半导体制造技术第十七章.ppt
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1、,半导体制造技术,陈弈星 ,第十七章 离子注入,本章目标,1. 解释掺杂在硅片制造过程中的目的和应用. 2. 讨论杂质扩散的原理和过程. 3. 对离子注入有整体的认识,包括优缺点. 4. 讨论剂量和射程在离子注入中的重要性. 5. 列举离子注入机的个主要子系统. 6. 解释离子注入中的退火效应和沟道效应. 7. 描述离子注入的各种应用.,Table 17.1,半导体常用杂质,杂质改变半导体的导电性,具有掺杂区的CMOS结构,Figure 17.1,CMOS制作中的一般掺杂工艺,热载流子效应,在小尺寸MOSFET 中,不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场;特别是,当MOSFET 工作
2、于电流饱和的放大状态时,沟道在漏极附近处被夹断(耗尽),其中存在强电场;随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短,夹断区中的电场更强。这时,通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能,就很容易成为热载流子,同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。,热载流子引发的问题,热载流子穿过氧化层-硅界面,形成微弱的栅电流并引起氧化层内正电荷积累,使NMOS阈值电压减小,PMOS阈值电压增大,改变了器件的性能。 碰撞形成的空穴朝衬底运动,形成比栅电流大几个数量级的衬底电流,产生的压降使源和衬底之间的PN结正偏,形成“源-衬底-漏”寄生NPN,可能导致源漏击穿或是闩锁效应。,短沟道
3、效应,当MOS的沟道长度与漏极耗尽区的厚度在一个数量级上,则该MOS器件可以称为短沟道器件。短沟道效应会引起两种物理现象: 1)限制沟道中的电子漂移特性 2)阈值电压改变,离子注入在硅片流程中,Used with permission from Lance Kinney, AMD,Figure 17.2,在硅片中的掺杂区,Figure 17.3,扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺,在900-1200的高温,杂质(非杂质)气氛中,杂质向衬底硅片的确定区域内扩散,又称热扩散。 目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导体导电类型,电阻率,或形成PN结。,扩散是物质内质点运动的基本方式,当温度高于绝对零度
4、时,任何物系内的质点都在作热运动。 当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时,由于热运动而触发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此,扩散是一种传质过程,宏观上表现出物质的定向迁移。 扩散是一种自然现象,是微观粒子热运动的形式,结果使其浓度趋于均匀。,1.扩散原理 三步 预扩散 推进 激活 杂质移动 固溶度 横向扩散 2. 扩散工艺 硅片清洗 杂质源,预淀积 高温扩散炉,800-1100度,10-30分钟,杂质仅进入硅片中很薄的一层 推进 1000-1250度,杂质再分布形成期望的结深。同时晶圆表面被氧化,N型杂质在晶圆表面堆积,浓度增加,P型杂质易被吸入氧化层,浓度降低 激活 使杂
5、质原子与晶格中的硅原子键合,激活杂质原子,改变硅的电导率,杂质移动,(a) 间隙式扩散(interstitial),(b) 替位式扩散(substitutional),间隙扩散杂质:O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,Mg,替位扩散杂质:As, Al,Ga,Sb,Ge。 替位原子的运动一般是以近邻处有空位为前题,B,P,一般作为替代式扩散杂质,实际情况更复杂,包含了硅自间隙原子的作用,称填隙式或推填式扩散,间隙扩散,替代扩散,硅中的固溶度极限 1100C,Table 17.3,在一定温度下,硅能吸收的杂质数量是一定的,被称为固溶度极限。这个极限适用于大多数物质。,扩散工艺,扩散8个步骤: 1.
6、进行质量测试以保证工具满足生产质量指标. 2. 使用批控制系统,验证硅片特性. 3. 下载包含所需工艺参数的工艺菜单. 4. 开启扩散炉,包括温度分布. 5. 清洗硅片并浸泡HF,去除自然氧化层. 6. 预淀积:把硅片装入扩散炉,扩散杂质. 7. 推进:升高炉温,推进并激活杂质,然后撤出硅片. 8. 测量、评价、记录结深和电阻.,扩散常用杂质源,Table 17.4,扩散设备与工艺,扩散设备多是炉丝加热的热壁式扩散炉。和氧化炉相类似。 根据扩散源的不同有三种扩散工艺:固态源扩散,液态源扩散,气态源扩散。 选择源必需满足固溶度、扩散系数要求。 选择好掩蔽膜。,固态源扩散,扩散方式 开管扩散 箱式
7、扩散 涂源扩散 固态源 陶瓷片或粉体:BN、B2O3、Sb2O5、P2O5等,液态源扩散,液态源 POCl3、BBr3、B(CH3O)3 (TMB),气态源扩散,气态源 BCl3、B2H6、PH3、AsH3,离子注入,离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质以改变其电学性能的方法。是一个物理过程,不发生化学反应。 能够重复控制杂质的浓度和深度,离子注入是将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析,成为一束由所需杂质离子组成的高能离子流而投入半导体晶片(俗称为靶)内部,并通过逐点扫描完成对晶片的注入。 离子注入的基本过程 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子。 在强电场中
8、加速,获得较高的动能后,射入材料表层(靶)。 改变材料表层的物理或化学性质。,离子注入的优点,1. 精确控制掺杂浓度 2. 很好的杂质均匀性 3. 对杂质深度很好控制 4. 产生单一离子束 5. 低温工艺 6. 注入的离子能穿过薄膜 7. 无固溶度极限,缺点,1.辐射损伤。高温退火修复。 2.设备复杂(比扩散),注入剂量 能量,离子注入过程是一个非平衡过程,高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞,逐步损失能量,最后停下来。停下来的位置是随机的,大部分不在晶格上,因而没有电活性。,离子注入剂量,注入剂量是单位面积晶圆表面注入的离子数,可通过下面的公式计算得出 I:束流 单位:库仑/秒 (安
9、培) E:电子电荷 1.610-19库仑 t:注入时间 (秒) n:离子电荷(如B等于1) A:注入面积 单位cm2,离子射程,离子射程就是注入时,离子进入晶圆内部后,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晶圆内部的深度,它取决于离子的质量、能量、晶圆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。,杂质离子的射程和投影射程,Figure 17.7,离子注入机的种类,Table 17.6,核碰撞和电子碰撞,注入离子如何在晶圆内静止? 1963年,Lindhard, Sc
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