西電集成電路制造技術(shù)第四章-離子注入課件

第四章離子注入主講：毛維mwxidian@126.com西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院第四章離子注入1概述目的：摻雜（1954年，Shockley提出）；應(yīng)用：COMS工藝的阱，源、漏，調(diào)整VT的溝道摻雜，防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結(jié)。定義:將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中的過(guò)程。概述2①注入溫度低:對(duì)Si，室溫；對(duì)GaAs,<400℃。（避免了高溫?cái)U(kuò)散的熱缺陷；光刻膠，鋁等都可作為掩蔽膜。）②摻雜數(shù)目完全受控:同一平面內(nèi)的雜質(zhì)均勻性和重復(fù)性在±1％（而高濃度擴(kuò)散的最好結(jié)果只能控制在（5％-10％））；能精確控制濃度分布及結(jié)深，特別適合制作高濃度淺結(jié)、突變型分布。③無(wú)污染:注入離子純度高，能量單一。（質(zhì)量分析器；背景真空度高）離子注入的特點(diǎn)：①注入溫度低:對(duì)Si，室溫；對(duì)GaAs,<400℃。離子注入3④橫向擴(kuò)散?。河欣谄骷卣鞒叽绲目s小。⑤不受固溶度限制:原則上各種元素均可摻雜。⑥注入深度隨離子能量的增加而增加。（諸多優(yōu)點(diǎn)，使離子注入成為IC工藝的主要摻雜技術(shù)）缺點(diǎn)：①損傷(缺陷)較多:必須退火。②設(shè)備昂貴，成本高。離子注入的特點(diǎn)：④橫向擴(kuò)散小：有利于器件特征尺寸的縮小。離子注入的特點(diǎn)：4離子注入基本原理：基本原理——將雜質(zhì)原子經(jīng)過(guò)離化變成帶電的雜質(zhì)離子，并使其在電場(chǎng)中加速，獲得一定能量后，直接轟擊到半導(dǎo)體基片內(nèi)，使之在體內(nèi)形成一定的雜質(zhì)分布，起到摻雜作用。離子注入三大基本要素：——離子的產(chǎn)生——離子的加速——離子的控制離子注入基本原理：基本原理——將雜質(zhì)原子經(jīng)過(guò)離化變成帶電的雜5離子注入設(shè)備的結(jié)構(gòu)①離子源；②質(zhì)量分析器（磁分析器）；③加速器(管)；④偏束板；⑤掃描器；⑥靶室注：④和⑤統(tǒng)稱聚焦和掃描系統(tǒng)離子注入設(shè)備的結(jié)構(gòu)①離子源；②質(zhì)量分析器（磁分析器）；③加速6離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子源分析用磁鐵加速管離子束等離子體工藝腔吸出組件掃描圓盤(pán)離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子源分析用磁鐵加速管離子束等離子體7離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子注入系統(tǒng)的原理示意圖8摻雜濃度及深度的控制

(a)低摻雜濃度(n

,p

)及淺結(jié)深(xj)掩蔽層掩蔽層硅襯底xj低能量低劑量快掃描速度束掃描摻雜離子離子注入機(jī)(b)高摻雜濃度(n+,p+)及深結(jié)深(xj)束掃描高能量高劑量低掃描速度掩蔽層掩蔽層硅襯底xj離子注入機(jī)摻雜濃度及深度的控制(a)低摻雜濃度(n,p)及淺結(jié)9離子注入機(jī)分類

離子注入機(jī)按注入能量的大小，可粗略地區(qū)分為低能機(jī)（200Kev以下）、中能機(jī)（200Kev~lMev）和高能機(jī)（1Mev以上）按離子束電流強(qiáng)度區(qū)分，可分為小束流機(jī)（1~100μA以下）、中束流機(jī)（100μA~1mA）和強(qiáng)束流機(jī)(1mA以上)若按使用不同對(duì)象區(qū)分，又可分為半導(dǎo)體用離子注入機(jī)和金屬用離子注入機(jī)。離子注入機(jī)分類離子注入機(jī)按注入能量的大小，可粗略地區(qū)分為低10離子注入設(shè)備1.離子源作用：產(chǎn)生注入用的離子。原理：雜質(zhì)原子高能電子轟擊（電子放電）注入離子類型：高頻，電子振蕩，濺射2.磁分析器（質(zhì)量分析器）作用：將所需離子分選出來(lái)。原理：帶電離子在磁場(chǎng)中受洛倫磁力作用，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。3.加速器作用：使離子獲得所需的能量。原理：利用強(qiáng)電場(chǎng)，使離子獲得更大的速度。離子注入設(shè)備1.離子源11離子注入設(shè)備4.偏束板作用：使中性原子束因直線前進(jìn)不能達(dá)到靶室。原理：用一靜電偏轉(zhuǎn)板使離子束偏轉(zhuǎn)5o--8o作用再進(jìn)入靶室。5.掃描器作用：使離子在整個(gè)靶片上均勻注入。方式：①靶片靜止，離子束在X,Y方向作電掃描。②粒子束在Y方向作電掃描，靶片在X方向作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。③粒子束靜止，靶片在X,Y方向作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。6.靶室（工作室）：高溫靶（800℃），低溫靶（液氮溫度），冷卻靶（小于120℃）。離子注入設(shè)備4.偏束板12西電集成電路制造技術(shù)第四章-離子注入ppt課件13基本概念：靶：被摻雜的材料。常用的靶有晶體靶：Si片；無(wú)定形靶：SiO2、Si3N4、光刻膠等。無(wú)定形靶：可精確控制注入深度?；靖拍睿喊校罕粨诫s的材料。144.1核碰撞和電子碰撞典型的注入能量E0：5-500keV注入離子分布-LSS模型：能量損失模型；離子在同靶中的電子和原子核多次碰撞后，逐步損失能量，最后在靶中某一點(diǎn)停止下來(lái)。（Lindhard，Scharff，Schiot三人創(chuàng)立）

