離子注入(PDF課件)_圖文

1、 Do Not Copy 二、注入工藝的設(shè)計(jì) 二、注入工藝的設(shè)計(jì) 請記錄 +注入為例來 以n-Si中的B B+ 注入為例來估算離子注入的能量和劑量 估算離子注入的能量和劑量 -3 的硅樣中， 通過注 例 例2：在基區(qū)雜質(zhì)濃度 C=6×1018 cm-3 通過注 入P+來作發(fā)射結(jié)，希望最大摻雜濃度達(dá)到 8×1021cm- 3 ，而 結(jié)深xj =0.12 m，估算入射能量和劑量。 已知襯底的摻雜濃度C CB和 離子注入的結(jié)深x xj及峰值濃度 及峰值濃度 ，試估算離子注入能量 E 和劑量Q0 Cmax，試估算離子注入能量 0。 2 é C max ù 2 M

2、1M2 根據(jù) x j =R p + 2 ln( ú D R 與D RP » R ê CB û P 3 M 1 +M 2 P ë 可求出 可求出 RP 和RP； ； 1 求解步驟 求解步驟：假定 ：假定 B+ 在硅中的分布呈對稱的高斯分布。 在硅中的分布呈對稱的高斯分布。 解： 思路： 思路：欲求入射離子的 欲求入射離子的 E和 Q0，已知Cmax和 和xj， 又知E E與R RP和 RP有關(guān)；Q Q0與Cmax有關(guān)。 有關(guān)。 根據(jù) 根據(jù)結(jié)深的計(jì)算公式 結(jié)深的計(jì)算公式和 和R RP 與 與RP 之間的關(guān)系式 可求出RP 與R RP 的值， 的值，

3、 根據(jù)E RP 或E RP的關(guān)系圖查知E E，再利用 再利用Cmax Q0的關(guān)系計(jì)算出 Q0。 ( x -R P 設(shè)發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度 發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度分布為高斯分布， 分布為高斯分布， C ( x =C max exp ê - ú 2 2 é ë ù û 再根據(jù) 再根據(jù) RP 或R RPE關(guān)系曲線，查出 關(guān)系曲線，查出E之值。 值。 PE或 再由 再由 C max = 2010-5 -12 由此可得：x j =R p +ê 2 ln( 又知 D RP » 61 2010-5 -12 é Q0 » 0

4、.4Q0 / D RP ，求出 ，求出 Q0 的值。 0 的值。 2p D RP ë 2 M 1M 2 R 3 M 1 +M 2 P C max ù ú D RP CB û 2 1 2D RP 聯(lián)立兩式可 求出RP 與 與 RP 的值 的值 62 +注入硅中的情況： 對于 對于P P+ 注入硅中的情況： M 1 =31, M 2 =28, D R P »0.33 R P 5.6 摻雜技術(shù)總結(jié) 一. 離子注入與擴(kuò)散雜質(zhì)分布的比較 二. IC 中NPN 晶體管的結(jié)構(gòu)及其摻雜分布 IC中 NPN晶體管的結(jié)構(gòu)及其摻雜分布 三. IC中 MOS晶體管的自

5、對準(zhǔn)柵結(jié)構(gòu) 晶體管的自對準(zhǔn)柵結(jié)構(gòu) IC中MOS 四. 離子注入的特殊用法 五. 摻雜 摻雜/ /擴(kuò)散新工藝 擴(kuò)散新工藝 六. 工藝控制與質(zhì)量檢測 代入?yún)?shù)值 代入?yún)?shù)值Cmax CB ，xj ，M 1，M 2的值 的值，可得： ，可得： max ，C 所以 DR P »0 . 0176 m m , R P »0 .053 m m 查 查ERP關(guān)系和E RP關(guān)系圖可知： 當(dāng) 當(dāng) RP =0.0176m，R RP =0.053 m m時(shí)， 離子的入射能量 E E大約在 3050keV范圍內(nèi) 范圍內(nèi)。 。 Q0 根據(jù) C max = 可得 Q 0 = 2pD R P C max

6、2pD RP 則 Q 0 = 2p D RP Cmax = 2´ 3. 14 ´ 0.0176 ´ 10-4 cm ´ 8´ 1021 cm -3 » 3 .5 ´ 1016 cm -2 16cm- 2。 即所求P+入射能量和劑量分別為3050keV和3.5×10 1016 2010-5 -12 63 2010-5 -12 64 一、離子注入與擴(kuò)散雜質(zhì)剖面與分布的比較 二、IC IC中 中npn晶體管的結(jié)構(gòu)及其摻雜分布 npn晶體管的結(jié)構(gòu)及其摻雜分布 鋁 集電區(qū) 鋁 基區(qū) 鋁 發(fā)射區(qū) 絕緣 緣隔離墻 橫向效應(yīng)大 0

