离子注入工艺(课程设计)

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1、1引言12离子注入工艺12.1简介12.2 离子注入的分类22.3 离子注入的要求23 离子注入工艺的特点34. 离子注入工艺中应注意的几个问题54.1 离子沟道54.2 损伤54.3 退火64.4 预防沾污65. 结束语61引言离子注入是现代集成电路制造中的一种非常重要的技术,其利用离子注入机实现半导体的掺杂,即将特定的杂质原子（Dopant）以离子加速的方式注入硅半导体晶体内改变其导电特性并最终形成晶体管结构。随着半导体集成电路的高速发展,对工艺提出了更高的要求,特别是对关键工艺的影响更大。本文对半导体集成电路工艺中的离子注入工艺的主要特点、工艺中存在的几个问题及在化合物半导体集成电路工艺

2、中的应用等方面进行了重点阐述。2离子注入工艺2.1简介现代的半导体制造工艺中制造一个完整的半导体器件一般要用到许多步（1525步）的离子注入。离子注入的最主要工艺参数是杂质种类,注入能量和掺杂剂量。杂质种类是指选择何种原子注入硅基体,一般杂质种类可以分为N型和P型两类,N型主要包括磷,砷,锑等,而P型则主要包括硼,铟等。注入能量决定了杂质原子注入硅晶体的深度,高能量注入得深,而低能量注入得浅。掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱。通常半导体器件的设计者需要根据具体的目标器件特性为每一步离子注入优化以上这些工艺参数。图1给出了130nm器件上离子注入后和回火后的B、BF2的深

3、度和浓度变化。 2.2 离子注入的分类 离子注入设备根据具体的应用分为三类：中束流,大束流和高能量。这三种离子注入设备在半导体工艺中各有其特殊的应用。中束流（MC）离子注入设备用于那些掺杂剂量适中或较低但精度控制要求非常重要的掺杂工艺,其在半导体器件制造中的具体应用例如栅阀值调整（Threshold Adjust）,Halo 注入等;大束流（HC）离子注入设备用于掺杂剂量很高且精度控制不重要的场合,例如源极,漏极的形成和多晶硅栅极的掺杂。高能量（HE）离子注入设备用于杂质原子注入硅基体深度需要很深的场合。随着晶体管的缩小,高能量注入逐步减少,其中N/P井的形成,尤其是倒掺杂井（retrogra

4、de well）,主要需要HE注入设备。 2.3 离子注入的要求离子注入的工艺要求主要包括均匀性和可重复性,能量纯度,注入角度准确性,杂质微粒（particle）,污染等等。高度敏感的器件要求离子注入的剂量尽可能的均匀一致。典型的均匀性指标上限可以是3倍标准方差波动1.5。这样的要求必须在300mm直径的晶圆上始终如一地得到满足。晶圆之间（wafer-to-wafer）和批次之间(lot-to-lot)的可重复性也同等地重要。离子入射角度不同将造成离子注入深度改变而影响器件的电参数,因此对于离子束入射角度的控制非常必要。污染包括能量污染,金属污染,以及交叉污染。先前注入杂质的原子可能被溅射到晶

5、圆表面形成交叉污染（cross-contamination）,或是注入的虽然是正确的杂质但是却是错误的能量或电荷状态形成能量污染（energy contamination）,或者通常来自于电子束流通路组件的溅射而形成的金属污染（metallic contamination）。杂质微粒（Particle）既可能通过离子束的运动带至晶圆表面,也可能在晶圆传送的过程中产生。即使是象120nm那么小的微粒也足以导致器件产出的损失。现代半导体器件对这些问题是如此敏感以至于工艺工程师需要不停地监控这些工艺参数确保它们在设定范围之内。 随着半导体工业的进步,半导体器件的尺寸不断缩小,要求源极、漏极以及源极前

6、延和漏极前延（Source/Drain Extension）相应地变浅,这大大地增加了对低能量离子注入的需求,见图2。由于低能量的离子本身就难以萃取;加上低能量离子束行进速度慢,其由于空间电荷自排斥而产生的离子束扩散使得更多的萃取离子损失在路径中,如何增加能量在10keV以下的离子束电流以增加生产力成为离子注入设备的最大挑战之一。 3 离子注入工艺的特点离子通过固体时会与固体中的电子相互作用,并造成能量损失。离子也可能与固体中的原子核碰撞,最终离子走过一段距离后停止在固体中。因为碰撞离子的路径不是笔直的,这样离子走过的距离各不相同。在注入方向的投影是一个比较有意义的参量,因为它决定了注入的深度

7、,称作投影射程。一些离子的碰撞次数小于平均值,所以离子就停止在比投影射程更远些的位置,而某些离子碰撞次数较多,那么它就停止在较近处。沿着投影射程离子浓度的统计波动称作投影偏差。离子在垂直入射方向上也有散射,横向离子浓度所形成的波动称作投影横向偏差或侧向偏差。对器件制造来讲两种偏差意味着在离子注入区的纵向和横向成份分布是不会很陡的。图1在无定形Si和热生长SiO2 中对B、P及As的离子投影射程如图1所示。对于给定的能量, 除掉颗粒但留下的看不见的遮挡是一个不易发现的致命的缺陷。所以我们要尽可能地避免这种情况的发生。由于多数颗粒都是由于不正确的操作圆片、不正确的抽真空步骤、夹紧步骤、充气时使用未

