1、dreamtower163半导体制造技术半导体制造技术陈弈星 dreamtower163第十七章 离子注入本章目标1.解释掺杂在硅片制造过程中的目的和应用.2.讨论杂质扩散的原理和过程.3.对离子注入有整体的认识，包括优缺点.4.讨论剂量和射程在离子注入中的重要性.5.列举离子注入机的个主要子系统.6.解释离子注入中的退火效应和沟道效应.7.描述离子注入的各种应用.Table 17.1 半导体常用杂质杂质改变半导体的导电性具有掺杂区的CMOS结构n-channel Transistorp-channel TransistorLI oxidep epitaxial layerp+silicon
2、substrateSTISTISTIn+p+p-welln-wellp+pp+pp+n+nn+nn+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn+p+pp+Figure 17.1 CMOS制作中的一般掺杂工艺热载流子效应 在小尺寸MOSFET 中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFET 工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。热载流子
3、引发的问题 热载流子穿过氧化层-硅界面，形成微弱的栅电流并引起氧化层内正电荷积累，使NMOS阈值电压减小，PMOS阈值电压增大，改变了器件的性能。碰撞形成的空穴朝衬底运动，形成比栅电流大几个数量级的衬底电流，产生的压降使源和衬底之间的PN结正偏，形成“源-衬底-漏”寄生NPN，可能导致源漏击穿或是闩锁效应。短沟道效应 当MOS的沟道长度与漏极耗尽区的厚度在一个数量级上，则该MOS器件可以称为短沟道器件。短沟道效应会引起两种物理现象：1）限制沟道中的电子漂移特性 2）阈值电压改变离子注入在硅片流程中Used with permission from Lance Kinney,AMDImplant
4、DiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompleted waferUnpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication(front-end)Hard mask(oxide or nitride)Anneal after implantPhotoresist maskFigure 17.2 在硅片中的掺杂区OxideOxidep+Silicon substrateDopant gasNDiffused regionFigure 17.3 扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在900-1200的高温，杂质（非杂
5、质）气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，又称热扩散。目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时，由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。1.扩散原理三步 预扩散 推进 激活杂质移动固溶度横向扩散 2.扩散工艺硅片清洗杂质源 预淀积 高温扩散炉，800-1100度，10-30分钟，杂质仅进入硅片中很薄的一
6、层 推进 1000-1250度，杂质再分布形成期望的结深。同时晶圆表面被氧化，N型杂质在晶圆表面堆积，浓度增加，P型杂质易被吸入氧化层，浓度降低 激活 使杂质原子与晶格中的硅原子键合，激活杂质原子，改变硅的电导率杂质移动(a)间隙式扩散（间隙式扩散（interstitial）(b)替位式扩散（替位式扩散（substitutional）间隙扩散间隙扩散杂质：杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg替位扩散替位扩散杂质杂质：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的运动一般是以近邻替位原子的运动一般是以近邻处有处有空位空位为前题为前题B，P，一般作为替代式扩，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复
7、杂，散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩用，称填隙式或推填式扩散散WskTWvNen/间隙扩散替代扩散硅中的固溶度极限 1100CTable 17.3 在一定温度下，硅能吸收的杂质数量是一定的，被称为固溶度极限。这个极限适用于大多数物质。扩散工艺扩散8个步骤:1.进行质量测试以保证工具满足生产质量指标.2.使用批控制系统，验证硅片特性.3.下载包含所需工艺参数的工艺菜单.4.开启扩散炉，包括温度分布.5.清洗硅片并浸泡HF，去除自然氧化层.6.预淀积：把硅片装入扩散炉，扩散杂质.7.推进：升高炉温，推进并激活杂质，然后撤出硅片.8.测量、评
8、价、记录结深和电阻.扩散常用杂质源Table 17.4 扩散设备与工艺 扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。根据扩散源的不同有三种扩散工艺：固态源扩散，液态源扩散，气态源扩散。选择源必需满足固溶度、扩散系数要求。选择好掩蔽膜。固态源扩散 扩散方式开管扩散箱式扩散涂源扩散 固态源 陶瓷片或粉体：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等石英管石英管接排风接排风阀和流量计阀和流量计载载气气铂源舟铂源舟石英舟和硅片石英舟和硅片开管固态源扩散开管固态源扩散系统系统液态源扩散 液态源液态源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 （TMB）接排风接排风阀和流量计阀和流量计载载气气石英舟和硅片
9、石英舟和硅片石英管石英管温度控温度控制池制池源瓶和源瓶和液相源液相源液相源扩散系统液相源扩散系统气态源扩散 气态源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3石英管石英管接排风接排风阀和质量阀和质量流量计流量计气气源源石英舟和硅片石英舟和硅片气态源扩散系统气态源扩散系统离子注入 离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质以改变其电学性能的方法。是一个物理过程，不发生化学反应。能够重复控制杂质的浓度和深度 离子注入是将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析，成为一束由所需杂质离子组成的高能离子流而投入半导体晶片（俗称为靶）内部，并通过逐点扫描完成对晶片的注入。离子注入的基本过程n 将某种元素的原
10、子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子。n 在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）。1.改变材料表层的物理或化学性质。离子注入的优点1.精确控制掺杂浓度2.很好的杂质均匀性3.对杂质深度很好控制4.产生单一离子束5.低温工艺6.注入的离子能穿过薄膜7.无固溶度极限缺点 1.辐射损伤。高温退火修复。2.设备复杂（比扩散）注入剂量 能量ItQenAKEnV离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。离子注入剂量 注入剂量是单位面积晶圆表面注入的离子数，可通过下面的公式计
11、算得出 I：束流 单位：库仑/秒（安培）E：电子电荷 1.610-19库仑t：注入时间（秒）n：离子电荷（如B等于1）A：注入面积 单位cm2enAItQ 离子射程 离子射程就是注入时，离子进入晶圆内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。投影射程是离子注入晶圆内部的深度，它取决于离子的质量、能量、晶圆的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。杂质离子的射程和投影射程Incident ion beamSilicon substrateStopping point for a si
