无掩膜按需掺杂的离子注入设备及方法与流程

本发明涉及微纳光电子器件加工、量子芯片制造以及材料掺杂改性技术领域，尤其涉及一种无掩膜按需掺杂的离子注入设备及方法。

背景技术：

离子注入是一种可控可调改性材料的重要方法，已经被广泛应用于集成电路制作、光电子器件加工、金属材料改性等诸多领域。目前，成熟的商业设备按照应用需求不同，主要有高能注入机、中束流注入机、低能注入机。主要的设备供应商有美国的appliedmaterials、美国的axcelis、美国的eaton、美国的ibis、日本的nissin、日本的sumitimoeatonnova、法国的ibs、中国的中科电长沙48所等。尽管设备构造各不相同，设备的工作原理基本近似。在离子源中产生需要注入元素的离子，分析器分离出需要的离子，经加速管获得设定的能量，通过扫描系统，将离子以设定剂量均匀地打到基片上。传统注入机中，离子束聚焦后的直径约5毫米，通过高速的平面内扫描，实现注入的片内、片间均匀性。

大规模集成电路制造基本遵循了摩尔定律预期，即每十八个月计算机微处理器的速度就增长一倍，单个芯片上集成的晶体管数目会相应地增加一倍，综合性能也将提升一倍。2014年英特尔首先发布了14纳米工艺的晶体管集成电路技术，2017年，台积电和三星已经大规模量产10纳米技术节点晶体管器件。随着晶体管器件特征尺寸逐渐缩小，在越来越短的沟道内实现掺杂浓度和掺杂类型的突变变得越来越困难，在越来越细的沟道中杂质数目涨落和杂质位置波动对器件电学性能的影响也越来越严重，精确控制沟道内掺杂原子位置和数量变得越来越重要。例如，半导体的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，杂质原子之间的平均距离约为10纳米。当硅纳米结构晶体管的特征尺度达到14纳米以下时，沟道内杂质原子的数目将在10个以内。这对传统离子注入设备的均匀性，能量一致性，和束线纯净度提出了更高的要求。

此外，量子信息处理技术利用量子自旋态对信息进行编码、存储和操纵，在提升信息容量、运算速度、运算规模和保证信息安全等方面革命性地突破了传统二进制计算机的瓶颈。量子信息计算机已经被公认为未来信息技术最有力竞争者之一。随着纳米技术的发展，量子信息处理技术作为未来的战略性发展方向，对提升我国信息产业的核心竞争力和跨越式发展有着深远的影响。因此，具有量子效应的纳米结构晶体管必将继续半导体信息技术的发展。kane在1998年就提出了基于磷杂质原子的电子自旋进行信息编码的量子计算机结构，其中嵌入在纯硅晶格中的磷杂质原子以矩阵式进行分立排列，但这种结构的主要技术问题在于，难以利用栅极来精确控制电离杂质间的耦合强度和串扰。要有效实现量子比特的初始化、操控和读取，就要求杂质原子的间距在10～30nm范围，以保证磷杂质原子电子间的自旋耦合，因此如何对杂质原子的注入位置进行精确控制也是亟待解决的问题。

而聚焦离子束可以不需要掩模，在计算机控制下可以对离子种类、离子电荷、离子能量和扫描速度进行控制，通过调整束驻留时间和束能量，使注入杂质通过离子分离器，实现将不同元素的离子注入到任何局部位置，注入的深度和分布可以通过调节离子的能量和剂量进行灵活控制。用离子打到衬底上产生的二次电子做信号，计量有多少离子注入到衬底中。目前，商用的聚焦离子束设备主要以镓为离子源，主要用于沉积、切割等微纳加工，不用做离子注入。且以二次电子做注入离子数量的计量，误差很大，无法实现单离子可控注入。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无掩膜按需掺杂的离子注入设备及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为达到上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种无掩膜按需掺杂的离子注入设备，包括离子注入室，所述离子注入室包括离子源、离子引出组件、单离子释放组件、单离子检测组件以及注入定位组件，其中：离子源，用于促使中性物质气化并电离产生离子；离子引出组件，用于从所述离子源导出所述离子，并赋予所述离子初始能量；单离子释放组件，包括单离子束结构、离子阱和束线挡板，其中：单离子束结构，用于使导出后的所述离子形成微米离子束流；离子阱，用于根据离子质量及能量的不同，在微米离子束中选定待注入离子并进行逐个释放以形成单离子束流；束线挡板，用于控制所述单离子束流的通断；单离子检测组件，包括纳米孔光阑和单离子探测器，其中：纳米孔光阑，用于供单离子束流通过后注入样品；单离子探测器，设置于纳米孔光阑下方，用于检测穿过所述纳米孔光阑的所述单离子束流的离子数量，根据所述离子数量来控制所述束线挡板；注入定位组件，包括样品台和成像单元，其中：样品台，其上固定有样品，所述样品对应于待注入位置处具有特征定位标记，所述样品台具有移动控制机构，用于对所述样品台进行移动；所述成像单元，用于在移动所述样品台时对所述特征定位标记进行成像定位，进而使纳米孔光阑对准样品的待注入位置。

