半導體制造技術(shù):離子注入_第1頁
半導體制造技術(shù):離子注入_第2頁
半導體制造技術(shù):離子注入_第3頁
半導體制造技術(shù):離子注入_第4頁
半導體制造技術(shù):離子注入_第5頁
已閱讀5頁,還剩71頁未讀 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

Chapter6

IonImplantation

離子注入6.1Introduction–History

簡介—歷史Usedforatomicandnuclearresearch用于原子和核研究Earlyideaintroducedin1950’s20世紀50年代提出的早期概念I(lǐng)ntroducedtosemiconductormanufacturinginmid-1970s.在20世紀70年代中期被引入半導體制造領(lǐng)域6.2StoppingMechanism

阻止機制Ionspenetrateintosubstrate離子注入基體Collidewithlatticeatoms與晶格原子碰撞Graduallylosetheirenergyandstop逐漸失去能量,最終停止Twostopmechanisms兩個阻止機制TwoStoppingMechanism

兩種阻止機制Nuclearstopping(核阻止)Collisionwithnucleiofthelatticeatoms與晶格原子的原子核碰撞Scatteredsignificantly大角度散射Causescrystalstructuredamage.造成晶格損傷electronicstopping(電子阻止)Collisionwithelectronsofthelatticeatoms與晶格原子的自由電子與束縛電子碰撞Incidentionpathisalmostunchanged注入離子的路徑基本不變Energytransferisverysmall能量損失很小Crystalstructuredamageisnegligible晶體結(jié)構(gòu)的損傷可以忽略StoppingMechanism

阻止機制Thetotalstoppingpower(總阻止本領(lǐng))Stotal=Sn+SeSn:nuclearstopping(核阻止本領(lǐng))Se:electronicstopping(電子阻止本領(lǐng))LowE,highAionimplantation:mainlynuclearstopping低能離子注入,主要是核阻止HighE,lowAionimplantation,electronicstoppingmechanismismoreimportant高能離子注入,電子阻止機制更重要StoppingMechanisms

阻止機制RandomCollisions(S=Sn+Se)自由碰撞Channeling(S

Se)溝道BackScattering(S

Sn)背散射IonStoppingPowerandIonVelocity

阻止本領(lǐng)與離子速度NuclearStopping核阻止ElectronicStopping電子阻止IIIIIIIonVelocity離子速度StoppingPower阻止本領(lǐng)IonTrajectoryandProjectedRange

離子軌跡與射程ProjectedRange射程IonTrajectory離子軌跡Collision碰撞IonBeam離子束Vacuum真空Substrate基體DistancetotheSurface到表面的距離IonProjectionRange

注入離子分布ln(Concentration)ln(濃度)ProjectedRange投影射程,射程的平均值SubstrateSurface基體表面DepthfromtheSurface到表面的深度0.0100.1001.000101001000ImplantationEnergy注入能量(keV)ProjectedRange射程

(mm微米)BPAsSbProjectedRangeinSilicon

硅靶中的射程0.000.200.400.600.801.001.20SiSiO2Si3N4AlMaskThickness掩膜厚度(micron微米)SbAsPBBarrierThicknesstoBlock

200keVIonBeam

阻擋200keV的離子束的阻擋層厚度PRImplantationProcesses:Channeling注入過程:溝道Veryfewcollisions很少碰撞Lotsofcollisions大量碰撞Iftheincidentangleisright,ioncantravellongdistancewithoutcollisionwithlatticeatoms如果入射角度合適,離子能夠在不和晶格原子碰撞的情況下運動很遠距離Itcausesuncontrollabledopantprofile會引起不可控的雜質(zhì)分布ChannelingEffect

溝道效應ChannelingIon溝道離子CollisionalIon碰撞離子LatticeAtoms晶體原子qWaferSurface晶片表面Post-collisionChanneling碰撞后溝道效應Collisional碰撞qWaferSurface晶片表面Collisional碰撞

