半導(dǎo)體制造技術(shù)第十七章課件

半導(dǎo)體制造技術(shù)

第十七章離子注入本章目標(biāo)1. 解釋摻雜在硅片制造過程中的目的和應(yīng)用.2. 討論雜質(zhì)擴(kuò)散的原理和過程.3. 對(duì)離子注入有整體的認(rèn)識(shí)，包括優(yōu)缺點(diǎn).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(jī)的５個(gè)主要子系統(tǒng).6. 解釋離子注入中的退火效應(yīng)和溝道效應(yīng).7. 描述離子注入的各種應(yīng)用.

具有摻雜區(qū)的CMOS結(jié)構(gòu)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(yīng)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(chǎng)；特別是，當(dāng)MOSFET工作于電流飽和的放大狀態(tài)時(shí)，溝道在漏極附近處被夾斷（耗盡），其中存在強(qiáng)電場(chǎng)；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(chǎng)更強(qiáng)。這時(shí)，通過夾斷區(qū)的載流子即將從強(qiáng)電場(chǎng)獲得很大的漂移速度和動(dòng)能，就很容易成為熱載流子，同時(shí)這些熱載流子與價(jià)電子碰撞時(shí)還可以產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)。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(nèi)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(yùn)動(dòng)，形成比柵電流大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的襯底電流，產(chǎn)生的壓降使源和襯底之間的PN結(jié)正偏，形成“源-襯底-漏”寄生NPN，可能導(dǎo)致源漏擊穿或是閂鎖效應(yīng)。短溝道效應(yīng)當(dāng)MOS的溝道長度與漏極耗盡區(qū)的厚度在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，則該MOS器件可以稱為短溝道器件。短溝道效應(yīng)會(huì)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(kuò)散是微電子工藝中最基本的平面工藝，在900-1200℃的高溫，雜質(zhì)（非雜質(zhì)）氣氛中，雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，又稱熱擴(kuò)散。目的是通過定域、定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成PN結(jié)。擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)有梯度(化學(xué)位、濃度、應(yīng)力梯度等)存在時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)(導(dǎo)致)的質(zhì)點(diǎn)定向遷移即所謂的擴(kuò)散。因此，擴(kuò)散是一種傳質(zhì)過程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。擴(kuò)散是一種自然現(xiàn)象，是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的形式，結(jié)果使其濃度趨于均勻。1.擴(kuò)散原理三步預(yù)擴(kuò)散推進(jìn)激活雜質(zhì)移動(dòng)固溶度橫向擴(kuò)散2.擴(kuò)散工藝硅片清洗雜質(zhì)源

雜質(zhì)移動(dòng)(a)間隙式擴(kuò)散（interstitial）(b)替位式擴(kuò)散（substitutional）間隙擴(kuò)散雜質(zhì)：O，Au，F(xiàn)e，Cu，Ni，Zn，Mg替位擴(kuò)散雜質(zhì)：As，Al，Ga，Sb，Ge。替位原子的運(yùn)動(dòng)一般是以近鄰處有空位為前題B，P，一般作為替代式擴(kuò)散雜質(zhì)，實(shí)際情況更復(fù)雜，包含了硅自間隙原子的作用，稱填隙式或推填式擴(kuò)散Ws空位濃度間隙擴(kuò)散替代擴(kuò)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(zhì)數(shù)量是一定的，被稱為固溶度極限。這個(gè)極限適用于大多數(shù)物質(zhì)。擴(kuò)散常用雜質(zhì)源Table17.4

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

石英管接排風(fēng)閥和質(zhì)量流量計(jì)氣源石英舟和硅片氣態(tài)源擴(kuò)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(zhì)以改變其電學(xué)性能的方法。是一個(gè)物理過程，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。能夠重復(fù)控制雜質(zhì)的濃度和深度

缺點(diǎn)1.輻射損傷。高溫退火修復(fù)。2.設(shè)備復(fù)雜（比擴(kuò)散）注入劑量能量離子注入過程是一個(gè)非平衡過程，高能離子進(jìn)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(jī)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(jì)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(shí)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(shí)，離子進(jìn)入晶圓內(nèi)部后，從表面到停止所經(jīng)過的路程。入射離子能量越高，射程就會(huì)越長。投影射程是離子注入晶圓內(nèi)部的深度，它取決于離子的質(zhì)量、能量、晶圓的質(zhì)量以及離子入射方向與晶向之間的關(guān)系。有的離子射程遠(yuǎn)，有的射程近，而有的離子還會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)，綜合所有的離子運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了投影偏差。雜質(zhì)離子的射程和投影射程IncidentionbeamSiliconsubstrateStoppingpointforasingleionRpDRpdopantdistributionFigure17.7

