半導(dǎo)體制造工藝-離子注入上

有關(guān)擴(kuò)散方面的主要內(nèi)容費(fèi)克第二定律的運(yùn)用和特殊解特征擴(kuò)散長(zhǎng)度的物理含義非本征擴(kuò)散常用雜質(zhì)的擴(kuò)散特性及與點(diǎn)缺陷的相互作用常用擴(kuò)散摻雜方法常用擴(kuò)散摻雜層的質(zhì)量測(cè)量DistributionaccordingtoerrorfunctionDistributionaccordingtoGaussianfunction1實(shí)際工藝中二步擴(kuò)散第一步為恒定表面濃度的擴(kuò)散（Pre-deposition）（稱(chēng)為預(yù)沉積或預(yù)擴(kuò)散）控制摻入的雜質(zhì)總量第二步為有限源的擴(kuò)散（Drive-in），往往同時(shí)氧化（稱(chēng)為主擴(kuò)散或再分布）控制擴(kuò)散深度和表面濃度2什么是離子注入離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)

離子注入的基本過(guò)程將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)3離子注入特點(diǎn)可通過(guò)精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）來(lái)達(dá)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（1%variationacrossan8’’wafer）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，自由度大離子注入屬于低溫過(guò)程（因此可以用光刻膠作為掩膜），避免了高溫過(guò)程引起的熱擴(kuò)散橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮小會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、相對(duì)昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)）有不安全因素，如高壓、有毒氣體4磁分析器離子源加速管聚焦掃描系統(tǒng)靶rBF3：B++，B+，BF2+，F(xiàn)+,BF+，BF++B10B115源（Source）：在半導(dǎo)體應(yīng)用中，為了操作方便，一般采用氣體源，如BF3，BCl3，PH3，AsH3等。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)。b)離子源（IonSource）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)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)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...離子源：B，

As，Ga，Ge，Sb，P，...6離子注入過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損失能量，最后停下來(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒(méi)有電活性。7注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論——對(duì)在非晶靶中注入離子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論，簡(jiǎn)稱(chēng)LSS理論。該理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過(guò)程(1)核阻止（nuclearstopping）(2)電子阻止（electronicstopping）總能量損失為兩者的和8核阻止本領(lǐng)與電子阻止本領(lǐng)-LSS理論阻止本領(lǐng)（stoppingpower）：材料中注入離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(Sn(E),Se(E))。核阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶原子核的阻止，經(jīng)典兩體碰撞理論。電子阻止本領(lǐng)：來(lái)自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。9-dE/dx：能量隨距離損失的平均速率E：注入離子在其運(yùn)動(dòng)路程上任一點(diǎn)x處的能量Sn(E)：核阻止本領(lǐng)/截面(eVcm2)Se(E)：電子阻止本領(lǐng)/截面（eVcm2)N:靶原子密度～51022cm-3forSiLSS理論能量E的函數(shù)能量為E的入射粒子在密度為N的靶內(nèi)走過(guò)x距離后損失的能量10核阻止本領(lǐng)注入離子與靶靶內(nèi)原子核之之間兩體碰撞兩粒子之間的的相互作用力力是電荷作用摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的的一階近似為為：例如：磷離子子Z1=15,m1=31注注入硅Z2=14,m2=28,計(jì)算可得：Sn~550keV-mm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)數(shù)下標(biāo)1——離離子，下標(biāo)2——靶對(duì)心碰撞，最最大能量轉(zhuǎn)移移：1112電子阻止本領(lǐng)領(lǐng)把固體中的電電子看成自由由電子氣，電電子的阻止就就類(lèi)似于粘滯滯氣體的阻力力（一階近似似）。