离子注入技术在集成电路制造中的应用

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1、离子注入技术在集成电路制造中的应用作者：佚名    文章来源：不详    点击数：    更新时间：2009-8-28          离子注入是现代集成电路制造中的一种非常重要的技术,其利用离子注入机实现半导体的掺杂,即将特定的杂质原子（Dopant）以离子加速的方式注入硅半导体晶体内改变其导电特性并最终形成晶体管结构。       现代的半导体制造工艺中制造一个完整的半导体器件一般要用到许多步（15～25步）的离子注入。离子注入的最主要工艺参数是杂质种类,注入能量和掺杂剂量。杂质种类是指选择何种原子注入硅基体,一

2、般杂质种类可以分为N型和P型两类,N型主要包括磷,砷,锑等,而P型则主要包括硼,铟等。注入能量决定了杂质原子注入硅晶体的深度,高能量注入得深,而低能量注入得浅。掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱。通常半导体器件的设计者需要根据具体的目标器件特性为每一步离子注入优化以上这些工艺参数。图1给出了130nm器件上离子注入后和回火后的B、BF2的深度和浓度变化。      离子注入设备根据具体的应用分为三类：中束流,大束流和高能量。这三种离子注入设备在半导体工艺中各有其特殊的应用。中束流（MC）离子注入设

3、备用于那些掺杂剂量适中或较低但精度控制要求非常重要的掺杂工艺,其在半导体器件制造中的具体应用例如栅阀值调整（ThresholdAdjust）,Halo注入等;大束流（HC）离子注入设备用于掺杂剂量很高且精度控制不重要的场合,例如源极,漏极的形成和多晶硅栅极的掺杂。高能量（HE）离子注入设备用于杂质原子注入硅基体深度需要很深的场合。随着晶体管的缩小,高能量注入逐步减少,其中N/P井的形成,尤其是倒掺杂井（retrogradewell）,主要需要HE注入设备。       离子注入的工艺要求主要包括均匀性和可重复性,能量纯

4、度,注入角度准确性,杂质微粒（particle）,污染等等。高度敏感的器件要求离子注入的剂量尽可能的均匀一致。典型的均匀性指标上限可以是3倍标准方差波动1.5％。这样的要求必须在300mm直径的晶圆上始终如一地得到满足。晶圆之间（wafer-to-wafer）和批次之间(lot-to-lot)的可重复性也同等地重要。离子入射角度不同将造成离子注入深度改变而影响器件的电参数,因此对于离子束入射角度的控制非常必要。污染包括能量污染,金属污染,以及交叉污染。先前注入杂质的原子可能被溅射到晶圆表面形成交叉污染（cross-co

5、ntamination）,或是注入的虽然是正确的杂质但是却是错误的能量或电荷状态形成能量污染（energycontamination）,或者通常来自于电子束流通路组件的溅射而形成的金属污染（metalliccontamination）。杂质微粒（Particle）既可能通过离子束的运动带至晶圆表面,也可能在晶圆传送的过程中产生。即使是象120nm那么小的微粒也足以导致器件产出的损失。现代半导体器件对这些问题是如此敏感以至于工艺工程师需要不停地监控这些工艺参数确保它们在设定范围之内。       随着半导体工业的进步,半

6、导体器件的尺寸不断缩小,要求源极、漏极以及源极前延和漏极前延（Source/DrainExtension）相应地变浅,这大大地增加了对低能量离子注入的需求,见图2。由于低能量的离子本身就难以萃取;加上低能量离子束行进速度慢,其由于空间电荷自排斥而产生的离子束扩散使得更多的萃取离子损失在路径中,如何增加能量在10keV以下的离子束电流以增加生产力成为离子注入设备的最大挑战之一。      另外,随着半导体工艺的进步,尤其当制造65nm以下的半导体器件时,单片注入方式似乎正逐渐在各种应用离子注入设备上受到重视。而在此以前除

7、了中束流离子注入是采用单片以外,大束流和高能量都是采用成批注入的方式以提高生产力。究其原因,是因为随着半导体器件的大幅度缩小,掺杂区域也相应变得精细,对于离子注入的控制和精度要求大大提高。综合起来,单片注入有下列优点：      1．单片注入无疑可以更精确的控制离子注入的角度以避免来自成批注入时的圆锥角（cone－angle）效应导致的误差;      2．由于65nm以下器件栅极尺寸更细,成批注入时高速旋转的轮盘（wheel）会由于惯性或微粒(particle)的击打而破坏栅极。单片注入可以避免这个问题。      

8、3．能提供更大的硅片倾斜角度;      4．采用静电盘吸附硅片避免了成批注入的方式时硅片夹的影子效应,避免了离子束轰击硅片夹造成喷溅效应及可能的金属污染。      5．靶室体积变小,建立真空所需时间减小,缩短了维护的时间。      6．不再需要假片(DummyWafer)      7．有工艺问题时,仅单片受影响。