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1、,半导体制造技术,陈弈星,第十七章 离子注入,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.,Table 17.1,半导体常用杂质,杂质改变半导体的导电性,具有掺杂区的CMOS结构,Figure 17.1,CMOS制作中的一般掺杂工艺,热载流子效应,在小尺寸MOSFET 中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFET 工作于
2、电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。,热载流子引发的问题,热载流子穿过氧化层-硅界面，形成微弱的栅电流并引起氧化层内正电荷积累，使NMOS阈值电压减小，PMOS阈值电压增大，改变了器件的性能。 碰撞形成的空穴朝衬底运动，形成比栅电流大几个数量级的衬底电流，产生的压降使源和衬底之间的PN结正偏，形成“源-衬底-漏”寄生NPN，可能导致源漏击穿或是闩锁效应。,短沟道效
3、应,当MOS的沟道长度与漏极耗尽区的厚度在一个数量级上，则该MOS器件可以称为短沟道器件。短沟道效应会引起两种物理现象： 1）限制沟道中的电子漂移特性 2）阈值电压改变,离子注入在硅片流程中,Used with permission from Lance Kinney, AMD,Figure 17.2,在硅片中的掺杂区,Figure 17.3,扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在900-1200的高温，杂质（非杂质）气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，又称热扩散。 目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型，电阻率，或形成PN结。,扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时
4、，任何物系内的质点都在作热运动。 当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时，由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。 扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式，结果使其浓度趋于均匀。,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,预淀积高温扩散炉，800-1100度，10-30分钟，杂质仅进入硅片中很薄的一层 推进1000-1250度，杂质再分布形成期望的结深。同时晶圆表面被氧化，N型杂质在晶圆表面堆积，浓度增加，P型杂质易被吸入氧化层，浓度降低 激活使杂质原子与晶
5、格中的硅原子键合，激活杂质原子，改变硅的电导率,杂质移动,(a) 间隙式扩散（interstitial）,(b) 替位式扩散（substitutional）,间隙扩散杂质：O，Au，Fe，Cu，Ni，Zn，Mg,替位扩散杂质：As， Al，Ga，Sb，Ge。 替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题,B，P，一般作为替代式扩散杂质，实际情况更复杂，包含了硅自间隙原子的作用，称填隙式或推填式扩散,间隙扩散,替代扩散,硅中的固溶度极限 1100C,Table 17.3,在一定温度下，硅能吸收的杂质数量是一定的，被称为固溶度极限。这个极限适用于大多数物质。,扩散工艺,扩散8个步骤: 1. 进行质量测
6、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.,扩散常用杂质源,Table 17.4,扩散设备与工艺,扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。 根据扩散源的不同有三种扩散工艺：固态源扩散，液态源扩散，气态源扩散。 选择源必需满足固溶度、扩散系数要求。 选择好掩蔽膜。,固态源扩散,扩散方式 开管扩散 箱式扩散 涂源
7、扩散 固态源 陶瓷片或粉体：BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等,液态源扩散,液态源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3（TMB）,气态源扩散,气态源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3,离子注入,离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质以改变其电学性能的方法。是一个物理过程，不发生化学反应。 能够重复控制杂质的浓度和深度,离子注入是将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析，成为一束由所需杂质离子组成的高能离子流而投入半导体晶片（俗称为靶）内部，并通过逐点扫描完成对晶片的注入。 离子注入的基本过程 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子。 在强电场中加速，获得较
8、高的动能后，射入材料表层（靶）。 改变材料表层的物理或化学性质。,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,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 能量,离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。,离子注入剂量,注入剂量是单位面积晶圆表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 I：束流 单位：库仑/秒 （安培） E：电
