CN105431927A - 富集硅的前体组合物及使用其的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了同位素富集的硅前体组合物，相对于缺乏该同位素富集的硅前体组合物的相应离子注入，其用在离子注入中以提高离子注入系统性能。该硅掺杂组合物包括至少一种硅化合物，并且可包括含有同种气体和稀释气体中至少一种的补充气体，所述至少一种硅化合物以28Si、29Si和30Si中的至少一种同位素富集至天然丰度以上。公开了用于将硅掺杂组合物提供至离子注入机的掺杂气体供应设备，以及包括掺杂气体供应设备的离子注入系统。

Description

富集硅的前体组合物及使用其的设备和方法
相关申请的交叉引用
本国际专利申请要求以JamesJ.Mayer等人名义于2013年5月21日提交的美国专利申请第13/898,809号题为“ENRICHEDSILICONPRECURSORCOMPOSITIONSANDAPPARATUSANDPROCESSESFORUTILIZINGSAME”的优先权。美国专利申请第13/898,809号为根据35USC120以RobertKaim等人名义于2013年3月15日提交的美国专利申请第13/840,961号题为“METHODANDAPPARATUSFORENHANCEDLIFETIMEANDPERFORMANCEOFIONSOURCEINANIONIMPLANTATIONSYSTEM”的部分继续申请；而美国专利申请第13/840,961号为根据35USC120以RobertKaim等人的名义于2012年8月6日提交美国专利申请第13/567,571号题为“METHODANDAPPARATUSFORENHANCEDLIFETIMEANDPERFORMANCEOFIONSOURCEINANIONIMPLANTATIONSYSTEM”的继续申请(作为美国专利第8,399,865号公开于2013年3月19日)；美国专利申请第13/567,571号为根据35USC120以RobertKaim等人的名义于2012年2月21日提交的美国专利申请第13/401,527号“METHODANDAPPARATUSFORENHANCEDLIFETIMEANDPERFORMANCEOFIONSOURCEINANIONIMPLANTATIONSYSTEM”(其作为美国专利第8,237,134号公开于2012年8月7日)的继续申请；美国专利申请第13/401,527号为根据35USC12以RobertKaim等人的名义的国际提交日为2011年2月26日的国际申请PCT/US2011/026388“METHODANDAPPARATUSFORENHANCEDLIFETIMEANDPERFORMANCEOFIONSOURCEINANIONIMPLANTATIONSYSTEM”的继续申请；国际申请PCT/US2011/026388要求根据35USC119以RobertKaim等人的名义于2010年2月26日提交的美国临时专利申请第61/308,428号“METHODANDAPPARATUSFORENHANCEDLIFETIMEANDPERFORMANCEOFIONSOURCEINANIONIMPLANTATIONSYSTEM”的优先权权益和根据35USC119以RobertKaim等人的名义于2010年10月7日提交的美国临时专利申请第61/390,715号“METHODANDAPPARATUSFORENHANCEDLIFETIMEANDPERFORMANCEOFIONSOURCEINANIONIMPLANTATIONSYSTEM”的优先权权益。出于任何目的，上述申请公开内容的全文在此均通过引证的方式纳入本说明书中。
技术领域
本公开涉及用于离子注入的硅掺杂组合物，以及所述掺杂组合物用于实现提高的离子注入系统性能的用途，所述提高的离子注入性能例如延长离子注入系统中离子源的寿命、实现更强的束电流等。
背景技术
实际应用中的离子注入，例如半导体和光电产品的生产，涉及在衬底例如晶片中纳入注入物质，所述注入物质通过碰撞衬底上纳入物质的能量离子而纳入衬底中。为了产生离子注入物质，对含有掺杂物质的掺杂组合物离子化。所述离子化使用离子源以产生离子束而进行。
离子束一旦在离子源处产生，便经过提取、磁过滤、加速/减速、磁分析器处理、准直、扫描和磁力校正的处理，从而产生最终离子束，所述最终离子束撞击述衬底上。
已开发了各类离子源，包括电感加热(inductivelyheated)阴极离子源、Freeman离子、Bernas离子和其他各种离子源，但是不管采用何种特定类型的离子源，离子源应能够长时间持续操作，且不会出现“故障(glitching)”或其他减损或失效以至需要关闭、维修或修复离子源的问题。因此，离子源的寿命是离子注入系统的关键特性。
一般而言，应最佳地配制和运行离子注入系统以获得低操作成本、高晶片生产量的系统。
硅是各种半导体生产操作中通常采用的沉积物和/或掺杂物。例如四氟化硅、SiF4可用作用于生产硅离子的前体材料，所述硅离子用于修饰集成电路的表面。SiF4可用于各类应用中，例如作为预非晶化(pre-amorphization)注入物，并影响金属沉积的选择性。
鉴于离子注入系统中对实现长离子源寿命、高晶片通量和低运行成本的需要，本领域持续致力于努力开发有效的前体组合物，从而能够实现所述高性能运行。
发明内容
本公开涉及用于离子注入的硅掺杂组合物，以及所述掺杂组合物用于实现提高的离子注入系统性能的用途，所述提高的离子注入系统的性能例如延长离子注入系统中离子源的寿命、更强的束电流或其他性能优点。
一方面，本公开涉及一种离子注入硅的方法，包括：离子化硅掺杂组合物以形成离子化的硅，并使离子化的硅与衬底接触以向衬底中注入硅，其中硅掺杂组合物包括至少一种硅化合物，所述至少一种硅化合物以28Si、29Si和30Si中的至少一种同位素富集至天然丰度以上，且其中当硅掺杂组合物由以29Si富集的四氟化硅组成时，富集水平为50原子％以上且最高达100原子％。
另一方面，本公开涉及用于硅的离子注入的掺杂气体组合物供应装置，所述供应装置选自：
(A)气体存储和分配(dispensing)容器，其容纳有硅掺杂组合物，所述硅掺杂组合物包含与补充气体混合的硅掺杂气体，所述补充气体含有稀释气体和同种气体(co-speciesgas)中的至少一种，其中硅掺杂组合物包含至少一种气态硅化合物，所述至少一种气态硅化合物以28Si、29Si和30Si中的至少一种同位素富集至天然丰度以上；和
(B)气体供应包(supplykit)，包括：(i)第一气体存储和分配容器，其容纳硅掺杂气体，和(ii)第二气体存储和分配容器，其容纳补充气体，所述补充气体含有稀释气体和同种气体中的至少一种，其中硅掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种以28Si、29Si和30Si中的至少一种同位素富集至天然丰度以上。
另一方面，本公开涉及离子注入系统，包括离子注入机，其与本公开的掺杂气体组合物供应装置以气体接收流(gas-receivingflow)连接的方式布置。
