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GSD / 200 E2 离子注入机的组成及工作原理（一）

2022-12-13

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离子注入机简介

2022-12-12

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离子注入原理

2022-11-18

半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质。为了使半导体材料能够在半导体器件中制成 p-n 结，电阻器，欧姆接触以及互连线，需要对半导体进行掺杂以改变材料的电学性质，从而制成真正的半导体器件。        掺杂就是将所需的杂质按所要求的浓度与分布掺入到半导体材料中，掺入杂质的种类、数量及其分布对器件的影响极大，必须加以精确控制，因此掺杂是半导体制造中的一道重要工艺。 在集成电路制造中，掺杂主要采用两种方法：扩散法和离子注入法。扩散法就是利用高温将杂质掺入到半导体材料中，因为在一定的温度条件下，杂质原子具有一定的能量，它能够克服某种阻力进入到半导体中，并在其中作缓慢的迁移运动，这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中。扩散运动只是从浓度高的地方向浓度低的地方移动，移动的快慢与温度、浓度梯度有关。一般讲高浓度深结掺杂采用热扩散，而浅结高精度掺杂采用离子注入。由于离子注入可以严格地控制掺杂量及其分布，而且具有掺杂温度低、横向扩散小、可掺杂的元素多、可对各种材料进行掺杂、杂质浓度不受材料固溶度的限制等特点，所以离子注入目前己被广泛地采用。尤其是对于MOSVLSI 器件，需要严格控制开启电压，负载电阻等，一般的热扩散技术已不适用，必须采用离子注入。 所谓离子注入就是先使待掺杂的原子(或分子)电离，再加速到一定的能量，使之注入到晶体中，然后经过退火使杂质激活，达到掺杂的目的。当高能量的离子进入晶体后，不断地与原子核及核外电子碰撞，然后逐渐损失能量，最后停止下来。离子进入单晶后的运动，可分为两种情况：一种是沿着晶轴的方向运动，在晶格空隙中穿行, 好象在“沟道”中运动一样，它和核外电子作用使原子电离或激发，由于离子质量比电子大很多，每次碰撞离子能量损失很少，且都是小角度散射，散射的方向是随机的，多次散射的结果离子运动方向基本不变。这种离子可以走得很远，称沟道离子。另一种是离子的运动方向远离晶轴，因此它们与原子核相碰撞，因两者质量往往是一个量级，一次碰撞可以损失较多的能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置，它变成一个新离子，它可以继续碰撞另外一个原子核，由于原子核的碰撞损耗较多能量，所以它们走的路径也较短。这段从进入晶体后与原子核碰撞而停止的距离就是结深。不同能量的离子，行走的距离也就不同，所以我们就可以通过调节离子能量的大小来控制制品的结深。 在实际的注入掺杂工艺中,为了提高注入的重复性，应尽量避免发生沟道注入，而使注入离子尽可能停留在晶格上(事实上注入离子的很大部分并不正好处于晶格点阵上)，这就必须控制好离子束与晶体主轴的角度。由于两者间的夹角比较难控制，所以注入时一般使离子束与晶体主轴方向偏 7°-10°（常用为7°），使大多数离子停留在晶格上。离子对原子核的碰撞，会使一部分原子核离开晶格位置，形成一个碰撞与位移的级连，在靶中形成无数空位与间隙原子，这些缺陷的存在将使半导体中的载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的性能。当注入剂量很大时(剂量单位:注入的离子数/每平方厘米)可使单晶硅严重损伤以至于变成无定形硅。因此离子注入后往往需要通过退火使靶材料恢复晶体状态，并且使注入的离子激活——即把不在晶格位置上的离子运动到晶格点阵上，起到电活性掺杂作用。

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离子注入的优点

2022-09-23

➊ 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度 离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量，精确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。 ➋ 可以获得任意的杂质浓度分布 由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点采用多次叠加注入，可以获得任意形状的杂质分布，增大了设计的灵活性。目前多种产品的部分结构均采用多次叠加注入使产品性能提高。 ➌ 杂质浓度均匀性好、重复性好 用扫描的方法控制杂质浓度均匀性。目前部分厂家已开发出部分区域补偿注入的机型，可有效提升产品片内均匀性。 ➍ 注入源多样性 原则上，任何元素都可以用作注入离子，注入元素和基质材料的选择不受限制，形成的结构不受热力学参数（扩散、溶解度等）的限制； 另外，离子注入还有掺杂温度低（<100°）、沾污少、横向扩散少等优点。

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半导体晶圆制造等领域的关键设备之一

2022-09-23

在半导体晶片制造中，由于纯硅的导电性差，需要添加少量杂质以改变其结构和导电性，从而成为有用的半导体。这个过程被称为掺杂。目前，掺杂方法主要有两种：高温热扩散法和离子注入法。离子注入占据主流地位： 高温热扩散法：将掺杂剂气体引入带有硅片的高温炉中，并将杂质扩散到硅片中的方法。由于难以控制精度和热扩散中的高热缺陷的缺点，它在当前工艺中很少使用。 离子注入方法：通过离子注入机的加速和引导，将要掺杂的离子以离子束的形式注入材料中。离子束和材料中的原子或分子发生一系列物理和化学反应，入射离子逐渐失去能量，导致材料表面的成分、结构和性质发生变化，最终停留在材料中以优化或改变材料的表面性质。离子注入具有能量和剂量精确控制、掺杂均匀性好、纯度高、温度低、不受注入材料影响等优点。

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离子注入机：半导体四大核心设备之一

2022-09-23

近年来，为了快速突破集成电路国产化瓶颈，国产离子注入机也得到了国家政策的重点支持。 2014年，在《国家集成电路产业发展促进纲要》中明确指出，要加强集成电路设备、材料和工艺的集成，发展光刻机、刻蚀机、离子注入机等关键设备，开发光刻胶、大规模硅片等关键材料，加强集成电路制造企业与设备材料企业的合作，加快产业化进程，增强产业支撑能力； 2017年，国家发改委发布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》（2016年版）指出，集成电路设备主要包括用于6英寸/8英寸/12英寸集成电路生产线的光刻机和蚀刻机，离子注入机、退火设备、单晶生长设备、薄膜生长设备、化学机械抛光设备、封装设备、测试设备等。集成电路离子注入机包括在目录范围内； 2018年，工业和信息化部发布了《第一（套）重大技术装备推广应用指导目录》，其中也包括离子注入机。

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