半导体行业之离子注入工艺（十）

01

后段加速

当质谱仪选择了所需的离子后，离子将进入后段加速区域，射束电流与最后的离子能量被控制在该区内，离子束电流利用可调整的叶片控制，而离子能量则由后段加速电极的电位控制。离子束的聚焦和射线形状被界定孔径及电极控制。下图显示了射束电流控制及后段加速装置。

对于主要用于阱区与深埋层注入过程的高能离子注入机，需要将数个高压加速电极沿着射线方向串联在一起，这样可以将离子加速到几百万电子伏（MeV）的能量等级。应用在超浅型结（USJ）注入的离子注入机，特别是用于P型硼的注入，后段加速电极以反向方式连接，这样离子束才会在经过该电极时被减速而不是被加速，产生能量低于0.1keV左右的纯净离子束。

某些注入机后段加速之后，将用一个电极将离子束弯曲一个小角度，例如10°，从而有助于摆脱高能量的中性粒子。当离子的轨迹弯曲并向晶圆移动时，中性粒子保持直线运动（见下图）。有些注入系统将离子弯曲两次,并形成“S”形轨迹，这样可以获得纯度更高的离子源。

02

电荷中性化系统

当离子注入进入硅衬底时，会将正电荷带入晶圆表面。如果正电荷一直积累，就可能造成晶圆的带电效应。带正电荷的晶圆表面将倾向于排斥正离子，这样将引起所谓的射线放大和不均匀的离子注入，并导致整个晶圆上的掺杂物分布不均匀（见下图）。

当表面电荷浓度过高时，电荷产生的电场可能高到足以使薄的栅氧化层击穿，从而将严重影响集成电路芯片的成品率。当积累的正电荷增加到某一程度时，会以电弧的形式放电，电弧的火花将在晶圆表面上造成缺陷。

为了处理晶圆带电问题，需要使用大量带负电荷的电子中和晶圆表面的正离子。有几种方法可以使晶圆中性化:等离子体注入系统、电子枪和电子淋浴器都可以提供电子中和正离子,将晶圆的带电效应降到最低。下图显示了一个等离子体注入系统。

在等离子体注入系统中，热电子从热的鸨丝表面发射出来并通过直流电源加速。这些热电子将在反应室中与中性原子碰撞产生带有电子与离子的等离子体。等离子体中的电子会被吸入离子束中与离子一起流向晶圆表面，形成的等离子体将中和晶圆并将晶圆的带电效应降到最低。

下图说明了一个电子枪系统。热电子由热灯丝产生并以高能量加速到电子靶上。电子与靶碰撞后产生大量二次电子，这些二次电子由靶的表面通过撞击离开表面后与离子束一起流向晶圆中和晶圆表面的正离子。

03

晶圆处理器

晶圆处理器最重要的作用是在整个晶圆表面形成均匀的离子注入。离子束的直径大约为25mm（约1in）。通常需要移动离子束或移动晶圆，而且有些注入机中两者都需要移动，通过移动使离子束均匀扫描整个晶圆，晶圆直径可以是300mm的大尺寸。

对于旋转轮系统，旋转轮能高速自旋。当晶圆通过离子束时，离子会以离子束的弧形带状形式注入到晶圆的部分区域。转轮的中心会前后摆动，从而可以使离子束均匀地扫描到旋转轮的每个晶圆部分。下图说明了一个旋转晶圆的支撑系统。