半导体制造技术离子注入工艺
离子注入工艺流程
离子注入工艺流程
《离子注入工艺流程》
离子注入工艺是一种将离子束束注入半导体器件中，改变器件性能的技术。
离子注入工艺可以增强器件的导电性、改变其电子结构、调节材料的性能等。
下面我们将介绍一下离子注入工艺的基本流程。
首先，器件准备。
在进行离子注入之前，需要准备好待处理的半导体器件。
这包括对器件进行清洁和表面处理，以确保离子能够完全渗透到材料内部。
接着是离子注入。
在离子注入设备中，通过高能离子束束注入到半导体器件中。
这一步需要严格控制离子束的能量、注入时间和深度，以确保离子能够准确地渗透到材料内部并达到预期的效果。
然后进行退火处理。
在离子注入完成后，通常需要对器件进行退火处理。
这是为了让离子束注入的材料重新排列，使其在晶格中形成更稳定的结构，并恢复器件的性能。
最后是器件测试。
经过以上步骤后，需要对器件进行测试，以确保离子注入工艺达到预期的效果。
这包括对器件的导电性能、电子结构等进行检测。
总的来说，离子注入工艺流程包括器件准备、离子注入、退火处理和器件测试。
通过严格控制这些步骤，离子注入工艺可以
有效地改善半导体器件的性能，为半导体工业的发展提供重要支持。
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
半导体制造技术导论chapter8离子注入工艺
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
热退火
•晶格原子
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•掺杂物原子
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
热退火
•晶格原子
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•掺杂物原子
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
• 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.
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
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
半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
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
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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
快速加热步骤和高温炉退火
•多晶 硅 •硅
•RTP退火
•匣
极 •二
氧化
硅匣
极 •源极 / 漏极
•硅
•多晶 硅
•高温炉退 火
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半导体制造技术导论chapter8离子注 入工艺
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.
半导体工艺之离子注入
半导体离子注入工艺09电科A柯鹏程 0915221019离子注入法掺杂和扩散法掺杂对比来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。
当前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
离子注入是一种将带点的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。
注入能量介于1eV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um。
相对扩散工艺，粒子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质参杂、可重复性和较低的工艺温度。
1.离子注入原理:离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。
可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。
离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。
离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。
杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。
2.离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer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wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer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。
3.离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 Q=It/enA ，式中，Q是剂量；I是束流，单位是安培；t是注入时间，单位是秒；e是电子电荷，1.6×10-19C；n是电荷数量；A是注入面积，单位是。
4.离子注入工艺（1）沟道效应入射离子与wafer之间有不同的相互作用方式，若离子能量够高，则多数被注入到wafer内部；反之，则大部分离子被反射而远离wafer。
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）
半导体离子注入的概念
