半导体制造技术导论chapter8离子注入工艺.ppt

1 Chapter8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 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 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 S Se 背向散射 S Sn 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 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AsH3 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50keV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 81 带电效应 离子轨迹 晶圆 82 电荷中性化系统 需要提供电子以中性化离子电浆泛注系统电子枪电子淋浴器 83 电压泛注系统 直流电力 灯丝电流 钨灯丝 电浆 氩 离子束 晶圆 电子 84 电子枪 离子束 电子枪 二次电子 热灯丝 电子 晶圆 二次电子靶 85 晶圆处理器 离子束直径 25mm 1 晶圆直径 200mm 8 或更大需要移动离子束或晶圆或两者 使离子束均匀地扫描整个晶圆旋转轮式旋转盘式单晶圆扫描 86 旋转轮式晶圆处理系统 旋转速率 最高到2400rpm 摇摆周期 10sec 离子束 注入带区 晶圆 旋转臂 87 旋转盘式晶圆处理系统 离子束 晶圆 88 单晶圆扫描系统 离子束 扫描电极 扫描离子束 晶圆移动 89 离子注入 射束阻挡器 吸收离子束的能量离子束检测器射束电流 射束能量和射束形状量测水冷式的金属平板用来带走所产生的热量 并阻挡x光辐射 90 离子注入 终端分析仪 法拉第电荷检测器用来校正射束电流 能量和形状 91 离子阻挡器示意图 离子束 磁铁 晶圆冷却平板 石墨 俯视图 法拉第电流侦测器 92 离子注入制程 CMOS应用CMOS离子注入的要求注入制程评估 93 CMOS离子注入规范 94 高能量 到MeV 低剂量 1013 cm2 P型磊晶层 P型晶圆 光阻 N型井区 P 注入制程 井区注入 95 光阻 B P型外延层 P型晶圆 N型井区 P型井区 STI USG 低能量 低剂量 临界电压 VT 调整的注入说明 N通道VT调整 P通道VT调整 96 低能量 10keV 低剂量 1013 cm2 离子注入 低掺杂漏极 LDD 注入 97 低能量 20keV 高剂量t 1015 cm2 离子注入 源极 漏极注入 98 离子注入制程 离子注入能量剂量井区高低源极 漏极低高临界电压调整低低低掺杂漏极低低 99 制程争点 晶圆带电粒子污染物元素污染制程评估 100 晶圆带电 导致匣极氧化层的崩溃二氧化硅的介电质强度 10MV cm100 匣极氧化层的崩溃电压是10V匣极氧化层 30到35 对0 18mm的组件需要较好的电荷中性化 101 晶圆带电监测 天线式电容器带电的测试结构多晶硅衬垫区的面积和薄氧化层区域的面积比称为天线比例 antennaratio 可以高到100 000 1天线比例越大 越容易使匣极氧化层崩溃 102 天线比例 103 粒子污染物 大型粒子会阻挡注离子束 特别是在低能量离子注入制程临界电压调整 低掺杂漏极和源极 漏极离子注入造成不完整的离子接面注入 对良率是很大的伤害 104 粒子污染物的效应 105 元素污染 想要的掺杂物和其他元素共同注入造成例如 94Mo 和11BF2 相同的质荷比 m q 49 质谱仪无法将两这分开94Mo 造成重金属污染离子源布能使用含有钼的标准不锈钢其他的材料例如石墨与钽则通常会被使用 106 制程评估 四点探针热波法光学量测系统 OMS 107 四点探针 热退火之后开始执行测量薄片电阻薄片电阻是掺杂物和接面深度的函数经常用来做为掺杂制程的监测 108 典型的四点探针 S1 S2 S3 1mm 假如电流应用在P1和P4 Rs 4 53V I假如电流应用在P1和P3 Rs 5 75V I 四点探针测量 109 热波系统 氩帮浦在晶圆表面上产生热脉冲He Ne探针雷射会在同一地点量测由帮浦雷射所造成的直流反射系数 R 和反射系数的调制量 modulation 两者的比例DR R称为热波 TW 讯号热波讯号和晶体的损伤有关晶体损伤是注入剂量的函数 110 热波系统 111 热波系统 在注入制程之后立即执行四点探针需要先退火非破坏性量测 可以测量产品晶圆四点探针只能用在测试晶圆缺点 低剂量时低敏感度缺点 热波讯号对时间的漂移现象需要在注入完成后尽快的执行缺乏较高的量测准确性雷射加热松弛造成晶格的损伤 112 光学量测系统 OMS 涂布了共聚物 copolymer 的透明晶圆来进行 聚合物中包含对能量敏感的染料在离子注入之后 高能量的离子与染料分子碰撞并将其击碎使的共聚物变的更透明离子的剂量越高 透明度也越高量测离子注入前后的光子计数改变量带有特定离子种类的剂量便可以被测出了 113 光学量测系统 OMS 114 离子注入 安全性 半导体工业里最具伤害性的制程工具化学危险源电磁危险源机械危险源 115 离子注入 化学安全 大部分掺杂的材料具高度毒性 易燃性和爆炸性 具毒性与爆炸性 AsH3 PH3 B2H6腐蚀性 BF3具毒性 P B As Sb一般常识 先离开现场 让受过训练的人入内调查 116 离子注入 电磁安全 高压 从设施电压208V到加速电极的50kV 接地放电 和伙伴一起工作 贴上告示板并上锁磁场 封装机器 等 117 离子注入 辐射安全 高能离子引起强X光辐射正常完全的屏蔽保护 118 离子注入 负产品的腐蚀性 BF3做为掺杂气体氟和氢反应生成HF任何物品在束线都可以夹带HF当以湿式清洗这些零件时 必须佩带双重手套 119 离子注入 机械安全 移动的零件 门 阀和机械手臂旋转轮或圆盘热表面 120 技术的趋势 超浅型接面 USJ 硅覆盖绝缘层结构 SOI 电浆浸泡离子注入 PIII 121 超浅型接面 USJ USJ xj 0 05mm 针对次微米 0 1mm 组件P型接面 用能量极低的硼离子