半导体离子注入设备资料课件PPT

八、离子注入技术相关资料
8.1 离子注入机的主要技术指标
加速能量范围 最大扫描束流 可分析的最大原子质量数 加工晶片尺寸 每小时生产能力 注入均匀性和重复性 真空度、装片台洁净度 安全性能
8.2 真空的分类
初真空 0.1 Torr--760 Torr 中真空 10-4 Torr--10-1 Torr 高真空 10-8 Torr--10-4 Torr 超高真空 < 10-8 Torr
1、离子注入的发展回顾
◆ 1952年，美国贝尔实验室开始研究。 ◆ 1954年，Shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体器件。 ◆ 1955年，英国科学家发现硼离子轰击鍺片时，可在N型材料上形成P型。 ◆ 1960年，完成离子射程、计量计算、辐射损伤效应以及沟道效应等方面研究。 ◆ 1972年以后，离子注入技术逐步被人们使用。 目前已经普遍使用，已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
离子注入机设备简介
目录
一、离子注入技术的发展回顾及特点 二、离子注入机设备结构及其作用 三、离子注入工艺技术 四、离子注入损伤与退火 五、离子注入工艺技术的质量测量 六、离子注入机的检查及故障的排出 七、离子注入机的安全操作 八、离子注入技术相关数据资料 九、离子注入的应用及展望
一、离子注入技术的发展回顾及特点
KE＝ nv ＝ （1）（60kv） ＝ 60kev
２、沟道效应
抑制沟道效应的方法：
⑴倾斜硅片
⑵掩蔽氧化层
⑶ 硅预非晶化
⑷使用质量较大的原子
⑴ 倾斜硅片
沿（110）轴的晶格视图
这种方法是最常用的方法，（100）硅片常用的角度是偏离垂直方向7度，保证
了杂质离子在进入硅中很短的时间内就会发生碰撞。
⑵ 掩蔽氧化层
5.2 剂量控制 四探针测量、RS75测量热波仪。导致剂量错误的可能பைடு நூலகம்因：
◆错误的工艺流程，检查工艺流程与实际需要是否一致.
◆离子束电流测量不当、电子进入离子束造成剂量过大。 ◆ 不当的退火。 ◆ 光刻线宽的变化、测试异常、样片衬底浓度的影响。
5.3 结深的测量
SRP测量发现结的剖面不正确，可能造成结深问题的因素： A 注入能量是否正确。检查退火条件。 B 检查是否有离子的沟道效应，晶片的倾斜可能不正确。低能情况下，晶片 可能需要注入重离子进行非晶化，然后退火。
2.4 扫描系统 扫描的方式有两种：固定晶片，移动束斑；固定束斑，移动晶片。 扫描系统有以下四个不同的种类：⑴静电扫描 ⑵机械扫描 ⑶混合扫描 ⑷平行扫描
⑴静电扫描 静电扫描是在Ｘ－Ｙ电极上加特定电压使离子束发生偏转注入到固定的晶片上，
当一边电极设定为负电压时，正离子束就会向此电极的方向偏转。
晶片静电离子束扫描
这种扫描的优点：由于晶片固定，颗粒沾污发生的机会大大降低。缺点：离 子束不能垂直轰击晶片，会导致光刻胶的阴影效应，阻碍离子束的注入。
注入阴影效应
⑵机械扫描 此方法用于大束
流注入机，原因是静 电很难使大电流高能 离子发生偏移，缺点： 机械装置可能产生较 多的颗粒。
离子注入机的机械扫描
⑶混合扫描 晶片置在轮盘上并沿Ｙ轴扫描。离子束在静电的作用下沿Ｘ轴方向扫描。
离子源的装配图
射器
Bernas式离子源
2、2 引出电极（吸极）和质量分析器 ◆离子分离器：
它是要把在离子 源弧光反应室里 所产生的杂质离 子分离出来，以 便进行离子注入。
◆质量分析器：从离子源引出的离子可能包含很多种不同的离子。筛选出需要的 离子。
2.3 加速管
分析器出来的离子束经加速器加速，加速后的能量是分离器所获得能量与 加速器所获得能量的总和。
注入之前在硅片的表面上生长一层氧化层，被称为掩蔽氧化层（牺牲氧化 层），因为它是为注入工艺淀积的，并在之后需要除去。
