微電子專業(yè)畢業(yè)論文

1、離子注入工藝及設備研究畢業(yè)設計論文 離子注入工藝及設備研究 系 電子信息工程系 專業(yè) 微電子技術(shù) 姓名 楊雷 班級 微電103 學號1001113110指導教師 劉錫鋒 職稱 講師 指導教師 職稱 設計時間 2012.9.192013.1.4 摘要：在電子工業(yè)中，離子注入現(xiàn)在已經(jīng)成為了微電子工藝中的一種重要的摻雜技術(shù)，也是控制MOSFET閾值電壓的一個重要手段。因此在當代制造大規(guī)模集成電路中，可以說是一種必不可少的手段。離子注入的方法就是在真空中、低溫下，把雜質(zhì)離子加速（對Si，電壓105 V），獲得很大動能的雜質(zhì)離子即可以直接進入半導體中；同時也會在半導體中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此在離子注入后

2、需用低溫進行退火或激光退火來消除這些缺陷。離子注入的雜質(zhì)濃度分布一般呈現(xiàn)為高斯分布，并且濃度最高處不是在表面，而是在表面以內(nèi)的一定深度處。離子注入的優(yōu)點是能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝（可防止原來雜質(zhì)的再擴散等），同時可實現(xiàn)自對準技術(shù)（以減小電容效應）。關(guān)鍵詞：離子注入工藝；半導體；摻雜目錄第一章 引言4第二章 離子注入工藝52.1離子注入的原理52.2 離子注入的分類62.3 離子射程62.4 離子注入劑量72.5 離子注入的要求7第三章 離子注入的特點93.1 離子注入的特點93.2 離子注入與擴散工藝的比較9第四章 離子注入設備114.1 離子源114.1.1

3、 離子源114.2.2 離子束吸取電極114.2 質(zhì)量磁分析器124.2.1 E×B質(zhì)量分析器124.2.2 磁質(zhì)量分析器144.3加速聚焦器154.4 掃描系統(tǒng)154.5 終端系統(tǒng)16第五章 離子注入工藝中存在的問題175.1 溝道效應175.2 損傷175.2.1注入損傷175.2.2 離子注入層的電特性175.3退火185.4 顆粒污染18第六章 離子注入質(zhì)量檢測196.1顆粒污染196.2劑量控制196.3超淺結(jié)結(jié)深19第七章 總結(jié)20致謝21參考文獻22第一章 引言離子注入技術(shù)是近30年來在國際上蓬勃發(fā)展和廣泛應用的一種材料表面改性高新技術(shù)?，F(xiàn)代的半導體制造工藝中制造一個完

4、整的半導體器件一般要用到許多步（1525步）的離子注入。離子注入的最主要工藝參數(shù)是雜質(zhì)種類,注入能量和摻雜劑量。雜質(zhì)種類是指選擇何種原子注入硅基體,一般雜質(zhì)種類可以分為N型和P型兩類,N型主要包括磷,砷,銻等,而P型則主要包括硼,銦等。注入能量決定了雜質(zhì)原子注入硅晶體的深度,高能量注入得深,而低能量注入得淺。摻雜劑量是指雜質(zhì)原子注入的濃度,其決定了摻雜層導電的強弱。通常半導體器件的設計者需要根據(jù)具體的目標器件特性為每一步離子注入優(yōu)化以上這些工藝參數(shù)。離子注入工藝離子注入是現(xiàn)代集成電路制造中的一種非常重要的技術(shù),其利用離子注入機實現(xiàn)半導體的摻雜,即將特定的雜質(zhì)原子（Dopant）以離子加速的方式

