第08章-离子注入工艺.pdf

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1、半导体制造技术导论（第二版） 第八章 离子注入工艺 白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系 简介 离子注入技术简介 离子注 入技术硬件设备 离子注 入工艺过程 安全 性 离 子注入技术发展趋势 提纲 2 简 介 集成电路制造工艺流 程 集成电路制造工艺流程 4 掺杂工艺 半导体材料的导电率可以通过掺杂物控制 掺杂工艺：扩散、离子注入 扩散工艺 1970年代中期之前，一般应用高温炉中的扩散技术进行掺 杂 重掺杂 N型源极 /漏极问题 栅光刻版和源极 /漏极对准问题 离子注入 源极 /漏极自对准工艺 形成重掺杂 N型源极 /漏极 多晶 硅和多晶硅 硅化物栅极 离子注入技术发展史 5 扩散工艺 扩

2、散工艺示意图 6 栅极和源极 /漏极对准工 艺 栅极和源极 /漏极对准工艺 (a) 正常对准； (b) 对准失误 7 源极 /漏极自对准工艺 源 极 /漏极自对准工艺 8 扩散 离子注入 高温，硬遮蔽层 低温，光刻胶作为遮蔽层 等向性掺杂轮廓 非等向性掺杂轮廓 不能独立控制掺杂浓度和结深 可以独立控制掺杂浓度和结深 批量工艺 批量及单晶圆工艺 离子注入技术的优点 9 离子注入与扩散工艺比较 离子注入和扩散掺杂过程 离子注入和扩散掺杂过程的比较 10 离子注入技术的应用 11 应用 离子 掺杂 N型： P, As, Sb； P型： B 预非晶化 Si, Ge 埋氧层 O 多晶硅阻挡层 N 名称

3、磷 原子符号 P 原子序数 15 原子量 30.973,762 固态密度 1.823 g/cm3 摩尔体积 17.02 cm3 音速 N/A 电阻系数 10 cm 折射率 1.001,212 反射率 N/A 熔点 44.2 沸点 277 热传导系数 0.236 W/(mK) 热膨胀系数 N/A 主要应用 扩散、离子注入、外延生长和多晶硅沉积 N型掺杂物硅玻璃 (PSG, BPSG)化学气相沉积掺杂物 主要来源 红磷 , PH3, POCl3 磷元素参数列表 12 名称 砷 原子符号 As 原子序数 33 原子量 74.9216 固态密度 5.727 g/cm3 摩尔体积 12.95 cm3 音

4、速 N/A 电阻系数 33 cm 折射率 1.001,552 反射率 N/A 熔点 817 (27.5 atm) 沸点 614 (升华 ) 热传导系数 50 W/(mK) 线性热膨胀系数 N/A 主要应用 扩散、离子注入、外延生长和多晶硅沉积 N型掺杂物 主要来源 As, AsH3 砷元素参数列表 13 名称 锑 原子符号 Sb 原子序数 51 原子量 121.760 固态密度 6.697 g/cm3 摩尔体积 18.19 cm3 音速 3420 m/s 电阻系数 40 cm 折射率 N/A 反射率 55% 熔点 630.63 沸点 1587 热传导系数 24 W/(mK) 热膨胀系数 111

5、0-6 K-1 主要应用 离子注入 N型掺杂物 主要来源 Sb 锑元素参数列表 14 名称 硼 原子符号 B 原子序数 5 原子量 10.811 固态密度 2.460 g/cm3 摩尔体积 4.39 cm3 音速 16,200 m/s 电阻系数 1012 cm 折射率 N/A 反射率 N/A 熔点 2076 沸点 3927 热传导系数 27 W/(mK) 热膨胀系数 610-6 K-1 主要应用 扩散、离子注入、外延生长和多晶硅沉积 P型掺杂物硅玻璃 (BPSG)化学气相沉积掺杂物 主要来源 B, B2H6, BF3 硼元素参数列表 15 名称 锗 原子符号 Ge 原子序数 32 原子量 72

