半导体制造之离子注入工艺简述

电机系统

高压直流电源用于加速离子，大约为200kV的DC电源供应系统被装配在注入机内。为了通过离子源产生离子，需要用热灯丝或射频等离子体源。热灯丝需要大电流和几百伏的供电系统，然而一个射频离子源需要大约1000W的射频供应。需要高电流通过质谱仪磁铁产生强大的磁场弯曲离子轨道，并选择正确的离子产生非常纯净的离子束。电力供应系统需要校正而且必须精确，电力供应的电压与电流必须非常稳定并确保工艺成品率。

真空系统

整个射线必须在高真空状态下减少带电离子和中性气体分子沿离子轨迹发生碰撞的概率。碰撞将引起离子的散射和损失，并且将从离子与中性原子间的电荷交换过程中产生不需要的离子注入，这会造成射线污染。离子束的压力应该降低到使离子的平均自由程比离子源到晶圆表面的轨迹长度还要长。结合了冷冻泵、涡轮泵和干式泵的装置将被使用在射线系统中以达到10-7Torr的高真空。

因为离子注入过程中将使用危险气体，所以注入机的真空排放系统必须与其他排放系统隔离开。当排放气体释放到空气中之前，需要经过燃烧箱和洗涤器。在燃烧箱中，易燃性和爆炸性的气体将会在高温火焰中被氧气中和。在洗涤器中，腐蚀性气体和燃烧的灰尘将被冲洗掉。

控制系统

为了达到设计要求，离子注入过程需要精确控制离子束的能量、电流和离子的种类。注入机也需要控制机械部分，例如装载与卸载晶圆的机器手臂，并控制晶圆的移动使整个晶圆获得均匀注入。节流阀根据压力设置维持系统的压力。

中央控制系统通常是一片中央处理(CPU)电路系统。不同的控制系统将收集注入机内各系统的信号并送到CPU电路板系统中，CPU电路板将处理资料并通过控制电路板将指令传送到注入机内的各系统中。

射线系统

离子射线系统是离子注入机最重要的部分，它包含了离子源、萃取电极、质谱仪、后段加速系统、等离子体注入系统及终端分析仪。下图说明了离子注入机的射线系统。

离子源

掺杂物离子包括:掺杂物蒸气;气态掺杂化学合成物原子;分子的游离放电产生物。热灯丝离子源是最常用的一种离子源。在这种离子源中，灯丝电能供应系统加热鸨丝并在炽热的灯丝表面形成热电子发射。热电子被电压很高的电弧电力供应系统加速后将掺杂物气体的分子和掺杂物的原子分解并离子化。下图显示了一个热灯丝离子源。离子源内的磁场将强迫电子形成螺旋运动，这将使电子行走更长的距离，并增加电子与掺杂物分子碰撞的概率而产生更多的掺杂物离子。负偏压抗阴极电极板会将电子从附近的区域排斥，减少了电子沿磁场线与侧壁产生碰撞的损失问题。

其他种类的离子源，例如射频（RF）离子源和微波离子源，也应用于离子注入的制造过程中。射频离子源使用电感耦合型射频离化掺杂物离子。微波离子源使用电子回旋共振产生等离子体及离子化掺杂物离子。下图显示了射频离子源与微波离子源的示意图。

 

审核编辑：汤梓红