中束流离子注入机.doc

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1、M/C 离子注入机离子注入机 1. 概述概述 在半导体行业中，离子注入的机台主要分为高能量（H/E） ，大束流（H/C） ， 中束流（M/C）三种。这里主要介绍的是中束流的离子注入机台。 中束流机台（Medium Current）一般是单个晶片进行注入，注入的剂量一 般在 1E11 到 1E14 之间，而能量则在 5kev 到 200kev 之间。 我们经常用到的 4 种离子为： 1 B 12Kev 1.6E12 30A 2 B 185Kev 2.254E13 156A 3 P 20Kev 6E13 850A 4 As 200Kev 2.7E12 50A 2. M/CM/C 机台介绍机台介绍

2、2.12.1 型号型号 我们常见的 M/C 型机台是 Nissin 公司生产的 Exceed2000AH 型，另外还有 Axcelis 公司生产的 NV-8250 型和 Varian 公司的 EHPi 500 型。下面给出的是 Nissin 的 Exceed2000AH 的外观图 机台的基本情况为： 3200W * 6385L * 2600H 重量为 17，500Kg, 地板承受的压力为 1000Kg/m2 其中，控制面板如图所示。 2.22.2 工作原理工作原理 离子植入的基本原理就是把气体或固体源的原子离子化，然后对离子进行 选择，把所需的离子进行加速，达到所需的能量，注入到硅片中的过程。

3、 下面就是整个机台的俯视图，主要分为 End Station, Beam Line, Ion Source 三个大的部分。 2.32.3 主要部件主要部件 2.3.12.3.1 离子源（离子源（Ion Source） 。 因为我们要注入的杂质是有一定的能量的，所以必须对杂质进行加减速， 而只有带电微粒才能在电场的作用下加减速，因此要使杂质离子化。离子源就 是用电子撞击气体分子，得到我们所需要的离子的部件。离子源包括 Arc chamber 和 Extraction electrode 系统。 1 Arc chamber. Arc chamber 是利用灯丝加热，放出电子，然后电子撞击通入的气体

4、分子， 得到离子。通常在 chamber 上安装磁铁，使电子在磁场中螺旋运动，增加运行轨迹， 使电子撞击的机率增大。 下图是 Arc chamber 的结构示意图： 图中的 Reflector 上有负的电位，这样就不会吸收电子，减少电子到达的机会， 就能够因碰撞而产生更多的离子。 2 Extraction electrode 离子产生以后，我们必须把它从 Arc chamber 中吸取出来，因此在 Arc chamber 上加 40kv 的正电压，Extraction electrode 系统的另一端接地，这样正离子就从 Arc chamber 的窗口中被吸出来，获得 40kv 的能量。 离子

5、撞在接地的 electrode 上，会产生电子，在电场的作用下撞击 Arc chamber，会损坏 Arc chamber 和产生 X-ray，为防止这种现象，我们在 chamber 和 接地的 electrode 之间加上一个-2kv 的 suppression electrode，来收集电子。 Extraction electrode 的结构如图所示： 因此，Arc chamber, Suppression electrode 和 Grounded electrode 各处的电势可 以用下图进行表示。 2.3.22.3.2 法拉第系统法拉第系统 （faraday cup system） 上

6、图是几种法拉第系统的外观图。 在 M/C 的机台中，法拉第系统是比较多的，常用到的有 FEM 法拉第， Dose 法拉第，Front 法拉第和 Back 法拉第。 法拉第系统中用一个 Faraday Cup 用来接收离子束，然后用导线接地，接 收到一个离子，就会有一个电子来中和，我们测出流过的电子数，就可以知道离 子数。在 Faraday Cup 上要加磁场，是离子束中的电子不能进入 Faraday Cup, 而 离子撞击 Faraday cup 产生的电子又出不去，这样就保证了测量的准确性。 2.3.32.3.3 磁场分析磁场分析 因为从 Arc chamber 里吸取出来的离子并不都是我们

7、想要的,所以我们就利用磁 场来做分析.带电离子在磁场中会受到力的作用发生偏转,不同的荷质比,偏转的 角度就回不一样. R = (2mE)/qB = (2mV/q)/B 质量 m; 电荷 q; 能量 E; 吸取电压 V; 磁场强度 B. 其中 m/q 的不同,离子在磁场中的偏转半径不同. M/q 大的离子半径大, 在同 样的磁场中偏转的角度不够,m/q 小的离子偏转半径小,偏转角度过大,我们调节磁 场的大小,就可以使只有我们所需要的离子才能通过磁场,这样就不会对硅片造成 污染. 与其他两种机台不同的是中束流机台在加速前后都有磁场分析，分别称为 SAM 和 FEM，即离子源分析磁场（Source

