半导体工艺离子注入共28页

半导体制造技术--离子注入工艺

• 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.
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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
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离子注入机
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注入制程
气体和蒸气: P, B,BF3,PH3,和AsH3
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材料晶圆光罩设计
晶圆制造流程图
IC生产厂房金属化
化学机械研磨
介电质沉积
加热制程
离子注入与光阻剥除
光刻
蚀刻与光阻剥除
测试封装最终测试
4
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?
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简介
• 掺杂半导体 • 两种掺杂的方法
钨灯丝 +
抗阴极电极板
电浆磁力线
磁铁源
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射频离子源
掺杂气体
+射 -频
电浆
射频线圈
萃取电极离子束
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微波离子源
磁场线圈磁力线
微波
ECR电浆
萃取电极
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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
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萃取系统示意图
火 • 锗预先非晶化注入在硅基片做为轮廓控
制 • …...
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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
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两种阻滞机制

半导体制造技术导论离子注入工艺

• 阈值电压控制：通过离子注入工艺调节PMOS和NMOS
区
的阈值电压
• NMOS器件：N型半导体作为沟道，P型半导体作为源漏
• 掺杂区形成：通过离子注入工艺形成PMOS和NMOS的
区
源漏区
离子注入工艺在光电二极管中的应用
光电二极管的结构特点
• P-N结：由P型半导体和N型半导体组成的结
• 光敏区：位于P-N结附近的区域，对光敏感
• 掺杂浓度均匀性：如何实现更均匀的掺杂，提高器件性能
• 注入损伤：离子注入过程中如何减少对半导体材料的损伤
• 工艺集成：如何将离子注入工艺与其他工艺集成，提高生产效率
解决方案
• 优化离子注入设备和工艺：提高掺杂浓度的均匀性和降低注入损伤
• 采用新型离子注入技术：如扫描离子注入、等离子体浸入离子注入等，提高工艺效
• 多离子注入技术的发展：实现多种元素的共注入，提高器件的性能和可靠性
离子注入工艺的发展方向
• 精确控制掺杂：实现更精确的浓度控制和更均匀的掺杂
• 降低能耗优化离子注入设备和工艺，降低能耗
• 环保减排：减少离子注入过程中的污染排放，提高环保水平
离子注入工艺面临的挑战及解决方案
离子注入工艺面临的挑战
果
• 加强工艺集成：与光刻、刻蚀等工艺进行集成，提高生产效率
离子注入工艺在未来半导体制造中的应用前景
离子注入工艺在集成电路制造中的应用
• 提高晶体管、二极管等器件的性能，提高集成电路的整体性能
• 实现新型器件的制作，如鳍式场效应晶体管（FinFET）等
离子注入工艺在光电二极管制造中的应用
• 提高光电二极管的光电转换效率，提高光电传感器的性能
• 大电流器件：需要承受大电流的器件

硅集成电路工艺——离子注入PPT课件

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• 沟道效应的概念（见书） • 沟道效应的消除方法：
• 使晶体的主轴方向偏离注入方向（7度左右，阴影现象） • 在晶体表面覆盖介质膜，散射后改变注入离子的方向 • 表面预非晶化（注入锗）
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§4.3 离子注入系统
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§4.5 热退火 Thermal Annealing
晶格损伤的危害： • 增加散射中心，使载流子迁移率下降 • 增加缺陷中心，使非平衡少数载流子寿命减少，pn结漏电流增大 • 注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受主的作用，晶格损伤造成的破坏
使之更难处于替位位置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起不到作用。
终端台
1. 扫描器 • 靶静止，离子束X,Y向运动 • 靶X向移动，离子束Y向移动 • 离子束静止，靶X,Y向移动
.
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2. 偏束板 • 离子束在运动过程中可以和热电子发生电荷交换，形
成中性粒子，影响注入均匀性 • 加入静电偏转电极，一般5度左右，中性束不能偏转
而去除
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离子束中和系统
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3. 靶室（工作室） • 样品架 • 法拉第杯（控制注入剂量）
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§4.4 注入损伤
• 级联碰撞：不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：
• E<Ed，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能； • Ed<E<2Ed，产生一个移位原子和一个空位； • E>2Ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量
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快速退火 Rapid Thermal Annealing (RTA) • 普通热退火需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂

半导体工艺离子注入沉积

半导体工艺离子注入沉积半导体工艺是一种制造半导体器件的过程，它包括多个步骤，其中离子注入和沉积是两个重要的工艺步骤。

离子注入是一种将离子束注入到半导体材料中的过程。

它是通过加速器将离子加速到高速，并在一个非常小的区域内注入到半导体材料中。

这些注入的离子会改变半导体材料的电学性质，从而实现器件的功能。

离子注入可以用于掺杂半导体材料，改变其导电性能，或者形成浅层或深层的掺杂区域。

离子注入通常在高真空条件下进行，以确保离子束的稳定性和精度。

沉积是一种在半导体表面上沉积材料的过程。

沉积可以用于制备各种薄膜材料，如金属、氧化物、多晶硅等。

这些薄膜材料可以用于制造晶体管、电容器、电阻器等器件。

沉积过程可以通过化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）来实现。

CVD是一种通过化学反应在半导体表面上沉积材料的方法，而PVD是一种通过物理过程将材料沉积在半导体表面上的方法。

沉积过程中的温度、压力和气体流量等参数都对沉积薄膜的性质有重要影响。

离子注入和沉积是半导体工艺中不可或缺的步骤。

离子注入可以用于形成掺杂区域，改变半导体材料的导电性能。

而沉积可以制备各种薄膜材料，用于制造半导体器件的不同部分。

这两个工艺步骤的精确控制和优化可以提高器件的性能和可靠性。

在离子注入和沉积过程中，需要考虑多个因素来实现最佳的工艺结果。

首先，离子注入过程中需要选择合适的离子种类和能量，以达到所需的掺杂浓度和深度。

其次，沉积过程中需要选择合适的沉积条件，如温度、压力和气体流量，以获得均匀且致密的薄膜。

同时，需要注意控制沉积速率和薄膜厚度，以满足器件的要求。

离子注入和沉积是半导体工艺中的两个重要步骤，它们在制造半导体器件中起着关键的作用。

离子注入可以改变半导体材料的电学性质，而沉积可以制备各种薄膜材料。

通过优化这两个工艺步骤，可以提高器件的性能和可靠性，推动半导体技术的发展。

半导体制造工艺_10离子注入(下)

半导体制造工艺基础
第七章离子注入 (下)
什么是注入损伤晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰
撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。
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(Si)SiSiI + SiV
精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，… 非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程(1) 核阻止与(2) 电子阻止之和。能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量。
C * xm CB
半导体制造工艺基础
第七章离子注入 (下)
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总阻止本领（Total stopping power）
第七章离子注入 (下) 损伤退火（Damage Annealing）
被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。注入后的半导体材料：杂质处于间隙 n<<ND；p<<NA 晶格损伤，迁移率下降；少子寿命下降热退火后：n n=ND (p=NA)
半导体制造工艺基础
第七章离子注入 (下)
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损伤的产生
• 移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。 • 移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量. (对于硅原子, Ed15eV) • 注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为能量传递过程
半导体制造工艺基础
第七章离子注入 (下)
半导体制造工艺基础
第七章离子注入 (下) 离子注入损伤估计
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100KeV B离子注入损伤初始核能量损失：30eV/nm, 硅晶面间距: 0.25nm, 每穿过一个晶面能量损失: 30eV/nm X 0.25nm=7.5eV <Ed (15eV). 当能量降到50KeV, 穿过一个晶面能量损失为15eV, 该能量所对应的射程为: 150nm. 位移原子数为: 150/0.25=600, 如果移位距离为: 2.5nm, 那么损伤体积: (2.5)2 X150=3X10-18cm3. 损伤密度: 2X1020 cm-3, 大约是原子密度 0.4%. 100KeV As离子注入损伤平均核能量损失：1320eV/nm,损伤密度: 5X1021 cm-3, 大约是原子密度10%, 该数值为达到晶格无序所需的临界剂量, 即非晶阈值.

半导体制造工艺之离子注入原理课件

Z12
3
Z
2 2
3
m1 m2
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295
例如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得：
Sn ~ 550 keV-mm2
电子阻止本领
局部电子阻止非局部电子阻止
减少沟道效应的措施
❖ 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o
❖用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）
❖增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）
❖表面用SiO2层掩膜
典型离子注入参数
离子：P，As，Sb，B，In，O 剂量：1011~1018 cm-2 能量：1– 400 keV 可重复性和均匀性: ±1% 温度：室温流量：1012-1014 cm-2s-1
1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、峰值浓度、结深
2) 如注入时间为1分钟，估算所需束流。
【解】1) 从查图或查表得
Rp=4289 Å=0.43 mm Rp855 Å0.086 mm 峰值浓度
Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019 cm-3
110
111
100
倾斜旋转硅片后的无序方向
沿<100>的沟道效应
产生非晶化的剂量
浓度分布由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏
离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”
表面非晶层对于沟道效应的作用

半导体制造工艺09离子注入

表面非晶层对于沟道效应的作用
Boron implant into SiO2
Boron implant into Si
减少沟道效应的措施
❖ 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离7－10o
❖ 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层（Pre-amorphization）
❖ 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）
LSS理论
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率
能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x 距离后损失的能量
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领/截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度～51022 cm-3 for Si
大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。
R （μm）
横向效应
横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况
横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。
35 keV As注入
120 keV As注入Βιβλιοθήκη 注入掩蔽层——掩蔽层应该多厚？
如果要求掩膜层能完全阻挡离子
对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度为固溶度1020 cm-3时，
D～10-14 cm2/s
每秒剂量达1013/cm2
常用注入离子在不同注入能量下的特性
标准偏差Rp 平均投影射程Rp
已知注入离子的能量和剂量，估算注入离子在靶中的浓度和结深
问题：140 keV的B+离子注入到直径为150 mm的硅靶中。注入剂量Q=5×10 14/cm2（衬底浓度2×1016 /cm3）

离子注入工艺PPT课件

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•
•
当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子
与电子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止
运动，新城形成一定的杂质分布。
•
同时，注入离子和晶格原子相互作用，那些吸收了离子能量的电子，可能激
发或从原子之内游离，形成二次电子。
As, N), 能量（keV）
2.单位面积注入电荷：Qss ＝I t /A, I：注入束流，t: 时间，A：扫描面积（园片尺寸）
3.单位面积注入离子数(剂量)N：s
Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) 2 R
4.最大离子浓度：第22N页/M共5A3X页=
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*注入离子分布
• •
N(x)=Nmax
2、可能沿某些方向由原子列包围成直通道－－沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大
得多。
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3、沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。
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• （8）离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保护膜作用
• （9）化合物半导体是两种或多种元素按一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