半导体制造技术--离子注入工艺

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D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,*,Chapter 8,离子注入,1,目标,至少列出三种最常使用的掺杂物,辨认出至少三种掺杂区域,描述离子注入的优点,描述离子注入机的主要部分,解释通道效应,离子种类和离子能量的关系,解释后注入退火,辨认安全上的危害,2,离子注入,简介,安全性,硬件,制程,概要,3,材料,设计,光罩,IC,生产厂房,测试,封装,最终测试,加热制程,光刻,离子注入与光阻剥除,金属化,化学机械研磨,介电质沉积,晶圆,晶圆制造流程图,蚀刻与光阻剥除,4,简介,:,掺杂半导体,什么是半导体,?,为什么半导体需要被掺杂,?,什么是,n,型掺杂物,?,什么是,p,型掺杂物,?,5,简介,掺杂半导体,两种掺杂的方法,扩散,离子注入,离子注入的其他应用,6,掺杂半导体：扩散,等向性制程,无法单独控制掺杂物的轮廓和掺杂物的浓度,在,1970,年代中期以后被离子注入取代,.,7,掺杂半导体：扩散,最先用来掺杂半导体,在高温炉中完成,使用二氧化硅光罩,仍然使用在掺杂物驱入,(,drive-in),在超浅接面形成的应用,8,沉积掺杂氧化层,硅基片,二氧化硅,沉积掺杂氧化层,9,氧化,硅基片,二氧化硅,10,驱入,硅基片,二氧化硅,掺杂接面,11,剥除和清洗,硅基片,二氧化硅,掺杂接面,12,掺杂半导体：离子注入,用在原子和核的研究,1950,年代观念便已被提出,在,1970,年代中期才被引进到半导体制造,.,13,掺杂半导体：离子注入,单独控制掺杂物轮廓,(,离子能量,),和掺杂物浓度,(,离子束的电流和注入的时间组合控制,),非等向性掺杂物轮廓,容易达到重掺杂物,(,如：磷和砷,),的高浓度掺杂,.,14,栅极的对准失误,栅,极氧化层,n-,型硅,n-,型硅,p,+,S/D,p,+,S/D,金属匣极,金属匣极,对准的,对准失误的,15,多晶硅,n,+,P,型硅,n,+,二氧化硅,P,+,离子注入：磷,16,离子注入和扩散的比较,光阻,二氧化硅,硅,硅,离子注入,扩散,掺杂区域,接面深度,17,离子注入和扩散的比较,18,离子注入控制,离子束电流和注入时间控制掺杂物的浓度,离子能量控制接面深度,掺杂物浓度是非等向性,19,离子注入的应用,20,其他的应用,氧离子注入为了硅覆盖绝缘层,(SOI),组件,锗预先非晶化注入在钛薄膜为较好的退火,锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控制,.,21,阻滞机制,离子贯穿进入基片,和晶格原子发生碰撞,逐渐失去能量，最后停在基片里面,有两种阻滞机制,22,两种阻滞机制,原子核阻滞,与晶格原子的原子核碰撞,引起明显的散射,造成晶体结构的混乱和损,害,.,电子阻滞,和晶格原子的电子产生碰撞,入射离子路径几乎是不变的,能量的转换非常的小,晶格结构的损害可以忽略,23,阻滞机制,总阻滞力,S,total,= S,n,+ S,e,S,n,:,原子核阻滞,S,e,:,电子阻滞,低能量,高原子序的离子注入：主要是原子核阻滞,高能量,低原子序的离子注入：主要是电子阻滞,24,阻滞机制,随机碰撞,(S=S,n,+S,e,),通道式 (,S,S,e,),背向散射 (,S,S,n,),离子,25,阻滞功率与离子速度,原子核阻滞,电子阻滞,I,II,III,离子的速度,阻滞功率,26,离子轨迹和投影射程,投影射程,离子的轨迹,碰撞,离子束,真空,基片,至表面的距离,27,投影射程,ln(,浓度,),投影射程,基片表面,从表面算起的深度,28,0.010,0.100,1.000,10,100,1000,注入能量,(keV),投影射程 (,m,m),B,P,As,Sb,硅中掺杂离子的投影射程,29,0.00,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,硅,(,Si),二氧化硅,(SiO,2,),氮化硅,(Si,3,N,4,),铝,(,Al),遮蔽层厚度,(,微米,),Sb,As,P,B,200keV,掺杂离子所需的阻挡层厚度,光阻(,PR),30,如果入射角度正确,离子可以不与晶格离子碰撞且行进一个很长的距离,引起一个不是想得到的掺杂物分部轮廓,非常少的碰撞,多数的碰撞,注入制程：通道效应,31,通道效应,通道离子,碰撞离子,晶格原子,q,晶圆表面,32,碰撞的,q,晶圆表面,碰撞的,通道的,碰撞后的通道效应,33,碰撞后的通道效应,碰撞,碰撞,通道,掺杂物浓度,到表面的距离,34,注入制程：通道效应,避免通道效应的方法,晶圆倾斜,通常倾斜角度是,7,屏蔽氧化层,硅或锗的非晶态注入制程,阴影效应,离子被结构阻挡,藉旋转晶圆或在注入后退火期间的小量掺杂物扩散解决阴影效应,35,多晶硅,基片,掺杂区,阴影区,离子束,阴影效应,36,阴影效应,多晶硅,基片,掺杂区,退火及扩散之后,37,问与答,为什么人们不试着应用通道效应以不是很高的离子能量来形成很深的掺杂接面,?,离子束并非完美的平行，许多离子在穿入基片之后立刻会和晶格原子发生许多的原子核碰撞。一部分的离子可以沿着通道深入基片，而很多其他离子则被阻滞成常态的高斯分,佈,.,38,损害制程,注入的离子转移能量给晶格原子,原子从晶格的束缚能释放出来,释放出来的原子和其他的晶格原子碰撞,晶格原子释放成自由原子数增多,损害会持续发生直到所有的自由原子停止,一个高能量的离子可以导致数千个晶格原子的偏离位置,39,由单一离子造成的损伤,重离子,单晶硅,损伤区,轻离子,40,离子和晶格原子碰撞并且将晶格原子敲离开晶格的束缚,基片的注入区变成非晶态结构,注入,前,注入后,注入制程：损伤,41,注入制程：退火,掺杂物原子必须在单晶体晶格位置且和四个硅原子产生键结，能够有效的提供电子,(,donor, N-type),或是电洞,(acceptor,P-type),从高温获得的热能，帮助非晶态原子复原成单晶体结构,42,掺杂物原子,晶格原子,热退火,43,掺杂物原子,晶格原子,热退火,44,掺杂物原子,晶格原子,热退火,45,掺杂物原子,晶格原子,热退火,46,掺杂物原子,晶格原子,热退火,47,掺杂物原子,晶格原子,热退火,48,掺杂物原子,晶格原子,热退火,49,掺杂物原子,晶格原子,热退火,50,退火前,退火后,注入制程：退火,51,快速加热退火,(,RTA),在高温下，退火的速度远高于扩散,快速加热步骤,(,RTP),广泛使用在注入后退火,RTA,非常快速,(,小于一分钟,),较好的晶圆对晶圆的均匀,性,较佳的热积存,控制,和掺杂物扩散的最小化,52,快速加热步骤和高温炉退火,多晶硅,硅,RTP,退火,高温炉退火,多晶硅,硅,二氧化硅匣极,源极,/,漏极,匣极,53,问与答,为什么高温炉的温度无法像,RTP,系统一样急速上升及冷却,?,高温炉有非常高的热容量，需要非常高的加热功率以快速升高温度。