12、ngle ionRpDRp dopant distributionFigure 17.7 离子注入机的种类Table 17.6 核碰撞和电子碰撞 注入离子如何在晶圆内静止？1963年，Lindhard,Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程。核碰撞（核阻止nuclear stopping）电子碰撞（电子阻止electronic stopping）总能量损失为核碰撞与电子碰撞的和。核碰撞注入离子与靶内原子核间的碰撞两粒子之间的相互作用力是电荷作用。质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生
13、大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。电子碰撞注入离子与靶内自由电子以及束缚电子间的碰撞，能瞬时地形成电子-空穴对。两者质量相差极大（104量级），碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，即每次碰撞都不会显著地改变注入离子的动量，又由于散射方向是随机的，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。总阻止本领（Total stopping power）v核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）v电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电子阻止相等的能量横向效应 杂质与硅原
14、子碰撞所产生的散射会造成杂质往横向注入。横向效应是指注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况，会影响MOS管的有效沟道长度。横向效应与注入离子的种类及入射离子的能量有关。沟道效应 沟道效应：对晶体靶进行离子注入时，由于晶体排列的特性使得某些角度上有长距离的开口。假如注入离子运动方向与这些隧道般的开口相平行，这些注入的离子将不会与靶原子发生碰撞而深深地注入衬底之中。沟道效应导致对注入离子在深度控制上有困难，使离子的注入距离超出预期的深度，使元件的功能受损。110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向1.8 控制沟道效应的方法 倾斜硅片 掩蔽氧化层 硅预非晶化 使用质量较大的
15、原子离子注入机Ion sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning disk离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。离子注入机Photograph courtesy of Varian Semiconductor,VIISion 80 Source/Terminal sidePhoto 17.1 离子源和吸极装配图Used with permission from Applied Materials Te
16、chnology,Precision Implanter 9500 Figure 17.11 Extraction assemblySource chamberTurbo pumpIon source insulatorBernas ion source assemblyArc chamberExtraction electrodeExtraction assemblyIon beam（1）离子源 离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有B2H6和PH3等，（2）离子束吸取电极 吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电极由抑
17、制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。3）质量分析器 反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这样，从离子源吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来完成这项任务的。质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的离子偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，都无法从磁分析器的出口通过，只有具有合适荷质比的离子才能顺利通过磁分析器，最终注入到
18、硅片中。（4）加速器 为了保证注入的离子能够进入wafer，并且具有一定的射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加速电极组成管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电极的连续加速，能量增大很多。与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。加速管100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo proc
19、ess chamberElectrodeFrom analyzing magnetFigure 17.15（5）扫描器 离子束是一条直径约13的线状高速离子流，必须通过扫描覆盖整个注入区。扫描方式有：固定wafer，移动离子束；固定离子束，移动wafer。离子注入机的扫描系统有电子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常用的是静电扫描系统。静电扫描过程中，硅片固定不动，大大降低了污染几率，而且由于带负电的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这样就可以避免被掺入到硅片当中。硅片的静电离子束扫描+Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTw
20、istTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflectionFigure 17.20 注入阴影效应Resista)Mechanical scanning with no tiltIon beamb)Electrostatic scanning with normal tiltResistIon beamFigure 17.21 离子注入机的终端台Photograph provided courtesy of International SEMATECHPhoto 17.3 热退火离子注入对材料电学性质的影响 散射中
21、心的增加，使载流子迁移率下降。缺陷中心的增加，使非平衡少子的寿命降低，p-n结的漏电流增大。被注入的杂质原子大多数处于晶格间隙位置，起不到施主或受主的作用，对载流子的输运没有贡献。而且造成大量损伤，注入的杂质更难处于替位位置。退火处理的必要性 消除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构。让杂质进入替位位置以实现点激活。注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布 热退火：将注入离子的硅片经过一定温度及时间的热处理，硅片中的损伤可能部分或绝大部分被消除，少数载流子的寿命及迁移率不同程度地恢复，掺入的杂质得到一定比例的电激活，称这种处理过程为热退火。原理：500C修复晶格，950C激活 1.
