CN102779714A - 一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，包括确定二价硼离子的电荷数和荷质比；由吸出组件对在离子源形成的混合等离子体加速，磁分析器根据固有曲率半径和二价硼离子的荷质比调节磁场强度，筛选出二价硼离子；剂量控制系统根据单个注入的二价硼离子的电荷数和注入离子剂量，在剂量控制系统中设定设备所参考的二价硼离子注入总剂量；剂量积分系统根据中和的电子总量累积计算出输出的二价硼离子注入总剂量并将其反馈到剂量控制系统里，以控制二价硼离子注入到待加工器件中。本发明可根据待筛选的二价硼离子的荷质比调节磁场强度，筛选出二价硼注入离子，并可根据二价硼离子的电荷数控制二价硼离子注入总剂量。

Description

一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺

技术领域

本发明属于半导体生产技术领域，尤其涉及一种Bipolar电路中的二价硼(B++)离子注入工艺。

背景技术

众所周知，在半导体集成电路制造中，离子注入已成为一种常用的掺杂手段，且是在一种叫做离子注入机的设备上进行的。在所述的离子注入机中，常用电子撞击气体分子或原子的方式产生离子，即离子源中热灯丝发射的电子，与弧室内的气体粒子撞击，使粒子外层的电子脱离原来的运行轨道成为自由电子，而粒子则变成带正电的离子。离子注入中，P型注入最常用的掺杂元素为硼(B)。目前使用的离子注入机中的硼源BF3，在高能电子的轰击下，会产生多种离子，包括B+，BF2+，B++等，其中B+和BF2+是现在工厂中较常见的注入离子。

在离子注入工艺中，剂量和射程是两项重要的参数，其中射程与结深是密切相关的，结深可以说是离子注入的投影射程退火后的体现，控制结深就是控制射程。为了满足产品对高结深的要求，通常增大离子注入的能量来实现，而增大离子注入的能量是通过施加一电势差U至各离子上而实现的。目前某些离子注入机中提供的电势差U小于120V(伏特)，因此，这些离子注入机对高能量(大于200keV)离子注入有一定的限制，不能提供高能量。

为了不增加设备成本，提出从BF3离子源受到电子轰击产生的一种B++离子，作为一种注入离子使用。相对常用的B+离子来说，B++离子本身带两个正电荷，B+离子带一个正电荷。这两种离子在相同电势差的电场中运动时，B++离子获得的能量将是B+离子的两倍，这个结果可以根据下面的能量公式获得：

KeV＝neU    (1)

其中，KeV为能量，单位是电子伏特(eV)；n为离子的电荷数，即“+”＝1，“++”＝2；e为库仑电荷量；U为电势差(V)。

那么根据上面的结果，假设B+获得的能量为120KeV，则施加在B+上的电势差U为120V；而B++具有n＝2的电荷数，就可以通过减少一半的电势差U，使得B++获得同B+相同的能量120KeV，从而达到与B+离子相同的射程。由于电势差U的限制，B+不能提高其能量时，而B++却可以适当的增大电势差U至100V以上，从而达到200KeV以上的高能量。

但是，目前这些离子注入机往往将B+和BF2+作为注入离子，运用到Bipolar电路中，而并不将B++作为注入离子，因此如何从目前这些离子注入机中筛选出B++离子是一个问题。并且，目前这些离子注入机对注入离子的剂量设定值默认的离子为单价的，例如B+的电荷数n为1，当我们用电荷数n为2的B++注入时，一个B++离子的电荷量是B+的两倍，需要去中和的电子总量翻倍，剂量积分系统便将一个B++离子误认成两个单价B+离子，造成注入的实际剂量有误差，而注入掺杂剂量不准确或者误差大将导致整批晶片的报废，这种损失是无可估量的，例如美国的EATON公司生产的NV-10-160型号的离子注入机就存在上述问题。因此，在这些离子注入机上如何控制B++离子的注入剂量也存在一定问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，以解决很多离子注入机对高能量离子注入有一定的限制的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，在离子注入机中进行，所述离子注入机包括离子源、吸出组件、磁分析器、剂量控制系统和剂量积分系统，其特征在于，所述二价硼离子注入工艺包括：

确定带筛选的所述二价硼离子的电荷数和荷质比；

将掺杂气体通入所述离子源进行电离作用，在所述离子源中形成具有不同荷质比的混合等离子体，所述吸出组件对混合等离子体进行加速形成进入所述磁分析器的离子束，所述磁分析器根据自身的固有曲率半径和所述二价硼离子的荷质比调节磁场强度，以从所述离子束中筛选出注入的所述二价硼离子；