7、.70.8 峰值濃度 峰值濃度 在表面 平面圖 平面圖 橫向效應(yīng)小 0.5 峰值濃度 不在表面 65 2010-5 -12 a a-b 剖面圖 2010-5 -12 66 Do Not Copy npn npn晶體管中雜質(zhì)濃度的縱向分布 晶體管中雜質(zhì)濃度的縱向分布（ （ A 剖面） 剖面） We 發(fā)射區(qū) 擴(kuò)散 Wb 基區(qū) 擴(kuò)散 C CB 集電區(qū) (外延層 三、IC中 MOS晶體管的自對準(zhǔn)柵結(jié)構(gòu) 晶體管的自對準(zhǔn)柵結(jié)構(gòu) IC中MOS 擴(kuò)散 Wc 凈摻雜 分布 分布 + Wn+ 埋層 擴(kuò)散 先作源漏后作鋁柵結(jié)構(gòu) 存在柵 存在柵 對準(zhǔn)問 對準(zhǔn)問 題！ 題！ n n+ 用離子注入技術(shù)在源漏區(qū)形成之前制作

8、柵極， 用離子注入技術(shù)在源漏區(qū)形成之前制作柵極，然后 然后在柵 在柵 極的掩蔽下進(jìn)行離子注入，同時(shí)對硅柵進(jìn)行摻雜。 極的掩蔽下進(jìn)行離子注入，同時(shí)對硅柵進(jìn)行摻雜。 p n n- n n+ 離子注入 先作硅柵后作源漏結(jié)構(gòu) x 2 DE t E é x ù é x ù ） - C BS exp ê - + CB + C SS expê - ú ú ë 4 DB t B û ë 4 DS t S û 67 2 2 自對準(zhǔn) 柵結(jié)構(gòu) C ( x =CESerfc（ 2010-5 -12

9、離子注入的橫向效應(yīng)小，因此柵源、柵漏的交迭顯著減 少，使寄生電容大大減小。 少， 使寄生電容大大減小。 2010-5 -12 68 四. 離子注入的特殊用法 4次B+離子在硅中獲得的組合雜質(zhì)分布 1、覆蓋膜 、覆蓋膜 在很多實(shí)際應(yīng)用中，要求雜質(zhì)不是簡單的高斯分布。 在很多實(shí)際應(yīng)用中， 要求雜質(zhì)不是簡單的高斯分布。 為了獲得一定的特殊的分布，離子注入時(shí)可在注入窗口制作 為了獲得一定的特殊的分布， 離子注入時(shí)可在注入窗口制作 覆蓋層。此時(shí)離子注入相當(dāng)于兩層靶的情況 ( 如SiO2-Si -Si 靶。 。 2、預(yù)注入和多次注入 預(yù)注入(預(yù)先非晶化：為了消除溝道 為了消除溝道，精確地控制摻雜剖 ，精確

10、地控制摻雜剖 面，提高退火效果，在注入離子之前先預(yù)注入 Si +或Ar+等惰 面，提高退火效果，在注入離子之前先預(yù)注入 性離子使硅靶成為非晶硅。 性離子使硅靶成為非晶硅。 多次注入： 對于 多次注入： 對于有特殊要求的分布 有特殊要求的分布可以進(jìn)行多次注入，利 可以進(jìn)行多次注入，利 用各種劑量和能量的組合，可以獲得用擴(kuò)散不能實(shí)現(xiàn)的雜 用各種劑量和能量的組合，可以獲得用擴(kuò)散不能實(shí)現(xiàn)的雜 質(zhì)分布，以滿足不同濃度梯度、峰值濃度和射程的要求。 比如，也可以利用多次注入獲得平坦的雜質(zhì)分布 比如，也 可以利用多次注入獲得平坦的雜質(zhì)分布。 。 2010-5 -12 69 2010-5 -12 70 +淺結(jié)