由于温度会过高,(,overshoot),或是过低,(undershoot,),，所以很难做到快速升温而没有大的温度震,盪,.,54,离子注入：硬件,气体系统,电机系统,真空系统,离子射束线系统,55,离子注入机,56,注入制程,气体和蒸气,:,P, B,BF,3,PH,3,和,AsH,3,选择离子,:B, P, As,选择离子能量,选择离子束电流,下一步骤,注入机,57,离子注入机,气体柜,离子源,真空帮浦,真空帮浦,电机系统,电机系统,磁铁分析仪,离子束,终端分析仪,晶圆,电浆泛注系统,58,离子注入：气体系统,特殊的气体递送系统控制有害的气体,更换气体钢瓶需要特殊的训练,氩气用来吹除净化和离子束校正,59,离子注入：电机系统,高压系统,决定控制接面深度的离子能量,射频系统,部分离子源使用射频以产生离子,60,离子注入：真空系统,需要高度真空以加速离子及减少碰撞,平均自由路径,射束线的长度,10,-5,到 10,-7,托,涡轮泵和冷冻泵,排放系统,61,离子注入：控制系统,离子束的能量、种类和电流,装载和卸除晶圆的机械部分,控制晶圆的移动，以达到均匀的注入,中央处理单元,(,CPU),电路板,不同的控制板会收集来自注入机内各系统的讯号，并送到,CPU,电路板处理,CPU,传送指令回到注入机的各系统中,62,离子注入：射束线系统,离子源,萃取电极,质谱仪,后段加速,电浆泛注系统,终端分析仪,63,离子源,真空,泵,真空帮浦,质谱仪,离子束线,终端分析仪,晶圆,电浆泛注系统,后加速电极,萃取电极,抑制电极,射束线系统,64,离子注入机：离子源,热钨灯丝发射热电子,热电子和源气体分子碰撞，使原子分解或离子化,离子从源反应室被萃取并且加速成离子束线,射频和微波功率也可以用来离子化源气体,65,离子源,电弧电力供应, 120,V,灯丝 电力, 0-5V,最高电流,200A,+,-,抗阴极电极板,钨灯丝,磁铁源,气体源或蒸气源,电浆,磁力线,66,射频离子源,射频,射频线圈,电浆,掺杂气体,-,+,萃取电极,离子束,67,微波离子源,磁力线,微波,磁场线圈,ECR,电浆,萃取电极,68,离子注入：萃取,萃取电极将离子抽出并加速到约,50 keV,必须要有足够的能量才能使质谱仪选择出正确的离子种类,69,萃取系统示意图,离子束,I,离子源,电浆,萃取电力,60keV,抑制电力高达,10,kV,+,+,抑制电极,萃取电极,萃取狭缝,俯视图,终端底盘,70,离子注入：质谱仪,在磁场中，螺旋转动半径和磁场强度与,(,质量,/,电荷,),比值有关,用来作同位素分离以产生丰富的,U,235,只有正确的,(,质量,/,电荷,),可以穿过狭缝,纯化注入的离子束,71,离子布质机的质谱仪,离子束,太小的,m/q,比值,太大的,m/q,比值,正确的,m/q,比值,磁场,(,向外方向,),飞行管道,72,BF,3,电浆中的离子,离子 原子量或分子量,10,B10,11,B11,10,BF29,11,BF30,F,2,38,10,BF,2,48,11,BF,2,49,73,问与答,仅,20%,的硼原子是,10,B,10,B,+,离子浓度仅,11,B,+,的,1/4,10,B,+,离子束电流约,11,B,+,的,1/4,将要耗费四倍的时间注入，生产量较低,10,B,+,比,11,B,+,要轻，所以在相同能量时可以比,11,B,+,穿透的更深。