6、.64 固态密度 5.323 g/cm3 摩尔体积 13.63 cm3 音速 5400 m/s 电阻系数 50,000 cm 折射率 N/A 反射率 N/A 熔点 938.3 沸点 2820 热传导系数 60 W/(mK) 热膨胀系数 610-6 K-1 主要应用 Ge和 SiGe以及半导体衬底，非晶硅注入用 Ge离子源 主要来源 Ge, GeH4 锗元素参数列表 16 离子注入技术简 介 阻滞机制 不同的阻滞机制示意图 ：原子核阻滞力； ：电子阻滞力 18 阻滞机理和离子速率的关 系 阻滞机理和离子速率的关系 19 离子射程 离子的轨迹和投影射程 20 投影离子的分布区 域 投影离子的分布区

7、域 21 硅衬底中离 子的投影射 程 硅中掺杂离子的投影射程 22 掺杂离子所需阻挡层厚度 200 keV掺杂离子所需的阻挡层厚度 23 通道效应 通道效应 离 子以合适的注入角度进入通道，只需有很少的能量就可以行进很长的距离 24 具有通道效应的掺杂物分 布 具有通道效应的掺杂物分布 25 晶圆倾斜 在倾斜的晶圆上进行离子注入，角度通常为 7 可能会因光刻胶而产生阴影效应， 可 以通过晶圆转动和注入后退火过程 的小量掺杂物扩散解决 如 果倾斜角度太小，掺杂物浓度可能会因为通道效应形成双峰分布 屏蔽氧化层 穿过一层非晶态二氧化硅薄膜进行注入 注入离子与硅、氧原子碰撞散射，进入硅晶体的角度分布在

8、较广的范围 预非 晶 态注入 高电流的硅或锗离子注入破坏单晶结构，在晶圆表面附近产生非晶态层 可以完全消除通道效应 增 加了额外的离子注入步骤，需要热退火恢复其引起的晶体损伤 通道效应最小化方法 26 阴影效应和扩散处 理 阴影效应和扩散处理 27 碰撞后的通道效 应 碰撞后的通道效应 28 晶格损伤 高能量离子与晶格原子的碰撞，可以使数千晶格原子的位置偏离 损伤效应与剂量、能量和离子质量有关，并随剂量和能量的增大而增加 若注入剂量过高，离子射程内的晶体结构会完全被破坏成非晶态 热退火 晶格损伤必须在热退火过程中修复成单晶结构并激活掺杂物原子 温 度较低时，扩散过程快于退火过程 温度较高时，退

9、火过程快于扩散过程 高 温 炉退火需要较长的时间，掺杂物原子的扩散十分严重 快 速加热退火 (RTA)能使掺杂物的扩散减小到符合缩小元器件的条件 损伤与热退火 29 单一离子造成的损 伤 单一离子造成的损伤 30 离子注入后退 火的 晶格变 化 离子注入后退火形成的晶格变化 31 高温炉和 RTP退火中的扩散 高温炉和 RTP退火工艺中的掺杂物扩散 32 离 子注入技术硬件设 备 离子注入机 离子注入机示意图 34 气 体系 统 降低危险气体渗漏风险，离子注入机内的气柜专门存储化学药品 电 机系 统 离子加速高压直流电源、离子源供电系统、质谱仪磁铁电源 真 空系 统 射线必须在高真空状态下减少

10、带电离子和中性气体分子发生碰撞的概率 控 制系 统 精确控制离子束的能量、电流和离子种类，控制机械部分和节流阀 射 线系 统 离子 源、萃取电极、质谱仪、后段加速系统、等离子体注入系统、终端 分析仪 离子注入机的组成 35 射线系统 离子注入机的射线系统 36 离子源 热灯丝离子源、射频离子源、微波离子源 萃 取系统 负偏压萃取电极将离子从离子源内的等离子体中抽出并加速到 50keV 质 谱 仪 精确选择所需的离子并排除不需要的离子 后段加速系统 射束电流控制、后段加速、离子束聚焦、射线形状控制 电荷中性化系 统 等离子体注入系统 、电子枪、电子淋浴器 晶圆处理器 旋转轮式系统、旋转盘式系统、

