離子注入技術(shù)

1、離子注入技術(shù)摘要離子注入技術(shù)是當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)對半導(dǎo)體進(jìn)展摻雜的最主要方法。本文從對該技術(shù)的根本原理、根本儀器結(jié)構(gòu)以與一些具體工藝等角度做了較為詳細(xì)的介 紹，同時介紹了該技術(shù)的一些新的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵字離子注入技術(shù)半導(dǎo)體摻雜1緒論離子注入技術(shù)提出于上世紀(jì)五十年代， 剛提出時是應(yīng)用在原子物理和核物理 究領(lǐng)域。后來，隨著工藝的成熟，在 1970年左右，這種技術(shù)被引進(jìn)半導(dǎo)體制造 行業(yè)。離子注入技術(shù)有很多傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點，比如：是加工溫度低，易 做淺結(jié)，大面積注入雜質(zhì)仍能保證均勻，摻雜種類廣泛，并且易于自動化。離子注入技術(shù)的應(yīng)用，大大地推動了半導(dǎo)體器件和集成電路工業(yè)的開展，從 而使集成電路的生產(chǎn)進(jìn)入

2、了大規(guī)模與超大規(guī)模時代ULSI。由此看來，這種技術(shù)的重要性不言而喻。因此，了解這種技術(shù)進(jìn)展在半導(dǎo)體制造行業(yè)以與其他新興 領(lǐng)域的應(yīng)用是十分必要的。2根本原理和根本結(jié)構(gòu)2.1根本原理離子注入是對半導(dǎo)體進(jìn)展摻雜的一種方法。 它是將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成 離子束，在電場中加速而獲得極高的動能后，注入到硅中而實現(xiàn)摻雜。離子具體的注入過程是：入射離子與半導(dǎo)體靶的原子核和電子不斷發(fā)生 碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過一段曲折路徑的運(yùn)動后，因動能耗盡而停止在某處。在這一過程中，涉與到“離子射程、“等幾個問題，下面來具體分 析。2.1.1離子射程圖2.1.1 a是離子射入硅中路線的模型圖。其中，把離子從入射點到

3、靜止點所通過的總路程稱為射程；射程的平均值，記為 R，簡稱平均射程；射程在入射方向 上的投影長度，記為xp,簡稱投影射程；投影射程的平均值，記為 Rp，簡稱平均 投影射程。入射離子能量損失是由于離子受到核阻擋與電子阻擋。定義在位移x處這兩種能量損失率分別為Sn和Se:dEn1dxSe專 ke'E2如此在dx內(nèi)總的能量損失為:dE dEn dEe (Sn Se)dx3RpRpo dx0 dE eo dE dx0 dEE0S. Se4圖2.1.1b離子總能量損失率數(shù)值計算曲線Sn的計算比擬復(fù)雜，而 且無法得到解析形式的結(jié) 果。圖2.1.1(b)是數(shù)值計算 得到的曲線形式的結(jié)果。Se 的計算

4、較簡單，離子受電子 的阻力正比于離子的速度。左圖中，EE2時，&SeXp圖2.1.1 cSn > Se時離子路徑圖2.1.1 dSn < Se時離子路徑討論：當(dāng)入射離子的初始能量E0小于E2所對應(yīng)的能量值時，SnSe，以核阻擋為主，此時散射角較大，離子運(yùn)動方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。如圖 2.1.1c。(2)當(dāng)E。遠(yuǎn)大于E2所對應(yīng)的能量值時，SnSe,以電子阻擋為主，此時散射角較小，離子近似作直線運(yùn)動，射程分布較集中。隨著離子能量的降低，逐漸過 渡到以核阻擋為主，離子射程的末端局部又變成為折線。如圖2.1.1 d2.2根本結(jié)構(gòu)離子注入機(jī)總體上分為七個主要的局部，分別

5、是：離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有BF3、AsH3和PH3等。質(zhì)量分析器:加速器: 中性束偏移器: 聚焦系統(tǒng)： 偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng):不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉(zhuǎn) 的角度不同，由此可別離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純< 為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子 注入深度的一個重要參量。利用偏移電極和偏移角度別離中性原子。用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。用來實現(xiàn)離子束x、y方向的一定面積內(nèi)進(jìn)展掃描。工作室:放置樣品的地方，其位置可調(diào)質(zhì)量加速卑當(dāng)冬 分析氣越偏移器掃轄統(tǒng)工作室L _(一焦統(tǒng) 聚系抽真空離子源離子注入系統(tǒng)示意圖2.2.1

6、 離子源根據(jù)離子源的類型分類，可以將其分為兩類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬 離子源LMIS其中，掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源， 其典型的有效源尺寸為100 m,亮度為10 100 A/cm2.sr。而聚焦方式如此需 要高亮度小束斑離子源，當(dāng)液態(tài)金屬離子源LMIS出現(xiàn)后才得以順利開展。LMIS 的典型有效源尺寸為5 500nm，亮度為106 107 A/cm2.sr。液態(tài)金屬離子源是近幾年開展起來的一種高亮度小束斑的離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成納米量級的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù) 得以實現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離 子束曝光、刻蝕等。工作

7、原理：E1是主高壓，即離子束的加速電壓；E2是針尖與引出極之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針 尖外表上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引 出；E3是加熱器電源。Z.針尖的曲率半徑為ro= 1 5 m,改變E2可以調(diào)節(jié)針尖與引出極之間的電場， 使 液態(tài)金屬在針尖處形成一個圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃絻H有10 nm的數(shù)量級，這就是LMIS能產(chǎn)生小束斑離子圖液態(tài)金屬離子源工作示意圖束的關(guān)引出極鍵。當(dāng)E2增大到使電場超過液態(tài)金屬的場蒸發(fā)值Ga的場蒸發(fā)值為時，液態(tài) 金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場蒸發(fā)與場電離， 發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極 排斥，而金屬離子如此被引出極拉出，形成離子束。假如改變 E2的極性，如此 可排斥離子而拉出

