離子注入工藝

離子注入工藝一．離子注入工藝設備結構離子注入機原理圖2025/1/522025/1/53二、離子注入工藝的特點(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。2025/1/54(2）可以精確控制注入到硅中的摻雜原子數(shù)目。（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。（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，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。-2025/1/55

（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。（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。（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。2025/1/56（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（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，基本不存在上述問題，因此容易實現(xiàn)對化合物半導體的摻雜2025/1/57基個概念：（1）靶：被摻雜的材料。（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，稱這部分離子為散射離子，進入靶內的離子成為注入離子。（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。2025/1/58三、離子注入原理“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。“等離子發(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。2025/1/59

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。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)或從原子之內游離，形成二次電子。2025/1/510離子在硅體內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、襯底晶向等有關。通常，在離子劑量和轟擊次數(shù)一致的前提下，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。2025/1/511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。2025/1/512

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<100>，<110>晶向注入時，往往會發(fā)生這種溝道效應，而<111>再偏離一定角度，情況就好得多。2025/1/513

離子注入時，由于受到高能量雜質離子的轟擊，硅片內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。與擴散一樣，離子注入也需要掩蔽，其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。2025/1/514§4.1核碰撞和電子碰撞

LSS理論:注入離子在靶內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。2025/1/515核碰撞和電子碰撞:2025/1/5162025/1/517（一）、核阻止本領能量為E的一個注入離子，在單位密度靶內運動單位長度時，損失給靶原子核的能量。2025/1/518（二）電子阻止本領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。2025/1/519（三）射程的概念2025/1/520§4.2注入離子的分布2025/1/521（一）縱向分布2025/1/522*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＝It/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=(It)/(qA)4.最大離子濃度：NMAX=2025/1/523*注入離子分布N(x)=Nmax

N(x):距表面x處的濃度,

Rp:查表所得的標準偏差Nmax:峰值濃度(x=Rp處)Rp:平均投影射程2025/1/524*離子注入結深計算2025/1/525(二）橫向效應2025/1/526橫向系數(shù):B>Sb,約0.5但比熱擴散小(0.75~0.85)2025/1/527(三)．溝道注入1、入射離子的阻擋作用與晶體取向有關,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。

2025/1/5283、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。2025/1/529

4、目前常用的解決方法有三種。（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；（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；

2025/1/530（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。這三種方法都是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。2025/1/531（四）復合（雙層）靶注入離子在兩層靶中均為高斯分布M1：Rp1,Rp1,d<Rp1

M2:Rp2,Rp2M1中未走完的路程2025/1/532§4.3注入損傷

一．損傷的形成2025/1/533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2025/1/534二.移位原子數(shù)的估算2025/1/535三．非晶層的形成2025/1/536四、損傷區(qū)的分布輕離子，電子碰撞為主，位移少，晶格損傷少2025/1/537重離子，原子碰撞為主，位移多，晶格損傷大2025/1/538．§4.4熱退火退火：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，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，電激活摻入的雜質分為普通熱退火、硼的退火特性、磷的退火特性、擴散效應、快速退火2025/1/5391．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。2025/1/5402．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。2025/1/5413．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600℃～800℃2025/1/542熱退火問題簡單、價廉激活率不高產(chǎn)生二次缺陷，桿狀位錯。位錯環(huán)、層錯、位錯網(wǎng)加劇2025/1/5434.擴散效應2025/1/5445.快速退火2025/1/545§4.5離子注入優(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2025/1/5466）由于注入粒子的直射性，雜質的橫向擴散??；7）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）工藝條件容易控制。

2025/1/547缺點：1）