第七章：離子注入.ppt

1、第七章：離子注入,摻雜技術(shù)之二,7.1 引 言,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硅片靶中進(jìn)行摻雜的工藝過程。,離子注入系統(tǒng)圖,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)散是無法實(shí)現(xiàn)的，而離子注入?yún)s能勝任。,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于離子能量、雜質(zhì)濃度依 賴于離子劑量，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)

2、 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. 雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性很好 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)： 5. 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。 6. 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(diǎn)： 1

3、. 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,7.2 離子注入工藝原理,離子注入?yún)?shù) 注入劑量 注入劑量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，單位是庫侖每秒（安 培） t為注入時間，單位是秒 q為電子電荷，等于1.61019庫侖 n為每個離子的電荷數(shù) A為注入面積，單位為cm2,注入能量 離子注入的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(yùn)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(jìn)行能量的交

4、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(diǎn)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)和損失能量都是隨機(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

5、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,其中為注入劑量 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,離子注入濃度分布的最大濃度Nmax 從上式可知，注入離子的劑量越大，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,離子注入的濃度分布曲線,RP和RP的計(jì)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 (),（三）各種離子在SiO2中的Rp和Rp 值 (),（四）各種離子在Si3N4中的Rp和Rp 值 (),

6、利用下表計(jì)算離子注入結(jié)深Xj,例題： 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11015cm-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。,7.3 離子注入設(shè)備,離子注入機(jī)主要由以下5個部分組成 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,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

7、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(jìn)行掃描。 束斑 中束流的束斑：1cm2 大束流的束斑：3cm2 掃描方式 1. 固定硅片、移動束斑（中、小束流） 2. 固定束斑、移動硅片（大束流）,掃描種類 1. 靜電掃描：在一套X-Y電極上加特定電壓使離子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)注入到固定的硅片上。屬于固定硅片、移動束斑的掃描方

8、式。 2. 機(jī)械掃描：硅片放在輪盤上旋轉(zhuǎn)，并上下移動。屬于固定束斑、移動硅片的掃描方式。 3. 混合掃描：硅片放在輪盤上旋轉(zhuǎn)，沿Y方向掃描，離子束沿X方向靜電掃描。束斑和硅片都動。 4. 平行掃描：靜電掃描+磁場控制角度,靜電掃描系統(tǒng),靜電掃描系統(tǒng),機(jī)械掃描系統(tǒng),5. 工藝腔 工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸硅片的終端臺、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。,劑量控制：法拉第環(huán)電流測量,7.4 離子注入效應(yīng),1. 溝道效應(yīng) 2. 注入損傷,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)。硅片傾斜是減小溝道

9、效應(yīng)的常用辦法。硅片傾斜使單晶在離子入射方向上按非晶無定型結(jié)構(gòu)處理和理論吻合得很好。（100）晶向的硅片常用的角度是偏離垂直方向7注入機(jī)在出廠前就把角度調(diào)好。,溝道效應(yīng),沿晶向的硅晶格視圖,發(fā)生溝道效應(yīng)的雜質(zhì)分布曲線,控制溝道效應(yīng)的方法 1. 傾斜硅片：常用方法 2. 屏蔽氧化層：離子通過氧化層后，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,注入損傷 高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷，減少注入損傷的常用辦法是退火，退火的另一個作用是電激活注入雜質(zhì)。常用的退火方法有以下兩種： 1. 高溫退火 2. 快速熱退火,（a）輕離子損傷

10、情況 （b）重離子損傷情況,7.5 離子注入退火,退火工藝目的： 消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替位位置而實(shí)現(xiàn)電激活。 1. 高溫?zé)嵬嘶?通常的退火溫度：磷、砷 650，硼 920，時間：30分鐘左右 缺點(diǎn)：高溫會導(dǎo)致雜質(zhì)的再分布。,2 . 快速熱退火 采用高頻加熱等方法瞬時內(nèi)使晶片的某個區(qū)域加熱到極高的溫度，在較短的時間（103102 秒）內(nèi)完成退火。 優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)濃度分布基本沒變化,7.6 離子注入的應(yīng)用,在先進(jìn)的CMOS IC制造中，離子注入有以下應(yīng)用 1. 深埋層 2. 倒摻雜阱 3. 穿透阻擋層 4. 閾值電壓調(diào)整 5. 輕摻雜漏區(qū)（LDD）,6. 源漏注入 7. 多晶硅柵摻雜 8

11、. 溝槽電容器 9. 超淺結(jié) 10. 絕緣體上的硅（SOI）,深埋層 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 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。,穿通阻擋層 作用：防止溝道很短的亞微米器件源漏穿通，保證源漏耐壓。,調(diào)節(jié)閾值電壓 閾值電壓公式： QBmqNBXdm， 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 溝槽電容器,超淺結(jié),超淺結(jié),絕緣體上的硅（SOI） 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)（silicon on insulator）,SOI結(jié)構(gòu)SEM照片,本章習(xí)題