半导体制造技术离子注入工艺课件.ppt
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1、1,Chapter 8离子注入,2,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,3,离子注入,简介安全性硬件制程概要,4,IC生产厂房,离子注入与光阻剥除,化学机械研磨,晶圆制造流程图,蚀刻与光阻剥除,5,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?,6,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,7,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.,8
2、,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,9,沉积掺杂氧化层,硅基片,二氧化硅,沉积掺杂氧化层,10,氧化,硅基片,二氧化硅,11,驱入,硅基片,二氧化硅,掺杂接面,12,剥除和清洗,硅基片,二氧化硅,掺杂接面,13,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.,14,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.,15,栅极的对准
3、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,16,多晶硅,n+,P型硅,n+,二氧化硅,P+,离子注入:磷,17,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,18,离子注入和扩散的比较,19,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,20,离子注入的应用,21,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.,22,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,
4、最后停在基片里面有两种阻滞机制,23,两种阻滞机制,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,24,阻滞机制,总阻滞力Stotal=Sn+SeSn:原子核阻滞,Se: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,25,阻滞机制,随机碰撞(S=Sn+Se),通道式(SSe),背向散射(SSn),离子,26,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,27,离子轨迹和投影射程,投影射程
5、,离子的轨迹,碰撞,离子束,真空,基片,至表面的距离,28,投影射程,ln(浓度),投影射程,基片表面,从表面算起的深度,29,0.010,0.100,1.000,10,100,1000,注入能量(keV),投影射程(mm),B,P,As,Sb,硅中掺杂离子的投影射程,30,0.00,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,硅(Si),二氧化硅(SiO2),氮化硅(Si3N4),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),31,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
6、分部轮廓,非常少的碰撞,多数的碰撞,注入制程:通道效应,32,通道效应,通道离子,碰撞离子,晶格原子,q,晶圆表面,33,碰撞的,q,晶圆表面,碰撞的,通道的,碰撞后的通道效应,34,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,35,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,36,多晶硅,基片,掺杂区,阴影区,离子束,阴影效应,37,阴影效应,多晶硅,基片,掺杂区,退火及扩散之后,38,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
7、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.,39,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,40,由单一离子造成的损伤,重离子,单晶硅,损伤区,轻离子,41,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,42,注入制程:退火,掺杂物
8、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,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,掺杂物原子,晶格原子,热退火,51,退火前,退火后,注入制程:退火,52,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
9、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,53,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,54,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.,55,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,56,离子注入机,57,注入制程,气体和蒸气:P,B,BF3,PH3,和A
10、sH3,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,58,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,59,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,60,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,61,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,62,离子注入:控制系统,离子束的能量、种类和电
11、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,63,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,64,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,65,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,66,离子源,电弧电力供应 120V,灯丝
12、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,67,射频离子源,射频,射频线圈,电浆,掺杂气体,-,+,萃取电极,离子束,68,微波离子源,磁力线,微波,磁场线圈,ECR电浆,萃取电极,69,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,70,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 10kV,+,+,抑制电极,萃取电极,萃取狭缝,俯视图,终端底盘,71,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
13、离以产生丰富的 U235只有正确的(质量/电荷)可以穿过狭缝纯化注入的离子束,72,离子布质机的质谱仪,73,BF3 电浆中的离子,离子 原子量或分子量10B1011B1110BF2911BF30F23810BF24811BF249,74,问与答,仅20%的硼原子是10B10B+离子浓度仅11B+的1/410B+离子束电流约11B+的1/4将要耗费四倍的时间注入,生产量较低,10B+比11B+要轻,所以在相同能量时可以比11B+穿透的更深。为何我们不使用10B+来做深接面?,75,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
14、离子束电流,76,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,77,后加速系统,离子束,后加速电力高达60kV,抑制电力高达 10kV,+,+,抑制电极,加速电极,终端底盘,78,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,79,离子束轨迹弯曲,中性原子轨迹,离子轨迹,晶圆,偏压电极,80,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,
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