微电子专业毕业论文正稿

1、A加信息职业枝术修虧毕业设计论文离子注入工艺及设备研究系电子信息工程系专业微电子技术姓名杨雷班级微电103学号 1001113110指导教师刘锡锋职称讲师指导教师职称设计时间2012.9.19-2013.1.41.专业整理.摘要：在电子工业中，离子注入现在已经成为了微电子工艺中的一种重要的掺杂技 术，也是控制MOSFE阈值电压的一个重要手段。因此在当代制造大规模集成电 路中，可以说是一种必不可少的手段。离子注入的方法就是在真空中、低温下，把杂质离子加速（对Si，电压105 V）,获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中；同时也会在半导体中 产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火

2、或激光退火来消除这些 缺陷。离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是 低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时可实现自对准技术（以减小电容 效应）。关键词：离子注入工艺；半导体；掺杂.学习帮手.目录第一章引言 4第二章离子注入工艺 52.1离子注入的原理 52.2离子注入的分类 62.3离子射程 62.4离子注入剂量 72.5 离子注入的要求 7第三章离子注入的特点 93.1 离子注入的特点 93.2离子注入与扩散工艺的比较 9第四章 离子注入设备 114.1离子源 11

3、4.1.1 离子源 114.2.2 离子束吸取电极 114.2质量磁分析器 124.2.1 E XB质量分析器 124.2.2 磁质量分析器 144.3加速聚焦器 154.4扫描系统 154.5终端系统 16第五章 离子注入工艺中存在的问题 175.1沟道效应 175.2损伤 175.2.1注入损伤 175.2.2 离子注入层的电特性 175.3退火 185.4颗粒污染 18第六章离子注入质量检测 196.1颗粒污染 196.2剂量控制 196.3超浅结结深 19第七章总结 20致谢 21参考文献 22第一章引言离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改 性高新技术。现

4、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。离子注入工艺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

5、特定的杂质原子（Dopa nt）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工艺质量检测等方面进行了重点阐述。第二章离子注入工艺2.1离子注入的原理离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个 尾迹。这些撞离原子再与其它原子碰撞，后者再继续下去，大约在10-11S内，材料中将建立一个有数百个间隙原子和空位的区域。 这所

6、谓碰撞级联虽然不能完全理解为一个热过看成是一个热能很集个带有100keV能量常在其能量耗尽并停进入到数百到数千原图2-1离子注入料回复到平衡，大多数原子回到正常的点阵位 一些“冻结”的空位和间隙原子。这一过程在程，但经常 中的峰。一的离子通 留之前，可 子层。当材置，而留下表面下建立了富集注入元素并具有损伤的表层。离子和损伤的分布大体为高斯分布整个阻止过程的时间仅用10-11S，位移原子的停留也是在相近时间内完成 的，所以全过程很像发生在长约 0.1卩m和直径为0.02卩m的圆柱材料总的快速加热与淬火。离子注入处理的这种快速加热-淬火与新原子注入材料中相结合, 其结果可产生一些独特的性能。离子

7、注入的深度是离子能量和质量以及基体原子质量的函数。能量愈高，注入愈由于注入时高能离子束提供反应后的驱动力，故有可能在注入材料中形成常规热力学方式不能获得的亚稳态或“非平衡态”化合物这就可能使一种元素的添 加量远远超过正常热溶解的数量用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或 分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能,在材料中，并引起材料表面成分、 或获得某些新的优异性能。离子注入技术是把某种元素的原子电离成离子， 并使其在几十至几百千伏的 电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件材

8、料表面的一种 离子束技术。材料经离子注入后，其表面的物理、化学及机械性能会发生显著的 变化（参考文献1）。束流打描装置离子注入系统示意图图2-2离子注入系统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（HQ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

9、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（retrograde well ）,主要需要HE注入设备。2.3离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。 入射离子能量越高，射程就会越长。投影射程是离子注入 wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer 的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差图2-3离子射程2.4离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过

10、下面的公式计算得出 Q ，式中，Q是剂量；I是束流，enA单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6 X10-19C; n是 电荷数量；A是注入面积。2.5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

11、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( en ergy 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

12、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2-4。由于低能量的离子本身就难以萃取；力卩 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（参考文献2）。6 Uiain E rlImrilant P#ameler6 伽 Lkvqic a

13、nd MefW/ D时C From 2001 flFi-e2eljVJfTS-dEF =IjE Boron DoseM】C們口 Q Lcuom199S2000200220042D0B2008201020122014Year of Introduction图2-4 P型源、漏极前延（PLDD离子注入参数随器件缩小的变化趋势（2001 ITRS）第三章离子注入的特点3.1离子注入的特点 注入的离子经过质量分析器的分析， 纯度很高、能量单一。而且注入环境 清洁、干燥，大大降低了杂质污染。 注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达土 1% 注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等都可以作为注入时 的

