平行束磁透镜的研究

胡振东，孙雪平，彭立波

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）



平行束磁透镜的研究

胡振东，孙雪平，彭立波

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

摘要：离子注入机单纯的静电扫描造成注入角度的不一，已经不能满足器件性能的一致性要求，所以产生平行的离子束就很重要，为此介绍一种均匀磁场下的平行束磁透镜，可以产生近似平行的离子束；获得离子束的平行度小于0.43°，满足大规模集成电路制造生产线的使用要求。

关键词：磁透镜；平行束；离子注入

离子注入是现代集成电路制造中的一种非常重要的技术。离子注入的工艺要求主要包括：均匀性、可重复性、能量纯度、注入角度准确性、杂质污染等。注入角度准确性是衡量注入工艺质量的一个很重要的参数。离子入射角度不同将造成离子注入到晶片的深度改变，从而影响器件的电气参数，因此对于离子束入射角度的控制非常必要。

由于传统的批处理注入因角度效应导致注入角度一致性差，已经不能满足更小关键尺寸和更大晶片的制造要求。目前普遍采用的是单晶片注入技术，单晶片注入技术有两种方法：一种是平行离子束1-D机械扫描，另一种是斑点式离子束2-D机械扫描。随着硅片尺寸的增大，采用斑点式离子束2-D机械扫描方式势必使得硅片中心处的注入角度与边缘处的注入角度有很大的差别，从而使得注入均匀性很难控制在1%以内，而且沟道效应也很难抑制。因此，现在先进的离子注入机一般采用平行离子束1-D机械扫描，即离子束先在水平方向接受扫描，再通过平行透镜装置形成平行的带状离子束后再注入硅片中，而硅片则上下移动扫描。这样离子束在硅片各个部位注入时都能有一个固定的角度，克服了斑点式离子束2-D机械扫描的缺陷［1］。

平行束透镜装置在离子束应用上磁透镜比静电透镜更好，因为电场的存在从离子束中除去了中和了的电子，引起空间电荷导致离子束难控制的问题。在低能和大束流的情况下这一问题尤为严重［2，3］。平行束磁透镜又分为非均匀场和均匀场两种。本文主要是研究均匀场磁透镜，首先利用几何方法对透镜的磁极形状进行设计，并依据离子注入机参数要求设计出磁透镜。然后通过磁透镜装置在离子注入机的应用，来检测实际平行度是否符合要求。

1　平行束磁透镜的原理

平行离子束的形成过程就是离子束在水平方向上受到高压静电扫描板扫描后，进入平行束透镜装置的入射边，离子在透镜装置磁场作用下发生偏转，并以大约相同的角度从出射边离开。不论离子以什么角度进入透镜装置，都以相同的角度离开，如图1所示。

图1　均匀磁场平行束原理图

均匀场磁透镜的结构大体如图2所示。包括磁轭、磁极、线包和真空盒所组成，两个磁极的端面互相平行，真空盒放在磁极之间，作为离子束通道，当线包通直流电时，在平行磁极面之间的空间里产生均匀磁场区。

图2　均匀场磁透镜结构

2　均匀场磁透镜的设计

本文均匀场磁透镜的设计主要介绍磁极边界的设计、最大磁场强度以及线包安匝数计算三个方面。

2.1磁极的边界

如图3所示在直角坐标xoz中，平行束透镜均匀磁场区域为入射边ab和出射边cd包围的区域，离子束在受到扫描板的电场作用下，在扫描原点o以角度θ从入射边ab进入均匀磁场B中，磁场方向为垂直纸面向外，离子在磁场中受到洛伦兹力的作用下作圆周运动，偏转半径为R。偏转角度为α+θ，无论离子入射角度θ为多大，最后都以α角从出射边cd离开磁场。从图3可以看出α+θ越大则离子在磁场中穿过的路径越长。 由入射的3个切点构成的圆弧为入射面的边界ab，出射的3个切点构成的圆弧为磁极出射面的边界cd。

以上得到是理论的均匀场磁极边界面，未考虑边缘场的影响。但边缘场是实际存在的，在磁极边界附近，由于磁力线向外空突出，场强逐渐减小。考虑边缘场的影响，即磁极的实际边界在理论边界的基础上往内偏移Δ，根据经验公式Δ=0.7D［5］（D为磁极间距）。

图3　均匀场磁透镜原理图

根据光路设计要求等到输入参数，见表1。

通过输入表1中的参数可以得出a′b′和c′d′边，从而可以确定磁极形状。

表1　光路设计要求的参数

2.2磁场强度

根据带电粒子在磁场中的受洛伦兹力作拉莫运动，由磁场刚度公式得磁感应强度计算公式：

式中：R为偏转半径，单位为cm

E为粒子能量，单位为eV

m为粒子质量数

z为粒子所带电荷数

B为磁感应强度，单位为GS

不同的离子注入机要求注入元素和能量不一，本文以最高能量350 keV和注入元素27Al+来计算最大磁场强度。则得到Bmax=8884 GS。

线包安匝数的确定：

IN=0.8×D×Bmax×1.1=0.8×6×8884×1.1≈46907（安匝）［5］

通过上述磁极边界和最大磁场强度和线包安匝数等数据建立平行束磁透镜的三维模型。如图4所示。

图4　透镜三维图

3　结果检测

用高斯计测量磁极中间面磁场强度，得到励磁曲线图5，通过曲线可知达到43 200安匝的时候就满足最大磁场强度的要求，设计完全满足使用要求。

图5　实测励磁曲线

通过离子注入机的剂量控制系统测量束的平行度，测试结果见图6所示。

图6　平行度测量结果

通过图5可见平行度在-0.23～0.2范围，满足设计要求的±0.5°。

4结　论

目前，配置了平行束磁透镜装置离子注入机在IC生产线已大量使用，大大地提高了器件的成品率。通过平行束磁透镜的研制成功，使得IC生产厂商降低了成本，经济效益得到显著提高。

参考文献：

［1］ 王贻华，胡正琼.离子注入与分析基础［M］.北京：航空工业出版社，1992.7-16.

［2］ 北京市辐射中心，北京师范大学.离子注入机基础［M］.北京：北京出版社，1981.256-261.

［3］ 何晓阳.中束流平行扫描式离子注入机现状［J］.半导体技术，1997，（1）：61-64.

［4］ 应用材料公司.可移动元件的多向扫描和其离子束监测设备［P］.中国：CN 1647235A，2005-07-27.

［5］ 孙雪平，郭建辉，彭立波，等.平行透镜设计［C］.长沙：第十三届全国三束学术年会，2005.

中图分类号：TN305

文献标识码：B

文章编号：1004-4507（2016）07-0037-03

收稿日期：2016-06-18

Research of the Parallel Beam Magnetic Lens

HU Zhendong，SUN Xueping，PENG Libo

（The 48th Research Institute of CETC，Changsha 410111，China）

Abstract：As the wafer size becomes larger and larger，the injection angle of the ion implanter is not the same，which can not meet the performance requirements of the device.Then it is very important to generate parallel ion beam.This paper introduces a parallel beam magentic lens in uniform magnetic field.The parallel degree of ion beam is less than 0.43 degree，which meets the requirement of the large scale integrated circuit manufacturing production line.

Keywords：Parallel beam；Magnetic lens；Ion Implanter；