8、電子，使這種源改變成電子束源。質(zhì)量分析系統(tǒng)質(zhì)量分析系統(tǒng)分為兩種，E B質(zhì)量分析器和磁質(zhì)量分析器。本文進(jìn)分析E B質(zhì)量分析器。由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E與B的方向相互垂直。它由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E與B的方向相互垂直。圖E B質(zhì)量分析器原理圖FeFmqE q£( j),d> ' “qv B qvB(j)(5)(6)由qVa-mv2 得 v2i2qVa 2-，代入Fm，得:mFmq(2q/a)2B(j)m 5 / io當(dāng)時FeFm，即當(dāng)qVdd2qVam2qB時，離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的荷質(zhì)比qo為qVf2m 2d2B2Va(8)對

9、于某種荷質(zhì)比為qo的所需離子，可通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓 Vf或偏轉(zhuǎn)磁場B ,使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過光闌1Vf dB(2q°Va)2 或 BVfd(2q°Va)2(9)當(dāng)荷質(zhì)比為qo的離子不被偏轉(zhuǎn)時，具有荷質(zhì)比為qs q/ms的其它離子的偏轉(zhuǎn)量Db為:Db1B 2qsVa 2LVaLdLfVa(10)將前面的B的表達(dá)式：(11)Vfd(2q°Va)7代入Db，得:DbVfLf .Vd Ldqs qo1 (12)討論(1)為屏蔽荷質(zhì)比為qs的離子，光闌半徑D必須滿足:玉1 q。(13)(2)假如D固定，如此具有如下荷質(zhì)比的離子可被屏蔽qsq。1G或qsq

10、。12DG(14)而滿足如下荷質(zhì)比的離子均可通過光闌：22q。1Dqsq。1D(15)GG以上各式可用于評價EB質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。4離子注入技術(shù)的優(yōu)缺點與其應(yīng)用sio,si擴(kuò)散摻雜區(qū)摻雜區(qū)離子注入結(jié)深度結(jié)深度關(guān)于離子注入和傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝的比擬，我們可以通過下表直觀看出來:擴(kuò)散離子注入工作溫度高溫，硬掩膜900 1200 °C低溫，光刻膠掩膜 室溫或低于400 C各向同/異性各向同性各向異性可控性不能獨(dú)立控制結(jié)深和濃度可以獨(dú)立控制結(jié)深和濃度 可控性好，離子注入能準(zhǔn)確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深； 可以獲得任意的摻雜濃度分布； 注入溫度低，一般不超過

11、400 C,退火溫度也在650 C左右，防止了高溫過程帶來的不利影響，如結(jié)的推移、熱缺陷、硅片的變形等； 結(jié)面比擬平坦； 工藝靈活，可以穿透外表薄膜注入到下面的襯底中， 也可以采用多種材料作掩蔽膜，如SiO2、金屬膜或光刻膠等； 均勻性和重復(fù)性好； 橫向擴(kuò)展小，有利于提高集成電路的集成度、提高器件和集成電路的工作頻率； 可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術(shù)； 擴(kuò)大了雜質(zhì)的選擇X圍； 離子注入中通過質(zhì)量分析器選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。缺點： 離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷； 離子注入難以獲得很深的結(jié)深； 離子注入的生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝

12、低； 離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。4.3離子注入技術(shù)的應(yīng)用離子注入機(jī)主要應(yīng)用在半導(dǎo)體行業(yè)和金屬材料制造業(yè)。在前者中，由于該技 術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。 而在后者中，該技術(shù)大大改善了 金屬材料的外表性能，提高了其抗腐蝕、耐磨、潤滑等性能。目前全球最大的幾家離子注入機(jī)設(shè)備廠商是 VARIAN瓦里安，AXCELIS , AIBT漢辰科技,而全球最大的設(shè)備廠商 AMAT應(yīng)用材料根本退出了離 子注入機(jī)的制造領(lǐng)域，高能離子注入機(jī)以 AXCELIS為主，主要為批量注入。433 離子注入機(jī)實例離子注入機(jī)一般根據(jù)其束流大小分為中束流、大束流和高強(qiáng)度三種類型，其 中前兩類應(yīng)用較為廣泛。中束流譏量級的機(jī)

13、型有350D、NV6200A、NV10-80, 而大束流mA 量級的機(jī)型有 NV10-160、NV10-160SD、NV10-180。下面給出了 GSD/200E2離子注入機(jī)技術(shù)指標(biāo)。離子束能量分類：80KeV 形式：2 - 80KeV也可選 90KeV160KeV 形式：5 T60KeV（也可選 180KeV）表433 a80KeV注入機(jī)的最大束流能量(KeV)lB ( mA )BF/ ( niA )兀AS ( mA )3P (臥)2LO54.53. 52210L018 7620108121030108. 5202040-8010920209092020表433 b160KeV注入機(jī)的最大束流能量(KeV)flB ( mA )BF； ( mA )rflAS (mA )3 P ( mA )53+ 52L 5L 510r s. s715r e20981010309&弓202040-8099202090 160(180)992020可以看出，最大束流強(qiáng)度隨著離子能量的增加而變大，但當(dāng)增大到一定值時 如此停止增加，這說明束流強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到飽和。5總結(jié)根本結(jié)構(gòu)以與一些應(yīng)用的介紹，我們可以半導(dǎo)體摻雜仍是未來電子技術(shù)開