14、掩蔽层。衬底温度低，就避免了高温扩散所引起的热缺陷； 离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底中的固溶度限制； 对于化合物半导体采用离子注入技术，可不该变组分而达到掺杂的目的； 离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少了； 离子注入最大的缺点就是高能离子轰击 wafer对晶格结构造成的损伤；3.2离子注入与扩散工艺的比较我们可以通过表31直观看出来关于离子注入和传统扩散工艺的相比较的 优缺点：表31离子注入和扩散工艺的比较比较项目离子注入法扩散法温度低温工艺，小于125。下也可进行高温(800 C 1200 C)掩蔽层金属、光刻胶、二氧化硅、氮化硅耐冋温材料，般为二氧化硅可用掺杂源各种掺杂源均可要

15、考虑许多因素，一般采用硼、磷、砷、锑结特性能制作浅结，超浅结（125nm范围内），结深易控制，适于突变结适于制作结深（几微米到几十微米）缓变结掺杂浓度杂质纯度咼、注入浓度范围广受杂质固溶度影响浓度控制由束流和时间可精确控制受源温、气体流量、扩散温度、时间等多种因素影响均匀性大面积掺杂面内均匀性高（扫描）杂质污染小易受钠离子污染横向扩散很小，几乎没有有横向扩散晶体损伤大小掺杂深度注入杂质含量不受硅片固溶度的限制受固溶度限制第四章 离子注入设备离子注入机体积庞大，结构非常复杂。根据它所能提供的离子束流大小和能 量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机离子注入机的主要部

16、件有：离子源、质量分析器、加速聚焦器、扫描系统以 及工艺室等。图4-1离子注入机4.1离子源4.1.1离子源作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为100 m，亮度为10 100 A/cm 2.sr。聚焦方式需要高亮度 小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后得以顺利发展。LMIS的典型 有效源尺寸为5 500 nm，亮度为106 10 7 A/cm2.sr 。4.2.2离子束吸取电极吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。电极由抑制电极和接地

17、电极构成，电极上加了很高的电压，离子受到弧光反应室侧壁的排斥作用和抑制4-1 )4.2质量磁分析器421 E X B质量分析器由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E与B的方向相互垂直。歹个光阑图4-3 E X B质量分析器FeqEVfFm qv B qvB j.专业整理.由qVa1mv2 得v12qVa 2 ,代入 Fm，得:mFmVf当时FeFm，即当q d12qVa 2qB时，离子不被偏转。由此可解得不被m偏转的离子的荷质比q。为2 gVfq。m 2d2 B2Va对于某种荷质比为q。的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf或偏转磁场B， 使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑 ：1Vf

18、 dB 2qVa 2 或 BVf1d 2q0Va 2当荷质比为q0的离子不被偏转时，具有荷质比为qsq ms的其它离子的偏转量Db为:Db y Lf y Lf Ld1B 2qsVa 2Vfd1 L2f1 LdLf4 Va2Va.学习帮手.将前面的B的表达式:Vf2qVa代入Db，得:LdLf讨论(1)为屏蔽荷质比为qs的离子，光阑半径D必须满足:(2)若D固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽:2qsqo 1 -或 qs而满足下列荷质比的离子均可通过光阑:2彳D彳qo 1qsqo 1G以上各式可用于评价E B分析磁体的分辨本领(参考文献3) 4.2.2磁质量分析器图4-4磁质量分析器FmqvBi

19、半径为mv 2mVa 2r 一 2-qBqB2从上式可知，满足荷质比q。12Va qoB22V-r2B2的离子可通过光阑212qVa 2qB为向心力，使离子作圆周运动,mB使之满足下或者对于给定的具有荷质比为 qo的离子，可通过调节磁场式，从而使该种离子通过光阑2，B12qr其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的另外，若固定r和V-，通过连续改变B，可使具有不同荷质比的离子依 次通过光阑2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度， 可得到入射离子束的质 谱分布。4.3加速聚焦器为了保证注入的离子能够进入 wafer，并且具有一定的射程，离子的能量必 须满足一定的要求，所以，离子还需要进

20、行电场加速。完成加速任务的是由一系 列被介质隔离的加速电极组成管状加速器。离子束进入加速器后，经过这些电极 的连续加速，能量增大很多。与加速器连接的还有聚焦器，聚焦器就是电磁透镜，它的任务是将离子束聚 集起来，使得在传输离子时能有较高的效益，聚焦好的离子束才能确保注入剂量 的均匀性。4.4扫描系统离子束是一条直径约13的线状高速离子流，必须通过扫描覆盖整个注入 区。扫描方式有：固定 wafer，移动离子束；固定离子束，移动 wafer。离子注 入机的扫描系统有电子扫描、机械扫描、混合扫描以及平行扫描系统，目前最常 用的是静电扫描系统。静电扫描系统由两组平行的静电偏转板组成， 一组完成横向偏转，

21、另一组完 成纵向偏转。在平行电极板上施加电场，正离子就会向电压较低的电极板一侧偏 转，改变电压大小就可以改变离子束的偏转角度。静电扫描系统使离子流每秒钟江苏信息职业技术学院毕业设计（论文）横向移动15000多次，纵向移动移动1200次静电扫描过程中，wafer固定不动，大大降低了污染几率，而且由于带负电 的电子和中性离子不会发生同样的偏转， 这样就可以避免被 掺入到wafer当中。4.5终端系统终端系统就是wafer接受离子注入的地方，系统需要完成 Wafer的承载与冷 却、正离子的中和、离子束流量检测等功能。离子轰击导致wafer温度升高，冷却系统要对其进行降温，防止出现由于高 温而引起的问

