1、2022年8月2日星期二半导体制造技术半导体制造技术-离子注离子注入工艺入工艺目标 至少列出三种最常使用的掺杂物 辨认出至少三种掺杂区域 描述离子注入的优点 描述离子注入机的主要部分 解释通道效应 离子种类和离子能量的关系 解释后注入退火 辨认安全上的危害离子注入 简介 安全性 硬件 制程 概要材料设计光罩光罩IC生产厂房测试封装最终测试加热制程光刻离子注入与光阻剥除金属化化学机械研磨介电质沉积晶圆晶圆制造流程图蚀刻与光阻剥除简介:掺杂半导体 什么是半导体?为什么半导体需要被掺杂?什么是n型掺杂物?什么是p型掺杂物?简介 掺杂半导体 两种掺杂的方法 扩散 离子注入 离子注入的其他应用掺杂半导体
2、：扩散 等向性制程 无法单独控制掺杂物的轮廓和掺杂物的浓度 在1970年代中期以后被离子注入取代.掺杂半导体：扩散 最先用来掺杂半导体 在高温炉中完成 使用二氧化硅光罩 仍然使用在掺杂物驱入(drive-in)在超浅接面形成的应用沉积掺杂氧化层硅基片二氧化硅沉积掺杂氧化层氧化硅基片二氧化硅驱入硅基片二氧化硅掺杂接面剥除和清洗硅基片二氧化硅掺杂接面掺杂半导体：离子注入 用在原子和核的研究 1950年代观念便已被提出 在1970年代中期才被引进到半导体制造.掺杂半导体：离子注入 单独控制掺杂物轮廓(离子能量)和掺杂物浓度(离子束的电流和注入的时间组合控制)非等向性掺杂物轮廓 容易达到重掺杂物(如：
3、磷和砷)的高浓度掺杂.栅极的对准失误栅极氧化层n-型硅n-型硅p+S/Dp+S/D金属匣极金属匣极对准的对准失误的多晶硅多晶硅n+P型硅n+二氧化硅P+离子注入：磷离子注入和扩散的比较光阻二氧化硅硅硅离子注入扩散掺杂区域接面深度离子注入和扩散的比较离子注入控制 离子束电流和注入时间控制掺杂物的浓度 离子能量控制接面深度 掺杂物浓度是非等向性离子注入的应用其他的应用 氧离子注入为了硅覆盖绝缘层(SOI)组件 锗预先非晶化注入在钛薄膜为较好的退火 锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控制.阻滞机制 离子贯穿进入基片 和晶格原子发生碰撞 逐渐失去能量，最后停在基片里面 有两种阻滞机制两种阻滞机制 原子核
4、阻滞 与晶格原子的原子核碰撞 引起明显的散射 造成晶体结构的混乱和损害.电子阻滞 和晶格原子的电子产生碰撞 入射离子路径几乎是不变的 能量的转换非常的小 晶格结构的损害可以忽略阻滞机制 总阻滞力Stotal=Sn+Se Sn:原子核阻滞,Se:电子阻滞 低能量,高原子序的离子注入：主要是原子核阻滞 高能量,低原子序的离子注入：主要是电子阻滞阻滞机制随机碰撞(S=Sn+Se)通道式(SSe)背向散射(SSn)离子阻滞功率与离子速度原子核阻滞电子阻滞IIIIII离子的速度阻滞功率离子轨迹和投影射程投影射程离子的轨迹碰撞离子束真空基片至表面的距离投影射程ln(浓度)投影射程基片表面从表面算起的深度0
5、.0100.1001.000101001000注入能量(keV)投影射程(mm)BPAsSb硅中掺杂离子的投影射程0.000.200.400.600.801.001.20硅(Si)二氧化硅(SiO2)氮化硅(Si3N4)铝(Al)遮蔽层厚度(微米)SbAsPB200keV掺杂离子所需的阻挡层厚度光阻(PR)如果入射角度正确,离子可以不与晶格离子碰撞且行进一个很长的距离 引起一个不是想得到的掺杂物分部轮廓非常少的碰撞非常少的碰撞多数的碰撞多数的碰撞注入制程：通道效应通道效应通道离子碰撞离子晶格原子q晶圆表面碰撞的q晶圆表面碰撞的 通道的碰撞后的通道效应碰撞后的通道效应碰撞碰撞通道掺杂物浓度到表面
