CN110379698A - 一种具有双离化室的离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双离化室的离子源，包括第一离化室、第一吸极、第二离化室、第二吸极和抑制极；其中第一吸极位于第一离化室和第二离化室中间，第二吸极位于第二离化室和抑制极之间；所述气体输入至第一离化室被离化为初步等离子体，所述初步等离子体被第一吸极吸出并传输至第二离化室，所述初步等离子体在第二离化室中被离化为多价等离子体，所述多价等离子体被第二吸极吸出并传输至抑制极。本发明提供的一种具有双离化室的离子源，第一离化室将气体分子初步离化，第二离化室将初步等离子体进一步离化为多价等离子体，从而提高了离子源中多电荷离子的数量，提高了离子束流上限。

Description

一种具有双离化室的离子源

技术领域

本发明涉及离子注入技术领域，具体涉及一种具有双离化室的离子源。

背景技术

随着工艺节点的缩小，离子注入技术由于在掺杂浓度，掺杂尺寸和掺杂角度的可控性方面展示出巨大优势，已经逐渐取代扩散工艺，成为集成电路制造过程中必不可少的设备。

离子注入技术将气体分子离化为离子，然后通过加速系统将离子加速到目标能量，最后注入到硅片表面。其中通过控制离子能量大小以控制注入深度，通过控制束流大小以控制注入时间和注入剂量。在元素相同的条件下，离子能量越大则注入越深，离子束流越大则注入时间越小或相同注入时间下，注入剂量越大。离子束流的增大可有效缩短注入时间、提高生产效率。

离子注入设备主要结构有：离子源系统、磁分析器、加速系统、聚焦系统、扫描系统、偏转系统、靶室等。气体在进入离子源系统后，被离子源内部具有一定能量的电子撞击。气体分子周围的电子被撞击出从而分子离化成为离子状态。离子被离子源旁边的吸极吸出，成为离子束流。在经过磁分析器时，特定荷质比的离子被筛选，从而实现纯化束流的目的。纯净的束流在经过加速系统时被加速，通过调整加速系统的特定参数，从而实现将束流加速到特定能量的目的。由于束流为带正电的离子，同性电荷相互排斥，因此束流倾向于发散，因此在束流行进过程中需要添加聚焦系统，以实现对束线形状调整的目的。形状调整后的束流通过扫描和偏转系统，将束线调整为特定的宽度和角度。最后，在靶室位置将离子注入到硅片表面。

离子注入机中离子源决定气体分子的离化率，从而影响其最终束流大小。现有技术中离子源如附图1所述，包括离化室110、吸极130和抑制极140，离化室中气体分子与上下极板之间的电子碰撞，形成等离子体113，吸极的电压小于离化室电压，等离子体被吸极130吸出形成离子束120，离子束120经过吸极130达到抑制极140中，抑制极140接地，抑制极中的离子束再进入离子注入机的磁分析器中进行筛选。

其中，为了提高气体分子在离子源中的离化率，目前主要的做法是：(1)通过将离化室110中上极板设置为反射极板111，将电子反射回腔室，以增大电子和气体分子的碰撞机率；(2)在离化室110中加磁场，利用电子在磁场中的偏转运动增大电子运动路径，提高和气体分子的碰撞率；(3)将离化室中上极板111和下极板112设置为上下双灯丝结构，以提高离化室中电子数量，从而提高和气体分子的碰撞机率。上述方法极大的提高了气体离化率。但提高碰撞机率的同时，也降低了电子的自由程。自由程小的电子无法获得足够的能量使气体分子离化为二价、三价甚至更高价态。

离子注入机分为高电流、中电流和高能三种机型。其中高能离子注入机虽然其束流具有的能量很高，但是由于离化室中无法有效碰撞出高价态离子，因此高能离子注入机其束流很小。以某型号高能离子注入机为例，其在高能状态下，最大束流小于100μA。低的束流导致高能离子注入机的生产效率受限。因此有必要寻找新的方法提高束流大小。根据上文分析，提高高能离子注入机束流大小的关键是提高多电荷离子的产量即提高气体分子多电荷的离化率。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有双离化室的离子源，第一离化室将气体分子初步离化，第二离化室将初步等离子体进一步离化为多价等离子体，从而提高了离子源中多电荷离子的数量，提高了离子束流上限。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有双离化室的离子源，包括第一离化室、第一吸极、第二离化室、第二吸极和抑制极；其中第一吸极位于第一离化室和第二离化室中间，第二吸极位于第二离化室和抑制极之间；

所述第一吸极的电压低于第一离化室的电压，所述第二离化室的电压高于第一吸极和第二吸极的电压，所述抑制极接地；

气体输入至第一离化室被离化为初步等离子体，所述初步等离子体被第一吸极吸出并传输至第二离化室，所述初步等离子体在第二离化室中被离化为多价等离子体，所述多价等离子体被第二吸极吸出并传输至抑制极。

