离子注入技术工艺-中文

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。

离子注入工艺简介离子注入工艺简介蔡宁张伯昌亚舍立半导体贸易(上海)有限公司200122)1引言在过去的三十多年中,CMOS工艺的发展极大地推动了离子注入工艺的发展.反言之,离子注入工艺的不断成熟进一步改善了半导体产品的质量,尤其是CMOS产品的性能,当线宽进入亚微米后,离子注入在整个半导体生产中更成了不可或缺的一部分.离子注入的主要功能是通过改变芯片内载流子的分布从而达到所需的电参数,其中包括源漏极间的串联电阻,优化其沿路的电场分布,并减低甚至消除短沟道效应,降低CMOS的工作电压,提高运行速度,降低寄生电容及功耗.下面我们逐步介绍每一道离子注入工艺要求及目的.'2离子注入工艺的概述一般的CMOS需8—10步离子注入工艺,而当今先进的CMOS产品更需20多步离子注入.根据在场效应管的位置,离子注入工艺可分为三大块:1)沟道区及井区(Channe1 andWel1)掺杂;2)多晶硅(Poly)注入:3)源漏区(SourceDrain)注入.2.1沟道及井区掺杂沟道区及井区的掺杂主要有阈值电压调节(V+Adjust)注入,反穿通(Anti-punchthrough)注入,埋层(BuriedLayer)注入,井问绝缘注入(Channe1Stop),井区反型(RetrogradeWel1)注入及吸收(Gettering)注入.这部分注入工艺的能量比较宽,但剂量属中低范围,所以此部分注入工艺基本上使用中束流及高能注入机.2.1.1阈值电压调节注入工艺(V.Adjust)阈值电压调节注入工艺是半导体工业中使用最早的离子注入技术工艺.由于在CMOS中N型井与P型井共存,它们的功能电压会有不同,V+ 注入是将所需的元素掺杂在门下方的沟道区内,改变电荷而得到所需的工作电压,使这两种井区共用一个闸门电压.高性能产品的N井区里传统的硼掺杂逐渐被铟(indium)注入所代替,其目的是使载子浓度分布更陡,以提高开关速度并降低功耗.2.1.2反击通注入工艺(Ant1一Dunchthr0ugh)该注入工艺的功能是防止源漏两极在沟道下面导通,因PN结深与载流子浓度成反比,如果沟道下部载流子浓度很低,在细线宽情况下源漏之间的PN结就会靠很近而容易被击通,增加此区域的载流子浓度就是为了降低耗尽层的厚度,使源漏不会在沟道下面导通,所以此注入要比阈值电压调节注入要更深一些.2.1.3井间绝缘注入工艺(Channel Stop)井间绝缘的注入是将杂质掺在用于隔开井区的绝缘栏的下方,此目的是为了提高井间寄生场效应管的阈值电压,使在正常的工作情形下此寄生三极管不会被导通而起到绝缘的效果.2.1.4埋层注入工艺(BuriedLayer)该工艺是要降低井区底部的电阻,以防芯片在运行中出现死循环(Latch—up)现象.井区内二个寄生的三极管(NPN&PNP)在一定的条件下可变成一个PNPN可控硅而形成自锁,埋层注入可降低PNP--极管的输出电阻,抬高死循环引发电流而彻底消除死循环现象.2.1.5吸取注入工艺(Gettering)它是在CM0S离子注入中能量最高的工艺,其目的是利用所注入的元素的化学特性和注后所形成的缺陷的物理特性来吸收井区里的其它杂质(如:重金属等)及晶格缺陷,以提高井区内,尤其是沟道区内的材料质量来提升产品性能.离子注入晶体后与原子核碰撞的可能性是和离子本身的能量成反比,所以在高能注入的条件下,有些轻元素如硼及磷,因注入而产生的缺陷分布与注入元素的分布极为接近,利用这—特性离子注入就可在所需的地方将晶格破坏,此外利用硼与磷的化学特性也可将重金属元素吸收.2.1.6反型井区注入工艺(RetrogradeWel1)在早期此工艺由炉管扩散或注入后驱动扩散而完成,但其不能在井区内形成优化的载流子分布,高性能的芯片要求硅片表面的载流子浓度低,而在硅片深度的某些部位要浓,这样既能提高芯片的运行速度,又能达到以上所述的反穿通,抑制死循环及吸取污染杂质的效果.