所述剂量控制系统根据单个注入的所述二价硼离子的电荷数和注入离子剂量，以在所述剂量控制系统中设定设备所参考的所述二价硼离子注入总剂量；

所述剂量积分系统根据中和的电子总量累积计算出输出的所述二价硼离子注入总剂量，并将其反馈到剂量控制系统里，以控制所述二价硼离子注入到待加工器件中。

进一步的，所述二价硼离子注入的单个离子能量高于200KeV。

进一步的，所述离子注入机的提供的能量小于200KeV。

进一步的，所述剂量积分系统包括法拉第杯和扫描盘，所述法拉第杯为圆环状，且所述法拉第杯的材料为石墨，将一电流积分仪的一端通过导线连接至所述法拉第杯上，将所述电流积分仪的另一端接地。

由上述技术方案可见，本发明与传统的离子注入工艺相比，本发明公开的一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，需要先确定带筛选的二价硼离子的电荷数和荷质比，依据所述磁分析器根据自身的固有曲率半径和所述的二价硼离子的荷质比调节磁分析器的磁场强度，以使所述磁分析器筛选出需注入的所述二价硼离子，并依据所述的单个注入的二价硼离子的电荷数和注入离子剂量，以在所述剂量控制系统中设定设备所参考的二价硼离子注入总剂量，最后剂量积分系统根据中和的电子总量累积计算出输出的二价硼离子注入总剂量，并将其反馈到剂量控制系统里，当所述的累积计算出输出的二价硼离子注入总剂量与所述剂量控制系统中设定设备所参考的二价硼离子注入总剂量相等时，停止向用于制作Bipolar电路的待加工器件中进行二价硼离子注入。因此，本发明可以将B++离子从不能提供高能量离子注入的离子注入机中筛选出来作为高能量注入离子，并且可以控制筛选出来的二价硼离子的注入剂量。本发明无需要对现有的离子注入机进行变动，操作简单，且节省功耗，降低了成本。

附图说明

图1是本发明一实施例中的Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺的流程示意图；

图2是本发明一实施例中的离子注入机的部分结构示意图；

图3是本发明一实施例中的剂量积分系统的结构示意图；

图4是本发明一实施例中的注入剂量与方块电阻的对比验证示意图；

图5是本发明一实施例中的载流子浓度与结深的对比验证示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参见图1，结合图2至图5，对本发明提供的一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺如何实现二价硼离子的筛选和二价硼离子注入剂量的控制进行详细分析。

所述二价硼离子注入工艺，在离子注入机中进行，通常所述离子注入机包括离子源A10、吸出组件A12、磁分析器A14、剂量控制系统A18和剂量积分系统A20，所述二价硼离子注入工艺的流程为：

S100：确定带筛选的所述二价硼离子的电荷数和荷质比。

选定B++作为带筛选的注入离子，所述B++的电荷数n为2，并确定B++荷质比。所述荷质比为一个带电粒子所带电荷与其质量之比。所述B++的荷质比是一个B++的电荷量q与其质量m的比值q/m，其中，一个B++的电荷量q＝ne。

S101：将掺杂气体通入所述离子源进行电离作用，在所述离子源中形成具有不同荷质比的混合等离子体，所述吸出组件对混合等离子体进行加速形成进入所述磁分析器的离子束，所述磁分析器根据自身的固有曲率半径和所述二价硼离子的荷质比调节磁场强度，以从所述离子束中筛选出注入的所述二价硼离子。

参见图2，首先，将含有硼源的掺杂气体通入所述离子源A10，且在所述离子源A10中对所述掺杂气体进行电离作用，得到具有不同荷质比的混合等离子体A11。

其次，所述吸出组件A12对所述离子源引出的混合等离子体A11提供能量进行加速，形成进入所述磁分析器A14的离子束，所述磁分析器A14根据自身的固有曲率半径R和所述的B++注入离子的荷质比q/m，对所述离子束进行质量分析，并筛选出所述的B++注入离子的过程如下：

所述吸出组件A12中提供一吸级电压U向所述离子束施加电势差，通过所述吸级电压U对离子束中的各离子提供加速的能量的公式如下：

$\mathrm{KeV}=\mathrm{Uq}=\mathrm{Une}=\frac{{\mathrm{mv}}^2}{2}---\left(2\right)$

