離子注入+最詳細(xì)的課件

1、第 5 章 離子注入,離子注入是另一種對半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的方法。將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場中加速而獲得極高的動(dòng)能后，注入到硅中（稱為 “靶” ）而實(shí)現(xiàn)摻雜。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子束的性質(zhì) 離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場或磁場偏轉(zhuǎn)，能在電場中被加速而獲得很高的動(dòng)能。 離子束的用途 摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的離子能量 E ， E 50 KeV ，注入摻雜,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子束加工方式 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（掃描方式，或聚焦離子束 (FIB) 方式）,掩模方式是對整個(gè)硅片進(jìn)行均勻的地毯式

2、注入，同時(shí)象擴(kuò)散工藝一樣使用掩蔽膜來對選擇性區(qū)域進(jìn)行摻雜。擴(kuò)散工藝的掩蔽膜只能是 SiO2 膜 ，而離子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜 ，也可以是光刻膠等其他薄膜。 掩模方式用于摻雜與刻蝕時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，設(shè)備相對簡單，控制容易，所以應(yīng)用比較早，工藝比較成熟。缺點(diǎn)是 需要制作掩蔽膜。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入,離子注入+最詳細(xì)的課件,聚焦方式的優(yōu)點(diǎn)是不需掩模，圖形形成靈活。缺點(diǎn)是 生產(chǎn)效率低，設(shè)備復(fù)雜，控制復(fù)雜。聚焦方式的關(guān)鍵技術(shù)是 1、高亮度、小束斑、長壽命、高穩(wěn)定的離子源； 2、將離子束聚焦成亞微米數(shù)量級細(xì)束并使之偏轉(zhuǎn)掃描的離子光學(xué)系統(tǒng)。,離子注入+最詳細(xì)的課件,5.1 離子

3、注入系統(tǒng),離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 質(zhì)量分析器：不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷，因而在質(zhì)量分析器磁場中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。 加速器：為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。 中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。 聚焦系統(tǒng)：將離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。 偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：使離子束沿 x、y 方向掃描。 工作室（靶室）：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入+最詳細(xì)的課件,一、離子源 作用：產(chǎn)生所需種類

4、的離子并將其引出形成離子束。 分類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（LMIS）。,掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源，其典型的有效源尺寸為 100 m ，亮度為 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式則需要高亮度小束斑離子源，當(dāng)液態(tài)金屬離子源（LMIS）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。LMIS 的典型有效源尺寸為 5 500 nm，亮度為 106 107 A/cm2.sr 。,離子注入+最詳細(xì)的課件,1、等離子體型源,這里的 等離子體 是指部分電離的氣體。雖然等離子體中的電離成分可能不到萬分之一，其密度、壓力、溫度等物理量仍與普通氣體相同，正、負(fù)電荷數(shù)相等，宏觀上仍為電中性

5、，但其電學(xué)特性卻發(fā)生了很大變化，成為一種電導(dǎo)率很高的流體。,產(chǎn)生等離子體的方法有熱電離、光電離和電場加速電離。大規(guī)模集成技術(shù)中使用的等離子體型離子源，主要是由電場加速方式產(chǎn)生的，如直流放電式、射頻放電式等。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子源,Gas,放電腔,磁鐵,吸極,燈絲,離子注入+最詳細(xì)的課件,2、液態(tài)金屬離子源（LMIS）,LMIS 是近幾年發(fā)展起來的一種 高亮度小束斑 的離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成 納米量級 的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、離子束刻蝕等。,LMIS 的類型

6、、結(jié)構(gòu)和發(fā)射機(jī)理,針形,V 形,螺旋形,同軸形,毛細(xì)管形,液態(tài)金屬,鎢針,類型,離子注入+最詳細(xì)的課件,對液態(tài)金屬的要求 (1) 與容器及鎢針不發(fā)生任何反應(yīng)； (2) 能與鎢針充分均勻地浸潤； (3) 具有低熔點(diǎn)低蒸汽壓，以便在真空中及不太高的溫度下既保持液態(tài)又不蒸發(fā)。 能滿足以上條件的金屬只有 Ga、In、Au、Sn 等少數(shù)幾種，其中 Ga 是最常用的一種。,離子注入+最詳細(xì)的課件,E1 是主高壓，即離子束的加速電壓；E2 是針尖與引出極之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針尖表面上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出；E3 是加熱器電源。,E1,E2,E3,針尖的曲率半徑為 ro = 1 5 m，改變 E2 可以