作为本发明的另一个方面，提供一种利用如上所述的离子注入设备进行离子注入的方法，包括以下步骤：

在移动样品台的同时，利用成像单元对所述样品台上样品的特征定位标记进行成像定位，使纳米孔光阑对准所述样品的待注入位置；

利用离子源促使中性物质气化并电离产生离子，并利用离子引出组件从所述离子源导出所述离子，并赋予所述离子初始能量；

通过单离子束结构使导出后的所述离子形成微米离子束流，并通过离子阱来根据离子质量及能量的不同，在微米离子束中选定待注入离子并进行逐个释放以形成单离子束流；

所述单离子束流通过纳米孔光阑后对准所述待注入位置进行注入，利用单离子探测器对通过纳米孔光阑的离子数量进行检测，根据所述离子数量通过束线挡板控制单离子束流的通断。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明通过单离子束结构使从离子源导出的离子首先形成微米离子束，然后配合离子阱来将选定离子加速到设定能量并调整运动轨迹，结合束线挡板可以从离子阱中逐一释放需要注入的离子；进一步通过束线挡板和单离子探测器的配合实现了注入离子数量的控制；

2)本发明通过光学成像单元观察样品表面的初步定位标记，移动样品台进行初步定位；然后通过原子力扫描探针对样品表面的精确定位标记定位，使纳米孔光阑对准样品的待注入位置，在样品上高精度定位来进行离子注入；

3)利用本发明的结构和方法，实现准确控制的掺杂工艺，有效与cmos工艺兼容，可以制作更高精度的原理研究器件，促使集成电路元器件拥有更高的性能。

4)利用本发明的结构和方法，可以制作量子效应器件，为量子领域的研究提供重要保障；还可以可控地进行材料改性或修饰，为新材料研究提供重要支持。

附图说明

图1为本发明实施例无掩膜按需掺杂的离子注入设备结构示意图；

图2为本发明实施例离子注入室结构示意图；

图3为本发明实施例离子阱的功能示意图；

图4为本发明实施例集成了纳米孔光阑和单离子探测器的原子力探针结构示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、离子源；2、离子引出组件；3、单离子束结构；4、离子阱；5、束线挡板；6、原子力扫描探针；61、探针针尖；62、悬臂；7、单离子探测器；8、样品；9、样品台；10、光学成像单元；11、纳米孔光阑。

具体实施方式

为了准确地定位定量掺杂，对离子种类、离子能量、离子飞行轨迹都需要准确控制和调节。本发明采用的核心单离子释放组件具有分离离子种类，给选定离子加速到设定能量，调整离子运动轨迹的作用。结合束线挡板，从离子阱中逐一释放出需要注入的离子。进一步地，通过原子力扫描探针，结合纳米孔光阑，在衬底上高精度定位，注入到指定位置。注入离子数量的控制通过离子阱、束线挡板、单离子探测器共同实现。集成在纳米孔光阑周围的单离子探测器，能够明确有多少个离子注入到衬底上的指定位置。

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，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1至图3所示，本发明提供一种无掩膜按需掺杂的离子注入设备，主要部件包括离子注入室，该离子注入式的关键组件包括离子源1、离子引出组件2、单离子释放组件、单离子检测组件以及注入定位组件，实现注入离子数量和位置的精确控制。其中，离子注入室的结构和功能详述如下：