11、扫描离子束系统、扩展离子束系统 射线阻挡器 吸收离子束能量，测量射束电流、能量和形状的离子束监测器 射线系统 37 热灯丝离子 源 热灯丝离子源 38 射频离子源和微波离子源 射频离子源示意图 39 微波离子源示意图 萃 取系 统 离子束萃取系统示意图 40 质 谱 仪 离子注入机的质谱仪系统 41 离子 原子量或分子量 10B 10 11B 11 10BF 29 11BF 30 F2 38 10BF2 48 11BF2 49 BF3等离子体中的离子 42 后段加速系统 射束电流控制及后段加速装置 43 离子束轨迹弯曲 离子束轨迹弯曲示意图 44 晶圆电荷效应 离子注入将正电荷带入晶圆表面 带

12、正电荷的晶圆表面排斥正离子 引 起射线放大和不均匀离子注入 导 致整个晶圆掺杂物分布不均匀 电荷中性化系统 等离子 体注入系统 电 子枪 电 子淋浴器 电荷中性化系统 45 晶圆电荷效应形成的 非均匀离子注入 等离子体注入系 统 等离子体注入系统 46 电子枪系统 电子枪系统 47 晶 圆处理器的作用 在整个晶圆表面形成均匀的离子注入 通过移动离子束或晶圆，使离子束均匀扫描整个晶圆 晶圆处理器的种类 旋转轮式晶圆处理系统 旋 转盘式晶圆处理系统 单晶 圆扫描离子束系统 单晶 圆扩展离子束系统 晶圆处理器 48 旋转轮式晶圆处理系统 旋 转轮式 晶圆处理系统示意 图 49 旋转盘式晶圆处理系统

13、旋转盘式晶圆处理系 统示意图 50 单晶圆离子注入系统 单晶圆离子注入系统示意图 (a) 扫描离子束； (b) 扩展离子束 51 射线阻挡器 射线阻挡器示意图 52 离 子注入工艺过 程 掺杂 物形态 由离子的种类决定 晶体管结深 由离子的能量决定 离 子浓度 由离子电流和注入的时间决定 离子注入过程 54 离子注入工艺 说明 阱区注入 高能量、低电流注入，形成阱区 中度阱区注入 大倾角注入，抑制结击穿效应 阈值电压调整注入 低能量、低电流注入，决定 MOS晶体管的阈值电压 多晶硅栅重掺杂注入 重掺杂降低电阻系数， P/N型管栅极分别掺杂 P/N型 多晶硅栅扩散阻挡注入 高剂量的氮注入多晶硅，

14、捕捉硼原子防止其扩散效应 轻掺杂漏极 (LDD)注入 低能量、低电流注入，用 LDD抑制热载流子效应 源极 /漏极延伸 (SDE)注入 低能量、高电流注入，高浓度源 /漏掺杂扩散缓冲层 源极 /漏极注入 低能量、高电流注入，重掺杂源极 /漏极 隔离注入 /通道阻绝注入 LOCOS隔离技术中，形成 P型掺杂隔离区 双载流子工艺离子注入 深埋层掺杂、绝缘形成、基极 /发射极 /集电极形成 DRAM接触重掺杂注入 减小多晶硅和硅衬底之间的接触电阻 离子注入在元器件中的应用 55 离子注入工艺 工艺条件 离子 能量 (keV) 剂量 (ions/cm2) PMOS源 /漏扩展 11B 0.4 1101

15、5 PMOS源 /漏 11B 2 31015 NMOS源 /漏扩展 75As2 2 51014 NMOS源 /漏 31P 4 3.51015 32nm CMOS离子注入工艺 56 阱区离子注入工 艺 阱区离子注入工艺 57 调整阈值电压的离子注入工 艺 调整阈值电压的离子注入工艺 58 多晶硅硼离子注入工 艺 多晶硅硼离子注入工艺 59 SDE离子注入工 艺 源极 /漏极延伸 (SDE)离子注入工艺的形成过程 60 源极 /漏极离子注入工 艺 源极 /漏极离子注入工艺 61 离子注入在 DRAM的 应 用 离子注入在 DRAM单元阵列和连接方面的应用 SAC：自对准接触； SNC：存储节点接触

16、； BLC：位线接触 62 绝缘体上硅 (SOI)衬底制造 注氧隔离：高能量、高电流氧离子注入和高温退火 键合技术：高 电 流氢离子注入和晶圆键合 光刻胶硬化 离子注入用于硬化光刻胶，提高其在刻蚀过程中的阻挡作用 离 子注入用于 LFLE双图形化工艺技术中的凝固方法 硬盘驱动器 (HDD)图形化磁碟 离子注入用于产生隔离磁性的图形化磁 碟 极紫外线 (EUV)光刻版制造 离子注入使得多层薄膜反射退化，避免 TaBN吸收方法的阴影效应 太阳能电池板制造 使用硬光刻版在指定区域注入掺杂而不需要光刻工艺，节省制造成本 离子注入技术的其他应用 63 粒子引起的电子 空穴 对 粒子引起的电子 空穴对 6

