半導(dǎo)體工藝-離子注入

1、半導(dǎo)體工藝 -離子注入離子注入法摻雜相比擴散法摻雜來說，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。目前，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(yīng)。雜

2、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(dǎo)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(guān)系。有的離子射程遠(yuǎn)，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

3、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(shè)備離子注入機體積龐大，結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(wù)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 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

4、弧光反應(yīng)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(yīng)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(wù)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

5、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(wù)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(wù)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）掃描器離子束是一條直徑約13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

6、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(fù)電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(dāng)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(dǎo)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

7、高溫而引起的問題，有氣體冷卻和橡膠冷卻兩種技術(shù)。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(dǎo)致?lián)诫s不均勻，難以控制；電荷積累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。離子束流量檢測及劑量控制是通過法拉第杯來完成的。然而離子束會與電流感應(yīng)器反應(yīng)產(chǎn)生二次電子，這會正常測量偏差。在法拉第杯杯口附加一個負(fù)偏壓電極以防止二次電子的逸出，獲得精確的測量值

8、。電流從法拉第杯傳輸?shù)椒e分儀，積分儀將離子束電流累加起來，結(jié)合電流總量和注入時間，就可計算出摻入一定劑量的雜質(zhì)需要的時間。4.離子注入工藝（1）溝道效應(yīng)入射離子與wafer之間有不同的相互作用方式，若離子能量夠高，則多數(shù)被注入到wafer內(nèi)部；反之，則大部分離子被反射而遠(yuǎn)離wafer。注入內(nèi)部的原子會與晶格原子發(fā)生不同程度的碰撞，離子運動過程中若未與任何粒子碰撞，它就可到達wafer內(nèi)部相當(dāng)深的地方，這就是溝道效應(yīng)。溝道效應(yīng)將使離子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在離子注入時需要抑制這種溝道效應(yīng)。在wafer表面淀積一層非晶格結(jié)構(gòu)材料或事先破壞掉wafer表面較薄的一層結(jié)晶層等都可降

9、低溝道效應(yīng)。2）退火離子注入會對晶格造成損傷，注入劑量較大時，wafer將會由單晶變成非晶，通過退火能修復(fù)晶格缺陷。 缺陷修復(fù)需要500的溫度，雜質(zhì)的激活需要950的高溫，有高溫爐退火和快速熱退化兩種方法。高溫爐退火是在8001000的高溫下加熱30分鐘，因會導(dǎo)致雜質(zhì)再分布，不常采用；快速熱退火采用快速升溫并在1000的高溫下保持很短的時間，可達到最佳效果。（3）顆粒污染離子注入對顆粒污染非常敏感，wafer表面的顆粒會阻礙離子束的注入，大電流的注入會產(chǎn)生更多顆粒，必要時需 采取糾正措施。（4）離子注入工藝有以下特點：注入的離子經(jīng)過質(zhì)量分析器的分析，純度很高、能量單一。而且注入環(huán)境清潔、干燥，

10、大大降低了雜質(zhì)污染。注入劑量可精確控制，雜質(zhì)均勻度高達±1%；注入在中低溫度下進行，二氧化硅、光刻膠、氮化硅等都可以作為注入時的掩蔽層。襯底溫度低，就避免了高溫擴散所引起的熱缺陷；離子注入是一個非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底中的固溶 度限制；對于化合物半導(dǎo)體采用離子注入技術(shù)，可不該變組分而達到摻雜的目的；離子注入的橫向摻雜效應(yīng)比擴散大大減少了；離子注入最大的缺點就是高能離子轟擊wafer對晶格結(jié)構(gòu)造成的損傷；（5）離子注入工藝的應(yīng)用改變導(dǎo)電類型，形成PN結(jié)，如形成源、漏以及阱等；改變起決定作用的載流子濃度，以調(diào)整器件工作條件；改變襯底結(jié)構(gòu)；合成化合物。5.離子注入質(zhì)量檢測離子注入層的檢查

11、與擴散層的檢測項目、檢測方法基本相同。（1）顆粒污染測量檢測wafer表面的顆粒數(shù)，顆粒會造成摻雜的空洞。顆粒的可能來源有：電極放電；機械移動過程中的外包裝；注入機未清潔干凈；溫度過高造成光刻膠脫落；背面的冷卻橡膠；wafer處理過程產(chǎn)生的顆粒。（2）劑量控制摻雜劑量不合適導(dǎo)致方塊電阻偏高或偏低。摻雜劑量不合適的原因有：工藝流程錯誤；離子束電流檢測不夠精確；離子束中混入電子，造成計數(shù)器計算離子數(shù)量的錯誤，導(dǎo)致?lián)诫s劑量過大；退火問題。（3）超淺結(jié)結(jié)深摻雜剖面不正確，高溫會造成雜質(zhì)再分布，增加結(jié)深以及橫向摻雜效應(yīng)；溝道效應(yīng)影響離子的分布?？偨Y(jié)：通過一周的半導(dǎo)體的實習(xí)，給我印象最深的是半導(dǎo)體工藝的離子注入工序，離子注入聽起來簡單但是做起來相當(dāng)?shù)穆闊?/p>