离子注入技术

离子注入技术摘要离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。关键字离子注入技术半导体掺杂1绪论离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI）。由此看来，这种技术的重要性不言而喻。因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。2基本原理和基本结构2.1基本原理离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。它是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生

碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析2.1.1 离子射程图2.1.1（a）是离子射入硅中路线的模型图。其中，把离子从入射点到静止点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为人，简称平均射程；射程在入射方向上的投影长度，记为七，简称投影射程；投影射程的平均值，记为Rp，简称平均投影射程。入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。定义在位移X处这两种能量损失率分别为Sn和Se:dEC一.S—nndX勺dES= e—kJE则在dx内总的能量损失为：R—fRpdx-J0dE-j0Mpo E0dR—fRpdx-J0dE-j0Mpo E0dEdx e0S+』⑷Sn的计算比较复杂，而dE~dxdE

且无法得到解析形式的结果。图2.1.1(b)是数值计算得到的曲线形式的结果。Se的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。左图中，E=E2时，Sn=Se匹图2.1.1(b)离子总能量损失率数值计算曲线图2.1.1(c)Sn>Se时离子路径 图2.1.1(d)Sn<Se时离子路径讨论：当入射离子的初始能量E0小于E2所对应的能量值时，Sn>Se，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。如图2.1.1(c)。当E0远大于E2所对应的能量值时，Sn<Se，以电子阻挡为主，此时散射角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。如图2.1.1(d)2.2 基本结构离子注入机总体上分为七个主要的部分，分别是：①离子源:用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有BF3、AsH3和①离子源:PH3等。

质量分析器： 不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。加速器： 为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。聚焦系统： 用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：用来实现离子束x、y方向的一定面积内进行扫描。工作室： 放置样品的地方，其位置可调。质量加速分析器系统I 1中性束

偏移器偏转扫描系统 I 1工作室质量加速分析器系统I 1中性束

偏移器偏转扫描系统 I 1工作室I 一1——I I 1聚焦抽真空系统硅片抽真空抽真空离子源图2.2离子注入系统示意图2.2.1离子源根据离子源的类型分类，可以将其分为两类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。

其中，掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为100pm，亮度为10~100A/cm2.sr。而聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展°LMIS的典型有效源尺寸为5~500nm，亮度为106~107A/cm2.sr。液态金属离子源是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。工作原理：E1是主高压，即离子束的加速电压；E2是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E3是加热器电源。针尖的曲率半径为ro=1~5pm，改变E2可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径仅有10nm的数量级，这就是LMIS能产生小束斑离子图2.2.1液态金属离子源工作示意图 束的关键。当弓增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（Ga的场蒸发值为15.2V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。若改变E2的极性，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。2.2.2质量分析系统质量分析系统分为两种，ExB质量分析器和磁质量分析器。本文进分

析EXB质量分析器。由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E与B的方向相互垂直。它由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E与B的方向相互垂直。图2.2.2图2.2.2EXB质量分析器原理图- -V/、F=qE=qf-j),F=qvxB=qvB(j)qV1=_mv222qV1=_mv222qViF=q(%)2B(j)a得代入匚，得:当时F广七即当砰、1当时F广七即当砰2qB时，离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的荷质比%为-_q(8)q———om 2d2B2V(8)a对于某种荷质比为qo的所需离子，可通过调节偏转电压匕或偏转磁场B使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑：V=dB(2qV)2或B=__V f oa i (Q)d(2qV)2 (Q)当荷质比为qo的离子不被偏转时，具有荷质比为qs=q/ms的其它离子的偏转量Db为：D^=y(\)+y«)气~Z、，V~l1To1TT=B("a)2-才•(4-黄+2-V1— —1\(10)aa(10)B= Vf将前面的 1B的表达式:d(2qV)2

代入VL(ffL+Vd代入VL(ffL+VdIda(11)(12)(1)为屏蔽荷质比为%的离子，光阑半径D必须满足:⑵若D荷质比的(13)⑵若D荷质比的(DV固定，则具有下列或七＜中一』离子可被屏蔽：(14)而满足下列荷质比的离子均可通过光阑:(15)

以上各式可用于评价EB质量分析器的分辨本领。4离子注入技术的优缺点及其应用4.1离子注入技术和扩散工艺比较图4.1离子注入和扩散工艺的比较关于离子注入和传统扩散工艺的比较，我们可以通过下表直观看出来:表4.1离子注入和扩散工艺的比较扩