Channeling溝道Post-collisionChanneling

碰撞后溝道效應Collisional碰撞引起

Collisional碰撞引起

Channeling溝道引起DopantConcentration摻雜濃度Distancefromsurface到表面的距離ImplantationProcesses:Channeling注入過程:溝道Waystoavoidchannelingeffect避免溝道效應的方法Tiltwafer,7°ismostcommonlyused(傾斜晶片,7°是最常用的)Screenoxide(屏蔽氧化層)Pre-amorphousimplantation,Germanium(注入前預先無定型處理:鍺)Shadowingeffect陰影效應Ionblockedbystructures(離子受到掩膜結(jié)構(gòu)阻擋)Rotatewaferandpost-implantationdiffusion旋轉(zhuǎn)晶片與注入后的擴散ShadowingEffect陰影效應Polysilicon多晶硅Substrate基體DopedRegion摻雜區(qū)ShadowedRegion陰影區(qū)IonBeam離子束ShadowingEffect

陰影效應Polysilicon多晶硅Substrate基體DopedRegion摻雜區(qū)AfterAnnealingandDiffusion退火和擴散后Q&AWhydon’tpeopleusechannelingeffecttocreatedeepjunctionwithouthighionenergy?為什么不利用溝道效應在離子能量不高的情況產(chǎn)生深結(jié)?Ionbeamisnotperfectlyparallel.Manyionswillstarttohavealotofnuclearcollisionswithlatticeatomsaftertheypenetratingintothesubstrate.Someionscanchanneldeepintothesubstrate,whilemanyothersarestoppedasthenormalGaussiandistribution.

離子束不是完全平行的。許多離子在注入基體后會開始與晶格原子核發(fā)生大量碰撞。只有少數(shù)一些離子會通過溝道滲入基體很深,大量的離子被阻止,就如同正常的高斯分布。DamageProcess

損傷過程Implantedionstransferenergytolatticeatoms注入離子將能量轉(zhuǎn)移到晶格原子

Atomstobreakfree產(chǎn)生自由原子Freedatomscollidewithotherlatticeatoms自由原子與其他晶格原子碰撞Freemorelatticeatoms

使更多的晶格原子成為自由原子Damagecontinuesuntilallfreedatomsstop知道所有自由原子均停止下來,損傷才停止Oneenergeticioncancausethousandsofdisplacementsoflatticeatoms一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移LatticeDamageWithOneIon

一個離子引起的晶格損傷HeavyIon重離子SingleCrystalSilicon單晶硅

DamagedRegion損傷區(qū)LightIon輕離子ImplantationProcesses:Damage注入過程:損傷Ioncollideswithlatticeatomsandknockthemoutoflatticegrid離子與晶格原子碰撞,使其脫離晶格格點Implantareaonsubstratebecomesamorphousstructure基體上的注入?yún)^(qū)域變成無定型的結(jié)構(gòu)BeforeImplantation注入前AfterImplantation注入后ImplantationProcesses:Anneal注入過程:退火Dopantatommustinsinglecrystalstructureandbondwithfoursiliconatomstobeactivatedasdonor(N-type)oracceptor(P-type)雜質(zhì)原子必須處于單晶結(jié)構(gòu)中并與四個Si原子形成共價鍵才能被激活成施主(N型)或受主(P型)Thermalenergyfromhightemperaturehelpsamorphousatomstorecoversinglecrystalstructure.高溫熱能幫助無定型原子恢復單晶結(jié)構(gòu)ThermalAnnealing退火DopantAtom雜質(zhì)原子LatticeAtoms晶格原子ThermalAnnealingDopantAtomLatticeAtomsThermalAnnealingDopantAtomLatticeAtomsThermalAnnealingDopantAtomLatticeAtomsThermalAnnealingDopantAtomLatticeAtomsThermalAnnealingDopantAtomLatticeAtomsThermalAnnealingDopantAtomLatticeAtomsThermalAnnealingDopantAtomsLatticeAtomsImplantationProcesses:Annealing注入過程:退火B(yǎng)eforeAnnealing退火前AfterAnnealing退火后RapidThermalAnnealing(RTA)快速熱退火Athightemperature,annealingoutpacediffusion高溫下,退火超越擴散Rapidthermalprocess(RTP)iswidelyusedforpost-implantationanneal快速熱處理工藝被廣泛應用于離子注入后的退火RTAisfast(lessthanaminute),betterWTWuniformity,betterthermalbudgetcontrol,andminimizedthedopantdiffusion快速退火很快(小于一分鐘),更好的片間均勻性,更好的熱能合理控制和最小化雜質(zhì)擴散RTPandFurnaceAnnealing

