电源386的负极还与等离子室361相连。-Vacc电压加于等离室361和加速电极375上。正电压通过减速电源387加到减速电极376上。地电极377的电位为地电位。正离子被加速电压Vacc限制在等离子室361中。只有负离子和电子能够穿过加速电极375。负离子的加速能量是q(Vpz+Vacc)。上述事实是从晶片的角度出发正偏压加于等离子室361上。
根据氢注入到Si晶片372的注入深度，合适地决定正偏压Vacc。例如，一般深度由约10KeV到约100KeV实现。由多孔引出电极系统375、376和377发射的负离子束H-每个都具有大尺寸，它们被注入到Si晶片372中。由于每个引出电极系统的开口的分布很宽，所以束直径大于晶片直径。因此，可以一次注入氢负离子H-。不需要束扫描机构。不需要扫描的理由是不需要质量分离。因为只产生一种类型的氢负离子，所以不需要质量分离。
用于限制等离子体的多个永久性磁体371设置于等离子室61下部的外壁上。南北极交替反转置于相邻磁体之间。相邻磁体产生尖点磁场，以便将带电粒子限制于等离子室中间部分。该实施例中，微波激发等离子体。作为替代方法，可以采用高频放电或DC放电产生等离子体。
下面将介绍该操作。氢气通过气体入口362引入。微波66通过介质窗379引入等离子室361。电子共振吸收微波，以在第一等离子室368中产生高密度氢等离子体。等离子体含有正离子、电子、中性原子和分子。尽管只含有少量负离子，但含有大量电子。电子具有约10eV的高能量，导电棒369形成的磁场B(几十高斯到100高斯)存在于第一等离子室368和第二等离子室370之间的界面。带电粒子具体为高速电子不能通过磁场的势垒。中性原子和分子能够通过磁场B。甚至具有低能(约1eV或更低)的重量轻的电子能够通过导电棒369的磁场B。尽管低能电子被该磁场俘获，并因此进行回旋运动，但上述电子可以脱离磁场的作用。
第二等离子室370不满足ECR条件。因此，等离子体不再增加。第二等离子室370中只存在从第一等离子室368中移动来的等离子体。即，等离子体温度低。少量存在高能电子，而大量存在低能电子。能量约为1eV。低能电子离解地附着于中性氢分子上。于是，产生氢负离子。低能电子的主要部分附着于中性原子和分子上，然后其被消隐。因此，负离子密度高。负离子束在加速电极375的作用下从上述第二等离子室370中引出。加速电极375和减速电极376引出负离子和电子。电子减少，因此负离子束的比例高。注入到样品(晶片)中的电子没有任何好处。存在着衬底被不希望地加热的问题。因此，最好是电子的比例低。因此，能量过滤器设置于等离子室361的中间高度。有效地是采用在引出电极系统中形成弱磁场以取出电子的方法。
在第六实施例中，氢气只提供到第一等离子室368。该方法不限于此。一般来说，在氢气压力高时，产生负离子的效率可以提高。为提高产生负离子的效率，还可以向第二等离了室370供应氢气。可以禁止向第一等离子室中供应氢气，而可以只向第二等离子室370供应氢气。在上述情况下，只有稀有气体引入到第一等离子室。需要一些气体产生等离子体。
如图所示，偏压总是加到引出电极系统的加速电极375和减速电极376。作为替代品，可以在加速电极、电阻388及电源386和387之间设置开关。这些开关重复打开/关闭，以从等离子体中引出负离子束。由于需要很长时间产生负离子，间歇地引出以补充负离子，随后进行引出。
在该实施例中，微波连续振荡。因此，不再采用等离子体的暂时消隐。注意，上述后切断负离子束法可应用于该实施例。因此，磁控管可以间歇地振荡，以根据图3A和3B所示的时序波形接通/切断等离子体。这样做的理由是由于与第一实施例相同的原因，在OFF期间，低速电子增加。在电压+Vpd以图3A和3B所示的时序加到加速电极上时，可以在负离子的密度增大时引出负离子束。图11示出了第七实施例。该实施例构成为能量过滤器由永久性磁体381-384构成，代替导电棒。除用于形成尖点磁场的永久性磁体371外，面向同一方向的永久性磁体381-384设置在等离子室361的中间高度。