《離子注入》ppt課件

1、集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)第四章第四章 離子注入離子注入西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院戴顯英2021年9月本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容n離子注入特點(diǎn)離子注入特點(diǎn)n離子注入設(shè)備原理離子注入設(shè)備原理n離子注入機(jī)理離子注入機(jī)理n離子注入分布離子注入分布n離子注入損失離子注入損失n注入退火注入退火n離子注入與熱分散對(duì)比離子注入與熱分散對(duì)比4.1 4.1 離子注入特點(diǎn)離子注入特點(diǎn)n定義定義: :將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。n運(yùn)用：運(yùn)用：COMSCOMS工藝的阱，源、漏，調(diào)整工藝的阱，源、漏，調(diào)整VTVT的溝道摻雜，的溝道摻雜，防止寄生溝道的溝道隔斷，特別

2、是淺結(jié)。防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結(jié)。n特點(diǎn)特點(diǎn): :n注入溫度低注入溫度低: :對(duì)對(duì)SiSi，室溫；對(duì)，室溫；對(duì)GaAs,400GaAs,EneE0Ene： Se(E) Se(E)為主，為主，那么那么n Rk1E01/2 Rk1E01/2n k1=2/ke k1=2/ke 對(duì)非晶對(duì)非晶SiSi：ke1x103(eV)1/2m-1ke1x103(eV)1/2m-1；n 對(duì)非晶對(duì)非晶AsGaAsGa：ke 3x103(eV)1/2m-ke 3x103(eV)1/2m-1 1； n 注入離子初始能量注入離子初始能量E0 EneE0 Ene： Sn(E) Sn(E)為主，為主，且假設(shè)且假設(shè) n

3、 Sn(E)= Sn0 Sn(E)= Sn0，那么，那么n Rk2E0 Rk2E04.3 4.3 離子注入機(jī)理離子注入機(jī)理- -核碰撞與電子碰撞核碰撞與電子碰撞4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布1.1.總射程總射程R R定義：注入離子在靶內(nèi)走過(guò)的途徑之和。定義：注入離子在靶內(nèi)走過(guò)的途徑之和。R R與與E E的關(guān)系：根據(jù)能量的總損失率，的關(guān)系：根據(jù)能量的總損失率， , ,式中，式中，E0E0注入離子的初始能量。注入離子的初始能量。 ESESdRdEdRdEdRdEenen dEESESdRdEdEdRREenE10000/2.2.投影射程投影射程XPXP： 總射程總射程R R在離子入射方向

4、垂在離子入射方向垂直靶片的投影長(zhǎng)度，即離直靶片的投影長(zhǎng)度，即離子注入的有效深度。子注入的有效深度。3.3.平均投影射程平均投影射程RPRP： 投影射程投影射程XPXP的平均值離子的平均值離子注入深度的平均值，具有注入深度的平均值，具有統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律幾率分布函統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律幾率分布函數(shù)。數(shù)。4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.規(guī)范偏向投影偏向規(guī)范偏向投影偏向RPRP反映了反映了RPRP的分散程度的分散程度分散寬度分散寬度5. R5. R、RPRP及及RPRP間的近似關(guān)系間的近似關(guān)系 , , M1 M1注入離子質(zhì)量，注入離子質(zhì)量， M2 M2靶原子質(zhì)量靶原子質(zhì)量12PM3M1RR 2121

5、PPMMMM32RR 2PPP)RX(R 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.1 4.4.1 注入離子縱向分布注入離子縱向分布-高斯分布高斯分布 注入離子在靶內(nèi)不斷損失能量，最后停頓在某處；注入離子在靶內(nèi)不斷損失能量，最后停頓在某處；注入離子按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。注入離子按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶外表為求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶外表為x(cm)x(cm)處的濃度分布為處的濃度分布為 - -高斯函高斯函數(shù)數(shù) Nmax=0.4NS/RP Nmax=0.4NS/RP峰值濃度在峰值濃度在RPRP處，處， NS NS注入劑量注入劑量 2PPmax