1)离子源1，利用加热、射频或电磁场等方式促使中性物质气化并电离产生离子。本发明实施例中的离子源可以为弗利曼(freeman)源、或波纳斯(bernas)源、或考夫曼(kaufman)离子源、或霍尔离子源、或潘宁(penning)源、或射频等离子体源、或微波电子回旋共振(ecr)离子源、或液态金属源等，根据需要注入的杂质种类，选用最合适的离子源。作为优选，可以配备两种离子源，以供选择安装：射频等离子体源和潘宁源，前者针对气态前驱体，后者主要用于固态前驱体，能够产生元素周期表中所有元素的离子，用于离子注入。

2)离子引出组件2，从离子源导出离子，根据本领域的常规技术，可在电磁场辅助下汇聚离子束，利用静电力例如0～60kv地直流高压产生的静电力吸出需要注入元素的离子，并赋予待注入离子初始能量。离子引出组件2给予离子的初始能量为1～50kev，该能量连续可调。

3)在本发明实施例中，单离子释放组件是最重要的组件之一，包括单离子束结构3、离子阱4和束线挡板5，其中单离子束结构3使引出的离子形成微米离子束流，其有两种实现方式，一种是采用准直器限流结构，使束流从常规宽束压缩至每秒几千个离子，离子之间的时间间隔为毫秒量级，生成的微束束径最小为5μm；另一种是采用聚焦结构获得微束，聚焦结构包括静电透镜聚焦和磁透镜聚焦，根据离子光学理论，一平行、旁轴离子束经聚焦后，将在像点位置上聚焦成极小的点，因此聚焦离子束具有更细小的束斑和单能性。离子阱4的功能示意如图3示意。微米离子束流进入离子阱后，不同质量和不同能量的离子被分离开，选定用于注入的特定离子(简称待注入离子)一个一个从离子阱中释放出来，用于离子注入。离子阱4可以是paul阱、或penning阱、或线性离子阱、或轨道离子阱、或傅立叶变换离子回旋共振离子阱等。离子阱4出口下方的束线挡板5用于控制离子束流的通断，束线挡板5采用反馈回路控制，当单离子探测器7收集到设定数量的离子信号后，即能给出控制信号，从而控制束线挡板5阻断离子束。离子束阻断机制可以为机械阻挡、或静电偏转、或磁场偏转。

以下对上述现有的离子阱进行说明：paul阱和penning阱具有相同的结构，由一对环形电极和两个呈双曲面形的端盖电极组成，环极和上下帽极都是绕轴向旋转对称的双曲面。正离子在轴向将受到一个指向阱心的、与位移成正比的囚禁力的作用，而径向囚禁则通过平行于z轴的静磁场来实现，在静电场和静磁场的共同作用下，离子的运动可以化解成三种正交模式：沿轴向的谐振动，以及在垂直于z轴平面内主要由磁场引起的回旋运动，和由洛伦兹力引起的磁控运动。paul阱全部用电场操控，penning阱用电场和磁场共同操控。这种由一对环电极和两个双曲面端电极形成的离子阱也称为三维离子阱，离子聚焦的位置是在中心的一个点上，具有比较大的空间电荷效应，常规的三维离子阱的离子存储数目为几千个。线性离子阱是在四级杆质谱基础上发展起来的，由两组双曲线形电极杆和两端的端电极板组成，在其中一组级杆上开有窄缝。两组极杆上施以位相相反的射频电压，且开有狭缝的一组施加激励交变电压，以驱动离子从窄缝中共振弹射检出。相对于三维离子阱，离子在线性阱中被囚禁在极杆轴向的直线区域内，而不是聚集在一个点上，有效地避免了三维离子阱的固有缺陷，因此捕获效率得以提高，空间电荷效应减弱。轨道离子阱的工作原理类似于电子围绕原子核旋转，具有一定初速度的离子，进入离子阱后受到来自中心纺锤形电极的吸引，会围绕中心电极做旋进运动，即：围绕中心电极(径向)和沿中心电极(轴向)的运动。因为离子质量不同，当达到谐振时，不同离子的轴向往复速度不同，通过离子阱中内置的检测器检，测定离子通过时产生的感应电流，可以得到多种离子的时序信号，然后通过傅立叶变换成为频谱，而共振频率直接与离子质量有关。轨道离子阱质谱的分辨率极高，本身的体积很小。傅立叶变换离子回旋共振离子阱由三组两两相对的电极板组成，其中包括一对电势阱金属板、一对激励板以及一对接受板。当离子束沿着z轴的方向从电势阱金属板的小孔射入icr离子阱后，由于受到加在t板上的阱电势的作用而产生沿z轴的有阻尼振荡运动。施加的阱电势的作用也正是在于将离子束缚在icr离子阱内，随后向离子阱中通入脉冲冷却气体，使离子沿z轴向上的运动停止下来。与此同时，离子在xy平面内受到磁场和电场的双重作用而呈现一种规则的双频率圆运动。在外加宽频域射频信号的激发下，所有离子同时发生共振并沿着一个半径逐渐增大的螺旋型轨迹运动，且具有相同的相位。在外部条件确定的条件下，这个半径仅仅与激发信号的持续时间成正比，而与离子的质荷比无关。处于激发状态的所有离子都具有相同的运动半径和相位，仅仅是共振频率不同。在离子团的运动半径增大到一定程度之后停止激发，所有离子都同时从共振状态回落，并且在检测板上形成一个自由感应衰减信号，被电学仪器放大和记录。这个电信号包含了所有具有不同共振频率的离子的信息，对这个时域信号进行傅立叶变换就可以得到频率谱。

