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第四章离子注入
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。
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,能在高压下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 ,
E < 10 KeV ,刻蚀、镀膜、
E = 10 ~ 50 KeV,曝光、
E > 50 KeV,注入掺杂
离子束加工方式可分为
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。扩散工艺的掩蔽膜必须是 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。
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。实现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。
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。
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 ~ 100 A/。聚焦方式需要高亮度小束斑离子源,当液态金属离子源(LMIS)出现后得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm,亮度为 106 ~ 107 A/ 。
1、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。
2、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、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
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。