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1、1第十七章 扩散和离子注入微固学院微固学院 张金平张金平17.1引引言言本章主要内容：本章主要内容：p扩散工艺和离子注入工艺扩散工艺和离子注入工艺p扩散和离子注入扩散和离子注入工艺的应用工艺的应用p扩散和离子注入扩散和离子注入设备设备本章知识要点：本章知识要点：l掌握掺杂的目的和应用；掌握掺杂的目的和应用；l掌握扩散和离子注入的原理及其应用；掌握扩散和离子注入的原理及其应用；l掌握退火效应和沟道效应掌握退火效应和沟道效应l了解离子注入设备。了解离子注入设备。23掺杂原因： 本征硅导电能力很差。本征硅导电能力很差。 在在硅硅中中加加入入一一定定数数量量和和种种类类的的杂杂质质，改改变变其其电电学
2、学性性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。17.1引引言言半导体常用杂质半导体常用杂质417.1引引言言5扩扩散散: 是是将将一一定定数数量量和和一一定定种种类类的的杂杂质质通通过过高高温温扩扩散散掺掺入入到到硅硅或或其其它它晶晶体体中中，以以改改变变晶晶体体的的电电学学性性质质，并并使使掺掺入入的的杂杂质质数数量量和和分布情况都满足要求的过程。分布情况都满足要求的过程。离离子子注注入入: 是是在在高高真真空空的的复复杂杂系系统统中中，产产生生电电离离杂杂质质并并形形成成高高能能量的离子束，入射到硅片靶中进行掺杂的过程。量的离子束，入射到硅片
3、靶中进行掺杂的过程。OxideOxideP Silicon substrateDiffused regionNDopant gas束扫描束扫描MaskMaskSilicon substratexj离子注入机离子注入机17.1引引言言掺杂方式p扩散：扩散：掺杂总量及浓度分布受掺杂总量及浓度分布受扩散时间扩散时间和和温度影响温度影响；形成；形成特征尺寸较大特征尺寸较大；扩散温度；扩散温度较高，需较高，需氧化物或氮化物氧化物或氮化物作为作为掩膜掩膜。p离子注入离子注入：杂质总量及浓度分布受：杂质总量及浓度分布受注入剂注入剂量量、能量能量和和推结时间推结时间及及温度温度决定。适于决定。适于小小特征尺寸
4、特征尺寸的芯片。注入的芯片。注入温度较低温度较低，常用，常用光光刻胶刻胶作为作为掩膜掩膜。617.1引引言言具有具有掺杂区的掺杂区的CMOS结构结构717.1引引言言817.1引引言言亚微米亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型制造厂典型的硅片流程模型测试测试/ /拣选拣选t t注入注入扩散扩散刻蚀刻蚀抛光抛光光刻光刻完成的硅片完成的硅片无图形的硅片无图形的硅片硅片起始硅片起始薄膜薄膜硅片制造前端硅片制造前端917.1引引言言17.2 扩散扩散10p 扩散原理扩散原理p固溶度固溶度p 扩散机构扩散机构p 扩散方式扩散方式p 扩散工艺扩散工艺p扩散效应扩散效应 17.2扩扩散散1117.