22、题，有气体冷却和橡胶冷却两种技术。冷却系统集成在 Wafer载具 上, wafer载具有多片型和单片型两种。离子注入的是带正电荷的离子，注入时部分正电荷会聚集在 wafer表面，对 注入离子产生排斥作用，使离子束的入射方向偏转、离子束流半径增大，导致掺 杂不均匀，难以控制；电荷积累还会损害表面氧化层，使栅绝缘绝缘能力降低， 甚至击穿。解决的办法是用电子簇射器向 wafer表面发射电子，或用等离子体来 中和掉积累的正电荷。离子束流量检测及剂量控制是通过法拉第杯来完成的。 然而离子束会与电流 感应器反应产生二次电子，这会正常测量偏差。在法拉第杯杯口附加一个负偏压 电极以防止二次电子的逸出，获得精确

23、的测量值。电流从法拉第杯传输到积分仪， 积分仪将离子束电流累加起来，结合电流总量和注入时间，就可计算出掺入一定 剂量的杂质需要的时间（参考文献4）。#.专业整理.第五章 离子注入工艺中存在的问题5.1沟道效应入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子能量够高，则多数被 注入到wafer内部；反之，则大部分离子被反射而远离 wafer。注入内部的原子 会与晶格原子发生不同程度的碰撞， 离子运动过程中若未与任何粒子碰撞， 它就 可到达wafer内部相当深的地方，这就是沟道效应。沟道效应将使离子注入的可控性降低，甚至使得器件失效。因此，在离子注入时需要抑制这种沟道效应。在wafer表面淀积

24、一层非晶格结构材料或事先破坏 掉wafer表面较薄的一层结晶层等都可降低沟道效应（参考文献5）。5.2损伤 5.2.1注入损伤由离子注入引起的大量空位和间隙原子等点缺陷，以及空位与其他杂质结合 而形成的复合缺陷等，称为注入损伤。注入损伤与注入离子的能量、质量、剂量、 靶材料和靶温等有关。当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形成连续非晶层的注 入剂量称为临界剂量。当注入剂量小于临界剂量时，损伤量随注入剂量的增大 而增加，当注入剂量超过临界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。影响临界剂量的因素：1、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；2、注入离子的能量越大，则临界剂量越小；3、注入温度越

25、低，则临界剂量越小；4、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡量）越大，则临界剂量越小。5.2.2离子注入层的电特性注入到半导体中的受主或施主杂质大部分都停留在间隙位置处，而处在这个位置上的杂质原子是不会释放出载流子的，也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的。经过适当温度的退火处理，可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置 进入替位位置而释放出载流子，从而改变半导体的电特性。这个过程称为杂质原 子的电激活。退火处理也可以减少注入损伤。5.3退火目的：消除注入损伤，并使注入的杂质原子进入替位位置而实现电激活。机理：使移位原子与注入的杂质原子在高温下获得较高的迁移率而在晶体中 移动，从间隙

26、位置进入替位位置。退火技术可分为 热退火与快速热退火。热退火的温度范围为300 C 1200 r。退火会改变杂质的分布。Q(x RP)2N(x,t) exp 2-矿JRp 2Dt 2( Rp 2Dt)实验发现退火后的实际杂质分布比通常预测的要深， 原因是离子注入时形成 的高浓度缺陷增强了杂质的扩散。这种现象称为 瞬时增强扩散。可以在退火前 先在500C 650 C之间进行一次补充处理来消除这些缺陷。热退火虽然可以满足一般的要求，但也存在一些缺点：对注入损伤的消除和 对杂质原子的电激活都不够完全； 退火过程中还会产生二次缺陷；经热退火后虽 然少子的迁移率可以得到恢复，但少子的寿命及扩散长度并不能

27、恢复； 此外，较 高温度的热退火会导致明显的杂质再分布。5.4颗粒污染离子注入对颗粒污染非常敏感，wafer表面的颗粒会阻碍离子束的注入，大 电流的注入会产生更多颗粒，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。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，因此在工艺加工过程中要规范、谨慎(参考文献6)。第六章离子注入质量检测6.1颗粒污染测量检测wafer表面的颗粒数，颗粒会造成掺杂的空洞。颗粒的可能来源有： 电极放电；机械移动过程中的外包装；注入机未清

28、洁干净；温度过高造成光刻胶 脱落；背面的冷却橡胶；wafer处理过程产生的颗粒。6.2剂量控制掺杂剂量不合适导致方块电阻偏高或偏低。掺杂剂量不合适的原因有：工艺流程错误；离子束电流检测不够精确；离子束中混入电子，造成计数器计算离子数量的错误，导致掺杂剂量过大；退火问题。6.3超浅结结深掺杂剖面不正确，高温会造成杂质再分布，增加结深以及横向掺杂效应；沟 道效应影响离子的分布。.学习帮手.专业整理.第七章总结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。离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、 均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。目前，离子注入法已成为超大规