半導體制造技術第十七章課件

半導體制造技術

第十七章離子注入本章目標1. 解釋摻雜在硅片制造過程中的目的和應用.2. 討論雜質擴散的原理和過程.3. 對離子注入有整體的認識，包括優(yōu)缺點.4. 討論劑量和射程在離子注入中的重要性.5. 列舉離子注入機的５個主要子系統(tǒng).6. 解釋離子注入中的退火效應和溝道效應.7. 描述離子注入的各種應用.

具有摻雜區(qū)的CMOS結構n-channelTransistorp-channelTransistorLIoxidep–epitaxiallayerp+siliconsubstrateSTISTISTIn+p+p-welln-wellp+p–p+p–p+n+n–n+n–n+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn++p+pp++Figure17.1

CMOS制作中的一般摻雜工藝熱載流子效應在小尺寸MOSFET中，不大的源-漏電壓即可在漏極端附近處形成很高的電場；特別是，當MOSFET工作于電流飽和的放大狀態(tài)時，溝道在漏極附近處被夾斷（耗盡），其中存在強電場；隨著源-漏電壓的升高、以及溝道長度的縮短，夾斷區(qū)中的電場更強。這時，通過夾斷區(qū)的載流子即將從強電場獲得很大的漂移速度和動能，就很容易成為熱載流子，同時這些熱載流子與價電子碰撞時還可以產生雪崩倍增效應。熱載流子引發(fā)的問題熱載流子穿過氧化層-硅界面，形成微弱的柵電流并引起氧化層內正電荷積累，使NMOS閾值電壓減小，PMOS閾值電壓增大，改變了器件的性能。碰撞形成的空穴朝襯底運動，形成比柵電流大幾個數(shù)量級的襯底電流，產生的壓降使源和襯底之間的PN結正偏，形成“源-襯底-漏”寄生NPN，可能導致源漏擊穿或是閂鎖效應。短溝道效應當MOS的溝道長度與漏極耗盡區(qū)的厚度在一個數(shù)量級上，則該MOS器件可以稱為短溝道器件。短溝道效應會引起兩種物理現(xiàn)象：1）限制溝道中的電子漂移特性2）閾值電壓改變離子注入在硅片流程中UsedwithpermissionfromLanceKinney,AMDImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompletedwaferUnpatternedwaferWaferstartThinFilmsWaferfabrication(front-end)Hardmask(oxideornitride)AnnealafterimplantPhotoresistmaskFigure17.2

擴散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在900-1200℃的高溫，雜質（非雜質）氣氛中，雜質向襯底硅片的確定區(qū)域內擴散，又稱熱擴散。目的是通過定域、定量擴散摻雜改變半導體導電類型，電阻率，或形成PN結。擴散是物質內質點運動的基本方式，當溫度高于絕對零度時，任何物系內的質點都在作熱運動。當物質內有梯度(化學位、濃度、應力梯度等)存在時，由于熱運動而觸發(fā)(導致)的質點定向遷移即所謂的擴散。因此，擴散是一種傳質過程，宏觀上表現(xiàn)出物質的定向遷移。擴散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運動的形式，結果使其濃度趨于均勻。1.擴散原理三步預擴散推進激活雜質移動固溶度橫向擴散2.擴散工藝硅片清洗雜質源

雜質移動(a)間隙式擴散（interstitial）(b)替位式擴散（substitutional）間隙擴散雜質：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴散雜質：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運動一般是以近鄰處有空位為前題B，P，一般作為替代式擴散雜質，實際情況更復雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴散Ws空位濃度間隙擴散替代擴散硅中的固溶度極限1100°CTable17.3

在一定溫度下，硅能吸收的雜質數(shù)量是一定的，被稱為固溶度極限。這個極限適用于大多數(shù)物質。擴散常用雜質源Table17.4

擴散設備與工藝擴散設備多是爐絲加熱的熱壁式擴散爐。和氧化爐相類似。根據(jù)擴散源的不同有三種擴散工藝：固態(tài)源擴散，液態(tài)源擴散，氣態(tài)源擴散。選擇源必需滿足固溶度、擴散系數(shù)要求。選擇好掩蔽膜。固態(tài)源擴散擴散方式開管擴散箱式擴散涂源擴散固態(tài)源陶瓷片或粉體：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等石英管接排風閥和流量計載氣鉑源舟石英舟和硅片開管固態(tài)源擴散系統(tǒng)氣態(tài)源擴散氣態(tài)源BCl3、B2H6、PH3、AsH3

石英管接排風閥和質量流量計氣源石英舟和硅片氣態(tài)源擴散系統(tǒng)離子注入離子注入是一種向硅襯底中引入可控制數(shù)量的雜質以改變其電學性能的方法。是一個物理過程，不發(fā)生化學反應。能夠重復控制雜質的濃度和深度

