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MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology1第5章离子注入离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。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（称为“靶”）而实现掺杂。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology2离子束的性质离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。离子束的用途掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量E，E10KeV，刻蚀、镀膜E=10~50KeV，曝光E50KeV，注入掺杂MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology3离子束加工方式1、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束(FIB)方式）掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜只能是SiO2膜，而离子注入的掩蔽膜可以是SiO2膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是需要制作掩蔽膜。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology4a)低掺杂浓度与浅结MaskMaskSiliconsubstratexjLowenergyLowdoseFastscanspeedBeamscanDopantionsIonimplanterb)高掺杂浓度与深结BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter离子注入MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology5聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology65.1离子注入系统离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量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：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：使离子束沿x、y方向扫描。工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology7IonsourceAnalyzingmagnetAccelerationcolumnIonbeamPlasmaProcesschamberExtractionassemblyScanningdiskMicroelectronicFabrication&MEMSTechnology8MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology9一、离子源作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。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100m，亮度为10~100A/cm2.sr。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。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology101、等离子体型源这里的等离子体是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology11MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology12MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology13离子源Gas放电腔磁铁吸极灯丝MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology142、液态金属离子源（LMIS）LMIS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、离子束刻蚀等。LMIS的类型、结构和发射机理针形V形螺旋形同轴形毛细管形液态金属钨针类型MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology15对液态金属的要求(1)与容器及钨针不发生任何反应；(2)能与钨针充分均匀地浸润；(3)具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。能满足以上条件的金属只有Ga、In、Au、Sn等少数几种，其中Ga是最常用的一种。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology16E1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。E1E2E3针尖的曲率半径为ro=1~5m，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能产生小束斑离子束的关键。引出极MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology17当E2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。E1E2E3引出极MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology18共晶合金LMIS通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体LMIS。根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology19例如，金和硅的熔点分别为1063oC和1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为10-3Torr和10-1Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为370oC，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为10-19Torr和10-22Torr。这就满足了LMIS的要求。对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology20LMIS的主要技术参数(1)亮度亮度的物理意义为单位源面积发射的进入单位立体角内的离子束电流。LMIS的主要优点之一就是亮度高，其典型值为β=106~107A/cm2.sr。(2)能散度能散度是离子束能量分布的半高宽度。LMIS的主要缺点是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。(3)离子束斑尺寸通常为5~500nm。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology21二、质量分析系统1、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。OydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑BEMicroelectronicFabrication&MEMSTechnology22fem(),()VFqEqjdFqvBqvBj122aam21,,2qVqVmvvFm由得代入得：12am2()qVFqBjmOydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology2312afem2qVVFFqqBdm当时，即当时，离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的荷质比qo为2fo22a2VqqmdBV对于荷质比为qo的所需离子，可通过调节偏转电压Vf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。12foaf12oa(2),(2)VdBqVVBdqV或通常是调节Vf而不是调节B。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology24下面计算当荷质比为qo的离子不被偏转时，具有荷质比为qs=q/ms的其它离子被偏转的程度。该种离子在y方向受到的加速度为112meaff2ssasssss22yFFqVVVqqaBqBqVqmmmmdd该种离子在受力区域（0~Lf）内的运动方程为112a2sas22212zyqVzvttqVtmyat从上式消去时间t，并将ay代入，得MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology25由此可得偏转量Db为bffd21dfff2saaa()()11242DyLyLLLLVLBqVdVV2211ff22ssassasaa1122224VVzzyqBqVqBqVdqVVdOydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology26将前面的B的表达式代入Db，得sfffbdao1122qVLLDLVdqGf12oa(2)VBdqVso1qGqMicroelectronicFabrication&MEMSTechnology27讨论(1)为屏蔽荷质比为qs的离子，光阑半径D必须满足so1qDGq(2)若D固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，22soso11DDqqqqGG或而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，22oso11DDqqqGG以上各式可用于评价质量分析器的分辨本领。BEMicroelectronicFabrication&MEMSTechnology282、磁质量分析器光阑1光阑2vmFBr12am2qVFqvBqBm为向心力，使离子作圆周运动，其半径为1122aa22o22mVVmvrqBqBqBMicroelectronicFabrication&MEMSTechnology29从上式可知，满足荷质比的离子可通过光阑2。ao222VqrB或者对于给定的具有荷质比为qo的离子，可通过调节磁场B使之满足下式，从而使该种离子通过光阑2，12a2o2VBqr另外，若固定r和Va，通过连续改变B，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的。MicroelectronicFabrica