注入装置的离子源和离子注入方法与流程

本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种注入装置的离子源和离子注入方法。

背景技术：
离子注入是一种在半导体技术中将杂质材料选择性的注入到半导体材料中的技术。杂质材料在电离腔中被离子化，将这些离子加速以形成具有设定能量的离子束，离子束轰击晶圆表面，并进入晶圆中，到达与能量相关的深度处。离子注入机通常将气体或固体的杂质材料在起弧腔中转化为等离子体，然后将等离子体从起弧腔中引出，形成离子束，该离子束可被进行质量分析以消除不想要的离子种类，并加速至预期的能量，并导引至晶圆表面。参考图1，图1为现有技术注入装置的离子源的剖面界面示意图。所述离子源包括：起弧腔100；位于起弧腔100侧壁的灯丝103，灯丝103在接通电源时，会发热产生热电子；位于灯丝103对面的反射极102，所述反射极102连接电源时，用于反射灯丝103产生的热电子，防止热电子通过起弧腔100的腔室本体溢出；位于起弧腔100底部的源气体通入口104，用于向起弧腔100通入离子源气体，离子源气体在灯丝103产生的热电子的撞击下离子化为等离子体，产生的等离子体通过位于起弧腔100顶部的狭缝101引出起弧腔100。上述离子源在产生等离子体时，相关副产物或杂质颗粒会在起弧腔100中形成，并且会黏附在起弧腔100的内表面，使得起弧腔100的内表面会形成一层导电的薄膜，甚至灯丝103和反射极102也会形成一层导电的薄膜，该导电薄膜容易使得灯丝103发生短路，并且该导电的薄膜也容易从起弧腔100的内表面脱落，当落在灯丝上或灯丝附近时，使得灯丝的稳定性，因此由于上述原因，使得离子源的使用寿命极大的缩短。更多关于离子源的介绍，请参考公开号为US2006/0060797A1的美国专利文献。

技术实现要素：
本发明解决的问题是提高离子源的使用寿命。为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种注入装置的离子源，包括：起弧腔，所述起弧腔用于容纳等离子体；灯丝，位于起弧腔的侧壁上，用于产生热电子，使通入起弧腔的离子源气体离子化为等离子体；反射极，位于起弧腔的与灯丝相对的侧壁上，用于反射灯丝产生的热电子；狭缝，位于起弧腔的顶部，作为等离子体的出口；源气体通入口，位于起弧腔的反射极和灯丝之间的侧壁上，用于通入离子源气体；清洁气体通入口，位于起弧腔的源气体通入口同侧的侧壁上，用于通入惰性清洁气体。可选的，所述惰性清洁气体为氩气或氦气。可选的，所述清洁气体通入口与灯丝之间的直线距离大于源气体通入口与灯丝之间的直线距离。可选的，所述清洁气体通入口与源气体通入口之间的距离为40～60毫米。可选的，所述清洁气体通入口的直径为5～15毫米。可选的，所述清洁气体通入口的数量大于等于一个。可选的，源气体通入口和清洁气体通入口通过第三通入口与起弧腔的侧壁相连接，源气体通入口和清洁气体通入口、和第三通入口构成一个三通管道。可选的，所述源气体通入口和清洁气体通入口上分别设置有开关控制阀，以控制源气体通入口和清洁气体通入口内气流的通断。可选的，还包括：引出电极系统，位于狭缝附近，用于从等离子体引出离子束。本发明技术方案提供还提供了一种离子注入方法，包括步骤：提供注入装置的离子源；灯丝连接电源产生热电子；从清洁气体通入口向起弧腔中通入惰性清洁气体，热电子将惰性清洁气体全部或部分离子化为第一等离子体；从源气体通入口向起弧腔中通入离子源气体，热电子将离子源气体离子化为第二等离子体；从狭缝引出第二等离子体形成离子束。可选的，所述惰性清洁气体为氩气或氦气。可选的，所述清洁气体通入口通入的惰性清洁气体的流量大于或等于源气体通入口通入离子源气体流量。可选的，所述清洁气体通入口通入的惰性清洁气体的流量为0.5～3sccm。可选的，源气体通入口通入离子源气体流量为0.5～1sccm。