5、2.1扩散扩散原理原理扩扩散散：粒粒子子从从浓浓度度较较高高的的地地方方向向着着浓浓度度较较低低的的地地方方移移动动，从从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀；而使得粒子的分布逐渐趋于均匀；浓度的差别越大，扩散越快；浓度的差别越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快温度越高，扩散也越快。目的：目的：在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质在硅中加入一定数量和种类的杂质，改变其电学性质。扩散方式扩散方式：气态；液态；固态气态；液态；固态121100硅中的固溶度固溶度：固溶度：在一定温度下，衬底能够吸收杂质浓度的上限在一定温度下，衬底能够吸收杂质浓度的上限。17.2.2固溶度固溶度13在间隙位置被在间隙
6、位置被转移的硅原子转移的硅原子SiSiSiSiSiSiSiSiSic) 机械的间隙转移机械的间隙转移SiSiSiSiSiSiSiSiSia) 硅晶格结构硅晶格结构b) 替位扩散替位扩散SiSiSiSiSiSiSiSiVacancyDopantd) 间隙扩散间隙扩散SiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙式杂质间隙式杂质 (杂质杂质原子半径较小原子半径较小)1417.2.3杂质扩散机构杂质扩散机构p杂质原子在半导体中扩散的方式有两种：杂质原子在半导体中扩散的方式有两种：间隙式扩散：间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。间隙式扩散：间隙式杂质原子在晶格的间隙位置间运动。替替位位式式扩扩散散：替替位
7、位式式杂杂质质原原子子依依靠靠周周围围空空的的格格点点（即即空空位）来进行扩散。位）来进行扩散。 如对硅而言，如对硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子按间隙式扩散；等半径较小的杂质原子按间隙式扩散；P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等等半半径径较较大大的的杂杂质质原原子子按按替替位位式式扩扩散。散。1517.2.3杂质扩散机构杂质扩散机构16p间隙式扩散：间隙式扩散：必必须须要要越越过过一一个个高高度度为为Ei为为0.61.2eV的势垒的势垒越过势垒的几率：越过势垒的几率：扩散系数：扩散系数：17.2.3杂质扩散机构杂质扩散机构17p替位式扩散：替位式扩散：只只有有当
8、当替替位位杂杂质质的的近近邻邻晶晶格格上上出出现现空空位位（势势垒垒高高度度Ev），同同时时还还需需大大于于势势垒垒高高度度Es 的的能能量量，替替位位杂杂质质才才能能运运动动到近邻空位上。到近邻空位上。越过势垒的几率：越过势垒的几率：扩散系数：扩散系数：由于（由于（Ev+Es）比）比Ei大（其差值远大于大（其差值远大于kT），因而），因而替位杂质扩替位杂质扩散远比间隙杂质的扩散慢散远比间隙杂质的扩散慢17.2.3杂质扩散机构杂质扩散机构1817.2.3杂质扩散机构杂质扩散机构扩散系数与温度有关扩散系数与温度有关D0：扩散率扩散率E：扩散工艺：扩散工艺激活能激活能k0：玻耳兹曼玻耳兹曼常数常数
9、T：绝对温度。：绝对温度。扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度保持不变保持不变表面杂质浓度由表面杂质浓度由该杂质在此温度下的该杂质在此温度下的固溶度固溶度决定：决定： 边界条件边界条件1： N(0, t)= Ns假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度：假定杂质在硅片内扩散的深度远小于硅片的厚度： 边界条件边界条件2： N(, t)= 0在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为：在扩散开始时，硅片内没有杂质扩进，初始条件为： N(x, 0)= 0 x 0一、恒定表面浓度的扩散一、恒定表面浓度的扩散17.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式19
10、x是由表面算起的垂直距离是由表面算起的垂直距离(cm)，t 代表扩散时间代表扩散时间(s)恒定表面源扩散，杂质为余误差分布恒定表面源扩散，杂质为余误差分布2017.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式 在在一一定定扩扩散散温温度度下下，表表面面杂杂质质浓浓度度Ns为为由由扩扩散散温温度度下下的的固固溶度溶度决定。决定。 扩扩散散时时间间越越长长，扩扩散散温温度度越越高高，扩扩散散进进硅硅片片内内的的杂杂质质数数量量就就越越多多。对对单单位位面面积积的的半半导导体体而而言言，在在t 时时间间内内扩扩散散到到体体内的杂质总量可求出：内的杂质总量可求出： 恒定表面源扩散的主要特点恒定表面源扩散的主要特点:
11、扩扩散散时时间间越越长长，温温度度越越高高，扩扩散散深深度度越越大大。结结深深的的位位置置由由N(xj, t)= NB 和和上面公式可得：上面公式可得：2117.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式扩散开始时，半导体表面扩散开始时，半导体表面杂质源总量一定杂质源总量一定，此种扩散称为有，此种扩散称为有限源扩散。限源扩散。假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为假定扩散开始时硅表面单位面积的杂质总量为Q，且均匀地，且均匀地在一极薄的一层内（厚度在一极薄的一层内（厚度h），杂质在硅片内要扩散的深度，杂质在硅片内要扩散的深度远大于远大于h。初始条件和边界条件为：初始条件和边界条件为：N(x, 0)= 0，
12、 x hN(x, 0)= Ns= Q/h， 0 x hN(, t) = 0二、有限源扩散二、有限源扩散:2217.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式有限源扩散，杂质分布为高斯分布有限源扩散，杂质分布为高斯分布2317.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式 扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度扩散时间越长，杂质扩散越深，表面浓度越低；扩散温度越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多；越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多； 在整个扩散过程中，杂质总量在整个扩散过程中，杂质总量Q保持不变保持不变。 表面杂质浓度可控，任何表面杂质浓度可控，任何t 时刻的表面浓度为：时刻的表面浓度为：因此有
13、限源扩散的杂质分布也可表示为：因此有限源扩散的杂质分布也可表示为：有限有限源扩散源扩散的主要特点的主要特点:2417.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式 结深为：结深为： 表面浓度表面浓度Ns 与扩散深度成反比，扩散越深，则表面与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；浓度越低；NB 越大，结深将越浅。越大，结深将越浅。2517.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式p为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺：实际生产中常采用两步扩散工艺： 第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用第一步称为预扩散或预淀积，在较
14、低的温度下，采用恒定表面源扩散方式，其分布为余误差函数，目的在恒定表面源扩散方式，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量；于控制扩散杂质总量；第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅第二步称为主扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。 激活：激活：杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质原子与衬底原子形成共价键，成为替位式杂质杂质。2617.2.4杂质扩散方式杂质扩散方式在引入扩散源后作推进扩散时，常常会在硅片上表面有一氧化层或其它覆盖层保护硅片，使硅片中的杂质不会挥发到大气中去。 17.2.