半导体离子注入是半导体制程中关键的工艺技术，主要涉及将杂质元素以离子形态注入到硅晶圆中，以改变晶圆衬底材料的化学性质。
具体来说，这一过程通过将气体形态的掺杂化合物原材料导入反应腔，加入电场和磁场交作用形成电浆等离子体，然后离子束从反应腔萃取出来后，受到电场牵引而加速前进，并在通过磁场后进行二次加速，提高离子束射程。
在加速过程中，高能量离子束与材料中的原子或分子发生物理和化学相互作用，最终导致注入的离子停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能的变化。
离子注入技术具有许多优点，例如能够精确控制注入剂量、注入角度、注入深度和横向扩散等，使得其在半导体制造中被广泛应用。
与传统的热扩散工艺相比，离子注入技术具有更高的精度和灵活性。
在集成电路制造工艺中，离子注入通常应用于深埋层、倒掺杂阱、阈值电压调节、源漏注入、多晶硅栅掺杂等。
这一技术的应用提高了材料表面的载流子浓度和导电类型，为现代电子设备的微型化和高性能化奠定了基础。
如需更多关于“半导体离子注入”的信息，建议咨询半导体相关专家或查阅相关专业文献。
半导体制造技术--离子注入工艺
半导体制造技术–离子注入工艺1. 简介离子注入是一种常用的半导体制造技术，它通过将高能离子注入到半导体材料中，改变材料的物理和电学特性。
离子注入工艺在集成电路制造、光电技术和材料研究等领域具有重要应用。
2. 工艺过程离子注入工艺通常包括以下几个步骤：2.1 基片准备首先，需要对半导体基片进行准备。
这包括将基片清洗干净，并去除表面的杂质和氧化层。
基片的表面质量对离子注入的效果有很大影响，因此基片准备是非常关键的一步。
2.2 掩膜制备接下来，需要对基片进行掩膜制备。
掩膜是一层覆盖在基片表面的保护层，用于选择性地控制离子注入的位置和深度。
常用的掩膜材料包括光刻胶、金属掩膜和二氧化硅等。
掩膜的制备需要结合光刻技术和蚀刻工艺。
2.3 离子注入离子注入是离子注入工艺的核心步骤。
在离子注入过程中，会使用离子加速器将高能离子注入到基片中。
离子加速器通过电场加速离子，并通过磁场进行离子束的聚焦。
离子注入的能量和剂量可以通过调整加速电压和注入时间等参数来控制。
2.4 后处理注入完成后，需要进行后处理步骤。
后处理通常包括退火、清洗和测量等。
退火可以恢复晶格的完整性和排除晶格缺陷，以提高器件的性能和可靠性。
清洗过程用于去除残留的掩膜和杂质。
测量步骤则用于检验注入效果和性能。
3. 应用领域离子注入工艺在半导体制造和研发中具有广泛的应用。
以下是离子注入工艺在不同领域的主要应用：3.1 VLSI集成电路制造离子注入在VLSI（超大规模集成电路）的制造过程中起着至关重要的作用。
通过注入不同类型的离子，可以改变材料的导电性能，实现不同功能的晶体管和电路元器件。
3.2 光电技术离子注入工艺在光电技术中也有广泛应用。
例如，对硅材料进行离子注入可以产生不同的光电特性，用于制造太阳能电池、光电探测器和光纤等器件。
3.3 材料研究离子注入工艺在材料研究中也扮演着重要角色。
通过注入离子，可以改变材料的物理性质，例如硬度、磁性和光学特性。
这对于研究新材料的性能和应用具有重要意义。
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制造半导体器件的过程，其中离子注入和沉积是两个重要的工艺步骤。
本文将介绍半导体工艺中离子注入和沉积的原理、应用以及相关的技术发展。
一、离子注入离子注入是一种将离子束注入半导体材料中的技术。
该过程通过加速器将离子加速到高能量，然后将离子束定向注入到半导体材料中。
离子注入的主要作用是改变半导体材料的电学性质，如掺杂材料以改变其导电性能。
离子注入过程中，离子束的能量和注入剂量是两个重要参数。
能量决定了离子注入的深度，而注入剂量则决定了注入的浓度。
通过调节这两个参数，可以实现对半导体材料的精确掺杂，从而满足不同器件的要求。
离子注入广泛应用于半导体工业中，常见的应用包括：掺杂形成PN结、改变半导体材料的导电性能、修复晶体缺陷等。
离子注入技术的发展也为半导体器件的制造提供了更大的灵活性和精确性。
二、沉积沉积是一种将材料沉积在表面形成薄膜的工艺。
在半导体制造中，常见的沉积技术包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。
化学气相沉积是利用气相反应使气体中的原子或分子在表面沉积形成薄膜的过程。
该技术可以实现对薄膜的组成、厚度和均匀性的精确控制。
化学气相沉积广泛应用于制备硅氧化物、多晶硅、氮化硅等薄膜，是半导体器件制造中不可或缺的工艺步骤。
物理气相沉积是通过物理方法使固态材料蒸发或溅射，并在表面形成薄膜。
这种技术常用于制备金属薄膜，如铝、铜、钨等。
物理气相沉积具有高沉积速率和良好的薄膜质量，适用于制备金属导线、电极等器件结构。
沉积技术在半导体工艺中扮演着重要的角色。
薄膜的质量和均匀性对器件的性能有重要影响，因此沉积工艺的优化和控制非常关键。
三、技术发展随着半导体工艺的不断发展，离子注入和沉积技术也在不断改进和创新。
目前，离子注入技术趋向于高能量和低剂量注入，以减小材料的损伤和提高器件性能。
而沉积技术则在实现高均匀性、高速率和低温沉积方面取得了重要进展。
随着半导体器件不断向微纳米尺寸发展，离子注入和沉积技术也面临着新的挑战。
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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
阻滞机制
• 总阻滞力
Stotal = Sn + Se • Sn: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
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
掺杂物原子
注入制程：退火
退火前
退火后
快速加热退火(RTA)
离子 N 型: 磷, 砷,锑 硅或锗
氧
氮
P 型: 硼
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 • …...