4)单离子检测组件，包括纳米孔光阑11和单离子探测器7，其中从离子阱4释放的单个离子穿过纳米孔光阑11时，会产生能够被单离子探测器7探测到的磁场或电场，随后该单个离子注入样品。即利用真空中飞行的单个离子的电场及磁场，准确测量到飞行中的单个离子，但不能消耗这个离子，确认测量到了单个离子飞过，然后立即注入到基底中。单离子探测器7位于纳米孔光阑11下方，可为约瑟夫森结弱磁传感器、或高速晶体管电荷传感器。

其中，约瑟夫森结弱磁传感器实质是基于约瑟夫森结效应的一种将磁通转化为电压的磁通传感器，利用了超导约瑟夫森结效应和磁通量子化现象。被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森隧道结。当含有约瑟夫森隧道结的超导体闭合环路被适当大小的电流偏置后，会呈现一种宏观量子干涉现象，即隧道结两端的电压是随闭合环路环孔中的磁通量必变化的周期性函数，其周期为磁通量变化的最小单位，这种现象称为超导量子干涉现象。约瑟夫森结弱磁传感器是目前探测精度最高的磁传感器，可以达到10～14t(高温超导squid)和10～15t(低温超导squid)。单个硼离子在10nm距离处产生磁场强度约1微特斯拉，采用约瑟夫森结弱磁传感器可以准确测量到单个离子。磁隧道结隧穿磁电阻传感器的原理是隧道巨磁阻效应，实际上是在巨磁电阻多层膜结构中夹一层很薄约0.7nm的绝缘层，电子可以隧穿这种极薄的绝缘层并保持其自旋方向不变，这样使得磁电阻相对变化更大，对磁场的灵敏度更高，它的磁场分辨率理论上可达10～12t与纳米级空间分辨率，同样能够准确探测出单个离子。对于一个100ghz以上响应速度的晶体管，只要单个离子与晶体管沟道区在10nm左右作用10皮秒，晶体管能够给出明确电信号，指示出单个离子的通过。

需要说明的是，在本发明实施例中，纳米孔光阑11和单离子探测器7是集成在原子力扫描探针上的，具体会在后续详细说明，但当然并不限制于此，还可设置在其他合适位置。

5)注入定位组件，包括样品台9和成像单元，本发明实施例的样品台9上固定样品8，样品8例如可以是晶圆片等，该样品8对应于待注入位置具有特征定位标记，该特征定位标记可以是人为作出的标记，也可以是具有明确结构特征的点；该样品台9设有移动控制机构来对样品台9进行移动；成像单元在移动样品台9时对特征定位标记进行成像定位，进而使纳米孔光阑对准样品的待注入位置。

为了实现待注入位置的更为精确地控制，特征定位标记包括初步定位标记和精确定位标记；成像单元包括光学成像单元10和原子力扫描成像单元，其中：

光学成像单元，在本发明实施例中可采用已有结构，例如ccd光学成像单元，来可以实时观察样品表面，通过移动样品台对样品上预设的初步定位标记进行光学定位，而使纳米孔光阑大致对准样品的待注入位置，完成初步定位。

