集成電路工藝離子注入標(biāo)準(zhǔn)課件

4.1引言離子注入的概念：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，入射到硅片靶中進(jìn)行摻雜的過(guò)程。束流、束斑4.1引言離子注入的概念：束流、束斑1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中非常重要的技術(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2

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(lài)于離子能量、雜質(zhì)濃度依賴(lài)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)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

離子注入的優(yōu)點(diǎn)：

3.雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好

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)：4

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.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)雜昂貴離子注入的優(yōu)點(diǎn)：54.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)注入劑量φ注入劑量φ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1.6×10－19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—束斑4.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)6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注入能量7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(chēng)為射程用R表示。這一距離在入射方向上的投影稱(chēng)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。射程、投影射程8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Rp9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)和能量損失都是隨機(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)離子的投影射程平均投影射程10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)11離子注入濃度分布

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φ為注入劑量

χ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其中φ為注入劑量12離子注入的濃度分布曲線離子注入的濃度分布曲線13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φ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濃度分布的最大濃度Nmax14離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度15RP和△RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341（一）各種離子在Si中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用入射能量2040616（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用χ為離樣品表面的深度其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個(gè)離子的投影射程高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷n為每個(gè)離子的電荷數(shù)固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)?？梢垣@得任意的雜質(zhì)濃度分布硅預(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)（silicononinsulator）A為注入面積，單位為cm2—束斑不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入濃度分布的最大濃度Nmax列舉離子注入優(yōu)于擴(kuò)散的6點(diǎn)確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。已知襯底摻雜濃度為1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入劑量：5.離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達(dá)到±2％而擴(kuò)散在（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP126207286349415480543606667（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)（二）各種17（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP437299125151176201226251（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)入射18（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP33567797118137157176195（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)入19例題：1.已知某臺(tái)離子注入機(jī)的束斑為2.0cm2、束流為2.0mA、注入時(shí)間為16ms，試計(jì)算硼離子（B+）注入劑量。（注：電子電荷q=1.6×10－19庫(kù)侖）

2.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1×1015cm-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。例題：204.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)2.注入損傷3.離子注入退火4.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)21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)。

沿<110>晶向的硅晶格視圖溝道效應(yīng)沿<110>晶向的硅晶格視圖22

控制溝道效應(yīng)的方法

1.傾斜硅片：常用方法

2.緩沖氧化層：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)量較大的原子控制溝道效應(yīng)的方法23

注入損傷

高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷

（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況注入損傷（a）輕離子損傷情況24離子注入退火工藝目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置從而實(shí)現(xiàn)電激活。1.高溫?zé)嵬嘶鹜ǔ５耐嘶饻囟龋海?50℃，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PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2

秒）內(nèi)完成退火。

優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)濃度分布基本不發(fā)生變化離子注入退火254.4離子注入的應(yīng)用

在先進(jìn)的CMOS工藝中，離子注入的應(yīng)用：

1.深埋層注入

2.倒摻雜阱注入

3.穿通阻擋層注入

4.閾值電壓調(diào)整注入

5.輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入

6.源漏注入

7.多晶硅柵摻雜注入

8.溝槽電容器注入

9.超淺結(jié)注入

10.絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入4.4離子注入的應(yīng)用在先進(jìn)的CMOS工藝中，離子注入26（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成賴(lài)于離子劑量，可以獨(dú)立地調(diào)整能量和劑量，精采用PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷采用PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）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)。采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分質(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。這一距離在入射方向上的投影稱(chēng)為投影射程Rp。（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)靜電掃描系統(tǒng)硅片冷卻：硅片溫升控制在50℃以下，氣冷和橡膠冷卻。確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。深埋層注入高能（大于200KEV）離子注入，深埋層的作用：控制CMOS的閂鎖效應(yīng)（a）輕離子損傷情況27倒摻雜阱注入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。倒摻雜阱注入28穿通阻擋層注入作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。穿通阻擋層注入29閾值電壓調(diào)整注入NMOS閾值電壓公式：QBm＝q·NB·Xdm，QBm為表面耗盡層單位面積上的電荷密度閾值電壓調(diào)整注入30輕摻雜漏（LDD：Lightly

DopedDrain）注入輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）31源漏注入源漏注入32多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入

多晶硅柵摻雜注入33超淺結(jié)注入

超淺結(jié)超淺結(jié)注入超淺結(jié)34絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進(jìn)行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）

SOI結(jié)構(gòu)SEM照片絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入S354.5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4.5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36輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。BF3、AsH3和吸極用于把離子從離子源室中引出。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)。這一距離在入射方向上的投影稱(chēng)為投影射程Rp。作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安大束流的束斑：3cm2從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投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。6×10－19庫(kù)侖）6×10－19庫(kù)侖）固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入系統(tǒng)輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）371.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1.離子源離子源382.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。2.引出電極（吸極）和離子分析器39質(zhì)量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。

