半导体离子注入设备课件.ppt

1、离子注入机设备简介离子注入机设备简介 目目 录录一、一、离子注入技术的发展回顾及特点离子注入技术的发展回顾及特点二、二、离子注入机设备结构及其作用离子注入机设备结构及其作用三、三、离子注入工艺技术离子注入工艺技术四、离子注入损伤与退火四、离子注入损伤与退火五、离子注入工艺技术的质量测量五、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七、离子注入机的安全操作 八、离子注入技术相关数据资料八、离子注入技术相关数据资料 九、离子注入的应用及展望九、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一、离子注入技术的发展回顾及

2、特点1、离子注入的发展回顾离子注入的发展回顾 1952年，美国贝尔实验室开始研究。年，美国贝尔实验室开始研究。1954年，年，Shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体器件。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型材料上形成型材料上形成P型。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。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。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

3、路制造中不可缺少的掺杂工艺。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。2 2、离子注入技术的特点、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。易于降低了各种污染。注入剂量范围宽，均匀性精度高。高浓度扩散仅达到注入剂量范围宽，均匀性精度高。高浓度扩散仅达到5%-10%5%-10%水平水平.注入衬底温度低。注入衬底温度低。SIO2SIO2、SINSIN、ALAL和光刻胶等都可以作为掩蔽。和光刻胶等都可以作为掩蔽。扩散望尘莫及。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

4、得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 各种杂质分布。各种杂质分布。扩散叹为观止。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。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。化合物半导体的掺杂。注入的主要缺点是：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

5、原子被取代。晶体损伤都要用底原子碰撞时，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。高温退火进行修复。离子注入的另一个缺点是设备复杂性。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二、离子注入机设备结构及其作用1 1、离子注入机的类型、离子注入机的类型 按束流分类按束流分类,主要分为：小束流机主要分为：小束流机(100(100微安以下微安以下)中束流机中束流机(100(100微安到几毫安微安到几毫安)大束流机大束流机(几毫安到几十毫安几毫安到几十毫安)按能量按能量EmaxEmax分类分类,主要分为：低能机（主要分为：低能机（Emax Emax

6、100KeV100KeV）中能机（中能机（100KeV 100KeV Emax Emax 400KeV400KeV）高能机（高能机（Emax Emax 400KeV400KeV）2、离子注入机设备结构、离子注入机设备结构 离子源离子源 引出电极（吸极）和质量分析器引出电极（吸极）和质量分析器 加速管加速管 扫描系统扫描系统 工艺腔体工艺腔体离子注入机结构示意图离子注入机结构示意图2 2、1 1 离子源离子源 离子源，是一种产生离子的装置。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

7、 离化的离子。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。过热离化电子轰击气体原子而离化成所需离子。离子源的装配图离子源的装配图BernasBernas式离子源式离子源射器射器2 2、2 2 引出电极（吸极）和质量分析器引出电极（吸极）和质量分析器 离子分离器：离子分离器：它是要把在离子它是要把在离子源弧光反应室里源弧光反应室里所产生的杂质

8、离所产生的杂质离子分离出来，以子分离出来，以便进行离子注入。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。离子。2.3 加速管加速管 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。加速器所获得能量的总和。2.4 扫描系统扫描系统 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：扫描系

9、统有以下四个不同的种类：静电扫描静电扫描 机械扫描机械扫描 混合扫描混合扫描 平行扫描平行扫描 静电扫描静电扫描静电扫描是在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，静电扫描是在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。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。子束不能垂直

10、轰击晶片，会导致光刻胶的阴影效应，阻碍离子束的注入。注入阴影效应注入阴影效应机械扫描机械扫描 此方法用于大束此方法用于大束流注入机，原因是静流注入机，原因是静电很难使大电流高能电很难使大电流高能离子发生偏移，缺点：离子发生偏移，缺点：机械装置可能产生较机械装置可能产生较多的颗粒。多的颗粒。离子注入机的机械扫描离子注入机的机械扫描 混合扫描混合扫描 晶片置在轮盘上并沿轴扫描。离子束在静电的作用下沿轴方向扫描。晶片置在轮盘上并沿轴扫描。离子束在静电的作用下沿轴方向扫描。平行扫描平行扫描平行扫描的离子束与晶片表面的角度小于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度，因而能够