为何我们不使用,10,B,+,来做深接面,?,74,离子注入：后段加速,增加,(,有时候减少,),离子能量使离子到达组件决定所需的接面深度,电极有高直流电压,可调整的垂直叶片控制离子束电流,75,离子注入：电浆泛注系统,离子造成晶圆带电,晶圆带电会致生非均匀掺杂与电弧缺陷,电子被泛注,(flooding),到离子束以中和晶圆上的电荷,从热钨丝放射热电子产生氩电浆,76,后加速系统,离子束,后加速电力高达,60,kV,抑制电力高达,10,kV,+,+,抑制电极,加速电极,终端底盘,77,离子射束电流控制,固定的界定孔径,可调式垂直叶片,离子束,78,离子束轨迹弯曲,中性原子轨迹,离子轨迹,晶圆,偏压电极,79,电荷中性化系统,离子注入使晶圆带正电,造成晶圆带电效应,驱除正离子,引起射束线放大和不均匀的离子分布,电弧型态放电引发晶圆表面的缺陷,使匣极氧化层崩溃，低良率,需要将带电效应消除或最小化,80,带电效应,+ + + +,离子轨迹,晶圆,81,电荷中性化系统,需要提供电子以中性化离子,电浆泛注系统,电子枪,电子淋浴器,82,电压泛注系统,直流电力,灯丝电流,+,钨灯丝,电浆,氩,离子束,晶圆,电子,83,电子枪,离子束,电子枪,二次电子,热灯丝,电子,晶圆,二次电子靶,84,晶圆处理器,离子束直径,: 25mm (1”),晶圆直径,: 200mm (8”),或更大,需要移动离子束或晶圆或两者，使离子束均匀地扫描整个晶圆,旋转轮式,旋转盘式,单晶圆扫描,85,旋转轮式晶圆处理系统,旋转速率,:,最高到,2400 rpm,摇摆周期,: 10sec,离子束,注入带区,晶圆,旋转臂,86,旋转盘式晶圆处理系统,离子束,晶圆,87,单晶圆扫描系统,离子束,扫描电极,扫描离子束,晶圆移动,88,离子注入：射束阻挡器,吸收离子束的能量,离子束检测器,射束电流、射束能量和射束形状量测,水冷式的金属平板用来带走所产生的热量，并阻挡,x,光辐射,89,离子注入：终端分析仪,法拉第电荷检测器,用来校正射束电流、能量和形状,90,离子阻挡器示意图,离子束,磁铁,晶圆冷却平板,石墨,俯视图,法拉第电流侦测器,91,离子注入制程,CMOS,应用,CMOS,离子注入的要求,注入制程评估,92,CMOS,离子注入规范,注入步骤,0.35,m,m, 64 Mb,0.25,m,m, 256 Mb,0.18,m,m, 1 Gb,N,型井区,井区,P/600/2,10,13,P/400/2,10,13,P/300/1,10,13,抗接面击穿,P/100/5,10,13,As/100/5,10,12,As/50/2,10,12,临界电压,B/10/7,10,12,B/5/3,10,12,B/2/4,10,12,多晶硅注入,P/30/2,10,15,B/20/2,10,15,B/20/3,10,15,多晶硅扩散阻隔,-,-,N,2,/20/3,10,15,低掺杂漏极,(LDD),B/7/5,10,13,B/5/1,10,14,B/2/8,10,13,Halo (45,注入,),-,-,As/30/5,10,13,源极,/,漏极,接触,B/10/2,10,15,B/7/2,10,15,B/6/2,10,15,P,型井区,井区,B/225/3,10,13,B/200/1,10,13,B/175/1,10,13,抗接面击穿,B/30/2,10,13,B/50/5,10,12,B/45/5,10,12,临界电压,B/10/7,10,12,B/5/3,10,12,B/2/4,10,12,多晶硅注入,P/30/5,10,15,P/20/2,10,15,As/40/3,10,15,多晶硅扩散阻隔,-,-,N,2,/20/3,10,15,低掺杂漏极,(LDD),P/20/5,10,13,P/12/5,10,13,P/5/3,10,13,Halo (45,注入,),B/30/3,10,12,B/20/3,10,12,B/7/2,10,13,源极,/,漏极,接触,As/30/3,10,15,As/20/3,10,15,As/15/3,10,15,93,高能量 (到,MeV),低剂量,(10,13,/,cm,2,),P,型磊晶层,P,型晶圆,光阻,N,型井区,P,+,注入制程：井区注入,94,光阻,B,+,P,型,外延,层,P,型晶圆,N,型井区,P,型,井区,STI,USG,低能量,低剂量,临界电压,(V,T,),调整的注入说明,N,通道,V,T,调整,P,通道,V,T,调整,95,光阻,P,+,P,型,外延,层,P,型晶圆,N,型井区,P,型井区,STI,USG,低能量,(10keV),低剂量,(10,13,/,cm,2,),离子注入：低掺杂漏极,(,LDD),注入,96,低能量,(20keV),高剂量,t (10,15,/cm,2,),P,型磊晶层,P,型晶圆,N,型井区,P,型井区,光阻,P,+,STI,USG,n,+,n,+,离子注入：源极,/,漏极注入,97,离子注入制程,离子注入 能量,剂量,井区 高 低,源极,/,漏,极,低 高,临界电压调整 低 低,低掺杂漏极 低 低,98,制程争点,晶圆带电,粒子污染物,元素污染,制程评估,99,晶圆带电,导致匣极氧化层的崩溃,二氧化硅的介电质强度,: 10,MV/cm,100 ,匣极氧化层的崩溃电压是,10 V,匣极氧化层,: 30,到,35 ,对,0.18,m,m,的组件,需要较好的电荷中性化,100,晶圆带电监测,天线式电容器带电的测试结构,多晶硅衬垫区的面积和薄氧化层区域的面积比称为天线比例,(,antenna ratio),可以高到,100,000：1,天线比例越大，越容易使匣极氧化层崩溃,101,天线比例,多晶硅,场区氧化层,匣极氧化层,硅基片,俯视图,测试图,102,粒子污染物,大型粒子会阻挡注离子束，特别是在低能量离子注入制程,临界电压调整,低掺杂漏极和源极,/,漏极 离子注入,造成不完整的离子接面注入,.,对良率是很大的伤害,103,粒子污染物的效应,部分注入的接面,粒子,离子束,光阻,屏蔽氧化层,光阻中的掺杂物,104,元素污染,想要的掺杂物和其他元素共同注入造成,例如：94,Mo,+,和,11,BF,2,+,相同的质荷比,(,m/q = 49),质谱仪无法将两这分开,94,Mo,+,造成重金属污染,离子源布能使用含有钼的标准不锈钢,其他的材料例如石墨与钽则通常会被使用,105,制程评估,四点探针,热波法,光学量测系统,(,OMS),106,四点探针,热退火之后开始执行,测量薄片电阻,薄片电阻是掺杂物和接面深度的函数,经常用来做为掺杂制程的监测,107,S,1,S,2,S,3,P,1,P,2,P,3,P,4,V,I,掺杂区域,基片,典型的四点探针,S,1,= S,2,= S,3,= 1mm,假如电流应用在,P,1,和,P,4, R,s,= 4.53 V/I,假如电流应用在,P,1,和,P,3, R,s,= 5.75 V/I,四点探针测量,108,热波系统,氩帮浦在晶圆表面上产生热脉冲,He-Ne,探针雷射会在同一地点量测由帮浦雷射所造成的直流反射系数,(,R,),和反射系数的调制量,(,modulation),两者的比例,D,R,/,R,称为热波,(TW),讯号,热波讯号和晶体的损伤有关,晶体损伤是注入剂量的函数,109,热波系统,D,R,R,t,I,热波讯号侦测器,帮浦雷射,探测雷射,t,I,D,R/R,:,热波讯号,(TW),晶圆,110,热波系统,在注入制程之后立即执行,四点探针需要先退火,非破坏性量测，可以测量产品晶圆,四点探针只能用在测试晶圆,缺点：低剂量时低敏感度,缺点：,热波讯号对时间的漂移现象,需要在注入完成后尽快的执行,缺乏较高的量测准确性,雷射加热松弛造成晶格的损伤,111,光学量测系统,(,OMS),涂布了共聚物,(copolymer),的透明晶圆来进行，聚合物中包含对能量敏感的染料,在离子注入之后，高能量的离子