离子注入介绍

目录第一章离子注入原理第二章离子注入机简介第三章 GSD 200 E2离子注入机的组成及工作原理第一节 GSD 200 E2离子注入机的技术指标第二节 GSD 200 E2离子注入机的机械结构1.离子源部分 source component2.束线部分beam line component3.靶盘及终端台部分end station component 第四章安全注意事项第一章离子注入原理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,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7o-10o,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,从而影响器仲的性能.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.第二章离子注入机简介根据不同的工艺,对离子注入有不同的要求,比如结深,剂量,均匀性,重复性等等,但是其中最基本的要求是结深和剂量.为了满足这两个要求,人们就设计了各种不同的注入机.我们知道结深与离子的能量有关,为了获得不同的结深可以通过调节注入离子的能量来实现,由此就出现了高能注入机,低能注入机.比如axcelis 生产的GSD/VHE高能注入机的能量为P＋ 10-1400KeV,B＋ 10-1600KeV.而axcelis生产的GSDIII/LED低能注入机的能量为0.2KeV-80KeV.所以仅这两种注入机就复盖了从0.2KeV-1600KeV全部能量范围.但仅有结深要求还是不够的,我们还需对掺杂离子的剂量有所要求,一般情况下掺杂离子的剂量与注入机输出的离子束束流有关,为了获得不同的剂量就可通过调整束流来实现,由此就出现了高电流注入机,中电流注入机.比如axcelis生产的GSD/200E2高电流注入机,在30KeV-160KeV情况下都能提供20mA束流(P＋和As＋).axcelis的8250HT中电流注入机,在3KeV-750KeV 情况下其束流在0.12mA-3.0mA可调(P＋).但是注入机按能量与束流的分类并非十分严格,但就一般而言,高能机的束流就小一些,高电流机的能量就低一点.虽然注入机的种类较多,但它们的工作原理还是基本相同的,尽管在结构上各有所异.离子注入机就是一个对所需的杂质分子进行电离,从而产生所需的离子,通过高压电场和磁场的作用,使离子获得足够的能量,均匀地注入到硅片上的一种专用设备.注入机本体可分为三大部分:离子源,束线部分,靶室及终端台.离子源.自由电子在电磁场的作用下,获得足够的能量后撞击掺杂气体分子或原子,使之电离成离子,再经吸极吸出,通过聚焦成为离子束,然后进入束线部分.所以离子源就是产生有能量的离子束的地方.束线部分.当离子进入束线部分后它将经过多道处理,以使我们得到所需要的离子.主要经过磁分析器,聚焦透镜,旗法拉弟,电子浴发生器等.事实上不同注入机的最大区别就在束线部分.我们可以在磁分析器后加上后加,减速电极,使离子能量增加或减少.可以在磁分析器后加上线性加速器使之变成高能注入机.也可以在磁分析器后加上离子水平和垂直扫描装置,实现电子扫描(非机械扫描).还可以在束线加速未端加上能量分析器,从而筛选出我们所需要的能量的离子.由于机台的不同,实现这些功能的结构或设备也有所不同.靶室及终端台从束线部分出来的被加速的离子最终到达靶室的硅片上实现离子注入.根据不同的机械结构,处于靶室中的硅片有的处于静止状态,有的处于垂直方向往复运动,也有的同时做垂直和旋转运动.另外处于靶室中的硅片为了工艺需要,常常将硅片平面调整到与束流成某一角度的位置.靶室与终端台的另一个作用就是实现硅片的装载与卸载.这是一套复杂的机械系统,为了适应程序化,自动化的需要,各注入机的终端台硅片传送系统也有很大不同.以上就是离子注入机的基本结构和工作原理.第三章 GSD / 200 E2离子注入机的组成及工作原理GSD / 200E2是美国axcelis公司生产的高电流离子注入机.经过多次改进,设备的性能有了很大提高.我们公司有两台GSD / 200E2，下面就主要参照GSD/ 200E2来介绍离子注入机的组成及工作原理。