①核碰撞（阻止）注入離子與靶原子核碰撞，將能量傳給靶核，離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，靶核產(chǎn)生位移。

②電子碰撞（阻止）注入離子與靶內(nèi)的自由電子和束縛電子碰撞，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)；注入離子運(yùn)動(dòng)方向基本不變。4.1核碰撞和電子碰撞典型的注入能量E0：5-500154.1核碰撞和電子碰撞4.1.1核阻止本領(lǐng)Sn(E)Sn(E)=(dE/dx)nE---注入離子在x處的能量(dE/dx)n--核阻止能量損失率

4.1核碰撞和電子碰撞4.1.1核阻止本領(lǐng)Sn(E)164.1核碰撞和電子碰撞①注入離子與靶原子的相互作用(當(dāng)忽略電子屏蔽作用時(shí))庫(kù)侖力F(r)=q2Z1Z2/r2勢(shì)能V(r)=q2Z1Z2/rZ1、Z2--核電荷數(shù)（原子序數(shù)）；r—距離。②考慮電子的屏蔽作用(當(dāng)兩粒子相距較遠(yuǎn)時(shí))勢(shì)能V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)f(r/a)--屏蔽函數(shù)；a--屏蔽參數(shù)；最簡(jiǎn)單（一級(jí)近似）：f(r/a)=a/r，則Sn=Sn0=常數(shù)（圖4.2，虛線）；更精確：托馬斯-費(fèi)米屏蔽函數(shù)（圖4.2，實(shí)線）。4.1核碰撞和電子碰撞①注入離子與靶原子的相互作用(當(dāng)忽17西電集成電路制造技術(shù)第四章-離子注入ppt課件184.1核碰撞和電子碰撞4.1.2電子阻止本領(lǐng)LSS模型：認(rèn)為電子是自由電子氣，類似黏滯氣體。Se(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2(dE/dx)e--電子阻止能量損失率；V-注入離子速度；C-常數(shù)；ke-與Z1、Z2、M1、M2有關(guān)的常數(shù)（對(duì)于非晶而言）：{對(duì)非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；對(duì)非晶GaAs：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}單個(gè)入射離子在靶內(nèi)單位距離上總的能量損失為：4.1核碰撞和電子碰撞4.1.2電子阻止本領(lǐng)19西電集成電路制造技術(shù)第四章-離子注入ppt課件204.1核碰撞和電子碰撞4.1.3射程粗略估計(jì)LSS模型：引入簡(jiǎn)化的無(wú)量綱的能量參數(shù)ε和射程參數(shù)ρ，即

ρ=(RNM1M24πa2)/(M1+M2)2

ε=E0aM2/[Z1Z2q2(M1+M2)]N-單位體積的原子數(shù)；M1-注入離子質(zhì)量M2-靶原子質(zhì)量a-屏蔽長(zhǎng)度以dε/dρ–ε1/2作圖，得圖4.54.1核碰撞和電子碰撞4.1.3射程粗略估計(jì)21西電集成電路制造技術(shù)第四章-離子注入ppt課件22注入離子能量①低能區(qū)：核阻擋占主要，電子阻擋可忽略；②中能區(qū)：核阻擋與電子阻擋相當(dāng)；③高能區(qū)：電子阻擋占主要，核阻擋可忽略。4.1核碰撞和電子碰撞注入離子能量4.1核碰撞和電子碰撞234.1核碰撞和電子碰撞臨界能量（交叉能量）Ene(Ec):