6、)RRx(21expN)x(N4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.2 4.4.2 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)與注入能量成正比橫向效應(yīng)與注入能量成正比是結(jié)深的是結(jié)深的30305050；窗口邊緣的離子濃度是中心處的窗口邊緣的離子濃度是中心處的5050；4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.3 4.4.3 溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)(ion channeling)(ion channeling)非晶靶：對(duì)注入離子的阻撓是非晶靶：對(duì)注入離子的阻撓是 各向同性；各向同性；單晶靶：對(duì)注入離子的阻撓是單晶靶：對(duì)注入離子的阻撓是 各向異性；各向異性；溝道：在單

7、晶靶的主晶軸方向溝道：在單晶靶的主晶軸方向 呈現(xiàn)一系列平行的通道，呈現(xiàn)一系列平行的通道， 稱為溝道。稱為溝道。4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布n溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻撓作用小，因此射程比非晶溝道效應(yīng)：離子沿溝道前進(jìn)，核阻撓作用小，因此射程比非晶n 靶遠(yuǎn)的多。靶遠(yuǎn)的多。 n 益處：結(jié)較深；晶格損傷小。益處：結(jié)較深；晶格損傷小。n 不利：難于獲得可反復(fù)的濃度分布，運(yùn)用價(jià)值小。不利：難于獲得可反復(fù)的濃度分布，運(yùn)用價(jià)值小。n減小溝道效應(yīng)的途徑減小溝道效應(yīng)的途徑n 注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值-70-70；n 淀積非晶外表層淀積非晶外表層SiO2)

8、SiO2)；n 在外表制造損傷層；在外表制造損傷層； n 提高靶溫；提高靶溫；n 增大劑量。增大劑量。4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.5 4.5 注入損傷注入損傷n離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞n注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主；注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主；n注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。n4.3.1 4.3.1 級(jí)聯(lián)碰撞級(jí)聯(lián)碰撞nEd:Ed:靶原子分開(kāi)其平衡位置所需的最低能量。靶原子分開(kāi)其平衡位置所需的最低能量。n ET: ET:碰撞后靶原子獲得的能量。碰撞后靶原子獲得的能量

9、。n假設(shè)假設(shè) ETEd ETEd ETEd：靶原子位移，留下空位；：靶原子位移，留下空位；n假設(shè)假設(shè) ET ETEdEd：位移原子反沖原子再與靶原子碰撞，產(chǎn)生：位移原子反沖原子再與靶原子碰撞，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞。級(jí)聯(lián)碰撞。n4.3.2 4.3.2 晶格損傷晶格損傷輕注入離子：如，起始以電子碰撞為輕注入離子：如，起始以電子碰撞為主；主；n重注入離子：如，起始以核碰撞為重注入離子：如，起始以核碰撞為主。主。4.5 4.5 注入損傷注入損傷n損傷密度損傷密度n 例例1 1：B B離子，離子，E0=80keVE0=80keV，Rp=250nm;Rp=250nm;n 知知:Si:Si晶格間距為晶格間距為0.2

10、5nm0.25nm；初始；初始S SE E=35eV/nm=35eV/nm；那么；那么n ET=35X0.25=8.75eVEd=15eV ET=35X0.25=8.75eVEd=15eV，SiSi不位移；不位移；n 當(dāng)能量衰減為當(dāng)能量衰減為E=40keVE=40keV進(jìn)入約進(jìn)入約130nm130nm, S, SE E= 60eV/nm= 60eV/nm，那么那么 n ET=60X0.25=15eV=Ed ET=60X0.25=15eV=Ed，SiSi位移，且位移位移，且位移2.5nm/2.5nm/次；次；n 設(shè)：每個(gè)晶面都有設(shè)：每個(gè)晶面都有1 1個(gè)個(gè)SiSi位移，那么在位移，那么在B B離子