電子阻阻止本領(lǐng)和注注入離子的能能量的平方根根成正比。非局部電子阻阻止局部電子阻止止不改變?nèi)肷潆x離子運(yùn)動(dòng)方向向電荷/動(dòng)量交交換導(dǎo)致入射射離子運(yùn)動(dòng)方方向的改變（（<核間作用用）13總阻止本領(lǐng)（（Totalstoppingpower）核阻止本領(lǐng)在在低能量下起起主要作用（（注入分布的尾尾端）電子阻止本領(lǐng)領(lǐng)在高能量下下起主要作用用核阻止和電子阻止相等的能量14離子E2B17keVP150keVAs,Sb>500keVnnne15表面處晶格損傷較小射程終點(diǎn)（EOR）處晶格損傷大16R：射程（range）離子在靶內(nèi)的的總路線(xiàn)長(zhǎng)度度Rp：投影射程（（projectedrange）R在入射方向上上的投影Rp：標(biāo)準(zhǔn)偏差（Straggling），投影射程的平平均偏差R：橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差（Traversestraggling）,垂垂直于入射方方向平面上的的標(biāo)準(zhǔn)偏差。。射程分布：平均投影射射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp，橫向標(biāo)準(zhǔn)偏偏差R非晶靶中注入離子的的濃度分布17RpR高斯分布RpLog（離子濃度）離子入射z注入離子的二二維分布圖18投影射程Rp:RpDRpDRRpDRpDRRpDRpDR19注入離子的濃濃度分布在忽略橫向離散效應(yīng)和一級(jí)近似下，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200keV注入入元素原原子子質(zhì)量Sb122As74P31B11Cp20Q：為離子注入入劑量（Dose）,單單位為ions/cm2，可以從測(cè)量量積分束流得得到由，，可以得到到：21Q可以精確控制制A為注入面積，，I為硅片背面搜搜集到的束流流（FaradyCup），t為積分時(shí)間，，q為離子所帶的的電荷。例如：當(dāng)A＝20×20cm2，I＝0.1mA時(shí)，而對(duì)于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為為：B＋1-5×1012cm-2注入時(shí)間為~30分鐘對(duì)比一下：如如果采用預(yù)淀淀積擴(kuò)散（1000C），表面濃濃度為固溶度度1020cm-3時(shí)，D～10-14cm2/s每秒劑量達(dá)1013/cm2I＝0.01mA～mA22常用注入離子子在不同注入入能量下的特特性平均投影射程程Rp標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp23已知注入離子子的能量和劑劑量，估算注入離子子在靶中的濃濃度和結(jié)深深問(wèn)題：140keV的的B+離子注入到直直徑為150mm的硅硅靶中。注入劑量Q=5×1014/cm2（襯底濃度2×1016/cm3）1)試估算算注入離子的的投影射程，，投影射程標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰值濃度、、結(jié)深2)如注入入時(shí)間為1分分鐘，估算所所需束流。24【解】1)從從查圖或查查表得Rp=4289?=0.43mmRp=855?=0.086mm峰值濃度Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019cm-3襯底濃度CB＝2×1016cm-3xj=0.734mm2)注入的的總離子數(shù)Q＝摻雜劑量××硅片面積＝5×1014×[(15/2)2]=8.8××1016離子數(shù)I＝qQ/t＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60sec=0.23mA25注入離子的真真實(shí)分布真實(shí)分布非常常復(fù)雜，不服服從嚴(yán)格的高高斯分布當(dāng)輕離子硼（（B）注入到到硅中，會(huì)有有較多的硼離離子受到大角角度的散射（（背散射），，會(huì)引起在峰峰值位置與表表面一側(cè)有較較多的離子堆堆積；重離子子散射得更深深。26橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)指的的是注入離子子在垂直于入射方方向平面內(nèi)的分布情況況橫向效應(yīng)影響響MOS晶體體管的有效溝溝道長(zhǎng)度。R（μm）2735keVAs注入入120keVAs注注入28注入掩蔽層———掩蔽層應(yīng)應(yīng)該多厚？如果要求掩膜層能完全阻擋離子xm為恰好能夠完完全阻擋離子子的掩膜厚度度Rp*為離子在掩蔽蔽層中的平均均射程，DRp*為離子在掩蔽蔽層中的射程程標(biāo)準(zhǔn)偏差29解出所需的掩掩膜層厚度：：穿過(guò)掩膜層的的劑量：余誤差函數(shù)30離子注入退火火后的雜質(zhì)分分布DtD0t0＋Dt一個(gè)高斯分布布在退火后仍仍然是高斯分分布，其標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)偏差和峰值值濃度發(fā)生改改變。31離子注注入的的溝道道效應(yīng)應(yīng)溝道效效應(yīng)（（Channelingeffect））當(dāng)離子子沿晶晶軸方方向注注入時(shí)時(shí)，大大部分分離子子將沿沿溝道道運(yùn)動(dòng)動(dòng)，幾幾乎不不會(huì)受受到原原子核核的散散射，，方向向基本本不變變，可可以走走得很很遠(yuǎn)。。