⑶ 预非晶化
用一种电学性质不活泼的粒子，例如：SI+，使单晶硅预非晶化。在离子注入 之前进行，目的是损坏晶片表面的单晶层结构，随后将需要的离子注入到非晶态 结构的硅中。 ⑷ 使用质量较大的原子 （例如：BF2+）
1、证明所有的绝缘体清洁。 2、所有电缆的绝缘必须高质量
1、离子源是否被沾污 2、真空系统是否漏气 3、原材料是否满足要求
离子束中的沾污 质量分析器中 质量分析器的窄缝过宽，不能把其它种类的离子全部排除。 （SIMS）检测 造成的沾污 例如使用PH3作为源进行P+注入时可能会引起H+沾污
终端台沾污
1、来自光刻胶的碱性元素沾污。 2、来自法拉第装置的AL沾污。 3、使用相同注入机的其它元素的交叉沾污。
七、离子注入机的安全操作
注入前的准备工作、建立系统的高真空、建立最佳的起弧状态、建立最佳的引 束扫描状态、选定正确注入条件并完成注入、关机并检查。
7.1 注入前的准备
7.1.1 根据机器的维护要求，对高压部位外露的零部件和加速管等表面的附着 物进行干式清洁处理；若有必要，还需清洁离子源内部的沉积物，防止注入机在 工作过程中引起高压打火而损坏机器。
三、离子注入工艺技术
１、离子注入工艺重要的参数
◆剂量，单位面积晶片表面注入的离子数，单位是ion/cm2，计算公式： Ｑ=It/enA Ｉ=束流，单位是库仑/秒（Ａ） t =注入时间，单位是秒 e=电子电荷，等于1.6×10-19库仑 n=离子电荷（比如Ｂ＋等于１） A=扫描面积，单位是cm2
◆ 能量 能量同深度对应，控制结深就是控制射程。 离子的动能（KE），单位是焦耳。注入中的能量是用电子电荷与电势差的乘积即 电子伏（ev）来表示。KE＝ nv n 是离子的电荷状态。V 是电势差，单位是Ｖ。 一个带正电荷的离子在电势差为60000 伏特的电场中运动，它的能量就是：
……
六、离子注入机的检查及故障的排出
问题
可能的原因
纠正措施
电荷中和系统 检查二次喷淋或等离子喷淋得操作是否正确
剂量不均造成晶片 表面不同区域的杂
扫面系统问题 （沟道效应）
质含量不同（可用
方阻和热波仪检测） 注入机中的
漏电流问题
离子源沾污
1、检查扫描盘的驱动系统是否有机械问题。（大束流） 2、固定晶片的中低束流注入，检查扫描系统的X轴和Y轴 的扫面方向是否正确。
2、离子注入机设备结构 ◆ 离子源 ◆ 引出电极（吸极）和质量分析器 ◆ 加速管 ◆ 扫描系统 ◆ 工艺腔体
离子注入机结构示意图
2、1 离子源
◆离子源，是一种产生离子的装置。 基本原理：利用等离子体，在适当的低压下，把气态分子借电子的碰撞而 离化的离子。
◆离子源的结构是由蒸发器、弧光反应室，及磁铁等组合而成的。 ◆离子的产生：由热钨丝源（钽、钼等耐高温材料金属）产生热离化电子的，通 过热离化电子轰击气体原子而离化成所需离子。
方可离开工作现场。
7.4 安全防范
◆ 离子注入机机架外壳和高压放电棒必须良好接地，接地电阻小于１欧姆，并定 期检查。
◆ 离子源气瓶和源工作物要有明确标记，必须放在隔热、隔光及排风良好的专柜 中，不得随意摆放。
◆ 清洗离子源必须在强排风的专用通风柜中进行。 ◆ 高频电磁场和加速管屏蔽良好。 ◆ 射线辐射剂量国家标准要求：小于0.25mr/hr（X射线毫伦琴每小时）。
各种杂质分布。
扩散叹为观止。
◆ 注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中溶解度的限制。
◆ 注入可以避免高温扩散引起的热缺陷。且横向效应比热扩散小得多。 ◆ 化合物半导体的掺杂。 ◆ 注入的主要缺点是：
▼高能离子轰击对晶体的结构产生损伤。当高能量离子进入晶体并于衬 底原子碰撞时，能量发生转移，一些晶格上的硅原子被取代。晶体损伤都要用 高温退火进行修复。
