第四章 离子注入PPT

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1、,第四章 离子注入,本章内容,概述 离子注入基本原理 射程与注入离子的分布 离子注入设备系统 实际的入射离子分布问题 注入损伤与退火 离子注入在MOS IC中的应用,概述,离子注入技术是六十年代发展起来，目前在IC制造中占主导地位的一种掺杂技术 基本原理将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子，并使其在电场中加速，获得一定能量后，直接轰击到半导体基片内，使之在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂的作用。 一般CMOS工艺流程需612次离子注入 典型的离子注入工艺参数：能量约5200KeV，剂量约10111016/cm2，注入深度平均可达10nm10um,离子注入技术的特点,杂质纯 剂量均匀 温度低、掩

2、蔽方便 杂质分布灵活 杂质不受固溶度的限制 横向扩散小 适合实现化合物半导体的掺杂 缺点：造成晶格损伤、设备昂贵等,离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。,离子注入基本原理,1.1 离子的碰撞,1）离子和核外电子的碰撞：可看成非弹性碰撞。由于离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失很少的离子能量，且是小角度散射。 Se电子阻止 散射方向是随机的，多次散射的结果，离子运动方向基本不变。 阻止本领：材料中注入离子的能量损失大小。,而吸收离子能量的电子，将会： 使原子的外层电子脱离靶

3、材，产生二次电子； 使原子中的电子能级发生跃迁，回落时，释放能量，放出光子而发光。,电子阻止： 对于轻离子、高能量条件下占主导地位,2）离子与靶原子核碰撞：可看作弹性碰撞。因两者的质量往往是同一个量级，一次碰撞可以损失较多能量，且可能发生大角度散射。 定义核阻止： 当能量较低时，E Sn 当能量较高时，E Sn,能量损失率与离子能量的关系,Sn在某个能量处有极大值，重离子、低能量时核阻止占主导地位,离子注入的能量损失机制,获得一定能量后的靶原子核可能离开原来的晶格位置。 若进入晶格间隙，留下空位，形成缺陷； 还可以继续碰撞另外一个原子核，使一系列核离开晶格位置，造成晶体损伤。 当剂量很高时，甚

4、至可以使单晶硅严重损伤以至变成无定形硅。,-dE/dx：能量损失梯度 E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 Sn(E)：核阻止本领 Se(E)：电子阻止本领 C: 靶原子密度 51022 cm-3 for Si,能量为E的入射粒子在密度为C的靶内走过x距离后损失的能量,单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)） 和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。,(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略 (2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要 (3)高能区：Se(E) 占主要地位， Sn(E) 可忽略,则入射离子总的能量损失为：,射程R : 离子从进入靶开

5、始到停止点所通 过的总路程叫射程。,投影射程xp : 射程在离子入射方向的投影长度 称作投影射程。,1.2几个基本概念：射程、投影射程及标准偏差,射程横向分量Xt：射程在垂直于入射方向的平面内的投影长度,射程、投影射程及标准偏差,平均投影射程RP ：虽然入射到靶内的是同一种离子、具有的能量也相同，但是各个入射离子进入靶后所经历的碰撞过程是一个随机过程，所以各个离子的射程和投影射程不一定相同。大量入射离子投影射程的统计平均值称作平均投影射程，用RP表示。 标准偏差Rp：各个入射离子的投影射程 xp 分散地分布在平均投影射程 RP 周围，用标准偏差Rp 表示 xp 的分散情况。,1.3 注入离子的

6、分布,LSS理论：有很多科学家对于离子注入后的杂质分布做了深入的研究，其中最有名的也是最成功的是LSS理论。它是Linhard、Scharff和Schiott三人首先确立的。 根据LSS射程分布的理论，离子注入非晶靶后的杂质浓度以高斯函数的形式分布,Rp ：标准偏差,RP：平均投影射程,xp ：投影射程,Cmax：峰值处的离子浓度,C(xp)：表示距靶表面深度为xp处的注入离子浓度,如果把杂质浓度分布公式对 xp 积分，就得到单位面积的表面层中注入的总离子数，即注入剂量NS,经变换和简化后，可以得到注入剂量、标准偏差和峰值浓度之间的近似关系：深度为Rp时的离子浓度为最大值。,注：注入剂量和杂质

7、浓度的关系,剂量（个数/面积）：往下看，单位面积下所有深度内有多少条鱼,浓度（个数/体积）：特定区 域单位体积内有多少条鱼,常用离子在硅中的射程等数据,200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图,硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图,高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好,根据离子注入条件计算杂质浓度的分布,已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材（衬底Si,SiO2,Si3N4等） 求解step1：查LSS表可得到Rp和Rp 已知离子注入时的注入束流I，靶面积A,注入时间t 求解step2:计算离子注入剂量： 求解step3：计算杂质最大浓度： 求解step4:写出杂

8、质浓度分布公式：,根据公式，可求解,某深度Xj处浓度C(Xj); 峰值浓度Cmax； 平均浓度 结深Xj：假设衬底为反型杂质，且浓度为CB，由C(Xj）=CB，可得,2. 离子注入设备系统,离子注入三大基本要素： 离子的产生 离子的加速 离子的控制 离子注入系统的三大组成部分: 1）离子源杂质离子的产生 2）加速管杂质离子的加速 3）终端台离子的控制,2. 离子注入设备系统,离子源,质量分析器,加速管,聚焦系统,扫描部件,真空系统,电流积分仪,注入靶室,2.1 离子源产生注入离子的发生器,原理：利用等离子体，在适当的低压下，把气体分子借电子的碰撞而离化，产生注入机所需的杂质离子。 杂质气体（或