11、3、傾斜離子注入 形成p p+ 4、高能注入和大束流注入 形成深結(jié) 為了獲得深結(jié)， 通過增加注入離子的能量來實(shí)現(xiàn)。 為了獲得深結(jié)，通過增加注入離子的能量來實(shí)現(xiàn)。 Ø 能量高達(dá) 使得離子分 能量高達(dá)1.55MeV的高能離子已投入使用， 的高能離子已投入使用，使得離子分 布的平均深度在幾 m m ，不需要在高溫下進(jìn)行長時(shí)間推進(jìn)。 利用高能 Ø 利用高能(150200keV離子注入還可以 注入還可以制備低阻埋層 m (1.53 m m m和注氧隔離(SIMOX (SIMOX形成絕緣體硅(SOI (SOI。 。 Ø 大束流 （10mA20mA 大束流（ 10mA20mA）

12、的 ）的離子注入用于擴(kuò)散的預(yù)沉積 離子注入用于擴(kuò)散的預(yù)沉積， ， 然后在高溫下使雜質(zhì)再分布，同時(shí)兼退火消除注入損傷。 通常 通常，注入能量在 ，注入能量在1keV1MeV范圍內(nèi)，得到離子分布的平 均深度在 均深度在10nm10m m的范圍內(nèi)。 注入劑量從 注入劑量從1012cm- 2 ( 調(diào)整閾值 到1018cm- 2 (形成埋層 形成埋層。 。 為了獲得淺結(jié)，通過降低注入離子的能量來實(shí)現(xiàn)。 為了獲得淺結(jié)，通過降低注入離子的能量來實(shí)現(xiàn)。為了獲得很 淺的雜質(zhì)分布，并 淺的雜質(zhì)分布，并精確控制注入深度 精確控制注入深度(100nm (100nm，讓晶片相對于 離子束流 離子束流作一定角度的 作一定

13、角度的傾斜 傾斜，使 ，使有效注入能量 有效注入能量有大幅度衰減 有大幅度衰減。 。 此外，還可利用 此外，還可 利用BF2分子注入 分子注入, 再分解成離子， 再分解成離子，形成 形成p +淺結(jié)。 淺結(jié)。 2010-5 -12 71 2010-5 -12 72 Do Not Copy 五、摻雜 擴(kuò)散新工藝 1、快速氣相摻雜（ RVD） 2、氣體浸沒激光摻雜（GILD ） 定義：含有摻雜劑的 含有摻雜劑的液體 液體層通過 層通過固相外延 固相外延轉(zhuǎn)為 轉(zhuǎn)為固體結(jié)晶 固體結(jié)晶 層，并能形成 ，并能形成超淺結(jié) 超淺結(jié)的快速摻雜工藝。 的快速摻雜工藝。 定義：摻雜劑從 定義： 摻雜劑從氣相直接向硅中

14、擴(kuò)散，并能形成 超淺結(jié) 的 快速摻雜工藝。 摻雜工藝。 原理：利用 原理： 利用快速熱處理過程 快速熱處理過程(RTP）將硅襯底快速均勻 將硅襯底快速均勻加 加 原理：利用 利用高能激光 高能激光照射處于 照射處于氣態(tài)源 氣態(tài)源(PF3或 或BF BF3的硅表面， 的硅表面， 熱至所需溫度，同時(shí)氣相摻雜劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)原子， 雜質(zhì)原子直接從 氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楸还璞砻嫖降墓虘B(tài) ，然后進(jìn) 行固態(tài)擴(kuò)散，完成摻雜目的。 1、 1、 與氣態(tài)源擴(kuò)散相比，不會(huì)在硅表面形成含有雜質(zhì)的 與氣態(tài)源擴(kuò)散相比，不會(huì)在硅表面形成含有雜質(zhì)的 特點(diǎn)： 玻璃層 玻璃層；與離子注入相比，不會(huì)引起損傷。 ；與離子注入相比，不會(huì)引起

15、損傷。 2、通過精確控制 2、通過精確控制氣相摻雜劑的流量 氣相摻雜劑的流量保證摻雜濃度和均勻性。 保證摻雜濃度和均勻性。 使其熔化為液體，同時(shí)摻雜源由于熱解或光解 熱解或光解產(chǎn)生雜質(zhì)原子， 通過液相擴(kuò)散 通過 液相擴(kuò)散，雜質(zhì)原子進(jìn)入很薄的液體層，快速并均勻地?cái)U(kuò) ，雜質(zhì)原子進(jìn)入很薄的液體層，快速并均勻地?cái)U(kuò) 散到整個(gè)硅層中。停止光照后 ，摻入雜質(zhì)的液體層通過 散到整個(gè)硅層中。停止光照后， 摻入雜質(zhì)的液體層通過外延 外延轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 為固體結(jié)晶層 固體結(jié)晶層，與此同時(shí) ，與此同時(shí)，雜質(zhì)被激活 ，雜質(zhì)被激活，完成摻雜目的。 ，完成摻雜目的。 特點(diǎn)： 特點(diǎn)：1、摻雜在表面進(jìn)行，不影響體內(nèi)雜質(zhì)分布； 摻雜在表

