摻雜技術(shù)離子注入

摻雜技術(shù)離子注入第一頁，共九十六頁，2022年，8月28日離子注入概述最早應(yīng)用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域第二頁，共九十六頁，2022年，8月28日離子注入離子注入是另一種對半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的方法。將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場中加速而獲得極高的動能后，注入到硅中（稱為“靶”）而實(shí)現(xiàn)摻雜?！谌摚簿攀?，2022年，8月28日離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場或磁場偏轉(zhuǎn)，能在高壓下加速而獲得很高的動能。

離子束的用途摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的離子能量E：

E<10

KeV

，刻蝕、鍍膜

E=10~50

KeV，曝光

E>50

KeV，注入摻雜離子束的性質(zhì)第四頁，共九十六頁，2022年，8月28日

離子束加工方式可分為

1、掩模方式（投影方式）

2、聚焦方式（掃描方式，或聚焦離子束（FIB）方式）第五頁，共九十六頁，2022年，8月28日掩模方式是對整個硅片進(jìn)行均勻的地毯式注入，同時象擴(kuò)散工藝一樣使用掩蔽膜來對選擇性區(qū)域進(jìn)行摻雜。擴(kuò)散工藝的掩蔽膜必須是SiO2膜，而離子注入的掩蔽膜可以是SiO2膜，也可以是光刻膠等其他薄膜。

掩模方式用于摻雜與刻蝕時的優(yōu)點(diǎn)是

生產(chǎn)效率高，設(shè)備相對簡單，控制容易，所以應(yīng)用比較早，工藝比較成熟。缺點(diǎn)是

需要制作掩蔽膜。1、掩模方式（投影方式）第六頁，共九十六頁，2022年，8月28日聚焦方式的優(yōu)點(diǎn)是

不需掩模，圖形形成靈活。缺點(diǎn)是

生產(chǎn)效率低，設(shè)備復(fù)雜，控制復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)聚焦方式的關(guān)鍵技術(shù)是1、高亮度小束斑長壽命高穩(wěn)定的離子源；2、將離子束聚焦成亞微米數(shù)量級細(xì)束并使之偏轉(zhuǎn)掃描的離子光學(xué)系統(tǒng)。2、聚焦方式（掃描方式)第七頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.1離子注入系統(tǒng)

離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有BF3、AsH3和PH3等。

質(zhì)量分析器：不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。

加速器：為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。

中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。第八頁，共九十六頁，2022年，8月28日聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來實(shí)現(xiàn)離子束x、y

方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。第九頁，共九十六頁，2022年，8月28日離子注入系統(tǒng)示意圖第十頁，共九十六頁，2022年，8月28日離子注入系統(tǒng)事物圖第十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日

一、離子源作用：產(chǎn)生所需種類的離子并將其引出形成離子束。分類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（LMIS）。掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源，其典型的有效源尺寸為100

m，亮度為

10~100

A/cm2.sr。聚焦方式則需要高亮度小束斑離子源，當(dāng)液態(tài)金屬離子源（LMIS）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。LMIS的典型有效源尺寸為

5~500

nm，亮度為

106

~107

A/cm2.sr。第十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、等離子體型離子源這里的

等離子體

是指部分電離的氣體。雖然等離子體中的電離成分可能不到萬分之一，其密度、壓力、溫度等物理量仍與普通氣體相同，正、負(fù)電荷數(shù)相等，宏觀上仍為電中性，但其電學(xué)特性卻發(fā)生了很大變化，成為一種電導(dǎo)率很高的流體。產(chǎn)生等離子體的方法有熱電離、光電離和電場加速電離。大規(guī)模集成技術(shù)中使用的等離子體型離子源，主要是由電場加速方式產(chǎn)生的，如直流放電式、射頻放電式等。第十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日第十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、液態(tài)金屬離子源（LMIS）

LMIS是近幾年發(fā)展起來的一種高亮度小束斑的離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成納米量級的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、刻蝕等。第十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日

LMIS的類型、結(jié)構(gòu)和發(fā)射機(jī)理針形V形螺旋形同軸形毛細(xì)管形液態(tài)金屬鎢針類型第十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日