第一节GSD / 200 E2离子注入机的技术指标1.离子束能量.80KeV 形式:2 – 80KeV (也可选90KeV)160KeV形式:5 – 160KeV (也可选180KeV)2.80KeV注入机的最大束流＋ ( mA )75AS ( mA ) 31P ( mA ) 能量(KeV) 11B ( mA ) BF22 1.0 - - -225 4.53.510 10 8 7 6108 1220 10202030 108.540-80 10 9 20 202090 109 20注:此束流从靶盘法拉弟测得.3.160KeV注入机的最大束流能量 (KeV) 11B ( mA ) BF( mA ) 75AS ( mA ) 31P ( mA )25 3.5 2 1.5 1.5610 8.5571010820 920208.530 940-80 9 9 20 2090-160(180) 9 9 20 20 注:此束流从靶盘法拉弟测得.4.最小束流10uA5.注入剂量5E11 – 1E16 原子数/平方厘米6.机械流片量硅片直经 (mm) 批处理数 ( 片 )流片量 ( 片 )最长注入时间(秒)200 13 220 73 150 17 239 96 125 20248 1117.靶盘角度转换│α│+│β│≤11,α或B ≥10±0.50(GSD 设定)8.设备真空部 位 真空泵形式 真空值离子源部分 source housing SEIKOA2203C(2000 L/S) Turbo-Molecular pump ≤5E-7 束线部分 (分析磁铁及后加速) beamline ( 160KeV) Leybold TMP (1000 L/S )≤5E-7 束线部分(不含靶盘腔) beamline/resolving housing CTI-8 On-Board Fast Regen≤5E-7 束线部分(不含分析磁铁及后加速) resolving housing/process chamber CTI-10 On-BoardFast Regen ≤5E-79.硅片温度控制硅片的最高温度不可超过100C 0,因此要控制注入离子的剂量不能超过1E16.因为1E16剂量就相当于2700瓦的束流功率.10.颗粒度颗粒大小 (um ) 硅片正面颗粒累计值 ( cm 2 ) ≥0.30 ≤0.05 ≥0.20 ≤0.11 ≥0.16 ≤0.1811.ELS 离子源的使用寿命离子种类束流状况使用时间(小时) 11B和BF最大束流≥80275AS 和31P (50% 混合)最大束流≥125最大束流X 80% ≥16812.自动引束源的状态引束时间 ( 分 )冷固态源 45冷气态源 15气体-固体 15固体-气体 15气体-气体 5能量变化 5第二节GSD / 200 E2离子注入机的机械结构GSD / 200E2离子注入机由离子源,束线部分和靶盘终端台组成.其基本结构如图.下面是两种不同机台的结构组成图.图1是GSD-160KeV.图2是GSD-80KeV.图1 GSD-160KeV机械结构图2 GSD-80KeV机械结构两种机台的不同之处在于160KeV的注入机多了后加速这部分. 下面介绍这三大组成部分.1.离子源SOURCE离子源是产生离子的地方,我们知道产生离子的方法有许多种,比如高压电离等.但在离子注入机中常用的离子源是采用电子撞击气体分子或原子产生离子.当气体进入起弧室后将进行气体电离.起弧室内有灯丝,阴极,反射板.灯丝被加热后就会发射电子,由于起弧室内存有一定浓度的气体粒子,灯丝发射的电子就会撞击这些粒子,使粒子外层的电子脱离原来的运行轨道成为自由电子而粒子则变成带正电的离子.这就是电离的简单过程.起弧室内产生了离子后,怎样把离子引出来呢?假如在起弧室外的某一位置放一个电极,在起弧室与电极之间施加一定的电压,而且电压的极性是放电腔端接正,电极端接负,在此电场的作用下,带正电的离子就会向电源负极的电极运动,从而把离子引出来.离子源的工作过程就是先产生离子然后把离子吸引出来并给予其一定的能量通过聚焦等一系列过程进入到下面的磁分析器.但是为了进行更好的电离,减少X射线,使离子束聚焦,事实上还有很多辅助环节.下面将对离子源部分进行分解.离子源的组成离子源由四大部分组成,分别是气体箱gas box,离子源头source head,吸极extraction electrode和离子源腔source housing.如图3.图3 source部分机械结构1).