第七章：離子注入.ppt

1、第七章：離子注入,摻雜技術(shù)之二,7.1 引 言,離子注入是在高真空的復(fù)雜系統(tǒng)中，產(chǎn)生電離雜質(zhì)并形成高能量的離子束入射硅片靶中進(jìn)行摻雜的工藝過(guò)程。,離子注入系統(tǒng)圖,離子注入是繼擴(kuò)散之后的第二種摻雜技術(shù)，是現(xiàn)代先進(jìn)的集成電路制造工藝非常重要的技術(shù)。有些特殊的摻雜（如小劑量淺結(jié)摻雜、深濃度峰分布摻雜等）擴(kuò)散是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而離子注入?yún)s能勝任。,離子注入的優(yōu)點(diǎn)： 1. 精確地控制摻雜濃度和摻雜深度 離子注入層的深度依賴于離子能量、雜質(zhì)濃度依 賴于離子劑量，可以獨(dú)立地調(diào)整能量和劑量，精 確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。 2. 可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布 由于離子注入的濃度峰在體內(nèi)，所以基于第1點(diǎn)

2、 采用多次疊加注入可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分 布，增大了設(shè)計(jì)的靈活性。,離子注入的優(yōu)點(diǎn)： 3. 雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性很好 用掃描的方法控制雜質(zhì)濃度的均勻性，在1010 1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達(dá)到2而擴(kuò)散在 10，1013ions/cm2以下的小劑量，擴(kuò)散無(wú)法實(shí) 現(xiàn)。 4. 摻雜溫度低 注入可在125以下的溫度進(jìn)行，允許使用不同 的注入阻擋層（如光刻膠）增加了工藝的靈活性,離子注入的優(yōu)點(diǎn)： 5. 沾污少 質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒(méi)有沾污的純離子束， 減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來(lái)的沾污，另外低溫工藝也減少了摻雜沾污。 6. 無(wú)固溶度極限 注入雜質(zhì)濃度不受硅片固溶度限制,離子注入的缺點(diǎn)： 1

3、. 高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷 2. 注入設(shè)備復(fù)雜昂貴,7.2 離子注入工藝原理,離子注入?yún)?shù) 注入劑量 注入劑量是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。單位：離子每平方厘米 其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安 培） t為注入時(shí)間，單位是秒 q為電子電荷，等于1.61019庫(kù)侖 n為每個(gè)離子的電荷數(shù) A為注入面積，單位為cm2,注入能量 離子注入的能量用電子電荷與電勢(shì)差的乘積來(lái)表示。單位：千電子伏特KEV 帶有一個(gè)正電荷的離子在電勢(shì)差為100KV的電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，它的能量為100KEV,射程、投影射程 具有一定能量的離子入射靶中，與靶原子和電子發(fā)生一系列碰撞（即受到了核阻止和電子阻止）進(jìn)行能量的交

4、換，最后損失了全部能量停止在相應(yīng)的位置，離子由進(jìn)入到停止所走過(guò)的總距離，稱為射程用R表示。這一距離在入射方向上的投影稱為投影射程 Rp。投影射程也是停止點(diǎn)與靶表面的垂直距離。,投影射程示意圖,第i個(gè)離子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi,平均投影射程 離子束中的各個(gè)離子雖然能量相等但每個(gè)離子與靶原子和電子的碰撞次數(shù)和損失能量都是隨機(jī)的，使得能量完全相同的同種離子在靶中的投影射程也不等，存在一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布。 離子的平均投影射程RP為 其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個(gè)離子的投影射程,離子投影射程的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差RP為,其中N為入射離子總數(shù) Rp 為平均投影射程 Rpi為第i個(gè)離子的投影射程,離子注入

5、濃度分布 LSS理論描述了注入離子在無(wú)定形靶中的濃度分布為高斯分布其方程為,其中為注入劑量 為離樣品表面的深度 Rp為平均投影射程 Rp為投影射程的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差,離子注入濃度分布的最大濃度Nmax 從上式可知，注入離子的劑量越大，濃度峰值越高 從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投 影射程處,離子注入結(jié)深 Xj,其中NB為襯底濃度,離子注入的濃度分布曲線,RP和RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用,（一）各種離子在Si中的Rp和Rp 值 (),（二）各種離子在光刻膠中的Rp和Rp 值 (),（三）各種離子在SiO2中的Rp和Rp 值 (),（四）各種離子在Si3N4中的Rp和Rp 值 (),

6、利用下表計(jì)算離子注入結(jié)深Xj,例題： 在N型111襯底硅片上，進(jìn)行硼離子注入，形成P-N結(jié)二極管。已知襯底摻雜濃度為11015cm-3，注入能量：60KEV，注入劑量：5.0E14，試計(jì)算硼離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。,7.3 離子注入設(shè)備,離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成 1. 離子源 2. 引出電極（吸極）和離子分析器 3. 加速管 4. 掃描系統(tǒng) 5. 工藝室,離子注入系統(tǒng),1. 離子源 離子源用于產(chǎn)生 大量的注入正離 子的部件，常用 的雜質(zhì)源氣體有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。,離子源,2. 引出電極（吸極）和離子分析器 吸極用于把離子從離子源室中引出。,質(zhì)量