快速熱處理工藝與爐退火PolySi多晶硅SiRTPAnnealing快速熱處理工藝退火FurnaceAnnealing爐退火PolySi多晶硅SiGateSiO2Source/Drain源/漏Gate柵QuestionandAnswerWhycan’tthefurnacetemperatureberamped-upandcooled-downasquicklyasRTPsystem?高溫爐的溫度為什么不能像RTP系統(tǒng)那樣快速升溫和降溫?Afurnacehasverylargethermalcapacity,itneedsveryhighheatingpowertoramp-uptemperaturerapidly.Itisverydifficulttorampuptemperatureveryfastwithoutlargetemperatureoscillationduetothetemperatureovershootandundershoot.

高溫爐有很大的熱容積,需要很高的加熱功率去獲得快速升溫。很難避免快速升溫時大的溫度振蕩(溫度過沖和下沖)。IonImplantation:Hardware離子注入:硬件Gassystem(氣體系統(tǒng))Electricalsystem(電氣系統(tǒng))Vacuumsystem(真空系統(tǒng))Ionbeamline(離子束線)ImplantationProcess

注入工藝GasesandVapors(氣體和蒸汽):P,B,BF3,PH3,andAsH3SelectIon(選擇離子):B,P,AsSelectIonEnergy(選擇能量)SelectBeamCurrent(選擇束電流)NextStep下一步Implanter離子注入機IonImplanter

離子注入機GasCabin(氣艙)IonSource(離子源)VacuumPump(真空泵)VacuumPump(真空泵)ElectricalSystem(電氣系統(tǒng))ElectricalSystem(電氣系統(tǒng))AnalyzerMagnet(磁分析器)BeamLine(束流線)EndAnalyzer(靶室)Wafers(晶片)PlasmaFloodingSystem(等離子注入系統(tǒng))IonImplantation:GasSystem離子注入:氣體系統(tǒng)Specialgasdeliversystemtohandlehazardousgases特殊氣體傳輸系統(tǒng)處理有害氣體Specialtrainingneededtochangegasesbottles特殊訓練需要改變氣瓶Argonisusedforpurgeandbeamcalibration氬氣被用作清掃和束校準IonImplantation:ElectricalSystem離子注入:電氣系統(tǒng)Highvoltagesystem(高壓系統(tǒng))Determineionenergythatcontrolsjunctiondepth確定控制結(jié)深的離子能量RFsystem(射頻系統(tǒng))SomeionsourcesuseRFtogenerateions一些離子源使用射頻來生成離子42IonImplantation:VacuumSystem離子注入:真空系統(tǒng)Needhighvacuumtoaccelerateionsandreducecollision需要高真空來加速離子并且減少碰撞MFP>>beamlinelength平均自由程>>離子束線長度10-5to10-7Torr(10-5

到10-7

托)TurbopumpandCryopump渦輪泵和低溫泵Exhaustsystem(排氣)IonImplantation:ControlSystem離子注入:控制系統(tǒng)Ionenergy,beamcurrent,andionspecies.離子能量,流強和離子種類Mechanicalpartsforloadingandunloading裝卸的機械零件Wafermovementtogetuniformbeamscan晶片移動得到均勻的光束掃描CPUboardcontrolboardsCPU控制板Controlboardscollectdatafromthesystems,sendittoCPUboardtoprocess,控制板從系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù),發(fā)送到CPU板加工CPUsendsinstructionsbacktothesystemsthroughthecontrolboard.

CPU通過控制板返回指令到系統(tǒng)IonImplantation:Beamline離子注入:束流線Ionsource(離子源)Extractionelectrode(引出電極)Analyzermagnet(分析器磁鐵)Postacceleration(偏轉(zhuǎn)后加速)Plasmafloodingsystem(等離子淹沒系統(tǒng))Endanalyzer(最終分析儀)IonBeamLine離子束線IonSource離子源VacuumPump真空泵VacuumPump真空泵AnalyzerMagnet磁分析器BeamLine束流線EndAnalyzer靶室Wafers晶片PlasmaFloodingSystem等離子注入系統(tǒng)PostAccelerationElectrode后加速電極ExtractionElectrode引出電極SuppressionElectrode抑制電極Hottungstenfilamentemitsthermalelectron熱鎢絲發(fā)射出熱電子Electronscollidewithsourcegasmoleculestodissociateandionize電子與源氣體分子碰撞,發(fā)生分解和電離Ionsareextractedoutofsourcechamberandacceleratedtothebeamline離子從源室中被提取出來,加速成離子束流RFandmicrowavepowercanalsobeusedtoionizesourcegas射頻和微波也可以被用于電離源氣體Ionimplanter:IonSource離子注入機:離子源IonSource