7.2.2 建立最佳的引束扫描状态 调节磁场电流、聚焦电压等束流影响参数获得合理稳定的扫描离子束流。
7.2.3 根据芯片工艺要求，选定离子注入的能量、剂量和注入模式及晶片数量等参 数进行注入。
7.3 关机检查
7.3.1 严格按照关机程序关机，关机后必须用高压放电棒把高压部分的剩余电荷对 地
完全释放，并把放电棒挂接在高压板架上，确认安全后，方可触及高压部分。 7.3.2 检查水、电、气的安全状况，保持冷泵正常运行状态，确认工作场所安全后,
▼离子注入的另一个缺点是设备复杂性。
二、离子注入机设备结构及其作用
1、离子注入机的类型
按束流分类,主要分为：小束流机(100微安以下) 中束流机(100微安到几毫安) 大束流机(几毫安到几十毫安)
按能量Emax分类,主要分为：低能机（Emax ＜100KeV） 中能机（100KeV ＜＝Emax ＜＝400KeV） 高能机（Emax ＞400KeV）
◆高温炉退火
把晶片加热到较高的温度（1000℃）并稳定一段时间。在此期间，硅原子重新移回 到晶格位置，杂质原子也能替代硅原子而进入晶格。 ◆快速退火（RTA）
用较快的升温速率在目标温度下短暂停留对晶片进行热处理。最小化杂质扩散好。
五、离子注入工艺技术的质量测量
5.1 颗粒度
主要来源： A 脏电极的微放电 B 注入机清洁不当（如源区、束道、终端区等） C 温度过高引起的光刻胶脱落、 晶片背面的冷却橡胶 D 样片的处理不当、 机械移动造成的颗粒（开阀门等）
◆硅片充电 束流发散、排斥。 二次电子喷淋，向晶片表面喷发低能电子。另一种是等离子电子喷淋系统。
2.5 工艺腔体
◆剂量控制器 注入机中的实时剂量监控通过测量 到达晶片的离子束完成的，法拉第杯的 传感器测量离子束电流，测出的电流被 输入电子剂量控制器，它能连续累加测 量的离子束电流，剂量控制器把总的电 流与相应的注入时间联系起来，计算一 定剂量所需的时间。
7.1.2 检查动力条件、工作媒介及环境条件，确认能满足机器的正常运行。 7.1.3 建立高真空，通常离子源部位真空度优于1e-5Torr，靶盘部位真空度优 于 1e-6Torr。 7.2 引束流 7.2.1 建立最佳的起弧状态
根据离子源的不同，调节离子源的工作参数、源工作物的气压或温度及吸极 电压，获得持续稳定的弧流和吸极电流。
◆冷凝泵 一种俘获式泵，由气态氦压缩机和一个带有冷冻头、缓冲区和机体
的泵模块组成。使气体冷凝后俘获在泵中的方式除去工艺腔体中的气体。
8.３不同能量的离子在 Si 和SiO2中的射程表
⑷平行扫描 平行扫描的离子束与晶片表面的角度小于0.5度，因而能够减小阴影效应
和沟道效应。平行扫描中，离子束先静电扫描，然后通过一组磁铁来调整它 的角度，使其垂直注入晶片表面。
晶片冷却的技术：气冷和橡胶冷却。气冷的晶片被封在压板上（一种冷却 板，内部有冷却水），气体被送到晶片的后面，成为热传导通道，把热量从晶 片传到压板。
３、颗粒的影响
离子注入对颗粒的沾污非常的敏感，硅表面的一个颗粒能够阻碍离子束，产生 不正确的剂量。
来自颗粒沾污的影响
四、离子注入损伤与退火
4.1 离子注入损伤
离子注入将原子撞击出晶格结构而损伤晶片晶格。
4.2 退火 停驻在晶格间隙的原子只有经过高温退火过程才能被激活，注入晶片
在被加热后，修复晶格缺陷；还能使杂质原子移动到晶格点将其激活。 晶片的退火方式有两种：高温炉退火 快速退火（RTA）
2、离子注入技术的特点
◆ 注入离子纯度高，能量单一，真空环境下,易于降低了各种污染。
◆ 注入剂量范围宽，均匀性精度高。高浓度扩散仅达到5%-10%水平.
◆ 注入衬底温度低。SIO2、SIN、AL和光刻胶等都可以作为掩蔽。
扩散望尘莫及。
◆ 注入深度是随着能量变化，可以通过控制能量和剂量，以及采用多次注入获得