另一方面，本公开涉及一种提高离子注入系统运行能力的方法，包括将本公开的掺杂气体组合物供应装置用在离子注入系统中。
本公开的其他方面、特征和实施方案将从随后的说明书和所附权利要求中得到更全面地了解。
附图说明
图1为本公开一个方面的一种离子注入处理系统的示意图。
图2为本公开另一个方面的一种离子注入处理系统的示意图。
具体实施方式
如本说明书中使用的，单数形式的“一种/一个(a/an)”和“所述/其/该(the)”，除上下文另有明确说明外，包括复数个指示物。
如本文中关于特征、技术方案和其实施方案的多方面列举，本公开的实施方式具体可构成如下：包括某些或全部特征、方面和实施方案以及其整合而构成本发明的各种其他实施方式的要素和组成部分，或由某些或全部特征、方面和实施方案以及其整合而构成本发明的各种其他实施方式的要素和组成部分组成，或基本上由某些或全部特征、方面和实施方案以及其整合而构成本发明的各种其他实施方式的要素和组成部分组成。本公开在此以各种实施方案、参照各特征和本发明的各个方面的方式进行描述。在本公开的范围内，本公开涉及所述特征、技术方案和实施方案的各种变换和组合。因此，本公开可指定为包括这些特定特征、方面和实施方案或选自它们中的一种或多种的任何组合或变换，或者由这些特定特征、方面和实施方案或选自它们中的一种或多种的任何组合或变换组成，或者基本由这些特定特征、方面和实施方案或选自它们中的一种或多种的任何组合或变换组成。
本公开的化合物、组合物、特征以及本公开的步骤和方法可在具体的实施方案中进一步具体说明，所述进一步的具体说明的条件或限制为排除特定的取代基、同位素、部分、结构、成分、特性、步骤或条件，如果适用，涉及本文所述的各种具体说明和示例。
本公开涉及用于离子注入的硅掺杂组合物，以及涉及掺杂组合物用于实现提高的离子注入系统性能的用途，以及涉及使用硅掺杂组合物的设备和方法。相对于不使用本公开的同位素富集的掺杂气体组合物的相应离子注入系统，所述提高的离子注入系统的性能可例如包括：延长离子注入系统中离子源的寿命、更强的束电流或其他性能优点。
更具体地，本公开涉及包括一种或多种含硅化合物的硅掺杂组合物，所述括一种或多种含硅化合物以一种或多种硅同位素同位素富集至天然丰度以上。硅包括下述以原子％列举的天然同位素，其中所述同位素的百分比总和为100原子％。
硅同位素 天然丰度，原子％
28Si 92.2
29Si 4.7
30Si 3.1
如本文中使用的，针对硅掺杂气体和/或同种气体的术语“同位素富集”或“富集”是指在述气体中的掺杂物随掺杂物的天然存在的同位素的分布不同而不同，以使28Si、29Si和30Si中的至少一种以高于天然丰度的量存在。因此，术语“同位素富集”理解为，表示所考虑的特定同位素种类相对于天然丰度水平的增加的浓度。针对特定的硅同位素种类的术语“同型同位素(homoisotopic)”是指气体或组合物含有100原子％的特定的硅同位素。
在本公开的硅掺杂组合物中，至少一种天然存在的硅同位素以高于其天然丰度的水平存在于组合物中。可以有许多变型。例如，掺杂组合物可含有全部三种天然存在的同位素，且一种或两种以高于天然丰度的水平存在。或者，掺杂组合物可以100％的丰度仅含有一种所述同位素。作为进一步的替换方案，掺杂组合物可含有所述同位素中的两种，其中至少一种在天然丰度以上。
本公开的硅掺杂组合物可以气体供应包(gassupplypackage)的形式提供，所述气体供应包包括气体供应容器，所述气体供应容器含有硅掺杂组合物。为此，硅掺杂组合物可在单独的容器中提供，所述单独的容器含有任选地与补充气体混合的硅掺杂气体；或硅掺杂组合物可在多个容器中提供，所述多个容器包括一个含有硅掺杂气体的容器和另一个或其他含有补充气体的容器(例如，其他容器中的一个含有同类气体和/或稀释气体，而其他容器中的另一个含有相同或不同的气体)，总计构成用于离子注入系统和方法的气体供应包。如下文将进一步描述的，硅掺杂组合供应包可包括各类容器，且可包括例如基于吸附剂的流体存储和分配容器和/或压力调节的流体存储和分配容器。本公开的硅掺杂组合物可采用各种补充气种类。
本公开的同位素富集的硅掺杂组合物当用于离子注入系统和方法时，相对于未使用同位素富集的硅掺杂组合物的相应离子注入系统和方法，获得了提高的性能，例如延长的寿命、更强的束电流、更低的气体流速等。
如在本文中使用的，术语“掺杂气体”是指含有掺杂物的气相材料，所述掺杂物即待注入离子注入衬底的物质，其伴随或结合至一种非掺杂组分，例如氢化物、卤化物、有机部分或其他部分。硅掺杂气体的实例包括但不限于：四氟化硅(SiF4)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、C1-C8烷基硅烷(例如SiH3CH3、SiH2(CH3)2、SiH(CH3)3、Si(CH3)4、SiH3(C2H5)、SiH2(C2H5)2、SiH(C2H5)3、Si(C2H5)4等)、氟硅烷(例如SiHF3、SiH2F2、SiH3F)和氯硅烷(例如SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl)。
在本文中使用的术语“补充气体”是指稀释气体或同种气体。
稀释气体是不含有掺杂物且与掺杂气体混合起作用的气体，所述作用为：相较于含有掺杂气体但不不存在稀释气体的离子源的寿命和性能，改善这种含稀释气体的混有掺杂气体的混合物的离子源的寿命和性能。说明性的稀释气体的实例包括：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、甲烷、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷和氙气。
同种气体是含有与搀杂气体相同的掺杂物质的气体，其中相同的掺杂物质伴随或结合至非掺杂组分，所述非掺杂组分不同于所述掺杂气体的非掺杂组分。
例如，所述掺杂气体可为四氟化硅(SiF4)，并且所述同种气体可为甲硅烷、SiH4。在所述协同类组合物的各实施方案中，所述掺杂气体以及所述同种气体可在一种或多种硅同位素中以高于天然丰度的量同位素富集。在其他实施方案中，所述同种气体中含有的硅可以其天然同位素的天然丰度和分布存在。在其他的实施方案中，所述同种气体可在一种或多种硅同位素中以高于天然丰度的量富集，而所述掺杂气体中其硅含量在同位素分布中为天然丰度。
本公开在各种实施方案中涉及离子注入硅的方法，包括：离子化硅掺杂组合物以形成离子化硅，并将所述离子化硅与衬底接触以使硅注入其中，其中所述硅掺杂组合物包括至少一种硅化合物，所述硅化合物为在至少一种28Si、29Si和30Si中以高于天然丰度的量同位素富集，并且其中当所述硅掺杂组合物由富集于29Si中的四氟化硅组成时，富集的水平为在50原子％以上且最高达100原子％。
在所述方法中，所述硅掺杂组合物可包括：(i)上述提及的作为硅掺杂气体的气态硅化合物，和(ii)包括同种气体和稀释气体中至少一种的补充气体。
