半導體工藝之離子注入

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1、半導體離子注入工藝--離子注入離子注入法摻雜和擴散法摻雜對比來說，它的加工溫度低、容易制作淺結(jié)、均勻的大面積注入雜質(zhì)、易于自動化等優(yōu)點。當前，離子注入法已成為超大規(guī)模集成電路制造中不可缺少的摻雜工藝。1.離子注入原理:離子是原子或分子經(jīng)過離子化后形成的，即等離子體，它帶有一定量的電荷?？赏ㄟ^電場對離子進行加速，利用磁場使其運動方向改變，這樣就可以控制離子以一定的能量進入wafer內(nèi)部達到摻雜的目的。離子注入到wafer中后，會與硅原子碰撞而損失能量，能量耗盡離子就會停在wafer中某位置。離子通過與硅原子的碰撞將能量傳遞給硅原子，使得硅原子成為新

2、的入射粒子，新入射離子又會與其它硅原子碰撞，形成連鎖反應。雜質(zhì)在wafer中移動會產(chǎn)生一條晶格受損路徑，損傷情況取決于雜質(zhì)離子的輕重，這使硅原子離開格點位置，形成點缺陷，甚至導致襯底由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷w結(jié)構(gòu)。2.離子射程離子射程就是注入時，離子進入wafer內(nèi)部后，從表面到停止所經(jīng)過的路程。入射離子能量越高，射程就會越長。投影射程是離子注入wafer內(nèi)部的深度，它取決于離子的質(zhì)量、能量，wafer的質(zhì)量以及離子入射方向與晶向之間的關系。有的離子射程遠，有的射程近，而有的離子還會發(fā)生橫向移動，綜合所有的離子運動，就產(chǎn)生了投影偏差。3.離子注入劑量注

3、入劑量是單位面積wafer表面注入的離子數(shù)，可通過下面的公式計算得出，式中，Q是劑量；I是束流，單位是安培；t是注入時間，單位是秒；e是電子電荷，1.6×10-19C；n是電荷數(shù)量；A是注入面積，單位是。4.離子注入設備離子注入機體積龐大，結(jié)構(gòu)非常復雜。根據(jù)它所能提供的離子束流大小和能量可分為高電流和中電流離子注入機以及高能量、中能量和低能量離子注入機。離子注入機的主要部件有：離子源、質(zhì)量分析器、加速器、聚焦器、掃描系統(tǒng)以及工藝室等。（1）離子源離子源的任務是提供所需的雜質(zhì)離子。在合適的氣壓下，使含有雜質(zhì)的氣體受到電子碰撞而電離，最常用的雜質(zhì)源有

4、和等，（2）離子束吸取電極吸取電極將離子源產(chǎn)生的離子收集起來形成離子束。電極由抑制電極和接地電極構(gòu)成，電極上加了很高的電壓，離子受到弧光反應室側(cè)壁的排斥作用和抑制電極的吸引作用，被分離出來形成離子束向吸取電極運動。3）質(zhì)量分析器反應氣體中可能會夾雜少量其它氣體，這樣，從離子源吸取的離子中除了需要雜質(zhì)離子外，還會有其它離子。因此，需對從離子源出來的離子進行篩選，質(zhì)量分析器就是來完成這項任務的。質(zhì)量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁場作用下，不同荷質(zhì)比的離子會以不同的曲率半徑做圓弧運動，選擇合適曲率半徑，就可以篩選出需要的離子。荷質(zhì)比較大的離子偏

5、轉(zhuǎn)角度太小、荷質(zhì)比較小的離子偏轉(zhuǎn)角度太大，都無法從磁分析器的出口通過，只有具有合適荷質(zhì)比的離子才能順利通過磁分析器，最終注入到wafer中。（4）加速器為了保證注入的離子能夠進入wafer，并且具有一定的射程，離子的能量必須滿足一定的要求，所以，離子還需要進行電場加速。完成加速任務的是由一系列被介質(zhì)隔離的加速電極組成管狀加速器。離子束進入加速器后，經(jīng)過這些電極的連續(xù)加速，能量增大很多。與加速器連接的還有聚焦器，聚焦器就是電磁透鏡，它的任務是將離子束聚集起來，使得在傳輸離子時能有較高的效益，聚焦好的離子束才能確保注入劑量的均勻性。（5）掃描器離子束

6、是一條直徑約1～3的線狀高速離子流，必須通過掃描覆蓋整個注入?yún)^(qū)。掃描方式有：固定wafer，移動離子束；固定離子束，移動wafer。離子注入機的掃描系統(tǒng)有電子掃描、機械掃描、混合掃描以及平行掃描系統(tǒng)，目前最常用的是靜電掃描系統(tǒng)。靜電掃描系統(tǒng)由兩組平行的靜電偏轉(zhuǎn)板組成，一組完成橫向偏轉(zhuǎn)，另一組完成縱向偏轉(zhuǎn)。在平行電極板上施加電場，正離子就會向電壓較低的電極板一側(cè)偏轉(zhuǎn)，改變電壓大小就可以改變離子束的偏轉(zhuǎn)角度。靜電掃描系統(tǒng)使離子流每秒鐘橫向移動15000多次，縱向移動移動1200次。靜電掃描過程中，wafer固定不動，大大降低了污染幾率，而且由于帶負電

7、的電子和中性離子不會發(fā)生同樣的偏轉(zhuǎn)，這樣就可以避免被摻入到wafer當中。6）終端系統(tǒng)終端系統(tǒng)就是wafer接受離子注入的地方，系統(tǒng)需要完成Wafer的承載與冷卻、正離子的中和、離子束流量檢測等功能。離子轟擊導致wafer溫度升高，冷卻系統(tǒng)要對其進行降溫，防止出現(xiàn)由于高溫而引起的問題，有氣體冷卻和橡膠冷卻兩種技術。冷卻系統(tǒng)集成在Wafer載具上，wafer載具有多片型和單片型兩種。離子注入的是帶正電荷的離子，注入時部分正電荷會聚集在wafer表面，對注入離子產(chǎn)生排斥作用，使離子束的入射方向偏轉(zhuǎn)、離子束流半徑增大，導致?lián)诫s不均勻，難以控制；電荷積累

8、還會損害表面氧化層，使柵絕緣絕緣能力降低，甚至擊穿。解決的辦法是用電子簇射器向wafer表面發(fā)射電子，或用等離子體來中和掉積累的正電荷。