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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 班级 微电103 学号1001113110指导教师 职称 讲师 指导教师 职称 设计时间 2012.9.192013.1.4 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MOSFET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114.1.1 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×B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离子注入的原理图2-1 离子注入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。这所谓碰撞级联虽然不能完全理解为一个热过程，但经常看成是一个热能很集中的峰。一个带有100keV能量的离子通常在其能量耗尽并停留之前，可进入到数百到数千原子层。当材料回复到平衡，大多数原子回到正常的点阵位置，而留下一些“冻结”的空位和间隙原子。这一过程在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0.1m和直径为0.02m 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，注入愈深。一般情况下，离子越轻活基体原子越轻，注入越深。一旦到达表面，离子本身就被中和，并成为材料的整体部分，所以注入层不会像常规那样有可能脱落或剥离。注入的离子能够与固体原子，或者彼此之间，甚至与真空室内的残余气体化合生成常规合金或化合物。 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，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，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）。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（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（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，可通过下面的公式计算得出 ，式中，Q是剂量；I是束流，单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；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（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;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(参考文献2)。 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±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（8001200）掩蔽层金属、光刻胶、二氧化硅、氮化硅耐高温材料，一般为二氧化硅可用掺杂源各种掺杂源均可要考虑许多因素，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高、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 mm ，亮度为 10 100 A/cm2.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 106 107 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电极的吸引作用，被分离出来形成离子束向吸取电极运动（如图4-1）。图4-2 离子注入4.2 质量磁分析器4.2.1 E×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。图4-3 E×B质量分析器 由得，代入，得： 当时，即当时，离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的荷质比为 待添加的隐藏文字内容1对于某种荷质比为的所需离子，可通过调节偏转电压或偏转磁场，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑: 或当荷质比为的离子不被偏转时，具有荷质比为的其它离子的偏转量为： 将前面的的表达式： 代入，得： 讨论（1）为屏蔽荷质比为的离子，光阑半径必须满足： （2）若D固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽： 或而满足下列荷质比的离子均可通过光阑： 以上各式可用于评价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 磁质量分析器为向心力，使离子作圆周运动，半径为从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑2。或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，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 Va ，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，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）。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 1200。退火会改变杂质的分布。 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 500 650 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。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模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。离子注入是作为一种半导体材料的掺杂技术发展起来的，它所取得的成功是其优越性的最好例证。低温掺杂、精确的剂量控制、掩蔽容易、均匀性好这些优点，使得经离子注入掺杂所制成的几十种半导体器件和集成电路具有速度快、功耗低、稳定性好、成品率高等特点。对于大规模、超大规模集成电路来说，离子注入更是一种理想的掺杂工艺。如前所述，离子注入层是极薄的，同时，离子束的直进性保证注入的离子几乎是垂直地向内掺杂，横向扩散极其微小，这样就有可能使电路的线条更加纤细，线条间距进一步缩短，从而大大提高集成度。此外,离子注入技术的高精度和高均匀性,可以大幅度提高集成电路的成品率。随着工艺上和理论上的日益完善，离子注入已经成为半导体器件和集成电路生产的关键工艺之一。在制造半导体器件和集成电路的生产线上，已经广泛地配备了离子注入机。致谢本论文是在我的导师刘锡锋老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。刘老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向刘老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！参考文献1 张渊主编，半导体制造工艺。北京：机械工业出版社，2010.10。2 Micheal Qurik，Julian Serda，半导体制造技术M。韩郑生，等译。北京：电子工业出版社，2004.3 张亚非。半导体集成电路制造技术M。北京：高等教育出版社，2006.4 集成电路制造工艺编写组。集成电路制造工艺M。北京：国防工业出版社，1997。5史小波。集成电路制造工艺M。北京：电子工业出版社，2007。6梁瑞林。半导体器件新工艺M。北京：科学出版社，2008。