6、的距离注入制程：通道效应 避免通道效应的方法 晶圆倾斜,通常倾斜角度是7 屏蔽氧化层 硅或锗的非晶态注入制程 阴影效应 离子被结构阻挡 藉旋转晶圆或在注入后退火期间的小量掺杂物扩散解决阴影效应多晶硅基片掺杂区阴影区离子束阴影效应阴影效应多晶硅基片掺杂区退火及扩散之后问与答 为什么人们不试着应用通道效应以不是很高的离子能量来形成很深的掺杂接面?离子束并非完美的平行，许多离子在穿入基片之后立刻会和晶格原子发生许多的原子核碰撞。一部分的离子可以沿着通道深入基片，而很多其他离子则被阻滞成常态的高斯分佈.损害制程 注入的离子转移能量给晶格原子 原子从晶格的束缚能释放出来 释放出来的原子和其他的晶格原子碰
7、撞 晶格原子释放成自由原子数增多 损害会持续发生直到所有的自由原子停止 一个高能量的离子可以导致数千个晶格原子的偏离位置由单一离子造成的损伤重离子单晶硅单晶硅损伤区损伤区轻离子 离子和晶格原子碰撞并且将晶格原子敲离开晶格的束缚 基片的注入区变成非晶态结构注入注入前前注入后注入后注入制程：损伤注入制程：退火 掺杂物原子必须在单晶体晶格位置且和四个硅原子产生键结，能够有效的提供电子(donor,N-type)或是电洞(acceptor,P-type)从高温获得的热能，帮助非晶态原子复原成单晶体结构掺杂物原子晶格原子热退火掺杂物原子晶格原子热退火掺杂物原子晶格原子热退火掺杂物原子晶格原子热退火掺杂物
8、原子晶格原子热退火掺杂物原子晶格原子热退火掺杂物原子晶格原子热退火掺杂物原子晶格原子热退火退火前退火前退火后退火后注入制程：退火快速加热退火(RTA)在高温下，退火的速度远高于扩散 快速加热步骤(RTP)广泛使用在注入后退火 RTA非常快速(小于一分钟),较好的晶圆对晶圆的均匀性,较佳的热积存控制,和掺杂物扩散的最小化快速加热步骤和高温炉退火多晶硅硅RTP退火高温炉退火多晶硅硅二氧化硅匣极源极/漏极匣极问与答 为什么高温炉的温度无法像RTP系统一样急速上升及冷却?高温炉有非常高的热容量，需要非常高的加热功率以快速升高温度。由于温度会过高(overshoot)或是过低(undershoot)，所
9、以很难做到快速升温而没有大的温度震盪.离子注入：硬件 气体系统 电机系统 真空系统 离子射束线系统离子注入机注入制程气体和蒸气:P,B,BF3,PH3,和AsH3选择离子:B,P,As选择离子能量选择离子束电流下一步骤注入机离子注入机气体柜离子源真空帮浦真空帮浦电机系统电机系统磁铁分析仪离子束终端分析仪晶圆电浆泛注系统离子注入：气体系统 特殊的气体递送系统控制有害的气体 更换气体钢瓶需要特殊的训练 氩气用来吹除净化和离子束校正离子注入：电机系统 高压系统 决定控制接面深度的离子能量 射频系统 部分离子源使用射频以产生离子离子注入：真空系统 需要高度真空以加速离子及减少碰撞 平均自由路径 射束线
10、的长度 10-5 到 10-7 托 涡轮泵和冷冻泵 排放系统离子注入：控制系统 离子束的能量、种类和电流 装载和卸除晶圆的机械部分 控制晶圆的移动，以达到均匀的注入 中央处理单元(CPU)电路板 不同的控制板会收集来自注入机内各系统的讯号，并送到CPU电路板处理 CPU传送指令回到注入机的各系统中离子注入：射束线系统 离子源 萃取电极 质谱仪 后段加速 电浆泛注系统 终端分析仪离子源真空泵真空帮浦质谱仪离子束线终端分析仪晶圆电浆泛注系统后加速电极萃取电极抑制电极射束线系统离子注入机：离子源 热钨灯丝发射热电子 热电子和源气体分子碰撞，使原子分解或离子化 离子从源反应室被萃取并且加速成离子束线