9、子电荷 1.610-19库仑 t：注入时间 （秒） n：离子电荷（如B等于1） A：注入面积 单位cm2,离子射程,离子射程就是注入时，离子进入晶圆内部后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。 投影射程是离子注入晶圆内部的深度，它取决于离子的质量、能量、晶圆的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。,杂质离子的射程和投影射程,Figure 17.7,离子注入机的种类,Table 17.6,核碰撞和电子碰撞,注入离子如何在晶圆内静止？1963年，Lindhard, Scharff a
10、nd Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程。 核碰撞（核阻止nuclear stopping） 电子碰撞（电子阻止electronic stopping） 总能量损失为核碰撞与电子碰撞的和。,核碰撞注入离子与靶内原子核间的碰撞 两粒子之间的相互作用力是电荷作用。 质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。,电子碰撞注入离子与靶内自由电子以及束缚电子间的碰撞，
11、能瞬时地形成电子-空穴对。两者质量相差极大（104量级），碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，即每次碰撞都不会显著地改变注入离子的动量，又由于散射方向是随机的，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。,总阻止本领（Total stopping power）,核阻止本领在低能量下起主要作用（注入分布的尾端） 电子阻止本领在高能量下起主要作用,横向效应,杂质与硅原子碰撞所产生的散射会造成杂质往横向注入。横向效应是指注入离子在垂直入射方向的平面内的分布情况，会影响MOS管的有效沟道长度。横向效应与注入离子的种类及入射离子的能量有关。,沟道效应,沟道效应：对晶体靶进行离子注入时，由于晶体排
12、列的特性使得某些角度上有长距离的开口。假如注入离子运动方向与这些隧道般的开口相平行，这些注入的离子将不会与靶原子发生碰撞而深深地注入衬底之中。 沟道效应导致对注入离子在深度控制上有困难，使离子的注入距离超出预期的深度，使元件的功能受损。,控制沟道效应的方法,倾斜硅片 掩蔽氧化层 硅预非晶化 使用质量较大的原子,离子注入机,离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。,离子注入机,Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side,Photo 17.1,离子
13、源和吸极装配图,Used with permission from Applied Materials Technology, Precision Implanter 9500,Figure 17.11,（1）离子源离子源的任务是提供所需的杂质离子。在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有B2H6和PH3等， （2）离子束吸取电极吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电极由抑制电极和接地电极构成，电极上加了很高的电压，离子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动。,3）质量分析器反应气体中可能会夹杂少量其它气体，这
14、样，从离子源吸取的离子中除了需要杂质离子外，还会有其它离子。因此，需对从离子源出来的离子进行筛选，质量分析器就是来完成这项任务的。质量分析器的核心部件是磁分析器，在相同的磁场作用下，不同荷质比的离子会以不同的曲率半径做圆弧运动，选择合适曲率半径，就可以筛选出需要的离子。荷质比较大的离子偏转角度太小、荷质比较小的离子偏转角度太大，都无法从磁分析器的出口通过，只有具有合适荷质比的离子才能顺利通过磁分析器，最终注入到硅片中。,（4）加速器为了保证注入的离子能够进入wafer，并且具有一定的射程，离子的能量必须满足一定的要求，所以，离子还需要进行电场加速。完成加速任务的是由一系列被介质隔离的加速电极组
15、成管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电极的连续加速，能量增大很多。与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它的任务是将离子束聚集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量的均匀性。,加速管,Figure 17.15,（5）扫描器离子束是一条直径约13的线状高速离子流，必须通过扫描覆盖整个注入区。扫描方式有：固定wafer，移动离子束；固定离子束，移动wafer。离子注入机的扫描系统有电子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常用的是静电扫描系统。静电扫描过程中，硅片固定不动，大大降低了污染几率，而且由于带负电的电子和中性离子不会发生同样的偏转，这
16、样就可以避免被掺入到硅片当中。,硅片的静电离子束扫描,Figure 17.20,注入阴影效应,Figure 17.21,离子注入机的终端台,Photograph provided courtesy of International SEMATECH,Photo 17.3,热退火,离子注入对材料电学性质的影响 散射中心的增加，使载流子迁移率下降。 缺陷中心的增加，使非平衡少子的寿命降低，p-n结的漏电流增大。 被注入的杂质原子大多数处于晶格间隙位置，起不到施主或受主的作用，对载流子的输运没有贡献。 而且造成大量损伤，注入的杂质更难处于替位位置。,退火处理的必要性 消除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构。 让杂质进入替位位置以实现点激活。 注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布,热退火：将注入离子的硅片经过一定温度及时间的热处理，硅片中的损伤可能部分或绝大部分被消除，少数载流子的寿命及迁移率不同程度地恢复，掺入的杂质得到一定比例的电激活，称这种处理过程为热退火。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,