5、注入硅半導體晶體內(nèi)改變其導電特性并最終形成晶體管結(jié)構(gòu)。隨著半導體集成電路的高速發(fā)展,對工藝提出了更高的要求,特別是對關(guān)鍵工藝的影響更大。本文對半導體集成電路工藝中的離子注入工藝的主要特點、工藝中存在的幾個問題及工藝質(zhì)量檢測等方面進行了重點闡述。第二章 離子注入工藝2.1離子注入的原理圖2-1 離子注入離子注入是將離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)加速后高速射向材料表面，當離子進入表面，將與固體中的原子碰撞，將其擠進內(nèi)部，并在其射程前后和側(cè)面激發(fā)出一個尾跡。這些撞離原子再與其它原子碰撞，后者再繼續(xù)下去，大約在10-11s內(nèi)，材料中將建立一個有數(shù)百個間隙原子和空位的區(qū)域。這所謂碰撞級聯(lián)雖然不能完全理解為一個熱過程

6、，但經(jīng)?？闯墒且粋€熱能很集中的峰。一個帶有100keV能量的離子通常在其能量耗盡并停留之前，可進入到數(shù)百到數(shù)千原子層。當材料回復到平衡，大多數(shù)原子回到正常的點陣位置，而留下一些“凍結(jié)”的空位和間隙原子。這一過程在表面下建立了富集注入元素并具有損傷的表層。離子和損傷的分布大體為高斯分布。 整個阻止過程的時間僅用10-11s，位移原子的停留也是在相近時間內(nèi)完成的，所以全過程很像發(fā)生在長約0.1m和直徑為0.02m 的圓柱材料總的快速加熱與淬火。離子注入處理的這種快速加熱淬火與新原子注入材料中相結(jié)合，其結(jié)果可產(chǎn)生一些獨特的性能。離子注入的深度是離子能量和質(zhì)量以及基體原子質(zhì)量的函數(shù)。能量愈高，注入愈深

7、。一般情況下，離子越輕活基體原子越輕，注入越深。一旦到達表面，離子本身就被中和，并成為材料的整體部分，所以注入層不會像常規(guī)那樣有可能脫落或剝離。注入的離子能夠與固體原子，或者彼此之間，甚至與真空室內(nèi)的殘余氣體化合生成常規(guī)合金或化合物。 由于注入時高能離子束提供反應后的驅(qū)動力，故有可能在注入材料中形成常規(guī)熱力學方式不能獲得的亞穩(wěn)態(tài)或“非平衡態(tài)”化合物這就可能使一種元素的添加量遠遠超過正常熱溶解的數(shù)量。用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化

8、材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。離子注入技術(shù)是把某種元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加速，在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技術(shù)。材料經(jīng)離子注入后，其表面的物理、化學及機械性能會發(fā)生顯著的變化（參考文獻1）。圖2-2離子注入系統(tǒng)2.2 離子注入的分類離子注入設備根據(jù)具體的應用分為三類：中束流,大束流和高能量。這三種離子注入設備在半導體工藝中各有其特殊的應用。中束流（MC）離子注入設備用于那些摻雜劑量適中或較低但精度控制要求非常重要的摻雜工藝,其在半導體器件制造中的具體應用例如柵閥值調(diào)整（Threshold Adjust）,Halo 注入等

9、;大束流（HC）離子注入設備用于摻雜劑量很高且精度控制不重要的場合,例如源極,漏極的形成和多晶硅柵極的摻雜。高能量（HE）離子注入設備用于雜質(zhì)原子注入硅基體深度需要很深的場合。隨著晶體管的縮小,高能量注入逐步減少,其中N/P井的形成,尤其是倒摻雜井（retrograde well）,主要需要HE注入設備。2.3 離子射程離子射程就是注入時，離子進入wafer內(nèi)部后，從表面到停止所經(jīng)過的路程。入射離子能量越高，射程就會越長。 投影射程是離子注入wafer內(nèi)部的深度，它取決于離子的質(zhì)量、能量，wafer的質(zhì)量以及離子入射方向與晶向之間的關(guān)系。有的離子射程遠，有的射程近，而有的離子還會發(fā)生橫向移動，