11、停頓前，位移離子停頓前，位移SiSi為為n 120nm/0.25nm=480 120nm/0.25nm=480個(gè)個(gè)n 設(shè)：設(shè)：SiSi位移位移2.5nm,2.5nm,那么損傷體積為那么損傷體積為n Vdam = Vdam =2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm32.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm3n損傷密度損傷密度=480/Vdam=2X1020cm-3 (=480/Vdam=2X1020cm-3 (占相應(yīng)體積中一切原子的占相應(yīng)體積中一切原子的0.4%0.4% 4.5 4.5 注入損傷注入損傷例例2 2：AsAs離子，離子，E0=80keVE0=80keV，R

12、p=50nmRp=50nm，平均，平均S SE E=1.2keV/nm=1.2keV/nm1 1個(gè)個(gè)AsAs共產(chǎn)生約共產(chǎn)生約40004000個(gè)位移個(gè)位移SiSiVdam =Vdam =2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm32.5nm)2(50nm)=1X10-18cm3損傷密度損傷密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相應(yīng)體積中一切原子的占相應(yīng)體積中一切原子的8%8%4.5 4.5 注入損傷注入損傷4.5.3 4.5.3 非晶層的構(gòu)成非晶層的構(gòu)成 隨注入劑量的添加，原先相互隔離的損傷區(qū)發(fā)隨注入劑量的添加，原先相互隔離的損傷區(qū)

13、發(fā)生重疊，最終形生長(zhǎng)程無(wú)序的非晶層。生重疊，最終形生長(zhǎng)程無(wú)序的非晶層。臨界劑量構(gòu)成非晶層所需的最小注入離子劑量；臨界劑量構(gòu)成非晶層所需的最小注入離子劑量； 臨界劑量與注入離子質(zhì)量成反比。臨界劑量與注入離子質(zhì)量成反比。靶溫靶溫越高，損傷越輕。靶溫靶溫越高，損傷越輕。4.5 4.5 注入損傷注入損傷4.6 4.6 注入退火注入退火n離子注入所構(gòu)成的損傷有：離子注入所構(gòu)成的損傷有：n散射中心：使遷移率下降；散射中心：使遷移率下降；n缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流添加；缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流添加；n雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。雜質(zhì)不在晶格上：起不到施主或受主的作用。

14、n退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移SiSi原原子恢復(fù)正常的替位位置激活。子恢復(fù)正常的替位位置激活。n退火方法：熱退火傳統(tǒng)退火；快速退火。退火方法：熱退火傳統(tǒng)退火；快速退火。n熱退火機(jī)理：熱退火機(jī)理：na.a.無(wú)定形層非晶層：經(jīng)過(guò)固相外延，使位移原子無(wú)定形層非晶層：經(jīng)過(guò)固相外延，使位移原子重構(gòu)而有序化。無(wú)定形是晶體的亞穩(wěn)態(tài)，這種固相外重構(gòu)而有序化。無(wú)定形是晶體的亞穩(wěn)態(tài)，這種固相外延可在較低溫度下發(fā)生。延可在較低溫度下發(fā)生。nb.b.非無(wú)定形層：高溫下，原子振動(dòng)能增大，因此挪動(dòng)非無(wú)定形層：高溫下，原子振動(dòng)能增大，因此挪動(dòng)才干加強(qiáng)，可使復(fù)雜的損傷分解為

