半导体工艺之离子注入

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1、半导体离子注入工艺--离子注入离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。1.离子注入原理:离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅

2、原子碰撞，形成连锁反应。杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。2.离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。3.离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出

3、，式中，Q是剂量；I是束流，单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是。4.离子注入设备离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以及高能量、中能量和低能量离子注入机。离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。（1）离子源离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有和等，（2）离子束吸取电极吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电极由抑制电极和接地电极构成，

4、电极上加了很高的电压，离子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。3）质量分析器反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来完成这项任务的。质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的离子偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，都无法从磁分析器的出口通过，只有具有合适荷质比的离子才能顺利通过磁分析器，最终注入到wafer

5、中。（4）加速器为了保证注入的离子能够进入wafer，并且具有一定的射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加速电极组成管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电极的连续加速，能量增大很多。与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。（5）扫描器离子束是一条直径约1～3的线状高速离子流，必须通过扫描覆盖整个注入区。扫描方式有：固定wafer，移动离子束；固定离子束，移动wafer。离子注入机的扫描系统有电子扫描、机械扫

6、描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常用的是静电扫描系统。静电扫描系统由两组平行的静电偏转板组成，一组完成横向偏转，另一组完成纵向偏转。在平行电极板上施加电场，正离子就会向电压较低的电极板一侧偏转，改变电压大小就可以改变离子束的偏转角度。静电扫描系统使离子流每秒钟横向移动15000多次，纵向移动移动1200次。静电扫描过程中，wafer固定不动，大大降低了污染几率，而且由于带负电的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这样就可以避免被掺入到wafer当中。6）终端系统终端系统就是wafer接受离子注入的地方，系统需要完成Wafer的承载与冷却、正离子的中和、离子束流量检测等功能。离子

7、轰击导致wafer温度升高，冷却系统要对其进行降温，防止出现由于高温而引起的问题，有气体冷却和橡胶冷却两种技术。冷却系统集成在Wafer载具上，wafer载具有多片型和单片型两种。离子注入的是带正电荷的离子，注入时部分正电荷会聚集在wafer表面，对注入离子产生排斥作用，使离子束的入射方向偏转、离子束流半径增大，导致掺杂不均匀，难以控制；电荷积累还会损害表面氧化层，使栅绝缘绝缘能力降低，甚至击穿。解决的办法是用电子簇射器向wafer表面发射电子，或用等离子体来中和掉积累的正电荷。