Sn(E)=Se(E)處的能量。①Ene隨注入離子原子量的增加而增大。②輕離子，B:Ene≈15keV，重離子，P:Ene≈150keV。4.1核碰撞和電子碰撞臨界能量（交叉能量）Ene(Ec244.1核碰撞和電子碰撞在粗略的一級(jí)近似下，核阻止本領(lǐng)Sn0與電子阻止本領(lǐng)Se(E)的比較↑SE→Se(E)Ec4.1核碰撞和電子碰撞在粗略的一級(jí)近似下，核阻止本領(lǐng)Sn254.1核碰撞和電子碰撞射程R的粗略估算

①注入離子初始能量E0>>Ene：Se(E)為主，則R≈k1E01/2k1=2/ke

{對(duì)非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1；對(duì)非晶GaAs：ke≈3x103(eV)1/2μm-1；}

②注入離子初始能量E0<<

Ene：Sn(E)為主，且假設(shè)Sn(E)=Sn0，則R≈k2E0k2近似為常數(shù)。4.1核碰撞和電子碰撞射程R的粗略估算261.總射程R定義：注入離子在靶內(nèi)走過(guò)的路徑之和。R與E的關(guān)系：根據(jù)能量的總損失率，

則，式中，E0—注入離子的初始能量。4.2注入離子在無(wú)定形靶中的分布1.總射程R4.2注入離子在無(wú)定形靶中的分布274.2注入離子分布2.投影射程XP：總射程R在離子入射方向（垂直靶片）的投影長(zhǎng)度，即離子注入的有效深度。3.平均投影射程RP：投影射程XP的平均值，具有統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律——幾率分布函數(shù)。4.2注入離子分布2.投影射程XP：284.2注入離子分布4.標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）△RP—反映了RP的分散程度（分散寬度）。5.R,RP,△RP間的近似關(guān)系

M1—注入離子質(zhì)量，M2—靶原子質(zhì)量4.2注入離子分布4.標(biāo)準(zhǔn)偏差（投影偏差）△RP—294.2注入離子分布4.2.1注入離子縱向分布--高斯分布注入離子在靶內(nèi)不斷損失能量，最后停止在某處；注入離子在靶內(nèi)的碰撞是一隨機(jī)過(guò)程；注入離子按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。求解注入離子的射程和離散微分方程，距靶表面為x(cm)處的濃度分布為，高斯函數(shù)

Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值濃度（在RP處）(后面具體推導(dǎo))NS—注入劑量（通過(guò)靶表面單位面積注入的離子數(shù)）4.2注入離子分布4.2.1注入離子縱向分布--高斯304.2注入離子分布 在實(shí)驗(yàn)中，入射離子的劑量(即垂直入射在靶表面單位面積上的離子數(shù))是人為控制的，它是一個(gè)己知量。設(shè)Ns為沿x方向的劑量，則令：則：dx=△RPdX4.2注入離子分布 在實(shí)驗(yàn)中，入射離子的劑量(即垂直入射31

由圖可見(jiàn)，濃度分布具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：在平均投影射程x＝Rp處有一最高濃度在平均投影射程Rp兩邊，注入離子濃度對(duì)稱下降，

x-Rp越大，下降越快。在x-Rp＝±△RP處N(x)/Nmax=e-1/2=0.6065pn結(jié)的位置：由圖可見(jiàn)，濃度分布具有以在平均投影射程Rp兩邊，32常用離子在硅中的注入能量(KeV)與射程()等數(shù)據(jù)的關(guān)系常用離子在硅中的注入能量(KeV)與射程()等數(shù)據(jù)的關(guān)系33xyzRp△R┴離子濃度（lg坐標(biāo)）離子束4.2注入離子分布4.2.2橫向效應(yīng)①橫向效應(yīng)與注入能量成正比；②是結(jié)深的30％-50％；③窗口邊緣的離子濃度是中心處的50％；沿x方向垂直入射各向同性非晶靶內(nèi)，注入離子空間分布函數(shù)為：xyzRp△R┴離子濃度（lg坐標(biāo)）離子束4.2注入離子34西電集成電路制造技術(shù)第四章-離子注入ppt課件354.2注入離子分布4.2.3溝道效應(yīng)(ionchanneling)非晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是各向同性；單晶靶：對(duì)注入離子的阻擋是各向異性；溝道：在單晶靶的主晶軸方向呈現(xiàn)一系列平行的通道，稱為溝道。4.2注入離子分布4.2.3溝道效應(yīng)(ioncha36硅晶體的原子構(gòu)型<111><100><110>硅晶體的原子構(gòu)型<111><100><110>37沿<110>軸的硅晶格視圖沿<110>軸的硅晶格視圖384.2注入離子分布溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小，因而射程比非晶靶遠(yuǎn)的多。

