第九章超大规模集成电路（vlsi）离子注入.pdf

上海矽裕电子科技有限公司 TEL:021-51385583 真空吸笔真空吸笔真空吸笔真空吸笔‖‖‖‖理片机理片机理片机理片机‖‖‖‖倒片机倒片机倒片机倒片机‖‖‖‖金属片架金属片架金属片架金属片架‖‖‖‖取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟/ / / /取舟器取舟器取舟器取舟器‖‖‖‖外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩‖‖‖‖定制工具定制工具定制工具定制工具‖‖‖‖净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品 1第九章第九章第九章第九章 超大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路（（（（VLSIVLSIVLSIVLSI））））离子注入离子注入离子注入离子注入 离子注入是将高能带电原子或分子直接掺入衬底的工艺大多数离子注入机的加速能量范围在10～200千电子伏特当然也有少数离子注入机使用高达几百万电子伏特的加速能量）在超大规模集成电路的生产过程中，离子注入机基本上是用来把掺杂离子（通常是有选择性的）加入到硅片表面在这方面离子注入超出化学掺杂（扩散）的优势，导致了它在越来越多的应用中逐渐取代了扩散掺杂。

为了讨论这个重要而又复杂的技术，我们有必要在开头时确定出一个成功的离子注入工艺所需要达到的一些目标这将让读者可以知道我们所需要讨论的方面 离子注入工艺的总体目标是：将所需要的元素原子掺入目标材料（例如，在超大规模集成电路生产中，掺入单晶硅衬底）为此，要达到如下的一些目标： 1) 注入元素必须达到指定数量； 2) 注入元素必须准确地停留在表面以下指定深度； 3) 注入必须限制在衬底的指定区域； 4) 需要时，应该可以电激活注入掺杂元素； 5) 尽量减少注入过程中对硅的晶体结构的改变 为了达到以上的目标，必需满足以下注入工艺的几个方面： a) 为达到目标１，设备必需能够精确地注入与监测注入元素的数量； b) 为达到目标２，模型必需能够预测在注入与退火之后离子在注入层中的情况这样的模型还必需能准确地描述在不同的注入元素时（例：硼、磷、砷、锑），不同能量时，不同掺杂时（例：每立方厘米注入离子数），不同的衬底结 上海矽裕电子科技有限公司 TEL:021-51385583 真空吸笔真空吸笔真空吸笔真空吸笔‖‖‖‖理片机理片机理片机理片机‖‖‖‖倒片机倒片机倒片机倒片机‖‖‖‖金属片架金属片架金属片架金属片架‖‖‖‖取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟/ / / /取舟器取舟器取舟器取舟器‖‖‖‖外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩‖‖‖‖定制工具定制工具定制工具定制工具‖‖‖‖净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品 2构（例：无定形物质或单晶〔包括不同晶向〕），以及在硅衬底上的各种薄膜结构的影响； c) 为满足目标３，必需有足够多的掩蔽结构来阻挡注入； d) 为达到目标４，我们需要知道在硅晶格中注入的原子是如何电激活的； e) 为达到目标５，必需有一个模型能够描述注入是如何影响晶格（包括损伤的类型与它在衬底中的位置） 。