7、調(diào)節(jié)針尖與引出極之間的電場，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個(gè)圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃?僅有 10 nm 的數(shù)量級，這就是 LMIS 能產(chǎn)生小束斑離子束的關(guān)鍵。,引出極,離子注入+最詳細(xì)的課件,當(dāng) E2 增大到使電場超過液態(tài)金屬的場蒸發(fā)值（ Ga 的場蒸發(fā)值為 15.2V/nm）時(shí)，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場蒸發(fā)與場電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形成離子束。 若改變 E2 的極性 ，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。,E1,E2,E3,引出極,離子注入+最詳細(xì)的課件,共晶合金 LMIS 通常用來對各種半導(dǎo)體進(jìn)行離子注入摻雜的元素因?yàn)槿埸c(diǎn)高或蒸汽壓

8、高而無法制成單體 LMIS 。,根據(jù)冶金學(xué)原理，由兩種或多種金屬組成的合金，其熔點(diǎn)會(huì)大大低于組成這種合金的單體金屬的熔點(diǎn)，從而可大大降低合金中金屬處于液態(tài)時(shí)的蒸汽壓。,離子注入+最詳細(xì)的課件,例如，金和硅的熔點(diǎn)分別為 1063 oC 和 1404 oC，它們在此溫度時(shí)的蒸汽壓分別為 10-3 Torr 和 10-1 Torr。當(dāng)以適當(dāng)組分組成合金時(shí)，其熔點(diǎn)降為 370 oC ，在此溫度下，金和硅的蒸汽壓分別僅為 10-19 Torr 和 10-22 Torr。這就滿足了 LMIS 的要求。 對所引出的離子再進(jìn)行 質(zhì)量分析，就可獲得所需的離子。,離子注入+最詳細(xì)的課件,LMIS 的主要技術(shù)參數(shù),

9、(1) 亮度,亮度的物理意義為 單位源面積發(fā)射的進(jìn)入單位立體角內(nèi)的離子束電流 。LMIS 的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是亮度高 ，其典型值為 = 106 107 A/cm2.sr 。,(2) 能散度 能散度是 離子束能量分布的半高寬度 。LMIS 的主要缺點(diǎn)是能散度大，這將引起離子光學(xué)系統(tǒng)的色散，使分辨率下降。,(3) 離子束斑尺寸 通常為 5 500 nm。,離子注入+最詳細(xì)的課件,二、質(zhì)量分析系統(tǒng) 1、 質(zhì)量分析器 由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成 ，E 與 B 的方向相互垂直。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的 荷質(zhì)比 qo 為,對于荷質(zhì)比為

10、 qo 的所需離子，可通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓 Vf 或偏轉(zhuǎn)磁場 B，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過光闌。,通常是調(diào)節(jié) Vf 而不是調(diào)節(jié) B。,離子注入+最詳細(xì)的課件,下面計(jì)算當(dāng)荷質(zhì)比為 qo 的離子不被偏轉(zhuǎn)時(shí)，具有荷質(zhì)比為qs = q/ms 的其它離子被偏轉(zhuǎn)的程度。該種離子在 y 方向受到的加速度為,該種離子在受力區(qū)域（0 Lf ）內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程為,從上式消去時(shí)間 t ，并將 ay 代入，得,離子注入+最詳細(xì)的課件,由此可得偏轉(zhuǎn)量 Db 為,離子注入+最詳細(xì)的課件,將前面的 B 的表達(dá)式 代入 Db ，得,離子注入+最詳細(xì)的課件,討論 (1) 為屏蔽荷質(zhì)比為 qs 的離子，光闌半徑 D 必