其中，m为离子质量，v为离子进入所述磁分析器A14的入射速度，U为吸级电压，q为离子的电荷量。所述离子束中的各离子获得加速能量后进入所述磁分析器A14。因此，由公式(2)可知，当各离子获得的加速能量KeV相等时，所述吸级电压U与所述离子的电荷数n成反比例关系，且由公式(2)推导得到如下公式：

$v=\sqrt{\frac{2\mathrm{Uq}}{m}}---\left(3\right)$

由于各离子的q/m为各离子的荷质比，且为常数，故所述各离子的入射速度v由所述吸级电压U确定。

然后，具有一定能量的离子束进入所述磁分析器A14。所述磁分析器A14是一个弧形金属腔，在它的上下两端均有一个具有铁芯的线圈A16，线圈A16通电后在金属腔内产生一可调的磁场强度B，且在设备制造时，就已决定了所述磁分析器的固有曲率半径R。当经过所述吸出组件A12加速后的离子束进入所述磁分析器A14时，所述加速后的离子束中的各带电离子进入到所述磁场强度B中，会受洛伦兹力影响而发生偏转，其偏转半径为：

$r=\frac{\mathrm{mv}}{\mathrm{Bq}}---\left(4\right)$

其中，r为离子的偏转半径，B为所述磁分析器A12的磁场强度。若离子产生的偏转半径r与所述固有曲率半径R相等时，所述离子才能通过所述磁分析器A12，用于作为注入离子，则由公式(3)和公式(4)推导得到的公式为：

$r=R=\frac{\mathrm{mv}}{\mathrm{Bq}}=\frac{m\sqrt{\frac{2\mathrm{Uq}}{m}}}{\mathrm{Bq}}=\frac{\sqrt{2\mathrm{Um}/q}}{B}\⇒---\left(5\right)$

$R=\frac{\sqrt{2\mathrm{Um}/q}}{B}$

由公式(5)可知，R为常数，若U为定值时，由于m/q为离子的荷质比的倒数，也是定值，此时，因此可以根据不同离子的荷质比，调节所述磁分析器A12的磁场强度B，以使所述磁分析器对吸出组件加速后的离子束进行质量分析，筛选出所述的注入离子。例如，B++的荷质比的倒数为B+的1/2，因此只需将筛选B+的所述磁分析器的磁场强度B降为原来的

即可成功筛选出B++离子。此时，自身荷质比的比值大(E)或比值小(F)的含有B元素的其他离子均不能通过所述磁分析器，只有自身荷质比恰好符合设定的所需离子才能顺利通过所述磁分析器而进入所述剂量控制系统进行后续工艺的离子注入，其他非所需离子被阻挡了下来。通过所述磁分析器A12的离子即为所述磁分析器筛选出的用于后续注入到目标器件上的注入离子。

S102：所述剂量控制系统根据单个注入的所述二价硼离子的电荷数和注入离子剂量，以在所述剂量控制系统中设定设备所参考的所述二价硼离子注入总剂量。

从所述磁分析器A12筛选出来的注入离子B++被进行聚焦和约束后形成新的离子束A19进入真空系统下，准备进行所述剂量控制系统中进行离子注入。所述剂量控制系统A18根据剂量积分系统检测到的离子电荷数来确定总剂量，即根据二价硼离子注入工艺所需要的离子剂量N，还需要考虑到每个二价硼离子的电荷数，以在所述剂量控制系统A18(图中未示)中设定设备所参考的二价硼离子注入总剂量N’。

S103：所述剂量积分系统根据中和的电子总量累积计算出输出的所述二价硼离子注入总剂量，并将其反馈到剂量控制系统里，以控制所述二价硼离子注入到待加工器件中。

在所述剂量控制系统中进行二价硼离子注入的过程中，还需要通过所述剂量积分系统进行采样，并检测束流I，加以控制二价硼离子注入到用于制作Bipolar电路中的待加工器件中的离子剂量，如图3所示，所述剂量积分系统A20包括法拉第杯A21和扫描盘A22，所述法拉第杯A21为圆环状，且所述法拉第杯的材料为石墨，将一电流积分仪A23的一端通过导线A24连接至所述法拉第杯A21上，将所述电流积分仪A23的另一端接地。

所述剂量积分系统A20通过扫描方式对扫描盘的一取样狭缝采样，所述取样狭缝的面积为所述离子束A19的注入面积S。所述离子束A19进入所述的法拉第杯A21以后，打在其两端的石墨上，导线A24中就有电流，因累积在石墨块上的正离子产生了正电势，在电势的作用下，电子通过导线A24进入到石墨块去中和正离子直至正电势为零。因为一个电子基本中和一个离子，所以只要计量出电子总量就可获得离子的数量，而这些电子流经所述电流积分仪时会被累积计算出束流I，因此，所述电流积分仪A23对流过自身的束流I进行时间积分，且所述剂量积分系统A20会实时监控注入束流I的大小，直到达到所述二价硼离子注入总剂量，此时，在所述剂量积分系统A20中的所述注入电子总量的计算公式如下：