所述方法的实施，可使用离子化设备离子化所述硅掺杂组合物以产生硅离子的离子束，并在接触操作中通过电场加速所述离子束以使硅注入所述衬底中。或者，所述离子化硅可在等离子体浸没处理中与所述衬底接触以使硅注入其中。如前面讨论所指出的，所述硅掺杂组合物可包括选自以下的硅化合物：四氟化硅(SiF4)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、C1-C8烷基硅烷、氟硅烷和氯硅烷。
在具体实施方案中，所述方法可使用在28Si的同位素(例如四氟化硅)中以高于天然丰度的量富集的硅化合物进行，在28Si中同位素富集的浓度范围为大于92.3原子％至100原子％。所述四氟化硅在具体的实施方案中可为同型同位素28Si。
在本公开硅掺杂组合物中使用的补充气体可为任何合适的类型，并且可例如包括选自以下的稀释气体：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷、甲烷和氙气。
在本公开广泛的实践中可采用各种各样的掺杂气体组合物，包括含有选自以下的气体组合的掺杂气体组合物：
(i)同位素富集的四氟化硅与氙气和氢气；
(ii)同位素富集的四氟化硅与硅烷；
(iii)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的硅烷；
(iv)同位素富集的四氟化硅与氩气；
(v)同位素富集的四氟化硅与乙硅烷；
(vi)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的乙硅烷；
(vii)同位素富集的四氟化硅与氢气；
(viii)同位素富集的四氟化硅与氨气；
(ix)同位素富集的四氟化硅与氨气和氙气；
(x)同位素富集的四氟化硅与氢气和氪气；
(xi)同位素富集的四氟化硅与氨气和氪气；
(xii)同位素富集的四氟化硅与氮气；
(xiii)同位素富集的四氟化硅与氮气和氙气；
(xiv)同位素富集的四氟化硅与氮气和氪气；和
(xv)同位素富集的四氟化硅与一种或多种以下的物质：氢气、氮气、氨气、氙气和氩气。
本公开还涉及用于硅的离子注入的掺杂气体组合物供应装置，其中所述供应装置选自：
(A)气体存储和分配容器，其容纳有含有与补充气体混合的硅掺杂气体的硅掺杂组合物，所述补充气体含有稀释气体和同种气体中的至少一种，其中所述硅掺杂组合物包括至少一种气态硅化合物，所述硅化合物在至少一种28Si、29Si和30Si中以高于天然丰度的量同位素富集；和
(B)气体供应套件，其包括：(i)容纳硅掺杂气体的第一气体存储和分配容器，和(ii)容纳含有稀释气体和同种气体中的至少一种的补充气体的第二气体存储和分配容器，其中硅掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种在至少一种28Si、29Si和30Si中以高于天然丰度的量同位素富集。
所述掺杂气体组合供应装置可包括选自以下的硅化合物：四氟化硅(SiF4)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、C1-C8烷基硅烷、氟硅烷和氯硅烷。在具体的实施方案中，所述硅化合物在28Si(例如四氟化硅)中以高于天然丰度的量同位素富集，其在28Si中的同位素富集的浓度范围为大于92.3原子％至100原子％。在所述掺杂气体组合物供应装置的具体实施方案中，所述四氟化硅可为同型同位素28Si。
在各实施方案中，所述掺杂气体组合供应装置包括含有稀释气体的补充气体，所述稀释气体选自以下物质：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺类、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷、甲烷和氙气。在特别的应用中，掺杂气体组合物供应装置可构成提供含有选自以下气体组合的掺杂气体组合物：
(i)同位素富集的四氟化硅与氙气和氢气；
(ii)同位素富集的四氟化硅与甲硅烷；
(iii)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的甲硅烷；
(iv)同位素富集的四氟化硅与氩气；
(v)同位素富集的四氟化硅与乙硅烷；
(vi)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的乙硅烷；
(vii)同位素富集的四氟化硅与氢气；
(viii)同位素富集的四氟化硅与氨气；
(ix)同位素富集的四氟化硅与氨气和氙气；
(x)同位素富集的四氟化硅与氢气和氪气；
(xi)同位素富集的四氟化硅与氨气和氪气；
(xii)同位素富集的四氟化硅与氮气；
(xiii)同位素富集的四氟化硅与氮气和氙气；
(xiv)同位素富集的四氟化硅与氮气和氪气；和
(xv)同位素富集的四氟化硅与一种或多种以下的物质：氢气、氮气、氨气、氙气和氩气。
另一方面，本公开涉及一种离子注入系统，其包括设置为与如上所述各种掺杂气体组合供应装置进行气体接收流连通的离子注入机。在所述离子注入系统中，所述离子注入机可用于：
(A)离子化来自所述掺杂气体组合物供应装置的硅掺杂组合物并形成离子化硅，然后使所述离子化硅与衬底接触以使硅注入其中；和
(B)(i)产生所述离子化硅的离子束，并通过电场加速所述离子束至所述衬底以使硅注入其中，或(ii)进行等离子体浸没处理以使硅注入所述衬底中。
本公开还涉及一种增强离子注入系统操作的方法，其包括在所述离子注入系统中使用如上所述的各种掺杂气体组合物供应装置。所述方法可以多种方式实施。例如，所述掺杂气体组合物供应装置可包括选自以下的硅化合物：四氟化硅(SiF4)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、C1-C8烷基硅烷、氟硅烷和氯硅烷。在具体的实施方案中所述硅化合物可包括四氟化硅(SiF4)，其在28Si中以高于天然丰度的量同位素富集，浓度范围为大于92.3原子％至100原子％，例如在28Si中为同型同位素的四氟化硅。可采用补充气体，所述补充气体包括选自以下的稀释气体：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺类、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷、甲烷和氙气。
在具体的实施方案中，所述方法可使用所述掺杂气体组合物进行实施，所述掺杂气体组合物包括选自以下的气体组合：
(i)同位素富集的四氟化硅与氙气和氢气；
(ii)同位素富集的四氟化硅与甲硅烷；
(iii)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的甲硅烷；
(iv)同位素富集的四氟化硅与氩气；
(v)同位素富集的四氟化硅与乙硅烷；
(vi)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的乙硅烷；
(vii)同位素富集的四氟化硅与氢气；
(viii)同位素富集的四氟化硅与氨气；
(ix)同位素富集的四氟化硅与氨气和氙气；
(x)同位素富集的四氟化硅与氢气和氪气；