指向一个方向的磁通密度B形成在永久性增体381和382之间，及永久性磁体383和384之间，以便不同的极彼此相对。需要几十到100高斯的弱磁场。磁通密度B中断了高速电子，即用作能量过滤器。于是，可以得到与电流通过图11所示的导电棒结构可以得到的相同的效果。设置在下部的永久性磁体371产生尖点磁场。引入了加速电极375、减速电极376和地电极377的引出电极系统引出负离子。上述结构与第六实施例的类似。由于负离子一次注入到整个表面上。所以不需要质量分离和束扫描。图12展示了第八实施例。该实施例中，采用使用铯的溅射型负离子源。例如，以下文献中公开了使用铯的溅射型负离子源。
(12)Tetsuo Tomioka，Hiroshi Tuji，Yoshitaka Toyoda，Yasuhito Goto和JunzoIshikawa等人的“Characteristic for Extracting Oxygen and Fluorine Negative Ion fromRFPlasma Sputtering Type Negative Heavy Ion Source”，Proc.BEAMs 1995，Tokyo，第191-194页。
导电靶401设置于等离子发生室400的上部。靶401的轴可以穿过绝缘部件402，以便向外放电，并与负偏电源403相连。原材料气(Xe+H2)通过气体入口404供应。绕了几匝的高频线圈405设置于等离子发生室400中。高频线圈405的抽头可以穿过绝缘部件406，以便向外部放电。该抽头的一端可以穿过匹配盒407，以便连接到高频电源409。高频电源409的一端接地。高频线圈405的另一端接触地。
在等离子发生室400的下部形成宽开口。在前端位置连接有由三个多孔板构成的引出电极系统，多孔板是加速电极413、减速电极414和地电极415。于是负离子从等离子发生室引出，以被加速。基座410和晶片411设置于引出电极系统413、414和415之下的密封空间中(图示省略了该室)。轴412具有地电位。等离子发生室400相对于被加速电源412偏置为高负电压。该电压电平根据氢负离子注入到衬底中的深度决定，该电平约为20KeV-约200KeV。例如，100KV负电压加到等离子发生室。加速电源422的负极通过电阻器424连接到加速电极413。与加速电源422相同的负电压加到加速电极413上。正电压由减速电源423加到减速电极414上。加速电极413的电压与等离子发生室400的电压相同。于是，禁止正离子束向外放电。只有负离子穿过加速电极413的开口，以由减速电极414快速加速。
烘箱417设置于等离子发生室400外部。铯Cs418容纳于烘箱417中。设置于烘箱周围的加热器419能够加热烘箱417。管道420设置在烘箱417上。设置在该管道的引出端的喷嘴421设置成面向靶401的下表面。在Cs被加热器419加热时，产生蒸汽，该蒸汽从喷嘴421喷出，以便可以附着于靶401的表面上。为等离子发生室400提供气体出口422，以便可以将内部压力降低到真空。下面介绍上述结构的操作。
在靶401上加约300V-800V的负电压。从烘箱417产生铯蒸汽，以便该蒸汽可以附着于靶401上。氩Ar、氙Xe等溅射气体与氢气的混合气体引入到等离子发生室400中。一部分氢分子被吸收到靶的铯层表面上。
高频电压加到高频线圈405上。该高频垂直振荡气体中的电子，使之与原子碰撞，从而电离电子。因此，可以产生混合气体(Xe+H)的等离子体。该等离子体是电子、正离子、中性原子团和中性分子的集合。
由于负电压加于靶401上，所以，混合气体中惰性气体的正离子例如Xe+离子吸引到靶上，惰性气体的正离子与靶的氢分子碰撞，以便溅射靶。氢分子从Cs上取出电子，并被分解，从而氢分子形成为单原子负离子H-。由于使用了Cs，所以氢离子的密度可以提高。H-离子束从含高密度氢负离子的等离子体中引出，用于辐射晶片411。于是H-可以注入到晶片的预定深度。