可选的，所述清洁气体通入口向起弧腔中通入惰性清洁气体的步骤在源气体通入口向起弧腔中通入离子源气体的步骤之前。可选的，所述清洁气体通入口向起弧腔中通入惰性清洁气体时，源气体通入口同时向起弧腔中通入离子源气体。可选的，离子注入完成时，停止通入离子源气体，保持通入惰性清洁气体，通过惰性清洁气体将起弧腔内剩余的离子化副产物从狭缝排出。与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：本发明技术方案的离子源，所述离子源的起弧腔的侧壁上具有清洁气体通入口，通过清洁气体通入口向起弧腔内通入惰性清洁气体，由于惰性清洁气体具有很高的稳定性，即使部分或全部被离子化为第一等离子体时，其等离子体的化学特性在高温环境下也不活跃，因此惰性清洁气体和离子化形成的第一等离子体会占据起弧腔的部分空间，能将起弧腔的内表面和离子源气体离子化形成的第二等离子体之间隔离，防止或减少离子源气体离子化后的副产物或杂质颗粒在起弧腔的内表面形成导电薄膜，并且所述惰性清洁气体和离子化形成的第一等离子还能将脱落的导电薄膜通过狭缝携带出起弧腔，从而增加离子源的使用寿命。进一步，所述清洁气体通入口与灯丝之间的直线距离大于源气体通入口与灯丝之间的直线距离，当从清洁气体通入口通入惰性清洁气体时，惰性清洁气体与灯丝的距离较远，且与反射极的距离较近，使得通入起弧腔的部分惰性清洁气体不会被离子化，起弧腔内剩余的惰性气体不会受到起弧腔内电场的影响，使得剩余的惰性气体和离子化后形成的第一等离子体能更均匀分布在起弧腔的内表面附近，并且，剩余的惰性气体和第一等离子体产生的气流能将部分脱落的导电薄膜带出起弧腔，从而更有效的防止在起弧腔的内表面形成导电薄膜或者减少起弧腔的内表面形成的导电薄膜的量。进一步，所述清洁气体通入口的数量大于一个，所述清洁气体通入口可以为两个、三个、四个等，清洁气体通入口的数量大于一个时，使得一定的流量下，通入起弧腔中的起弧腔内的惰性清洁气体的量更多，从而使得惰性清洁气体和第一等离子体构成的隔离层的厚度更厚，防止在起弧腔的内表面形成导电薄膜的效果更好。本发明技术方案的离子注入方法，从清洁气体通入口通入惰性清洁气体，惰性清洁气体会被离子化为第一等离子体，第一等离子体具有较强的稳定性和在高温环境下不活跃的化学特性，第一等离子体不会与离子源气体解离后的第二等离子体及其副产物或颗粒发生化学反应，第一等离子体会占据起弧腔内的部分空间，在起弧腔的内表面和起弧腔内第二等离子体及其副产物或颗粒之间形成一层第一等离子体的隔离层，从而有效的防止在起弧腔的内表面形成导电薄膜或者减少起弧腔的内表面形成的导电薄膜的量，并且，第一等离子体产生的气流也能将脱落的部分导电薄膜带出起弧腔，从而增加了离子源的使用寿命。进一步，向起弧腔中通入惰性清洁气体的步骤在向起弧腔中通入离子源气体之前，因此，部分惰性清洁气体和第一等离子体在离子化离子源气体之前，会占据起弧腔中的部分空间，在起弧腔的内表面附近提前形成一层惰性清洁气体和第一等离子体的隔离层，后续离子化离子源气体形成第二等离子体和相关副产物时，能有效的防止第二等离子体和相关副产物在起弧腔的内表面形成导电薄膜。附图说明图1为现有离子源的剖面结构示意图；图2～图3为本发明实施例注入装置的离子源的俯视结构示意图。具体实施方式正如背景技术所述的，当通入起弧腔的离子源气体在离子化为等离子体时，相关的副产物或杂质颗粒会在起弧腔的侧壁形成一层导电薄膜，该导电薄膜会使得灯丝发生短路，从而影响离子源的使用寿命。为此，本发明实施例提供了一种离子源，所述离子源的起弧腔的侧壁上具有清洁气体通入口，通过清洁气体通入口向起弧腔内通入惰性清洁气体，由于惰性清洁气体具有很高的稳定性，即使部分或全部被离子化为第一等离子体时，其等离子体的化学特性也不活跃，因此惰性清洁气体和离子化形成的第一等离子体会占据起弧腔的部分空间，能将起弧腔的内表面和离子源气体离子化形成第二等离子体之间隔离，防止或减少离子源气体离子化后的副产物或杂质颗粒在起弧腔的内表面形成导电薄膜，并且所述惰性清洁气体和离子化形成的第一等离子还能将脱落的导电薄膜通过狭缝携带出起弧腔，从而增加离子源的使用寿命。