离子源头SOURCE HEAD离子源头结构离子源头中包括起弧室arc chamber,蒸发器vaporizer,灯丝filament,反射板repeller.图4 source head结构离子源头的功能和工作原理起弧室和蒸发器都安装在离子源头的壳体上.蒸发器就是一个园筒型的坩埚,坩埚外层缠绕加热线圈.因为我们所用的离子源材料可以是固体也可以是气体,对于固体源一定要先转换成气体源才能电离.所以必须把固体源放入蒸发器内加热使其气化,然后把蒸气导入起弧室电离.在使用固体源时需要注意几点:第一,加装时要注意安全,对于有毒,易燃源要做好相应的防护措施.第二,加装源要适度,加得太满反而不易产生蒸气.加得太少要频繁停机加源,影响生产.第三,不同固体源有不同的气化温度,所以要正确地设定加热温度.第四,停机要注意离子源的降温,氮气冷却要保持一定的时间.为了保持离子浓度,我们要求连续地供入气体,但对固体源束说,一旦固体用完就没有蒸气了,所以我们需留意,适时地加入固体源.灯丝,阴极和反射板装在起弧室内.起弧室是用钼材料制成的腔体,其盖板上的狭缝供通过束流.axcelis注入机,对于不同型号的机器其盖板的材料和形状也不同,所以不能混淆.灯丝,阴极和反射板通过绝缘子与起弧室固定.灯丝供发射电子用,随着使用时间增加,灯丝会变细,此时的灯丝电流就会变小,影响束流,因此要及时更换灯丝.在大束流中换灯丝的频率可能会更高些,这对于连续生产就会有影响.为此axcelis作了改进,推出了长寿命离子源ELS(Extended Life Source).ELS就是在灯丝上面加装了一个金属罩作阴极.当灯丝通电后发热,此热量传递给阴极,使阴极发射出电子.由于阴极罩的表面积远比灯丝大,它发射的电子更多更均匀寿命也更长. 反射板是为了增加电子与气体分子碰撞的机会,使气体分子充分电离,产生更多的离子.为了使离子源正常工作,需对各部件提供必要的电源.其线路如下.由图中可以看到供给灯丝的10V电压用以加热电丝,所以电流比较大.灯丝紧靠阴极罩,但不接触,阴极受到灯丝的热辐射发射电子.在灯丝与阴极间的600V电压,是为了形成阴极电流使阴极能稳定发射的电子.要注意电源的极性,正极接阴极,负极接灯丝.一般情况下电丝电压和阴极电压是不变的.我们知道阴极发射的电子是用来撞击气体分子的,但往往能量较小电离效果不好,所以在阴极与起弧室间加了150V电压,在此电压的作用下,阴极发射的电子被加速,具有一定的动能而向起弧室四壁作定向运动,在运动过程中它就会撞击到气体分子进行电离.我们同样要注意到电源的极性,负极接阴极,正极接起弧室用以吸收电子.在这三个电源中经常调整的是起弧电源,这是因为我们经常要调整束流的大小.一般情况下调整起弧电流就能达到此目的,增加起弧电流就会使电离所需的电子增加,电离效果更好,因此就能产生更多的离子.2).高压吸极EXTRANTION ELECTRODE高压吸极的结构图5 extrantion electrode结构图6 extrantion electrode 结构分解高压电极分为吸极和伺服机构两大部分.吸极包括抑制电极,高压吸极,绝缘子以及电极支架.伺服机构包括直流伺服电机,伺服机构支架.高压吸极的功能和工作原理为了把起弧室内的离子吸出,我们在起弧室盖板的前面安装了一块极板,并在这两者间施加5 – 90kv的直流高压,高压的正端接起弧室,负端接电极,那么起弧室内的正离子就处于高压电场的作用下而向负端电极作加速运动.吸极是一块园形金属板,它中间装有一块石墨槽,离子穿过石墨槽到达了磁分析器. 所以正离子从起弧室吸出并被加速是吸极的笫一个功能.吸极的第二个功能就是聚焦.为了满足不同的能量输出,需要调节起弧室与吸极间的直流高压,对不同的电压,为了保证离子被吸出就要调整两者的间距.对某一直流高压,如果间距大,电场力就小,吸引离子的能力就降低,离子从起弧室出来就成发散状,使穿过吸极的离子量减少.如果将间距调小,电场力加大,吸引离子的能力就增加,离子从起弧室出来就集成一束,使穿过吸极的离子量增加.这就是吸极的聚焦作用.但是,并不是两者的间距越小越好,如果间距太小将造成高压放电,另外间距太小将使焦点后移,从吸极出来的束流将会发散.所以间距应调整到使焦点正好在高压吸极处.吸极的第三个功能就是使离子束中性化离子束中含有大量的正离子,这些正离子间也存在作用力,它们要互相排斥,体现在离子束的形状上,它是随着束流长度的增加而越加发散.