11、射频和微波功率也可以用来离子化源气体离子源电弧电力供应 120V灯丝 电力,0-5V,最高电流 200A+-抗阴极电极板钨灯丝磁铁源气体源或蒸气源电浆电浆磁力线射频离子源射频射频线圈电浆掺杂气体-+萃取电极离子束微波离子源磁力线微波磁场线圈ECR电浆萃取电极离子注入：萃取 萃取电极将离子抽出并加速到约50 keV 必须要有足够的能量才能使质谱仪选择出正确的离子种类萃取系统示意图离子束I离子源电浆萃取电力 60keV抑制电力高达 10kV+抑制电极萃取电极萃取狭缝俯视图终端底盘离子注入：质谱仪 在磁场中，螺旋转动半径和磁场强度与(质量/电荷)比值有关 用来作同位素分离以产生丰富的 U235 只有
12、正确的(质量/电荷)可以穿过狭缝 纯化注入的离子束离子布质机的质谱仪离子束太小的m/q 比值太大的m/q 比值正确的m/q 比值磁场(向外方向)飞行管道BF3 电浆中的离子离子离子 原子量或分子量原子量或分子量10B1011B1110BF2911BF30F23810BF24811BF249问与答 仅20%的硼原子是10B10B+离子浓度仅11B+的1/410B+离子束电流约11B+的1/4 将要耗费四倍的时间注入，生产量较低10B+比11B+要轻，所以在相同能量时可以比11B+穿透的更深。为何我们不使用10B+来做深接面?离子注入：后段加速 增加(有时候减少)离子能量使离子到达组件决定所需的接
13、面深度 电极有高直流电压 可调整的垂直叶片控制离子束电流离子注入：电浆泛注系统 离子造成晶圆带电 晶圆带电会致生非均匀掺杂与电弧缺陷 电子被泛注(flooding)到离子束以中和晶圆上的电荷 从热钨丝放射热电子产生氩电浆后加速系统离子束后加速电力高达60kV抑制电力高达 10kV+抑制电极加速电极终端底盘离子射束电流控制固定的界定孔径可调式垂直叶片离子束离子束轨迹弯曲中性原子轨迹离子轨迹晶圆偏压电极电荷中性化系统 离子注入使晶圆带正电 造成晶圆带电效应 驱除正离子,引起射束线放大和不均匀的离子分布 电弧型态放电引发晶圆表面的缺陷 使匣极氧化层崩溃，低良率 需要将带电效应消除或最小化带电效应+离
14、子轨迹晶圆电荷中性化系统 需要提供电子以中性化离子 电浆泛注系统 电子枪 电子淋浴器电压泛注系统直流电力灯丝电流+钨灯丝电浆电浆氩离子束晶圆电子电子枪离子束电子枪二次电子热灯丝电子晶圆二次电子靶晶圆处理器 离子束直径:25mm(1”),晶圆直径:200mm(8”)或更大 需要移动离子束或晶圆或两者，使离子束均匀地扫描整个晶圆 旋转轮式 旋转盘式 单晶圆扫描旋转轮式晶圆处理系统旋转速率:最高到2400 rpm摇摆周期:10sec离子束注入带区晶圆旋转臂旋转盘式晶圆处理系统离子束晶圆单晶圆扫描系统离子束扫描电极扫描离子束晶圆移动离子注入：射束阻挡器 吸收离子束的能量 离子束检测器 射束电流、射束能
15、量和射束形状量测 水冷式的金属平板用来带走所产生的热量，并阻挡x光辐射离子注入：终端分析仪 法拉第电荷检测器 用来校正射束电流、能量和形状离子阻挡器示意图离子束磁铁晶圆冷却平板石墨俯视图法拉第电流侦测器离子注入制程 CMOS应用 CMOS离子注入的要求 注入制程评估CMOS离子注入规范注入步骤注入步骤0.35m mm,64 Mb0.25m mm,256 Mb0.18m mm,1 GbN型井区型井区 井区P/600/21013P/400/21013P/300/11013抗接面击穿P/100/51013As/100/51012As/50/21012临界电压B/10/71012B/5/31012B/
