11.9.8束流扫描

 

离子束流具有比晶圆更小的直径(约为1cm)。若要以均匀掺杂覆盖整个晶圆,就要求束流对晶圆扫描。可使用三种方法:束流扫描、机械扫描和快门,以及任意一种或多种组合。

 

束流扫描的系统使束流通过多个静电场电极板(参见图1L33)。电极板的正负电性可受控改变以吸引或排斥粒子束流。通过两个方向上的电性控制,束流会以光栅扫描方式扫过整片晶圆。

图30

束流扫描方式主要用于中等束流离子注入机注入单片晶圆。其过程迅速而均匀,缺点是束流需全部离开晶圆以实现转向。对于大尺寸晶圆来说,其过程会使注入时间延长30%或更多。高束流机器上的另一个问题是高密度离子导致的放电(所谓空间电荷力)会毁坏静电板。宽束流扫过晶圆。在有些系统中,每扫一次晶圆旋转。以确保其均匀性。

 

机械扫描解决扫描问题的方式为使束流固定在一个位置,在其前面移动晶圆。机械扫描主要用在高束流的机器上。优点之一是无须浪费时间扭转束流,同时束流速度恒定。如果晶圆与束流间有一个角度,有可能导致不均匀的注入深度。但在有些情况下,晶圆被定向为与束流有一个角度。束流快门或使用电场或使用机械快门使束流在晶圆上接通,离开晶圆时断开。多数系统使用束流扫描和机械运动的组合。

 

11.9.9终端和靶室

 

实际的离子注入发生在终端的靶室内。它包括扫描系统与装卸片机械装置。对靶室有几条很严格的要求,晶圆必须装载到靶室内和抽真空,晶圆必须逐一放到固定器上,注入结束后,晶圆被取下装入片架盒,从靶室取出。

 

现在使用的注入晶圆表面的束流方式有批量式和单片式两种设计(参见图1L34)。批量式效率更高,但是对其维护和对准要求更高。对于批量式,晶圆被放置在一个圆盘上,它可以面对束流转动,使其被扫描。多种运动增加了剂量的均匀性。要加工完一组晶圆,由于增加了装片、抽真空、注入和卸片的时间,单片式设计要求更多的时间。

 

对于终端抽真空,优选是低温泵。在工艺过程中产生的沾污有来自晶圆除气室的氮气和来自光刻胶掩蔽层氢气。低温泵(参见第13章)是捕获型和保持氢气冻结在泵中的潜在危险。

图31

机械运动可能比离子注入本身的时间更长。改进包括装卸片锁,使得装载晶圆时不需要破坏掉靶室的真空。一个大的挑战是在如此多的机械运动下保证靶室内的低微粒数。靶室内防静电器件的安装是关键。静电机械手(没有机械夹具)是一种选择。

 

芯片破碎时的碎片和粉尘会造成污染,需要非常耗时的清洁工作。晶圆表面的污染造成阴影效应,阻碍粒子束流入射。系统必须保持生产速度,系统必须可以快速实现真空以开始注入,同时快速恢复到常压以卸片。靶室可能装有探测器(法拉第杯)以计数影响到晶圆表面的离子数目。这套监测系统使工艺自动化,允许离子束接触晶圆,达到正确的剂量。

 

高束流注入可能造成晶圆升温,这些机器设备通常在晶圆固定装置上有冷却机构。这些机器设备能还装有泛流电子枪(electron flood gun)(参见下图),泛流电子枪被设计为使电荷积累最小化,电荷积累会导致吸附沾染物。

图32

11.9.10离子注入掩膜

 

离子注入的一个重要优点是多种类型的掩膜都可以有效地阻止离子束流。对于扩散工艺,唯一有效的掩膜是二氧化硅。半导体工艺所使用的大多数薄膜都可以被用来阻止束流,包括光刻胶、氧化硅、氮化硅、铝以及其他金属薄膜。下图比较了阻碍200kev的不同杂质源注入所需的掩膜厚度。

 

使用光刻胶薄膜而不是刻蚀开的氧化层作为掩膜提供了与剥离(lift-off)工艺相同的尺寸控制优势,取消了刻蚀步骤以及它所引入的变化。使用光刻胶还会使生产效率更高。作为二氧化硅的替代物,将晶圆要经过的加热步骤减到最少,从而提高了整体良晶率。

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11,10离子注入区域的杂质浓度

 

离子注入后晶圆表面的离子分布与扩散工艺后的分布不同。扩散工艺中杂质原子的数量和位置由扩散定律、时间和温度决定。离子注入工艺中,原子数量(剂量)由束流密度(每平方厘米面积上的离子数量)和注入时间来决定。

 

晶圆内部离子的具体位置与离子能量、晶圆取向、离子的停止机制有关。前两个是物理的因素。入射离子的质量越大和/或能量越高,在晶圆中移动越深。晶圆取向影响到停止位置是由于不同晶面上原子密度的不同,而离子是被晶圆原子停住的。

 

晶圆内部,粒子的减速及停止基于两种机制。正离子由于晶体内部带负电的电子而减速。另外的交互作用是与晶圆原子核的碰撞。所有使停因素都是变化的;离子的能量是有分布的,晶体不是完美的,电的交互反应与碰撞会发生变化。最终的影响是离子停在晶圆内一定的区间范围(参见下图)。它们集中在一定的深度处,称为投影射程(projected range),两侧浓度逐渐降低。额外的注入产生相似的分布图形。不同离子的投影射程如下图所示。从数学意义上讲,离子分布的形状是高斯曲线。入射离子与晶圆体的结发生在入射离子浓度与体浓度相同的地方。

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