11、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。的角度，使其垂直注入晶片表面。晶片冷却的技术：晶片冷却的技术：气冷气冷和橡胶冷却。气冷的晶片被封在压板上（一种冷却和橡胶冷却。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。片传到压板。硅片充电硅片充电 束流发散、排斥。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

12、淋系统。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 工艺腔体工艺腔体 剂量控制器剂量控制器注入机中的实时剂量监控通过测量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，计算一流与相应的注入时间联系起来，计算一定剂量所需的时间。定剂量所需的时间。三、离子注入工艺技术三、离子注入工艺技术、离

13、子注入工艺重要的参数、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：，计算公式：=It/enA=束流，单位是库仑束流，单位是库仑/秒（）秒（）t=注入时间，单位是秒注入时间，单位是秒 e=电子电荷，等于电子电荷，等于1.610-19库仑库仑 n=离子电荷（比如等于）离子电荷（比如等于）A=扫描面积，单位是扫描面积，单位是cm2 能量能量能量同深度对应，控制结深就是控制射程。能量同深度对应，控制结深就是控制射程。离子的动能（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），单位是焦耳。

14、注入中的能量是用电子电荷与电势差的乘积即电子伏（电子伏（ev）来表示。）来表示。KE nvn 是离子的电荷状态。是离子的电荷状态。V 是电势差，单位是。是电势差，单位是。一个带正电荷的离子在电势差为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：伏特的电场中运动，它的能量就是：KE nv （1）（）（60kv）60kev、沟道效应、沟道效应 抑制沟道效应的方法：抑制沟道效应的方法：倾斜硅片倾斜硅片 掩蔽氧化层掩蔽氧化层 硅预非晶化硅预非晶化 使用质量较大的原子使用质量较大的原子 沿（沿（110）轴的晶格视图）轴的晶格视图 倾斜硅片倾斜硅片 这种方法是最常用的方法，（这种方

15、法是最常用的方法，（100）硅片常用的角度是偏离垂直方向）硅片常用的角度是偏离垂直方向7度，保证度，保证了杂质离子在进入硅中很短的时间内就会发生碰撞。了杂质离子在进入硅中很短的时间内就会发生碰撞。掩蔽氧化层掩蔽氧化层 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），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。因为它是为注入工艺淀积的，并在之后需要除去。预非晶化预非晶化 用一种电学性质不活泼的粒子，例如：用一种电学性质不活泼的粒子，例如：SI+SI+，使单晶硅预非晶化。在离子注入之，使单晶硅预非晶化。在离

16、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。构的硅中。使用质量较大的原子使用质量较大的原子 （例如：（例如：BF2+）、颗粒的影响颗粒的影响 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。不正确的剂量。来自颗粒沾污的影响来自颗粒沾污的影响四、离子注入损伤与退火四、离子注入损伤与退火4.1 4.1 离子注入损伤离子注入损伤 离子注入将原子撞击出晶格结构而损伤晶片晶格。离子注入将原子

17、撞击出晶格结构而损伤晶片晶格。4.24.2 退火退火 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。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：高温炉退火晶片的退火方式有两种：高温炉退火 快速退火（快速退火（RTARTA）高温炉退火高温炉退火把晶片加热到较高的温度（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）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

18、格。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（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。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五、离子注入工艺技术的质量测量5.1颗粒度颗粒度 主要来源：主要来源：A 脏电极的微放电脏电极的微放电 B 注入机清洁不当（如源区、束道、终端区等）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、温度过高引起的光刻胶脱落、晶片背面的冷却橡胶晶片背面的冷却橡胶 D 样片的处理不当、样片的处理不当、机械移动造成的颗粒（开阀门等）