10、綜合所有的離子運動，就產(chǎn)生了投影偏差。圖2-3 離子射程2.4 離子注入劑量注入劑量是單位面積wafer表面注入的離子數(shù)，可通過下面的公式計算得出 ，式中，Q是劑量；I是束流，單位是安培；t是注入時間，單位是秒；e是電子電荷，1.6×10-19C；n是電荷數(shù)量；A是注入面積。2.5 離子注入的要求離子注入的工藝要求主要包括均勻性和可重復性,能量純度,注入角度準確性,雜質(zhì)微粒（particle）,污染等等。高度敏感的器件要求離子注入的劑量盡可能的均勻一致。典型的均勻性指標上限可以是3倍標準方差波動1.5。這樣的要求必須在300mm直徑的晶圓上始終如一地得到滿足。晶圓之間（wafer-t

11、o-wafer）和批次之間(lot-to-lot)的可重復性也同等地重要。離子入射角度不同將造成離子注入深度改變而影響器件的電參數(shù),因此對于離子束入射角度的控制非常必要。污染包括能量污染,金屬污染,以及交叉污染。先前注入雜質(zhì)的原子可能被濺射到晶圓表面形成交叉污染（cross-contamination）,或是注入的雖然是正確的雜質(zhì)但是卻是錯誤的能量或電荷狀態(tài)形成能量污染（energy contamination）,或者通常來自于電子束流通路組件的濺射而形成的金屬污染（metallic contamination）。雜質(zhì)微粒（Particle）既可能通過離子束的運動帶至晶圓表面,也可能在晶圓傳送

12、的過程中產(chǎn)生。即使是象120nm那么小的微粒也足以導致器件產(chǎn)出的損失?，F(xiàn)代半導體器件對這些問題是如此敏感以至于工藝工程師需要不停地監(jiān)控這些工藝參數(shù)確保它們在設定范圍之內(nèi)。     隨著半導體工業(yè)的進步,半導體器件的尺寸不斷縮小,要求源極、漏極以及源極前延和漏極前延（Source/Drain Extension）相應地變淺,這大大地增加了對低能量離子注入的需求,見圖2-4。由于低能量的離子本身就難以萃取;加上低能量離子束行進速度慢,其由于空間電荷自排斥而產(chǎn)生的離子束擴散使得更多的萃取離子損失在路徑中,如何增加能量在10keV以下的離子束電流以增加生產(chǎn)力成為

13、離子注入設備的最大挑戰(zhàn)之一(參考文獻2)。 圖2-4 P型源、漏極前延（PLDD）離子注入?yún)?shù)隨器件縮小的變化趨勢（2001 ITRS）第三章 離子注入的特點3.1 離子注入的特點注入的離子經(jīng)過質(zhì)量分析器的分析，純度很高、能量單一。而且注入環(huán)境清潔、干燥，大大降低了雜質(zhì)污染。 注入劑量可精確控制，雜質(zhì)均勻度高達±1%； 注入在中低溫度下進行，二氧化硅、光刻膠、氮化硅等都可以作為注入時的掩蔽層。襯底溫度低，就避免了高溫擴散所引起的熱缺陷； 離子注入是一個非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底中的固溶度限制；對于化合物半導體采用離子注入技術(shù)，可不該變組分而達到摻雜的目的；離子注入的橫向摻雜效應比擴散

14、大大減少了；離子注入最大的缺點就是高能離子轟擊wafer對晶格結(jié)構(gòu)造成的損傷；3.2 離子注入與擴散工藝的比較我們可以通過表31直觀看出來關(guān)于離子注入和傳統(tǒng)擴散工藝的相比較的優(yōu)缺點：表31離子注入和擴散工藝的比較比較項目離子注入法擴散法溫度低溫工藝，小于125°下也可進行高溫（8001200）掩蔽層金屬、光刻膠、二氧化硅、氮化硅耐高溫材料，一般為二氧化硅可用摻雜源各種摻雜源均可要考慮許多因素，一般采用硼、磷、砷、銻結(jié)特性能制作淺結(jié)，超淺結(jié)（125nm范圍內(nèi)），結(jié)深易控制，適于突變結(jié)適于制作結(jié)深（幾微米到幾十微米）緩變結(jié)摻雜濃度雜質(zhì)純度高、注入濃度范圍廣受雜質(zhì)固溶度影響濃度控制由束流和