8、过滤的气体以及强束流机的转盘造成的,因此,我们在工艺加工过程中要规范、谨慎。另外,随着半导体工艺的进步,尤其当制造65nm以下的半导体器件时,单片注入方式似乎正逐渐在各种应用离子注入设备上受到重视。而在此以前除了中束流离子注入是采用单片以外,大束流和高能量都是采用成批注入的方式以提高生产力。究其原因,是因为随着半导体器件的大幅度缩小,掺杂区域也相应变得精细,对于离子注入的控制和精度要求大大提高。综合起来,单片注入有下列优点： 1 单片注入无疑可以更精确的控制离子注入的角度以避免来自成批注入时的圆锥角（coneangle）效应导致的误差; 2 由于65nm以下器件栅极尺寸更细,成批注入时高速旋转

9、的轮盘（wheel）会由于惯性或微粒(particle)的击打而破坏栅极。单片注入可以避免这个问题。 3 能提供更大的硅片倾斜角度; 4 采用静电盘吸附硅片避免了成批注入的方式时硅片夹的影子效应,避免了离子束轰击硅片夹造成喷溅效应及可能的金属污染。 5 靶室体积变小,建立真空所需时间减小,缩短了维护的时间。 6 不再需要假片(Dummy Wafer) 7 有工艺问题时,仅单片受影响。4. 离子注入工艺中应注意的几个问题4.1 离子沟道在无定形固体中,原子不显示长程有序,但可存在某些短程有序。当离子入射到这种固体时,离子和固体原子相遇的几率是很高的。但晶体材料不是这样,由于晶体内存在三维原子排列

10、,沿一定晶向存在开口的沟道。沿特定方向观察到的通道称作为沟道,如果离子沿沟道方向入射,一些离子将沿沟道运动,并且很少受到原子核的碰撞。离子透入晶体固体比无定形材料更深,这种效应称作离子沟道效应。因沟道效应会使注入分布产生一个较常的拖尾,所以为了避免这种拖尾我们一般采用偏离轴注入,其典型的倾斜角为7度。 对于制造器件来讲,不能沿沟道方向注入,因为这样很难控制注入离子浓度的深度分布。为了在晶体中出现类似于无定形材料入射离子情况,晶体要偏离沟道方向,这样可保证离子开始不会进入沟道,但后面有些离子可能因散射会进入沟道。因此,离子穿透可能要计算得更深一些,这个影响产生在离子浓度的深度分布的末端。4.2

11、损伤当离子进入固体时,由于离子与电子及原子核的相互作用而减慢速度,与电子的相互作用不产生原子移动,但与原子核碰撞会使原子移动。如果进入的离子转移能量到主体原子超过极限值(一般为几十eV, 称为位移能量) ,原子将离开它的位置,由于原子核碰撞移动的原子可能获得足够的高能量,因此,这些原子还能一个接一个撞击。 其它位于点阵的原子。同样,入射离子也将不断地产生位移损伤,直到它们的能量低于位移能量。由于这些多次碰撞,离子注入固体中位移损伤的程度是很大的,损伤的程度取决于入射离子能量、离子的剂量、剂量的速率、离子的质量及注入的温度。由入射离子产生的损伤分布将取决于离子与主体原子的轻重,由于碰撞时转移的能

12、量正比于离子的质量,所以每次与晶格原子碰撞时,轻离子转移很小的能量,因此入射离子会有较大角度散射,位移晶格原子只具有小的能量,因此不可能产生其它靶原子的位移。而入射离子的大多数能量是在与电子的碰撞中损失的,所以只有相当小的晶体损伤。轻离子的射程比较大,并且损伤将扩展到靶体较大的区域。当重离子快速运动时,阻止本领变成更小,因此往往在表面区域几乎没有缺陷。重离子在相同的情况下,原子核碰撞传输给靶原子的能量很大,这意味着位移原子能多次产生位移损伤,离子散射具有更小的角度,离子射程也较短,这些因素使缺陷集中在一个很小的区域内。半导体中的点缺陷是电活性的,所以注入材料电特性较差。离子注入后,少数载流子的

13、寿命和迁移率均急剧地下降。因此,仅有一部分注入离子处在替位,并对载流子浓度有所贡献。为了消除离子注入的损伤,材料必须在高温退火。4.3 退火退火工艺可以实现两个目的:一是减少点缺陷密度,因为间隙原子可以进入某些空位;二是在间隙位置的注入杂质原子能移动到晶格位置,变成电激活。除非注入能量和剂量低,注入材料不可能恢复到它原始状况。目前,用离子注入制造器件,这种局限还不成为问题。实际上,离子注入期间产生的损伤只是统计概念,它会改变损伤分布。因此,要预言退火后残余损伤种类与特性是困难的。4.4 预防沾污在离子注入过程中,预防沾污是十分重要的,尤其是颗粒沾污。如果注入前有颗粒挡在圆片上,将阻挡对圆片的注

14、入。过后的清洗虽然可以除掉颗粒但留下的看不见的遮挡是一个不易发现的致命的缺陷。所以我们要尽可能地避免这种情况的发生。由于多数颗粒都是由于不正确的操作圆片、不正确的抽真空步骤、夹紧步骤、充气时使用未过滤的气体以及强束流机的转盘造成的，因此,我们在工艺加工过程中要规范、谨慎。5. 结束语离子注入技术是近几十年以来在国际上得到蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性的高新技术。随着工艺技术的不断发展,离子注入机的不断更新,该技术将在半导体工艺中发挥越来越重要的作用离子注入工艺题 目： 离子注入工艺 学生姓名： 学 号： 学 院： 浙江海洋学院 班 级： 指导教师： 浙江海洋学院教务处2010年6 月26 日