半導(dǎo)體制造設(shè)備系列(5)-離子注入機(jī)

為改變半導(dǎo)體載流子濃度和導(dǎo)電類型需要對半導(dǎo)體表面附近區(qū)域進(jìn)行摻雜。摻雜通常有兩種方法：一是高溫?zé)釘U(kuò)散法，即將摻雜氣體導(dǎo)入放有硅片的高溫爐，將雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)的一種方法；二是離子注入法，通過離子注入機(jī)的加速和引導(dǎo)，將要摻雜的離子以離子束形式入射到材料中去。離子注入機(jī)是集成電路前道工序中的關(guān)鍵設(shè)備。

一、離子注入機(jī)的工作原理：

離子注入機(jī)主要由五部分組成：離子源、磁分析器、加速管或減速管、聚焦和掃描系統(tǒng)、工藝腔(靶室和后臺處理系統(tǒng))。各部分功能如下：

1、離子源：用來產(chǎn)生離子的裝置。原理是通過鎢燈絲、射頻或和微波等技術(shù)制備要摻雜的離子對摻雜源進(jìn)行離子化，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束， 射向磁分析器； 

2、磁分析器：利用不同荷質(zhì)比的離子在磁場下運(yùn)動軌跡的不同將離子分離，選出所需的摻雜離子，被選離子束通過可變狹縫，進(jìn)入加速管或減速管； 

3、加速管或減速管：從分析器出來的離子束，經(jīng)過加速或減速打到硅片內(nèi)部去，離子經(jīng)過加速或減速電極后，在靜電場作用下獲得所需能量；

4、聚焦和掃描系統(tǒng)：離子束離開加速管后進(jìn)入控制區(qū)，先由靜電聚焦透鏡使其聚焦進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，束流被偏轉(zhuǎn)注到靶上； 

5、工藝腔：包括真空排氣系統(tǒng)、裝卸硅片的終端臺、硅片傳輸系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)。    

圖1. 離子注入機(jī)結(jié)構(gòu)

相比熱擴(kuò)散工藝，離子注入具有以下優(yōu)勢：第一是可以比較精確的控制離子劑量；第二是通過能量選擇，可精確控制摻雜數(shù)量，同一平面內(nèi)的摻雜離子均勻度可保證在±1%，可以控制摻雜離子的分布剖面，實現(xiàn)摻雜離子的均勻性；第三是可以使側(cè)向擴(kuò)散最小化；第四是可以透過表面層摻雜。第五離子注入可以在較低溫度進(jìn)行，像氮化硅、光刻膠等都可以用來作為選擇摻雜的掩蔽膜，對器件制造中的自對準(zhǔn)掩蔽技術(shù)給予更大的靈活性。

離子注入的缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴且復(fù)雜，而且由于離子碰撞，對晶圓表面的損傷也不可避免。比如高能摻雜離子轟擊晶圓表面時容易對晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，會產(chǎn)生諸如晶格損傷、空位間隙等缺陷，因此通常在離子注入后會通過退火工藝來消除這些缺陷。另一大缺點(diǎn)是，因為離子注入后摻雜離子會與硅原子發(fā)生碰撞而損失能量，能量耗盡后離子會停留在晶圓中的某一位置，因此若想實現(xiàn)更大的離子射程，必須要增加入射離子能量。但在離子能量一定情況下，離子注入是無法實現(xiàn)很深的離子注入分布，因此制作深結(jié)節(jié)比較困難。

二、離子注入機(jī)的分類：

根據(jù)離子束電流和束流能量范圍的不同， 通常可以把離子注入機(jī)分為低能大束流離子注入機(jī)、中低束離子注入機(jī)和高能離子注入機(jī)。不同類型的離子注入機(jī)在工藝中的主要應(yīng)用各有不同。

表1. 離子注入機(jī)分類

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