好處：結(jié)較深；晶格損傷小。

不利：難于獲得可重復(fù)的濃度分布，使用價(jià)值小。減小溝道效應(yīng)的途徑①注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值--70；②淀積非晶表面層（SiO2)；③在表面制造損傷層；④提高靶溫；⑤增大劑量。4.2注入離子分布溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻擋作用小394.3注入損傷4.3.1級(jí)聯(lián)碰撞1.損傷的形成Ed:靶原子離開(kāi)其平衡位置所需的最低能量。ET:靶原子與注入離子碰撞后獲得的能量。若ET<Ed：加劇靶原子的熱振動(dòng)，但不位移；若ET>Ed：靶原子位移，留下空位；若ET?Ed：位移原子（反沖原子）再與靶原子碰撞，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞。4.3.2晶格損傷4.3注入損傷4.3.1級(jí)聯(lián)碰撞404.3注入損傷4.3注入損傷41損傷密度例1：B離子，E0=80keV，Rp=250nm;已知:Si晶格間距為0.25nm；初始S（E）=35eV/nm；則ET=35×0.25=8.75eV<Ed=15eV，Si不位移；當(dāng)E=40keV(此時(shí)Rp1=130nm),S（E）=60eV/nm，則ET=60×0.25=15eV=Ed，Si位移，且位移2.5nm/次；設(shè)：每個(gè)晶面都有1個(gè)Si位移，則在B離子停止前，位移Si為120nm/0.25nm=480設(shè)：Si位移2.5nm,則損傷體積為Vdam=π（2.5nm)2(120nm)=2.4×10-18cm-3損傷密度=480/Vdam=2×1020cm-3(占相應(yīng)體積中所有原子的0.4%）4.3注入損傷損傷密度4.3注入損傷42例2：As離子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E）=1.2keV/nm1個(gè)As共產(chǎn)生約4000個(gè)位移SiVdam=π（2.5nm)2(50nm)=1×10-18cm-3損傷密度=4000/Vdam=4×1021cm-3(占相應(yīng)體積中所有原子的8%）4.3注入損傷例2：As離子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S（E434.3注入損傷4.3.3非晶層的形成隨注入劑量的增加，原先相互隔離的損傷區(qū)發(fā)生重疊，最終形成長(zhǎng)程無(wú)序的非晶層。臨界劑量－形成非晶層所需的最小注入離子劑量；臨界劑量與注入離子質(zhì)量成反比。靶溫－靶溫越高，損傷越輕。

4.3注入損傷4.3.3非晶層的形成444.4熱退火離子注入所形成的損傷有：①散射中心：使遷移率下降；②缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，pn結(jié)漏電流增加；③雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移Si原子恢復(fù)正常的替位位置－－電激活。退火方法：熱退火（傳統(tǒng)退火）；快速退火。4.4熱退火離子注入所形成的損傷有：454.4熱退火熱退火機(jī)理a.無(wú)定形層（非晶層）：通過(guò)固相外延，使位移原子重構(gòu)而有序化。無(wú)定形是晶體的亞穩(wěn)態(tài)，這種固相外延可在較低溫度下發(fā)生。b.非無(wú)定形層：高溫下，原子振動(dòng)能增大，因而移動(dòng)能力增強(qiáng)，可使復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單的缺陷，如空位、間隙原子等。在熱處理溫度下，簡(jiǎn)單的缺陷能以較高的遷移率移動(dòng)，相互靠近時(shí)，就可能復(fù)合而使缺陷消失。退火工藝條件：溫度；時(shí)間；方式（常規(guī)、快速）。4.4熱退火熱退火機(jī)理464.4熱退火4.4.1硅材料的熱退火特性退火機(jī)理：①?gòu)?fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單缺陷：空位、間隙原子；②簡(jiǎn)單缺陷可因復(fù)合而消失；③損傷由單晶區(qū)向非單晶區(qū)通過(guò)固相外延再生長(zhǎng)得到恢復(fù)。二次缺陷(能量較低)：(高能量的)簡(jiǎn)單缺陷重新組合，形成新的缺陷。注入劑量與退火溫度成正比。載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復(fù)所需溫度。4.4熱退火4.4.1硅材料的熱退火特性47熱退火原理示意晶格原子雜質(zhì)原子熱退火原理示意晶格原子雜質(zhì)原子48晶格原子雜質(zhì)原子晶格原子雜質(zhì)原子49晶格原子雜質(zhì)原子晶格原子雜質(zhì)原子50晶格原子雜質(zhì)原子晶格原子雜質(zhì)原子51晶格原子雜質(zhì)原子晶格原子雜質(zhì)原子52晶格原子雜質(zhì)原子晶格原子雜質(zhì)原子53晶格原子雜質(zhì)原子晶格原子雜質(zhì)原子54晶格原子雜質(zhì)原子晶格原子雜質(zhì)原子55退火前后比較4.4熱退火退火前后比較4.4熱退火564.4熱退火4.4.2硼的退火特性Ⅰ區(qū)：隨溫度增加，復(fù)合幾率增加，點(diǎn)缺陷消失，