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1、1,第17章离子注入,2,掺杂原因：,本征硅 导电能力很差。 在硅中加入少量杂质，结构和电导率变化。,3,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.,4,17.1 引言,Table 17.1,半导体常用杂质,杂质改变半导体的导电性,5,具有掺杂区的CMOS结构,Figure 17.1,6,CMOS制作中的一般掺杂工艺,7,离子注入在硅片流程中,Used with
2、permission from Lance Kinney, AMD,Figure 17.2,8,在硅片中的掺杂区,Figure 17.3,9,17.2 扩 散,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,10,硅中的杂质扩散,Figure 17.4,2020/9/25,扩散原理,一. 扩散流方程,12,扩散时质量守衡，J随时间变化与随空间变化相同连续性方程,以下式表示杂质原子流密度,扩散方程为：,17-1,17-2,17-3,13,扩散系数与温度有关,D0：扩散率，E：扩散工艺激活能，k0：玻耳兹曼常数，T：绝对温度。,36,14,硅中
3、的固溶度极限 1100C,Table 17.3,15,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、评价、记录结深和电阻.,16,扩散常用杂质源,Table 17.4,17,17.3 离子注入,1.概况 控制掺杂浓度（数量、深度） 离子注入的优点 离子注入的缺点 2.离子注入参数 剂量 射程,18,控制掺杂浓度、深度,F
4、igure 17.5,19,离子注入机示意图,20,离子注入机,Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side,Photo 17.1,21,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,Table 17.5,22,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,23,射程,能量 电子阻止Se 、核阻止Sn,24,离子注入机的种类,Table 17.6,
5、25,杂质离子的射程和投影射程,Figure 17.7,26,投影射程图,Figure 17.8,Redrawn from B.El-Kareh, Fundamentals of Semiconductor Processing Technologies, (Boston: Kluwer, 1995), p. 388,27,注入杂质能量损失,Figure 17.9,28,Crystal Damage Due to Light and Heavy Ions,Figure 17.10,29,17.4 离子注入机,离子源 引出电极（吸极）和离子分析器 加速管 扫描系统 工艺室 退火 沟道效应 颗粒,
6、30,离子源和吸极装配图,Used with permission from Applied Materials Technology, Precision Implanter 9500,Figure 17.11,31,Bernas 离子源装配图,Used with permission from Applied Materials Technology, Precision Implanter 9500,Figure 17.12,32,离子源和吸极交互作用装配图,Used with permission from Applied Materials Technology, Precision
7、 Implanter 9500,Figure 17.13,33,分析磁体,Figure 17.14,34,9.2.1 硅片制造厂的分区概述离子注入,35,离子注入机分析磁体,36,加速管,Figure 17.15,37,剂量与能量图,Used with permission from Varian Semiconductor Equipment,38,高能注入机的线性加速器,Figure 17.17,39,空间电荷中和,Figure 17.18,40,中性束流陷阱,Used with permission from Varian Semiconductor Equipment,Figure 1
8、7.19,41,硅片的静电离子束扫描,Figure 17.20,42,注入阴影效应,Figure 17.21,43,离子注入硅片的机械扫描,Used with permission from Varian Semiconductor Equipment, VIISion 80 Ion Implanter,Figure 17.22,44,控制硅片充电的电子喷淋,Adapted from Eaton NV10 ion implanter, circa 1983,Figure 17.23,45,控制硅片充电的等离子体喷淋,Figure 17.24,46,离子注入机的终端台,Photograph pr
9、ovided courtesy of International SEMATECH,Photo 17.3,47,注入工艺腔的硅片传送器,Used with permission from Varian Semiconductor Equipment, VIISion 200 Ion Implanter,Figure 17.25,48,法拉第杯电流测量,Redraawn from S. Ghandhi, VLSI Fabricaton Principles: Silicon and Gallium Arsenide, 2d ed., (New York: Wiley, 1994), p. 417
10、,Figure 17.26,49,硅单晶的退火,Figure 17.27,50,退火,1. 不退火的害处：扩散或注入的杂质没有被激活，不能成为施主或受主。 2.退火的好处：激活杂质，修复晶格缺陷。（注入造成的） 原理： 500C修复晶格，950C激活 1.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？ 瞬时增强扩散：严格控制,51,沿 轴的硅晶格视图,Used with permission from Edgard Torres Designs,Figure 17.28,52,离子入射角与沟道,Figure 17.29,53,来自颗粒
11、沾污的注入损伤,Figure 17.30,54,17.5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 (LDD) 源/漏 注入 多晶硅栅 沟槽电容 超浅结 绝缘体上硅 (SOI),55,1 深埋层,Figure 17.31,56,2 倒掺杂阱 Retrograde Well,Figure 17.32,57,3 穿通阻挡层,Figure 17.33,58,4. 阈值电压调整,Figure 17.34,59,5. LDD 6.源漏注入,Figure 17.35,60,7 多晶硅栅 8. 沟槽电容,Figure 17.36,61,9. 超浅结,Figure 17.37,62,绝缘层上硅SIMOX,Figure 17.38,63,17.6 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。,64,第十七章 作业,P473：1，2，5，8，14，16，23，24，25，26，27，28，32，33，39，42，45，46，50，55，56，58,
