半導(dǎo)體制造工藝_09離子注入(上)

1、半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)1有關(guān)擴散方面的主要內(nèi)容有關(guān)擴散方面的主要內(nèi)容費克第二定律的運用和特殊解費克第二定律的運用和特殊解特征擴散長度的物理含義特征擴散長度的物理含義非本征擴散非本征擴散常用雜質(zhì)的擴散特性及與點缺陷的相互作用常用雜質(zhì)的擴散特性及與點缺陷的相互作用常用擴散摻雜方法常用擴散摻雜方法常用擴散摻雜層的質(zhì)量測量常用擴散摻雜層的質(zhì)量測量Distribution according to error functionDtxCtxCs2erfc,DtxDtQtxCT4exp,2Distribution accordingto Gaussian func

2、tion半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)2實實際際工工藝藝中中二二步步擴擴散散第一步第一步 為恒定表面濃度的擴散（為恒定表面濃度的擴散（Pre-deposition） （稱為預(yù)沉積或預(yù)擴散）（稱為預(yù)沉積或預(yù)擴散） 控制摻入的雜質(zhì)總量控制摻入的雜質(zhì)總量1112tDCQ 第二步第二步 為有限源的擴散（為有限源的擴散（Drive-in），往往同時氧化），往往同時氧化 （稱為主擴散或再分布）（稱為主擴散或再分布） 控制擴散深度和表面濃度控制擴散深度和表面濃度221112222tDtDCtDQC半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)3什么是離

3、子注入什么是離子注入離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材料的離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì)表層，以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì) 離子注入的基本過程離子注入的基本過程v將某種元素的原子或攜將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子變成帶電的離子v在強電場中加速，獲得在強電場中加速，獲得較高的動能后，射入材較高的動能后，射入材料表層（靶）料表層（靶）v以改變這種材料表層的以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì)物理或化學性質(zhì)半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)4離子注入

4、特點離子注入特點可通過精確控制摻雜劑量（可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018 cm-2）和能量（）和能量（1-400 keV）來）來達到各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度達到各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（1% variation across an 8 wafer）表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度表面濃度不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度 或深結(jié)高濃度或深結(jié)高濃度注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性注入元素可以非常純，雜質(zhì)單一性可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)；可防止玷污，自由度

5、大度大離子注入屬于低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高離子注入屬于低溫過程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過程引起的熱擴散溫過程引起的熱擴散橫向效應(yīng)比氣固相擴散小得多，有利于器件尺寸的縮小橫向效應(yīng)比氣固相擴散小得多，有利于器件尺寸的縮小會產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進會產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進設(shè)備相對復(fù)雜、相對昂貴（設(shè)備相對復(fù)雜、相對昂貴（尤其是超低能量離子注入機尤其是超低能量離子注入機）有不安全因素，如高壓、有毒氣體有不安全因素，如高壓、有毒氣體半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)5磁分析器磁分析器離離子子源源

6、加速管加速管聚焦聚焦掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)靶靶rdtqIAQ1BF3：B+，B+，BF2+，F(xiàn)+, BF+，BF+B10B11半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)6源（源（Source）：）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便， 一般采用一般采用氣體源氣體源，如，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。b) 離子源（離子源（Ion Source）：）：燈絲（燈絲（filament）發(fā)出的）發(fā)出的自由電子在電磁場

7、作用下，獲得足夠的能量后撞自由電子在電磁場作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.離子源：離子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P，.半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)7離子注入過程是一個離子注入過程是一個非平衡非平衡過程，高能離子進入過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能

8、量，最后停下來。停下來的位置是隨機的，大能量，最后停下來。停下來的位置是隨機的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性。部分不在晶格上，因而沒有電活性。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)8注入離子如何在體內(nèi)靜止？注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論理論對在對在非晶靶非晶靶中注入離子的射程分布的研究中注入離子的射程分布的研究 1963年，年，Lindhard, Scharff and Schiott首先確立了注入離首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡稱子在靶內(nèi)分布理論，簡稱 LSS理論。理論。 該理論認為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個彼此獨該理論認為，注入離子在靶內(nèi)的

9、能量損失分為兩個彼此獨立的過程立的過程 (1) 核阻止（核阻止（nuclear stopping） (2) 電子阻止電子阻止 （electronic stopping） 總能量損失為兩者的和總能量損失為兩者的和半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)9 核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論理論阻止本領(lǐng)（阻止本領(lǐng)（stopping power）：材料中注入離子的能量損失大?。翰牧现凶⑷腚x子的能量損失大小單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量單位路程上注入離子由于核阻止和電子阻止所損失的能量 (Sn(E), Se(E) )。q 核阻止本

