离子注入介绍

目录

第一章离子注入原理

第二章离子注入机简介

第三章 GSD 200 E2离子注入机的组成及工作原理第一节 GSD 200 E2离子注入机的技术指标

第二节 GSD 200 E2离子注入机的机械结构

1.离子源部分 source component

2.束线部分beam line component

3.靶盘及终端台部分end station component 第四章安全注意事项

第一章离子注入原理

半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质.为了使半导体材料能够在半导体器件中制成p-n结,电阻器,欧姆接触以及互连线,需要对半导体进行掺杂以改变材料的电学性质,从而制成真正的半导体器件.

掺杂就是将所需的杂质按所要求的浓度与分布掺入到半导体材料中,掺入杂质的种类,数量及其分布对器件的影响极大,必须加以精确控制,因此掺杂是半导体制造中的一道重要工艺.

在集成电路制造中,掺杂主要采用两种方法:扩散法和离子注入法.

扩散法就是利用高温将杂质掺入到半导体材料中,因为在一定的温度条件下,杂质原子具有一定的能量,它能够克服某种阻力进入到半导体中,并在其中作缓慢的迁移运动,这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中.扩散运动只是从浓度高的地方向浓度低的地方移动,移动的快慢与温度,浓度梯度有关.

一般讲高浓度深结掺杂采用热扩散,而浅结高精度掺杂采用离子注入.由于离子注入可以严格地控制掺杂量及其分布,而且具有掺杂温度低,横向扩散小,可掺杂的元素多,可对各种材料进行掺杂,杂质浓度不受材料固溶度的限制,所以离子注入目前己被广泛地采用.尤其是对于MOSVLSI器件,需要严格控制开启电压,负载电阻等,一般的热扩散技术已不适用,必须采用离子注入.

所谓离子注入就是先使待掺杂的原子(或分子)电离,再加速到一定的能量,使之注入到晶体中,然后经过退火使杂质激活,达到掺杂的目的.

当高能量的离子进入晶体后,不断地与原子核及核外电子碰撞,然后逐渐损失能量,最后停止下来.

离子进入单晶后的运动,可分为两种情况.一种是沿着晶轴的方向运动,在晶格空隙中穿行, 好象在“沟道”中运动一样,它和核外电子作用,使原子电离或激发,由于离子质量比电子大很多,每次碰撞离子能量损失很少,且都是小角度散射,散射的方向是随机的,多次散射的结果离子运动方向基本不变.这种离子可以走得很远,称沟道离子.另一种是离子的运动方向远离晶轴,因此它们与原子核相碰撞,因两者质量往往是一个量级,一次碰撞可以损失较多的能量,且可能发生大角度散射,使靶原子核离开原来的晶格位置,它变成一个新离子,它可以继续碰撞另外一个原子核,由于原子核的碰撞损耗较多能量,所以它们走的路径也较短.这段从进入晶体后与原子核碰撞而停止的距离就是结深.不同能量的离子,行走的距离也就不同,所以我们就可以通过调节离子能量的大小来控制制品的结深.

在实际的注入掺杂工艺中,为了提高注入的重复性,应尽量避免发生沟道注入,而使注入离子尽可能停留在晶格上,(事实上注入离子的很大部分并不正好处于晶格点阵上)这就必须控制好离子束与晶体主轴的角度.由于两者间的夹角比较难控制,所以注入时一般使离子束与晶体主轴方向偏7o-10o,使大多数离子停留在晶格上.

离子对原子核的碰撞,会使一部分原子核离开晶格位置,形成一个碰撞与位移的级连,在靶中形成无数空位与间隙原子,这些缺陷的存在将使半导体

中的载流子的迁移率下降,少子寿命缩短,从而影响器仲的性能.当注入剂量很大时(剂量单位:注入的离子数/每平方厘米)可使单晶硅严重损伤以至于变成无定形硅.因此离子注入后往往需要通过退火使靶材料恢复晶体状态,并且使注入的离子激活---即把不在晶格位置上的离子运动到晶格点阵上,起到电活性掺杂作用.

第二章离子注入机简介

根据不同的工艺,对离子注入有不同的要求,比如结深,剂量,均匀性,重复性等等,但是其中最基本的要求是结深和剂量.为了满足这两个要求,人们就设计了各种不同的注入机.

我们知道结深与离子的能量有关,为了获得不同的结深可以通过调节注入离子的能量来实现,由此就出现了高能注入机,低能注入机.比如axcelis 生产的GSD/VHE高能注入机的能量为P＋ 10-1400KeV,B＋ 10-1600KeV.而axcelis生产的GSDIII/LED低能注入机的能量为0.2KeV-80KeV.所以仅这两种注入机就复盖了从0.2KeV-1600KeV全部能量范围.

但仅有结深要求还是不够的,我们还需对掺杂离子的剂量有所要求,一般情况下掺杂离子的剂量与注入机输出的离子束束流有关,为了获得不同的剂量就可通过调整束流来实现,由此就出现了高电流注入机,中电流注入机.比如axcelis生产的GSD/200E2高电流注入机,在30KeV-160KeV情况下都能提供20mA束流(P＋和As＋).axcelis的8250HT中电流注入机,在3KeV-750KeV 情况下其束流在0.12mA-3.0mA可调(P＋).

但是注入机按能量与束流的分类并非十分严格,但就一般而言,高能机的束流就小一些,高电流机的能量就低一点.

虽然注入机的种类较多,但它们的工作原理还是基本相同的,尽管在结构上各有所异.离子注入机就是一个对所需的杂质分子进行电离,从而产生所需的离子,通过高压电场和磁场的作用,使离子获得足够的能量,均匀地注入到硅片上的一种专用设备.

注入机本体可分为三大部分:离子源,束线部分,靶室及终端台.

离子源.

自由电子在电磁场的作用下,获得足够的能量后撞击掺杂气体分子或原子,使之电离成离子,再经吸极吸出,通过聚焦成为离子束,然后进入束线部分.所以离子源就是产生有能量的离子束的地方.

束线部分.

当离子进入束线部分后它将经过多道处理,以使我们得到所需要的离子.主要经过磁分析器,聚焦透镜,旗法拉弟,电子浴发生器等.事实上不同注入机的最大区别就在束线部分.我们可以在磁分析器后加上后加,减速电极,使离子能量增加或减少.可以在磁分析器后加上线性加速器使之变成高能注入机.也可以在磁分析器后加上离子水平和垂直扫描装置,实现电子扫描(非机械扫描).还可以在束线加速未端加上能量分析器,从而筛选出我们所需要的能量的离子.由于机台的不同,实现这些功能的结构或设备也有所不同.

靶室及终端台

从束线部分出来的被加速的离子最终到达靶室的硅片上实现离子注入.根据不同的机械结构,处于靶室中的硅片有的处于静止状态,有的处于垂直方向往复运动,也有的同时做垂直和旋转运动.另外处于靶室中的硅片为了