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。图2～图3为本发明实施例注入装置的离子源的俯视结构示意图。首先，请参考图2，本发明实施例的注入装置的离子源包括：起弧腔300，所述起弧腔300用于容纳等离子体；灯丝301，位于起弧腔300的侧壁上，用于产生热电子，使通入起弧腔300的离子源气体离子化为等离子体，灯丝301两端连接有电极，电极固定在起弧腔300的侧壁上，灯丝301的电极和侧壁之间还具有绝缘层(图中未示出)；反射极302，位于起弧腔300的与灯丝301相对的侧壁上，用于反射灯丝301产生的热电子；狭缝(图中未示出)，位于起弧腔的顶部，作为等离子体的出口；源气体通入口305，位于起弧腔300的反射极302和灯丝301之间的侧壁上，用于通入离子源气体；清洁气体通入口307，位于起弧腔300的源气体通入口305同侧的侧壁上，用于通入惰性清洁气体。所述灯丝301还与第一电压供应单元303相连接，第一供电单元303用于向灯丝301施加电压，使灯丝301中通过足够的电流，使灯丝301达到几千度的高温，从灯丝301上发射出热电子。所述离子源还包括：第二电压供应单元304，第二电压供应单元304的正极与起弧腔300的侧壁相连，用于提供加速电场，使灯丝301发射的热电子具有足够的能量，撞击通入起弧腔300的离子源气体，使离子源气体离子化为等离子体。为了使热电子获得足够的能量，所述第二电压供应单元304的正极施加的正电压的范围为50～200伏。所述第二电压供应单元304的负极与反射极302相连，负极施加的电压一般为-5～-10伏，使得灯丝301发射的热电子反射回起弧腔300，防止热电子通过起弧腔300的本体溢出。所述清洁气体通入口307，用于通入惰性清洁气体，惰性清洁气体会被离子化为第一等离子体，第一等离子体具有较强的稳定性和在高温环境下不活跃的化学特性，第一等离子体不会与离子源气体解离后的第二等离子体及其副产物或颗粒发生化学反应，第一等离子体会占据起弧腔300内的部分空间，在起弧腔300的内表面和起弧腔300内第二等离子体及其副产物或颗粒之间形成一层第一等离子体的隔离层，从而有效的防止在起弧腔300的内表面形成导电薄膜或者减少起弧腔300的内表面形成的导电薄膜的量，并且，第一等离子体产生的气流也能将脱落的部分导电薄膜带出起弧腔300，从而增加了离子源的使用寿命。所述惰性清洁气体为氩气或氦气，本实施例中，所述惰性清洁气体为氩气，氩气在高温下较稳定，且化学特性非常不活泼，并且氩气的价格较低廉，并可作为检查起弧腔300是否有漏气的检漏气体。所述清洁气体通入口307与灯丝301之间的直线距离大于源气体通入口305与灯丝之间的直线距离，当从清洁气体通入口307通入惰性清洁气体时，惰性清洁气体与灯丝301的距离较远，且与反射极302的距离较近，使得通入起弧腔300的部分惰性清洁气体不会被离子化，起弧腔300内剩余的惰性气体不会受到起弧腔300内电场的影响，使得剩余的惰性气体和离子化后形成的第一等离子体能更均匀分布在起弧腔300的内表面附近，并且，剩余的惰性气体和第一等离子体产生的气流能将部分脱落的导电薄膜带出起弧腔300，从而更有效的防止在起弧腔300的内表面形成导电薄膜或者减少起弧腔300的内表面形成的导电薄膜的量。所述清洁气体通入口307与源气体通入口305之间的距离a为40～60毫米，防止两通入口通入到起弧腔300内气流产生相互影响，并使得清洁气体通入口307与灯丝301之间保持合适的距离。所述清洁气体通入口307的直径b为5～15毫米，便于精确控制清洁气体通入口307中通入的气体的流量，并对起弧腔300内真空度的均匀分布影响较小。所述清洁气体通入口307上设置有开关控制阀308，以控制清洁气体通入口307通入的惰性清洁气体的通断。开关控制阀308通过电信号控制其打开和关闭。所述源气体通入口305上设置有开关控制阀306，以控制源气体通入口305内通入的离子源气体的通断。开关控制阀306通过电信号控制其打开和关闭。本实施例中，所述清洁气体通入口307材料与起弧腔300本体的材料相同，所述清洁气体通入口307的数量为一个。在本发明的其他实施例中，所述清洁气体通入口的数量大于一个，所述清洁气体通入口可以为两个、三个、四个等，清洁气体通入口的数量大于一个时，使得一定的流量下，通入起弧腔中的惰性清洁气体的量更多，从而使得惰性清洁气体和第一等离子体构成的隔离层的厚度更厚，防止在起弧腔的内表面形成导电薄膜的效果更好。清洁气体通入口的数量大于一个时，具体的，在所述清洁气体通入口可以位于与源气体通入口同一侧的侧壁上，且多个清洁气体通入口位于垂直于起弧腔底部的同一直线上；所述清洁气体通入口也可位于起弧腔中的任意一个侧壁上或者多个侧壁上，使得惰性清洁气体和第一等离子体构成的隔离层的均匀性较好。所述起弧腔300的外侧还具有电场感应单元(图中未示出)，所述电场感应单元能在起弧腔中产生不同强度的电磁场，以影响灯丝301产生的热电子与离子源气体的撞击强度。所述起弧腔300还包括引出电极系统(图中未示出)，位于狭缝附近，用于将等离子体从狭缝引出并形成离子束。在本发明的另一实施例中，请参考图3，所述源气体通入口310和清洁气体通入口311通过第三通入口309与起弧腔300的侧壁相连接，源气体通入口310和清洁气体通入口311、和第三通入口309构成一个三通管道。源气体通入口310和清洁气体通入口311通过第三通入口309与起弧腔300的侧壁相连接，使得源气体通入口310和清洁气体通入口311在起弧腔300侧壁占据的空间较小，源气体通入口310和清洁气体通入口311在打开和关闭时对起弧腔300内的真空影响较小。所述源气体通入口310和清洁气体通入口311的外侧壁与第三通入口309的外侧壁之间的夹角为100～150度，使得源气体通入口310中通入的离子源气体和清洁气体通入口311中通入的惰性清洁气体相互间的对冲作用力较小，并能在第三通入口309处充分混合。所述清洁气体通入口311上设置有开关控制阀312，以控制清洁气体通入口311通入的惰性清洁气体的通断。开关控制阀312通过电信号控制其打开和关闭。所述源气体通入口310上设置有开关控制阀313，以控制源气体通入口310内通入的离子源气体的通断。开关控制阀313通过电信号控制其打开和关闭。清洁气体通入口311的直径d等于源气体通入口310的直径d，清洁气体通入口311的直径d为10～12毫米。所述第三通入口309的直径c为5～10毫米。本发明实施例还提供了一种采用上述离子源进行离子注入的方法，请参考图2，首先，第一电压供应单元303向灯丝301的两端施加电压，灯丝301的两端连接电源后，灯丝301在驱动电流的作用下加热到几千度的高温，产生热电子。需要说明的是，向灯丝的两端施加电压的步骤也可以在向起弧腔中通入惰性清洁气体和/或通入离子源气体之后。接着，从清洁气体通入口307向起弧腔300中通入惰性清洁气体，热电子将惰性清洁气体全部或部分离子化为第一等离子体。所述惰性清洁气体为氩气，由于清洁气体通入口307距离灯丝301较远，会有部分惰性清洁气体会以气体的形式存在。本实施中，向起弧腔中300中通入惰性清洁气体的步骤在向起弧腔300中通入离子源气体步骤之前，因此，部分惰性清洁气体和第一等离子体在通入离子化离子源气体之前，会占据起弧腔300中的部分空间，在起弧腔300的内表面附近提前形成一层惰性清洁气体和第一等离子体的隔离层，后续离子化离子源气体形成第二等离子体和相关副产物时，能有效的防止第二等离子体和相关副产物在起弧腔300的内表面形成导电薄膜。在本发明的其他实施例中，向起弧腔中通入惰性清洁气体时，同时向起弧腔中通入离子源气体。接着，从源气体通入口305向起弧腔300中通入离子源气体，热电子将离子源气体离子化为第二等离子体。