16、面進(jìn)行，不影響體內(nèi)雜質(zhì)分布； 2、可根據(jù)需要控制 、可根據(jù)需要控制激光能量和脈沖時(shí)間 激光能量和脈沖時(shí)間，從而控制結(jié)深 控制結(jié)深； 3、 3、形成 形成陡峭的雜質(zhì)分布 陡峭的雜質(zhì)分布，得到 ，得到突變型雜質(zhì)分布 突變型雜質(zhì)分布、淺結(jié)； 、淺結(jié)； 3、 3、 雜質(zhì)分布為非理想的指數(shù)形式，峰值濃度在表面。 的摻雜； CMOS中淺結(jié)的源漏區(qū)摻雜。 中的電容摻雜，深溝槽側(cè)墻 應(yīng)用：廣泛用于 ULSI, 如 DRAM DRAM中的電容摻雜，深溝槽側(cè)墻 2010-5 -12 73 4、通過掩膜實(shí)現(xiàn) 選擇摻雜。 。 4、通過掩膜實(shí)現(xiàn)選擇摻雜 應(yīng)用：已成功地用于 已成功地用于MOS MOS和雙極型器件制造中。

17、 和雙極型器件制造中。 2010-5 -12 74 六、摻雜工藝控制與質(zhì)量檢測 污染控制：顆粒、有機(jī)物、薄膜、金屬離子 污染控制：顆粒、有機(jī)物、薄膜、金屬離子 污染來源：操作者、清洗過程、高溫處理、工具 污染來源： 操作者、清洗過程、高溫處理、工具 參量控制：溫度、時(shí)間、氣體流量 參量控制： 溫度、時(shí)間、氣體流量 (影響最大 溫度控制：源溫、爐溫、升溫降溫、測溫 溫度控制：源溫、爐溫、升溫降溫、測溫 時(shí)間： 進(jìn)舟出舟自動(dòng)化 進(jìn)舟出舟自動(dòng)化 氣體流量：流量穩(wěn)定，可重復(fù)性 3.質(zhì)量分析： 1硅片表面不良 ：表面合金點(diǎn)；表面凸起物；表面黑點(diǎn)或 1硅片表面不良： 表面合金點(diǎn)；表面凸起物；表面黑點(diǎn)或 白

18、霧；表面氧化層顏色不一致；硅片表面滑移線或硅片彎 曲；硅片表面劃傷，邊緣缺損，或硅片開裂等。 2漏電電流大： 2 漏電電流大：表面沾污引起的表面漏電；氧化層的缺陷 表面沾污引起的表面漏電；氧化層的缺陷 破壞了氧化層在雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)的掩蔽作用；氧化層在電路中 破壞了氧化層在雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)的掩蔽作用；氧化層在電路中 的絕緣作用而導(dǎo)電；硅片的缺陷引起雜質(zhì)擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生管道 擊穿。 擊穿。 3薄層電阻偏差：要求測試公差在 3 薄層電阻偏差：要求測試公差在 ± 5%以內(nèi)。 5% 以內(nèi)。 4結(jié)深偏差：要求測試公差在 ± 0.2m m以內(nèi)。 以內(nèi)。 1、擴(kuò)散工藝控制 、擴(kuò)散工藝控制 2、離子注入工藝

19、控制 、離子注入工藝控制 參量控制： 能量、劑量、掩蔽膜； 退火方法、溫度、時(shí)間。 2010-5 -12 75 5器件特性異常：要求特性參數(shù)測試公差在 5 器件特性異常：要求特性參數(shù)測試公差在± 10%以內(nèi)。 10% 以內(nèi)。 擊穿電壓異常；h 擊穿電壓異常； hFE 異常；穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值異常。 2010-5 -12 76 4.質(zhì)量檢測： 質(zhì)量檢測： 電學(xué)特性測試項(xiàng)目：導(dǎo)電類型 電學(xué)特性測試項(xiàng)目：導(dǎo)電類型、 、 Rs、 xj 及離子注入層電阻率和 遷移率 遷移率，以及注入劑量和注入層均勻性的測試； ，以及注入劑量和注入層均勻性的測試 ； 1. 導(dǎo)電類型測量： 導(dǎo)電類型測量： 采用整流

