半导体制造设备系列(5)-离子注入机

为改变半导体载流子浓度和导电类型需要对半导体表面附近区域进行掺杂。掺杂通常有两种方法：一是高温热扩散法，即将掺杂气体导入放有硅片的高温炉，将杂质扩散到硅片内的一种方法；二是离子注入法，通过离子注入机的加速和引导，将要掺杂的离子以离子束形式入射到材料中去。离子注入机是集成电路前道工序中的关键设备。

一、离子注入机的工作原理：

离子注入机主要由五部分组成：离子源、磁分析器、加速管或减速管、聚焦和扫描系统、工艺腔(靶室和后台处理系统)。各部分功能如下：

1、离子源：用来产生离子的装置。原理是通过钨灯丝、射频或和微波等技术制备要掺杂的离子对掺杂源进行离子化，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束， 射向磁分析器； 

2、磁分析器：利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分离，选出所需的掺杂离子，被选离子束通过可变狭缝，进入加速管或减速管； 

3、加速管或减速管：从分析器出来的离子束，经过加速或减速打到硅片内部去，离子经过加速或减速电极后，在静电场作用下获得所需能量；

4、聚焦和扫描系统：离子束离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透镜使其聚焦进入偏转系统，束流被偏转注到靶上； 

5、工艺腔：包括真空排气系统、装卸硅片的终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。    

图1. 离子注入机结构

相比热扩散工艺，离子注入具有以下优势：第一是可以比较精确的控制离子剂量；第二是通过能量选择，可精确控制掺杂数量，同一平面内的掺杂离子均匀度可保证在±1%，可以控制掺杂离子的分布剖面，实现掺杂离子的均匀性；第三是可以使侧向扩散最小化；第四是可以透过表面层掺杂。第五离子注入可以在较低温度进行，像氮化硅、光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜，对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性。

离子注入的缺点是设备昂贵且复杂，而且由于离子碰撞，对晶圆表面的损伤也不可避免。比如高能掺杂离子轰击晶圆表面时容易对晶格结构产生损伤，会产生诸如晶格损伤、空位间隙等缺陷，因此通常在离子注入后会通过退火工艺来消除这些缺陷。另一大缺点是，因为离子注入后掺杂离子会与硅原子发生碰撞而损失能量，能量耗尽后离子会停留在晶圆中的某一位置，因此若想实现更大的离子射程，必须要增加入射离子能量。但在离子能量一定情况下，离子注入是无法实现很深的离子注入分布，因此制作深结节比较困难。

二、离子注入机的分类：

根据离子束电流和束流能量范围的不同， 通常可以把离子注入机分为低能大束流离子注入机、中低束离子注入机和高能离子注入机。不同类型的离子注入机在工艺中的主要应用各有不同。

表1. 离子注入机分类

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