15、時間可精確控制受源溫、氣體流量、擴散溫度、時間等多種因素影響均勻性大面積摻雜面內(nèi)均勻性高（掃描）雜質(zhì)污染小易受鈉離子污染橫向擴散很小，幾乎沒有有橫向擴散晶體損傷大小摻雜深度注入雜質(zhì)含量不受硅片固溶度的限制受固溶度限制第四章 離子注入設備離子注入機體積龐大，結(jié)構(gòu)非常復雜。根據(jù)它所能提供的離子束流大小和能量可分為高電流和中電流離子注入機以 及高能量、中能量和低能量離子注入機。離子注入機的主要部件有：離子源、質(zhì)量分析器、加速聚焦器、掃描系統(tǒng)以及工藝室等。 圖4-1 離子注入機4.1 離子源4.1.1 離子源作用：產(chǎn)生所需種類的離子并將其引出形成離子束。分類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（LMIS

16、）。掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源，其典型的有效源尺寸為 100 mm ，亮度為 10 100 A/cm2.sr。聚焦方式需要高亮度小束斑離子源，當液態(tài)金屬離子源（LMIS）出現(xiàn)后得以順利發(fā)展。LMIS 的典型有效源尺寸為 5 500 nm，亮度為 106 107 A/cm2.sr 。4.2.2 離子束吸取電極吸取電極將離子源產(chǎn)生的離子收集起來形成離子束。電極由抑制電極和接地電極構(gòu)成，電極上加了很高的電壓，離子受到弧光反應室側(cè)壁的排斥作用和抑制電極的吸引作用，被分離出來形成離子束向吸取電極運動（如圖4-1）。圖4-2 離子注入4.2 質(zhì)量磁分析器4.2.1 E

17、15;B質(zhì)量分析器 由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E 與 B 的方向相互垂直。圖4-3 E×B質(zhì)量分析器 由得，代入，得： 當時，即當時，離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的荷質(zhì)比為 對于某種荷質(zhì)比為的所需離子，可通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓或偏轉(zhuǎn)磁場，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過光闌: 或當荷質(zhì)比為的離子不被偏轉(zhuǎn)時，具有荷質(zhì)比為的其它離子的偏轉(zhuǎn)量為： 將前面的的表達式： 代入，得： 討論（1）為屏蔽荷質(zhì)比為的離子，光闌半徑必須滿足： （2）若D固定，則具有下列荷質(zhì)比的離子可被屏蔽： 或而滿足下列荷質(zhì)比的離子均可通過光闌： 以上各式可用于評價分析磁體的分辨本領（參考文獻3

18、）。4.2.2 磁質(zhì)量分析器圖4-4 磁質(zhì)量分析器為向心力，使離子作圓周運動，半徑為從上式可知，滿足荷質(zhì)比 的離子可通過光闌2?；蛘邔τ诮o定的具有荷質(zhì)比為 qo 的離子，可通過調(diào)節(jié)磁場 B 使之滿足下式，從而使該種離子通過光闌 2，其余的離子則不能通過光闌 2，由此達到分選離子的目的。 另外，若固定 r 和 Va ，通過連續(xù)改變 B ，可使具有不同荷質(zhì)比的離子依次通過光闌 2，測量這些不同荷質(zhì)比的離子束流的強度，可得到入射離子束的質(zhì)譜分布。4.3加速聚焦器為了保證注入的離子能夠進入wafer，并且具有一定的射程，離子的能量必須滿足一定的要求，所以，離子還需要進行電場加速。完成加速任務的是由一系

19、列被介質(zhì)隔離的加速電極組成管狀加速器。離子束進入加速器后，經(jīng)過這些電極的連續(xù)加速，能量增大很多。與加速器連接的還有聚焦器，聚焦器就是電磁透鏡，它的任務是將離子束聚集起來，使得在傳輸離子時能有較高的效益，聚焦好的離子束才能確保注入劑量的均勻性。 4.4 掃描系統(tǒng)離子束是一條直徑約13的線狀高速離子流，必須通過掃描覆蓋整個注入?yún)^(qū)。掃描方式有：固定wafer，移動離子束；固定離子束，移動wafer。離子注入機的掃描系統(tǒng)有電子掃描、機械掃描、混合掃描以及平行掃描系統(tǒng)，目前最常用的是靜電掃描系統(tǒng)。靜電掃描系統(tǒng)由兩組平行的靜電偏轉(zhuǎn)板組成，一組完成橫向偏轉(zhuǎn)，另一組完成縱向偏轉(zhuǎn)。在平行電極板上施加電場，正離子