32110111100傾斜旋旋轉(zhuǎn)硅硅片后后的無(wú)無(wú)序方方向33濃度分分布由于溝溝道效效應(yīng)的的存在在，在在晶體體中注注入將將偏離離LSS理理論在在非晶晶體中中的高高斯分分布，，濃度度分布布中出出現(xiàn)一一個(gè)相相當(dāng)長(zhǎng)長(zhǎng)的““尾巴巴”產(chǎn)生非非晶化化的劑劑量沿<100>的的溝道道效應(yīng)應(yīng)34表面非非晶層層對(duì)于于溝道道效應(yīng)應(yīng)的作作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi35減少溝溝道效效應(yīng)的的措施施對(duì)大的的離子子，沿沿溝道道軸向向(110)偏偏離7－10o用Si，Ge，，F(xiàn)，，Ar等離離子注注入使使表面面預(yù)非非晶化化，形形成非非晶層層（Pre-amorphization））增加注注入劑劑量（（晶格格損失失增加加，非非晶層層形成成，溝溝道離離子減減少））表面用用SiO2層掩膜膜36典型離離子注注入?yún)?shù)離子：：P，，As，Sb，，B，，In，O劑量：：1011~1018cm-2能量：：1––400keV可重復(fù)復(fù)性和和均勻勻性:±1%溫度：：室溫溫流量：：1012-1014cm-2s-137本節(jié)課課主要要內(nèi)容容LSS理論論？阻阻止能能力的的含義義？離子注注入的的雜質(zhì)質(zhì)分布布？退退火后后？離子注注入的的主要要特點(diǎn)點(diǎn)？掩蔽膜膜的厚厚度？？精確控控制摻摻雜，，淺結(jié)結(jié)、淺淺摻雜雜，純純度高高，低低溫，，多種種掩模模，……非晶靶靶。能能量損損失為為兩個(gè)個(gè)彼此此獨(dú)立立的過(guò)過(guò)程(1)核核阻止止與(2)電電子阻阻止之之和。。能量為為E的入射射粒子子在密密度為為N的靶內(nèi)內(nèi)走過(guò)過(guò)x距離后后損失失的能能量。。掩膜層能完全阻擋離子的條件：389、靜夜四四無(wú)鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中中黃葉葉樹(shù)，，燈下下白頭頭人。。。20:36:4220:36:4220:3612/28/20228:36:42PM11、以我獨(dú)沈沈久，愧君君相見(jiàn)頻。。。12月-2220:36:4220:36Dec-2228-Dec-2212、故人江海別別，幾度隔山山川。。20:36:4220:36:4220:36Wednesday,December28,202213、乍乍見(jiàn)見(jiàn)翻翻疑疑夢(mèng)夢(mèng)，，相相悲悲各各問(wèn)問(wèn)年年。。。。12月月-2212月月-2220:36:4220:36:42December28,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國(guó)見(jiàn)見(jiàn)青山。。。28十十二月20228:36:42下午午20:36:4212月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月228:36下下午午12月月-2220:36December28,202216、行動(dòng)出成成果，工作作出財(cái)富。。。2022/12/2820:36:4220:36:4228December202217、做前，能能夠環(huán)視四四周；做時(shí)時(shí)，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點(diǎn)的的射線(xiàn)向前前。。8:36:42下下午8:36下下午20:36:4212月-229、沒(méi)有失失敗，只只有暫時(shí)時(shí)停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有結(jié)果，但是是不努力卻什什么改變也沒(méi)沒(méi)有。。20:36:4220:36:4220:3612/28/20228:36:42PM11、成功就是日日復(fù)一日那一一點(diǎn)點(diǎn)小小努努力的積累。。。12月-2220:36:4220:36Dec-2228-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對(duì)對(duì)圓滿(mǎn)滿(mǎn)，留留一份份不足足，可可得無(wú)無(wú)限完完美。。。20:36:4220:36:4220:36Wednesday,December28,202213、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2220:36:4220:36:42December28,202214、意志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。28十十二月20228:36:42下午午20:36:4212月-2215、楚塞三湘接接，荊門(mén)九派派通。。。十二月228:36下下午12月-2220:36December28,202216、少年十五二二十時(shí)，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/2820:36:4220:36:4228December202217、空山新雨雨后，天氣氣晚來(lái)秋。。。8:36:42下下午8:36下下午20:36:4212月-229、楊楊柳柳散散和和風(fēng)風(fēng)，，青青山山澹澹吾吾慮慮。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、閱閱讀讀一一切切好好書(shū)書(shū)如如同同和和過(guò)過(guò)去去最最杰杰出出的的人人談?wù)勗?huà)話(huà)。。20:36:4220: