離子注入工藝培訓課件

1、離子注入工藝培訓課件一離子注入工藝設備結構一離子注入工藝設備結構離子注入機原理圖2022-3-422022-3-43二、離子注入工藝的特點n (1)注入的離子是通過質量分析器選取出來的，被選取的離子純度高，能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質源純度的影響。另外，注入過程是在清潔、干燥的真空條件下進行的，各種污染降到最低水平。2022-3-44n (2）可以精確控制注入到硅中的摻雜原子數(shù)目。n （3）襯底溫度低，一般保持在室溫，因此，像二氧化硅、氮化硅、鋁何光刻膠等都可以用來作為選擇摻雜的掩蔽膜。n （4）離子注入深度是隨離子能量的增加而增加，因此摻雜深度可以通過控制離子束能量高低來實現(xiàn)。另外，

2、在注入過程中可精確控制電荷量，從而可精確控制摻雜濃度。n-2022-3-45n n （5）離子注入是一個非平衡過程，不受雜質在襯底材料中的固溶度限制，原則上對各種元素均可摻雜。n （6）離子注入時的襯底溫度低，這樣就可以避免了高溫擴散所引起的熱缺陷。n （7）由于注入的直進性，注入雜質是按掩膜的圖形近于垂直入射，因此橫向效應比熱擴散小的多，有利于器件特征尺寸的縮小。2022-3-46n （8）離子往往是通過硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保護膜作用n （9）化合物半導體是兩種或多種元素按 一定組分構成的，這種材料經(jīng)高溫處理時，組分可能發(fā)生變化。采用離子注入技術，基本不存在上述

3、問題，因此容易實現(xiàn)對化合物半導體的摻雜2022-3-47基個概念：n （1）靶：被摻雜的材料。n （2）一束離子轟擊靶時，其中一部分離子在靶面就被反射，不能進入靶內(nèi)，稱這部分離子為散射離子，進入靶內(nèi)的離子成為注入離子。n （3）非晶靶成為無定形靶，本章所涉及道德靶材料，都是按無定形來考慮。2022-3-48三、離子注入原理n “離子” 是一種經(jīng)離化的原子和分子，也稱“等離子體”，它帶有一定量的電荷?！暗入x子發(fā)生器”已廣泛應用到CVD、金屬鍍膜、干法刻蝕、光刻膠的去除等工藝中，而在離子注入的設備中，它被用來制造工藝所要注入的離子。因為離子帶電荷，可以用加速場進行加速，并且借助于磁場來改變離子的運

4、動方向。當經(jīng)加速后的離子碰撞一個固體靶面之后，離子與靶面的原子將經(jīng)歷各種不同的交互作用，如果離子“夠重”，則大多數(shù)離子將進入固體里面去。反之，許多離子將被靶面發(fā)射。2022-3-49n n 當具有高能量的離子注入到固體靶面以后，這些高能粒子將與固體靶面的原子與電子進行多次碰撞，這些碰撞將逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止運動，新城形成一定的雜質分布。n 同時，注入離子和晶格原子相互作用，那些吸收了離子能量的電子，可能激發(fā)或從原子之內(nèi)游離，形成二次電子。2022-3-410n 離子在硅體內(nèi)的注入深度和分布狀態(tài)與射入時所加的電場強度、離子劑量、襯底n晶向等有關。通常，在離子劑量和轟擊次數(shù)一

5、致的前提下，注入的深度將隨電場的強度增加而增加。實踐表明，用離子注入方法在硅片內(nèi)部形成雜質分布與擴散是完全不同的。擴散法得到的雜質分布近似為余誤差函數(shù)和高斯函數(shù)分布，而用離子注入法形成的分布，其濃度最大值不在硅片表面，而是在深入硅體一定距離。這段距離大小與注入粒子能量、離子類型等有關。2022-3-411n 在一般情況下，雜質濃度最大值在距離表面0.1um處，其分布有一點像高斯分布，是由于雜質被電場加速注入到硅片內(nèi)后，受到硅原子的阻擋，使其動能完全消失，停留在原位。但由于雜質離子具有的能量是不均勻的，也就是使雜質離子的能量有大有小，這樣就形成了按一定的曲線分布，能量大和能量小的都是少數(shù)，而能量

6、近似相等的居多數(shù)。當然注入后，能量最大的注入深，能量小的注入淺。2022-3-412n n 離子注入的雜質分布還與襯底晶向有關系。如果注入的離子沿規(guī)則排列的晶格方向進入硅中，離子可能要走很長一段路途才碰到硅原子，因此，進入深度就大，使雜質分布出現(xiàn)兩個峰值，這種現(xiàn)象稱為“溝道效應”。向， 晶向注入時，往往會發(fā)生這種溝道效應，而再偏離一定角度，情況就好得多。2022-3-413n n n 離子注入時，由于受到高能量雜質離子的轟擊，硅片內(nèi)許多晶格被破壞而出現(xiàn)晶格缺陷，嚴重時會出現(xiàn)非晶層。這種缺陷一定要經(jīng)過退火處理來消除，所以退火工藝在離子注入工藝中是必不可少的。n 與擴散一樣，離子注入也需要掩蔽，其

7、掩蔽物可以是二氧化硅、氮化硅、AL2O3及AL都行，且掩蔽膜厚度隨電場強度和雜質劑量的增加而加厚。2022-3-4144.14.1核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞n n LSS理論:注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨立的過程(1)核碰撞，（2）電子碰撞，總能量損失為它們的和。2022-3-415核碰撞和電子碰撞核碰撞和電子碰撞:2022-3-4162022-3-417（一）、核阻止本領n 能量為 E的一個注入離子，在單位密度靶內(nèi)運動單位長度時，損失給靶原子核的能量。2022-3-418（二）電子阻止本領n 同注入離子的速度成正比，即和注入離子能量的平方根成正比。2022-3-419（三）射

8、程的概念射程的概念2022-3-4204.24.2注入注入離子的分布2022-3-421（一）縱向分布2022-3-422* 注入離子的分布計算1.平均投影射程Rp，標準偏差R通過查表根據(jù)靶材（Si, SiO2, Ge），雜質離子(B，P，As, N), 能量（keV）2.單位面積注入電荷：Qss I t /A, I：注入束流，t: 時間，A：掃描面積（園片尺寸）3.單位面積注入離子數(shù)(劑量)： Ns Qss/q =(I t) /(q A)4.最大離子濃度：NMAX= RNs22022-3-423*注入離子分布nN(x)=Nmax nN(x):距表面x處的濃度,nRp:查表所得的標準偏差nNm

9、ax:峰值濃度(x=Rp處)nRp:平均投影射程221expppRRx2022-3-424*離子注入結深計算BpppSjNRRxRNxN221exp2)(BspppjNNRRRx21ln22022-3-425(二）橫向效應2022-3-426n橫向系數(shù): B Sb,約0.5但比熱擴散小(0.750.85)2022-3-427(三三)溝道注入溝道注入n 1、入射離子的阻擋作用與晶體取向有關,n 2、可能沿某些方向由原子列包圍成直通道溝道，離子進入溝道時，沿溝道前進阻力小，射程要大得多。 2022-3-428 3、 溝道效應的存在，將使得對注入離子在深度上難以控制，尤其對大規(guī)模集成電路制造更帶來麻

10、煩。如MOS器件的結深通常只有0.4um左右，有了這種溝道效應萬一注入距離超過了預期的深度，就使元器件失效。因此，在離子注入時，要考慮到這種溝道效應，也就是說要抑止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。2022-3-429n n n 4、目前常用的解決方法有三種。n （1）是將硅片相對注入的離子運動方向傾斜一個角度，7度左右最佳；n （2）是對硅片表面鋪上一層非結晶系的材料，使入射的注入離子在進入硅片襯底之前，在非結晶層里與無固定排列方式的非結晶系原子產(chǎn)生碰撞而散射，這樣可以減弱溝道效應；n 2022-3-430n （3）是對硅片表面先進行一次離子注入，使結晶層破壞成為非結晶層，然后進入離子注入。n 這三種方法都是

11、利用增加注入離子與其他原子碰撞來降低溝道效應。工業(yè)上常用前兩種方法。2022-3-431（四）復合（雙層）靶注入n離子在兩層靶中均為高斯分布nM1：Rp1, Rp1, d Rp1 nM2: Rp2, Rp2ddp2p1p1RR1R11pRdM1中未走完的路程2022-3-4324.3 4.3 注入損傷注入損傷一損傷的形成一損傷的形成2022-3-433靶原子變形與移位，形成空位、間穴原子，注入離子并不正好處于格點上，解決：退火、激活2022-3-434二.移位原子數(shù)的估算2022-3-435三非晶層的形成三非晶層的形成2022-3-436四、損傷區(qū)的分布輕離子，電子碰撞為主，位移少，晶格損傷少

12、2022-3-437重離子，原子碰撞為主，位移多，晶格損傷大2022-3-438 4.4 4.4 熱熱退火退火n退火：將注入離子的硅片在一定溫度和真空或氮、氬等高純氣體的保護下，經(jīng)過適當時間的熱處理，n部分或全部消除硅片中的損傷，少數(shù)載流子的壽命及遷移率也會不同程度的得到恢復，n電激活摻入的雜質n分為普通熱退火、硼的退火特性、磷的退火特性、擴散效應、快速退火2022-3-439n1 1普通熱退火普通熱退火：退火時間通常為15-30min，使用通常的擴散爐，在真空或氮、氬等氣體的保護下對襯底作退火處理。缺點：清除缺陷不完全，注入雜質激活不高，退火溫度高、時間長，導致雜質再分布。2022-3-44

13、02 2硼的退火特性硼的退火特性1 區(qū)單調上升：點缺陷、陷井缺陷消除、自由載流子增加2 區(qū)出現(xiàn)反退火特性：代位硼減少，淀積在位錯上3 區(qū)單調上升 劑量越大，所需退火溫度越高。2022-3-4413 3磷的退火特性磷的退火特性雜質濃度達1015以上時出現(xiàn)無定形硅退火溫度達到6008002022-3-442熱退火問題n簡單、價廉n激活率不高n產(chǎn)生二次缺陷，桿狀位錯。位錯環(huán)、層錯、位錯網(wǎng)加劇2022-3-4434.擴散效應2022-3-4445.快速退火2022-3-4454.5 4.5 離子注入優(yōu)缺點離子注入優(yōu)缺點一離子注入的優(yōu)缺點一離子注入的優(yōu)缺點優(yōu)點：1）可在較低的溫度下，將各種雜質摻入到不同的半導體中；2）能精確控制摻入基片內(nèi)雜質的濃度分布和注入深度；3）可以實現(xiàn)大面積均勻摻雜，而且重復性好；4）摻入雜質純度高；5）獲得主濃度擴散層不受故濃度限制2022-3-4466）由于注入粒子的直射性，雜質的橫向擴散?。?）可以置備理想的雜質分布；8）可以通過半導體表面上一定厚度的四SiO2膜進行注入而實行摻雜；9）工