上述方法存在一个问题，必须去除Si衬底上的Cs或注入到短距离内的Cs。然而，可以得到产生负离子的效率的优点。由于氢负离子注入到晶片中，所以等离子体中的负离子的密度会降低。由于等离子体总是保持中性态，所以正离子与覆盖有铯的靶碰撞，从Cs取出电子，并将电子提供给中性氢。于是以对应于消隐的负离子的量重新产生负离子H-。
采用代替高频线圈以脉冲方式接通/切断的结构的方法，可以产生高密度氢负离子。即，可以连续注入氢负离子。Cs溅射负离子源以与第六和第七实施例类似的脉冲方式间歇操作。尽管第一、第二和第三实施例中采用了三引出电极系统，但也可以采用引入加速电极和地电极的双引出电极系统。参见图13，下面介绍第九实施例。微波通过天线引入到靶室，以便在该室中产生等离子体。同轴电缆331连接到具有原材料气入口329的MP阴极室328。天线332固定于同轴电缆331的引出端。产生于磁控管(未示出)中的微波在同轴电缆中传输，以便通过天线332引入到MP阴极室328。氢气引入到室328中。
磁场施加单元333在MP阴极室328中产生垂直磁场。于是，产生微波共振磁场。从氢气中放出的电子共振吸收微波。电子的运动增强，以便附着氢。于是产生氢等离子体，其中含有正离子氢和电子。可以加入稀有气体，例如Ar或He。如果不进行附加，则只产生正离子，因此不能达到目的。
因此，主放电室330邻接MP阴极室328。主放电室330没有自己的等离子激发源。主放电室330中充有从MP阴极室328漂移来的氢等离子体。具有不同极性例如NS、SN…的多个永久性磁体335与主放电室330的外壁结合。于是，在该室中产生尖点磁场，以防止等离子体中的带电粒子与壁碰撞。上述磁场是用于限制等离子体的尖点磁场。弧光电源339(Vex)设置于主放电室330和MP阴极室328之间。主放电室330被Vex的正电压偏置。结果，电子和负离子从MP阴极通过电子排出口334引入到主放电室330。电子释放能量，用于产生主放电等离子体357。除电子外，氢正和负离子移动到主放电室330。电子在该空间飞行，撞击氢，从而产生正和负离子。在能量高时，电子被排斥，通常产生正离子。在能量低时，引入到氢电子轨道，因而一般产生负离子。电子的作用具有上述两面性。
在产生正离子时，电子增加，在产生负离子时，电子减少。电子从MP阴极连续供应。电子与氢原子和分子碰撞，电子损失能量。低速电子粘附于氢原子上，有时产生负离子。然而，低速电子的主要部分与主放电室的壁碰撞，因此，主要部分被消隐。
主放电等离子体357含有氢正离子、电子、氢负离子、中性氢分子和中性原子。主放电室330的相对侧形成为开口。由三个多孔板构成的引出电极系统设置在开口的前端，三块板是加速电极336、减速电极337和地电及338。在集中称呼三个多孔电极时，它们称为“引出电极系统”。在必须分别称呼这些电极时，它们被称为加速电极、减速电极和地电极。该结构不限于三电极系统，可以采用双电极系统。在上述情况下，提供加速电极和地电极，省略减速电极。在以下实施例中，将介绍三引出电极系统。上述引出电极系统从主放电室330引出作为束的负离子。加速电源342通过第二开关344和电阻器341与加速电极336相连。在第二开关344关闭时，主放电室330偏置到高负电压。即，其大小为加速电压Vacc和引出电压Vex间的差(Vacc-Vex)。加速电极336的电压为-Vacc。减速电极337通过第三开关345连接到减速电源343，以便施加正电压。
在第二开关344和第三开关345闭合时，负离子在Vacc的作用下从主放电室357引出。在第一开关340关闭时，电子和负离子从MP阴极引入到主放电室30。于是，产生大量含有负离子的主放电等离子体357。自然，所有开关340、344和345可以都关闭，连续引出负离子，从而在时序调节电路347的作用下，将氢负离子注入到Si晶片358中。由于采用由减速电极337作用的正偏，所以只有负离子和电子注入到Si晶片358中。不是杂质的电子的注入不会引起严重问题。自然，可以连续注入负离子。