11、須滿足,(2) 若 D 固定，則具有下列荷質(zhì)比的離子可被屏蔽，,而滿足下列荷質(zhì)比的離子均可通過光闌，,以上各式可用于評價(jià) 質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。,離子注入+最詳細(xì)的課件,2、磁質(zhì)量分析器,光闌1,光闌2,為向心力，使離子作圓周運(yùn)動(dòng)，其,半徑為,離子注入+最詳細(xì)的課件,從上式可知，滿足荷質(zhì)比 的離子可通過光闌 2。,或者對于給定的具有荷質(zhì)比為 qo 的離子，可通過調(diào)節(jié)磁場 B 使之滿足下式，從而使該種離子通過光闌 2，,另外，若固定 r 和 Va ，通過連續(xù)改變 B ，可使具有不同荷質(zhì)比的離子依次通過光闌 2，測量這些不同荷質(zhì)比的離子束流的強(qiáng)度，可得到入射離子束的質(zhì)譜分布。,其余的離子則不能通過

12、光闌 2，由此達(dá)到分選離子的目的。,離子注入+最詳細(xì)的課件,兩種質(zhì)量分析器的比較 在 質(zhì)量分析器中，所需離子不改變方向，但在輸出的離子束中容易含有中性粒子。磁質(zhì)量分析器則相反，所需離子要改變方向，但其優(yōu)點(diǎn)是中性粒子束不能通過。,離子注入+最詳細(xì)的課件,三、加速器 產(chǎn)生高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。,離子注入+最詳細(xì)的課件,四、聚焦系統(tǒng) 和 中性束偏移器 用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束，并利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。,離子注入+最詳細(xì)的課件,五、偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng) 用來使離子束沿 x、y 方向在一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。,離子注入+最詳細(xì)的課

13、件,掃描系統(tǒng),離子注入+最詳細(xì)的課件,全電掃描和混合掃描系統(tǒng)示意,全電掃描,混合掃描,離子注入+最詳細(xì)的課件,六、工作室（靶室） 放置樣品的地方，其位置可調(diào)。,離子注入+最詳細(xì)的課件,七、離子束電流的測量,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入機(jī)的種類,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入過程：入射離子與半導(dǎo)體（稱為靶）的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)后，因動(dòng)能耗盡而停止在靶中的某處。,5.2 平均投影射程,離子注入+最詳細(xì)的課件,射程：離子從入射點(diǎn)到靜止點(diǎn)所通過的總路程 平均射程：射程的平均值，記為 R 投影射程：射程在入射方向上的投影長度，記為 xp 平均投影

14、射程：投影射程的平均值，記為 RP 投影射程的標(biāo)準(zhǔn)偏差：,離子注入+最詳細(xì)的課件,平均投影射程與初始能量的關(guān)系,由此可得平均投影射程為,入射離子能量損失的原因是受到 核阻擋 與 電子阻擋。,核阻擋本領(lǐng),電子阻擋本領(lǐng),一個(gè)入射離子在 dx 射程內(nèi)，由于與核及電子碰撞而失去的總能量為,離子注入+最詳細(xì)的課件,Se 的計(jì)算較簡單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。,Sn 的計(jì)算比較復(fù)雜，而且無法得到解析形式的結(jié)果。下圖是數(shù)值計(jì)算得到的曲線形式的結(jié)果。,在 E = E2 處，Sn = Se 。,離子注入+最詳細(xì)的課件,(2) 當(dāng) E0 大于 E2 所對應(yīng)的能量值時(shí)，Sn Se ，以電子阻擋為主，此時(shí)散

15、射角較小，離子近似作直線運(yùn)動(dòng)，射程分布較為集中。隨著離子能量的降低，逐漸過渡到以核阻擋為主，離子射程的末端部分又變?yōu)檎劬€。,(1) 當(dāng)入射離子的初始能量 E0 小于 E2 所對應(yīng)的能量值時(shí) ， Sn Se ，以核阻擋為主，此時(shí)散射角較大，離子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。,離子注入+最詳細(xì)的課件,Rp 與 RP 的關(guān)系,式中，M1、M2 分別是入射離子和靶原子的質(zhì)量。,在實(shí)際工作中，平均投影射程 RP 及標(biāo)準(zhǔn)偏差 RP 與注入能量 E 的關(guān)系可從圖 5.9 或下表查到。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入+最詳細(xì)的課件,硅中離子注入能量 ( KeV ) 與平均投影射程 ( ) 的對應(yīng)關(guān)