Q＝It/enS        (6)

其中，Q为注入剂量(单位是ion/cm²，所述注入剂量为单位面积晶片表面注入的离子数)，I为束流(单位是安培)，t为注入时间(单位是秒)，S为注入面积(单位是平方厘米)。由于S、e均为定值，B++的电荷数n为2，因此，在所述剂量积分系统A20中进行实时采样的过程中，根据中和的电子总量累积计算出输出的二价硼离子注入总剂量，并将其反馈到剂量控制系统里，当所述注入时间t检测后累积计算出输出的二价硼离子注入总剂量与所述剂量控制系统中设定设备所参考的二价硼离子注入总剂量相等时，停止向待加工器件中进行二价硼离子注入。

所述二价硼离子注入工艺可运用于不能提供高能量离子注入的离子注入机上，本发明一实施例中可采用由美国的EATON公司生产的NV-10-160型号的离子注入机进行说明，但其并不是用来限定权利要求，任何不能提供所述的高能量离子注入的离子注入机、且不能实现剂量设定值默认的离子为多价的离子注入机均可通过本发明进行高能量离子注入的筛选和注入离子剂量的控制。

将所述注入离子总剂量的离子向待加工器件进行注入后，可以通过扩展电阻分布法(spreading resistance profile，SRP)测试导体材料的电学参数的方法，通过测量掺杂后芯片的电阻率，来实现对掺杂浓度的掌握。所述的SRP是一种对照方法，因此，所述的SRP通过注入剂量与方块电阻Rs的对比验证以及载流子浓度与结深的对比验证，来检验B++离子是否达到B+离子注入的效果。

在相同的退火工艺条件下，如退火温度为1000℃，退火时间为120分钟，退火气氛为氮气(N₂)和氧气(O₂)，B++离子与B+离子的注入剂量对比的方块电阻Rs如图4所示，从退火后的方块电阻Rs来看，相同的注入剂量(1.00E14)下，B++与B+的方块电阻只相差了2.5％。B++离子与B+离子的载流子浓度对比的结深如图5所示，图5表示了所述的注入离子掺杂在待加工器件内的杂质浓度分布图，杂质在待加工器件内的分布可以反映所述的注入离子剂量的情况，如相同载流子浓度的B++和B+获得相同能量(120KeV)的结深差异很小，大约差0.01um(微米)。因此，由图4和图5的对比验证结果可知，B++通过减少一半的电势差U，使得B++离子获得同B+离子相同的能量KeV，当注入剂量相同时，B++离子可以达到与B+离子相同的射程。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，在离子注入机中进行，所述离子注入机包括离子源、吸出组件、磁分析器、剂量控制系统和剂量积分系统，其特征在于，所述二价硼离子注入工艺包括：

确定带筛选的所述二价硼离子的电荷数和荷质比；

将掺杂气体通入所述离子源进行电离作用，在所述离子源中形成具有不同荷质比的混合等离子体，所述吸出组件对混合等离子体进行加速形成进入所述磁分析器的离子束，所述磁分析器根据自身的固有曲率半径和所述二价硼离子的荷质比调节磁场强度，以从所述离子束中筛选出注入的所述二价硼离子；

所述剂量控制系统根据单个注入的所述二价硼离子的电荷数和注入离子剂量，以在所述剂量控制系统中设定设备所参考的所述二价硼离子注入总剂量；

所述剂量积分系统根据中和的电子总量累积计算出输出的所述二价硼离子注入总剂量，并将其反馈到剂量控制系统里，以控制所述二价硼离子注入到待加工器件中。

2.如权利要求1所述的Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，其特征在于，所述二价硼离子注入的单个离子能量高于200KeV。

3.如权利要求1所述的Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，其特征在于，所述离子注入机的提供的能量小于200KeV。

4.如权利要求1所述的Bipolar电路中的二价硼离子注入工艺，其特征在于，所述剂量积分系统包括法拉第杯和扫描盘，所述法拉第杯为圆环状，且所述法拉第杯的材料为石墨，将一电流积分仪的一端通过导线连接至所述法拉第杯上，将所述电流积分仪的另一端接地。

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