20、就會向電壓較低的電極板一側(cè)偏轉(zhuǎn)，改變電壓大小就可以改變離子束的偏轉(zhuǎn)角度。靜電掃描系統(tǒng)使離子流每秒鐘橫向移動15000多次，縱向移動移動1200次。靜電掃描過程中，wafer固定不動，大大降低了污染幾率，而且由于帶負電的電子和中性離子不會發(fā)生同樣的偏轉(zhuǎn)，這樣就可以避免被 摻入到wafer當中。 4.5 終端系統(tǒng)終端系統(tǒng)就是wafer接受離子注入的地方，系統(tǒng)需要完成Wafer的承載與冷卻、正離子的中和、離子束流量檢測等功能。離子轟擊導致wafer溫度升高，冷卻系統(tǒng)要對其進行降溫，防止出現(xiàn)由于高溫而引起的問題，有氣體冷卻和橡膠冷卻兩種技術(shù)。冷卻系統(tǒng)集成在Wafer載具上，wafer載具有多片型和單片

21、型兩種。 離子注入的是帶正電荷的離子，注入時部分正電荷會聚集在wafer表面，對注入離子產(chǎn)生排斥作用，使離子束的入射方向偏轉(zhuǎn)、離子束流半徑增大，導致?lián)诫s不均勻，難以控制；電荷積累還會損害表面氧化層，使柵絕緣絕緣能力降低，甚至擊穿。解決的辦法是用電子簇射器向wafer表面發(fā)射電子，或用等離子體來中和掉積累的正電荷。離子束流量檢測及劑量控制是通過法拉第杯來完成的。然而離子束會與電流感應器反應產(chǎn)生二次電子，這會正常測量偏差。在法拉第杯杯口附加一個負偏壓電極以防止二次電子的逸出，獲得精確的測量值。電流從法拉第杯傳輸?shù)椒e分儀，積分儀將離子束電流累加起來，結(jié)合電流總量和注入時間，就可計算出摻入一定劑量的雜

22、質(zhì)需要的時間（參考文獻4）。第五章 離子注入工藝中存在的問題5.1 溝道效應入射離子與wafer之間有不同的相互作用方式，若離子能量夠高，則多數(shù)被注入到wafer內(nèi)部；反之，則大部分離子被反射而遠離wafer。注入內(nèi)部的原子會與晶格原子發(fā)生不同程度的碰撞，離子運動過程中若未與任何粒子碰撞，它就可到達wafer內(nèi)部相當深的地方，這就是溝道效應。溝道效應將使離子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在離子注入時需要抑制這種溝道效應。在wafer表面淀積一層非晶格結(jié)構(gòu)材料或事先破壞掉wafer表面較薄的一層結(jié)晶層等都可降低溝道效應(參考文獻5)。5.2 損傷5.2.1注入損傷由離子注入引起的大量

23、空位和間隙原子等點缺陷，以及空位與其他雜質(zhì)結(jié)合而形成的復合缺陷等，稱為注入損傷。注入損傷與注入離子的能量、質(zhì)量、劑量、靶材料和靶溫等有關(guān)。當許多損傷區(qū)連在一起時就會形成連續(xù)的非晶層。開始形成連續(xù)非晶層的注入劑量稱為 臨界劑量。當注入劑量小于臨界劑量時，損傷量隨注入劑量的增大而增加，當注入劑量超過臨界劑量時，損傷量不再增加而趨于飽和。影響臨界劑量的因素：1、注入離子的質(zhì)量越大，則臨界劑量越??；2、注入離子的能量越大，則臨界劑量越小；3、注入溫度越低，則臨界劑量越小；4、注入速度（通常用注入離子的電流密度來衡量）越大，則臨界劑量越小。5.2.2 離子注入層的電特性注入到半導體中的受主或施主雜質(zhì)大部

