為離子注入劑量課件

集成電路工藝原理

仇志軍zjqiu@邯鄲校區(qū)物理樓435室1集成電路工藝原理仇志軍1大綱第一章前言第二章晶體生長第三章實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章

熱氧化第六章熱擴(kuò)散第七章離子注入第八章薄膜淀積第九章刻蝕第十章后端工藝與集成第十一章未來趨勢(shì)與挑戰(zhàn)2大綱第一章前言2有關(guān)擴(kuò)散方面的主要內(nèi)容費(fèi)克第二定律的運(yùn)用和特殊解特征擴(kuò)散長度的物理含義非本征擴(kuò)散常用雜質(zhì)的擴(kuò)散特性及與點(diǎn)缺陷的相互作用常用擴(kuò)散摻雜方法常用擴(kuò)散摻雜層的質(zhì)量測(cè)量DistributionaccordingtoerrorfunctionDistributionaccordingtoGaussianfunction3有關(guān)擴(kuò)散方面的主要內(nèi)容費(fèi)克第二定律的運(yùn)用和特殊解Distri實(shí)際工藝中二步擴(kuò)散第一步為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre-deposition）（稱為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散）控制摻入的雜質(zhì)總量第二步為有限源的擴(kuò)散（Drive-in），往往同時(shí)氧化（稱為主擴(kuò)散或再分布）控制擴(kuò)散深度和表面濃度4實(shí)際工藝中二步擴(kuò)散第一步為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)

離子注入的基本過程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子在強(qiáng)電場中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)5什么是離子注入

離子注入的基本過程5離子注入特點(diǎn)可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）來達(dá)到各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1%variationacrossan8’’wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由度大離子注入屬于低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴(kuò)散橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)）有不安全因素，如高壓、有毒氣體6離子注入特點(diǎn)可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018cm磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶rBF3：B++，B+，BF2+，F(xiàn)+,BF+，BF++B10B117磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶rBF3：B++，B+，B源（Source）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，一般采用氣體源，如BF3，BCl3，PH3，AsH3等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。b)離子源（IonSource）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...離子源：B，

As，Ga，Ge，Sb，P，...8源（Source）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，一般離子注入過程是一個(gè)非平衡過程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來。停下來的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。9離子注入過程是一個(gè)非平衡過程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論——對(duì)在非晶靶中注入離子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱LSS理論。該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過程(1)核阻止（nuclearstopping）(2)電子阻止（electronicstopping）總能量損失為兩者的和10注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論——對(duì)在非晶靶中注入離子的核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論阻止本領(lǐng)（stoppingpower）：材料中注入離子的能量損失大小單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量(Sn(E),Se(E))。核阻止本領(lǐng)：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。電子阻止本領(lǐng)：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。11核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論阻止本領(lǐng)（stoppi-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)/截面(eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)N:靶原子密度～5

1022cm-3forSiLSS理論能量E的函數(shù)能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過x距離后損失的能量12-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率LSS理論能量E的函數(shù)核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子Z1=15,m1=31注入硅Z2=14,m2=28,計(jì)算可得：Sn~550keV-mm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)下標(biāo)1——離子，下標(biāo)2——靶對(duì)心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：13核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞摘自J.F.Gi1414電子阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。非局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運(yùn)動(dòng)方向電荷/動(dòng)量交換導(dǎo)致入射離子運(yùn)動(dòng)方向的改變（<核間作用）15電子阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于總阻止本領(lǐng)（Totalstoppingpower）核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）電子阻止本領(lǐng)在高能量下起主要作用核阻止和電子阻止相等的能量16總阻止本領(lǐng)（Totalstoppingpower）核阻止離子E2B17keVP150keVAs,Sb>500keVnnne17離子E2nnne17表面處晶格損傷較小射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損傷大18表面處晶格損傷較小射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損傷大18R：射程（range）離子在靶內(nèi)的總路線長度

Rp：投影射程（projectedrange）R在入射方向上的投影

Rp：標(biāo)準(zhǔn)偏差（Straggling），投影射程的平均偏差

R

：橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。射程分布：平均投影射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差

Rp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差

R

非晶靶中注入離子的濃度分布19R：射程（range）離子在靶內(nèi)的總路線長度Rp：標(biāo)準(zhǔn)2020投影射程Rp:RpDRpDR

RpDRpDR

RpDRpDR

21投影射程Rp:RpRpRp21注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應(yīng)和一級(jí)近似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式200keV注入元素原子質(zhì)量Sb122As74P31B11Cp22注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應(yīng)和一級(jí)近似下，注入離子在Q：為離子注入劑量（Dose）,單位為ions/cm2，可以從測(cè)量積分束流得到由，可以得到：

23Q：為離子注入劑量（Dose）,單位為ions/cm2，Q可以精確控制A為注入面積，I為硅片背面搜集到的束流（FaradyCup），t為積分時(shí)間，q為離子所帶的電荷。例如：當(dāng)A＝20×20cm2，I＝0.1mA時(shí)，而對(duì)于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為：B＋1-5×1012cm-2注入時(shí)間為~30分鐘對(duì)比一下：如果采用預(yù)淀積擴(kuò)散（1000

C），表面濃度為固溶度1020cm-3時(shí)，D～10-14cm2/s每秒劑量達(dá)1013/cm2I＝0.01mA～mA24Q可以精確控制A為注入面積，I為硅片背面搜集到的束流（Far常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差

Rp25常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的濃度和結(jié)深問題：140keV的B+離子注入到直徑為150mm的硅靶中。注入劑量Q=5×1014/cm2（襯底濃度2×1016/cm3）

1)試估算注入離子的投影射程，投影射程標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰值濃度、結(jié)深2)如注入時(shí)間為1分鐘，估算所需束流。26已知注入離子的能量和劑量，26【解】1)從查圖或查表得

Rp=4289?=0.43mm

Rp=855?=0.086mm峰值濃度

Cp=0.4Q/

Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019cm-3襯底濃度CB＝2×1016cm-3

xj=0.734mm2)注入的總離子數(shù)

Q＝摻雜劑量×硅片面積＝5×1014×[

(15/2)2]=8.8×1016離子數(shù)

I＝qQ/t＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60sec=0.23mA27【解】1)從查圖或查表得27注入離子的真實(shí)分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布當(dāng)輕離子硼（B）注入到硅中，會(huì)有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會(huì)引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。28注入離子的真實(shí)分布真實(shí)分布非常復(fù)雜，不服從嚴(yán)格的高斯分布28橫向效應(yīng)

橫向效應(yīng)指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況橫向效應(yīng)影響MOS晶體管的有效溝道長度。

R

（μm）29橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)影響MOS晶體管的有效溝道長度。R（35keVAs注入120keVAs注入3035keVAs注入120keVAs注入30注入掩蔽層——掩蔽層應(yīng)該多厚？如果要求掩膜層能完全阻擋離子xm為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度Rp*為離子在掩蔽層中的平均射程，DRp*為離子在掩蔽層中的射程標(biāo)準(zhǔn)偏差31注入掩蔽層——掩蔽層應(yīng)該多厚？如果要求掩膜層能完全阻擋離子x解出所需的掩膜層厚度：穿過掩膜層的劑量：余誤差函數(shù)32解出所需的掩膜層厚度：穿過掩膜層的劑量：余誤差函數(shù)32離子注入退火后的雜質(zhì)分布Dt

D0t0＋Dt一個(gè)高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值濃度發(fā)生改變。33離子注入退火后的雜質(zhì)分布DtD0t0＋Dt一個(gè)高斯分布典型離子注入?yún)?shù)離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：1011~1018cm-2能量：1–400keV可重復(fù)