(xi)同位素富集的四氟化硅与氨气和氪气；
(xii)同位素富集的四氟化硅与氮气；
(xiii)同位素富集的四氟化硅与氮气和氙气；
(xiv)同位素富集的四氟化硅与氮气和氪气；和
(xv)同位素富集的四氟化硅与一种或多种以下的物质：氢气、氮气、氨气、氙气和氩气。
另一方面，本公开涉及离子注入方法，其包括将掺杂组合物流动到离子源以产生用于注入的离子掺杂种类，其中所述掺杂组合物选自：
(i)硅化合物，其在至少一种质量28、29或30的硅同位素中以高于天然丰度的水平同位素富集，例如其中所述至少一种硅同位素的同位素富集水平为：对于质量28的硅同位素大于92.2％、对于质量29的硅同位素大于4.7％和对于质量30的硅同位素大于3.1％，并且其中当所述硅化合物为四氟化硅时，富集的仅为质量29的硅同位素，富集水平为大于50％至100％；和
(ii)掺杂气体配方，其包括硅掺杂气体和补充气体，其中所述补充气体包括稀释气体和同种气体中的至少一种，并且其中所述掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种，在至少一种硅同位素中以高于天然丰度的量同位素富集。
在各实施方案中，所述掺杂组合物可选自在至少一种质量28、29或30的硅同位素中以高于天然丰度的水平同位素富集的硅化合物，其中当所述硅化合物为四氟化硅时，富集的仅为质量29的硅同位素，富集水平为大于50％至100％。
在其他实施方案中，所述离子注入方法可使用包括四氟化硅和甲硅烷中的至少一种的硅化合物而进行。例如，所述硅化合物可包括四氟化硅，在所述四氟化硅中的硅可具有：质量28的硅同位素的同位素富集水平大于92.2％至100％，质量29的硅同位素的同位素富集水平大于50％至100％，或质量30的硅同位素的同位素富集水平大于3.1％至100％。
在其他实施方案中，所述硅化合物包括在质量29的硅同位素中同位素富集以及在质量28的硅同位素和质量30的硅同位素的至少一种中同位素富集的四氟化硅。在所述组合物中，在所述质量29的硅同位素中同位素富集大于4.7％，且所述组合物中所有硅同位素的原子％的总和为100原子％。
在各实施方案中，其中存在全部三种天然的硅同位素(28Si、29Si和30Si)，所述同位素中的两种同位素可以超过天然丰度的量存在，而第三种存在的量在该同位素天然丰度的量以下，以使全部所述同位素的所有原子％的量的总和必定总共为100原子％。在其他实施方案中，可存在全部三种天然存在的硅同位素，且仅所述同位素中的一种存在的量在天然丰度水平以上，而其他两种同位素存在的量在天然丰度的量以下，或所述其他同位素中的一种以天然丰度的量存在，且所述其他同位素中的另一种存在的量在天然丰度的量以下。所有这样的变形都认为是可能的。
也可认为，本公开的组合物可使用同型同位素的含硅气体，其中全部或基本上全部的硅原子为单一的同位素种类(28Si、29Si或30Si)。该同型同位素的掺杂气体能基本上增加束电流并实现该离子注入机仪器的性能和工作寿命的显著改善。例如，使用28Si的同型同位素的四氟化硅，与其中硅的同位素种类组成为天然丰度的四氟化硅在相应的离子注入系统中的使用相比，可实现束电流增加近似10％的目的。
作为实现束电流改善的一种替代方案，本公开的同位素富集的掺杂气体组合物的使用能使该同位素富集的硅材料的流速降低，从而改善所述离子注入机系统中离子源的寿命。流速实际的降低可根据注入设备的具体需要确定，其在实现束电流最大改善的环境下至实现流速最大降低的环境下是可变的(因为相同的束电流与所述离子注入机中天然丰度的材料的使用有关)。流速降低与改善寿命的具体平衡能通过本领域的现有技术基于在此的公开容易地确定，从而在特定的离子注入设备中获得期望的性能改善和经济优势。
以上广义描述的离子注入方法可在其他实施方案中实施，其中所述硅掺杂组合物选自含有硅掺杂气体和补充气体的硅掺杂气体组合物，其中所述补充气体包括稀释气体和同种气体中的至少一种，且其中所述掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种中，在至少一种质量28、质量29和质量30的硅同位素中以高于天然丰度的量富集。在各个实施方案中，所述硅掺杂气体和——如果存在——所述硅同种气体中的至少一种，在至少一种质量28、29或30的硅同位素中以高于天然丰度的水平富集。所述同位素富集的硅化合物的说明性实例包括：在质量28的硅同位素中同位素富集大于92.2％的硅化合物，在质量29的硅同位素中同位素富集大于4.7％的硅化合物，和在质量30的硅同位素中同位素富集大于3.1％的硅化合物。
所述硅掺杂气体和硅同种气体可为可用于离子注入应用中的任何适宜的种类。例如，所述硅掺杂气体和硅同种气体可选自：SiF4、SiH4和Si2H6；甲基硅烷，例如SiH3CH3、SiH2(CH3)2、SiH(CH3)3和Si(CH3)4；氟硅烷，例如SiHF3、SiH2F2和SiH3F；和氯硅烷，例如SiHCl3、SiH2Cl2和SiH3Cl。
在其他实施方案中，所述补充气体可包括稀释气体，例如至少一种选自以下的气体种类：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺类、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、甲烷、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷和氙气。仍然其他实施方案可包括含有同种气体以及稀释气体的补充气体。
在具体的实施方案中，所述掺杂组合物可包括四氟化硅、甲硅烷和乙硅烷中的至少一种(其在至少一种质量28、质量29或质量30的硅同位素中以高于天然丰度的量富集)和稀释气体，所述稀释气体包括至少一种选自以下的稀释气体种类：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺类、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、甲烷、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷和氙气。
在所述方法的任何实施方案中，所述硅掺杂组合物包括选自以下的气体组合：
(i)同位素富集的四氟化硅与氙气和氢气；
(ii)同位素富集的四氟化硅与甲硅烷；
(iii)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的甲硅烷；
(iv)同位素富集的四氟化硅与氩气；
(v)同位素富集的四氟化硅与乙硅烷；
(vi)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的乙硅烷；
(vii)同位素富集的四氟化硅与氢气；
(viii)同位素富集的四氟化硅与氨气；
(ix)同位素富集的四氟化硅与氨气和氙气；
(x)同位素富集的四氟化硅与氢气和氪气；
(xi)同位素富集的四氟化硅与氨气和氪气；
(xii)同位素富集的四氟化硅与氮气；