15、6扩散工艺扩散工艺27液态源扩散系统固态源扩散系统气态源扩散系统磷烷(PH4)、砷烷(AsH3)、氢 化 锑 (SbH3)、 乙 硼 烷(H2B6)等(剧毒气体)三氯氧磷(POCl3)、硼酸三甲脂B(CH3)O3（B2O3，P2O5，BN等）磷的液态源扩散三氯氧磷（POCl3）是普遍选用的液态源，无色透明液体，有毒，在室温下具有较高的蒸气压。磷的液态源扩散做为预扩散，其化学反应式：POCl3PCl5P2O5PCl5O2P2O5Cl2POCl3O2P2O5Cl2P2O5SiPSiO22817.2.6扩散工艺扩散工艺硼的涂源扩散B2O3乳胶源是普遍选用的扩散源，该源无毒。通过旋转涂敷到硅片上，经过
16、烘培除去有机溶剂然后进入高温炉进行预扩散。其化学反应式：B2O3SiBSiO22917.2.6扩散工艺扩散工艺p方块电阻(Rs:单位为 / )和结深是扩散的重要工艺参数，两个参数已知则扩散分布曲线也可确定下来。结深测量:磨角染色法,HF与0 1HNO3的混合液，使p区的显示的颜色比n区深方块电阻(Rs:单位为 / ):3017.2.6扩散工艺扩散工艺VItSSS143217.2.7横向扩散横向扩散原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的原子扩散进入硅片，向各个方向运动：硅的内部内部、横向横向和和重新重新离开离开硅片。硅片。杂杂质质原原子子沿沿硅硅片片表表面面方方向向迁迁移移，发发生生横横向向扩扩
17、散散。热热扩扩散散中中的横向扩散通常是纵向结深的的横向扩散通常是纵向结深的75%一一85。横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。横向扩散导致沟道长度的减小，影响器件的集成度和性能。31硼、磷杂质在SiO2Si界面的分凝效应 在硼、磷杂质的再扩散中，总是要生长一定厚度的SiO2，杂质在SiO2Si界面发生分凝效应，使杂质在SiO2和Si中重新分布，其结果造成在硅中的硼杂质总量比磷损失的多，其现象俗称SiO2吸硼排磷。3217.2.7扩散效应扩散效应17.2.8扩散常用杂质源扩散常用杂质源3317.3 离子注入离子注入34a) 低掺杂浓度低掺杂浓度 (n, p) 浅结浅结 (xj)M
18、askMaskSilicon substratexj低能低能低剂量低剂量快速扫描快速扫描束扫描束扫描掺杂离子掺杂离子离子注入机离子注入机b) 高掺杂浓度高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结和深结 (xj)束扫描束扫描高能高能大剂量大剂量慢速扫描慢速扫描MaskMaskSilicon substratexj离子注入机离子注入机离子注入：离子注入：一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其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。它是一个电学性能的方法。它是一个物理过程，物理过程，即即不发生化学反应不发生化学反应。3517.3离子注入离子注入离子源离子源分析磁体分析磁体加速管加
19、速管离子束离子束等离子体等离子体工艺腔工艺腔吸出组件吸出组件扫描盘扫描盘离子注入机离子注入机示意图示意图3617.3离子注入离子注入离子注入的基本过程v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v在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）3717.3.1离子注入特点离子注入特点离子注入的优点：1. 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度2. 可以获得任意的杂质浓度分布3. 杂质浓度均匀性、重复性很好4.掺杂温度低5.沾污少6.无固溶度极限38离子注入的缺点：1.高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤2.注入设备复杂昂贵17.3.1离子注入特点离子注入特点 剂量：剂量：剂量是单位面积硅