这个模型也必须能够描述在不同的注入元素、能量、掺杂、晶体结构与方向以及衬底温度下注入的情况而且，还需要一个相关的模型，用来预测晶格是如何最接近地恢复到注入前的状态，以及描述在不同的退火处理后存在剩余的晶格缺陷 在以上第二个表列中所提出的问题大多数都已解决了，我们正在继续尝试更进一步的理解和提高设备性能，因为仍然存在一些空白在这一章里我们也将描述当前达到以上目标的进步 表１列出了一些在超大规模集成电路中离子注入的重要应用 形成ｐｎ结 用于双极型与ＭＯＳ器件 ＣＭＯＳ生产 －阈值电压的控制与调节； －隧道截止区注入； －形成源和漏极； －形成阱； －跃迁截止区注入； －浅近源和漏极的形成； －对反型阱的高能注入； 双极型生产 －预淀积； －基极注入； －砷注入形成单晶硅发射极； －形成高阻区； －单晶硅电阻； －高能离子注入形成集电极埋层； －形成发射极； 上海矽裕电子科技有限公司 TEL:021-51385583 真空吸笔真空吸笔真空吸笔真空吸笔‖‖‖‖理片机理片机理片机理片机‖‖‖‖倒片机倒片机倒片机倒片机‖‖‖‖金属片架金属片架金属片架金属片架‖‖‖‖取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟/ / / /取舟器取舟器取舟器取舟器‖‖‖‖外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩‖‖‖‖定制工具定制工具定制工具定制工具‖‖‖‖净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品 3其他应用工艺 －除气应用中的背损坏层的形成；（见第二章） －以二氧化硅的注入损伤来增强刻蚀；（见第十五章） －以光刻胶硬化来提高“干蚀”的凝阻度； －埋层的形成； －以注入氧或氖来形成硅绝缘层； －以离子混合来促进硅化反应。

在本章中我们将首先讨论用来描述模型的基础－－物理机制， 然后再给出从理论与实验结果中导出的模型的比较（例如，说明模型是如何很好地描述了实际的注入情况）此后，再讨论离子注入系统（包括安全方面和操作限制）在此之前我们将说明一下用来监控与测定在不同情况下离子注入的方法：ａ、注入掺杂，ｂ、一块硅片上注入掺杂的均匀性，ｃ、注入曲线，ｄ、注入损伤，ｅ、退火后损伤消失（和保留）的程度最后再给出一些与实践离子注入工艺相关的问题 以注入掺杂的定义开始我们的讨论是非常有用的注入机中离子束流范围是从10uA到30mA根据注入的元素、能量以及注入机的型号不同而不同单位面积上注入的离子数称作掺杂浓度，记作Ф典型的掺杂浓度从1011～1016cm-2，掺杂浓度与离子束流I(安培)、束流面积A(平方厘米)以及注入时间t(秒)有关： Ф=It/qiA  (１) 这里qi是每个离子的电量(通常等于一个电荷的电量：1.6x10-19库仑) 离子注入的优点离子注入的优点离子注入的优点离子注入的优点（（（（与缺点与缺点与缺点与缺点）））） 优点优点优点优点：：：： －最重要的优点：能够精确地控制注入掺杂到衬底的离子数（例如，误差小于±3％），掺杂浓度控制在1015～1018cm-3范围，显然优于化学扩散技术。

上海矽裕电子科技有限公司 TEL:021-51385583 真空吸笔真空吸笔真空吸笔真空吸笔‖‖‖‖理片机理片机理片机理片机‖‖‖‖倒片机倒片机倒片机倒片机‖‖‖‖金属片架金属片架金属片架金属片架‖‖‖‖取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟/ / / /取舟器取舟器取舟器取舟器‖‖‖‖外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩‖‖‖‖定制工具定制工具定制工具定制工具‖‖‖‖净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品 4－注入衬底的杂质比扩散掺杂工艺有更小的横向干扰，杂质横向迁移的减少使器件尺寸得到进一步减小 －离子注入机的离子筛选功能使掺杂离子变得非常纯净，即使在离子源不是非常纯净的情况下 －一个离子注入机可以用于注入不同的元素， 而元素之间的污染非常小 但记住，理论上这是个优点，但在许多注入机中一些污染仍然存在新型的离子注入机正为减小这个问题而进行设备技术革新 －通过注入穿透表面层（如，二氧化硅）离子注入机可以将原子射入半导体，通过这种技术可以来调节MOS管的阈值电压，这也是其他工艺所难以达到的表面层也可以用来作为保护层，防止金属和其他掺杂在注入过程中对注入离子的污染。