(xiii)同位素富集的四氟化硅与氮气和氙气；
(xiv)同位素富集的四氟化硅与氮气和氪气；和
(xv)同位素富集的四氟化硅与一种或多种以下的物质：氢气、氮气、氨气、氙气和氩气。
在各种离子注入实施方案中，所述掺杂气体和同种气体以互相混合的形式流到所述离子源，产生用于注入的离子掺杂种类。在所述方法其他实施方案的实施中，其中所述掺杂气体和同种气体相继地流到所述离子源，产生用于注入的离子掺杂种类。
本公开还涉及以下的实施方案，其中同位素富集的硅掺杂气体与另一掺杂气体或以混合物的形式或作为分别供给至离子注入机的真空室的离散料流同时流到离子注入机，
在所述离子注入方法中，在一个实施方案中所述离子源可按照以下方法操作：将包括在所述掺杂组合物中的不同掺杂材料相继流到所述离子源；在所述不同掺杂材料相继流到所述离子源期间监测所述离子源操作期间的阴极偏置功率；然后在对所述监测的阴极偏置功率的响应中，调整所述相继供应的掺杂组分中的至少一种的流速，以延长所述离子源、阴极和/或一种或多种所述离子源的其他组件的工作寿命。
本公开的另一方面涉及一种改善离子源的性能和寿命的方法，所述离子源被设置用于从掺杂原料中产生用于离子注入的离子掺杂种类，所述方法包括由本文中不同描述的本公开的任何掺杂组合物产生所述离子掺杂种类。在所述方法的一个实施方案中，掺杂气体和同种气体以相互混合的形式流到所述离子源以产生用于注入的离子掺杂种类。在所述方法的另一实施方案中，掺杂气体和同种气体相继流到所述离子源以产生用于注入的离子掺杂种类。
本公开涉及不同类型的离子注入系统，其包括离子源和设置用于将掺杂组合物供应给所述离子源的掺杂组合源，其中所述掺杂组合源包括如本文中不同描述的任何掺杂组合物。在所述离子注入系统中，所述掺杂组合物可包括掺杂气体和同种气体，且所述掺杂组合源可设置为使相互混合的所述掺杂气体和同种气体流到所述离子源，从而向其供应掺杂组合物。或者，所述掺杂组合源可设置为相继使掺杂气体和同种气体流到所述离子源，从而向其供应掺杂组合物。
本公开还在一方面涉及一种掺杂原料设备，其包括一个具有内腔的容器，以及所述内腔中的掺杂原料，所述掺杂原料包括如本文中不同描述的任何掺杂组合物。
本公开的另一方面涉及一种增加离子注入系统中离子源和汽轮泵中至少一种的寿命的方法，在所述离子注入系统中硅离子被注入衬底中。所述方法包括在所述离子注入系统的离子化室中离子化含硅的掺杂气体，其中所述含硅的掺杂气体包括四氟化硅和选自氢气、氩气、氮气和氦气中的一种或多种的气体的混合物，其中所述掺杂气体为在至少一种同位素Si种类中同位素富集。
例如，四氟化硅可以基于所述混合物的总体积计5至98体积％的浓度范围存在于混合物中。在需要达到特别高的束电流的应用中，所述四氟化硅可以基于所述混合物的总体积计80至98体积％的浓度范围存在于混合物中。
本公开的另一方面涉及一种增加离子注入系统中离子源寿命的方法，其中在所述离子源中引入并离子化四氟化硅。所述方法包括向所述离子源引入氨气与四氟化硅，并且其中的四氟化硅在至少一种Si同位素种类中同位素富集。在所述方法中，所述氨气和四氟化硅可以供应容器中混合物的形式提供，所述混合物从所述供应容器中分配出来而被引入至所述离子源。或者，在所述方法中，所述氨气和四氟化硅可以分开的供应容器进行提供，它们从所述供应容器中分配出来而被引入所述离子源。在更进一步的实施方案中，所述氨气和四氟化硅可在其引入所述离子源后在所述离子源中互相混合。所述方法中可采用胺类替代氨气，或除氨气外还可采用胺类。
所述方法的另一种变型包括向所述离子源引入氙气。所述氙气可以与氨气和/或四氟化硅混合物的形式引入。
本公开涉及各种硅掺杂气体组合物，其包括硅掺杂气体和补充气体，其中所述补充气体包括稀释气体和同种气体中的至少一种，且其中硅掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种中，在至少一种质量28、29或30的硅同位素中以高于天然丰度的水平富集。
与没有利用同位素富集的掺杂气体和/或同位素富集的补充气体的相应工艺的性能相比，本公开的掺杂组合物能有效改善注入工艺的性能。相对于采用掺杂气体组合物中无同位素富集物质的掺杂气体组合物(即含有天然丰度的同位素物质的掺杂气体组合物)的相应注入工艺，所述性能的改善可涉及更高的束电流、更长的离子源寿命、更长的连续维修平均间隔、减少所述离子注入机中材料在表面的沉积或其他性能的改善。
在各种具体的实施方案中，所述掺杂组合物可包括至少一种硅化合物，所述硅化合物在28Si中以高于天然丰度的水平富集，例如，28Si的浓度大于92.2％(例如大于93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或99.9％)，以及最高达100％。在其他具体的实施方案中，所述掺杂组合物可包括至少一种硅化合物，所述硅化合物在29Si中以高于天然丰度的水平富集，例如，29Si的浓度大于4.7％(例如大于5％、7％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、70％、80％、90％、95％、96％、97％、98％、99％或99.9％)，以及最高达100％。在其他的具体实施方案中，所述掺杂组合物可包括至少一种硅化合物，所述硅化合物在30Si中以高于天然丰度的水平富集，例如，30Si的浓度大于3.1％(例如大于3.5％、4％、5％、7％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、96％、97％、98％、99％或99.9％)，以及最高达100％。
因此，本公开广泛的涉及同位素富集的硅掺杂气体和/或同位素富集的同种气体，其中有益的同位素在所述掺杂和/或同种气体中的浓度相对于其天然浓度有所增加，相对于所述掺杂和/或同种气体没有在天然丰度浓度水平基础上进行同位素调整的相应系统，增加的量能改善所述离子注入系统的性能。
在所述硅掺杂气体组合物包括掺杂气体和同种气体的实施方案中，在离子注入系统中所述各个气体可以下述方式提供：他们以互相混合的方式或以独立流线的并流方式流到所述离子源以进行供应，或通过来自它们各自气源的气体流到所述离子注入系统进行提供。或者，所述各个气体可相继地流到所述离子注入系统。利用所述各掺杂气体和同种气体基于等时的流量，所述连续操作可以任何适宜的方式进行，或者，基于各时间的流量可彼此不同，或以其他方式进行调整以提供期望特性的掺杂衬底。
使用根据本公开的离子物质注入离子的衬底可为任何适宜的类型。
所述衬底可包括硅、碳化硅、氮化镓或任何其他适宜的衬底组合。衬底可包括微电子器件衬底，即用于制备微电子结构以生产微电子器件或设备的前体组件的衬底。
在其他实施方案中，注入过的所述衬底可用于制造例如平板显示器和太阳能电池板产品。应了解，本公开将适于任何合适特性的离子注入应用。