16、系,離子注入+最詳細(xì)的課件,一、非晶靶中注入離子的濃度分布 非晶靶中注入離子的濃度分布為高斯分布，,5.3 注入離子的濃度分布,式中，Q 為注入離子的 劑量，,離子注入+最詳細(xì)的課件,注入離子濃度分布的主要特點(diǎn) 1、最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處而不是表面，,注入離子的劑量 Q 越大，濃度峰值 Nmax 就越高；注入離子的能量 E 越大，RP 、RP 就越大，Nmax 就越低。,2、在 x = RP 的兩側(cè)，注入離子的濃度對稱地下降，且下降速度越來越快，,離子注入+最詳細(xì)的課件,3、結(jié)深,得,4、注入雜質(zhì)的表面濃度,令,離子注入+最詳細(xì)的課件,5、雜質(zhì)的橫向擴(kuò)展比擴(kuò)散工藝要小得多 注入離

17、子濃度在空間的三維分布為,在表面 x = 0 處，,在平均投影射程 x = Rp 處，,離子注入+最詳細(xì)的課件,注入離子沿 y 方向的橫向結(jié)深的計(jì)算。在表面處，令,得表面處的橫向結(jié)深為,橫向結(jié)深在 x = Rp 處達(dá)到最大。在 x = Rp 處，令,得 x = Rp 處的橫向結(jié)深為,離子注入+最詳細(xì)的課件,與 縱向結(jié)深 相比，,可知 橫向結(jié)深明顯小于縱向結(jié)深 。,將 x = Rp 處的最大 橫向結(jié)深,離子注入+最詳細(xì)的課件,二、雙層靶中注入離子的濃度分布,目的 1、在實(shí)際工藝中，常常讓離子穿過表面的薄膜注入到下面的襯底中；,2、確定能夠掩蔽雜質(zhì)注入的掩蔽膜的厚度。,以 “ SiO2 - Si

18、” 雙層靶為例。設(shè)注入的總劑量為 Qt ，進(jìn)入SiO2 中和進(jìn)入 Si 中的劑量分別為 QO 和 QS ，SiO2 的厚度為 dO ， 雜質(zhì)在 SiO2 和 Si 中的平均投影射程和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為,離子注入+最詳細(xì)的課件,則 SiO2 中的注入離子的濃度分布為,進(jìn)入 SiO2 中的注入離子的劑量為,利用 Si 中的 等效平均投影射程 的概念,離子注入+最詳細(xì)的課件,可得到 Si 中的注入離子濃度分布和進(jìn)入 Si 中的注入離子的劑量分別為,若設(shè) ，則可算出，當(dāng) m 分別為 2、3、4 時(shí)，QS 分別比 Qt 小約 2 個(gè)數(shù)量級、3 個(gè)數(shù)量級和 5 個(gè)數(shù)量級。,離子注入+最詳細(xì)的課件,三、注入離子

19、濃度分布理論的應(yīng)用,1、在已知注入離子的能量、劑量和襯底雜質(zhì)濃度時(shí)，可以計(jì)算出表面濃度和結(jié)深。,2、當(dāng)注入雜質(zhì)的最大濃度超過其在靶中的固溶度時(shí)，可以計(jì)算出雜質(zhì)濃度超過固溶度的區(qū)域的范圍。,3、可以計(jì)算出當(dāng)以不同的能量和劑量分幾次進(jìn)行離子注入時(shí)，所得到的合成雜質(zhì)濃度分布。,4、可以計(jì)算出能夠掩蔽雜質(zhì)注入的掩蔽膜的最小厚度。,離子注入+最詳細(xì)的課件,5.4 溝道效應(yīng),晶體靶對入射離子的阻擋作用是各向異性的，與靶的晶體取向有關(guān)。當(dāng)沿著晶體的某些低指數(shù)晶向觀察時(shí)，可以看到一些由原子列包圍成的直通道，好象管道一樣，稱為 溝道。當(dāng)離子沿著溝道方向入射時(shí)，其射程會(huì)比在非晶靶中大得多，從而偏離高斯函數(shù)分布，使