對液態(tài)金屬的要求(1)與容器及鎢針不發(fā)生任何反應(yīng)；(2)能與鎢針充分均勻地浸潤；(3)具有低熔點(diǎn)低蒸汽壓，以便在真空中及不太高的溫度下既保持液態(tài)又不蒸發(fā)。能同時滿足以上條件的金屬只有Ga、In、Au、Sn等少數(shù)幾種，其中Ga是最常用的一種。第十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日E1是主高壓，即離子束的加速電壓；E2是針尖與引出極之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針尖表面上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出；E3是加熱器電源。E1E2E3針尖的曲率半徑為ro

=1~5m，改變E2

可以調(diào)節(jié)針尖與引出極之間的電場，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃絻H有

10

nm

的數(shù)量級，這就是LMIS能產(chǎn)生小束斑離子束的關(guān)鍵。引出極第十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日當(dāng)E2增大到使電場超過液態(tài)金屬的場蒸發(fā)值（Ga

的場蒸發(fā)值為

15.2V/nm）時，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場蒸發(fā)與場電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形成離子束。若改變E2的極性，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。E1E2E3引出極第十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日

共晶合金LMIS通常用來對各種半導(dǎo)體進(jìn)行離子注入摻雜的元素因?yàn)槿埸c(diǎn)高或蒸汽壓高而無法制成單體LMIS。根據(jù)冶金學(xué)原理，由兩種或多種金屬組成的合金，其熔點(diǎn)會大大低于組成這種合金的單體金屬的熔點(diǎn)，從而可大大降低合金中金屬處于液態(tài)時的蒸汽壓。第二十頁，共九十六頁，2022年，8月28日例如，金和硅的熔點(diǎn)分別為

1063oC和

1404oC，它們在此溫度時的蒸汽壓分別為

10-3Torr

和

10-1Torr。當(dāng)以適當(dāng)組分組成合金時，其熔點(diǎn)降為

370oC，在此溫度下，金和硅的蒸汽壓分別僅為

10-19Torr

和

10-22Torr。這就滿足了LMIS的要求。對所引出的離子再進(jìn)行質(zhì)量分析，就可獲得所需的離子。第二十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日

二、質(zhì)量分析系統(tǒng)1、質(zhì)量分析器由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E與B的方向相互垂直。O光闌第二十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日O光闌第二十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的

荷質(zhì)比qo

為對于某種荷質(zhì)比為qo

的所需離子，可通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓

Vf或偏轉(zhuǎn)磁場B，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過光闌。通常是調(diào)節(jié)Vf

而不是調(diào)節(jié)B。第二十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日當(dāng)荷質(zhì)比為qo

的離子不被偏轉(zhuǎn)時，具有荷質(zhì)比為qs

=q/ms的其它離子的偏轉(zhuǎn)量

Db

為O光闌第二十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日將前面的B的表達(dá)式代入Db，得第二十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日

討論(1)為屏蔽荷質(zhì)比為qs的離子，光闌半徑D必須滿足(2)若D固定，則具有下列荷質(zhì)比的離子可被屏蔽，而滿足下列荷質(zhì)比的離子均可通過光闌，以上各式可用于評價(jià)質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。第二十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、磁質(zhì)量分析器光闌1光闌2為向心力，使離子作圓周運(yùn)動，半徑為第二十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日從上式可知，滿足荷質(zhì)比的離子可通過光闌

2?；蛘邔τ诮o定的具有荷質(zhì)比為qo的離子，可通過調(diào)節(jié)磁場B使之滿足下式，從而使該種離子通過光闌2，另外，若固定r和Va

，通過連續(xù)改變B，可使具有不同荷質(zhì)比的離子依次通過光闌2，測量這些不同荷質(zhì)比的離子束流的強(qiáng)度，可得到入射離子束的質(zhì)譜分布。其余的離子則不能通過光闌2，由此達(dá)到分選離子的目的。第二十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日

兩種質(zhì)量分析器的比較在質(zhì)量分析器中，所需離子不改變方向，但在輸出的離子束中容易含有中性粒子。磁質(zhì)量分析器則相反，所需離子要改變方向，但其優(yōu)點(diǎn)是中性粒子束不能通過。第三十頁，共九十六頁，2022年，8月28日離子注入過程：入射離子與半導(dǎo)體（靶）的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過一段曲折路徑的運(yùn)動后，因動能耗盡而停止在某處。7.2平均投影射程第三十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日