由于在扩散时载流子的浓度是从硅片表面逐步向硅片内部降低的连续分布,这样的分布势必影响到硅片表面载流子的移动集虞电?蠢用2o年9居●■率而降低芯片的运营速度,为提高芯片的功能离子注入就成了必不可少的手段,新一代的CMOS技术已全部使用离子注入方式,当今的CMOS技术更采用双井反型工艺(Twin Retrogradewel1),它综合了以上所讨论的阈值电压调节注入,反穿通注入,井问绝缘注入,及埋层注入,构成一个完整的反型井层注入工艺链. 亚舍立科技(Axcelis)公司的高能注入机的设计,可提供连续注入(ChainImplant)技术,即将这些注入工艺步骤在一次装片中连续注入,这样既可提高产量,降低成本,还可提高产品性能,降低在硅片上的尘粒总数量.2.2多晶硅注入此注入工艺是为了降低多晶硅的电阻,是CMOS注入工艺中注入剂量最大的工艺.有的制成在长多晶硅的同时已掺入所需的元素,假如长多晶硅时没有掺杂,则要做多晶硅注入,再进行退火,注入后的元素在退火时在多晶硅中的扩散率与单晶硅相比会高出二个数量级,因此掺杂后的多晶硅的阻值与非掺杂的多晶硅相比会有大幅度的下降.此工艺因剂量很大,能量较低,在生产中一般都采用大束流离子注入机. 2.3源漏区注入工艺源漏区注入主要包括大角度晕环(Halo)注入,延伸(Extension)注入,源漏(Source—drain)及非晶体化(Pre-amorphouse)注入,此部分工艺技术要求越来越高,并与注入后的退火工艺有着密切的联系. 该部分的注入工艺其能量相对较低, 但剂量属中高范围,一般采用中束流及大束流注入机.2.3.1大角度注入工艺(Halo)Halo是大角度(>20度)四方向的中剂量离子注入工艺,它的主要功能是防止源漏相通,降低延伸区的结深及缩短沟道长度,有利于提高芯片的性能,一般在延伸注入工艺之后注入.为了使载流子分布更陡,以更有效的防止短沟道效应,最新的掺杂技术是用锑来替代砷,用铟来替代硼.2.3.2延伸注工艺(Extension)它先前也称作低剂量掺杂(LDD),它是在CMOS中注入能量最低的工艺,其作用是优化源漏问的电场分布,降低最高电场,在高阻与电阻区之间起一个衔接作用.其剂量随着沟道缩短而增加.线宽的变窄要求延伸区的结深越来越浅,晕环注入可对此有帮助.但还不够,尤其对n+井区,唯一可用的注入元素是质量很轻的硼,或稍高的BF,并在退火时由于存在过渡性扩散(TED),硼在退火时的扩散率很高,这就更要求注入的能量要非常低,所以如何在延伸区形成浅结是近年来注入工业界的最大课题.2.3.3源漏注入工艺(source-drain)源漏注入的剂量很大,是降低场效应管串型电阻的重要一环.与延伸注入工艺一样,现在源漏注入最大挑战是如何形成具有一定导电率的浅结,这是一个离子注入与快速退火的工艺优化问题,但最基本的要求是低能量注入.因其要求的剂量很大,这对离子注入机的生产率是一大考验,如何设计出在低能时能产生高电流是每个离子注入厂家的努力方向.2.3.4非晶体化注入工艺((pre-amorphouse)在源漏区还有一种注入工艺被有些厂家所采用,它就是非晶体化注入工艺,其注入元素主要有锗(Ge)和硅(Si),其中锗的使用比较广泛一些,因为其原子重量大,容易达到非晶体化效果,并能降低源漏区的接触电阻.非晶体化的目的主要是防止下—步注入的沟道效应,并可降低在退火时其掺杂元素激活的激活能.其不利之处在于难于消除在晶体与非晶体界面层的缺陷因而增加源漏区的漏电.3总结离子注入工艺的优化就是选择所需的掺杂元素和注入的能量,剂量及角度的过程,当今的离子注入工艺无论是从能量还是剂量涵盖很广,所以对设备的要求可大致分为高能,大束流及中束流.设备的合理选择及搭配就是要既能满足工艺要求,又能达到高效低成本的目的.亚舍立科技(Axcelis)公司是当今全球唯—提供整合注入相关工艺配套的半导体设备商,产品种类包括光刻胶定型机,去胶机,快速退火炉及全套离子注入系统,包括具有低能量功能的大束流注入机,中束流注入机及高能注入机,并可为用户提供整套设备和工艺服务.-■集成电路应用2oo2年9月。