缺點1.輻射損傷。高溫退火修復。2.設備復雜（比擴散）注入劑量能量離子注入過程是一個非平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。停下來的位置是隨機的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。離子注入劑量注入劑量是單位面積晶圓表面注入的離子數(shù)，可通過下面的公式計算得出I：束流單位：庫侖/秒（安培）E：電子電荷1.6×10-19庫侖t：注入時間（秒）n：離子電荷（如B＋等于1）A：注入面積單位cm2離子射程離子射程就是注入時，離子進入晶圓內部后，從表面到停止所經過的路程。入射離子能量越高，射程就會越長。投影射程是離子注入晶圓內部的深度，它取決于離子的質量、能量、晶圓的質量以及離子入射方向與晶向之間的關系。有的離子射程遠，有的射程近，而有的離子還會發(fā)生橫向移動，綜合所有的離子運動，就產生了投影偏差。雜質離子的射程和投影射程IncidentionbeamSiliconsubstrateStoppingpointforasingleionRpDRpdopantdistributionFigure17.7

離子注入機的種類Table17.6

核碰撞和電子碰撞注入離子如何在晶圓內靜止？1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內分布理論，簡稱LSS理論。該理論認為，注入離子在靶內的能量損失分為兩個彼此獨立的過程。核碰撞（核阻止nuclearstopping）電子碰撞（電子阻止electronicstopping）總能量損失為核碰撞與電子碰撞的和。核碰撞——注入離子與靶內原子核間的碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用。質量為同一數(shù)量級，故碰撞后注入離子會發(fā)生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而獲得能量，如果獲得的能量大于原子束縛能，就會離開原來所在晶格位置，進入晶格間隙，并留下一個空位，形成缺陷。電子碰撞——注入離子與靶內自由電子以及束縛電子間的碰撞，能瞬時地形成電子-空穴對。兩者質量相差極大（104量級），碰撞后注入離子的能量損失很小，散射角度也小，即每次碰撞都不會顯著地改變注入離子的動量，又由于散射方向是隨機的，雖然經過多次散射，注入離子運動方向基本不變?？傋柚贡绢I（Totalstoppingpower）核阻止本領在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）電子阻止本領在高能量下起主要作用核阻止和電子阻止相等的能量橫向效應雜質與硅原子碰撞所產生的散射會造成雜質往橫向注入。橫向效應是指注入離子在垂直入射方向的平面內的分布情況，會影響MOS管的有效溝道長度。橫向效應與注入離子的種類及入射離子的能量有關。溝道效應溝道效應：對晶體靶進行離子注入時，由于晶體排列的特性使得某些角度上有長距離的開口。假如注入離子運動方向與這些隧道般的開口相平行，這些注入的離子將不會與靶原子發(fā)生碰撞而深深地注入襯底之中。溝道效應導致對注入離子在深度控制上有困難，使離子的注入距離超出預期的深度，使元件的功能受損。110111100傾斜旋轉硅片后的無序方向1.8?控制溝道效應的方法傾斜硅片掩蔽氧化層硅預非晶化使用質量較大的原子離子注入機IonsourceAnalyzingmagnetAccelerationcolumnIonbeamPlasmaProcesschamberExtractionassemblyScanningdisk離子注入機的主要部件有：離子源、質量分析器、加速器、聚焦器、掃描系統(tǒng)以及工藝室等。離子注入機PhotographcourtesyofVarianSemiconductor,VIISion80Source/TerminalsidePhoto17.1

離子源和吸極裝配圖UsedwithpermissionfromAppliedMaterialsTechnology,PrecisionImplanter9500

Figure17.11

ExtractionassemblySourcechamberTurbopumpIonsourceinsulatorBernasionsourceassemblyArcchamberExtractionelectrodeExtractionassemblyIonbeam（1）離子源離子源的任務是提供所需的雜質離子。在合適的氣壓下，使含有雜質的氣體受到電子碰撞而電離，最常用的雜質源有B2H6和PH3等，（2）離子束吸取電極吸取電極將離子源產生的離子收集起來形成離子束。電極由抑制電極和接地電極構成，電極上加了很高的電壓，離子受到弧光反應室側壁的排斥作用和抑制電極的吸引作用，被分離出來形成離子束向吸取電極運動。3）質量分析器反應氣體中可能會夾雜少量其它氣體，這樣，從離子源吸取的離子中除了需要雜質離子外，還會有其它離子。因此，需對從離子源出來的離子進行篩選，質量分析器就是來完成這項任務的。質量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁場作用下，不同荷質比的離子會以不同的曲率半徑做圓弧運動，選擇合適曲率半徑，就可以篩選出需要的離子。荷質比較大的離子偏轉角度太小、荷質比較小的離子偏轉角度太大，都無法從磁分析器的出口通過，只有具有合適荷質比的離子才能順利通過磁分析器，最終注入到硅片中。（4）加速器為了保證注入的離子能夠進入wafer，并且具有一定的射程，離子的能量必須滿足一定的要求，所以，離子還需要進行電場加速。完成加速任務的是由一系列被介質隔離的加速電極組成管狀加速器。離子束進入加速器后，經過這些電極的連續(xù)加速，能量增大很多。與加速器連接的還有聚焦器，聚焦器就是電磁透鏡，它的任務是將離子束聚集起來，使得在傳輸離子時能有較高的效益，聚焦好的離子束才能確保注入劑量的均勻性。加速管100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kVIonbeamIonbeamToprocesschamberElectrodeFromanalyzingmagnetFigure17.15