7、分析器磁鐵 分析器磁鐵形成90角，其磁場(chǎng)使離子的軌跡偏轉(zhuǎn)成弧形。不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3 B、BF2等），因而在離子分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子。,分析磁體,3. 加速管 加速管用來(lái)加速正離子以獲得更高的速度（即動(dòng)能）。,加速管,4. 掃描系統(tǒng) 用于使離子束沿 x、y 方向在一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。 束斑 中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 掃描方式 1. 固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流） 2. 固定束斑、移動(dòng)硅片（大束流）,掃描種類 1. 靜電掃描：在一套X-Y電極上加特定電壓使離子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)注入到固定的硅片上。屬于固定硅片、移動(dòng)束斑的掃描方

8、式。 2. 機(jī)械掃描：硅片放在輪盤(pán)上旋轉(zhuǎn)，并上下移動(dòng)。屬于固定束斑、移動(dòng)硅片的掃描方式。 3. 混合掃描：硅片放在輪盤(pán)上旋轉(zhuǎn)，沿Y方向掃描，離子束沿X方向靜電掃描。束斑和硅片都動(dòng)。 4. 平行掃描：靜電掃描+磁場(chǎng)控制角度,靜電掃描系統(tǒng),靜電掃描系統(tǒng),機(jī)械掃描系統(tǒng),5. 工藝腔 工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺(tái)、硅片傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 硅片冷卻：硅片溫升控制在50以下，氣冷和橡膠冷卻。,劑量控制：法拉第環(huán)電流測(cè)量,7.4 離子注入效應(yīng),1. 溝道效應(yīng) 2. 注入損傷,溝道效應(yīng) 當(dāng)注入離子未與硅原子碰撞減速，而是穿透了晶格間隙時(shí)（見(jiàn)下圖）就發(fā)生了溝道效應(yīng)。硅片傾斜是減小溝道

9、效應(yīng)的常用辦法。硅片傾斜使單晶在離子入射方向上按非晶無(wú)定型結(jié)構(gòu)處理和理論吻合得很好。（100）晶向的硅片常用的角度是偏離垂直方向7注入機(jī)在出廠前就把角度調(diào)好。,溝道效應(yīng),沿晶向的硅晶格視圖,發(fā)生溝道效應(yīng)的雜質(zhì)分布曲線,控制溝道效應(yīng)的方法 1. 傾斜硅片：常用方法 2. 屏蔽氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。 3. 硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效 4. 使用質(zhì)量較大的原子,注入損傷 高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷，減少注入損傷的常用辦法是退火，退火的另一個(gè)作用是電激活注入雜質(zhì)。常用的退火方法有以下兩種： 1. 高溫退火 2. 快速熱退火,（a）輕離子損傷

10、情況 （b）重離子損傷情況,7.5 離子注入退火,退火工藝目的： 消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置而實(shí)現(xiàn)電激活。 1. 高溫?zé)嵬嘶?通常的退火溫度：磷、砷 650，硼 920，時(shí)間：30分鐘左右 缺點(diǎn)：高溫會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的再分布。,2 . 快速熱退火 采用高頻加熱等方法瞬時(shí)內(nèi)使晶片的某個(gè)區(qū)域加熱到極高的溫度，在較短的時(shí)間（103102 秒）內(nèi)完成退火。 優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)濃度分布基本沒(méi)變化,7.6 離子注入的應(yīng)用,在先進(jìn)的CMOS IC制造中，離子注入有以下應(yīng)用 1. 深埋層 2. 倒摻雜阱 3. 穿透阻擋層 4. 閾值電壓調(diào)整 5. 輕摻雜漏區(qū)（LDD）,6. 源漏注入 7. 多晶硅柵摻雜 8

11、. 溝槽電容器 9. 超淺結(jié) 10. 絕緣體上的硅（SOI）,深埋層 高能（大于200KEV）離子注入，深埋層的作用：控制CMOS的閂鎖效應(yīng),倒摻雜阱 高能量離子注入使阱中較深處雜質(zhì)濃度較大，倒摻雜阱改進(jìn)CMOS器件的抗閂鎖能力。,穿通阻擋層 作用：防止溝道很短的亞微米器件源漏穿通，保證源漏耐壓。,調(diào)節(jié)閾值電壓 閾值電壓公式： QBmqNBXdm， QBm為表面耗盡層單位面積上的電荷密度,輕摻雜漏（LDD：Lightly Doped Drain ）注入,源漏注入,多晶硅柵摻雜 溝槽電容器,超淺結(jié),超淺結(jié),絕緣體上的硅（SOI） 在硅中進(jìn)行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicon on insulator）,SOI結(jié)構(gòu)SEM照片,本章習(xí)題