20、片表面注入的离子数，单位是剂量是单位面积硅片表面注入的离子数，单位是原子每平方厘米。原子每平方厘米。Q：剂量，原子数：剂量，原子数/cm2；I：束流，库伦：束流，库伦/秒；秒；n：每个离子的电荷数；：每个离子的电荷数；A：注入面积；：注入面积； t：时间。：时间。离子注入是硅片制造的重要技术，主要原因之一是它能够离子注入是硅片制造的重要技术，主要原因之一是它能够重复重复向硅片中向硅片中注入相同剂量的杂质注入相同剂量的杂质。17.3.2离子注入离子注入参数参数3940注入能量注入能量:离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特表示。单位
21、：千电子伏特KeV带有一个正电荷的离子在电势差为带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的电场运动，它的能量为的能量为100KeV17.3.2离子注入参数离子注入参数SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-rays电子碰撞电子碰撞原子碰撞原子碰撞被移动的硅原子被移动的硅原子携能杂质原子携能杂质原子硅晶格硅晶格p 主主要要能能量量损损失失机机制制是是电子阻止电子阻止和和核阻止核阻止；p 电电子子阻阻止止是是杂杂质质原原子子与与靶靶材材料料的的电电子子发发生生碰碰撞；撞；p 核核阻阻止止是是杂杂质质原原子子与与硅硅原原子子发
22、发生生碰碰撞撞，造造成成硅原子的移位。硅原子的移位。4117.3.2离子注入参数离子注入参数4217.3.2离子注入参数离子注入参数v核阻止本领在低能量下起主要作用v电子阻止本领在高能量下起主要作用核阻止和电子阻核阻止和电子阻止相等的能量止相等的能量注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论射程射程R:指的是离子注入过程中，离子穿入硅片所走过的总距离。指的是离子注入过程中，离子穿入硅片所走过的总距离。投投影影射射程程Rpi:射射程程在在入入射射方方向向上上的的投投影影。投投影影射射程程也也是是停停止止点点与与靶靶表表面面直直距距的的垂垂离离。决决定定于于离离子子质质量量和和能能量量、靶靶的的质质量
23、量和和离离子子束相对于硅片晶体结构的方向。束相对于硅片晶体结构的方向。平均投影射程平均投影射程RP:投投影影射射程程的的平平均均标标准准偏偏差差Rp：表示注入杂质在RP附近的分布17.3.2离子注入参数离子注入参数43入射离子束入射离子束Silicon substrate对单个离子停止点对单个离子停止点Rpi Rp 杂质分布杂质分布p 注入能量增加，投影注入能量增加，投影射程增加，杂质浓度的射程增加，杂质浓度的峰值会因偏差的增加而峰值会因偏差的增加而降低。降低。p 投影射程图能够预测投影射程图能够预测一定注入能量下的投影一定注入能量下的投影射程射程投影射程图投影射程图4417.3.2离子注入参
24、数离子注入参数17.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布p 为样品表面单位面积注为样品表面单位面积注入的离子总数（注入剂量，入的离子总数（注入剂量，单位单位:cm-2)。 RP 是平均投影射程，离子是平均投影射程，离子注入深度的平均值。注入深度的平均值。45注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布:注入离子浓度分布的特点：注入离子浓度分布的特点：(1) 最大浓度位置在样品内的平均投影射程处：最大浓度位置在样品内的平均投影射程处： (2) 注入离子的剂量注入离子的剂量越大，浓度峰值越高；越大，浓度峰值越高；(3) 注入离子的能量注入离子的能量E（20200 KeV）越大，）越大，RP 、RP
25、相应越大，相应越大，浓度峰值越低。浓度峰值越低。(4) 在在x = RP 处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度越来越快。越来越快。4617.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布4717.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布离子注入结深Xj其中:NB为衬底浓度4817.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布v真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射,会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。注入离子的真实分布 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100