称作投影射程。

内有多少条鱼浓度（个数域单位体积内有多少条鱼,…….离子源通过吸极电源把离子从离子源引出可变狭缝v⊕一个质量数为M的正离子，以速度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径为R。

子离开分析仪电磁场的磁极平行平板电极⊕当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时，将同时受到电场力和洛伦茨力的作用，这两个力的方向正好相反，只有在某个质量为M的离子在分析器中所受的电场力和洛伦茨力的数值相等时，不发生偏转而到达靶室，大于或小于M的离子则被偏转加速器加速离子，获得所需能量；高真空（<10-6Torr 静电加速器：调节离子能量静电透镜：离子束聚焦静电偏转系统：滤除中性粒子X方向扫描板Y方向扫描板扫描范围中性束偏转板+-的浓度比其它地方高。

终端台：控制离子束扫描和计量离子束扫描：扫描方式：静电扫描、机械扫描和混合扫描。

常用静电扫描和混合扫描。

静电光栅扫描适于中低束流机，机械扫描适于强束流机。

两种注入机扫描系统<110>向和偏转10°方向的晶体结构视图<111><100><110>40 kevP +31注入到硅中的浓度分布0.20.40.60.8 1.0µm43210 注入深度对准<110> 偏<110> 2°偏<110> 8°子在靶中行进的重要效应之一。

窗口边缘处浓度为同等深度窗口中心部位浓度的1/2离子越轻，阈值剂量越高；温度越高，阈值剂量越高。

扩散率提高，聚集成团，几种等时退火条件下，硅中注入硼离子的激活百分比。

离子注入技术摘要离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。

本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。

关键字离子注入技术半导体掺杂1绪论离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。

后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。

离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。

离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI）。

由此看来，这种技术的重要性不言而喻。

因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。

2 基本原理和基本结构2.1 基本原理离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。

它是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。

离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。

在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。

2.1.1离子射程图2.1.1（a ） 离子射程模型图图2.1.1（a ）是离子射入硅中路线的模型图。

其中，把离子从入射点到静止点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。

入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。

定义在位移x 处这两种能量损失率分别为n S 和e S ：nn xdE S d =（1）ee e dE S k E dx==（2）则在dx 内总的能量损失为：()n e n e dE dE dE S S dx =+=+（3）P0000P 0nd d d d d R E E E ER x E x S S ===+⎰⎰⎰（4）n S 的计算比较复杂，而yxpx py pz d Ed E且无法得到解析形式的结果。

1．引言 (2)2．离子注入工艺 (2)2.1简介 (2)2.2 离子注入的分类 (3)2.3 离子注入的要求 (3)3．离子注入工艺的特点 (4)4. 离子注入工艺中应注意的几个问题 (6)4.1 离子沟道 (6)4.2 损伤 (6)4.3 退火 (7)4.4 预防沾污 (7)5. 结束语 (7)1．引言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。

随着半导体集成电路的高速发展,对工艺提出了更高的要求,特别是对关键工艺的影响更大。

本文对半导体集成电路工艺中的离子注入工艺的主要特点、工艺中存在的几个问题及在化合物半导体集成电路工艺中的应用等方面进行了重点阐述。

2．离子注入工艺2.1简介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。

2.2 离子注入的分类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（Threshold Adjust）,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。

半导体离子注入原理及工艺1. 引言1.1 概述本文将深入探讨半导体离子注入原理及工艺。

离子注入作为一种重要的半导体加工技术，广泛应用于集成电路制造和材料改性领域。

通过向半导体材料中注入特定类型和能量的离子，可以实现掺杂调节、PN结修复、特殊结构制造等目标。

1.2 文章结构本文共分为五个部分进行论述。

首先，在引言部分，我们将介绍整篇文章的概述、结构以及目的。

接下来，在第二部分，我们将详细讲解半导体离子注入原理，包括对半导体材料的概述、离子注入原理的介绍以及离子注入设备和工艺流程。

第三部分将阐述影响离子注入工艺控制的因素，包括能量控制因素、剂量控制因素和温度控制因素。

在第四部分，我们将重点探讨离子注入在半导体加工中的应用与优势，包括PN结形成与修复、掺杂调节与电性能优化以及特殊结构和器件应用方面的内容。

最后，在结论与展望部分，我们将对全文进行总结，并对未来的研究方向和发展趋势进行展望。

1.3 目的本文旨在全面介绍半导体离子注入原理及工艺，让读者了解离子注入技术在半导体加工中的重要性和应用价值。

通过对离子注入原理、工艺控制因素以及应用优势的深入分析，希望读者能够全面了解并掌握该领域的基础知识，为进一步研究和实践提供参考和指导。

同时，本文也将为行业相关人士提供有益的信息和思路，促进半导体制造技术的发展与创新。

2. 半导体离子注入原理2.1 半导体材料概述半导体是一种具有介于导电体和绝缘体之间的电阻特性的材料。

常见的半导体材料包括硅、锗和砷化镓等。

这些材料中，原子结构具有特殊的能带结构，使得它们在一定条件下可以表现出较好的电导性能。

2.2 离子注入原理介绍离子注入是一种将高能量离子引入半导体材料中的技术。

其原理基于离子与半导体材料之间发生相互作用，从而改变材料内部的物理和化学性质。

在离子注入过程中，离子源产生高能量的正或负离子束，并通过加速装置使得这些离子获得足够高的动能。

这些高能量离子穿过空气以及其他保护层，在最终进入半导体材料前经过滤波等处理。