与染料分子碰撞并将其击碎,使的共聚物变的更透明,离子的剂量越高，透明度也越高,量测离子注入前后的光子计数改变量,带有特定离子种类的剂量便可以被测出了,112,较低的光子计数,较高的光子计数,注入前,注入后,光传感器,石英卤素灯管,600nm,滤波器,光学量测系统,(,OMS),113,离子注入：安全性,半导体工业里最具伤害性的制程工具,化学危险源,电磁危险源,机械危险源,114,离子注入：化学安全,大部分掺杂的材料具高度毒性、易燃性和爆炸性,.,具毒性与爆炸性,: AsH,3, PH,3, B,2,H,6,腐蚀性,:BF,3,具毒性,:P, B, As, Sb,一般常识：先离开现场，让受过训练的人入内调查,.,115,离子注入：电磁安全,高压,:,从,设施电压,208V,到加速电极 的,50 kV.,接地放电,和伙伴一起工作,!,贴上告示板并上锁,磁场,:,封装机器,等,.,116,离子注入：辐射安全,高能离子引起强,X,光辐射,正常完全的屏蔽保护,117,离子注入：负产品的腐蚀性,BF,3,做为掺杂气体,氟和氢反应生成,HF,任何物品在束线都可以夹带,HF,当以湿式清洗这些零件时，必须佩带双重手套,118,离子注入：机械安全,移动的零件、门、阀和机械手臂,旋转轮或圆盘,热表面,119,技术的趋势,超浅型接面,(USJ),硅覆盖绝缘层结构,(,SOI),电浆浸泡离子注入,(,PIII),120,超浅型接面,(USJ),USJ (x,j,0.05,m,m),针对 次微米,(0.1,m,m),组件,P,型接面,用能量极低的硼离子束才能达成，要低到,0.2 keV,USJ,的要求,浅度,低的薄片电阻,低的接触电阻,通道分布轮廓最小冲击,和多晶硅匣极的兼容性,121,软误差,每一个,a,-,衰变都会在硅基片产生超过一百万个电子,电动对,内存电容器会被来自芯片的电子覆写,储存电容器需要大的电容量,组件尺寸越小，限制的条件也越多,硅覆盖绝缘层结构,(,SOI),将组件与主体硅基片完全隔绝,122,a,-,粒子造成的电子,电洞对,+,-,-,+,+,-,-,+,+,-,-,+,电子,电洞对,a,-,粒子,硅基片,+,-,-,+,123,SOI,基片上的,CMOS,组件,P,型硅,USG,N,型硅,巨体硅,Si,多晶硅,STI,深埋氧化层,n,+,源极,/,漏极,p,+,源极,/,漏极,匣极氧化层,124,形成硅覆盖绝缘层结构,晶圆注入,注入富含氧离子的硅膜层,高温退火,晶圆接合,(Bonded wafers),两片晶圆,在一片晶圆上形成氧化层,高温使促使晶圆的接合,对一片晶圆研磨直到距二氧化硅层数千,125,带有晶格损伤的硅,富氧硅,巨体硅,氧离子注入,126,高温退火,单晶硅,二氧化硅,巨体硅,127,电浆浸置型离子注入,DRAM,具有深沟槽电容器,沟槽变的更深也更窄,标准离子注入制程很难在深沟槽的两侧与底部进行重度掺杂,电浆浸置型离子注入,(,PIII),没有离子种类与离子能量选择的离子注入制程,128,介电质层,重度掺杂硅,硅基片,深沟槽式电容器,多晶硅,129,电子回旋共振电浆浸置型离子注入系统,氦,射频偏压,磁力线,微波,磁铁线圈,电子回旋共振电浆,晶圆,静电吸附承座,130,离子注入概要,掺杂半导体,比扩散好的掺杂方法,容易控制接面深度,(,藉离子能量控制,),和 掺杂物浓度,(,藉离子束电流和注入时间,.,非等向性注入轮廓,.,131,离子注入概要,离子源,萃取,质谱仪,后段加速,电荷中性化系统,射束阻挡器,132,离子注入概要,井区 高能量,低剂量,源极,/,漏极低能量,高剂量,临界电压调整,低能量,低剂量,低掺杂漏极,低能量,低剂量,133,