10、領(lǐng)核阻止本領(lǐng)：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。：來自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。q 電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)10 ESESNdxdEen-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運動路程上任一點：注入離子在其運動路程上任一點x處的能量處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)：核阻止本領(lǐng)/截面截面 (eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)：電子阻止本領(lǐng)/截面（截面（eVcm2)N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm

11、-3 for Si eenndxdENESdxdENES1,1LSS理論理論能量能量E的函數(shù)的函數(shù)能量為能量為E的的入射粒子在入射粒子在密度為密度為N的的靶內(nèi)走過靶內(nèi)走過x距離后損失距離后損失的能量的能量半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)11核阻止本領(lǐng)核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是兩粒子之間的相互作用力是電荷作用電荷作用摘自摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295核阻止能力的一階近似為：核阻止能力的一階近似為：例如：

12、磷離子例如：磷離子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅注入硅Z2 = 14, m2 = 28,計算可得：計算可得：Sn 550 keV-m mm2m質(zhì)量，質(zhì)量， Z原子序數(shù)原子序數(shù)下標下標1離子，下標離子，下標2靶靶 22113223212115cmeV108 . 2mmmZZZZESn對心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：對心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移： E)m(mmmETrans221214 半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)12半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)13電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣

13、把固體中的電子看成自由電子氣，電子的阻止就類似于粘滯氣體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平體的阻力（一階近似）。電子阻止本領(lǐng)和注入離子的能量的平方根成正比。方根成正比。非局部電子阻止非局部電子阻止局部電子阻止局部電子阻止 22/1152/1cmeV102 . 0, kkECvESione不改變?nèi)肷潆x子運動方向不改變?nèi)肷潆x子運動方向電荷電荷/動量交換導(dǎo)致入射離子運動量交換導(dǎo)致入射離子運動方向的改變（動方向的改變（500 keVnnne半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)16表面處晶格表面處晶格損傷較小損傷較小射程終點（射程終點（EOR）處晶格損傷大

14、處晶格損傷大半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)17R：射程（：射程（range） 離子離子在靶內(nèi)的總路線長度在靶內(nèi)的總路線長度 Rp：投影射程：投影射程（projected range） R在入射方向上的投影在入射方向上的投影 Rp：標準標準偏差（偏差（Straggling），），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：橫向：橫向標準標準偏差（偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向垂直于入射方向平面上的標準偏差。平面上的標準偏差。射程分布射程分布：平均投影射：平均投影射程程Rp，標準偏差，標準偏差 Rp，橫向標準偏差橫向標準偏差 R

15、 非晶靶非晶靶中注入離子的濃度分布中注入離子的濃度分布半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)18 Rp R 高斯分布高斯分布RpLog（離子濃度）（離子濃度）離子入射離子入射z注入離子的二維分布圖注入離子的二維分布圖半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)19 0001EenRpESESdENdxRp投影射程投影射程Rp:Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)20注入離子的濃度分布注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應(yīng)和一級近似下，注入離子在在忽略橫向離散效應(yīng)和一級近

16、似下，注入離子在靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式靶內(nèi)的縱向濃度分布可近似取高斯函數(shù)形式 221expppPRRxCxC200 keV 注入注入元素元素 原子質(zhì)量原子質(zhì)量Sb 122As 74P 31B 11 Cp半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)21 ppCRdxxCQ2Q：為離子注入劑量（：為離子注入劑量（Dose）, 單位為單位為 ions/cm2，可以，可以從測量積分束流得到從測量積分束流得到22exp2)(pppRRxRQxCppPRQRQC4 . 02由由 ， 可以得到：可以得到：半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)

17、22Q可以精確控制可以精確控制dtqIAQ1A為注入面積，為注入面積，I為硅片背面搜集到的束為硅片背面搜集到的束流（流（Farady Cup），），t為積分時間，為積分時間，q為為離子所帶的電荷。離子所帶的電荷。例如：當例如：當A2020 cm2，I0.1 m mA時，時，satoms/cm1056. 129AqItQ而對于一般而對于一般NMOS的的VT調(diào)節(jié)的劑量為：調(diào)節(jié)的劑量為：B 1-51012 cm-2注入時間為注入時間為30分鐘分鐘對比一下：如果采用預(yù)淀積擴散（對比一下：如果采用預(yù)淀積擴散（1000 C），表面濃度），表面濃度為固溶度為固溶度1020 cm-3時，時，D10-14 cm