分析磁體質(zhì)量分析器磁鐵分析磁體403.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3.加速管加速管414.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

掃描方式固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）固定束斑、移動(dòng)硅片（大束流）掃描種類(lèi)：靜電掃描、機(jī)械掃描、混合掃描、平行掃描4.掃描系統(tǒng)42靜電掃描系統(tǒng)

靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)435.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。5.工藝腔44劑量控制：法拉第環(huán)電流測(cè)量劑量控制：法拉第環(huán)電流測(cè)量45本章習(xí)題書(shū)中第17章：25、53、55、56本章習(xí)題書(shū)中第17章：25、53、55、5646SOI結(jié)構(gòu)SEM照片質(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。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入帶有一個(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列舉離子注入優(yōu)于擴(kuò)散的6點(diǎn)其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安培）采用PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。BF3、AsH3和（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分大束流的束斑：3cm2確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。劑量控制：法拉第環(huán)電流測(cè)量本章作業(yè)1.簡(jiǎn)要描述離子注入（即回答離子注入的概念）2.列舉離子注入優(yōu)于擴(kuò)散的6點(diǎn)3.在P型〈100〉襯底硅片上，進(jìn)行As離子注入，形成P-N結(jié)二極管。已知襯底摻雜濃度為1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入劑量：5.0E15，試計(jì)算砷離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。SOI結(jié)構(gòu)SEM照片本章作業(yè)1.簡(jiǎn)要描述離子注入（即回答離47

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(lài)于離子能量、雜質(zhì)濃度依賴(lài)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)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)：48離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度49

控制溝道效應(yīng)的方法

1.傾斜硅片：常用方法

2.緩沖氧化層：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)量較大的原子控制溝道效應(yīng)的方法50穿通阻擋層注入作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。穿通阻擋層注入51源漏注入源漏注入52絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進(jìn)行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）

SOI結(jié)構(gòu)SEM照片絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入S534.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

掃描方式固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）固定束斑、移動(dòng)硅片（大束流）掃描種類(lèi)：靜電掃描、機(jī)械掃描、混合掃描、平行掃描4.掃描系統(tǒng)54（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況通常的退火溫度：＞950℃，時(shí)間：30分鐘左右q為電子電荷，等于1.SOI結(jié)構(gòu)SEM照片（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。n為每個(gè)離子的電荷數(shù)緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。離子源其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安從上式可知，注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高質(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。投影射程也是停止點(diǎn)與靶表面的垂直距離。輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入±10％，1013ions/cm2以下的小劑量，擴(kuò)散無(wú)法實(shí)掃描種類(lèi)：靜電掃描、機(jī)械掃描、混合掃描、平行掃描投影射程也是停止點(diǎn)與靶表面的垂直距離。緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。投影射程也是停止點(diǎn)與靶表面的垂直距離。培）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。（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)中束流的束斑：1cm2緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況從上式可知，注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入q為電子電荷，等于1.離子注入層的深度依賴(lài)于離子能量、雜質(zhì)濃度依注入雜質(zhì)濃度不受硅片固溶度限制離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成劑量控制：法拉第環(huán)電流測(cè)量（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)緩沖氧554.1引言離子注入的概念：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，入射到硅片靶中進(jìn)行摻雜的過(guò)程。束流、束斑4.1引言離子注入的概念：束流、束斑56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中非常重要的技術(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57

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(lài)于離子能量、雜質(zhì)濃度依賴(lài)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)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)：58

離子注入的優(yōu)點(diǎn)：

3.雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好

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)：59

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.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)雜昂貴離子注入的優(yōu)點(diǎn)：604.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)注入劑量φ注入劑量φ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1.6×10－19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—束斑4.2離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)61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注入能量62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(chēng)為射程用R表示。這一距離在入射方向上的投影稱(chēng)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。射程、投影射程63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Rp64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)和能量損失都是隨機(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)離子的投影射程平均投影射程65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)66離子注入濃度分布

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φ為注入劑量

χ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其中φ為注入劑量67離子注入的濃度分布曲線離子注入的濃度分布曲線68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φ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濃度分布的最大濃度Nmax69離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度70RP和△RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341（一）各種離子在Si中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用入射能量2040671（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)RP和△RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用χ為離樣品表面的深度其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個(gè)離子的投影射程高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷n為每個(gè)離子的電荷數(shù)固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。可以獲得任意的雜質(zhì)濃度分布硅預(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)（silicononinsulator）A為注入面積，單位為cm2—束斑不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入濃度分布的最大濃度Nmax列舉離子注入優(yōu)于擴(kuò)散的6點(diǎn)確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。已知襯底摻雜濃度為1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入劑量：5.離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達(dá)到±2％而擴(kuò)散在（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP126207286349415480543606667（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)（二）各種72（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP437299125151176201226251（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)入射73（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)