如果同时注入电子和负离子，会浪费相当于电子电流那么大的量的电力。另外，由电子碰撞引起的加热不能忽略。因此，需要提高负离子的比例。为提高此比例，采用等离子切断后提高和降低负离子密度的方法。为利用上述事实，各开关以脉冲方式打开/关闭，如图3A和3B所示。图3A展示了第一开关340打开/关闭的时序，重复的波形由OFF 51、第一转换48、ON 49、下降沿50和OFF 51构成。图3B展示了第二开关344和第三开关345打开/关闭的时序，重复的波形由OFF 56、第一转换53、ON 54和下降沿55构成。注意，进行后一操作有一定程度的延迟。在第一开关340处于下降沿50时，保持OFF(52)态。一定延迟后，进行第二和第三开关的第一转换(53)。上述延迟的ON/OFF操作无限重复下去。
延迟电路346控制三个开关340、344和345的开关操作。在第一开关关闭时，形成主放电等离子体357(ON 49)。在第一开关340打开时，等离子体的温度迅速降低，因此电子损失其能量。尽管等离子体中电子开始时具有约10eV的能量，但在第一开关340打开后几微秒后该能量减小到约1eV到0.1eV。即，电子变成低速电子。低速电子具有碰撞和附着的大截面积。低速电子与中性氢原子碰撞，从而可以粘附于中性氢原子上，将氢原子变成负离子。于是，负离子的密度升高到等于正离子的水平。在此时352，第二和第三开关344和345关闭。结果，引出电极系统336、337和338引出负离子束。由于负离子的密度高，只有效地引出负离子。由于消耗了负离子，所以引出电压切断(55)。从第一开关的下降沿50到第二开关的第一转换53的最优选延迟时间τ为约10微秒。由于重复进行脉冲操作。50和53间的间隔(延迟时间)τ必须为到切断时Toff 10微秒。
结果，在主放电等离子体具有高密度氢负离子时，电极只被偏置为负。于是，可以引出负离子束，并注入到晶片中。尽管电子流无效，但在以上述时序进行打开/关闭时，电子流会减少，大量负离子束被引出。该实施例中，开关340、344和345是半导体开关。上述情况下，证实了允许1％的占空比，和为几Hz到10KHz的重复频率。可以采用晶闸管作开关装置。
第九实施例的基本部分在于接通/切断等离子体，以在等离子体切断期间大量产生H-。以合适的时序，预定偏压加于引出电极系统上，以便H-注入到Si衬底中。于是，巧妙地运用了等离子体切断后立即发生负离子增加的现象。
尽管采用了高频激发设备，但该设备不限于此。关于等离子体发生装置，可以采用微波等离子体或DC放电等离子体代替高频等离子体。任何情况下，等离子体发生装置都周期性地接通/切断，预定偏压以等离子发生装置切断后负离子立即增加的时序，加到引出电极系统上。以下将介绍相反的事实。在第九实施例中，以脉冲的方式进行等离子体的产生(第一开关340)和引出(第二和第三开关)，以只在氢负离子密度高时引出离子束。上述方法可用于以下实施例。尽管省略了具体介绍，但图3所示的连续进行的等离子体发生和束引出可用于以上任何实施例。
氢负离子注入到半导体衬底、介质衬底或金属衬底中，以便可以在预定深度形成大量含氢层。由引出电极系统从等离子体中引出氢作为负离子束。由于离子束的直径大于衬底的直径，所以可以集中将氢负离子H-注入到衬底的表面中。只有氢负离子是稳定的，以可以产生单极性。在预定等离子偏压周期性加于引出电极系统时，只有H-在短时间内以需要的量稳定地注入。不需要质量分离系统。因而，不需要进行质量分离用的大尺寸设备。因此，可以降低设备成本。另外，可以减小安装设备所需要的面积。由于不进行质量分离，所以可以消除减小束直径的需要，不再需要扫描。由于不进行扫描，可以集中注入，所以可以提高产出率。
另外，等离子体发生装置周期性地接通/切断，然后电压加于引出电极系统上。于是可以有效地引出负离子。于是可以防止过量的电子辐射造成的衬底过热，和引出电子系统的电源容量增大。因此，可以提供需要小安装面积的低成本且稳定的离子注入设备。
权利要求
1.一种注入氢负离子的方法，包括以下步骤产生含氢等离子体；在等离子体中产生氢负离子；在等离子体和衬底间形成电场；及利用该电场加速来自等离子体的氢负离子，以便将氢负离子注入到衬底的预定深度。