26、120140160180BRP66213021903246529943496397444324872 RP P283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279 RP P119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005 RP P5999136172207241275308341各种各种离子在离子在SiSi中的中的RpRp和和Rp Rp 值值 ()()17.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布各种各种离子在离子在光刻胶光刻胶中的中的RpRp和和Rp R
27、p 值值 ()() 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007 RP P475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675 RP P19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015 RP P12620728634941548054360666717.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布各种各种离
28、子在离子在SiO2SiO2中的中的RpRp和和Rp Rp 值值 ()() 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172 RP P252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859 RP P84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823 RP P43729912515117620122625117.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布各种各种离子在
29、离子在Si3N4Si3N4中的中的RpRp和和Rp Rp 值值 ()() 入射能量 （KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994 RP P196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437 RP P65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637 RP P3356779711813715717619517.3.3离子注入浓度分布离子注入浓度分布轻离子冲击轻离子冲击重离
30、子冲击重离子冲击轻轻离子和重离子引起的损伤离子和重离子引起的损伤p 轻离子注入损伤密度小，但区域较大；轻离子注入损伤密度小，但区域较大；p 重离子注入损伤密度大，但区域很小。重离子注入损伤密度大，但区域很小。5317.3.4离子注入效应离子注入效应硅单晶硅单晶的退火的退火a) 注入过程中损伤的硅晶格注入过程中损伤的硅晶格离子束离子束修复硅晶格结构并修复硅晶格结构并激活杂质一硅键激活杂质一硅键b) 退火后的硅晶格退火后的硅晶格p 高温退火高温退火：激活杂质激活杂质(950)，修复晶格损伤，修复晶格损伤(500) 。p 退火方法：退火方法： 高温炉退火高温炉退火：800-1000度退火度退火30分
31、钟，导致杂质的再扩散分钟，导致杂质的再扩散 快速热退火快速热退火：1000下短暂时间退火，减小瞬时增强扩散。下短暂时间退火，减小瞬时增强扩散。5417.3.4离子注入效应离子注入效应沿 轴的硅晶格视图p 沟沟道道效效应应：离离子子沿沿某某些些方方向向渗渗入入的的速速度度比比其其它它方方向向大大，使离子峰值在使离子峰值在Si片更深处或呈现双峰值的杂质分布。片更深处或呈现双峰值的杂质分布。 Si的的晶向为开沟方向，是注入最深的方向晶向为开沟方向，是注入最深的方向5517.3.4离子注入效应离子注入效应p 控制沟道效应的方法：控制沟道效应的方法： 注入时，倾斜硅片；掩蔽氧化层；注入时，倾斜硅片；掩蔽