18、2/s每秒劑量達每秒劑量達1013/cm2I0.01 m mAmADtCQs2半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)23常用注入離子在不同注入能量下的特性常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投影射程平均投影射程Rp標準偏差標準偏差 Rp半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)24已知注入離子的能量和劑量，已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的估算注入離子在靶中的 濃度和結(jié)深濃度和結(jié)深問題：問題：140 keV的的B+離子注入到直徑為離子注入到直徑為150 mm的硅靶中。的硅靶中。 注入注入 劑量劑量Q=510 14/cm2（襯底濃

19、度（襯底濃度21016 /cm3） 1) 試估算注入離子的投影射程，投影射程標準偏差、試估算注入離子的投影射程，投影射程標準偏差、 峰峰 值濃度、結(jié)深值濃度、結(jié)深 2) 如注入時間為如注入時間為1分鐘，估算所需束流。分鐘，估算所需束流。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)25【解】【解】1) 從查圖或查表從查圖或查表 得得 Rp=4289 =0.43 m mm Rp855 855 0.086 m0.086 mm 峰值濃度峰值濃度 Cp=0.4Q/ R Rp p=0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 襯底濃度襯底濃度CB21016 c

20、m-3 xj=0.734 m mm 2) 注入的總離子數(shù)注入的總離子數(shù) Q摻雜劑量摻雜劑量硅片面積硅片面積 51014 (15/2)2=8.81016 離子數(shù)離子數(shù) IqQ/t (1.61019C)(8.81016)/60 sec=0.23 mA 221expppjpBjRRxCCxC半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)26注入離子的真實分布注入離子的真實分布v 真實分布非常復(fù)雜，不服從嚴格的高斯分布真實分布非常復(fù)雜，不服從嚴格的高斯分布v 當輕離子硼（當輕離子硼（B）注入到硅中，會有較多的硼離子受到大）注入到硅中，會有較多的硼離子受到大角度的散射（背散射），會引

21、起在峰值位置與表面一側(cè)有角度的散射（背散射），會引起在峰值位置與表面一側(cè)有較多的離子堆積；重離子散射得更深。較多的離子堆積；重離子散射得更深。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)27橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)指的是注入橫向效應(yīng)指的是注入離子在離子在垂直于入射方垂直于入射方向平面向平面內(nèi)的分布情況內(nèi)的分布情況橫向效應(yīng)影響橫向效應(yīng)影響MOS晶體晶體管的有效溝道長度。管的有效溝道長度。221exp2)(),(RyRxCyxC R （m）半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)2835 keV As注入注入120 keV As注入注入半導(dǎo)體制造工藝

22、基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)29注入掩蔽層注入掩蔽層掩蔽層應(yīng)該多厚？掩蔽層應(yīng)該多厚？BmPmCRRxCxCPP2*2*2exp)(*如果要求掩膜層能完全阻擋離子如果要求掩膜層能完全阻擋離子xm為恰好能夠完全阻擋離子的為恰好能夠完全阻擋離子的掩膜厚度掩膜厚度Rp*為離子在掩蔽層中的平均為離子在掩蔽層中的平均射程，射程， Rp*為離子在掩蔽層中為離子在掩蔽層中的射程標準偏差的射程標準偏差半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)30*ln2PPBPPPmRmRCCRRx解出所需的掩膜層厚度：解出所需的掩膜層厚度：穿過掩膜層的劑量：穿過掩膜層的劑量：

23、*2*2erfc221exp2pPmxpPpPRRxQdxRRxRQQm 余誤差函數(shù)余誤差函數(shù)半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)31離子注入退火后的雜質(zhì)分布離子注入退火后的雜質(zhì)分布 DtxDtQtxC4exp2,2 22exp2pppRRxRQxC0022)(tDRp DtRRxDtRQtxCPPP22exp22,222Dt D0t0Dt一個高斯分布在退火后一個高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標仍然是高斯分布，其標準偏差和峰值濃度發(fā)生準偏差和峰值濃度發(fā)生改變。改變。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)32離子注入的溝道效應(yīng)離子注入

24、的溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)（溝道效應(yīng)（Channeling effect）當離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道當離子沿晶軸方向注入時，大部分離子將沿溝道運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不運動，幾乎不會受到原子核的散射，方向基本不變，可以走得很遠。變，可以走得很遠。半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)33110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)34濃度分布濃度分布 由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離由于溝道效應(yīng)的存在，在晶體中注入將偏離LSS理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個相理論在非晶體中的高斯分布，濃度分布中出現(xiàn)一個相當長的當長的“尾巴尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量產(chǎn)生非晶化的劑量沿沿的溝道效應(yīng)的溝道效應(yīng)半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)第七章第七章 離子注入原離子注入原理理 (上上)35表面非晶層對于溝道效應(yīng)的作用表