显然束流发散对离子注入将产生不利影响.为了克服束流发散,在束流中要掺入适量的电子,使离子束整个成中性.那么这些电子从那里来?当离子束穿过高压吸极的狭缝时,它会撞击狭缝四周的石墨件而产生二次电子,这些电子就充入到束流中,充当了中和离子的角色.伺服机构的功能和工作原理因为我们要调节直流高压,所以根据电压的高低就需要调整吸极的距离,这将通过伺服机构来完成.其中直流伺服电机和与其同轴的高精度可变电阻,组成一位置闭环系统,不同的位置就有不同的电量输出去控制电机转动.电机再通过齿形皮带带动丝杆和吸极前后移动.需要强调的是,离子击打到吸极板上会产生二次电子,二次电子再逆上到高压电源的正极就发出X射线,这是我们要尽量避免的.我们己经知道,随看吸极的前后移动,束流聚焦会发生变化,如果向后移动,束流就可能打到吸极狭缝的四周产生二次电子,如果此时将狭缝放大,束流就可能击打不到狭缝四周边缘.所以GSD 200E2的高压吸极,有一套机械装置,使狭缝的大小可随吸极的前后移动而相应变动,这样就克服了离子束因击打石墨件产生的二次电子.3).离子源腔SOURCE HOUSING离子源腔的结构图7 source housing结构离子源腔是一个金属架构,它上面安装了离子源头及附属安装件,离子源磁铁,高压吸极,高真空泵,和真空腔隔离阀.离子源头虽然安装在离子源腔上,但离子源头和离子源腔不能有电气连接,因为在整个离子源头上要加+90KV直流高压(假设+90KV)而离子源腔以及与之直接相通(指电路上相通)的高压吸极是O电位,所以离子源头与离子源腔之间要绝缘,在设备上我们就能看到一个很大的橙色绝缘环,通过它实现机械连接而电气隔断.然而离子源头还需与其它相关部件联系,比如掺杂气体,工作电源,冷却水,冷却氮气等,这些部件都必须与离子源头绝缘.为此我们把掺杂气瓶,气体控制装置,以及起弧电源,阴极电源,灯丝电源,蒸发器加热电源,离子源控制器都集中在一个气体箱内(gas box),然后在气体箱底部加装绝缘子与机架等部件绝缘.由于气体箱与离子源头是同处于+90kv的高电位,因此必须注意到高压危险.与离子源头相连的冷却水管和氮气管采用绝缘塑料管,冷却水是去离子水,所以这些都不会影响到90kv的绝缘,不过需要注意的是去离子水的绝缘度,如果水的绝缘电阻小于40兆欧就必须更换离子交换器.离子源磁铁是两块电磁铁,它是两个带铁芯的线圈,位于离子源腔的上下两端.离子源磁铁的准确位置就是要保证磁力线能穿过起弧室.那么磁力线穿过起弧室起什么作用?下面对此进行分析.图8 source magnate结构离子源磁铁的功能和工作原理离子源起弧室中的阴极本是向四周无规则地发射电子,如果加上起弧电压它就会向离起弧室最近的壁作定向运动,在运动过程中碰撞气体分子而产生离子.但这里面有一个问题,电子的运动轨迹是一条最短的直线,也就是说仅能在电子直线运动的范围内与气体分子碰撞,大部分范围内气体分子将没有机会被碰撞,影响电离效果.为了增加电子与气体分子的碰撞机会,我们在起弧室内加入磁场,电子在磁场的作用下将会作螺旋状的运动从而大大增加碰撞机会,使电离效果更好.根据电磁学的原理,磁场中的带电粒子会发生偏转,如果带电粒子以垂直于磁场或与磁场成一角度(不能与磁场平行)的速度进入磁场,那么在洛仑磁力的作用下,带电粒子将作园周或螺旋状的旋转运动,其运动半径为R=mvsin θ/qB,我们会发现粒子的运动半径与粒子的运动速度成正比,与磁场强度成反比(对于电子来讲质量与电荷量都是常量).也就是磁场越弱或运动速度越大粒子的运动半径就越大,反之就小.与运动速度相关的是起弧电压,与磁场相关的是磁场电流.这两个物理量都是可控的,我们可以通过调节这两个物理量去控制电子的运动半径.那么半径是大好呢还是小好?这没有一个固定值,但存在一个范围.在这个范围内运动半径都是可以的.但如果超出此范围就不好了,那么会出现什么情况呢?有二种状态.第一,半径很大.己经不能形成螺旋状运动,电子只是作曲线运动,直接到起弧室壁.显然这不是我们所希望的.第二,半经很小.由于半径很小,电子的运动路程将太为缩短,当然与气体分子碰撞的机会也减小,这也是我们不希望的.显然能够在起弧室内,沿内壁作螺旋状运动的半径才是我们所希望的.一般来说起弧电压也不是经常调节的,所以只有调节磁场电流.人们往往通过调整离子源磁场电流来改善电离效果.2.束线部分BEAM LINE束线部分就象一座连接离子源与靶盘间的桥樑。