1、2023-5-13第4章IC工艺之离子注入第第4章章IC工艺之离子注入工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入问题的提出：问题的提出：短沟道的形成？短沟道的形成？GaAs等化合物半导体？（低温掺杂）等化合物半导体？（低温掺杂）低表面浓度？低表面浓度？浅结？浅结？纵向均匀分布或可控分布？纵向均匀分布或可控分布？大面积均匀掺杂？大面积均匀掺杂？高纯或多离子掺杂？高纯或多离子掺杂？第4章IC工艺之离子注入要求掌握：要求掌握：基本工艺流程（原理和工艺控制参数）基本工艺流程（原理和工艺控制参数）选择性掺杂的掩蔽膜（选择性掺杂的掩蔽膜（Mask）质量控制和检测质量控制和检测 后退火工艺的目的与方法后退火工艺
2、的目的与方法 沟道效应沟道效应 在器件工艺中的各种主要应用在器件工艺中的各种主要应用 离子注入技术的优缺点离子注入技术的优缺点 剂量和射程在注入工艺中的重要性剂量和射程在注入工艺中的重要性 离子注入系统的主要子系统离子注入系统的主要子系统第4章IC工艺之离子注入CMOS Structure with Doped Regionsn-channel Transistorp-channel TransistorLI oxidep epitaxial layerp+silicon substrateSTISTISTIn+p+p-welln-wellp+pp+pp+n+nn+nn+ABCEFDGHKLI
3、JMNOn+nn+p+pp+第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入Ion Implant in Process FlowImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompleted waferUnpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication(front-end)Hard mask(oxide or nitride)Anneal after implantPhotoresist mask第4章IC工艺之离子注入4.1.离子注入原理离子注入原理4.1.1.物理原理(P.90-98)通过改变
4、高能离子的能量，控制注入离子在靶材料中的位置。a)Low dopant concentration(n,p)and shallow junction(xj)MaskMaskSilicon substratexjLow energyLow doseFast scan speedBeam scanDopant ionsIon implanterb)High dopant concentration(n+,p+)and deep junction(xj)Beam scanHigh energyHigh doseSlow scan speedMaskMaskSilicon substratexjIon
5、 implanter第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入 重离子在材料中与靶原子的碰撞是“弹性”库仑散射第4章IC工艺之离子注入 级联散射第4章IC工艺之离子注入Energy Loss of an Implanted Dopant AtomSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-raysElectronic collisionAtomic collisionDisplaced Si atomEnergetic dopant ionSilicon crystal latticeFigure 17.9 第4章IC工艺之离子注入
6、 能量损失：散射路径R，靶材料密度，阻止本领S第4章IC工艺之离子注入 能量损失第4章IC工艺之离子注入 注入离子的分布N（x）（无电子散射）注入剂量注入剂量 0（atom/cm-2），射程：），射程：Rp标准偏差RpScanning disk with wafersScanning directionFaraday cupSuppressor apertureCurrent integratorSampling slit in diskIon beam第4章IC工艺之离子注入 对于无定型材料，有：为高斯分布 97页页 图图4.8 第4章IC工艺之离子注入 平均射程第4章IC工艺之离子注入第4
7、章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入Page 107第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入 多能量、多剂量注入第4章IC工艺之离子注入 4.1.2.设备第4章IC工艺之离子注入Analyzing MagnetGraphiteIon sourceAnalyzing magnetIon beamExtraction assemblyLighter ionsHeavy ionsNeutralsFigure 17.14 第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入4.2.沟道效应和卢瑟福背散射 6.2.1.沟道效应（page 101）第4章IC工艺之离子注入沟道峰第4章IC工艺之