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
• 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
由单一离子造成的损伤
轻离子 重离子
损伤区 单晶硅
注入制程：损伤
• 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：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,Ptype)
• 从高温获得的热能，帮助非晶态原子复 原成单晶体结构
热退火
晶格原子
掺杂物原子
热退火
晶格原子
碰撞后的通道效应
碰撞
通道
碰撞
掺杂物浓度
到表面的距离
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
阴影效应
离子束
多晶硅 基片
掺杂区 阴影区
Chapter 8 离子注入
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
离子注入
• 简介 • 安全性 • 硬件 • 制程 • 概要
材料 晶圆 光罩 设计
• 离子注入的其他应用
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.
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
沉积掺杂氧化层
阴影效应
退火及扩散之后
多晶硅 基片
掺杂区
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.
损害制程
• 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.
栅极的对准失误
金属匣极 栅极氧化层 金属匣极
n-型硅 p+ S/D 对准的
p+ S/D
n-型硅
对准失误的
离子注入：磷
二氧化硅
多晶硅 n+
P型硅
P+ n+
离子注入和扩散的比较
掺杂区域
二氧化硅
硅 扩散
光阻
硅
接面深度
离子注入
离子注入和扩散的比较
Sb
氮化硅 (Si3N4)
铝 光阻 (Al) (PR)
(SiO2)
注入制程：通道效应
• 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
多数的碰撞
非常少的碰撞
通道离子
碰撞离子
q
晶圆表面
通道效应
晶格原子
碰撞后的通道效应
碰撞的
通道的
碰撞的
q
晶圆表面
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
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?
简介
• 掺杂半导体 • 两种掺杂的方法
– 扩散 – 离子注入
沉积掺杂氧化层 二氧化硅 硅基片
氧化
二氧化硅 硅基片
驱入
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
剥除和清洗
二氧化硅 硅基片
掺杂接面
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.
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)
子核阻滞 • 高能量, 低原子序的离子注入：主要是电
子阻滞
阻滞机制
离子
随机碰撞 (S=Sn+Se)
通道式 (SSe)
背向散射 (SSn)
阻滞功率与离子速度
I
II
III
原子核阻 滞
电子阻滞
阻滞功率
离子的速度
离子轨迹和投影射程
真空 离子束
基片
碰撞
离子的轨迹
投影射程
至表面的距离
投影射程
ln(浓度)
扩散
离子布植
高温, 硬光罩
低温, 光阻光罩
等向性掺杂物浓度
非等向性掺杂物轮廓
不能单独控制离子浓度和 能单独控制离子浓度和接
接面深度
面深度
批量制程
批量和单晶圆制程
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
离子注入的应用
应用
掺杂
预先非晶化 深埋氧化层 多晶阻挡层
投影射程
基片表面
从表面算起的深度
硅中掺杂离子的投影射程
1.000
0.100
P B
As Sb
投影射程 (mm)
0.010 10
100 注入能量 (keV)
1000
200keV掺杂离子所需的阻挡层 厚度
遮蔽层厚度 (微米)
1.20
1.00
0.80
B
0.60
P
0.40 As
0.20
0.00
硅 二氧 (Si) 化硅