所述离子源气体包括BF3、PH3或AsH3，所述离子源气体还可以为含有待掺杂元素的气体。本实施例中所述清洁气体通入口307通入的惰性清洁气体的流量大于源气体通入口305通入离子源气体流量，所述清洁气体通入口307通入的惰性清洁气体的流量为0.5～3sccm，源气体通入口305通入离子源气体流量为0.5～1sccm，使得起弧腔300内惰性清洁气体和第一等离子体的量较大，使得惰性清洁气体和第一等离子体的隔离的效果较好，惰性清洁气体和第一等离子体的气流带走脱落的导电薄膜的效果较好；另外，清洁气体通入口307离灯丝301的距离较远，并且通入的惰性清洁气体的流量较小，因此对离子化离子源气体时影响较小。在本发明的其他实施例中，所述清洁气体通入口通入的惰性清洁气体的流量等于源气体通入口通入离子源气体流量。然后，从狭缝引出第二等离子体形成离子束，离子束经过电磁线圈筛选和相关透镜单元后，注入到待注入晶圆上。最后，在离子注入完成时，停止通入离子源气体，保持通入惰性清洁气体，通过惰性清洁气体将起弧腔内剩余的离子化副产物从狭缝排出，防止弧腔内剩余的离子化副产物在起弧腔的内表面形成导电薄膜。综上，本发明实施例的离子源，所述离子源的起弧腔的侧壁上具有清洁气体通入口，通过清洁气体通入口向起弧腔内通入惰性清洁气体，由于惰性清洁气体具有很高的稳定性，即使部分或全部被离子化为第一等离子体时，其等离子体的化学特性在高温环境下也不活跃，因此惰性清洁气体和离子化形成的第一等离子体会占据起弧腔的部分空间，能将起弧腔的内表面和离子源气体离子化形成第二等离子体之间隔离，防止或减少离子源气体离子化后的副产物或杂质颗粒在起弧腔的内表面形成导电薄膜，并且所述惰性清洁气体和离子化形成的第一等离子还能将脱落的导电薄膜通过狭缝携带出起弧腔，从而增加离子源的使用寿命。进一步，所述清洁气体通入口与灯丝之间的直线距离大于源气体通入口与灯丝之间的直线距离，当从源气体通入口通入离子源气体时，离子源气体与灯丝的距离较远，且与反射极的距离较近，使得通入起弧腔的部分惰性清洁气体不会被离子化，起弧腔内剩余的惰性气体不会受到起弧腔内电场的影响，使得剩余的惰性气体和离子化后形成的第一等离子体能更均匀分布在起弧腔的内表面附近，并且，剩余的惰性气体和第一等离子体产生的气流能将部分脱落的导电薄膜带出起弧腔，从而更有效的防止在起弧腔的内表面形成导电薄膜或者减少起弧腔的内表面形成的导电薄膜的量。进一步，所述清洁气体通入口的数量大于一个，所述清洁气体通入口可以为两个、三个、四个等，清洁气体通入口的数量大于一个时，使得一定的流量下，通入起弧腔中的起弧腔内的惰性清洁气体的量更多，从而使得惰性清洁气体和第一等离子体构成的隔离层的厚度更厚，防止在起弧腔的内表面形成导电薄膜的效果更好。本发明实施例的离子注入方法，从清洁气体通入口通入惰性清洁气体，惰性清洁气体会被离子化为第一等离子体，第一等离子体具有较强的稳定性和在高温环境下不活跃的化学特性，第一等离子体不会与离子源气体解离后的第二等离子体及其副产物或颗粒发生化学反应，第一等离子体会占据起弧腔内的部分空间，在起弧腔的内表面和起弧腔内第二等离子体及其副产物或颗粒之间形成一层第一等离子体的隔离层，从而有效的防止在起弧腔的内表面形成导电薄膜或者减少起弧腔的内表面形成的导电薄膜的量，并且，第一等离子体产生的气流也能将脱落的部分导电薄膜带出起弧腔，从而增加了离子源的使用寿命。进一步，向起弧腔中通入惰性清洁气体的步骤在向起弧腔中通入离子源气体之前，因此，部分惰性清洁气体和第一等离子体在离子化离子源气体之前，会占据起弧腔中的部分空间，在起弧腔的内表面附近提前形成一层惰性清洁气体和第一等离子体的隔离层，后续离子化离子源气体形成第二等离子体和相关副产物时，能有效的防止第二等离子体和相关副产物在起弧腔的内表面形成导电薄膜。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。