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1、微电子工艺原理与技术,李 金 华,第二篇 单项工艺1,华山风光,第四章 离子注入,主要内容,1. 什么是离子注入？ 2. 离子注入机的结构原理； 3. 注入离子与衬底原子的相互作用；垂直投影射程及标准偏差； 注入损伤及退火恢复；离子注入浅结的形成；SOI埋成的离子注入合成；问题和关注点-沾污和均匀性；理论模拟。,1.什么是离子注入？,离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离
2、子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一现象就叫做离子注入。 离子注入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入（金属离子注入）和新材料合成注入。,离子注入工艺的特点,低温工艺 注入剂量可精确控制 注入深度可控 4.不受固溶度限制 5.半导体掺杂注入需要退火以激 活杂质和消除损伤 6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能 7.无公害技术 8.可完成各种复合掺杂,离子注入的应用,1.P阱或N阱注入 10E12/cm2 2.阈值调整注入 10E11/cm2 3.场注入 10E12/cm2 4.源漏注入 10E15/cm2 5.隔离注入 10E15/cm2
3、 6.基区注入 10E12/cm2 7.发射、收集区注入 10E15/cm2 8.智能剥离氢注入 10E16/cm2 9.材料改性注入 10E16/cm2 10. SOI埋层注入 10E17-10E18/cm2,2.离子注入机的结构原理,离子注入机主要由以下几部分组成： 离子源 在起弧室内产生等离子体 2. 离子吸出系统 从源内引出离子束 3. 磁分析系统 从引出离子束中偏析出所需注入束 4. 加速系统 对注入离子束加速获得所需能量 5. 聚焦、扫描、偏转系统 调控注入离子束 6. 法拉第电荷计量系统 测控注入离子剂量 7. 装片、注入、出片系统 完成离子注入工艺 8. 真空系统 使束通道达到
4、10-3-10-5Pa的真空度 9. 冷却系统 对离子源、分析腔、注入靶等冷却,先加速后分析注入机结构示意,离子注入系统的原理示意图,国产中束流离子注入机,20-80KeV 400-500W/h,Vll Sta 810XEr 中束流注入机,Vll Sta 80HP 300mm 大束流注入机,1-80KeV FOR 90nm IC process,高能P阱注入机2keV - 900keV,VIISta 900XP 高能注入机,国产多功能离子改性注入机,无分析器 气体 金属 辅助 溅射 四种离子源,全方位离子注入,离子源的种类,潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等离子体，适合小束流气体离
5、子注入 2.热灯丝源（Freeman源） 靠灯丝发射电子激发等离子体，适合无氧气体离子的中小束流注入 3.溅射源 对Ar离子溅射出的金属离子起弧电离，获得等离子体，适合小束流高熔点金属离子注入 4.蒸发源 对金属蒸汽起弧电离形成等离子体，适合低熔点金属离子注入 5. MEVVA源（金属蒸汽真空弧离子源）新型的强流金属离子源，适合材料改性的无分析注入,大束流离子源（160XP）,中束流离子源（CF-3000）,Varian 注入机离子源,Eaton注入机 离子源,大束流离子源（8-10mA）,中束流离子源（NV-6200）,蒸发离子源的结构,磁分析器原理,设吸出电压为V，对电荷q的正离子，能量为
6、qV(eV)。,经过磁场强度为B、方向与离子运动方向垂直的分析腔，受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：,可见，偏转半径r与B成反比，与m成正比。对固定的离子注入机，分析器半径r和吸出电压固定，调节B的大小（励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。,BF3气源磁分析质谱,注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相同荷质比离子出现。如：N2+ 和Si+，N+ 和Si+ ，H2+ 和He+等。,磁分析器的分辨率,影响分辨率的还有： 吸出前源内离子的能量分散 对几keV的吸出电压，10eV左右的分散度可以忽略。 2.分析腔的出口宽度 分析腔
