離子注入技術(shù)(Implant)

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(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的最主要方法。本文從對(duì)該技術(shù)的基本原理、基本儀器結(jié)構(gòu)以及一些具體工藝等角度做了較為詳細(xì)的介紹，同時(shí)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(shí)是應(yīng)用在原子物理和核物理究領(lǐng)域。后來(lái)，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(diǎn)，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(dòng)化。離子注入技術(shù)的應(yīng)用，大大地推動(dòng)了半導(dǎo)體器件和集成電路工業(yè)的發(fā)展，從而使集成電路的生產(chǎn)進(jìn)入了大規(guī)模及超大規(guī)模時(shí)代（ULSI）。由此看來(lái)，這種技術(shù)的重要性不言而喻。因此，了解這種技術(shù)進(jìn)行在半導(dǎo)體制造行業(yè)以及其他新興領(lǐng)域的應(yīng)用是十分必要的。2基本原理和基本結(jié)構(gòu)2.1基本原理離子注入是對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的一種方法。它是將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場(chǎng)中加速而獲得極高的動(dòng)能后，注入到硅中而實(shí)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(dòng)后，因動(dòng)能耗盡而停止在某處。在這一過程中，涉及到“離子射程”、“”等幾個(gè)問題，下面來(lái)具體分析圖2.1.1(a)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(diǎn)到靜止點(diǎn)所通過的總路程稱為射程；射程的平均值，記為R，簡(jiǎn)稱平均射程；射程在入射方向上的投影長(zhǎng)度，記為x簡(jiǎn)稱投影射程；投影射程的平均值，記為R，簡(jiǎn)稱p p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S和Sne則在dx內(nèi)總的能量損失為：則在dx內(nèi)總的能量損失為：dE=dE+dE=(S+S)dxR=fRpdx=f0 dE =卜蘭PoEdEdx ES+、0 / 0n（4）S的計(jì)算比較復(fù)雜，而n

且無(wú)法得到解析形式的結(jié)果。圖2.1.1(b)是數(shù)值計(jì)算得到的曲線形式的結(jié)果。Se的計(jì)算較簡(jiǎn)單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。左圖中，E=E時(shí)，S=S2 ne圖2.1.1(b)離子總能量損失率數(shù)值計(jì)算曲線P廠P廠圖2.1.1(c)Sn>Se時(shí)離子路徑 圖2.1.1(d)Sn<Se時(shí)離子路徑討論：⑴當(dāng)入射離子的初始能量住小于E2所對(duì)應(yīng)的能量值時(shí)，Sn>\，以核阻擋為主，此時(shí)散射角較大，離子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。如圖2.1.1(c)。(2)當(dāng)E0遠(yuǎn)大于E所對(duì)應(yīng)的能量值時(shí)，S<S,以電子阻擋為主，此時(shí)散射0 2 ne角較小，離子近似作直線運(yùn)動(dòng)，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，離子射程的末端部分又變成為折線。如圖2.1.1(d)2.2 基本結(jié)構(gòu)離子注入機(jī)總體上分為七個(gè)主要的部分，分別是：①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。

②質(zhì)量分析器：不同離子具有不同的電何質(zhì)量比，因而在分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。③加速器：為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。④中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。⑤聚焦系統(tǒng)：用來(lái)將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。⑥偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)離子束X、y方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。⑦工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。離子源圖2.2離子注入系統(tǒng)示意圖2?2?1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100pm，亮度為10~100A/cm2.sr。而聚焦方式則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)后才得以順利發(fā)展OLMIS的典型有效源尺寸為5?500nm,亮度為106?107A/cm2.sr。液態(tài)金屬離子源是近幾年發(fā)展起來(lái)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(jí)的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、刻蝕等。工作原理：E是主高壓，即離子束的加速電壓；是12針尖與引出極之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針尖表面上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出；E是加熱器電源。3針尖的曲率半徑為ro=1?5pm,改變E可以調(diào)節(jié)針尖與引出極之間的2電場(chǎng)，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個(gè)圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃絻H有10nm的數(shù)量級(jí)，這就是LMIS能產(chǎn)生小束斑離子 圖221液態(tài)金屬離子源工作示意圖 束的關(guān)鍵。當(dāng)E增大到使電場(chǎng)超過液態(tài)金屬的場(chǎng)蒸發(fā)值（Ga的場(chǎng)蒸發(fā)值為215.2V/nm）時(shí)，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場(chǎng)蒸發(fā)與場(chǎng)電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形成離子束。若改變E的極性，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。2222質(zhì)量分析系統(tǒng)質(zhì)量分析系統(tǒng)分為兩種，ExB質(zhì)量分析器和磁質(zhì)量分析器。本文進(jìn)分

析ExB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。Z圖2.2.2EZ圖2.2.2ExB質(zhì)量分析器原理圖■JVF二qE二q^(-j),

e dF=qvxB=qvB(j)2qVi)2B(j)2qVi)2B(j)qVa=_mv2212代入，得:當(dāng)時(shí)F當(dāng)時(shí)F廣Fm，即當(dāng)qB時(shí)，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(8)qV2q— —f_(8)om 2d2B2Va對(duì)于某種荷質(zhì)比為qo的所需離子，可通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓匕或偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過光闌:TOC\o"1-5"\h\z［亠 V\o"CurrentDocument"V=dB(2qV)2或B= cf oa 1 (9)\o"CurrentDocument"d(2qV)2 (9)oa當(dāng)荷質(zhì)比為qo的離子不被偏轉(zhuǎn)時(shí)，具有荷質(zhì)比為qs二q/ms的其它離子的偏轉(zhuǎn)量Db為：D二y(L)+yf(L)Lb f fd1L2B1L2BWV-J]4嚴(yán)2LLdfV丿a(10)B= f將前面的 丄B的表達(dá)式:d(2qV)2oa(11)代入Db得:D=1b2LL)L+_LVd(d2丿aVLff-1(⑵丿、冬-1“qo丿討論(1)為屏蔽荷質(zhì)比為qs的離子，光闌半徑D必須滿足:(2)若D荷質(zhì)比的D<-1丿<qo(13)固定，則具有下列離子可被屏蔽:(14)而滿足下列荷質(zhì)比的離子均可通過光闌:f1-D[2IG丿<q<qso以上各式可用于評(píng)價(jià)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(diǎn)及其應(yīng)用4.1離子注入技術(shù)和擴(kuò)散工藝比較摻雜區(qū)摻雜區(qū)圖4.1離子注入和擴(kuò)散工藝的比較關(guān)于離子注入和傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝的比較，我們可以通過下表直觀看出來(lái):表4.1離子注入和擴(kuò)散工藝的比