进一步地，所述第一离化室包括上极板Ⅰ、下极板Ⅰ和磁场产生器Ⅰ，所述气体输入至第一离化室中，与所述上极板Ⅰ和下极板Ⅰ之间的电子碰撞，离化成初步等离子体。

进一步地，所述第二离化室的电压高于所述第一离化室的电压。

进一步地，所述第一离化室中离化电压为30-200V，离化电流为0.1-20A，磁场产生器Ⅰ产生的磁场电流为0.1-20A。

进一步地，所述下极板Ⅰ为灯丝结构。

进一步地，所述上极板Ⅰ为灯丝结构或反射极板结构。

进一步地，所述第二离化室包括上极板Ⅱ、下极板Ⅱ和磁场产生器Ⅱ，所述初步等离子体与所述上极板Ⅱ和下极板Ⅱ之间的电子碰撞，离化成多价等离子体。

进一步地，所述第二离化室中离化电压为30-200V，离化电流为0.1-20A，磁场产生器Ⅱ产生的磁场电流为0.1-20A。

进一步地，所述下极板Ⅱ为灯丝结构。

进一步地，所述上极板Ⅱ为灯丝结构或反射极板结构或相对于下极板为正压的极板。

本发明的有益效果为：本发明中第一离化室将气体分子初步离化，得到初步等离子体，其中，初步等离子体大部分为一价离子，第二离化室将初步等离子体进一步离化为多价等离子体，其中，多价等离子体大多为二价离子、三价离子等；本发明提高了离子源中多电荷离子的数量，提高了离子束流上线；尤其是对于高能离子注入设备，离子束流上限的提高可极大提高离子注入机生产效率，从而创造更多的经济效率。

附图说明

附图1为现有技术中离子源的示意图；

附图2为本发明具有双离化室的离子源示意图。

附图3为现有技术与本发明具体实施例1中不同价态砷离子数量对比图。

图中：310 第一离化室，311 上极板Ⅰ，312 初步等离子体，313 下极板Ⅰ，320 第一吸极，330 初步离子束，340 第二离化室，341 多价等离子体，342 下极板Ⅱ，343 上极板Ⅱ，350 多价离子束，360 第二吸极，370 抑制极，380 离子源的电压变化示意。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图2所示，本发明提供的一种具有双离化室的离子源，包括第一离化室310、第一吸极320、第二离化室340、第二吸极360和抑制极370；其中第一吸极位于第一离化室和第二离化室中间，第二吸极位于第二离化室和抑制极之间。第一吸极的电压低于第一离化室的电压，第二离化室的电压高于第一吸极的电压，第二吸极的电压低于第二离化室的电压，抑制极接地。气体输入至第一离化室被离化为初步等离子体，初步等离子体被第一吸极吸出并传输至第二离化室，初步等离子体在第二离化室中被离化为多价等离子体，多价等离子体被第二吸极吸出并传输至抑制极，抑制极中的离子束再进入离子注入机的磁分析器中进行筛选。本发明中第一离化室的电压指的是第一离化室中的离化电压，第二离化室的电压指的是第二离化室的离化电压，其中离化电压也称弧电压，目的是对离化室中的电子增速以提高和气体或者初步等离子体的碰撞效率。

请继续参阅附图2，第一离化室310内部包括上极板Ⅰ311、下极板Ⅰ313和磁场产生器Ⅰ(图中未显示)；磁场产生器Ⅰ用于在第一离化室中产生磁场，以增加电子运动路径，上极板Ⅰ311可以是灯丝结构，也可以是反射极板结构，下极板Ⅰ313为灯丝结构。上极板Ⅰ为灯丝结构时可以产生电子，以促进气体离化；上极板Ⅰ为反射极板时可反射电子，以增加电子寿命的形式促进气体离化。气体在第一离化室310中被上极板Ⅰ311和下极板Ⅰ313发射或反射的电子碰撞，离化成初步等离子体312。第一离化室的主要作用是将气体分子初步离化，获得大量一价离子，其中可能有极少量二价甚至多价离子。值得说明的是，本发明中第一离化室中上极板Ⅰ和下极板Ⅰ可以互换，即上极板Ⅰ为灯丝结构，下极板Ⅰ可以是灯丝结构，也可以是反射极板结构，上极板Ⅰ和下极板Ⅰ只需设置在第一离化室的两端即可，互换之后并不会影响第一离化室的离化效果。具体离化过程中，在第一离化室310中，注入一定流量(例如为0.1-5.0ccm)的气体。第一离化室310中上极板Ⅰ311和下极板Ⅰ313的阴极射线管电压为50-500V，电流为0.1-20A；第一离化室310中磁场电流为0.1-20A，离化电压为30-200V，离化电流为0.1-20A。在上述参数条件下，第一离化室310中气体分子初步离化为初步等离子体，其中初步等离子体含有大部分的一价离子，少量的二价离子，极微量的三价甚至四价离子。其中，磁场电流用来表示磁场产生器Ⅰ产生的磁场大小，该磁场用于增加第一离化室中电子运动路径。上极板Ⅰ和下极板Ⅰ的射线管电压为射线管内部的电压，其目的是对灯丝产生的热电子加速，从而轰击阴极射线管产生辐射电子，只有当上极板Ⅰ为灯丝结构时，其才具有射线管电压，当上极板Ⅰ为反射极板结构时，其不具有射线管电压。