32、氧化层； 硅预非晶化；使用质量较大的原子。硅预非晶化；使用质量较大的原子。有、无沟道效应时的杂质浓度分布有、无沟道效应时的杂质浓度分布5617.3.4离子注入效应离子注入效应倾斜硅片 （100）硅片：偏离垂直方向）硅片：偏离垂直方向7度；度； 晶向：旋转硅片晶向：旋转硅片15到到35度；度； 超超浅结低能注入：倾斜硅片几乎不起什么作用。浅结低能注入：倾斜硅片几乎不起什么作用。5717.3.4离子注入效应离子注入效应58控制沟道效应的方法1.倾斜硅片：常用方法2.缓冲氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。3.硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）浅注入应用非常有效4.使用质量较大的原子17
33、.3.4离子注入效应离子注入效应17.4 离子注入离子注入的应用的应用5917.4离子注入的应用离子注入的应用深埋层深埋层 倒掺杂阱倒掺杂阱 穿通阻挡层穿通阻挡层 阈值电压调整阈值电压调整 轻掺杂漏极轻掺杂漏极 (LDD) 源源/漏漏 注入注入 多晶硅栅多晶硅栅 沟槽电容沟槽电容 超浅结超浅结 绝缘体上硅绝缘体上硅 (SOI)6017.4.1深埋层深埋层 深埋层：深埋层：用高能离子注入用高能离子注入(大于大于200keV)实现。实现。 三阱结构三阱结构有一个埋层在掺杂阱下面的注入阱，改进器件有一个埋层在掺杂阱下面的注入阱，改进器件性能和封装密度。性能和封装密度。 应用埋层的一个重要原因是控制应
34、用埋层的一个重要原因是控制CMOS电路的闩锁效应。电路的闩锁效应。61 倒倒掺掺杂杂阱阱：注注入入杂杂质质浓浓度度峰峰值值在在硅硅片片表表面面下下一一定定深深度度处，改进晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力处，改进晶体管抵抗闩锁效应和穿通的能力17.4.2倒掺杂阱倒掺杂阱62 穿穿通通：漏漏耗耗尽尽区区向向轻轻掺掺杂杂沟沟道道区区扩扩展展，与与源源耗耗尽尽区区连连通通的的现象。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下。现象。防穿通注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下。17.4.3穿通阻挡层穿通阻挡层63 阈值调整阈值调整：在沟道区硅层下注入杂质，调整到所需浓度。：在沟道区硅层下注入杂质，调整到所需
35、浓度。17.4.4阈值电压调整阈值电压调整646517.5.5LDD注入注入 LDD：LDD注入在沟道边缘的界面区域产生复杂注入在沟道边缘的界面区域产生复杂的横向和纵向杂质剖面。减小了结和沟道区间的电的横向和纵向杂质剖面。减小了结和沟道区间的电场，把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路场，把结中的最大电场位置与沟道中的最大电流路径分离，以防止产生热载流子。径分离，以防止产生热载流子。6617.5.6源漏注入源漏注入 S/D注入注入：形成重掺杂区形成重掺杂区。As注入通常用来形成注入通常用来形成nMOS的源漏区；的源漏区；B或或BF2注入用来形成注入用来形成pMOS的源的源漏区。漏区。6717
36、.4.7多晶硅栅多晶硅栅 多晶硅栅掺杂多晶硅栅掺杂：在源漏区在源漏区注入时，对多晶硅栅进行掺注入时，对多晶硅栅进行掺杂，以减小电阻。杂，以减小电阻。n+ dopantn+p+倾斜注入倾斜注入形成电容形成电容器的沟槽器的沟槽17.4.8沟槽电容器沟槽电容器 沟沟槽槽电电容容器器：在在硅硅中中用用干干法法刻刻蚀蚀沟沟槽槽形形成成。为为了了获获得得足足够够的的电电容容，在在电电容容器器侧侧墙墙很很薄薄一一层层中中的的杂杂质质浓浓度度应应达达到到约约1019/cm3。68180 nm20 gate oxide54 nm arsenic implanted layerPoly gate17.4.9超浅结
37、超浅结 超超浅浅结结：器器件件等等比比例例地地减减小小的的要要求求，用用大大束束流流低低能能注注入入实实现现。对对0.18m工工艺艺，超超浅浅结结深深约约为为54 18nm；0.1m工工艺为艺为30 10nm。6917.4.10绝缘层上硅绝缘层上硅SIMOXSilicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ SourceN+ DrainP+ SourceP+ DrainSilicon Substrate P+Silicon SubstrateP- WellN- WellN+ SourceN+ DrainP+ SourceP+ Dra