所述掺杂组合物可提供用在具有容纳掺杂组合物的内腔的存储和分配容器中，其中的所述掺杂组合物可为所描述的任何适宜的类型。所述掺杂组合物的存储和分配容器可结合离子源设置，例如通过包括适宜的仪表和控制组件的流动线路而使掺杂组合物适宜的流到所述离子源。所述存储和分配容器可包括一个其内腔中含有固体物理吸附剂的基于吸附剂的容器，其中所述吸附剂对掺杂组合物具有吸附亲和性。因此，所述掺杂组合物在储存期间吸附保留在所述吸附剂上，并在分配条件下从所述吸附剂解吸，从而解吸的掺杂组合物可从该容器分配出去而流到所述离子注入系统。所述容器中的物理吸附剂可包括炭质吸附剂，例如可从ATMI,Inc.(Danbury,Connecticut,USA)以商品名BRIGHTBLACK购得的类型。或者，可使用对所述掺杂气体具有适宜吸附亲和性的任何其他固体物理吸附剂，以及任何其他存储介质，例如离子液体，所述掺杂气体可存储其中并在分配条件下从其中分配出来。该类型的基于吸附剂的容器可从ATMI,Inc.(Danbury,Connecticut,USA)以商品名SDS和SAGE购得。
或者，所述掺杂组合物可在内压调节型的容器中提供，所述容器在容器的内腔中设有一个或多个调压器。该调压容器可从ATMI,Inc.(Danbury,Connecticut,USA)以商品名VAC购得。在其内腔中还含有吸附剂的该调压型容器也可从ATMI,Inc.(Danbury,Connecticut,USA)以商品名VACSorb购得。
作为更进一步的替代方案，所述气体供应容器可包括固相掺杂源材料形式的所述掺杂组合物，例如通过加热所述容器和/或其内含物使所述固相掺杂源材料挥发以产生汽化或升华产物形式的所述掺杂气体。该类型的固相分配容器可从ATMI,Inc.(Danbury,Connecticut,USA)以商品名ProE-vap购得。
在进一步的实施方案中，本公开涉及用于离子注入系统的气体供应套件，其包括：(i)容纳硅掺杂气源的第一气体存储和分配容器，和(ii)容纳含有稀释气体和同种气体中的至少一种的补充气体的第二气体存储和分配容器，其中硅掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种在至少一种硅同位素中以高于天然丰度的水平富集。
其他方面，本公开涉及一种增强离子注入系统操作的方法，其包括在所述离子注入系统中使用(i)容纳硅掺杂气源的第一气体存储和分配容器，和(ii)容纳含有稀释气体和同种气体中的至少一种的补充气体的第二气体存储和分配容器，其中硅掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种在至少一种硅同位素中以高于天然丰度的水平富集。
在所述气体供应套件和增强方法方面，在供应的掺杂气体和同种气体的化合物中，所述掺杂气体和同种气体可均为硅同位素种类相同而单一的同型同位素(例如28Si)。
所述气体供应套件和增强方法可利用在各自的容器中的所述掺杂气体和稀释气体，其中所述掺杂气体为在至少一种天然存在的硅同位素中以高于天然丰度的量同位素富集。例如，所述掺杂气体可包括同型同位素(例如28Si)的气态硅化合物。所述稀释气体可包括任何适宜的气体种类或混合物，且例如可包括：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺类、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷、甲烷和氙气，或其他适宜的气体或气体组合。
现参照附图，图1为根据本公开一个方面的一种离子注入处理系统的示意图。
所述离子注入处理系统300包括存储和分配容器302，所述存储和分配容器302设有容纳硅掺杂气体的内腔，所述硅掺杂气体向图示的离子注入室301中的衬底328进行硅离子注入掺杂。所述存储和分配容器可为包括吸附介质的类型，所述硅掺杂气体物理性吸附在吸附介质上而得到存储，在分配条件下，所述气体从所述吸附介质上解吸而从该容器释放。所述吸附介质可包括固相炭质吸附剂材料。
在图1中，所述存储和分配容器302包括圆筒状的容器壁304，所述圆筒状的容器壁304围成一个内腔以容纳呈吸附态、游离气态或液化气态的所述掺杂气体。
所述存储和分配容器302包括阀头308，所述阀头308通过分配管线372与混合室360(可选的)耦合进行气流连通，所述混合室360再连接排出管线312。压力传感器310与质量流量控制器314可一同设于所述管线312中；其他可选择的监控和传感器组件可与所述管线耦合，并与控制手段(例如致动器、反馈和计算机控制系统、循环定时器等)配合运行。
若使用，所述混合室360也可与气体供给管线370连接进行流体连通，所述气体供给管线370连接有补充气体供应容器362和364，每个容器相对于另一个可为相同或不同的类型，并且相对上述的容器302于可为相同或不同的类型。容器362可例如含有稀释气体，而容器364可例如含有同种气体，如此设置以便能制备出掺杂气体的混合物(包括所述掺杂气体与所述稀释气体和/或所述同种气体的组合)。
附加容器362通过主容器部分构成，主容器部分缚有阀头380，阀头380再连接有附加容器供料管线366。同样地，附加容器364通过主容器部分构成，主容器部分缚有阀头382。阀头382连接有附加容器供料管道368。供料管线366和368通过这样的设置将稀释和/或同种气体输送至所述混合室360，以提供一种含有稀释和/或同种气体的掺杂气体混合物，通至所述离子注入机的离子源。为此，所述附加容器供料管线366和368以及分配管线372可配备有适宜的阀门、控制器和/或传感器用以手动或自动地控制从所述容器分配出去的材料的流量或其他特性，并且所述阀门、控制器和/或传感器可与所述相应的供料/分配管线以任何适宜的方式耦合或连接。
所述阀门可与有效连接至中央处理器单元(CPU)的阀门致动器连接。所述CPU可与前述的控制器和/或传感器以信号通信的关系耦合，并程序性的设置以控制每个容器相对于彼此所分配出的液体的速率、条件和量，从而使所述混合室360流出的于管线312中的掺杂气体混合物具有期望的组成、温度、压力和流速，以进行所述离子注入操作。
在图示系统300中，所述离子注入室301包括接收从管线312中分配的硅掺杂气体混合物的离子源316并产生离子束305。所述离子束305穿过质量分析仪单元322，所述质量分析仪单元322选择需要的离子并排除非选择的离子。
该选择的离子穿过加速电极阵列324，再穿过偏转电极326。所得聚焦的离子束撞击在衬底元件328上，所述衬底元件328设于安装在主轴332上的旋转夹330上。掺杂离子的离子束如期望的那样用于掺入所述衬底以形成掺杂结构。
所述离子注入室301的各个部分分别借用泵320、342和346通过管线318、340和344排空。
或者，所述离子注入室301可为适应于通过适宜的等离子体浸没处理实现将硅注入衬底的等离子体浸没室。
图2为根据本公开另一方面的另一种离子注入处理系统的示意图。图2系统就与图1中相同的组件和特征相应地编号，但是图2系统采用的各掺杂气体容器和补充气体容器以如下流动线路布置：每个容器304、362和364分别在其分配管线中具有独立的质量流量控制器314、400和402。通过该布置，来自每个单独容器的气体流动通过相关分配管线中的专用质量流量控制器进行调节，以实现在操作中各个气体可选的流速或流速比。所述各个质量流量控制器可有效地与中央处理器单元(CPU)连接，通过CPU可如需要或期望的那样调节在操作中的各个质量流量控制器，以实现所述系统的最佳操作。