射程：離子從入射點(diǎn)到靜止點(diǎn)所通過的總路程。平均射程：射程的平均值，記為

R。投影射程：射程在入射方向上的投影長度，記為xp。

平均投影射程：投影射程的平均值，記為RP。

標(biāo)準(zhǔn)偏差：第三十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日

平均投影射程與初始能量的關(guān)系

由此可得平均投影射程為入射離子能量損失的原因是受到

核阻擋

與

電子阻擋。核阻擋電子阻擋一個入射離子在dx射程內(nèi)，由于與核及電子碰撞而失去的總能量為第三十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日

Se的計(jì)算較簡單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。

Sn的計(jì)算比較復(fù)雜，而且無法得到解析形式的結(jié)果。下圖是數(shù)值計(jì)算得到的曲線形式的結(jié)果。Sn=Se

第三十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日(2)當(dāng)E0遠(yuǎn)大于E2所對應(yīng)的能量值時，Sn

<Se，以電子阻擋為主，此時散射角較小，離子近似作直線運(yùn)動，射程分布較集中。隨著離子能量的降低，逐漸過渡到以核阻擋為主，離子射程的末端部分又變成為折線。(1)當(dāng)入射離子的初始能量E0小于E2所對應(yīng)的能量值時，Sn>Se，以核阻擋為主，此時散射角較大，離子運(yùn)動方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。第三十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日在實(shí)際工作中，平均投影射程RP(?)及標(biāo)準(zhǔn)偏差RP(?)與注入能量(KeV)的關(guān)系可從下圖（下表）查到。

第三十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日入射能量注入硅中的離子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177RP276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256RP90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991RP345981102122143161180198第三十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.3離子注入的特點(diǎn)1.特點(diǎn)可以獨(dú)立控制雜質(zhì)分布（離子能量）和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時間）各向異性摻雜容易獲得高濃度摻雜（特別是：重雜質(zhì)原子，如P和As等）。第三十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2.離子注入與擴(kuò)散的比較擴(kuò)散離子注入第三十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日擴(kuò)散離子注入高溫，硬掩膜900－1200℃低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400℃各向同性各向異性不能獨(dú)立控制結(jié)深和濃度可以獨(dú)立控制結(jié)深和濃度2.注入與擴(kuò)散的比較第四十頁，共九十六頁，2022年，8月28日3.離子注入控制離子束流密度和注入時間控制雜質(zhì)濃度（注入離子劑量）離子能量控制結(jié)深雜質(zhì)分布各向異性第四十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日4.阻止機(jī)制典型離子能量：5～500keV離子注入襯底，與晶格原子碰撞，逐漸損失其能量，最后停止下來兩種阻止機(jī)制：核碰撞和電子碰撞第四十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日核阻止–與晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（離子與靶原子質(zhì)量同數(shù)量級）–可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）.電子阻止

–與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞–注入離子路徑基本不變–能量損失很少–晶格損傷可以忽略4.阻止機(jī)制兩種阻止機(jī)制第四十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日4.阻止機(jī)制總的阻止本領(lǐng)：Stotal=Sn+Se?Sn:核阻止,Se:電子阻止低能區(qū)：核阻止本領(lǐng)占主要中能區(qū)：兩者同等重要高能區(qū)：電子阻止本領(lǐng)占主要固體中的電子可以看為電子氣，電子阻止類似于黏滯氣體的阻力，電子阻止本領(lǐng)與注入離子速度成正比；空氣阻力與速度的平方成正比第四十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日4.阻止機(jī)制背散射溝道自由碰撞第四十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日阻止本領(lǐng)與離子速度阻止本領(lǐng)核阻止電子阻止離子速度第四十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日注入離子分布RP：投影射程，射程的平均值第四十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日阻擋200keV離子束的阻擋層厚度典型能量：5～500KeV掩膜厚度第四十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日5.注入過程:注入通道?如果入射角度恰好，離子能夠在不和晶格原子碰撞的情況下運(yùn)動很遠(yuǎn)距離?會引起不可控的雜質(zhì)分布大量碰撞很少碰撞第四十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日6.溝道效應(yīng)溝道中核阻止很小，電子密度也很低第五十頁，共九十六頁，2022年，8月28日碰撞后引起的溝道效應(yīng)第五十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日碰撞后形成的溝道效應(yīng)碰撞引起溝道引起碰撞引起第五十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日注入過程:溝道效應(yīng)?避免溝道效應(yīng)的方法–傾斜圓片,7°最常用–屏蔽氧化層（無定形）–注入前預(yù)先無定型處理?陰影效應(yīng)–離子受到掩膜結(jié)構(gòu)阻擋?旋轉(zhuǎn)圓片和注入后擴(kuò)散第五十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.陰影效應(yīng)粒子束第五十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日陰影效應(yīng)消除第五十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日問題為什么不利用溝道效應(yīng)在離子能量不高的情況產(chǎn)生深結(jié)？第五十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日答案離子束不是完美地平行。許多離子注入襯底后會發(fā)生許多次核碰撞，只要少數(shù)一些會進(jìn)入很深的距離。第五十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.4注入損傷注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子