7、的出口宽度实际上改变了出射离子的半径，从而改变了荷质比。,对质量为m的离子，偏转半径为R，当质量为m+m的离子，进入磁分析器后，离子束将产生的位移距离为：,当D大于束的宽度加上出口狭缝的宽度，就称两种质量离子能分。通常采用 =90磁铁，R在1m左右。R大、M小时分辨率高。,离子束的加速和扫描,对先加速后分析系统，由于待分析离子的能量高，要求分析器有很大的半径。通常采用先分析后加速结构。加速系统使离子获得需要的注入能量。为了获得均匀的掺杂，常把注入束聚焦，并扫描，中、小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描，大束流注入机则采用混合扫描。大束流材料改性离子注入机采用无分析系统，吸出离子束不聚焦，面积
8、很大（直径在150mm-200mm），没有扫描和偏转系统，采用靶台转动来提高均匀性。对全方位离子注入机，样品的周围全部由等离子体包围，适当转动样品使注入均匀性提高。,全电扫描和混合扫描系统示意,全电扫描,混合扫描,离子束的偏转,离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是：1.去除中性原子在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的碰撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速度与离子一起运动。因为中性原子不带电，如果通过法拉第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出设定剂量。所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入束中去除中性原子。方法是在X扫描板上加上固定的直流偏压，带电的离子束将
9、向负电板方向偏转。一般将根据扫描板与法拉第筒的距离偏转角5-7。使中性束完全不能进入法拉第电荷测量系统。,2. 防止沟道效应对单晶材料的轴沟道和面沟道，由于散射截面小，注入离子可以获得很深的穿透深度，称为沟道效应。为了尽可能避免沟道效应，离子束在注入硅片时必须偏离沟道方向约7。通常，这种偏转是用倾斜硅片来实现。,沟道效应及避免方法,沟道效应示意,沟道临界角，即理论上会产生沟道效应的最大角度：,式中，E0 为注入能量，单位是keV；Zi，Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数，d为与注入方向一致的靶单晶的原子间距，单位为。除了转动靶片，还可以用事先生长氧化层或用Si、F等离子预非晶化的方法来消除沟
10、道效应。对大直径Si片，还用增大倾斜角的方法来保证中心和边缘都能满足大于临界角。,沟道效应及避免方法,硅中常用杂质的临界角,上：（111） 下：（100）,3. 离子与衬底原子的相互作用,注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离子的分布、衬底的损伤。注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电子的相互作用，称为电子阻止和离子与核的相互作用，称为核阻止。核阻止主要表现为库仑散射。电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度，其中 ke 是与离子和靶物质有关的比例常数：,Zi和Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数。,库仑散射,注入离子与靶原子核的相互作用，主要表现为库仑散射，b 为碰撞参数定义
11、为不发生散射时两原子核接近的最小距离。 利用靶离子加外电子 模型处理库仑散射。 符合动量守恒、 能量守恒和角 动量守恒。 在质心坐标系中有：,注入离子的能量损失为：,可见，注入离子单次散射的能量损失与入射能量成正比，与散射角（离子质量和碰撞参数）有关。,角动量守恒,动量守恒,能量守恒,库仑散射的能量损失,任何一次碰撞过程中的能量损失都是碰撞参数的敏感函数，碰撞参数b越小，能量损失越大。能量损失也是离子质量与靶原子质量之比的函数，比值越小，每次碰撞损失的能量越大。另外，能量损失也是能量自身的函数，当入射离子能量很低时，碰撞一般不能破坏靶原子的化学键，离子只能发生弹性碰撞，改变离子的运动方向，不会
