75As
2
2
51014
NMOS源/漏
31P
4
3.51015
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
58Biblioteka 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
– 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
63
粒子引起的电子—空穴对
粒子引起的电子—空穴对
64
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
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
离子注入技术的优点
离子注入与扩散工艺比较
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
折射率
N/A
反射率
N/A
熔点
938.3 ℃
沸点
2820 ℃
热传导系数
60 W/(m·K)
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
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
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
音速
N/A
电阻系数
33 μΩ·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/(m·K)
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
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
电荷中性化系统
• 晶圆电荷效应
– 离子注入将正电荷带入晶圆表面
– 带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
晶圆电荷效应形成的
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
通道效应最小化方法
• 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
– 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
35
射线系统
离子注入机的射线系统
36
射线系统
• 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
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；BLC：位线接触
62
离子注入技术的其他应用
• 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
– 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
54
离子注入在元器件中的应用
离子注入工艺
阱区注入
中度阱区注入
说明
高能量、低电流注入，形成阱区
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
28
损伤与热退火
• 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
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
• 元素污染
– 由掺杂物和其他元素的共同离子注入造成
– 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
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
离子注入工艺评估
• 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
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
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
离子注入过程
• 掺杂物形态
– 由离子的种类决定
• 晶体管结深
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
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
离子注入机的组成
• 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带电离子和中性气体分子发生碰撞的概率
• 控制系统
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
15
锗元素参数列表
名称
锗
原子符号
Ge
原子序数
32
原子量
72.64
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 μΩ·cm
9
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
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
11
磷元素参数列表
名称
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
– 注入离子与硅、氧原子碰撞散射，进入硅晶体的角度分布在较广的范围
• 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
26
阴影效应和扩散处理
阴影效应和扩散处理