離子注入機(jī)的種類Table17.6

核碰撞和電子碰撞注入離子如何在晶圓內(nèi)靜止？1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱LSS理論。該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)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(nèi)原子核間的碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用。質(zhì)量為同一數(shù)量級(jí)，故碰撞后注入離子會(huì)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(huì)離開原來所在晶格位置，進(jìn)入晶格間隙，并留下一個(gè)空位，形成缺陷。電子碰撞——注入離子與靶內(nèi)自由電子以及束縛電子間的碰撞，能瞬時(shí)地形成電子-空穴對(duì)。兩者質(zhì)量相差極大（104量級(jí)），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(huì)顯著地改變注入離子的動(dòng)量，又由于散射方向是隨機(jī)的，雖然經(jīng)過多次散射，注入離子運(yùn)動(dòng)方向基本不變?？傋柚贡绢I(lǐng)（Totalstoppingpower）核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）電子阻止本領(lǐng)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(yīng)雜質(zhì)與硅原子碰撞所產(chǎn)生的散射會(huì)造成雜質(zhì)往橫向注入。橫向效應(yīng)是指注入離子在垂直入射方向的平面內(nèi)的分布情況，會(huì)影響MOS管的有效溝道長度。橫向效應(yīng)與注入離子的種類及入射離子的能量有關(guān)。溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)：對(duì)晶體靶進(jìn)行離子注入時(shí)，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(yùn)動(dòng)方向與這些隧道般的開口相平行，這些注入的離子將不會(huì)與靶原子發(fā)生碰撞而深深地注入襯底之中。溝道效應(yīng)導(dǎo)致對(duì)注入離子在深度控制上有困難，使離子的注入距離超出預(yù)期的深度，使元件的功能受損。110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向1.8?控制溝道效應(yīng)的方法傾斜硅片掩蔽氧化層硅預(yù)非晶化使用質(zhì)量較大的原子離子注入機(jī)IonsourceAnalyzingmagnetAccelerationcolumnIonbeamPlasmaProcesschamberExtractionassemblyScanningdisk離子注入機(jī)的主要部件有：離子源、質(zhì)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(jī)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(wù)是提供所需的雜質(zhì)離子。在合適的氣壓下，使含有雜質(zhì)的氣體受到電子碰撞而電離，最常用的雜質(zhì)源有B2H6和PH3等，（2）離子束吸取電極吸取電極將離子源產(chǎn)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(gòu)成，電極上加了很高的電壓，離子受到弧光反應(yīng)室側(cè)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(yùn)動(dòng)。3）質(zhì)量分析器反應(yīng)氣體中可能會(huì)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(zhì)離子外，還會(huì)有其它離子。因此，需對(duì)從離子源出來的離子進(jìn)行篩選，質(zhì)量分析器就是來完成這項(xiàng)任務(wù)的。質(zhì)量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁場(chǎng)作用下，不同荷質(zhì)比的離子會(huì)以不同的曲率半徑做圓弧運(yùn)動(dòng)，選擇合適曲率半徑，就可以篩選出需要的離子。荷質(zhì)比較大的離子偏轉(zhuǎn)角度太小、荷質(zhì)比較小的離子偏轉(zhuǎn)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(zhì)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(jìn)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(jìn)行電場(chǎng)加速。完成加速任務(wù)的是由一系列被介質(zhì)隔離的加速電極組成管狀加速器。離子束進(jìn)入加速器后，經(jīng)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(wù)是將離子束聚集起來，使得在傳輸離子時(shí)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(gè)注入?yún)^(qū)。掃描方式有：固定wafer，移動(dòng)離子束；固定離子束，移動(dòng)wafer。離子注入機(jī)的掃描系統(tǒng)有電子掃描、機(jī)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(dòng)，大大降低了污染幾率，而且由于帶負(fù)電的電子和中性離子不會(huì)發(fā)生同樣的偏轉(zhuǎn)，這樣就可以避免被摻入到硅片當(dāng)中。硅片的靜電離子束掃描+IonbeamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHighfrequencyX-axisdeflectionLowfrequencyY-axisdeflectionFigure17.20

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

離子注入機(jī)的終端臺(tái)PhotographprovidedcourtesyofInternationalSEMATECHPhoto17.3

熱退火離子注入對(duì)材料電學(xué)性質(zhì)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(jié)的漏電流增大。被注入的雜質(zhì)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(duì)載流子的輸運(yùn)沒有貢獻(xiàn)。而且造成大量損傷，注入的雜質(zhì)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(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)。讓雜質(zhì)進(jìn)入替位位置以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)激活。注意：退火過程中應(yīng)避免大幅度的雜質(zhì)再分布熱退火：將注入離子的硅片經(jīng)過一定溫度及時(shí)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(fù)，摻入的雜質(zhì)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(fù)晶格，950°C激活1.高溫爐退火，800-1000度退火30分鐘，導(dǎo)致雜質(zhì)的再擴(kuò)散。2.快速熱處理RTA：1000°下短暫時(shí)間來自顆粒沾污的注入損傷MaskMaskSiliconSubstrateBeamscanIonimplanterParticlecreatesavoidinimplantedareaFigure17.30

離子注入對(duì)顆粒污染非常敏感，硅片表面的顆粒會(huì)阻礙離子束的注入，大電流的注入會(huì)產(chǎn)生更多顆粒，必要時(shí)需采取糾正措施。

對(duì)比內(nèi)

容熱擴(kuò)散離子注入動(dòng)力高溫、雜質(zhì)的濃度梯度平衡過程動(dòng)能，5-500KeV非平衡過程雜質(zhì)濃度受表面固溶度限制摻雜濃度過高、過低都無法實(shí)現(xiàn)濃度不受限結(jié)深結(jié)深控制不精確適合深結(jié)摻雜結(jié)深控制精確適合淺結(jié)摻雜橫向擴(kuò)散嚴(yán)重。橫向是縱向擴(kuò)散線度的0.70-0.85倍，擴(kuò)散線寬3μm以上較小。特別在低溫退火時(shí)，線寬可小于1μm均勻性電阻率波動(dòng)約5-10%電阻率波動(dòng)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(shè)備、費(fèi)用設(shè)備簡單、價(jià)廉復(fù)雜、費(fèi)用高應(yīng)用深層摻雜的雙級(jí)性器件或者是電路淺結(jié)的超大規(guī)模電路熱擴(kuò)散和離子注入的比較17.5離子注入的發(fā)展趨勢(shì)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(diào)整輕摻雜漏極(LDD)源/漏注入多晶硅柵溝槽電容超淺結(jié)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(diào)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