8、离子注入 沟道效应的消除(临界角）第4章IC工艺之离子注入 4.2.2.卢瑟福背散射RBS-C作用？。第4章IC工艺之离子注入 4.3.注入离子的激活与辐照损伤的消除P.1031121）注入离子未处于替位位置2）晶格原子被撞离格点Ea为原子的位移阈能大剂量大剂量非晶化非晶化临界剂量（临界剂量（P。111）与什么因素有关？与什么因素有关？如何则量？如何则量？第4章IC工艺之离子注入Annealing of Silicon CrystalRepaired Si lattice structure and activated dopant-silicon bondsb)Si lattice afte
9、r annealinga)Damaged Si lattice during implantIon BeamFigure 17.27 第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入 热退 P107 等时退火Isochronal Annealing等温退火Isothermal Annealing第4章IC工艺之离子注入第4章IC工艺之离子注入1）激活率(成活率)（%）Si：P、B100%，As 50%2）临界通量C(cm-2)F4.16与注入离子种类、大小，能量有关与注入离子种类、大小，能量有关与注入时的衬底温度有关与注入时的衬底温度有关第4章I
10、C工艺之离子注入3）退火后的杂质再分布（P。111）4）退火方式：“慢退火”，快速热退火 分步退火5）退火完成的指标：电阻率、迁移率、少退火完成的指标：电阻率、迁移率、少子寿命子寿命第4章IC工艺之离子注入 4.4.离子注入工艺中的一些问题1。离子源：汽化高压电离 多价问题 分子态原子态问题 （产额问题）2。选择性掺杂的掩膜SiO2、Si3N4、光刻胶、各种金属膜第4章IC工艺之离子注入 P离子注入SiSiO2Si3N4E(keV)Rp(m)Rp(m)Rp(m)Rp(m)Rp(m)Rp(m)100.0140.0070.0110.0050.0080.004200.0250.0120.0200.0
11、080.0150.006500.0610.0250.0490.0190.0380.0141000.1240.0460.1000.0330.0770.026第4章IC工艺之离子注入有掩膜时的注入杂质分布？第4章IC工艺之离子注入Controlling Dopant Concentration and Deptha)Low dopant concentration(n,p)and shallow junction(xj)MaskMaskSilicon substratexjLow energyLow doseFast scan speedBeam scanDopant ionsIon implan
12、terb)High dopant concentration(n+,p+)and deep junction(xj)Beam scanHigh energyHigh doseSlow scan speedMaskMaskSilicon substratexjIon implanterFigure 17.5 第4章IC工艺之离子注入 3。遮挡(注入阴影效应Implant Shadowing)（P119）4.硅片充电Resista)Mechanical scanning with no tiltIon beamb)Electrostatic scanning with normal tiltRes
13、istIon beam第4章IC工艺之离子注入Electron Shower for Wafer Charging ControlAdapted from Eaton NV10 ion implanter,circa 1983+Ion beam-Biased apertureElectron gunSecondary electron targetSecondary electrons+Ion-electronrecombinationWaferFigure 17.23 一次电子一次电子(几百几百eV)二次电子二次电子(20eV)不能有高能电子不能有高能电子!第4章IC工艺之离子注入Plasm
14、a Flood to Control Wafer Charging-BiasedapertureIon beamNeutralized atomsWafer scan directionCurrent(dose)monitorPlasma electron flood chamberArgon gas inletElectron emissionChamber wall+SNSN+ArArAr高高能能第4章IC工艺之离子注入离子注入设计离子注入设计掩蔽膜的形成掩蔽膜的形成离子注入离子注入退退 火火测测 试试Trim分布、掩蔽膜设计、离子源分布、掩蔽膜设计、离子源氧化膜、氧化膜、Si3N4膜、光
15、刻和光刻胶膜、光刻和光刻胶衬底温度、能量、注量衬底温度、能量、注量温度、时间（多步快速热退火）温度、时间（多步快速热退火）激活率、残留缺陷、注入层寿命、激活率、残留缺陷、注入层寿命、注入离子再分布（方块电阻、结注入离子再分布（方块电阻、结深）、深）、I-V和和C-V特性特性离子注入工艺流程离子注入工艺流程第4章IC工艺之离子注入 4.5.离子注入工艺的应用1。掺杂（P。115）第4章IC工艺之离子注入2。浅结形成（Shallow Junction Formation,p116)3。埋层介质膜的形成(page 116)如：注氧隔离工艺（SIMOX）（Separation by Implanted