在本公开更进一步的方面，所述掺杂气体首先可以含有一种或多种补充气体(即稀释和/或同种气体)的混合物的形式进行提供，其中掺杂气体和补充气体的混合物容纳在单一的供应容器中，该气体混合物可从该容器分配出来并流到所述离子注入系统的离子源。例如，在图1系统中，所述容器302可构成容纳所述硅掺杂气体和补充气体混合物的单一气体供应容器(无附加容器362和364)。
所述方法可用于以含有氢气、惰性气体或其他稀释气体的混合物的形式提供作为掺杂气体的四氟化硅，该混合物作为组合包装混合物从单一的供应容器进行提供。
作为在本公开广泛的实践中可有利使用的同位素富集的四氟化硅气体混合物的一个说明性实例，当以单一供应容器的形式提供时，所述含四氟化硅的气体组合物可包括基于所述组合物的总体积计5至35体积％的四氟化硅，且用氢气、氩气、氮气和氦气中的一种或多种进行补足，其中所述四氟化硅在至少一种天然存在的硅同位素(例如28Si)中同位素富集。
在另一方面，本公开涉及氨气作为协同气流与作为掺杂气体的四氟化硅用于增加离子注入系统中离子源寿命的用途，其中所述四氟化硅在至少一种Si同位素种类(例如28Si)中同位素富集。
当注入硅时，通过使用与四氟化硅混合的氨气作为补充气体，由氮和氢组成的氨气(NH3)将有效清除所述四氟化硅的氟。作为所述氟清除的结果，该SiF4/NH3混合物将至少部分地抑制卤素在所述离子源中的循环，所述循环由于钨晶须(tungstenwhiskers)在圆弧狭缝上的生长和/或钨在阴极和/或阳极上的沉积会导致离子源寿命的缩短。
所述氨气作为协同气流与SiF4的使用在任何类型的设置中都有效。在一个实施方案中，对氨气和四氟化硅采用分开的气体供应容器，且来自各个气体供应容器的气体共同流向所述离子源。该共同流动的气体可在穿过质量流量控制器前进行混合，或在质量流量控制器和所述离子源之间混合，或在所述离子源内混合。
或者，可提供含有任何适宜相对比例的氨气和四氟化硅的混合物的单一供应容器。
替代氨气或除氨气外，任何适宜的胺类都能同样有利的使用。
作为更进一步的替代方案，氙气可作为补充气体在分开的供应容器中进行提供。在从所述供应容器分配出去后，所述氙气可与氨气和/或四氟化硅混合。氙气也可作为补充气体在含有与氨气和/或四氟化硅混合的氙气的气体容器中进行提供。氙气在引向所述离子源的气体中的存在会通过氙气在阴极上的溅射效而改善离子源的寿命，从而可除去沉积在所述阴极上的任何过量的钨。
本公开另一方面还涉及改善的离子注入方法，其包括(基本由以下组成或由以下组成)使一种或多种同位素富集的硅掺杂材料(所述硅掺杂材料例如为甲硅烷或四氟化硅)流入离子化室以产生离子掺杂种类，从所述离子化室提取所述离子掺杂种类，选择预定的离子掺杂种类，并将该选择/期望的硅离子掺杂种类注入光电、平面、微电子或半导体的衬底中。
根据本公开期望的硅同位素的富集将增加所述同位素的丰度或浓度，而相应增加所述离子束中所述同位素的量。与采用含有更低浓度/量的相同/期望的硅同位素硅源的系统和/或方法相比，本公开继而会产生相应生产量的优势。
本公开涉及掺杂材料的有序流动，其中在所述离子源的操作过程中监控阴极偏置功率，并将该监控的阴极偏置功率用于反馈控制处理中以在输送至所述离子源的各个掺杂化合物之间进行控制/选择/变换，从而延长所述离子源或其组件的工作寿命，例如，通过在所述离子源的操作中维持预定的阴极偏置功率。所述方法可用来修理或修复所述离子源的阴极，即，使所述阴极达到再生或蚀刻的目的，根据需要以维持或以其他方式在所述离子源的操作中达到预定的阴极偏置功率。
在所述监控和受控过程中所述离子源可为任何适宜的类型，例如间热式阴极(IHC)离子源。所述方法中的阴极偏置功率可有利地用作控制不同掺杂化合物流动顺序的反馈机制，以延长所述离子源/阴极的工作寿命。
该操作离子注入系统的方法，所述离子注入系统包括维持所述离子源有效运行的位于离子源的放电室内的阴极，在一个实施方案中，所述方法包括将所述阴极与相继供应的掺杂组分接触，同时测定阴极偏置功率，且在对所测得的阴极偏置功率的响应中，调节所述相继供应的掺杂组分的至少一种，以延长所述离子源、阴极和/或所述离子源的一种或多种其他组件的工作寿命。
关于所述相继供应的掺杂组分的术语“调节”是指在对所测得的阴极偏置功率的响应中，可控制所述相继供应的掺杂组分中的至少一种的顺序、持续时间、工艺条件或掺杂组分选择，即，可选择性地变化。因此，每个掺杂组分的供应时期可彼此不同，以维持阴极偏置功率的设定值，或其中一种掺杂组分可在比另一组分高的电压下供应，或该反馈监控和控制系统可设置成以别的方式在各个掺杂组分之间进行控制/选择/变换。
在另一实施方案中，所述方法可用于将清洗剂或沉淀剂与一种或多种掺杂组分同时或相继地流过所述离子源，其中利用所述离子源的阴极偏置功率或其他功率利用变量使所述阴极达到蚀刻的目的以除去其上的沉淀，例如，如果所监控的功率利用率增加到初始或其他预定或给定值或水平以上，则通过将酸洗剂流过所述离子源而进行，和/或如果所监控的功率利用率降到初始或其他预定或给定值以下，其中利用所述离子源的阴极偏置功率或其他功率利用变量以通过将沉淀剂流过所述离子源而使阴极材料达到再生的目的。
因此，本公开涉及与同位素富集的硅掺杂组合物的利用相关的各个方面、特征和优点。
因此，应理解，本公开的组合物、工艺、方法、设备和系统能够容易地以多种多样的方式进行实施和应用，以获得离子注入系统性能的相应改善。
虽然本文中列举了关于具体的方面、特征和说明性的实施方案的公开内容，但应了解，本公开的应用并不因此而受到限制，而是其延伸并包含大量的其他变型、修饰和替换的实施方案，如基于本说明书本公开将对本领域技术人员所暗示的。相应地，下文中所保护的本发明应旨在广义地被理解和解释，其包括在其实质和范围内的所有改变、修饰和替换的实施方案。

Claims (27)

1.一种离子注入硅的方法，包括：离子化硅掺杂组合物以形成离子化的硅，并将离子化的硅与衬底接触以使硅注入衬底中，其中硅掺杂组合物包括至少一种硅化合物，所述至少一种硅化合物以28Si、29Si和30Si中的至少一种同位素富集至天然丰度以上，并且其中当硅掺杂组合物由以29Si富集的四氟化硅组成时，富集的水平在50原子％以上且最高达100原子％。
2.权利要求1所述的方法，其中硅掺杂组合物包括:(i)呈气态形式的所述硅化合物，作为硅掺杂气体，和(ii)补充气体，所述补充气体包括同种气体和稀释气体中至少一种。
3.权利要求1所述的方法，其中使用离子化设备离子化硅掺杂组合物以生成硅离子的离子束，且所述方法包括，在所述接触中，通过电场加速离子束而将硅注入所述衬底中。
4.权利要求1所述的方法，其中离子化硅在等离子体浸没处理中与衬底接触以使硅注入其中。
5.权利要求1所述的方法，其中硅掺杂组合物包括选自以下的硅化合物：四氟化硅(SiF4)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、C1-C8烷基硅烷、氟硅烷和氯硅烷。