19、机械移动造成的颗粒（开阀门等）5.2 剂量控制剂量控制四探针测量、四探针测量、RS75RS75测量热波仪。导致剂量错误的可能原因：测量热波仪。导致剂量错误的可能原因：错误的工艺流程，检查工艺流程与实际需要是否一致错误的工艺流程，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。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。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。光刻线宽的变化、测试异常、样片衬底浓度的影响。5.3 结深的测量结深的测量 SRPSRP测量发现结的剖面不正确，可能造成结深问题的因素：测量发现结的剖面不正确，可能造成结深问

20、题的因素：A 注入能量是否正确。检查退火条件。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。可能需要注入重离子进行非晶化，然后退火。六、离子注入机的检查及故障的排出六、离子注入机的检查及故障的排出 问问 题题可能的原因可能的原因纠正措施纠正措施剂量不均造成晶片剂量不均造成晶片表面不同区域的杂表面不同区域的杂质含量不同（可用质含量不同（可用方阻和热波仪检测）方阻和热波仪检测）电荷中和系统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检查

21、二次喷淋或等离子喷淋得操作是否正确扫面系统问题扫面系统问题（沟道效应）（沟道效应）1、检查扫描盘的驱动系统是否有机械问题。（大束流）、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、固定晶片的中低束流注入，检查扫描系统的X轴和轴和Y轴轴的扫面方向是否正确。的扫面方向是否正确。注入机中的注入机中的 漏电流问题漏电流问题1、证明所有的绝缘体清洁。、证明所有的绝缘体清洁。2、所有电缆的绝缘必须高质量、所有电缆的绝缘必须高质量离子束中的沾污离子束中的沾污（SIMS）检测）检测离子源沾污离子源沾污1、离子源是否被沾污、离子源是否被沾污2、真空系统是否漏气、真空系

22、统是否漏气3、原材料是否满足要求、原材料是否满足要求质量分析器中质量分析器中造成的沾污造成的沾污质量分析器的窄缝过宽，不能把其它种类的离子全部排除。质量分析器的窄缝过宽，不能把其它种类的离子全部排除。例如使用例如使用PH3作为源进行作为源进行P+注入时可能会引起注入时可能会引起H+沾污沾污终端台沾污终端台沾污1、来自光刻胶的碱性元素沾污。、来自光刻胶的碱性元素沾污。2、来自法拉第装置的、来自法拉第装置的AL沾污。沾污。3、使用相同注入机的其它元素的交叉沾污。、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

23、态、建立最佳的引注入前的准备工作、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。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。工作过程中引起高压打火而损坏机器。7.1.2 检查动力条件、工作媒介

24、及环境条件，确认能满足机器的正常运行。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，靶盘部位真空度优于于 1e-6Torr。7.2 引束流引束流7.2.1 建立最佳的起弧状态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。电压，获得持续稳定的弧流和吸极电流。7.2.2 建立最佳的引束扫描状态建立最佳的引束扫描状态 调节磁场电流

25、、聚焦电压等束流影响参数获得合理稳定的扫描离子束流。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。数进行注入。7.3 关机检查关机检查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。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.

26、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,方可离开工作现场。方可离开工作现场。7.4 安全防范安全防范 离子注入机机架外壳和高压放电棒必须良好接地，接地电阻小于欧姆，并定离子注入机机架外壳和高压放电棒必须良好接地，接地电阻小于欧姆，并定 期检查。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。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。清洗离子源必须在强排风的专用通

27、风柜中进行。高频电磁场和加速管屏蔽良好。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）。射线毫伦琴每小时）。八、离子注入技术相关资料八、离子注入技术相关资料8.1 离子注入机的主要技术指标离子注入机的主要技术指标 加速能量范围加速能量范围 最大扫描束流最大扫描束流 可分析的最大原子质量数可分析的最大原子质量数 加工晶片尺寸加工晶片尺寸 每小时生产能力每小时生产能力 注入均匀性和重复性注入均匀性和重复性 真空度、装片台洁净度真空度、装片台洁净度 安全性能安全性能8.2 真空的分类真空的分类初真空初真空 0.1 Torr-760 Torr中真空中真空 10-4 Torr-10-1 Torr高真空高真空 10-8 Torr-10-4 Torr超高真空超高真空 10-8 Torr冷凝泵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。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.不同能量的离子在不同能量的离子在 Si 和和SiO2中的射程表中的射程表