16、 Oxygen)4。吸杂工艺如：等离子体注入（PIII）吸杂工艺（Plasma Immersion Ion Implantation）5。Smart Cut for SOI6。聚焦离子束技术7。其它（如：离子束表面处理）第4章IC工艺之离子注入Buried Implanted Layern-wellp-wellp-Epi layerp+Silicon substratep+Buried layerRetrograde wells埋层注入，替代埋层扩散和外延埋层注入，替代埋层扩散和外延控制闩锁效应控制闩锁效应第4章IC工艺之离子注入Retrograde Welln-wellp-wellp+Bur
17、ied layerp+Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+n+倒置井：闩锁效应和穿通能力第4章IC工艺之离子注入Punchthrough Stopn-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type dopantp+p+n+n+穿通阻挡第4章IC工艺之离子注入Implant for Threshold Voltage Adjustmentn-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substraten-type dopantp-type
18、dopantp+p+pn+n+n阈值电压调整第4章IC工艺之离子注入Source-Drain Formations+-+-n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substratep+S/D implantn+S/D implantSpacer oxideDrainSourceDrainSourceb)p+and n+Source/drain implants(performed in two separate operations)+-n-wellp-wellp+Buried layerp+Silicon substratep-channel transist
19、orp LDD implantn-channel transistorn LDD implantDrain SourceDrain SourcePoly gatea)p and n lightly-doped drain implants(performed in two separate operations)第4章IC工艺之离子注入Dopant Implant on Vertical Sidewalls of Trench Capacitorn+dopantn+p+Tilted implantTrench for forming capacitor沟槽电容器（取代沟槽电容器（取代DRAM的
20、平面存储电容）的侧壁掺杂的平面存储电容）的侧壁掺杂第4章IC工艺之离子注入Ultra-Shallow Junctions180 nm20 gate oxide54 nm arsenic implanted layerPoly gateP118第4章IC工艺之离子注入CMOS Transistors with and without SIMOX Buried Oxide Layera)Common CMOS wafer constructionn-wellp-wellEpi layerSilicon substrateb)CMOS wafer with SIMOX buried layern-w
21、ellp-wellImplanted silicon dioxideSilicon substrateSilicon substrate第4章IC工艺之离子注入Dose Versus Energy MapProximity getteringPresent applicationsEvolving applicationsPoly dopingSource/drainDamageengineeringBuried layersRetrogradewellsTriple wellsVt adjustChannel and drain engineering0.1110100100010,0001
22、016101110121013101410151017Energy(keV)Dose(atoms/cm2)第4章IC工艺之离子注入 4.6.离子注入工艺特点（与扩散比较）总体优于扩散，在当代总体优于扩散，在当代IC制造中，已基本取代扩散制造中，已基本取代扩散掺杂掺杂。1。杂质总量可控2。大面积均匀3。深度及分布可控4。低温工艺（一般673K）快速热退火温度要高些5。注入剂量范围宽（10111017cm-3），剂量控制精度高（1%）6。横向扩散小7。浅结工艺8。最大掺杂浓度 9。光刻标记问题第4章IC工艺之离子注入 4.离子注入设计SUPREM和TRIM Code第4章IC工艺之离子注入是否掌握了？是否掌握了？基本工艺流程（原理和工艺控制参数）基本工艺流程（原理和工艺控制参数）选择性掺杂的掩蔽膜（选择性掺杂的掩蔽膜（Mask）质量控制和检测质量控制和检测 后退火工艺的目的与方法后退火工艺的目的与方法 沟道效应沟道效应 在器件工艺中的各种主要应用在器件工艺中的各种主要应用 离子注入技术的优缺点离子注入技术的优缺点 剂量和射程在注入工艺中的重要性剂量和射程在注入工艺中的重要性 离子注入系统的主要子系统离子注入系统的主要子系统2023-5-13第4章IC工艺之离子注入
