等离子体惨杂工艺

常规线束离子注入可对硅进行惨杂形成半导体器件中的结,这是一种可控的惨杂工艺。随着器件尺寸的缩小,超浅结的沉积深度将越来越小。当注入能量较低时,束线离子注入技术将很难控制离子束质量的粒子的运动轨迹,因此注入效果不佳。随着器件的几何尺寸不断缩小,这一问题变得越发严重。

等离子体离子注入或称等离子体惨杂是一种更为简单、生产效率更高的惨杂技术。PD可与组合加工设备共同使用,并于CMOS生产环境兼容。PD工艺流程如下:首先将硅晶片沉浸在含惨杂组分的等离子体中,然后在晶片上作用几百伏的偏压,由此,正离子在电场作用下注入晶片内部。当加速电压为2~5kV时,注入深度为100nm量级。与束线注入方法不同,整个晶片表面可以同时进入惨杂注入,从而降低了生产成本。PD生产效率高的原因在于其电流密度可以达到3mA/cm³之高,相比之下,束线注入方法的典型电流密度只有7μA/cm³。

此外,气体或固体等离子体源都可以用于PD工艺。气体源PD工艺一般采用电子回旋共振(ECR)或射频(RF)等离子体源激发,并由氦气稀释B2H6等离子体。进行稀释的目的在于控制注入速率。由于气体源通常有毒,因此人们转向固体源PD的研究开发。

PD工艺的脉冲特性带来很宽的离子能谱范围,这是因为电压脉冲使处在鞘层不同区域内的粒子得到加速,加速后的粒子随后落入与空间位置有关的势阱。有限的脉冲上升和下降时间也造成了离子能量的分散。虽然低能量离子不会 破坏浅结的形成,但是上述两个因素都会对惨杂原子的深度分布产生影响。

PD处理工艺的局限性在于,可测量的指标仅限于外部参数,如压力、电压、等离子体密度、温度等。上述参数之间的相互关系高度复杂。等离子体温度决定着电子-分子反应速率和等离子体密度。等离子体密度决定着等离子体鞘层的膨胀特性,即撞击晶片表面时离子的能量和分布范围。等离子体温度反过来是由气体压力和耦合给等离子体的总功率所决定。研究者已经建立了复杂的理论模型研究离子成分、流量和能量与上述可直接测量的参数之间的关系。测出的总电流是离子、二次电子和位移电流效应的总和。为了在加工过程中的可控参数与最终的注入剂量和离子分布之间建立对应的关系,还需进行大量的理论性工作。

当处理直径超过300mm的晶片时,注入离子的空间分布在上述尺度范围内必须均匀一致,因此等离子体在此空间尺度上的密度也必须均匀一致,因此等离子体在此空间尺度上的密度也必须均匀分布。对于直径为200mm的晶片,在某些能量范围内,其等离子体分布的均匀度可保证在1.1%的水平。一般而言,对所有不同的注入能量,PD可以将均匀精度控制在5%的范围内。

污染是注入工艺中另一个核心问题。2009年制定的工艺标准要求,每平方厘米范围内所含金属污染物的原子数不超过1~10九次方个。在此方面,传统离子注入机的优势在于可通过长漂移管把离子源中含有的大量污染物排除出处理腔。然而,由于PD方法把等离子体的产生、晶片光刻、惨杂等工序合并为一体,因此不具备这种优势。PD系统的等离子体源工作在远低于线束注入机的能量密度下,因此栅极可用如铝或硅等不易产生污染物的材料制作,同时可避免线束侧壁产生溅射。通过在反应腔中采用单一组分,可大幅度减少交叉污染。

从等离子体加工损伤的角度来说,PD工艺才是个开头。PD采用较长间隙的脉冲进行注入,在时间较长的间隙内是暴露等离子体的低能电子作用下,因此是一种具有自我限制特点的工艺。时间极短的正脉冲的单位面积带电量相对较低,在任何电介质中都不会产生较强电场,因此单个脉冲不会造成电介质明显的漏洞。短脉冲之后,会有一段较长的间隔时间,使得等离子体中低能电子可与表面电荷中和。研究表面,只要脉冲频率不超过某一阀值,等离子体可以完全中和掉脉冲期间累计的电荷。

用于半导体器件处理的PD系统一般由一个真空系统、等离子体发生系统和离子注入脉冲发生器组成。真空系统配有一台涡轮泵和一台机械备泵,在泵的作用下,可以达到10mtoor级别的工作压强。等离子体发生系统被广泛应用于刻蚀、CVD等应用领域。

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