17、4 SOI衬底上的 MOSFET SOI衬底上的 MOSFET示意图 65 图形介质工艺流程 图形介质工艺流程示意图： (a) 刻蚀； (b) 离子注入 66 TaBN吸 收模式 EUV光刻 版 具有阴影效应的吸收模式 EUV光刻版 67 离 子注入模式 EUV光刻 版 没有阴影效应的离子注入模式 EUV光刻版 68 晶圆带电效应 晶圆带电将导致栅氧化层击穿 影响因素：射束电流、射束扫描宽度、旋转轮或旋转盘半径及自转速率 粒子污染 晶圆表面的大粒子阻挡离子束，造成掺杂物界面不完整 磨 损的移动零件、工艺蒸汽凝结残渣、高能离子溅射、光刻胶残留剥落 元素污染 由掺杂物和其他元素的共同离子注入造成

18、相 同的荷质比： 94Mo+污染 11BF2+， 28N2+、 CO+污染 28Si+ 接 近的荷质比： 75As+污染 74Ge+、 76Ge+， 11BF+污染 31P+ 射线管和晶圆夹具材料的溅射：铝 (Al)、碳 (C) 工 艺整合 离子注入的基本问题 69 晶圆带电 天 线式电容器 70 粒子污染物 粒子污染在离子注入中的效应 71 离子注入工艺重要因素 掺杂物种类、结深、掺 杂 物浓度 二次离子质谱仪 (SIMS) 使 用重离子束轰击样品表面并收集不同时间溅射的二次离子质 谱 可测 量掺杂种类、掺杂浓度和掺杂浓度的深度剖面 四 点探针法 测量薄片电阻，电阻系数由掺杂物浓度决定，薄片

19、厚度由掺杂结深决定 热波法 热波信号与晶体损伤有关，晶体损伤是离子注入剂量的函数 光电 测量 激光照射半导体衬底产生电子 空穴对，检测载流子扩散引起的电压变化 载流 子扩散速率与薄膜电阻有关，电压比 1/2与 几乎呈线性关系 离子注入工艺评估 72 二次离子质谱仪 二次离子质谱仪 (SIMS)示意图 73 1 keV 11B离子注入的 SIMS测量结果 四点探针法 四点探针法测量结果 74 热波法 热波法系统示意图 75 光电 测量 光电 测量系统示意图 76 安 全 性 化学危险源 锑掺杂：锑 (Sb) 砷掺杂：砷 (As)、砷化氢 (AsH3) 磷掺杂：红磷 (P)、磷化氢 (PH3) 硼

20、掺杂：三氟化硼 (BF3)、十硼烷 (B10H14)、十八硼烷 (B18H22)、 二 碳代十二硼烷 (C2B10H12) 电机危险源 离 子注入机： 250kV高电压、大量静电电荷 辐射危险源 高能离子束、 X光辐射、电子和二次电子发射 机 械危险源 旋 转轮和旋转盘：转速可达 1250rpm 安全性 78 离 子注入技术发展趋 势 超浅结 (USJ) 当器件最小图形尺寸持续缩小时， MOSFET沟道结深和源极 /漏极结深将 变得越来越浅 超浅结形成方法 高电流单晶硅离子注入设备 超 低能量高纯度离子源 分子离子注入 等离子体浸置型离子注 入 等离 子体浸置型 离 子注入 (PIII)、等离子体掺杂 (PLAD) 应 用于低能量、高剂量、非关键层离子注入 不能选择离子种类，难以精确控制离子流量或剂量、掺杂物浓度和结深 超浅结、深沟槽、 DRAM多晶硅补偿掺杂、 DRAM器件阵列接触注 入 离子注入技术发展趋势 80 等离子体浸置型离子注入 等离子体浸置型离子注入 (PIII)或等离子体掺杂 (PLAD)系统示意图 81 本章结束