半导体工艺与制造篇3 离子注入

离子注入工艺

一般掺杂的杂质类别，包括:提供载流子的施主杂质和受主杂质;产生复合中心的重金属杂质
离子注入往往需要生成井well，其中井的定义：晶圆与杂质之间形成的扩散层或杂质与杂质之间形成的扩散层
离子注入的目的：用掺杂改变电导率，一般用于较小制程下
离子注入的优点：可控、低温
离子注入的缺点：晶格损伤

离子注入的各项指标

离子剂量

离子剂量的定义：单位面积硅片表面注入的离子数
离子束电流也称为束流，其定义：离子注入机中正杂质离子形成离子束后的流量

射程

射程的定义：离子注入硅片的总距离
射程的特点：离子注入机能量越高射程越大

投影射程

投影射程的定义：注入离子在硅片中的穿行距离
投影射程取决于离子质量、离子能量、靶的质量、离子束相对晶体结构的方向
投影射程的特性：原子序数越大，原子尺寸越大，存在遮蔽层，则投影射程越小
为什么射程会有极限呢？因为存在离子阻滞
阻滞机制有两种：核阻滞，产生原因是与原子核碰撞；电子阻滞，产生原因是与电子发生反应

核阻止是短程作用，在低能量时主导，效果是有明显的散射；电子阻滞是长程作用，在高能量时主导，效果是离子基本沿原方向运动

沟道效应

沟道效应的产生原因：由于硅长程有序，注入离子未经碰撞穿透了晶格
沟道效应的影响效果：正常情况下，杂质射程应呈正态分布，沟道效应打破了这个分布
沟道效应的抑制方法：
1.遮蔽氧化层也称为掩蔽氧化层牺牲氧化层
2.晶圆倾斜，如<100>方向的晶圆，倾斜角7度
晶圆倾斜的缺点：可能会导致机器件性能不对称
改进方法则是：经常旋转晶圆
3.单晶硅预非晶化
单晶化预非晶化的实现方法：破坏晶圆表面薄膜的晶格原子
缺点：需额外注入高能量的硅或锗，且更加耗时

离子注入机

离子注入机的组成部分：离子源、吸出组件、离子质量分析器、离子加速器、扫描系统

离子园

离子源的常用气体：$$B_2{H}_6,As{H}_3,P{H}_3,B{F}_3$$
离子源的典型结构：弗里曼型离子源。但由于电流小，离子源寿命短，所以被bernus伯纳斯离子源替代
离子产生的原理：通过热钨丝产生的电子轰击气体原子或分子而产生离子

吸出组件

吸出组件也称为萃引电极，其作用是：收集正离子，形成离子束

离子质量分析器

离子质量分析器的作用：利用质荷比的不同分离所需离子

离子加速器

离子加速器的作用：给予离子能量，其中低能量用于浅结深，高能量用于深结深
离子加速器的分类有：直流加速器和射频加速器

射频加速器

射频加速器包含：四级聚焦镜和共振器
四级聚焦镜的作用是聚集离子束

电荷中性系统

电荷中性系统，别称静电偏转系统，目的：防止正离子给晶圆表面充电，阻碍离子进一步注入
中性束流陷阱的定义：杂质离子与气体分子碰撞而获得一电子，即形成中性离子

扫描系统

扫描系统的分类：静电式扫描和机械式扫描
静电式扫描的优点：可去除离子数中的中性离子；晶圆固定，颗粒污染小
静电式扫描的缺点：不适用于高能离子束。所以改进为机器式扫描
机械是扫描的特点：离子束固定
扫描系统如何控制离子电流或剂量呢？则是通过法拉第杯传感器测量离子束电流系统

离子注入机的分类：

中低速流里的注入机使用范围，穿通注入专用
低能大束流离子注入机适用范围是源极和漏极。其中，超低能数流用于超浅露源级和漏极，注入能量为200电子伏特到4000电子伏特
高能大束流离子注入机用于制造n井和p井

离子注入监控

方法包括：四点探针法、热波法、二次离子质谱仪
四点探针法用于计算薄片电阻，需要测量四次
四点探针法的缺点：接触式测量，会造成损伤

热播法用于测量掺杂浓度
热播法的优点：非接触、非破坏式测量
热播法的缺点：对低剂量掺杂灵敏度很低
二次离子质谱仪得特点：破坏性检测，很贵，所以仅用于关键步骤

离子注入的危险来源

1.火花崩溃电压得产生原因是器件全为高压装置
火花崩溃电压的定义：在空气中尖端放电的现象
高压区放电防护的措施：用接地棒将机台剩余高压导入地，以防漏电或触电

2.辐射线
辐射线的防护措施：用含铅的门板和墙壁阻挡辐射

3.机械传动危险

故障分析

故障的对象：有离子注入剂量和金属沾污
1.离子注入剂量的问题：分类剂量过多会导致电阻过小，剂量过少会导致电阻过大
2.金属沾污的产生原因：质荷比相同或接近时无法确实分离