入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP33567797118137157176195（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)入74例題：1.已知某臺(tái)離子注入機(jī)的束斑為2.0cm2、束流為2.0mA、注入時(shí)間為16ms，試計(jì)算硼離子（B+）注入劑量。（注：電子電荷q=1.6×10－19庫(kù)侖）

2.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1×1015cm-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。例題：754.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)2.注入損傷3.離子注入退火4.3離子注入效應(yīng)1.溝道效應(yīng)76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)。

沿<110>晶向的硅晶格視圖溝道效應(yīng)沿<110>晶向的硅晶格視圖77

控制溝道效應(yīng)的方法

1.傾斜硅片：常用方法

2.緩沖氧化層：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)量較大的原子控制溝道效應(yīng)的方法78

注入損傷

高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷

（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況注入損傷（a）輕離子損傷情況79離子注入退火工藝目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置從而實(shí)現(xiàn)電激活。1.高溫?zé)嵬嘶鹜ǔ５耐嘶饻囟龋海?50℃，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PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2

秒）內(nèi)完成退火。

優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)濃度分布基本不發(fā)生變化離子注入退火804.4離子注入的應(yīng)用

在先進(jìn)的CMOS工藝中，離子注入的應(yīng)用：

1.深埋層注入

2.倒摻雜阱注入

3.穿通阻擋層注入

4.閾值電壓調(diào)整注入

5.輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入

6.源漏注入

7.多晶硅柵摻雜注入

8.溝槽電容器注入

9.超淺結(jié)注入

10.絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入4.4離子注入的應(yīng)用在先進(jìn)的CMOS工藝中，離子注入81（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成賴(lài)于離子劑量，可以獨(dú)立地調(diào)整能量和劑量，精采用PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷采用PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺注入應(yīng)用非常有效其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）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)。采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分質(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。這一距離在入射方向上的投影稱(chēng)為投影射程Rp。（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)靜電掃描系統(tǒng)硅片冷卻：硅片溫升控制在50℃以下，氣冷和橡膠冷卻。確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。緩沖氧化層：離子通過(guò)氧化層后，方向隨機(jī)。深埋層注入高能（大于200KEV）離子注入，深埋層的作用：控制CMOS的閂鎖效應(yīng)（a）輕離子損傷情況82倒摻雜阱注入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。倒摻雜阱注入83穿通阻擋層注入作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。穿通阻擋層注入84閾值電壓調(diào)整注入NMOS閾值電壓公式：QBm＝q·NB·Xdm，QBm為表面耗盡層單位面積上的電荷密度閾值電壓調(diào)整注入85輕摻雜漏（LDD：Lightly

DopedDrain）注入輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）86源漏注入源漏注入87多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入

多晶硅柵摻雜注入88超淺結(jié)注入

超淺結(jié)超淺結(jié)注入超淺結(jié)89絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進(jìn)行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形成SOI結(jié)構(gòu)（silicononinsulator）

SOI結(jié)構(gòu)SEM照片絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入S904.5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4.5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91輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大。BF3、AsH3和吸極用于把離子從離子源室中引出。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)。這一距離在入射方向上的投影稱(chēng)為投影射程Rp。作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安大束流的束斑：3cm2從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投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。6×10－19庫(kù)侖）6×10－19庫(kù)侖）固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→離子注入系統(tǒng)輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）921.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1.離子源離子源932.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。2.引出電極（吸極）和離子分析器94質(zhì)量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。

分析磁體質(zhì)量分析器磁鐵分析磁體953.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3.加速管加速管964.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

掃描方式固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）固定束斑、移動(dòng)硅片（大束流）掃描種類(lèi)：靜電掃描、機(jī)械掃描、混合掃描、平行掃描4.掃描系統(tǒng)97靜電掃描系統(tǒng)

靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)985.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。5.工藝腔99劑量控制：法拉第環(huán)電流測(cè)量劑量控制：法拉第環(huán)電流測(cè)量100本章習(xí)題書(shū)中第17章：25、53、55、56本章習(xí)題書(shū)中第17章：25、53、55、56101SOI結(jié)構(gòu)SEM照片質(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。注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）輕摻雜漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入帶有一個(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列舉離子注入優(yōu)于擴(kuò)散的6點(diǎn)其中I為束流，單位是庫(kù)侖每秒（安培）采用PTP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。BF3、AsH3和（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp值(?)輕