20、特性、溫差電動(dòng)勢及霍耳電壓法； 2. 結(jié)深測量： 擴(kuò)散結(jié)深采用磨角染色法 擴(kuò)散結(jié)深采用 磨角染色法和 和磨槽染色法 磨槽染色法；離子注入結(jié)深采用 ；離子注入結(jié)深采用 干涉顯微鏡和電解水氧化顯微法。 3. 方塊電阻（薄層電阻和Rs Rs）測量： 用四探針 四探針測量法。 4. 雜質(zhì)濃度分布測量： 擴(kuò)散雜質(zhì)分布采用 擴(kuò)展電阻法；離子注入雜質(zhì)分布采用電子探 針法(EPM (EPM、俄歇電子能譜 、俄歇電子能譜 (AES、X X射線熒光分析(XRF等。 2010-5 -12 77 結(jié)深測量 磨角染色法 為了準(zhǔn)確測量結(jié)深 結(jié)深(m m ，必須加以放大。 必須加以放大 。先把擴(kuò)散片磨成 先把擴(kuò)散片磨成 一

21、定的斜角 ，再通過簡單的幾何計(jì)算可得到結(jié)深。 一定的斜角，再通過簡單的幾何計(jì)算可得到結(jié)深。 結(jié)深計(jì)算公式： 結(jié)深計(jì)算公式： aL xj = a sinq= ( q= 3 o 5o 2a + b 測量時(shí)，為了區(qū)分 N區(qū)和 P區(qū)的界面位置 區(qū)的界面位置，對表面要進(jìn)行 ，對表面要進(jìn)行染色。 染色。 不同導(dǎo)電類型的區(qū)域，經(jīng)染色后顯示不同的顏色。 染色原理： 不同導(dǎo)電類型的區(qū)域，經(jīng)染色后顯示不同的顏色。 因?yàn)镹 N區(qū)硅和P 區(qū)硅的化學(xué)勢不同，染色速度與化學(xué)勢有關(guān)。 2010-5 -12 78 Do Not Copy 本頁已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件（），版權(quán)所有， 僅供試用。 結(jié)深測量 磨槽染色

22、法 x =a - b, y =a +b 方塊電阻測量 四探針 方塊電阻( (薄層電阻的測量采用四探針測試儀 方塊電阻R 方塊電阻R ： ： pV V R à= =4.53 ln 2 I I 磨槽法 磨槽法是一種放大測量面的方法，更適合 是一種放大測量面的方法，更適合淺結(jié) 淺結(jié)測量。 測量。 1æ bö 1æ a öù 結(jié)深計(jì)算公式： x =R é 1- ç ÷- 1 + ç ÷ú ê j ê ë 2 2 2 根據(jù)電流計(jì)所測的I值和 根據(jù)電流計(jì)所測

23、的I 值和 電位差計(jì)所測U 電位差計(jì)所測 U值即可求 值即可求 出方塊電阻R 出方塊電阻 R 。 。 根據(jù)方塊電阻R 根據(jù)方塊電阻R 也可求出平均電阻率或平均電導(dǎo)率。 也可求出平均電阻率或平均電導(dǎo)率。 r 1 Rà = = x j s× xj 79 2010-5 -12 80 2è Rø 2 2è R øû ú = 1 a -b xy xy = = 2 R 2R D 2010-5 -12 雜質(zhì)分布 擴(kuò)展電阻法 本章小結(jié) 1、離子注入的（ 、離子注入的 （2 2種）能量損失機(jī)構(gòu)； （重離子、輕離子 ；低能離子、高能離子） （重離子 、輕離子；低能離子、高能離子） 擴(kuò)展電阻法 是利用金屬探針與半導(dǎo)體材料相接觸，從電流 是利用金屬探針與半導(dǎo)體材料相接觸，從電流 電壓曲線原點(diǎn)附近的特性來定出材料電阻率的一種方法。 電壓曲線原點(diǎn)附近的特性來定出材料電阻率的一種方法。 擴(kuò)展電阻與半導(dǎo) 擴(kuò)展電阻與半導(dǎo) 體接觸的模型 請記錄 2、離子注入在非晶靶中形成的（3種）濃度分布； 3、離子注入的結(jié)深 、離子注入的結(jié)深x xj 與最大濃度 與最大濃度C Cmax的計(jì)算；