12、损失很多能量。在同样能量下，靶原子质量越大，核阻止越大，靶原子质量越小电子阻止越大。核阻止使离子能量损失的最大值为：,各种杂质注入Si的电子阻止和核阻止,当Se 和Sn已知，得到投影射程和标准偏差如下：,实际上关于电子阻止和核阻止的经典模型有LSS（Linhard，Scharff，Schictt）理论给出，相关的投影射程和标准偏差也用数值计算给出。该理论结果与实际测量值十分吻合。通常可用查表得到。,4.平均投影射程及标准偏差,注入离子分布,离子注入衬底后与衬底原子碰撞，能量不断损失，轨迹不断变化，但服从统计分布。作为注入离子分布的一次近似，注入离子随深度的分布为：,式中，D为注入剂量，x为离表
13、面的深度。,平均投影射程及标准偏差,事实上，注入离子分布的一级近似为典型的高斯分布。平均投影射程RP 注入离子的最可几射程，代表了 离子的平均注入深度， 称为投影射程。 在RP处浓度最高， 为NP。用RP 表 示投影射程的标 准偏差。从公式 可见， RP 实际上 是浓度为0.61NP的 分布曲线半宽度。,无定形靶中离子注入的高斯分布,离子注入的平均投影射程,Si中N型杂质注入的RP和RP,Si中P型杂质注入的RP和RP,Si中其它杂质注入的RP和RP,GaAs中N型杂质注入的RP和RP,GaAs中P型杂质注入的RP和RP,SiO2中离子的 RP和RP,AZ111光刻胶中离子的RP和RP,各种离
14、子注入Si和SiO2中的投影射程,各种离子注入Si中的标准偏差,Si3N4中离子注入的投影射程,Si3N4中离子注入的标准偏差,能屏蔽注入离子的掩摸厚度,注入离子分布的高次矩,注入离子分布的高次矩有助于描述注入低浓度区的分布特点。分布的第i次矩定义为：,一次矩是归一化剂量； 二次矩是剂量和RP2 的乘积； 三次矩表示了分布的非对称性，用偏斜度 表示， = m3/ RP3 ， 0 表示x RP侧的浓度增加。 B+ 注入要用Pearson 型分布描述。,4. 四次矩与高斯峰值的畸变有关，畸变用峭度 表示： = m4/ RP4 高斯分布的峭度为3， 峭度越大，高斯曲线顶部越平。 、 可用蒙特卡罗模拟
15、得到，也可测量实际分布曲线拟合得出。,分布的高次矩,a 高斯分布 b 负偏斜度 c 大陡度,5. 注入损伤,离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产生大量的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子等缺陷称为一次缺陷。在剂量达到一定数值后，衬底单晶非晶化，形成无定型结构。使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈值剂量。不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量。轻原子的大、重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度低大，衬底温度高小。当衬底温度高于固相外延温度时，可以一直保持单晶。,几种常用杂质对硅注入的临界剂量,在合适的后续退火后，非晶层可以用固相外延的方式重新结晶。但在非晶
16、层后的损伤区域，仍会留下一定的点缺陷或其它一次性无法消除的缺陷。在退火时形成的缺陷为二次缺陷，它主要为点缺陷团聚形成的扩展缺陷。所以，离子注入后的缺陷，在退火后，主要分布在离子射程的尾部。Si的固相外延温度在550C附近。B注入产生的填隙原子浓度大于2e16/cm2时才产生二次缺陷；P、Si 等的填隙原子浓度达到5e16/cm2产生二次缺陷，而重离子由于非晶化剂量很小，不易产生二次缺陷。而轻离子注入退火时产生的是孤立的二次缺陷，重离子能产生较大的扩展缺陷，中等重量离子注入产生的填隙原子被束缚在缺陷群中，不能聚合成大的扩展缺陷。,离子注入损伤的RBS测量,阴影区算出的填隙硅原子浓度7e16/cm2是注入剂量的35倍,a 200keV，2E15 B+/cm2 b 未注入,退火和激活,退火的目的是激活掺杂原子和消除注入损伤。合适的退火工艺可以将注入杂质激活，将二次缺陷降低到最小，避免留下残余的扩展缺陷。常用的退火条件为：850C1000C，3060分，N2气氛。可以用高温快速退火来提高激活效率，防止杂质的深扩散。例如用11001200C,10-30秒的退火可以较充分地激活注入Si中的B、P、As。,