20、注入分布產(chǎn)生一個(gè)較長的拖尾。,離子注入+最詳細(xì)的課件,避免溝道效應(yīng)的措施 1、使離子的入射方向偏離溝道方向 7 10 度； 2、在摻雜注入前先用高劑量的 Si、Ge、F 或 Ar 離子注入來使硅表面預(yù)非晶化，或在硅表面生長一層薄 SiO2 層； 3、對靶加一定的溫度。,離子注入+最詳細(xì)的課件,5.5 注入損傷,一、注入損傷 由離子注入引起的大量空位和間隙原子等點(diǎn)缺陷，以及空位與其他雜質(zhì)結(jié)合而形成的復(fù)合缺陷等，稱為 注入損傷 。注入損傷與注入離子的劑量、能量、質(zhì)量、靶材料和靶溫等有關(guān)。,注入損傷會(huì)使載流子遷移率下降，少子壽命降低，PN 結(jié)的反向漏電流增大。,離子注入+最詳細(xì)的課件,當(dāng)許多損傷區(qū)連

21、在一起時(shí)就會(huì)形成連續(xù)的非晶層。開始形成連續(xù)非晶層的注入劑量稱為 臨界劑量。當(dāng)注入劑量小于臨界劑量時(shí)，損傷量隨注入劑量的增大而增加，當(dāng)注入劑量超過臨界劑量時(shí)，損傷量不再增加而趨于飽和。,影響臨界劑量的因素 1、注入離子的質(zhì)量越大，則臨界劑量越小； 2、注入離子的能量越大，則臨界劑量越小； 3、注入溫度越低，則臨界劑量越??； 4、注入速度（通常用注入離子的電流密度來衡量）越大，則臨界劑量越小。,離子注入+最詳細(xì)的課件,損傷區(qū)的分布與注入離子的能量、質(zhì)量的關(guān)系,當(dāng)入射離子的初始能量較小時(shí)，以核阻擋為主，損傷較多,但損傷區(qū)的分布較淺；,當(dāng)入射離子的初始能量較大時(shí)，先以電子阻擋為主，損傷較少。隨著離子能

22、量的降低，逐漸過渡到以核阻擋為主，損傷變得嚴(yán)重，這時(shí)損傷區(qū)的分布較深。,離子注入+最詳細(xì)的課件,當(dāng)入射離子的質(zhì)量相對于靶原子較輕時(shí)，入射離子將受到大角度的散射，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈 “ 鋸齒形 ” ，所產(chǎn)生的損傷密度較小，但損傷區(qū)的范圍較大。,當(dāng)入射離子的質(zhì)量相對于靶原子較重時(shí)，入射離子的散射角較小，其運(yùn)動(dòng)軌跡較直 ，所產(chǎn)生的損傷密度較大，容易形成非晶區(qū)，但損傷區(qū)的范圍較小。,離子注入+最詳細(xì)的課件,二、離子注入層的電特性,注入到半導(dǎo)體中的受主或施主雜質(zhì)大部分都停留在間隙位置處，而處在這個(gè)位置上的雜質(zhì)原子是不會(huì)釋放出載流子的，也就不會(huì)改變半導(dǎo)體的電特性，達(dá)不到摻雜的目的。,經(jīng)過適當(dāng)溫度的 退火 處理，

23、可以使注入雜質(zhì)原子的全部或大部分從間隙位置進(jìn)入替位位置而釋放出載流子，從而改變半導(dǎo)體的電特性。這個(gè)過程稱為雜質(zhì)原子的 電激活。,退火處理也可以減少注入損傷。,離子注入+最詳細(xì)的課件,三、退火技術(shù) 目的：消除注入損傷，并使注入的雜質(zhì)原子進(jìn)入替位位置而實(shí)現(xiàn)電激活。,機(jī)理：使移位原子與注入的雜質(zhì)原子在高溫下獲得較高的遷移率而在晶體中移動(dòng)，從間隙位置進(jìn)入替位位置。,退火技術(shù)可分為 熱退火 與 快速熱退火。熱退火的溫度范圍為 300 1200。退火會(huì)改變雜質(zhì)的分布。,離子注入+最詳細(xì)的課件,熱退火雖然可以滿足一般的要求，但也存在一些缺點(diǎn)：對注入損傷的消除和對雜質(zhì)原子的電激活都不夠完全；退火過程中還會(huì)產(chǎn)生