離子源ArcPower(電弧功率)~120VFilamentPower(電源),0-5V,upto200A+-Anti-cathode對陰極TungstenFilament鎢絲SourceMagnet源磁鐵SourceGasorVapor源氣體或蒸氣Plasma等離子體MagneticFieldLine磁場線RFIonSource

射頻離子源RF射頻RFCoils射頻線圈Plasma等離子體DopantGas雜質(zhì)氣體-+ExtractionElectrode引出電極IonBeam離子束MicrowaveIonSource

微波離子源MagneticFieldLine磁場線Microwave微波MagneticCoils磁線圈ECRPlasmaECR等離子體ExtractionElectrode引出電極IonImplantation:Extraction離子注入:引出Extractionelectrodeacceleratesionsupto50keV引出電極將離子加速至50keVHighenergyisrequiredforanalyzermagnettoselectrightionspecies.磁分析儀需要高能量來選擇合適的離子種類ExtractionAssembly

提取組件IonBeam離子束IonSource離子源Plasma等離子體ExtractionPower引出電壓,upto60kVSuppressionPower抑制電壓,upto10kV++–SuppressionElectrode抑制電極ExtractionElectrode引出電極SlitExtractingIonBeam狹縫提取離子束TopView俯視圖TerminalChassis終端機箱–IonImplantation:AnalyzerMagnet離子注入:磁分析儀GyroradiusofchargeparticleinmagneticfieldrelatewithB-fieldandmass/chargeratio帶電粒子在磁場中的旋轉(zhuǎn)半徑與B場和荷質(zhì)比相關(guān)UsedforisotopeseparationtogetenrichedU235用于分離同位素,得到濃縮U235Onlyionswithrightmass/chargeratiocangothroughtheslit只有具有適當荷質(zhì)比的離子可以通過狹縫Purifiedtheimplantingionbeam注入離子束的純化Analyzer

分析儀IonBeam離子束Smallerm/qRatio小荷質(zhì)比Largerm/qRatio大荷質(zhì)比Rightm/qRatio適當荷質(zhì)比MagneticField(PointOutward)磁場(向外)FlightTube飛行管IonsinBF3Plasma

BF3等離子體中的離子Ions Atomicormoleculeweight離子原子或分子量10B 1011B 1110BF 2911BF 30F2 3810BF2 4811BF2 49

QuestionandAnswerOnly20%ofboronatomsare10B只有20%的硼原子是10B10B+ionconcentrationisonly1/4of11B+

10B+的離子濃度只有11B+的1/410B+beamcurrentis1/4of11B+beamcurrent

10B+的束流強度是11B+的1/4Quadrupleimplantationtime,lowerthroughput四倍的注入時間,低流率10B+islighterandcanpenetratedeeperthan11B+,whydon’tuse10B+indeepjunctionimplantation?10B+比11B+更輕而且滲入更深,為什么在深結(jié)注入中不使用10B+

?IonImplantation:PostAcceleration離子注入:后加速Increasing(sometimesdecreasing)ionenergyforiontoreachtherequiredjunctiondepthdeterminedbythedevice通過該裝置增加(有時減少)離子的能量,使其能夠達到要求的結(jié)深ElectrodeswithhighDCvoltage高直流電壓的電極Adjustableverticalvanescontrolbeamcurrent可調(diào)的垂直葉片控制流強IonImplantation:PlasmaFloodingSystem離子注入:等離子注入系統(tǒng)Ionscausewafercharging離子引起晶片表面充電Waferchargingcancausenon-uniformdopingandarcingdefects晶片表面充電引起非均勻摻雜和弧形缺陷Electionsare“flooding”intoionbeamandneutralizedthechargeonthewafer電子注入離子束中,中和晶片表面電荷Argonplasmageneratedbythermalelectronsemitfromhottungstenfilament熱鎢絲發(fā)射的熱電子產(chǎn)生Ar等離子體PostAcceleration

