第4章IC工艺之离子注入

第四章：离子注入技术问题的提出：短沟道的形成？GaAs等化合物半导体？（低温掺杂）低表面浓度？浅结？纵向均匀分布或可控分布？大面积均匀掺杂？高纯或多离子掺杂？

要求掌握：基本工艺流程（原理和工艺控制参数）选择性掺杂的掩蔽膜（Mask）质量控制和检测后退火工艺的目的与方法沟道效应在器件工艺中的各种主要应用离子注入技术的优缺点剂量和射程在注入工艺中的重要性离子注入系统的主要子系统

CMOSStructurewithDopedRegionsn-channelTransistorp-channelTransistorLIoxidep–epitaxiallayerp+siliconsubstrateSTISTISTIn+p+p-welln-wellp+p–p+p–p+n+n–n+n–n+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn++p+pp++IonImplantinProcessFlowImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompletedwaferUnpatternedwaferWaferstartThinFilmsWaferfabrication(front-end)Hardmask(oxideornitride)AnnealafterimplantPhotoresistmask4.1.离子注入原理4.1.1.物理原理(P.90-98) 通过改变高能离子的能量，控制注入离子在靶材料中的位置。

a) Lowdopantconcentration(n–,p–)andshallowjunction(xj)MaskMaskSiliconsubstratexjLowenergyLowdoseFastscanspeedBeamscanDopantionsIonimplanterb) Highdopantconcentration(n+,p+)anddeepjunction(xj)BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter重离子在材料中与靶原子的碰撞是“弹性”库仑散射

级联散射EnergyLossofanImplantedDopantAtomSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-raysElectroniccollisionAtomiccollisionDisplacedSiatomEnergeticdopantionSiliconcrystallatticeFigure17.9

能量损失： 散射路径R，靶材料密度，阻止本领S能量损失注入离子的分布N（x）（无电子散射） 注入剂量0（atom/cm-2），射程：Rp

标准偏差Rp

ScanningdiskwithwafersScanningdirectionFaradaycupSuppressorapertureCurrentintegratorSamplingslitindiskIonbeam

对于无定型材料，有： 为高斯分布 97页图4.8

平均射程Page107多能量、多剂量注入4.1.2.设备AnalyzingMagnetGraphiteIonsourceAnalyzingmagnetIonbeamExtractionassemblyLighterionsHeavyionsNeutralsFigure17.14

4.2.沟道效应和卢瑟福背散射

6.2.1.沟道效应（page101）沟道峰沟道效应的消除(临界角）4.2.2.卢瑟福背散射RBS-C作用？。。。4.3.注入离子的激活与辐照损伤的消除

P.103~112 1）注入离子未处于替位位置 2）晶格原子被撞离格点 Ea为原子的位移阈能大剂量——非晶化临界剂量（P。111）与什么因素有关？如何则量？AnnealingofSiliconCrystalRepairedSilatticestructureandactivateddopant-siliconbondsb)Silatticeafterannealinga)DamagedSilatticeduringimplantIonBeamFigure17.27

热退P107

等时退火IsochronalAnnealing等温退火IsothermalAnnealing1）激活率(成活率)（%）

Si：P、B100%，As50%2）临界通量C(cm-2)F4.16

与注入离子种类、大小，能量有关 与注入时的衬底温度有关3）退火后的杂质再分布（P。111）4）退火方式：“慢退火”，快速热退火 分步退火5）退火完成的指标：电阻率、迁移率、少子寿命4.4.离子注入工艺中的一些问题 1。离子源：汽化高压电离 多价问题 分子态—原子态问题 （产额问题）

2。选择性掺杂的掩膜 SiO2、Si3N4、光刻胶、各种金属膜P离子注入SiSiO2Si3N4E(keV)Rp(m)Rp(m)Rp(m)Rp(m)Rp(m)Rp(m)100.0140.0070.0110.0050.0080.004200.0250.0120.0200.0080.0150.006500.0610.0250.0490.0190.0380.0141000.1240.0460.1000.0330.0770.026

有掩膜时的注入杂质分布？ControllingDopantConcentrationandDeptha) Lowdopantconcentration(n–,p–)andshallowjunction(xj)MaskMaskSiliconsubstratexjLowenergyLowdoseFastscanspeedBeamscanDopantionsIonimplanterb) Highdopantconcentration(n+,p+)anddeepjunction(xj)BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanterFigure17.5

3。遮挡(注入阴影效应ImplantShadowing)（P119）

4.硅片充电Resista)MechanicalscanningwithnotiltIonbeamb)ElectrostaticscanningwithnormaltiltResistIonbeamElectronShowerforWaferChargingControlAdaptedfromEatonNV10ionimplanter,circa1983++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Ionbeam-BiasedapertureElectrongunSecondaryelectrontargetSecondaryelectrons+Ion-electronrecombinationWaferFigure17.23

一次电子(几百eV)二次电子(20eV)不能有高能电子!PlasmaFloodtoControlWaferCharging-BiasedapertureIonbeamNeutralizedatomsWaferscandirectionCurrent(dose)monitorPlasmaelectronfloodchamberArgongasinletElectronemissionChamberwall+++++++++++++++++++++++++SNSN++++++++ArArAr高能离子注入设计掩蔽膜的形成离子注入退火测试Trim分布、掩蔽膜设计、离子源氧化膜、Si3N4膜、光刻和光刻胶衬底温度、能量、注量温度、时间（多步快速热退火）激活率、残留缺陷、注入层寿命、注入离子再分布（方块电阻、结深）、I-V和C-V特性离子注入工艺流程4.5.离子注入工艺的应用 1。掺杂（P。115）2。浅结形成（ShallowJunctionFormation,p116)3。埋层介质膜的形成(page116)

如：注氧隔离工艺（SIMOX） （SeparationbyImplantedOxygen)4。吸杂工艺 如：等离子体注入（PIII）吸杂工艺 （PlasmaImmersionIonImplantation）5。SmartCutforSOI6。聚焦离子束技术7。其它（如：离子束表面处理） BuriedImplantedLayern-wellp-wellp-Epilayerp+Siliconsubstratep+BuriedlayerRetrogradewells埋层注入，替代埋层扩散和外延控制闩锁效应RetrogradeWelln-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp++n++倒置井：闩锁效应和穿通能力PunchthroughStopn-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++n+n++穿通阻挡ImplantforThresholdVoltageAdjustmentn-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++pn+n++n阈值电压调整Source-DrainFormations++++++++----------++++++++++++++++----------------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep+S/Dimplantn+S/DimplantSpaceroxideDrainSourceDrainSourceb) p+andn+Source/drainimplants (performedintwoseparateoperations)++++++++----------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep-channeltransistorp–LDDimplantn-channeltransistorn–LDDimplantDrainSourceDrainSourcePolygatea) p–

and

n–

lightly-dopeddrainimplants (performedintwoseparateoperations)DopantImplantonVerticalSidewallsofTrenchCapacitor n+dopantn+p+TiltedimplantTrenchforformingcapacitor沟槽电容器（取代DRAM的平面存储电容）的侧壁掺杂Ultra-ShallowJunctions180nm20Ågateoxide54nmarsenicimplantedlayerPolygateP118CMOSTransistorswithandwithoutSIMOXBuriedOxideLayera)CommonCMOSwaferconstructionn-wellp-wellEpilayerSiliconsubstrateb)CMOSwaferwithSIMOXburiedlayern-wellp-wellImplantedsilicondioxideSiliconsubstrateSiliconsubstrateDose