－对硅中注入离子的分布预测与实验数据非常接近（例,对低能重离子的预测与实际的误差只有±10％,而对高能轻离子误差仅有±2％） －不同的掺杂曲线可以用多注入重叠地作出 －在有些情况下也可以形成突变结 －有许多材料适合用于做掩蔽层把离子隔离在不需要注入的区域掩蔽层可以防止离子注入到掩蔽层底部（除了掩蔽层边缘）作为离子注入工艺的副作用横向散射也会发生，但比横向扩散距离要短得多 －离子注入是一个低温工艺，允许光刻胶之类的材料沿用作为掩蔽层 －工艺所特有的高真空纯净环境降低了许多由于污染和损伤所造成的问题 －注入工艺所需的参数控制可以自动完成，最重要的是发展到可以利用自动装片来完成操作 离子注入的问题与局限性离子注入的问题与局限性离子注入的问题与局限性离子注入的问题与局限性 上海矽裕电子科技有限公司 TEL:021-51385583 真空吸笔真空吸笔真空吸笔真空吸笔‖‖‖‖理片机理片机理片机理片机‖‖‖‖倒片机倒片机倒片机倒片机‖‖‖‖金属片架金属片架金属片架金属片架‖‖‖‖取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟/ / / /取舟器取舟器取舟器取舟器‖‖‖‖外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩‖‖‖‖定制工具定制工具定制工具定制工具‖‖‖‖净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品 5－离子注入引起靶材的结构损伤。

在晶体材料中（例，单晶硅片），产生了晶格缺陷甚至多晶硅为了恢复靶材到注入前的状态，在注入之后必须要有热处理工艺在某些情况下，严重的注入损伤是不可恢复的 －注入的最大深度在常规的注入机（非高能注入机）上都相对较浅，特别对于重原子（例，砷） －注入元素的横向干扰仍然存在（尽管比热扩散要小），这是一个限制器件最小尺寸的基本因素例如，在MOS管中源和漏之间的沟导长度 －在一些最成熟的硅片生产系统中，离子注入机是一种最复杂的机器为了提高使用效率，必须由专人小心地操作与维修 －离子注入设备存在许多对操作人员尤其是维修人员的危害（例如，高电压和有毒气体）为了减小操作与维修这种设备时此类事故的发生，必须要严格按照安全规程操作 －一些老式的注入机在离子束腔中使用扩散泵，这可能会引起因回流油污造成的污染其影响在第三章中说明 上海矽裕电子科技有限公司 TEL:021-51385583 真空吸笔真空吸笔真空吸笔真空吸笔‖‖‖‖理片机理片机理片机理片机‖‖‖‖倒片机倒片机倒片机倒片机‖‖‖‖金属片架金属片架金属片架金属片架‖‖‖‖取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟/ / / /取舟器取舟器取舟器取舟器‖‖‖‖外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩‖‖‖‖定制工具定制工具定制工具定制工具‖‖‖‖净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品 6注入离子的掺杂曲线注入离子的掺杂曲线注入离子的掺杂曲线注入离子的掺杂曲线 上海矽裕电子科技有限公司 TEL:021-51385583 真空吸笔真空吸笔真空吸笔真空吸笔‖‖‖‖理片机理片机理片机理片机‖‖‖‖倒片机倒片机倒片机倒片机‖‖‖‖金属片架金属片架金属片架金属片架‖‖‖‖取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟取舟器石英舟/ / / /取舟器取舟器取舟器取舟器‖‖‖‖外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩外延石英钟罩‖‖‖‖定制工具定制工具定制工具定制工具‖‖‖‖净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品净花及防静电用品 7为了能够很好地控制掺入衬底的杂质数量我们有必要知道在注入之后注入原子的位置（例，应该可以预测深度分布或注入原子曲线）。

例如在为更新或改进设计一个新制造工艺流程时，我们需要用来选择适合。