2.根据权利要求1的注入氢负离子的方法，其特征在于设置一个或多个衬底，不进行与等离子体的质量分离，将氢负离子注入到一个或多个衬底的整个表面中。
3.根据权利要求1的注入氢负离子的方法，其特征在于在注入氢负离子期间或之后，加热衬底，在预定深度形成空洞。
4.根据权利要求1的注入氢负离子的方法，其特征在于利用在等离子体和衬底之间设置多个引出电极的方法加速氢负离子，在多个引出电极上加电压，以便在引出电极之间形成电场，从而由该电场引出氢负离子。
5.根据权利要求4的注入氢负离子的方法，其特征在于等离子体发生周期性的接通/切断。
6.根据权利要求1的注入氢负离子的方法，其特征在于衬底暴露于等离子体，等离子体发生周期性的接通/切断，正等离子体电压在所说等离子发生切断后到所说等离子体发生接通间的约10微秒周期内加到衬底上，以便处于消隐态的等离子体中的负离子束被加速，从而被注入到衬底中。
7.一种注入氢负离子的设备，包括氢发生装置，用于产生含等离子体氢；氢负离子发生装置，用于在等离子体中产生氢负离子；及电场形成装置，用于在等离子体和衬底间形成电场；其中来自等离子体的氢负离子由该电场加速，以便将氢负离子注入到衬底的预定深度。
8.根据权利要求7的注入氢负离子的设备，其特征在于设置一个或多个衬底，不进行与等离子体的质量分离，将氢负离子注入到一个或多个衬底的整个表面中。
9.根据权利要求7的注入氢负离子的设备，其特征在于还包括加热装置，用于在注入氢负离子期间或之后，加热衬底，在预定深度形成空洞。
10.根据权利要求7的注入氢负离子的设备，其特征在于还包括等离子体和衬底之间的多个引出电极，用于加速氢负离子；其中在多个引出电极上加电压，以便在引出电极之间形成电场，从而由该电场引出氢负离子。
11.根据权利要求10的注入氢负离子的设备，其特征在于等离子体发生装置周期性的接通/切断。
12.根据权利要求7的注入氢负离子的设备，其特征在于衬底暴露于等离子体，等离子体装置发生周期性的接通/切断，正等离子体电压在所说等离子发生切断后到所说等离子体发生接通间的约10微秒周期内加到衬底上，以便处于消隐态的等离子体中的负离子束被加速，从而被注入到衬底中。
13.一种将脉冲偏置氢负离子注入到衬底的预定深度的方法，包括以下步骤使等离子发生装置产生含氢等离子体；将衬底暴露于氢等离子体中；在衬底上加正等离子体电压以便将等离子体中包含的氢负离子注入到衬底的预定深度。
14.根据权利要求13的注入脉冲偏置氢负离子的方法，其特征在于俘获电子的磁场形成于产生等离子体的等离子室的中间部分，等离子发生装置在位于磁场的任一侧的第一等离子室中产生等离子体，衬底设置于第二等离子室，该磁场禁止高能电子运动到所说第二等离子室，所说第二等离子室中电子、中性原子和分子的碰撞加强，所以氢负离子的浓度提高。
15.根据权利要求1的注入脉冲偏置氢负离子的方法，其特征在于通过在高频线圈上加高频，向产生等离子体的等离子室引入装置供应Cs，Cs置于所说等离子室中设置的导电靶的表面上，负电压加于所说靶上，以用正离子溅射所说靶，从而产生高浓度的含氢负离子的氢等离子体。
16.根据权利要求1的注入脉冲偏置氢负离子的方法，其特征在于所说等离子体发生装置周期性的接通/切断，在从所说等离子发生装置切断到10微秒后所说等离子发生装置再接通的周期内，在衬底上施加正脉冲电压。
17.一种注入脉冲偏置氢负离子的设备，包括等离子室，这是产生等离子体的空间，其能够变成真空态；等离子发生装置，用于在所说等离子室中产生等离子体；气体引入开口，用于将含氢原子的气体引入所说等离子室；气体排出单元，用于从所说等离子室排出气体；设置于所说等离子室中的基座，其上设置衬底；正偏电源，用于将正偏电压加于所说基座上；设置于所说正偏电源和所说基座之间的开关；及以脉冲方式向衬底加正偏压的机构。
18.根据权利要求5的注入脉冲偏置氢负离子的设备，其特征在于还包括磁场形成装置，用于在所说等离子室中形成磁场，其设置于所说等离子室中或所说等离子室的外部上，以将所说等离子室分成两部分，从而由该磁场防止高能电子穿过；其中所说等离子室之一产生等离子体、所说基座和衬底设置于另一个等离子室中。