6.权利要求5所述的方法，其中硅化合物以28Si同位素富集至天然丰度以上。
7.权利要求6所述的方法，其中硅化合物包括四氟化硅，其以28Si同位素富集至如下浓度范围：大于92.3原子％且最高达100原子％。
8.权利要求7所述的方法，其中四氟化硅为呈28Si的同型同位素。
9.权利要求2所述的方法，其中所述补充气体包括选自以下的稀释气体：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷、甲烷和氙气。
10.权利要求1所述的方法，其中掺杂气体组合物包括选自以下的气体组合：
(i)同位素富集的四氟化硅与氙气和氢气；
(ii)同位素富集的四氟化硅与甲硅烷；
(iii)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的甲硅烷；
(iv)同位素富集的四氟化硅与氩气；
(v)同位素富集的四氟化硅与乙硅烷；
(vi)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的乙硅烷；
(vii)同位素富集的四氟化硅与氢气；
(viii)同位素富集的四氟化硅与氨气；
(ix)同位素富集的四氟化硅与氨气和氙气；
(x)同位素富集的四氟化硅与氢气和氪气；
(xi)同位素富集的四氟化硅与氨气和氪气；
(xii)同位素富集的四氟化硅与氮气；
(xiii)同位素富集的四氟化硅与氮气和氙气；
(xiv)同位素富集的四氟化硅与氮气和氪气；和
(xv)同位素富集的四氟化硅与一种或多种以下气体：氢气、氮气、氨气、氙气和氩气。
11.一种用于硅的离子注入的掺杂气体组合物供应装置，所述供应装置选自：
(A)气体存储和分配容器，其容纳有硅掺杂组合物，所述硅掺杂组合物包含与补充气体混合的硅掺杂气体，所述补充气体含有稀释气体和同种气体(co-speciesgas)中的至少一种，其中硅掺杂组合物包含至少一种气态硅化合物，所述至少一种气态硅化合物以28Si、29Si和30Si中的至少一种同位素富集至天然丰度以上；和
(B)气体供应包，包括：(i)第一气体存储和分配容器，其容纳硅掺杂气体，和(ii)第二气体存储和分配容器，其容纳补充气体，所述补充气体含有稀释气体和同种气体中的至少一种，其中硅掺杂气体和——如果存在——同种气体中的至少一种以28Si、29Si和30Si中的至少一种同位素富集至天然丰度以上。
12.根据权利要求11所述的掺杂气体组合物供应装置，包括选自以下的硅化合物：四氟化硅(SiF4)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、C1-C8烷基硅烷、氟硅烷和氯硅烷。
13.根据权利要求12所述的掺杂气体组合供应装置，其中所述硅化合物以28Si同位素富集至天然丰度以上。
14.根据权利要求13所述的掺杂气体组合物供应装置，其中所述硅化合物包括四氟化硅，其以28Si同位素富集至如下浓度范围为：大于92.3原子％且最高达100原子％。
15.根据权利要求14所述的掺杂气体组合物供应装置，其中所述四氟化硅为呈28Si的同型同位素。
16.根据权利要求11所述的掺杂气体组合物供应装置，其中所述补充气体包括选自以下的稀释气体：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷、甲烷和氙气。
17.根据权利要求11所述的掺杂气体组合物供应装置，其中掺杂气体组合物包括选自以下的气体组合：
(i)同位素富集的四氟化硅与氙气和氢气；
(ii)同位素富集的四氟化硅与甲硅烷；
(iii)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的甲硅烷；
(iv)同位素富集的四氟化硅与氩气；
(v)同位素富集的四氟化硅与乙硅烷；
(vi)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的乙硅烷；
(vii)同位素富集的四氟化硅与氢气；
(viii)同位素富集的四氟化硅与氨气；
(ix)同位素富集的四氟化硅与氨气和氙气；
(x)同位素富集的四氟化硅与氢气和氪气；
(xi)同位素富集的四氟化硅与氨气和氪气；
(xii)同位素富集的四氟化硅与氮气；
(xiii)同位素富集的四氟化硅与氮气和氙气；
(xiv)同位素富集的四氟化硅与氮气和氪气；和
(xv)同位素富集的四氟化硅与一种或多种以下的气体：氢气、氮气、氨气、氙气和氩气。
18.根据权利要求11(A)所述的掺杂气体组合物供应装置。
19.根据权利要求11(B)所述的掺杂气体组合物供应装置。
20.一种离子注入系统，包括离子注入机，其与掺杂气体组合物供应装置以气体接收流连接的方式布置。
21.权利要求20所述的离子注入系统，其中离子注入机可用于：
(A)离子化来自所述掺杂气体组合物供应装置的硅掺杂组合物并形成离子化的硅，然后使离子化的硅与衬底接触以使硅注入衬底中；和
(B)(i)产生离子化的硅的离子束，并通过电场加速离子束至衬底以使硅注入衬底中，或(ii)进行等离子体浸没处理以使硅注入衬底中。
22.一种提高离子注入系统操作的方法，包括在离子注入系统中使用根据权利要求11所述的掺杂气体组合物供应装置。
23.权利要求22所述的方法，其中掺杂气体组合物供应装置包括选自以下的硅化合物：四氟化硅(SiF4)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、C1-C8烷基硅烷、氟硅烷和氯硅烷。
24.权利要求23所述的方法，其中硅化合物包括四氟化硅(SiF4)，其以28Si同位素富集至天然丰度以上，且浓度范围为大于92.3原子％且最高达100原子％。
25.权利要求24所述的方法，其中四氟化硅为呈28Si的同型同位素。
26.权利要求22所述的方法，其中补充气体包括选自以下的稀释气体：氩气、氢气、氟气、氪气、氖气、氦气、氨气、胺、水、磷化氢、砷化氢、锗烷、硒化氢、硫化氢、氮气、氧气、一氧化碳、二氟化氙、乙硼烷、甲烷和氙气。
27.权利要求22所述的方法，其中掺杂气体组合物包括选自以下的气体组合：
(i)同位素富集的四氟化硅与氙气和氢气；
(ii)同位素富集的四氟化硅与甲硅烷；
(iii)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的甲硅烷；
(iv)同位素富集的四氟化硅与氩气；
(v)同位素富集的四氟化硅与乙硅烷；
(vi)同位素富集的四氟化硅和同位素富集的乙硅烷；
(vii)同位素富集的四氟化硅与氢气；
(viii)同位素富集的四氟化硅与氨气；
(ix)同位素富集的四氟化硅与氨气和氙气；
(x)同位素富集的四氟化硅与氢气和氪气；
(xi)同位素富集的四氟化硅与氨气和氪气；
(xii)同位素富集的四氟化硅与氮气；
(xiii)同位素富集的四氟化硅与氮气和氙气；
(xiv)同位素富集的四氟化硅与氮气和氪气；和
(xv)同位素富集的四氟化硅与一种或多种以下的气体：氢气、氮气、氨气、氙气和氩气。
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