在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置

摘要

本发明公开了一种在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置，该装置包括球形腔室、基片台、球形腔室内的高频电场和球形腔室内的恒定磁场，其中：球形腔室由两个对称的D形电极构成，该两个D形电极直边重合、上下叠加，且在连接处不导电，中间通过绝缘材料隔开；球形腔室内的高频电场，由所述两个D形电极产生；球形腔室内的腔室内恒定磁场，通过在所述球形腔室外侧加永磁铁而产生；基片台位于垂直于磁场平面靠近球形腔室内壁的位置。利用本发明，将自动稳相原理应用到等离子体浸没离子注入技术中，从而实现浸没离子注入的质量分离，解决了浸没离子注入无法实现单一离子单一能量注入的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体浸没离子注入技术领域，尤其涉及一种在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置。

背景技术

在半导体制造工艺中，主流的杂质掺杂技术是传统的束线离子注入技术，此方法是由离子源产生等离子体(由混合离子、电子、中性粒子组成)，等离子经过分析磁体等质能分离系统对等离子体进行质量和能量的分离，得到单一质量单一能量的离子，接着通过加速管对分离后的离子进行加速，加速后的离子高速注入到基片中(如硅片)。关于注入基片的注入情况需借助扫描系统进行扫描。可见这种方法需要复杂的质谱分析和扫描装置，注入效率低，结构复杂，成本很高。

随着集成电路特征尺寸的缩小，结深的减小需要进一步降低离子注入能量(＜1keV)，束线离子注入束能降低会出现束流分散、均匀性变差、效率进一步降低等缺陷，这呼唤新技术的出现。等离子体浸没离子注入(PIII)技术能够有效避免以上问题。

PIII技术是将基片放置在阴极的电极上，并在该电极上加负偏压，向注入系统工作腔室内引入需要的气体，并对系统加功率源，通过感性耦合、容性耦合等放电方法使被引入腔室的气体起辉，形成等离子体。由于在阴极上加有负偏压，这样在基片附近就会有负偏压鞘层存在，在此鞘层的高电压加速下，鞘层中的正离子会穿过鞘层并注入到基片中。

如图3所示，图3是未加自动稳相原理的PIII系统示意图，此时的腔室是圆柱形，基片台的位置是放在腔室的中央有利于注入的均匀性。该方法具有如下优点：

1)、无需从离子源中抽取离子、对离子进行质谱分析和线性加速，使得注入设备的结构大为简化，节省大量成本；

2)、该技术采用鞘层加速机理，注入过程为整片注入，与基片尺寸无关，所以该技术产率极高。

可见，PIII技术是一种有望取代束线离子注入的新型注入技术。然而PIII时所有的离子都会被加速注入到基片中，如何实现注入离子质量和能量的分离，即如何实现单一能量单一离子的注入一直是PIII的一大问题，其严重影响了PIII技术的发展和推广。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置，以将自动稳相原理应用到等离子体浸没离子注入技术中，实现浸没离子注入的质量分离，解决浸没离子注入无法实现单一离子单一能量注入的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置，该装置包括球形腔室、基片台、球形腔室内的高频电场和球形腔室内的恒定磁场，其中：

球形腔室由两个对称的D形电极构成，该两个D形电极直边重合、上下叠加，且在连接处不导电，中间通过绝缘材料隔开；

球形腔室内的高频电场，由所述两个D形电极产生；

球形腔室内的腔室内恒定磁场，通过在所述球形腔室外侧加永磁铁而产生；

基片台位于垂直于磁场平面靠近球形腔室内壁的位置。

上述方案中，所述球形腔室内的高频电场通过在所述两个D形电极上加高频电压而产生。

上述方案中，所述球形腔室内的恒定磁场通过在所述球形腔室外侧加左右对称的永磁铁产生。

上述方案中，所述基片台的位于垂直于磁场平面靠近腔室内壁的位置。

(三)有益效果

本发明提供的在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置，将自动稳相原理应用到等离子体浸没离子注入技术中，从而实现浸没离子注入的质量分离，解决了浸没离子注入无法实现单一离子单一能量注入的问题。

附图说明

图1是本发明提供的在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置的结构示意图；

图2是D形电极的结构示意图；

图3现有技术中未加自动稳相原理的PIII系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

自动稳相原理最先被用在加速器上，稳相加速器采用D形电极来加速粒子，可为简化单个D极结构(如图2所示)，图2是D形结构示意图及其电势幅值分布，这样的电势分布使得其在腔室内产生的电场分布均匀。

在稳相加速器中粒子的回旋频率或周期随时间的变化关系：

如果相位为一固定值且高频频率在开始时与粒子的回旋频率相同，以后随时间的变化率又严格遵循以上关系，那么粒子就能始终保持与高频电场相同的频率旋转，以固定的相位被同步加。这个粒子被称为理想粒子，称为平衡相位。可见只有注入相位与平衡相位相同，并且注入能量ε_i等于粒子静止能量时的粒子才是“理想粒子”。

然而并不是只有“理想粒子”才能被最终加速至终能量，原苏联的维克斯勒尔和美国的麦克米伦各自独立地于1944年和1945年分别提出自动稳相原理：在一些共振加速器中，通过某些加速器参数的调制，便可使处在某种平衡相位下加速的理想粒子的运动与高频电场完全同步，能量连续增长；而在相位和能量在一定范围内偏离理想粒子的非理想粒子则将围绕理想粒子作相振动，最后同理想离子一起被加速至终能量。

对于ε_i＝ε_is的非理想粒子来说，只有当处在区间内时，粒子才能通过稳定的相振荡而被加速到最终能量.反之粒子不能被稳定加速至最终能量.

对ε_i在ε_is附近的非理想粒子进行相似的分析后仍会得到相同的为稳定的初始相位区的结论。

将自动稳相原理用到PIII中，等离子体中离子的频率与离子质量有关：即等离子的频率跟离子质量的开平方成反比，而相位与频率ω_pi成正比。因此相位与离子质量M有关，即被加速的离子相位区间对应一个离子质量区间只有质量在这个区间的离子才能被加速注入到基片中从而从一定程度上实现浸没离子注入的质量分离。

如图1所示，图1是本发明提供的在等离子体浸没离子注入中对不同质量离子分离的装置的结构示意图，该装置包括球形腔室、基片台、球形腔室内的高频电场和球形腔室内的恒定磁场，其中：

球形腔室由两个对称的D形电极构成，该两个D形电极直边重合、上下叠加，且在连接处不导电，中间通过绝缘材料隔开；

球形腔室内的高频电场，由所述两个D形电极产生；

球形腔室内的腔室内恒定磁场，通过在所述球形腔室外侧加永磁铁而产生；

基片台位于垂直于磁场平面靠近球形腔室内壁的位置。

其中，所述球形腔室内的高频电场通过在所述两个D形电极上加高频电压而产生。所述球形腔室内的恒定磁场通过在所述球形腔室外侧加左右对称的永磁铁产生。所述基片台的位于垂直于磁场平面靠近腔室内壁的位置，基片台的位置放在腔室的最左侧或最右侧有利于更好地筛选离子。

本发明提出将自动稳相原理应用到等离子体浸没离子注入技术中，从而实现浸没离子注入的质量分离，解决了浸没离子注入无法实现单一离子单一能量注入的问题。把自动稳向原理应用到浸没离子注入中需在腔室内纵向加高频电场，在腔室内横向加恒定的磁场。纵向高频电场通过D行电极结构加高频电压获得。恒定磁场通过加永磁铁获得。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。