原子力扫描成像单元包括原子力扫描探针6，其具有相固定的悬臂62和探针针尖61，其中纳米孔光阑11和单离子探测器7集成在原子力扫描探针6上，是另一重要组件，其结构如图4示意。纳米孔光阑是直接制作在原子力扫描探针的悬臂62上，具体可采用聚焦离子束或氦离子显微镜精确刻蚀，在原子力扫描探针的悬臂上制作了5～20nm直径的纳米孔光阑，确保离子可以逐个逐个通过。通过移动样品台而利用原子力扫描探针6成像后对样品的精确定位标记进行原子力扫描定位，从而将纳米孔光阑精确对准到样品上待注入位置，完成精确定位。在原子力扫描探针6的悬臂62上还集成了单离子探测器7，离子通过纳米小孔后，被纳米小孔下面的单离子探测器探测到，随后立即注入到样品中。

原子力扫描探针6采用压电或热脉冲激励，压阻检测模式工作。该原子力扫描成像单元实现样品表面需要注入位点的1至10纳米高精度定位。通过大行程机械臂，该原子力扫描成像单元能工作在样品表面，或远离样品待命模式下。

本发明的样品台9的移动控制机构可采用常规结构实现多精度移动控制，具体包括丝杠传动机构和压电传动机构，能够实现至少两种精度等级的移动控制。进一步地，具有两种精度等级的丝杠传动机构，从而实现了三种精度等级的移动控制，可以大范围移动，同时精确定位。粗调节精度在1毫米量级，在光学成像单元辅助下，大行程粗定位；第二级精度在2微米量级，在光学成像单元的高放大倍数下，实现1毫米范围内定位；最高等级精度在1纳米量级，结合原子力扫描探针成像，通过压电陶瓷精确位移，实现样品高精度定位。样品台在xy方向的行程均为-210至+210mm，z轴运动范围为0至10mm，进一步地，样品台9还设有旋转控制机构，实现样品台在0至180°旋转，xy平面同时在-60至60°可以任意倾转。6)在本发明实施例中，还包括进样室，在进样室和离子注入室之间设置传送杆，进样室与离子注入室用高真空闸板阀隔开，样品在进样室内完成预真空后，用传送杆送入离子注入室，固定在样品台上。通过进样室，样品可以快速进出注入室，并保证注入室的高真空受到很小影响。进样室真空范围为0.1～0.001pa，注入室真空度小于10^-5pa。

在本发明实施例中，离子注入设备还包括真空建立模块，采用常规结构为离子注入室提供高真空运行环境。真空采用分段控制，每段之间有闸板阀，包括离子源与离子引出组件为一段，单离子释放组件为一段，单离子检测组件和注入定位组件为一段，进样室为独立一段。

在本发明实施例中，离子注入设备还包括电源模块，提供设备中各个组件或单元的用电和各种控制用的调制电信号。包括离子源1、离子引出组件2、聚焦组件、单离子束结构3、离子阱4、束线挡板5、光学成像单元、原子力扫描成像单元、单离子探测器、样品台、真空建立模块、传送杆等。

在本发明实施例中，离子注入设备还包括微机控制模块，它通过软件系统控制整个设备的工作状态及调节设定的工作参数。

本发明还提供了一种利用如上所述的离子注入设备进行离子注入的方法，具体包括以下步骤：

步骤a：在移动样品台的同时，利用成像单元对样品台上样品的特征定位标记进行成像定位，使纳米孔光阑对准样品的待注入位置；

步骤b：利用离子源促使中性物质气化并电离产生离子，并利用离子引出组件从离子源导出离子，并赋予离子初始能量；

步骤c：通过单离子束结构使导出后的离子形成微米离子束流，并通过离子阱来根据离子质量及能量的不同，在微米离子束中选定待注入离子并进行逐个释放以形成单离子束流；

步骤d：单离子束流通过纳米孔光阑后对准待注入位置进行注入，利用单离子探测器对通过纳米孔光阑的离子数量进行检测，根据离子数量通过束线挡板控制单离子束流的通断。

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，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。