（5）掃描器離子束是一條直徑約1～3的線狀高速離子流，必須通過掃描覆蓋整個注入區(qū)。掃描方式有：固定wafer，移動離子束；固定離子束，移動wafer。離子注入機的掃描系統(tǒng)有電子掃描、機械掃描、混合掃描以及平行掃描系統(tǒng)，目前最常用的是靜電掃描系統(tǒng)。靜電掃描過程中，硅片固定不動，大大降低了污染幾率，而且由于帶負電的電子和中性離子不會發(fā)生同樣的偏轉，這樣就可以避免被摻入到硅片當中。硅片的靜電離子束掃描+IonbeamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHighfrequencyX-axisdeflectionLowfrequencyY-axisdeflectionFigure17.20

注入陰影效應Resista)MechanicalscanningwithnotiltIonbeamb)ElectrostaticscanningwithnormaltiltResistIonbeamFigure17.21

離子注入機的終端臺PhotographprovidedcourtesyofInternationalSEMATECHPhoto17.3

熱退火離子注入對材料電學性質的影響散射中心的增加，使載流子遷移率下降。缺陷中心的增加，使非平衡少子的壽命降低，p-n結的漏電流增大。被注入的雜質原子大多數(shù)處于晶格間隙位置，起不到施主或受主的作用，對載流子的輸運沒有貢獻。而且造成大量損傷，注入的雜質更難處于替位位置。退火處理的必要性消除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復其原有完美晶體結構。讓雜質進入替位位置以實現(xiàn)點激活。注意：退火過程中應避免大幅度的雜質再分布熱退火：將注入離子的硅片經過一定溫度及時間的熱處理，硅片中的損傷可能部分或絕大部分被消除，少數(shù)載流子的壽命及遷移率不同程度地恢復，摻入的雜質得到一定比例的電激活，稱這種處理過程為熱退火。原理：500°C修復晶格，950°C激活1.高溫爐退火，800-1000度退火30分鐘，導致雜質的再擴散。2.快速熱處理RTA：1000°下短暫時間來自顆粒沾污的注入損傷MaskMaskSiliconSubstrateBeamscanIonimplanterParticlecreatesavoidinimplantedareaFigure17.30

離子注入對顆粒污染非常敏感，硅片表面的顆粒會阻礙離子束的注入，大電流的注入會產生更多顆粒，必要時需采取糾正措施。

對比內

容熱擴散離子注入動力高溫、雜質的濃度梯度平衡過程動能，5-500KeV非平衡過程雜質濃度受表面固溶度限制摻雜濃度過高、過低都無法實現(xiàn)濃度不受限結深結深控制不精確適合深結摻雜結深控制精確適合淺結摻雜橫向擴散嚴重。橫向是縱向擴散線度的0.70-0.85倍，擴散線寬3μm以上較小。特別在低溫退火時，線寬可小于1μm均勻性電阻率波動約5-10%電阻率波動約1%溫度高溫工藝，越1000℃常溫注入，退火溫度約800℃，可低溫、快速退火掩蔽膜二氧化硅等耐高溫薄膜光刻膠、二氧化硅或金屬薄膜工藝衛(wèi)生易沾污高真空、常溫注入，清潔晶格損傷小損傷大，退火也無法完全消除，注入過程芯片帶電設備、費用設備簡單、價廉復雜、費用高應用深層摻雜的雙級性器件或者是電路淺結的超大規(guī)模電路熱擴散和離子注入的比較17.5離子注入的發(fā)展趨勢不同的離子注入工藝深埋層倒摻雜阱穿通阻擋層閾值電壓調整輕摻雜漏極(LDD)源/漏注入多晶硅柵溝槽電容超淺結絕緣體上硅(SOI)

1深埋層Figure17.31

n-wellp-wellp-Epilayerp+Siliconsubstratep+Buriedlayer倒摻雜阱2倒摻雜阱RetrogradeWelln-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp++n++Figure17.32

3穿通阻擋層n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++n+n++Figure17.33

4.閾值電壓調整n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++pn+n++nFigure17.34

5.LDD6.源漏注入++++++++----------++++++++++++++++----------------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep+S/Dimplantn+S/DimplantSpaceroxideDrainSourceDrainSourceb) p+andn+Source/drainimpl