8、Analyzer Magnet）和能量分析（Final Energy Magnet） 这样，即使因误差很小，在 SAM 没有被分离出来的杂质，经过加速后，误差 被放大，在 FEM 处也会被分离出来，不会造成污染。 2.3.42.3.4 MASS SPECTRUM AND MASS RESOLUTION Calculation of mass resolution: m/dm = BP/2(BH BL) Ip 31P+ Ip 31P+ Ip/2 Ip/2 31P2+ 31P+ BL BP BH 在离子束通过磁场的时候，进行测量分析，我们通常使用质谱法。 r = (2MV/q)1/2/B 所以，

9、B = (2MV/q)1/2/r 如果我们得到 BP = 4100 BL = 4086 BH = 4106 则 m/dm = 4100/2(4106 4086) = 102.5 2.3.52.3.5 聚焦聚焦 (Focus)(Focus) 我们得到的离子束是带正电的，由于电荷间相互力的作用，会使得离子束到 最后越来越发散，不能正常的注入，所以我们必须进行聚焦。 1. 磁场聚焦 在一般的机台中磁场只起到分析的作用，但在 M/C 机台中对磁场进 行调整，以起到聚焦的作用。 离子束经过磁场的时候，受到磁场力的作用，会发生偏转，我们适当改变磁场 的形状，就会是从磁场出来的离子束既达到选择，又达到聚焦的

10、效果。 如图，由于磁场两极不平行，离子束会受力向中间聚拢，达到聚焦的效果。 2. 加速电场聚焦。 除了经过磁场的时候会聚焦以外，离子束在加速电场里也会聚焦。 上图是加速管的外观图，在加速管中，离子束受到电场力的作用，具体受力 情况如下， Diverging Focusing 如图，在离子束被加速的过程中，由于受到电场力的作用，离子在 被加速的同时，还受到压缩力的作用，即加速电场也有聚焦的作用。 2.3.62.3.6 加速加速/ /减速装置减速装置 因为离子经过 Extraction electrode 所获得的能量并不一定就是我们 最后所需要的能量，还应该经过加速或减速装置来增加或减少能量。离

11、子带正电， 由电势高的地方出发，到达电势低的地方，就会速度增加，能量上升，反之亦然。 M/C 注入的能量一般在 5-200KeV 左右。 加速装置是由几组电极组成，电位从高到低，离子束经过，在电场力的作用 下被加速，使离子获得我们所需要的能量。减速装置的情况刚好相反。由于我们 所需要的能量一般都是很高的，所以只能用几组电极分几段来加速，这样使离子 束不断变快。 由此，我们可以得到离子束在整个过程中能量的变化情况。 ，用下面的示意 图来表示。 E (kev) 120 80 40 Source Extraction Accel 2.3.7 扫描系统扫描系统 在前面的系统中，我们都称为离子束，但是我

12、们希望打到硅片上的是一条线， 可以减少硅片的机械运动，因此，需要用一个扫描系统 Negative pole + Positive pole 如图采用电扫描，在上下两快极板上接电压，离子受到电场的作用发生偏转， 我们可以改变极板上的电性，使得离子可以偏向不同的角度，以达到扫描的效果。 2.3.8 准直器准直器 在离子经过扫描系统后，由于机台设计的原因，离子束并不是正对着晶片， 我们要用一个装置改变离子束的方向，类似与光学里的棱镜一样，我们用一个磁 场来实现。 2.3.9 PFG 系统。系统。 Xe+ Wafer e- e- Ion beam Reflector -5V 上图是 PFG 系统的简单

13、示意图。 我们从磁场分析后的离子主要是带正电的离子，由于电荷的排斥力，离子 束会越来越发散，不能满足要求，所以就要用到 PFG。PFG(Plasma Flood Gun) 是 利用灯丝发出电子，撞击充入的 Xe, 形成 Plamsa，用-5V 的电压将电子吸出，加 入到 Beam 里面，使得离子束不会发散。 PFG 的另一个作用是发出的电子随离子束达到晶片表面后，与离子所带的 电荷发生中和，使得晶片表面呈现电中性。 2.3.10 End Station M/C 机台一般是单晶片注入，所以没有其他机台所需的 Disk, 由 Transfer Robots 将晶片从 Wafer Cassette

14、里传到 Target Chamber, 晶片在 Target Chamber 被固定，偏转，完成最后的注入。 2.3.11 Dose 控制控制 我们在离子注入的时候，需要控制 Dose 量，而现在只能通过 Dose 法拉第 先 测出离子束的大小，然后根据需要注入的量来算出注入的时间。而 M/C 注入机可 以用 Front 法拉第和 Back 法拉第来测出某一时刻离子打在晶片的什么地方。如图 是前后两个法拉第的示意图。 我们可以用数学的方法来计算， Xb Xw Xf Front Wafer Back Zf Zb 由图，我们可以得出以下结论： tan = (Xb Xf)/ (Zb Zf) 这样就可以得到此时离子注入在晶片的什么位置。 3 总述总述 离子注入是半导体工艺里很重要的一环，同时，由于机台内部很多地方是 高压，而且有很毒的气体和强的磁场，另外还有 X 射线的辐射，所以要求我们 在操作的时候，要严格按照操作规范，保护好自己的人身安全。晶片在经过离 子注入以后，需要进行快速热退火处理。