第四章離子注入課件

第四章：離子注入摻雜技術(shù)之二為什么開發(fā)離子注入技術(shù)？隨著器件特征尺寸的減小，出現(xiàn)的一些特殊的摻雜（如小劑量淺結(jié)摻雜、深濃度峰分布摻雜等）擴散是無法實現(xiàn)的，而離子注入?yún)s能勝任。離子注入是繼擴散之后發(fā)展起來的第二種摻雜技術(shù)離子注入成為現(xiàn)代集成電路制造的主流工藝4.1

引

言4.1

引

言離子注入的概念：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，入射到硅片靶中進行摻雜的過程。束流、束斑離子注入的優(yōu)點：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?？梢垣@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點采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)離子注入的優(yōu)點：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)，均勻性達到±2％而擴

散在±

10％，1013ions/cm2以下的小劑量，擴散無法實現(xiàn)。摻雜溫度低注入可在125℃以下的溫度進行，允許使用不同的注入阻擋層（如光刻膠）增加了工藝的靈活離子注入的優(yōu)點：沾污少質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束， 減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝

也減少了摻雜沾污。無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：高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷注入設(shè)備復(fù)雜昂貴4.2

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：離子數(shù)/cm2I

—

束流，單位：庫侖/秒（安培）t

—注入時間，單位：秒q

—電子電荷，=1.6×10－19庫侖n

—每個離子的電注入能量離子的注入能量用電子電荷與電勢差的乘積來表

示。單位：千電子伏特（KEV）帶有一個正電荷的離子在電勢差為100KV的電場

運動，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，離子由進入到停止所走過的總距離，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與靶表面的垂直距離。投影射程示意圖第i個離子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi平均投影射程離子束中的各個離子雖然能量相等但每個離子與

靶原子和電子的碰撞次數(shù)和能量損失都是隨機的，使得能量完全相同的同種離子在靶中的投影射程也不等，存在一個統(tǒng)計分布。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個離子的投影射程離子注入濃度分布LSS理論描述了注入離子在無定形靶中的濃度分

布為高斯分布其方程為其中φ—注入劑量χ—離樣品表面的深度Rp—平均投影射程△Rp—投影射程的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差LSS- 1963年,Lindhard,Scharff

andSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論,簡稱LSS理論離子注入的濃度分布曲線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結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872ΔRP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279ΔRP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005ΔRP5999136172207241275308341RP和△RP的計算很復(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

(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007ΔRP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675ΔRP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015ΔRP126207286349415480543606667（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp

值

(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172ΔRP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859ΔRP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823ΔRP437299125151176201226251（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp

值

(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994ΔRP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437ΔRP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637ΔRP33567797118137157176195例題：1.

已知某臺離子注入機的束斑為2.0cm2、束流為2.0mA、注入時間為16ms，試計算硼離子（B+）

注入劑量。（注：電子電荷q

=

1.6×10－19庫侖）2.

在N型〈111〉襯底硅片上，進行硼離子注入，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，試計算硼離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。4.3

離子注入效應(yīng)溝道效應(yīng)注入損傷離子注入退火溝道效應(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（見下圖）就發(fā)生了溝道效應(yīng)。沿<110>晶向的硅晶格視圖控制溝道效應(yīng)的方法傾斜硅片：常用方法緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機。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（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況離子注入退火目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替

位位置從而實現(xiàn)電激活。高溫?zé)嵬嘶鹜ǔ５耐嘶饻囟龋海?50℃，時間：30分鐘左右缺點：高溫會導(dǎo)致雜質(zhì)的再分布?？焖贌嵬嘶鸩捎肞TP，在較短的時間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。優(yōu)點：雜質(zhì)濃度分布基本不發(fā)生變化4.4

離子注入的應(yīng)用在先進的CMOS

工藝中，離子注入的應(yīng)用：深埋層注入倒摻雜阱注入穿通阻擋層注入閾值電壓調(diào)整注入輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入源漏注入多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入超淺結(jié)注入絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入深埋層注入高能（大于200KEV）離子注入，深埋層的作用：控制CMOS的閂鎖效應(yīng)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CMOS器件的抗閂鎖能力。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。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輕摻雜漏（LDD：Lightly

Doped

Drain

）

注入源漏注入多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入超淺結(jié)注入超淺結(jié)絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形

成SOI結(jié)構(gòu)（silicon

oninsulator）SOI結(jié)構(gòu)SEM照片4.5

離子注入設(shè)備離子注入機主要由以下5個部分組成離子源引出電極（吸極）和離子分析器加速管掃描系統(tǒng)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)量分析器磁鐵分析器磁鐵形成90°角，其磁場使離子的軌跡偏轉(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.

加速管加速管用來加速正離子以獲得更高的速度（即動能）。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、移動束斑（中、小束流）固定束斑、移動硅片（大束流）掃描種類：靜電掃描、機械掃描、混合掃描、平行掃描靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)5.

工藝腔工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