–產(chǎn)生自由原子（間隙原子－空位缺陷對）自由原子與其它晶格原子碰撞

–使更多的晶格原子成為自由原子

–直到所有自由原子均停止下來，損傷才停止一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移第五十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日一個離子引起的晶格損傷輕離子重離子第五十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日注入損傷過程離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點(diǎn)襯底注入?yún)^(qū)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu)注入前注入后第六十頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.5退火的作用雜質(zhì)原子必須處于單晶結(jié)構(gòu)中并與四個Si原子形成共價(jià)鍵才能被激活，donor(N-type)或acceptor(P-type)高溫?zé)崮軒椭鸁o定型原子恢復(fù)單晶結(jié)構(gòu)第六十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日熱退火晶格原子雜質(zhì)原子第六十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日熱退火晶格原子雜質(zhì)原子第六十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日熱退火晶格原子雜質(zhì)原子第六十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日熱退火晶格原子雜質(zhì)原子第六十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日退火前后的比較退火前退火后第六十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日快速熱退火(RTA)高溫下,退火超越擴(kuò)散RTA(RTP)廣泛用于注入后退火RTA很快(小于1分鐘),更好的片間（WTW）均勻性,最小化雜質(zhì)擴(kuò)散第六十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日RTA和爐退火RTP退火爐退火第六十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日問題高溫爐的溫度為什么不能象RTA系統(tǒng)那樣快速升溫和降溫？第六十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日答案高溫爐有很大的熱容積，需要很高的加熱功率去獲得快速升溫。很難避免快速升溫時大的溫度擺動（溫度過沖和下沖）第七十頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.6注入工藝第七十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日粒子束路徑第七十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日離子注入:PlasmaFloodingSystem?離子引起晶圓表面充電?晶圓表面充電引起非均勻摻雜和弧形缺陷?電子注入離子束中，中和晶圓表面電荷?熱鎢燈絲發(fā)射的熱電子產(chǎn)生Ar等離子體（Ar+和電子）第七十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日7.7晶圓表面充電注入離子使晶圓表面帶正電排斥正離子，引起離子束彎曲，造成不均勻雜質(zhì)分布電弧放電引起晶圓表面損傷使柵氧化層擊穿，降低工藝成品率需要消除和減弱充電效應(yīng)第七十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日充電效應(yīng)離子軌道第七十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日電荷中和系統(tǒng)需要提供電子中和正離子；Plasmafloodingsystem電子槍電子噴頭第七十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日PlasmaFloodingSystem第七十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日WaferHandlingIonbeamdiameter:~25mm(~1”),Waferdiameter:200mm(8”)orlargerNeedstomovebeamorwafer,orboth,toscanionbeamacrossthewholewafer–Spinwheel–Spindisk–Singlewaferscan第七十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日SpinWheel第七十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日SpinDisk第八十頁，共九十六頁，2022年，8月28日SingleWaferScanningSystem第八十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日IonImplantation:EndAnalyzerFaradaychargedetectorUsedtocalibratebeamcurrent,energyandprofile第八十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日IonImplantation:TheProcessCMOSapplicationsCMOSionimplantationrequirementsImplantationprocessevaluations第八十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日ImplantationProcess:WellImplantation第八十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日ImplantationProcess:VTAdjustImplantationLowEnergy,LowCurrent第八十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日LightlyDopedDrain(LDD)ImplantationLowenergy(10keV),lowcurrent(1013/cm2)第八十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日ImplantationProcess:S/DImplantationLowenergy(20keV),highcurrent(>1015/cm2)第八十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日Ion