19.根据权利要求17的注入脉冲偏置氢负离子的设备，其特征在于还包括设置于引入了通过在高频线圈上施加高频产生等离子体的装置的所说等离子室中的导电靶，将负压加于所说靶上的负偏电源，产生Cs、Rb或K蒸汽的烘箱，将烘箱产生的蒸汽引入到所说靶的喷嘴。
20.根据权利要求5的注入脉冲偏置氢负离子的设备，其特征在于还包括接通/切断所说等离子发生装置的机构，还包括时序调节电路，用于确定允许/禁止等离子体产生和允许/禁止在所说基座上加正偏压的时序；其中正偏压在所说等离子发生装置切断后立即加于所说基座上。
21.一种用于将氢离子注入到衬底的预定深度的氢负离子束注入方去，其特征在于包括以下步骤利用等离子发生装置产生含氢等离子体；利用引入了多个多孔电极板的引出电极系统从等离子体中引出氢负离子束，所说每个多孔电极板都具有在宽于衬底直径的范围内分布的小孔；及将氢负离子束注入到衬底的预定深度。
22.根据权利要求21的氢负离子束注入方法，其特征在于俘获电子的磁场形成于产生等离子的等离子室的中间部分，等离子体由设置于磁场的任一侧上的第一等离子室中的等离子发生装置产生，引出电极系统提供在第二等离子室的开口部分，以便由该磁场防止第一等离子室中的高能电子的运动，所说第二等离子室中的低能电子、中性原子和分子的碰撞加强，从而提供了负离子的密度，以便从所说第二等离子室中引出氢负离子束，进而将氢负离子束注入到衬底中。
23.根据权利要求1的氢负离子束注入方法，其特征在于向引入了通过在高频线圈上施加高频产生等离子体的装置的等离子室供应Cs，Cs淀积在设置于所说等离子室内的导电靶的表面上，负电压加于靶上，以便用正离子溅射靶，从而产生含高浓度氢负离子的氢等离子体。
24.根据权利要求1的氢负离子束注入方法，其特征在于所说等离子发生装置周期性地接通/切断，在从所说等离子发生装置切断到所说等离子发生装置再接通10微秒后的期间，DC电压加于所说引出电极系统上，以引出氢负离子束。
25.一种氢负离子束注入设备，包括等离子室，这是产生等离子体的空间，其中的压力能够降低到真空；等离子发生装置，用于在所说等离子室产生等离子体；气体引入开口，用于将含氢原子的气体引入所说等离子室；气体排出单元，用于从所说等离子室排出气体；设置于所说等离子室开口部分的多个引出电极系统，每个都引入了直径大于衬底直径的多孔板；将高负电压和正电压加于引出电极系统，以从等离子体中引出负离子束的电源；及设置于所说引出电极系统的下游的基座，其上将设置半导体衬底、绝缘衬底或金属衬底。
26.根据权利要求25的氢负离子束注入设备，其特征在于还包括磁场形成装置，用于在所说等离子室中形成磁场，其设置于所说等离子室中或所说等离子室外部上，以将所说等离子室分成两部分，从而由磁场防止高能电子穿过；其中所说等离子室中的任一个产生等离子体，所说基座和衬底设置于另一等离子室中。
27.根据权利要求25的氢负离子束注入设备，其特征在于还包括设置于引入了通过在高频线圈上施加高频产生等离子体的装置的所说等离子室中的导电靶，将负电压加于所说靶上的负偏电源，产生Cs、Rb或K蒸汽的烘箱，将烘箱产生的蒸汽引入到所说靶的喷嘴。
28.根据权利要求5的氢负离子束注入设备，其特征在于还包括用于接通/切断所说等离子发生装置的开关；用于接通/切断等离子体发生和加于所说引出电极系统上的DC电压的开关；确定所说等离子发生装置接通/切断的定时和所说引出电极系统的电压接通/切断的定时间关系的延迟电路；其中DC电压在所说等离子发生装置切断后立即加于所说引出电极系统，以引出负离子束。
全文摘要
注入氢负离子的方法包括以下步骤。产生含氢等离子体。在等离子体中产生氢负离子。在等离子体和衬底间形成电场。利用该电场加速来自等离子体的氢负离子,从而将氢负离子注入到衬底的预定深度。
文档编号C30B31/22GK1242594SQ9911093
公开日2000年1月26日 申请日期1999年6月26日 优先权日1998年6月12日
发明者三宅浩二, 林司, 桑原创 申请人:日新电机株式会社