后加速IonBeam離子束PostAccel.Power后加速電壓,upto60kVSuppressionPower抑制電壓,upto10kV++–SuppressionElectrode抑制電極AccelerationElectrode加速電極TerminalChassis終端機箱–IonBeamCurrentControl

離子束流強控制FixedDefiningAperture固定的規(guī)定孔徑AdjustableVerticalVanes可調(diào)的垂直葉片IonBeam離子束BendingIonTrajectory

彎曲的離子軌跡NeutralAtomTrajectory中性原子軌跡IonTrajectory離子軌跡Wafer晶片BiasElectrode偏轉(zhuǎn)電極ChargeNeutralizationSystem

電荷中和系統(tǒng)(晶片表面充電)Implantedionschargewaferpositively注入離子使晶片表面帶正電Causewaferchargingeffect造成晶片充電效應Expelpositiveion,causebeamblowupandresultnon-uniformdopantdistribution排斥正離子,引起離子束彎曲,造成不均勻雜志分布Dischargearcingcreatedefectsonwafer電弧放電引起晶片表面損傷Breakdowngateoxide,lowyield使柵氧化層擊穿,降低工藝成品率Needeliminateorminimizechargingeffect需要消除或減弱充電效應ChargingEffect

充電效應++++Ionstrajectory離子軌道Wafer晶片ChargeNeutralizationSystem

電荷中和系統(tǒng)

Needtoprovideelectronstoneutralizeions需要提供電子中和正離子

Plasmafloodingsystem等離子體注入系統(tǒng)Electrongun電子槍Electronshowerareusedto電子噴頭PlasmaFloodingSystem

等離子體注入系統(tǒng)DCPower直流電源FilamentCurrent燈絲電流+

TungstenFilament鎢絲Plasma等離子體ArIonBeam離子束Wafer晶片Electrons電子ElectronGun

電子槍IonBeam離子束ElectronGun電子槍SecondaryElectrons二次電子ThermalFilament熱燈絲Electrons電子Wafer晶片SecondaryElectronTarget二次電子靶IonImplantation:TheProcess離子注入:過程CMOSapplicationsCMOS應用CMOSionimplantationrequirementsCMOS離子注入的要求Implantationprocessevaluations注入過程的評價

CMOSImplantationRequirements

CMOS注入的要求ImplantStep注入步驟0.35mm,64Mb0.25mm,256Mb0.18mm,1GbN-wellN型

Well阱P/600/21013P/400/21013P/300/11013Anti-punchthrough反碰穿P/100/51013As/100/51012As/50/21012Threshold閾值B/10/71012B/5/31012B/2/41012Polydope多晶硅摻雜P/30/21015B/20/21015B/20/31015Polydiffusionblock多晶硅擴散阻礙--N2/20/31015Lightlydopeddrain(LDD)輕摻雜漏極B/7/51013B/5/11014B/2/81013Halo(45implant)光圈(45°注入)--As/30/51013Source/draincontact源/漏極接觸B/10/21015B/7/21015B/6/21015P-well

WellB/225/31013B/200/11013B/175/11013Anti-punchthroughB/30/21013B/50/51012B/45/51012ThresholdB/10/71012B/5/31012B/2/41012PolydopeP/30/51015P/20/21015As/40/31015Polydiffusionblock--N2/20/31015Lightlydopeddrain(LDD)P/20/51013P/12/51013P/5/31013Halo(45implant)B/30/31012B/20/31012B/7/21013Source/draincontactAs/30/31015As/20/31015As/15/31015ImplantationProcess:WellImplantation注入過程:阱注入Highenergy高能(toMeV)lowcurrent低流強(1013/cm2)P-EpiP-WaferPhotoresistN-WellP+PhotoresistB+P-EpiP-WaferN-WellP-WellSTIUSGImplantationProcess:VTAdjustImplantationLowEnergy低能

LowCurrent低流強PhotoresistP+P-EpiP-W

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

最新文檔

評論

0/150

提交評論