38、inImplanted silicon dioxideSilicon Substrate P+普通的CMOS硅片结构具有具有SIMOX埋氧化层的埋氧化层的CMOS硅片硅片7017.5 离子注入机离子注入机71离子源离子源分析磁体分析磁体加速管加速管离子束离子束等离子体等离子体工艺腔工艺腔吸出组件吸出组件扫描盘扫描盘17.5.1离子注入机结构离子注入机结构72 离子源离子源 引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器 加速管加速管 扫描系统扫描系统 工艺室工艺室 7317.5.1离子注入机结构离子注入机结构前板前板狭缝狭缝起弧室起弧室灯丝灯丝电子反射器电子反射器气体入口气体入口5
39、V电子反射器电子反射器Anode +100 V起弧室起弧室气化喷嘴气化喷嘴电炉电炉气体导入管气体导入管DI 冷却水入口冷却水入口掺杂剂气体入口掺杂剂气体入口17.5.2离子源离子源74吸出组件吸出组件源室源室涡轮泵涡轮泵离子源绝缘体离子源绝缘体离子源和吸极装配图离子源和吸极装配图起弧室起弧室吸极吸极吸出组件吸出组件离子束离子束17.5.3引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器75参考端参考端(PA电压电压)抑制电极抑制电极接地电极接地电极+ + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - -NSNS120 V起弧起弧吸出组件吸出组件离子源
40、离子源源磁铁源磁铁5V灯丝灯丝To PA+离子束离子束2.5 kV抑制抑制60 kV吸引吸引p 吸极系统：吸极系统：收集离子源中收集离子源中产生的所有正产生的所有正离子，形成离离子，形成离子束。子束。7617.5.3引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器石墨石墨离子源离子源分析磁体分析磁体离子束离子束吸出组件吸出组件较轻离子较轻离子重离子重离子中性离子中性离子7717.5.3引出电极（吸极）和离子分析器引出电极（吸极）和离子分析器100 M 100 M 100 M 100 M 100 M 0 kV+100 kV +80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kV离
41、子束离子束Ion beam到工艺腔到工艺腔Electrode来自分析磁体来自分析磁体17.5.4加速管加速管78邻近吸收邻近吸收Present applicationsEvolving applications多晶掺杂多晶掺杂源源/漏漏损伤工程损伤工程埋层埋层倒掺杂阱倒掺杂阱三阱三阱Vt 调整调整沟道和漏工程沟道和漏工程0.1110100100010,0001017101110121013101410151016Energy (keV)Dose (atoms/cm2)剂量剂量与能量图与能量图7917.5.4加速管加速管Source原子质量分析磁体原子质量分析磁体线性加速器线性加速器最终能量分析
42、磁体最终能量分析磁体扫描盘扫描盘Waferp 大电流高能离子束大电流高能离子束：用于注入掩埋杂质层，如倒掺杂阱和三阱。：用于注入掩埋杂质层，如倒掺杂阱和三阱。p 减少注入时间，提高产量。减少注入时间，提高产量。8017.5.4加速管加速管+离子束膨胀剖面离子束膨胀剖面掺杂离子掺杂离子+具有空间电荷中和的离子束剖面具有空间电荷中和的离子束剖面二次电子二次电子空间电荷空间电荷中和中和p 正电荷间相互排斥，造成离子束膨胀，导致注入不均匀。正电荷间相互排斥，造成离子束膨胀，导致注入不均匀。p 空间电菏中和：二次电子中和正离子的方法。空间电菏中和：二次电子中和正离子的方法。8117.5.4加速管加速管源
43、源分析磁体分析磁体加速管加速管中性束中性束流陷阱流陷阱聚焦阳极聚焦阳极Y-axis偏转偏转X-axis偏转偏转中性束中性束流路径流路径Wafer离子束离子束接地的接地的收集板收集板中性中性束流陷阱束流陷阱p 杂杂质质离离子子与与残残留留气气体体分分子子碰碰撞撞，获获得得一一个个电电子子，形形成成中中性性离离子。子。p 中中性性束束流流陷陷阱阱：利利用用偏偏转转电电极极，使使离离子子束束发发生生偏偏转转。中中性性离离子不能偏转，它们将继续直行，撞击到接地的收集板上。子不能偏转，它们将继续直行，撞击到接地的收集板上。8217.5.4加速管加速管17.5.5扫描系统扫描系统p 聚聚束束离离子子束束通