第一吸极320电压低于第一离化室电压，由于第一吸极320和第一离化室310之间的电压差作用，第一离化室中初步等离子体312被吸极吸出形成初步离子束330，初步离子束330在第一吸极320和第一离化室310之间为加速运动状态。第二离化室340电压高于第一吸极320电压，由于第一吸极320和第二离化室340之间的电压差作用，导致初步离子束330在第一吸极320和第二离化室340之间处于减速状态。初步离子束330到达第二离化室340时的速度由第一离化室310和第二离化室340之间的电压差决定。具体的第一吸极可以为现有技术中的吸极。

具体离化过程中，第一吸极的电压要小于第一离化室的电压，即第一吸极相对于第一离化室的电压为负，具体可以设定第一吸极320相对第一离化室的电压为-30V至-120kV，由于第一吸极320和第一离化室310之间的电压差，第一离化室310中初步等离子体被吸出。

第二离化室340包括上极板Ⅱ343、下极板Ⅱ342和磁场产生器Ⅱ，磁场产生器Ⅱ在第二离化室中产生磁场以增加电子运动路径。上极板343Ⅱ可以是灯丝结构，也可以是反射极板结构，还可以是相对下极板Ⅱ342为正压的极板；下极板Ⅱ342为灯丝结构。当上极板Ⅱ343为灯丝结构时可以产生电子，以促进初步等离子体进一步离化；上极板Ⅱ343为反射极板时可反射电子，以增加电子寿命的形式促进初步等离子体进一步离化；上极板Ⅱ343相对下极板342为正压时，通过电压差作用使电子加速运动，从而提高初步等离子体进一步离化的机率。初步离子束330在进入第二离化室340后，第二离化室340中的加速电子对初步等离子体进一步碰撞，实现将一价离子进一步离化为二价、三价甚至四价的目的。最终在第二离化室340中，获得多价等离子体341。值得说明的是，本发明中第二离化室中上极板Ⅱ和下极板Ⅱ可以互换，即上极板Ⅱ为灯丝结构，下极板Ⅱ可以是灯丝结构，也可以是反射极板结构，还可以是相对下极板Ⅱ为正压的极板，上极板Ⅱ和下极板Ⅱ只需设置在第二离化室的两端即可，互换之后并不会影响第二离化室的离化效果。

具体离化过程中，第二离化室340中上极板Ⅱ343和下极板Ⅱ灯丝342的阴极射线管电压为100-500V，电流为0.1-20A；第二离化室340中磁场电流为0.1-20A，离化电压为30-200V，离化电流为0.1-20A。在上述参数条件下，第二离化室340和第一吸极320之间形成电压差，使初步离子束330在第二离化室340和第一吸极320之间减速。初步离子束330进入第二离化室340中，被其中电子进一步离化成高价态离子，即多价等离子体。

其中，本发明中第一离化室310和第二离化室340之间电压可以相等，也可以不等。最终形成的高价态离子束350可能是二价离子束、三价离子束或者四价离子束，不仅仅包括附图2中显示的二价离子束。为了使得第二离化室中更好地形成高价态离子束，可以合理设置第二离化室的离化电压，在高的离化电压下，可以促使第二离化室更好地离化出高价态离子。

第二吸极360在第二离化室340后，第二吸极360电压低于第二离化室340电压。由于第二吸极360和第二离化室340之间的电压差作用，第二离化室中多价等离子体360被第二吸极吸出形成多价离子束350。多价离子束350在第二吸极360和第二离化室340之间为加速运动状态。第二吸极的电压需要小于第二离化室的电压，即第二吸极相对于第二离化室的电压为负；具体可以设定第二吸极360相对第二离化室的电压为-10V至-120kV。由于第二吸极360和第二离化室340之间的电压差，第二离化室340中多价等离子体341被吸出，形成多价离子束350。