24、二次缺陷；經(jīng)熱退火后雖然少子的遷移率可以得到恢復(fù)，但少子的壽命及擴(kuò)散長度并不能恢復(fù)；此外，較高溫度的熱退火會(huì)導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布，抵消了離子注入技術(shù)固有的優(yōu)點(diǎn)。,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)退火后的實(shí)際雜質(zhì)分布比上式預(yù)測的要深，原因是離子注入時(shí)形成的高濃度缺陷增強(qiáng)了雜質(zhì)的擴(kuò)散。這種現(xiàn)象稱為 瞬時(shí)增強(qiáng)擴(kuò)散?？梢栽谕嘶鹎跋仍?500 650 之間進(jìn)行一次預(yù)處理來消除這些缺陷。,離子注入+最詳細(xì)的課件,5.6 淺結(jié)的形成,亞微米 CMOS 集成電路要求極淺的源漏區(qū)結(jié)深。由于硼比砷更難以形成淺結(jié)，所以形成淺 P+N 結(jié)要比形成淺 PN+ 結(jié)更為困難。,硼的淺結(jié)受到三個(gè)方面的影響。首先，由于硼很輕，注入的投影射程很深。降低

25、注入能量雖然可以減小結(jié)深，但注入能量太低會(huì)影響離子束的穩(wěn)定性。,其次，由于硼被偏轉(zhuǎn)進(jìn)入主晶軸的概率較高，所以硼的溝道效應(yīng)更為嚴(yán)重。,第三，硼在高溫退火時(shí)的瞬時(shí)增強(qiáng)擴(kuò)散比較嚴(yán)重。,離子注入+最詳細(xì)的課件,隨著 MOSFET 的特征尺寸小于 0.1 m ，源漏區(qū)的結(jié)深正在達(dá)到 0.05 m，離子注入已經(jīng)難以滿足這種要求，人們正在研究所謂 “后注入” 的替代方案。,1、利用硅上的介質(zhì)層作為擴(kuò)散源，即所謂 “固-固擴(kuò)散”。擴(kuò)散源可以是多晶硅、摻雜玻璃或硅化物。,2、利用輝光放電作為離子源來形成超淺結(jié)，即所謂 “等離子浸入摻雜”。它的離子能量可以極低，而不存在離子束不穩(wěn)定的問題，但是劑量不易控制。,3、

26、當(dāng)在固體靶的表面覆蓋有某種薄膜時(shí)，入射離子可將薄膜中的原子撞入到下面的固體靶中。利用這種效應(yīng)來對半導(dǎo)體表面的極薄層內(nèi)進(jìn)行摻雜，稱為 “反沖注入摻雜”。,離子注入+最詳細(xì)的課件,5.7 埋層介質(zhì),當(dāng)在硅中注入大劑量的 O+、N+、C+ 時(shí)，可以形成 SiO2 、Si3N4、SiC 等薄膜。特別是當(dāng)用高能量注入時(shí)，可以在硅表面以下形成埋層介質(zhì)。通過高能注入 N+ 形成 Si3N4 的工藝稱為 SIMNI ，而通過高能注入 O+ 形成 SiO2 的工藝稱為 SIMOX ，后者的應(yīng)用更為普遍。,這種技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)器件和電路的隔離。采用此技術(shù)制成的埋溝 MOSFET ，其寄生電容及短溝道效應(yīng)都小得多。,

27、SIMOX 技術(shù)的主要問題是金屬沾污問題、均勻性問題和成本問題。,離子注入+最詳細(xì)的課件,5.10 小結(jié),本章首先描述了離子注入系統(tǒng)的組成部分，特別是對各種離子源和質(zhì)量分析系統(tǒng)作了較詳細(xì)的介紹。離子注入后的雜質(zhì)濃度分布為高斯函數(shù)分布。討論了離子注入的溝道效應(yīng)及防止措施。離子注入后必須進(jìn)行退火處理，目的是激活雜質(zhì)和消除注入損傷。通過高劑量的氧離子注入，可以形成絕緣埋層。,下面總結(jié)一下離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)。,離子注入+最詳細(xì)的課件,1、可控性好，離子注入能精確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深；,2、可以獲得任意的摻雜濃度分布；,3、注入溫度低，一般不超過 400，退火溫

