[发明专利]提高离子注入纯度的电弧腔及离子注入方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种提高离子注入纯度的电弧腔及离子注入方法。

背景技术

一直以来，包括图像处理装置在内的半导体制造工艺中，通过控制掺杂离子浓度，采用离子注入设备以离子注入方式形成掺杂层是重要工艺之一，离子注入设备包括产生等离子体的电弧腔以及加速等离子体的加速腔；通常离子注入工艺包括采用电弧腔产生等离子体，等离子体在加速腔被加速形成离子束流然后注入到晶圆中。电弧腔中产生等离子体的过程包括：在电压作用下电弧腔的灯丝产生原初电子(primary ions)，同时向电弧腔中通入掺杂气体，在电弧腔的电场作用下热电子与掺杂气体原子发生碰撞，使掺杂气体原子产生解离形成离子，不断的碰撞与电离，从而形成等离子体。然而，在此过程中，电弧腔以及电弧腔壁中会产生不需要的金属离子和金属分子离子(molecular ions)，这些不需要的离子将导致诸如图像处理器所形成的图像中出现白斑问题；此外，这些金属离子和金属分子离子会混入离子束流中，降低在晶圆中离子注入的纯度，影响产品的性能。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供采用具有施主能级的材料作为阴极发射极，其发射出二次电子，利用二次电子来激发掺杂气体发生解离而产生离子。

为了达到上述目的，本发明提供了一种提高离子注入纯度的电弧腔，包括用于产生原初电子的灯丝、阴极、阳极和供气管道，供气管道向电弧腔中通入反应气体，灯丝发出原初电子入射到阴极中；在加热条件下，所述阴极受到原初电子的轰击产生二次电子，二次电子在阳极和阴极的电场作用下轰击反应气体，使反应气体电离产生等离子体；所述阴极的材料具有至少一种施主能级。

优选地，所述阴极的材料包括具有一种施主能级的材料、具有二种施主能级的材料和具有三种以上施主能级的材料的任意两种。

优选地，所述阴极包括第一二次电子发射区域以及位于第一二次电子发射区域的顶部和底部的阴极边缘区域的第二二次电子发射区域；所述第二二次电子发射区域的材料的电阻率大于所述第一二次电子发射区域的材料的电阻率，使得所述第二二次电子发射区域发出的第二二次电子的电势能高于所述第一二次电子发射区发出的第一二次电子的电势能。

优选地，所述第二二次电子发射区域的宽度为所述第一二次电子发射区域的宽度的20～30％。

优选地，所述阴极还具有第三二次电子发射区域；第三二次电子发射区域位于所述阴极边缘区域且将所述第一二次电子发射区域包围，所述第三二次电子发射区域与所述第二二次电子发射区域具有重叠区域，所述第三二次电子发射区域发出第三二次电子。

优选地，所述灯丝包括灯丝芯和环绕灯丝芯周围的灯丝圈，所述灯丝芯和所述灯丝圈均用于发射出原初电子；所述第二二次电子发射区域连续环绕所述第一二次电子发射区域设置，所述灯丝芯对应所述第一二次电子发射区域设置，所述灯丝圈对应所述第二二次电子发射区和所述第三二次电子发射区域，从而使所述第一二次电子发射区域发射出第一二次电子，第二二次电子发射区域发射出第二二次电子，第三二次电子发射区发射出第三二次电子。

优选地，所述第二二次电子发射区域的材料的电阻率为所述第一二次电子发射区域的材料的电阻率的2～1000倍。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种离子注入方法，包括生成等离子体，然后对等离子体加速后使等离子体投射到晶圆上；其采用上述的电弧腔来生成等离子体。

优选地，所述阴极包括第一二次电子发射区域以及位于第一二次电子发射区域顶部和底部的阴极边缘区域的第二二次电子发射区域；所述第二二次电子发射区域的材料的电阻率大于所述第一二次电子发射区域的材料的电阻率，使得所述第二二次电子发射区域发出的第二二次电子的电势能高于所述第一二次电子发射区发出的第一二次电子的电势能；采用权利要求1所述的电弧腔来生成等离子体的过程具体包括：

步骤01：开启灯丝，灯丝产生原初电子；

步骤02：在原初电子激发下，第一二次电子发射区发射出第一二次电子，以及第二二次电极发射区发射出第二二次电子；其中，第二二次电子的电势能高于第一二次电子的电势能；

步骤03：向电弧腔中通入反应气体，在阴极和阳极之间施加电压，在第一二次电子区域和阳极之间的区域中第一二次电子激发反应气体生成第一等离子体，在第二二次电子区域和阳极之间的区域中第二二次电子激发反应气体生成第二等离子体；其中，第二二次电子对反应气体的解离速度大于第一二次电子对反应气体的解离速度，且第二等离子体的密度高于第一等离子体的密度。