抑制极370在第二吸极360之后，抑制极370处于接地状态，其电压为0，但相对第二吸极360电压为正(第二吸极的电压优选为负)。离子束350在抑制极370和第二吸极360之间处于减速状态。其中，第一离化室、第一吸极、第二离化室、第二吸极和抑制极之间的电压变化可以参阅附图2中380部分。值得注意的是，第一吸极和第二吸极的电压只需确保相对于第一离化室和第二离化室为负即可，优选为负电压。

气体分子经过两个离化室和两个吸极之后，形成多价离子束。具体价态离子的筛选工作由离子注入机的磁分析器部分筛选。第一离化室310、第一吸极320、第二离化室340、第二吸极360和抑制极370之间电压示意图见图2的380。

以下结合实施例1对本发明离化过程做进一步解释说明：

实施例1

在第一离化室310中，注入流量为0.8ccm的AsH₃气体。第一离化室310中上极板Ⅰ311和下极板Ⅰ312的阴极射线管电压为380V，电流为1.6A。第一离化室310中磁场电流为7.1A，离化电压为100V，离化电流为4.4A。第一离化室310中AsH₃气体分子初步离化为初步等离子体312，其中含有大部分的一价离子As⁺，少量的二价离子As⁺⁺。

第一吸极320相对第一离化室的电压为-0.3kV，由于第一吸极320和第一离化室310之间的电压差，第一离化室310中初步等离子体被吸出。

第二离化室340中下极板Ⅱ342和上极板Ⅱ343的阴极射线管电压为380V，电流为1.6A。第二离化室340中磁场电流为7.1A。离化电压为130V，离化电流为4.5A。初步等离子体进入第二离化室340后，被其中电子进一步离化成多价等离子体As⁺⁺、As⁺⁺⁺等等。本实施例中第二离化室的电压130V高于第一离化室的电压100V，使得第二离化室中多价等离子体的产率更好。

第二吸极360相对第二离化室的电压为-60kV。由于第二吸极360和第二离化室340之间的电压差，第二离化室340中多价离子341被吸出，形成多价离子束350。

如附图3所示，现有技术中离子源产生的等离子体大多为一价离子，而本发明中含有双离化室的离子源产生的等离子体中含有较多的二价、三价离子，甚至是附图3中未显示的四价离子。

本发明中第一离化室将气体分子初步离化，得到初步等离子体，其中，初步等离子体大部分为一价离子，第二离化室将初步等离子体进一步离化为多价等离子体，其中，多价等离子体大多为二价离子、三价离子等；本发明提高了离子源中多电荷离子的数量，提高了离子束流上限；尤其是对于高能离子注入设备，离子束流上限的提高可极大提高离子注入机生产效率，从而创造更多的经济效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有双离化室的离子源，其特征在于，包括第一离化室、第一吸极、第二离化室、第二吸极和抑制极；其中第一吸极位于第一离化室和第二离化室中间，第二吸极位于第二离化室和抑制极之间；

所述第一吸极的电压低于第一离化室的电压，所述第二离化室的电压高于第一吸极和第二吸极的电压，所述抑制极接地；

气体输入至第一离化室被离化为初步等离子体，所述初步等离子体被第一吸极吸出并传输至第二离化室，所述初步等离子体在第二离化室中被离化为多价等离子体，所述多价等离子体被第二吸极吸出并传输至抑制极。

2.根据权利要求1所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述第二离化室的电压高于所述第一离化室的电压。

3.根据权利要求1所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述第一离化室包括上极板Ⅰ、下极板Ⅰ和磁场产生器Ⅰ，所述气体输入至第一离化室中，与所述上极板Ⅰ和下极板Ⅰ之间的电子碰撞，离化成初步等离子体。

4.根据权利要求3所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述第一离化室中离化电压为30-200V，离化电流为0.1-20A，磁场产生器Ⅰ产生的磁场电流为0.1-20A。

5.根据权利要求3所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述下极板Ⅰ为灯丝结构。

6.根据权利要求5所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述上极板Ⅰ为灯丝结构或反射极板结构。

7.根据权利要求1所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述第二离化室包括上极板Ⅱ、下极板Ⅱ和磁场产生器Ⅱ，所述初步等离子体与所述上极板Ⅱ和下极板Ⅱ之间的电子碰撞，离化成多价等离子体。

8.根据权利要求7所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述第二离化室中离化电压为30-200V，离化电流为0.1-20A，磁场产生器Ⅱ产生的磁场电流为0.1-20A。

9.根据权利要求7所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述下极板Ⅱ为灯丝结构。

10.根据权利要求9所述的一种具有双离化室的离子源，其特征在于，所述上极板Ⅱ为灯丝结构或反射极板结构或相对于下极板为正压的极板。