24、分都停留在間隙位置處，而處在這個位置上的雜質(zhì)原子是不會釋放出載流子的，也就不會改變半導體的電特性，達不到摻雜的目的。經(jīng)過適當溫度的退火處理，可以使注入雜質(zhì)原子的全部或大部分從間隙位置進入替位位置而釋放出載流子，從而改變半導體的電特性。這個過程稱為雜質(zhì)原子的電激活。退火處理也可以減少注入損傷。5.3退火目的：消除注入損傷，并使注入的雜質(zhì)原子進入替位位置而實現(xiàn)電激活。機理：使移位原子與注入的雜質(zhì)原子在高溫下獲得較高的遷移率而在晶體中移動，從間隙位置進入替位位置。退火技術(shù)可分為 熱退火與快速熱退火。熱退火的溫度范圍為 300 1200。退火會改變雜質(zhì)的分布。 實驗發(fā)現(xiàn)退火后的實際雜質(zhì)分布比通常預測的

25、要深，原因是離子注入時形成的高濃度缺陷增強了雜質(zhì)的擴散。這種現(xiàn)象稱為 瞬時增強擴散。可以在退火前先在 500 650 之間進行一次補充處理來消除這些缺陷。熱退火雖然可以滿足一般的要求，但也存在一些缺點：對注入損傷的消除和對雜質(zhì)原子的電激活都不夠完全；退火過程中還會產(chǎn)生二次缺陷；經(jīng)熱退火后雖然少子的遷移率可以得到恢復，但少子的壽命及擴散長度并不能恢復；此外，較高溫度的熱退火會導致明顯的雜質(zhì)再分布。 5.4 顆粒污染離子注入對顆粒污染非常敏感，wafer表面的顆粒會阻礙離子束的注入，大電流的注入會產(chǎn)生更多顆粒，過后的清洗雖然可以除掉顆粒但留下的看不見的遮擋是一個不易發(fā)現(xiàn)的致命的缺陷。所以我們要盡可

26、能地避免這種情況的發(fā)生。多數(shù)顆粒都是由于不正確的操作圓片、不正確的抽真空步驟、夾緊步驟、充氣時使用未過濾的氣體以及強束流機的轉(zhuǎn)盤造成的，因此在工藝加工過程中要規(guī)范、謹慎(參考文獻6)。第六章 離子注入質(zhì)量檢測6.1顆粒污染測量檢測wafer表面的顆粒數(shù)，顆粒會造成摻雜的空洞。顆粒的可能來源有：電極放電；機械移動過程中的外包裝；注入機未清潔干凈；溫度過高造成光刻膠脫落；背面的冷卻橡膠；wafer處理過程產(chǎn)生的顆粒。6.2劑量控制摻雜劑量不合適導致方塊電阻偏高或偏低。摻雜劑量不合適的原因有：工藝流程錯誤；離子束電流檢測不夠精確；離子束中混入電子，造成計數(shù)器計算離子數(shù)量的錯誤，導致?lián)诫s劑量過大；退火問題。6.3超淺結(jié)結(jié)深摻雜剖面不正確，高溫會造成雜質(zhì)再分布，增加結(jié)深以及橫向摻雜效應；溝道效應影響離子的分布。第七章 總結(jié)離子注入技術(shù)是近幾十年以來在國際上得到蓬勃發(fā)展和廣泛應用的一種材料表面改性的高新技術(shù)。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,離子注入機的不斷更新,該技術(shù)將在半導體工藝中發(fā)揮越來越重要的作用。離子注入法摻雜相比擴散法摻雜來說，它的加工溫度低、容易制作淺結(jié)、均勻的大面積注入雜質(zhì)、易于自動化等優(yōu)點。目前，離子注入法已成為超大規(guī)模集成電路制造中不可缺少的摻雜工藝。離子注入是作為一