9、固态源） PH3，AsH3，BF3 放电室：低气压、分解离化气体 BF3 B,B+,BF2+,F-,.,离子分离器（目的：把离子源弧光反应室当中产生的杂质离子分离出来。）,引出狭缝： 负电位，吸引出离子。 离子束流量（最大mA量级）吸极电压Vext:1530KV，决定引出离子的能量（速度）,通过吸极电源把离子从离子源引出,离子源,离子源和吸极交互作用装配图,2.2 质量分析器,从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选出来。离子注入机中采用磁分析器分析。 原理：利用不同质量和不同带电荷数的离子，在经过磁场时，受电磁力

10、的效应，进行不同曲率的圆弧运动来进行 作用：选择注入所需的特定电荷的杂质离子,分析磁体,可变狭缝,磁分析器,一个质量数为M的正离子，以速度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径为R。,v,其中：V 为减速电极后电压（伏特），nq为离子的总电荷数，B 是磁场强度（特）。 可知：对不同杂质，m，r； 对同一种杂质，nq，r。,离子在行径质量分析器所受的电磁力：,离子运动路径：,离子运动速率：,离子回转半径与分离电压的关系：,质量分析器及离子源在注入机中的相对位置,出口狭缝： 只允许一种 （m/q)的离 子离开分析仪,2.3 加速器,加速离子，获得所需能量；高真

11、空（10-6Torr） 静电加速器：调节离子能量,Figure 17.15,离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直径为几毫米。 静电透镜：离子束聚焦 静电偏转系统：滤除中性粒子,带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，成为中性的粒子。,X方向扫描板,Y方向扫描板,扫描范围,中性束偏转板,+,-,没有偏转

12、的中性束粒子继续向前,对于出现在扫描 系统以前的中性粒子 ，扫描电场对它已不 起作用。计算注入离 子数量的电荷积分仪 也检测不到，所以这 些中性粒子进入硅片 后就将造成局部区域 的浓度比其它地方高。,中性束造成的注入不均匀性,2.4 电子簇射器,离子束膨胀注入正离子使靶表面积聚很多正电荷，从而使后续注入的正离子的运动方向受到影响，产生注入膨胀，造成注入离子均匀性变差，严重影响器件特性。 解决方法：再注入电子，使之与正电荷中和。,二次电子,电子簇射器,Figure 17.23,2.5终端台：控制离子束扫描和计量,1）离子束扫描： 扫描方式：静电扫描、机械扫描和混合扫描。常用静电扫描和混合扫描。

13、静电光栅扫描适于中低束流机，机械扫描适于强束流机。,两种注入机扫描系统,法拉第杯电流测量,离子注入机示意图,工艺控制参数,杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P+，B+， 注入能量（单位：Kev）决定杂质分布深度和形状，10200Kev 注入剂量（单位：原子数/cm2）决定杂质浓度 束流（单位：mA或uA）决定扫描时间 注入扫描时间（单位：秒）决定注入机产能 当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高 扫描时间太短，会影响注入的均匀性（一般最短10s）,注入机分类,3.实际入射离子分布问题3.1沟道效应,LSS理论是以非晶靶作为研究对象，故入射离子受到的碰撞过程是随机的；靶对离

14、子的阻止作用是各向同性的，因此一定能量的离子沿不同方向射入靶内将会得到相同的平均射程。 实际离子注入到单晶靶中，因此靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与靶晶体取向有关。 如果沿着某些晶向观察硅晶体，可看到一些由原子列包围成的直通道，好像管道一样，称作沟道。,100晶向,110晶向,离子进入的角度及通道,沟道效应:在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，部分离子可能无阻挡地行进很长距离，造成较深的杂质分布，形成通道。,沿晶轴向和偏转10方向的晶体结构视图,通道效应的克服办法,斜面注入（7角）：将硅晶片偏离主平面5-10度，也能有防止离子进入沟道的效果图(b) 。此方法大部分的注入机器将

15、硅晶片倾斜7度并从平边扭转22度以防止沟道效应。 SiO2薄层散射离子：覆盖一层非晶体的表面层、将硅晶片转向或在硅晶片表面制造一个损伤的表层。常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层（200-250埃）图(a)，此层可使离子束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅晶片而不直接进入硅晶体沟道。,衬底非晶化预处理。先注入大剂量硅或Ar+以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生一个随机层图(c)，这种方法需使用昂贵的离子注入机。,通道效应的克服办法,40 kev P+31注入到硅中的浓度分布,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0m,计 数,104,103,102,10,注入深度,对准,偏 2,偏 8

16、,3. 2实际入射离子分布问题横向分布,横向注入效应：横向离散是离子在靶中行进的重要效应之一。是杂质离子与硅原子碰撞所产生的散射而引起的。 当透过厚掩膜（掩膜厚度Rp+Rp）窗口进行注入时，窗口边缘附近的离子浓度服从余误差分布。 假设窗口宽度为2a,当a Rt时，有,窗口边缘处浓度为同等深度窗口中心部位浓度的1/2,注入离子的横向分布对于自对准源漏注入工艺是一个基本限制因素,决定器件的电学沟道长度,横向系数大约 在0.5左右,35 keV As注入,120 keV As注入,横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度,4. 注入损伤与退火,注入损伤的形成： 高能入射离子与靶原子核发生碰撞时，使靶原子离开初始晶格位置，并引发连续碰撞，引起大量靶原子偏离晶格位置，产生空位和填隙原子等晶格损伤。 注入损伤阈值剂量： 超过某一剂量注入后，形成完全损伤，晶体的长程有序被破坏。 离子越轻，阈值剂量越高；温度越高，阈值剂量越高。,注入损伤的分类： 一次缺陷：注