28、度也在 650 左右，避免了高溫過程帶來的不利影響，如結(jié)的推移、熱缺陷、硅片的變形等；,4、結(jié)面比較平坦；,離子注入的 優(yōu)點(diǎn),5、工藝靈活，可以穿透表面薄膜注入到下面的襯底中，也可以采用多種材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金屬膜或光刻膠等；,離子注入+最詳細(xì)的課件,6、均勻性和重復(fù)性好；,7、橫向擴(kuò)展小，有利于提高集成電路的集成度、提高器件和集成電路的工作頻率；,8、可以用電的方法來控制離子束，因而易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術(shù)；,9、擴(kuò)大了雜質(zhì)的選擇范圍；,10、離子注入中通過質(zhì)量分析器選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入的 缺點(diǎn),1

29、、離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷，且注入的雜質(zhì)大部分停留在間隙位置處，因此需要進(jìn)行退火處理；,2、離子注入難以獲得很深的結(jié)深；,3、離子注入的生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝低；,4、離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入與擴(kuò)散的比較,擴(kuò)散,離子注入,離子注入+最詳細(xì)的課件,2.注入與擴(kuò)散的比較,離子注入+最詳細(xì)的課件,3.離子注入控制,離子束流密度和注入時(shí)間控制雜質(zhì)濃度 （注入離子劑量） 離子能量控制結(jié)深 雜質(zhì)分布各向異性,離子注入+最詳細(xì)的課件,4.阻止機(jī)制,典型離子能量：5500keV 離子注入襯底，與晶格原子碰撞，逐漸損失其能量，最后停止下來 兩種阻止機(jī)制：核碰撞和電子碰撞,離子

30、注入+最詳細(xì)的課件,核阻止 與晶格原子的原子核碰撞 大角度散射（離子與靶原子質(zhì)量同數(shù)量級） 可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）. 電子阻止 與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞 注入離子路徑基本不變 能量損失很少 晶格損傷可以忽略,4.阻止機(jī)制,兩種阻止機(jī)制,離子注入+最詳細(xì)的課件,4.阻止機(jī)制,總的阻止本領(lǐng)： Stotal = Sn + Se Sn: 核阻止, Se: 電子阻止,低能區(qū)：核阻止本領(lǐng)占主要 中能區(qū)：兩者同等重要 高能區(qū)：電子阻止本領(lǐng)占主要 固體中的電子可以看為電子氣，電子阻止類似于黏滯氣體的阻力，電子阻止本領(lǐng)與注入離子速度成正比；,空氣阻力與速度的平方成正比,離子注入+最詳細(xì)的課

31、件,4.阻止機(jī)制,背散射,溝道,自由碰撞,離子注入+最詳細(xì)的課件,阻止本領(lǐng)與離子速度,阻止本領(lǐng),核阻止,電子阻止,離子速度,離子注入+最詳細(xì)的課件,注入離子分布,RP：投影射程，射程的平均值,離子注入+最詳細(xì)的課件,阻擋 200keV 離子束的阻擋層厚度,典型能量：5500KeV,掩膜厚度,離子注入+最詳細(xì)的課件,5.注入過程:注入通道, 如果入射角度恰好，離子能夠在不和晶格原子碰撞的情況下運(yùn)動(dòng)很遠(yuǎn)距離 會(huì)引起不可控的雜質(zhì)分布,大量碰撞,很少碰撞,離子注入+最詳細(xì)的課件,6.溝道效應(yīng),溝道中核阻止很小，電子密度也很低,離子注入+最詳細(xì)的課件,碰撞后引起的溝道效應(yīng),離子注入+最詳細(xì)的課件,碰撞后

32、形成的溝道效應(yīng),碰撞引起,溝道引起,碰撞引起,離子注入+最詳細(xì)的課件,注入過程: 溝道效應(yīng), 避免溝道效應(yīng)的方法 傾斜圓片, 7最常用 屏蔽氧化層（無定形） 注入前預(yù)先無定型處理 陰影效應(yīng) 離子受到掩膜結(jié)構(gòu)阻擋 旋轉(zhuǎn)圓片和注入后擴(kuò)散,離子注入+最詳細(xì)的課件,7.陰影效應(yīng),粒子束,離子注入+最詳細(xì)的課件,陰影效應(yīng)消除,離子注入+最詳細(xì)的課件,問題,為什么不利用溝道效應(yīng)在離子能量不高的情況產(chǎn)生深結(jié)？,離子注入+最詳細(xì)的課件,答案,離子束不是完美地平行。許多離子注入襯底后會(huì)發(fā)生許多次核碰撞，只要少數(shù)一些會(huì)進(jìn)入很深的距離。,離子注入+最詳細(xì)的課件,7.4 注入損傷,注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子 產(chǎn)生自