44、通过过扫扫描描覆覆盖盖整整个个硅硅片片：中中等等电电流流的的注注入入机机束斑约束斑约1cm2 ，大电流的约为，大电流的约为3cm2。p 扫描方式扫描方式： 固定硅片，移动束斑固定硅片，移动束斑-中低电流注入机；中低电流注入机； 固定束斑，移动硅片固定束斑，移动硅片-大电流注入机。大电流注入机。p 注入机中的注入机中的扫描系统扫描系统： 静电扫描；静电扫描； 机械扫描机械扫描 混合扫描混合扫描 平行扫描平行扫描83+ 离子束离子束Y-axis偏转偏转X-axis偏转偏转Wafer旋转旋转 倾斜倾斜高频高频 X-axis 偏转偏转低频低频 Y-axis 偏转偏转静电静电离子束扫描离子束扫描p 静电
45、扫描静电扫描：在：在X-Y电极上加特定电压，使离子束发生偏转，电极上加特定电压，使离子束发生偏转，注入到固定的硅片上。注入到固定的硅片上。p 用电磁场能够获得与静电相同的效果。用电磁场能够获得与静电相同的效果。8417.5.5扫描系统扫描系统p 静电扫描优点静电扫描优点： 硅片固定，降低颗粒沾污硅片固定，降低颗粒沾污； 电子和中性离子不发生偏转，能够从束流中消除。电子和中性离子不发生偏转，能够从束流中消除。p 静电扫描缺点：静电扫描缺点： 离子束不能垂直轰击硅片，会导致光刻材料的阴影效应，阻离子束不能垂直轰击硅片，会导致光刻材料的阴影效应，阻碍离子束的注入。碍离子束的注入。b) 正常倾斜的静电
46、扫描正常倾斜的静电扫描Resist离子束离子束a) 无倾斜的机械扫描无倾斜的机械扫描离子束离子束Resist8517.5.5扫描系统扫描系统机械扫描机械扫描扫描外半径扫描外半径扫描内半径扫描内半径注入面积注入面积(计算的计算的)溢出杯溢出杯旋转旋转离子束离子束p 机械扫描机械扫描：离子：离子束固定，硅片机械束固定，硅片机械移动。移动。p 一般用于一般用于大电流大电流注入机。注入机。p 优点优点：每次注入：每次注入一批硅片，有效地一批硅片，有效地平均了离子束能量，平均了离子束能量，减弱了硅片由于吸减弱了硅片由于吸收离子能量而加热。收离子能量而加热。p 缺点缺点：产生较多：产生较多的颗粒。的颗粒。
47、8617.5.5扫描系统扫描系统p 混混合合扫扫描描：硅硅片片放放置置在在轮轮盘盘上上旋旋转转，并并沿沿y轴轴方方向向扫扫描描。离离子子束束在在静静电电(或或电电磁磁)的的作作用用下下沿沿x轴轴方方向向扫扫描描。用用于于中中低低电电流注入流注入，每次注入一个硅片。，每次注入一个硅片。p 平平行行扫扫描描：静静电电扫扫描描的的离离子子束束与与硅硅片片表表面面不不垂垂直直，容容易易导导致致阴阴影影效效应应。平平行行扫扫描描的的离离子子束束与与硅硅片片表表面面的的角角度度小小于于0.5度度，因因而而能能够够减减小小阴阴影影效效应应和和沟沟道道效效应应。平平行行扫扫描描中中，离离子子束束先先静静电电扫
48、扫描描，然然后后通通过过一一组组磁磁铁铁，调调整整它它的的角角度度，使使其其垂垂直注入硅片表面。直注入硅片表面。8717.5.5扫描系统扫描系统p 硅片充电硅片充电：在注入过程中，离子束撞击硅片导致正离子：在注入过程中，离子束撞击硅片导致正离子在掩蔽层上的积累。在掩蔽层上的积累。 改变离子束中的改变离子束中的电荷平衡电荷平衡，使束斑扩大，剂量分布不均匀。，使束斑扩大，剂量分布不均匀。 损害表面氧化层损害表面氧化层，如栅氧化层导致器件出现可靠性问题。，如栅氧化层导致器件出现可靠性问题。p 解决办法解决办法： 电子喷淋电子喷淋-向硅片表面喷发低能电子。向硅片表面喷发低能电子。 等离子喷淋。等离子喷
49、淋。8817.5.6控制硅片充电的电子喷淋控制硅片充电的电子喷淋+离子束离子束负偏置孔径负偏置孔径电子枪电子枪二次电子靶二次电子靶二次电子二次电子正离子与负正离子与负电子复合电子复合Wafer17.5.6控制硅片充电的电子喷淋控制硅片充电的电子喷淋89负偏置孔径负偏置孔径Ion beam中性化原子中性化原子硅片扫硅片扫描方向描方向电流电流 (剂量剂量) 检测计检测计等离子电等离子电子喷淋腔子喷淋腔氩气入口氩气入口电子发射电子发射腔壁腔壁+SNSN+ArArAr等离子体等离子体电子喷淋电子喷淋p 优点优点：不产生高能电子，即：不产生高能电子，即只利用了低能电子，有效减少了只利用了低能电子，有效减少了硅片形成的电荷和损害。硅片形成的电荷和损害。9017.5.6控制硅片充电的电子喷淋控制硅片充电的电子喷淋VIISion终端台终端台工艺腔工艺腔终端子系统终端子系统源子系统源子系统注入子系统注入子系统操作界面操作界面片架真空锁片架真空锁硅片传送器硅片传送器扫描盘扫描盘监视器监视器墙墙17.5.7注入工艺腔的硅片传送器注入工艺腔的硅片传送器91