16、2/41012多晶硅注入P/30/21015B/20/21015B/20/31015多晶硅扩散阻隔-N2/20/31015低掺杂漏极(LDD)B/7/51013B/5/11014B/2/81013Halo(45 注入)-As/30/51013源极/漏极 接触B/10/21015B/7/21015B/6/21015P型井区型井区 井区B/225/31013B/200/11013B/175/11013抗接面击穿B/30/21013B/50/51012B/45/51012临界电压B/10/71012B/5/31012B/2/41012多晶硅注入P/30/51015P/20/21015As/40/31
17、015多晶硅扩散阻隔-N2/20/31015低掺杂漏极(LDD)P/20/51013P/12/51013P/5/31013Halo(45注入)B/30/31012B/20/31012B/7/21013源极/漏极 接触As/30/31015As/20/31015As/15/31015 高能量(到 MeV),低剂量(1013/cm2)P型磊晶层型磊晶层P型晶圆型晶圆光阻光阻N型井区型井区P+注入制程：井区注入光阻光阻B+P型型外延外延层层P型晶圆型晶圆N型井区型井区P型型井区井区STIUSG低能量,低剂量临界电压(VT)调整的注入说明N通道VT调整P通道VT调整光阻光阻P+P型型外延外延层层P型晶
18、圆型晶圆N型井区型井区P型井区型井区STIUSG 低能量(10keV),低剂量(1013/cm2)离子注入：低掺杂漏极(LDD)注入 低能量(20keV),高剂量t(1015/cm2)P型磊晶层型磊晶层P型晶圆型晶圆N型井区型井区P型井区型井区光阻光阻P+STIUSGn+n+离子注入：源极/漏极注入离子注入制程离子注入 能量剂量井区 高 低源极/漏极低 高临界电压调整 低 低低掺杂漏极 低 低制程争点 晶圆带电 粒子污染物 元素污染 制程评估晶圆带电 导致匣极氧化层的崩溃 二氧化硅的介电质强度:10MV/cm 100 匣极氧化层的崩溃电压是 10 V 匣极氧化层:30到 35,对0.18mm的
19、组件 需要较好的电荷中性化晶圆带电监测 天线式电容器带电的测试结构 多晶硅衬垫区的面积和薄氧化层区域的面积比称为天线比例(antenna ratio)可以高到100,000：1 天线比例越大，越容易使匣极氧化层崩溃天线比例多晶硅场区氧化层匣极氧化层硅基片俯视图测试图粒子污染物 大型粒子会阻挡注离子束，特别是在低能量离子注入制程 临界电压调整,低掺杂漏极和源极/漏极 离子注入 造成不完整的离子接面注入.对良率是很大的伤害粒子污染物的效应部分注入的接面粒子离子束光阻屏蔽氧化层光阻中的掺杂物元素污染 想要的掺杂物和其他元素共同注入造成 例如：94Mo+和11BF2+,相同的质荷比(m/q=49)质谱
20、仪无法将两这分开94Mo+造成重金属污染 离子源布能使用含有钼的标准不锈钢 其他的材料例如石墨与钽则通常会被使用制程评估 四点探针 热波法 光学量测系统(OMS)四点探针 热退火之后开始执行 测量薄片电阻 薄片电阻是掺杂物和接面深度的函数 经常用来做为掺杂制程的监测S1S2S3P1P2P3P4VI掺杂区域掺杂区域基片基片典型的四点探针,S1=S2=S3=1mm,假如电流应用在 P1 和P4,Rs=4.53 V/I假如电流应用在P1 和P3,Rs=5.75 V/I四点探针测量热波系统 氩帮浦在晶圆表面上产生热脉冲 He-Ne探针雷射会在同一地点量测由帮浦雷射所造成的直流反射系数(R)和反射系数的