33、由原子（間隙原子空位 缺陷對） 自由原子與其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成為自由原子 直到所有自由原子均停止下來，損傷才停止 一個(gè)高能離子可以引起數(shù)千個(gè)晶格原子位移,離子注入+最詳細(xì)的課件,一個(gè)離子引起的晶格損傷,輕離子,重離子,離子注入+最詳細(xì)的課件,注入損傷過程,離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點(diǎn) 襯底注入?yún)^(qū)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu),注入前,注入后,離子注入+最詳細(xì)的課件,7.5退火的作用,雜質(zhì)原子必須處于單晶結(jié)構(gòu)中并與四個(gè)Si原子形成共價(jià)鍵才能被激活 ，donor (N-type) 或acceptor (P-type) 高溫?zé)崮軒椭鸁o定型原子恢復(fù)單晶結(jié)構(gòu),離子注入+最詳細(xì)的課件,熱退火,晶格

34、原子,雜質(zhì)原子,離子注入+最詳細(xì)的課件,熱退火,晶格原子,雜質(zhì)原子,離子注入+最詳細(xì)的課件,熱退火,晶格原子,雜質(zhì)原子,離子注入+最詳細(xì)的課件,熱退火,晶格原子,雜質(zhì)原子,離子注入+最詳細(xì)的課件,退火前后的比較,退火前,退火后,離子注入+最詳細(xì)的課件,快速熱退火 (RTA),高溫下, 退火超越擴(kuò)散 RTA (RTP) 廣泛用于注入后退火 RTA 很快 (小于1分鐘), 更好的片間（WTW）均勻性, 最小化雜質(zhì)擴(kuò)散,離子注入+最詳細(xì)的課件,RTA和爐退火,RTP退火,爐退火,離子注入+最詳細(xì)的課件,問題,高溫爐的溫度為什么不能象RTA系統(tǒng)那樣快速升溫和降溫？,離子注入+最詳細(xì)的課件,答案,高溫爐

35、有很大的熱容積，需要很高的加熱功率去獲得快速升溫。很難避免快速升溫時(shí)大的溫度擺動(dòng)（溫度過沖和下沖）,離子注入+最詳細(xì)的課件,7.6注入工藝,離子注入+最詳細(xì)的課件,粒子束路徑,離子注入+最詳細(xì)的課件,離子注入: Plasma Flooding System, 離子引起晶圓表面充電 晶圓表面充電引起非均勻摻雜和弧形缺陷 電子注入離子束中，中和晶圓表面電荷 熱鎢燈絲發(fā)射的熱電子產(chǎn)生Ar等離子體（Ar+和電子）,離子注入+最詳細(xì)的課件,7.7晶圓表面充電,注入離子使晶圓表面帶正電 排斥正離子，引起離子束彎曲，造成不均勻雜質(zhì)分布 電弧放電引起晶圓表面損傷 使柵氧化層擊穿，降低工藝成品率 需要消除和減弱

36、充電效應(yīng),離子注入+最詳細(xì)的課件,充電效應(yīng),離子軌道,離子注入+最詳細(xì)的課件,電荷中和系統(tǒng),需要提供電子中和正離子； Plasma flooding system 電子槍 電子噴頭,離子注入+最詳細(xì)的課件,Plasma Flooding System,離子注入+最詳細(xì)的課件,Wafer Handling,Ion beam diameter: 25 mm (1”), Wafer diameter: 200 mm (8”) or larger Needs to move beam or wafer, or both, to scan ion beam across the whole wafer

37、Spin wheel Spin disk Single wafer scan,離子注入+最詳細(xì)的課件,Spin Wheel,離子注入+最詳細(xì)的課件,Spin Disk,離子注入+最詳細(xì)的課件,Single Wafer Scanning System,離子注入+最詳細(xì)的課件,Ion Implantation: End Analyzer,Faraday charge detector Used to calibrate beam current, energy and profile,離子注入+最詳細(xì)的課件,Ion Implantation: The Process,CMOS applications CMOS ion implantation requirements Implantation process evaluations,離子