22、高温炉退火，800-1000度退火30分钟，导致杂质的再扩散。2.快速热处理RTA：1000下短暂时间来自颗粒沾污的注入损伤MaskMaskSilicon SubstrateBeam scanIon implanterParticle creates a void in implanted areaFigure 17.30 离子注入对颗粒污染非常敏感，硅片表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大电流的注入会产生更多颗粒，必要时需采取纠正措施。对比内对比内 容容热扩散热扩散离子注入离子注入动力动力高温、杂质的浓度梯度高温、杂质的浓度梯度平衡过程平衡过程动能，动能，5-500KeV非平衡过程非平衡过程杂质
23、浓度杂质浓度受表面固溶度限制掺杂浓受表面固溶度限制掺杂浓度过高、过低都无法实现度过高、过低都无法实现浓度不受限浓度不受限结深结深结深控制不精确结深控制不精确适合深结掺杂适合深结掺杂结深控制精确结深控制精确适合浅结掺杂适合浅结掺杂横向扩散横向扩散严重。横向是纵向扩散线严重。横向是纵向扩散线度的度的0.70-0.85倍，扩散倍，扩散线宽线宽3m以上以上较小。特别在低温退火时，较小。特别在低温退火时，线宽可小于线宽可小于1m均匀性均匀性电阻率波动约电阻率波动约5-10%电阻率波动约电阻率波动约1%温度温度高温工艺，越高温工艺，越1000常温注入，退火温度约常温注入，退火温度约800，可低温、快速退火
24、，可低温、快速退火掩蔽膜掩蔽膜二氧化硅等耐高温薄膜二氧化硅等耐高温薄膜光刻胶、二氧化硅或金属薄光刻胶、二氧化硅或金属薄膜膜工艺卫生工艺卫生易沾污易沾污高真空、常温注入，清洁高真空、常温注入，清洁晶格损伤晶格损伤小小损伤大，退火也无法完全消损伤大，退火也无法完全消除，注入过程芯片带电除，注入过程芯片带电设备、费用设备、费用设备简单、价廉设备简单、价廉复杂、费用高复杂、费用高应用应用深层掺杂的双级性器件深层掺杂的双级性器件或者是电路或者是电路浅结的超大规模电路浅结的超大规模电路热扩散和离子注入的比较17.5离子注入的发展趋势不同的离子注入工艺 深埋层 倒掺杂阱 穿通阻挡层 阈值电压调整 轻掺杂漏极
25、(LDD)源/漏 注入 多晶硅栅 沟槽电容 超浅结 绝缘体上硅(SOI)1 深埋层Figure 17.31 n-wellp-wellp Epi layerp+Silicon substratep+Buried layer倒掺杂阱倒掺杂阱2 倒掺杂阱 Retrograde Welln-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+n+Figure 17.32 3 穿通阻挡层n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type
26、dopantp+p+n+n+Figure 17.33 4.阈值电压调整n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+pn+n+nFigure 17.34 5.LDD 6.源漏注入+-+-n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substratep+S/D implantn+S/D implantSpacer oxideDrainSourceDrainSourceb)p+and n+Source/drain implants(performed in two s
27、eparate operations)+-n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substratep-channel transistorp LDD implantn-channel transistorn LDD implantDrain SourceDrain SourcePoly gatea)p and n lightly-doped drain implants(performed in two separate operations)Figure 17.35 8.沟槽电容n+dopantn+p+Tilted implantTrench for for
28、ming capacitorFigure 17.36 9.超浅结Figure 17.37 180 nm20 gate oxide54 nm 砷arsenic implanted layerPoly gate绝缘层上硅SIMOX a)Common CMOS wafer constructionn-wellp-wellEpi layerSilicon substrateb)CMOS wafer with SIMOX buried layern-wellp-wellImplanted silicon dioxideSilicon substrateSilicon substrateFigure 17.38 17.6 离子注入质量测量1、硅片表面无法接受的颗粒沾污；2、剂量控制；3、使用低能注入的超浅结结深。