21、调制量(modulation)两者的比例DR/R称为热波(TW)讯号 热波讯号和晶体的损伤有关 晶体损伤是注入剂量的函数热波系统DRRtI热波讯号侦测器帮浦雷射探测雷射tIDR/R:热波讯号(TW)晶圆热波系统 在注入制程之后立即执行 四点探针需要先退火 非破坏性量测，可以测量产品晶圆 四点探针只能用在测试晶圆 缺点：低剂量时低敏感度 缺点：热波讯号对时间的漂移现象 需要在注入完成后尽快的执行 缺乏较高的量测准确性 雷射加热松弛造成晶格的损伤光学量测系统(OMS)涂布了共聚物(copolymer)的透明晶圆来进行，聚合物中包含对能量敏感的染料 在离子注入之后，高能量的离子与染料分子碰撞并将其击
22、碎 使的共聚物变的更透明 离子的剂量越高，透明度也越高 量测离子注入前后的光子计数改变量 带有特定离子种类的剂量便可以被测出了较低的光子计数较高的光子计数注入前注入后光传感器石英卤素灯管600nm滤波器光学量测系统(OMS)离子注入：安全性 半导体工业里最具伤害性的制程工具 化学危险源 电磁危险源 机械危险源离子注入：化学安全 大部分掺杂的材料具高度毒性、易燃性和爆炸性.具毒性与爆炸性:AsH3,PH3,B2H6 腐蚀性:BF3 具毒性:P,B,As,Sb 一般常识：先离开现场，让受过训练的人入内调查.离子注入：电磁安全 高压:从 设施电压208V到加速电极 的50 kV.接地放电,和伙伴一起
23、工作!贴上告示板并上锁 磁场:封装机器,等.离子注入：辐射安全 高能离子引起强X光辐射 正常完全的屏蔽保护离子注入：负产品的腐蚀性 BF3 做为掺杂气体 氟和氢反应生成HF 任何物品在束线都可以夹带HF 当以湿式清洗这些零件时，必须佩带双重手套离子注入：机械安全 移动的零件、门、阀和机械手臂 旋转轮或圆盘 热表面 技术的趋势 超浅型接面(USJ)硅覆盖绝缘层结构(SOI)电浆浸泡离子注入(PIII)超浅型接面(USJ)USJ(xj 0.05mm)针对 次微米(0.1mm)组件 P型接面,用能量极低的硼离子束才能达成，要低到0.2 keV USJ的要求 浅度 低的薄片电阻 低的接触电阻 通道分布
24、轮廓最小冲击 和多晶硅匣极的兼容性软误差 每一个a-衰变都会在硅基片产生超过一百万个电子电动对 内存电容器会被来自芯片的电子覆写 储存电容器需要大的电容量 组件尺寸越小，限制的条件也越多 硅覆盖绝缘层结构(SOI)将组件与主体硅基片完全隔绝a-粒子造成的电子电洞对+电子电洞对 a-粒子 硅基片+SOI基片上的CMOS组件P型硅USGN型硅巨体硅Si多晶硅STI深埋氧化层n+源极/漏极p+源极/漏极匣极氧化层形成硅覆盖绝缘层结构 晶圆注入 注入富含氧离子的硅膜层 高温退火 晶圆接合(Bonded wafers)两片晶圆 在一片晶圆上形成氧化层 高温使促使晶圆的接合 对一片晶圆研磨直到距二氧化硅层
25、数千 带有晶格损伤的硅富氧硅巨体硅氧离子注入高温退火 单晶硅二氧化硅巨体硅电浆浸置型离子注入 DRAM具有深沟槽电容器 沟槽变的更深也更窄 标准离子注入制程很难在深沟槽的两侧与底部进行重度掺杂 电浆浸置型离子注入(PIII)没有离子种类与离子能量选择的离子注入制程介电质层重度掺杂硅硅基片深沟槽式电容器多晶硅电子回旋共振电浆浸置型离子注入系统氦射频偏压磁力线微波磁铁线圈电子回旋共振电浆晶圆静电吸附承座离子注入概要 掺杂半导体 比扩散好的掺杂方法 容易控制接面深度(藉离子能量控制)和 掺杂物浓度(藉离子束电流和注入时间.非等向性注入轮廓.离子注入概要 离子源 萃取 质谱仪 后段加速 电荷中性化系统 射束阻挡器
