一文了解半导体离子注入工艺制程！

离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。 目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
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离子注入原理

离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。

离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。

杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。

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离子射程

离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。

投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。

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离子注入剂量

注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过

公式计算得出，式中，Q是剂量；I是束流，

单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是。

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离子注入设备

离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供

的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以及高能量、中能量和低能量离子注入机。

离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。

离子源

离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有PH3和B2H6等。

离子束吸取电极

吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。

质量分析器

反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来完成这项任务的。

质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的离子偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，都无法从磁分析器的出口通过，只有具有合适荷质比的离子才能顺利通过磁分析器，最终注入到wafer中。

加速器

为了保证注入的离子能够进入wafer，并且具有一定的射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加速电极组成管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电极的连续加速，能量增大很多。

与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。

扫描器

离子束是一条直径约1～3的线状高速离子流，必须通过扫描覆盖整个注入区。扫描方式有：固定wafer，移动离子束；固定离子束，移动wafer。离子注入机的扫描系统有电子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常用的是静电扫描系统。

静电扫描系统由两组平行的静电偏转板组成，一组完成横向偏转，另一组完成纵向偏转。在平行电极板上施加电场，正离子就会向电压较低的电极板一侧偏转，改变电压大小就可以改变离子束的偏转角度。静电扫描系统使离子流每秒钟横向移动15000多次，纵向移动移动1200次。

静电扫描过程中，wafer固定不动，大大降低了污染几率，而且由于带负电的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这样就可以避免被掺入到wafer当中。

终端系统

终端系统就是wafer接受离子注入的地方，系统需要完成Wafer的承载与冷却、正离子的中和、离子束流量检测等功能。

离子轰击导致wafer温度升高，冷却系统要对其进行降温，防止出现由于高温而引起的问题，有气体冷却和橡胶冷却两种技术。冷却系统集成在Wafer载具上，wafer载具有多片型和单片型两种。

离子注入的是带正电荷的离子，注入时部分正电荷会聚集在wafer表面，对注入离子产生排斥作用，使离子束的入射方向偏转、离子束流半径增大，导致掺杂不均匀，难以控制；电荷积累还会损害表面氧化层，使栅绝缘绝缘能力降低，甚至击穿。解决的办法是用电子簇射器向wafer表面发射电子，或用等离子体来中和掉积累的正电荷。

离子束流量检测及剂量控制是通过法拉第杯来完成的。然而离子束会与电流感应器反应产生二次电子，这会正常测量偏差。在法拉第杯杯口附加一个负偏压电极以防止二次电子的逸出，获得精确的测量值。电流从法拉第杯传输到积分仪，积分仪将离子束电流累加起来，结合电流总量和注入时间，就可计算出掺入一定剂量的杂质需要的时间。

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离子注入工艺

沟道效应

入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离子被反射而远离wafer。注入内部的原子会与晶格原子发生不同程度的碰撞，离子运动过程中若未与任何粒子碰撞，它就可到达wafer内部相当深的地方，这就是沟道效应。

沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在wafer表面淀积一层非晶格结构材料或事先破坏掉wafer表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应。

退火

离子注入会对晶格造成损伤，注入剂量较大时，wafer将会由单晶变成非晶，通过退火能修复晶格缺陷。

缺陷修复需要500℃的温度，杂质的激活需要950℃的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。高温炉退火是在800～1000℃的高温下加热30分钟，因会导致杂质再分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在1000℃的高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。

颗粒污染

离子注入对颗粒污染非常敏感，wafer表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时需采取纠正措施。

• 注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单一。而且注入环境清洁、干燥，大大降低了杂质污染。

• 注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达±1%；

• 注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等都可以作为注入时的掩蔽层。衬底温度低，就避免了高温扩散所引起的热缺陷；

• 离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底中的固溶度限制；

• 对于化合物半导体采用离子注入技术，可不该变组分而达到掺杂的目的；

• 离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少了；

离子注入工艺的应用

改变导电类型，形成PN结，如形成源、漏以及阱等；

改变起决定作用的载流子浓度，以调整器件工作条件；改变衬底结构；合成化合物。

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离子注入质量检测

离子注入层的检查与扩散层的检测项目、检测方法基本相同。

颗粒污染

测量检测wafer表面的颗粒数，颗粒会造成掺杂的空洞。颗粒的可能来源有：电极放电；机械移动过程中的外包装；注入机未清洁干净；温度过高造成光刻胶脱落；背面的冷却橡胶；wafer处理过程产生的颗粒。

剂量控制

掺杂剂量不合适导致方块电阻偏高或偏低。掺杂剂量不合适的原因有：工艺流程错误；离子束电流检测不够精确；

离子束中混入电子，造成计数器计算离子数量的错误，导致掺杂剂量过大；退火问题。

超浅结结深

掺杂剖面不正确，高温会造成杂质再分布，增加结深以及横向掺杂效应；沟道效应影响离子的分布。

总结：通过一周的半导体的实习，给我印象最深的是半导体工艺的离子注入工序，离子注入听起来简单但是做起来相当的麻烦，而且离子注入机也是非常的昂贵，而且一台机器只能注入一种离子，比如P离子，而不能注入B离子，大剂量和小剂量用的机器也是不同的，大剂量的机器可以注入小剂量，但小剂量的机器不能注入大剂量，在做片的时候要调整好磁分析器，把想要的离子挑出来，调好加速电压，灯丝电流，最重要的是束流，也就是离子的电流大小，这直接关系到注入的时间，相同剂量束流越大，注入时间越短。