15、簡(jiǎn)單的缺陷，如空才干加強(qiáng)，可使復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單的缺陷，如空位、間隙原子等。位、間隙原子等。n 簡(jiǎn)單的缺陷能以較高的遷移率挪動(dòng)，相互接近時(shí)，簡(jiǎn)單的缺陷能以較高的遷移率挪動(dòng)，相互接近時(shí)，n 就能夠復(fù)合而使缺陷消逝。就能夠復(fù)合而使缺陷消逝。n退火工藝條件：溫度；時(shí)間；方式常規(guī)、快速。退火工藝條件：溫度；時(shí)間；方式常規(guī)、快速。4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.1 4.6.1 硅資料的熱退火特性硅資料的熱退火特性退火機(jī)理：退火機(jī)理： 復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單缺陷：空位、間隙原子；復(fù)雜的損傷分解為簡(jiǎn)單缺陷：空位、間隙原子； 簡(jiǎn)單缺陷可因復(fù)合而消逝；簡(jiǎn)單缺陷可因復(fù)合而消逝； 損傷由單晶區(qū)向非單晶區(qū)經(jīng)過(guò)

16、固相外延再生長(zhǎng)得損傷由單晶區(qū)向非單晶區(qū)經(jīng)過(guò)固相外延再生長(zhǎng)得到恢復(fù)。到恢復(fù)。二次缺陷：簡(jiǎn)單缺陷重新組合，構(gòu)成新的缺陷。二次缺陷：簡(jiǎn)單缺陷重新組合，構(gòu)成新的缺陷。注入劑量與退火溫度成正比。注入劑量與退火溫度成正比。載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復(fù)所需溫載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復(fù)所需溫度度 ( (雜質(zhì)激活能小于雜質(zhì)激活能小于SiSi分散的激活能。分散的激活能。4.6 4.6 注入退火注入退火n4.6.2 4.6.2 硼的退火特性硼的退火特性n4.6.3 4.6.3 磷的退火特性磷的退火特性n4.6.4 4.6.4 熱退火過(guò)程的分散效應(yīng)熱退火過(guò)程的分散效應(yīng)n以上請(qǐng)自學(xué)以上請(qǐng)自學(xué)4

17、.6 4.6 注入退火注入退火4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火(RTA(RTA，rapid thermal annealing) rapid thermal annealing) 常規(guī)熱退火的缺陷常規(guī)熱退火的缺陷 激活率激活率anan低；低； 二次缺陷；二次缺陷； 導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布；導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布； 硅片變形。硅片變形。RTARTA機(jī)理：利用高功率密度的物質(zhì)作用于晶片外表，使機(jī)理：利用高功率密度的物質(zhì)作用于晶片外表，使注入層在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)高溫，以到消除損傷的目的。注入層在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)高溫，以到消除損傷的目的。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 退火時(shí)間短退火時(shí)間短10101111102102秒；秒

18、； 注入雜質(zhì)激活率高；注入雜質(zhì)激活率高； 對(duì)注入雜質(zhì)分布影響小；對(duì)注入雜質(zhì)分布影響小； 襯底資料的電學(xué)參數(shù)根本不受影響；襯底資料的電學(xué)參數(shù)根本不受影響；4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火n種類種類na.a.脈沖激光：固液相外延退火機(jī)理。脈沖激光：固液相外延退火機(jī)理。n優(yōu)點(diǎn)：功率密度高；激活率高。優(yōu)點(diǎn)：功率密度高；激活率高。nb.b.延續(xù)波激光：固固相外延退火機(jī)理。延續(xù)波激光：固固相外延退火機(jī)理。n優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)分布不受影響。優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)分布不受影響。n缺陷：能量轉(zhuǎn)換率低缺陷：能量轉(zhuǎn)換率低1 1nc.c.電子束：固液外延退火機(jī)理。電子束：固液外延退火機(jī)理。n優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率高優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率高5050。nd. d. 寬帶非相關(guān)光源寬帶非相關(guān)光源n光源：鹵素?zé)?，電弧燈。光源：鹵素?zé)?，電弧燈。n優(yōu)點(diǎn)：無(wú)干涉效應(yīng)；消費(fèi)效率高；設(shè)備簡(jiǎn)單。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)干涉效應(yīng)；消費(fèi)效率高；設(shè)備簡(jiǎn)單。RTARTA與爐熱退火與爐熱退火RTP退火爐退火金