半導(dǎo)體工藝離子注入專題培訓(xùn)課件

半導(dǎo)體工藝離子注入半導(dǎo)體工藝離子注入1離子注入離子注入21、離子注入2、離子束的性質(zhì)3、離子束加工方式4、離子注入系統(tǒng)5、離子注入的特點6、溝道效應(yīng)及避免方法7、離子與襯底原子的相互作用8、注入損傷9、退火10、離子注入的優(yōu)缺點主要內(nèi)容：1、離子注入主要內(nèi)容：3

離子注入出現(xiàn)：隨著集成電路集成度的提高，對器件源漏結(jié)深的要求，且傳統(tǒng)的擴散已無法精確控制雜質(zhì)的分布形式及濃度了。

離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現(xiàn)象叫做濺射；

當離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈回來，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射；

離子束射到固體材料以后，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。

1、離子注入：離子注入出現(xiàn)：隨著集成電路集成度的提高42、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)，能在高壓下加速而獲得很高的動能。

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<10KeV

，刻蝕、鍍膜

E=10~50KeV，曝光

E>50KeV，注入摻雜2、離子束的性質(zhì)：離子束是一種帶電原子或帶電54、離子注入系統(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：不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉(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。4、離子注入系統(tǒng)：離子源：用于離化雜質(zhì)的容6

聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。

偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來實現(xiàn)離子束x、y

方向的一定面積內(nèi)進行掃描。

工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束7離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng)85、離子注入的特點：特點：·可以獨立控制雜質(zhì)分布（離子能量）和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時間）·各向異性摻雜·容易獲得高濃度摻雜（特別是：重雜質(zhì)原子，如P和As等）。5、離子注入的特點：特點：9離子注入與擴散的比較：離子注入與擴散的比較：10擴散離子注入高溫，硬掩膜900－1200℃低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400℃各向同性各向異性不能獨立控制結(jié)深和濃度可以獨立控制結(jié)深和濃度擴散離子注入高溫，硬掩膜低溫，光刻膠掩膜各向同性各向異性不能116、溝道效應(yīng)及避免方法：對單晶材料的軸溝道和面溝道(基材晶向)，由于散射截面小，注入離子可以獲得很深的穿透深度，稱為溝道效應(yīng)。為了盡可能避免溝道效應(yīng)，離子束在注入硅片時必須偏離溝道方向約7°。通常，這種偏轉(zhuǎn)是用傾斜硅片來實現(xiàn)。離子束（100）Si6、溝道效應(yīng)及避免方法：對單晶材料的軸溝道和面溝道(12半導(dǎo)體工藝離子注入專題培訓(xùn)課件13

除了轉(zhuǎn)動靶片，還可以用事先生長氧化層或用Si、F等離子預(yù)非晶化的方法來消除溝道效應(yīng)。對大直徑Si片，還用增大傾斜角的方法來保證中心和邊緣都能滿足大于臨界角。除了轉(zhuǎn)動靶片，還可以用事先生長氧化層或用Si、F等離子147、離子與襯底原子的相互作用：注入離子與襯底原子的相互作用，決定了注入離子的分布、襯底的損傷。注入離子與靶原子的相互作用，主要有離子與電子的相互作用，稱為電子阻止。和離子與核的相互作用，稱為核阻止。核阻止主要表現(xiàn)為庫侖散射。在同樣能量下，靶原子質(zhì)量越大，核阻止越大，靶原子質(zhì)量越小電子阻止越大。7、離子與襯底原子的相互作用：注入離子與襯底158、注入損傷：離子注入襯底單晶與襯底原子作級聯(lián)碰撞，產(chǎn)生大量的位移原子，注入時產(chǎn)生的空位、填隙原子等缺陷稱為一次缺陷。在劑量達到一定數(shù)值后，襯底單晶非晶化，形成無定型結(jié)構(gòu)。使襯底完全非晶化的注入劑量稱為閾值劑量。

不同襯底和不同的注入離子，在不同的能量、劑量率和不同溫度下有不同的非晶劑量。輕原子的大、重原子的??；能量低大，能量高??；襯底溫度低大，襯底溫度高小。當襯底溫度高于固相外延溫度時，可以一直保持單晶。8、注入損傷：離子注入襯底單晶與襯底原子作級聯(lián)16注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子

–產(chǎn)生自由原子（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，損傷才停止一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子179、退火：退火：將完成離子注入的硅片在一定的溫度下，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?，則硅片上的損傷就可能得到消除，少數(shù)載流子壽命以及遷移率也會不同程度的得到恢復(fù)，雜質(zhì)也得到一定比例的電激活。退火目的：離子注入過程中造成晶格損傷，導(dǎo)致散射中心增加，載流子遷移率下降，缺陷中心的增加，載流子的壽命減少，漏電流增大，同時由于注入的離子大多存在于間隙中起不到施主或受主的作用。9、退火：退火：將完成離子注入的硅片在一定的溫度下，經(jīng)18硅單晶退火：修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)—硅鍵b)退火后的硅晶格a)注入過程中損傷的硅晶格離子束硅單晶退火：修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)—硅鍵b)退火后的硅19

熱退火特性：將欲退火的硅片置于真空或高純氣體的保護下，加熱到某一溫度進行熱處理，由于熱退火處于較高的溫度，原子的振動能較大，導(dǎo)致原子的移動能加強，可使復(fù)雜的缺陷分解點缺陷，當它們相互靠近時就可能復(fù)合而使缺陷消失。

缺點：缺陷不能完全消除，而且容易產(chǎn)生二次缺陷，雜質(zhì)電激活率不高，容易增加表面污染，高溫容易導(dǎo)致雜質(zhì)再分布，破壞了離子注入的優(yōu)點。熱退火特性：將欲退火的硅片置于真空或高純氣體的保護下，加20

優(yōu)點：通過降低退火溫度，縮短退火時間脈沖激光退火：特點：退火區(qū)域受熱時間短，因而損傷區(qū)雜質(zhì)幾乎不擴散，可以通過改變激光的波長和能量密度，可在深度上和表面上進行不同的退火處理。從而可在同一硅片上制造處不同結(jié)深和不同擊穿電壓的器件?？焖偻嘶穑簝?yōu)點：通過降低退火溫度，縮短退火時間快速退火：2110、離子注入的優(yōu)缺點：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、注入溫度低，一般不超過400℃，退火溫度也在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；3、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；4、可以獲得任意的摻雜濃度分布；

優(yōu)點：10、離子注入的優(yōu)缺點：1、可控性好，離子注入能精確控制摻225、結(jié)面比較平坦；

6、均勻性和重復(fù)性好；

7、可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術(shù)；

8、擴大了雜質(zhì)的選擇范圍；9、橫向擴展小，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；

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。5、結(jié)面比較平坦；23缺點：1、離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷；

2、離子注入難以獲得很深的結(jié)深；

3、離子注入的生產(chǎn)效率比擴散工藝低；

4、離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。缺點：1、離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷；24ENDTHANKYOU!ENDTHANKYOU!25半導(dǎo)體工藝離子注入專題培訓(xùn)課件26半導(dǎo)體工藝離子注入半導(dǎo)體工藝離子注入27離子注入離子注入281、離子注入2、離子束的性質(zhì)3、離子束加工方式4、離子注入系統(tǒng)5、離子注入的特點6、溝道效應(yīng)及避免方法7、離子與襯底原子的相互作用8、注入損傷9、退火10、離子注入的優(yōu)缺點主要內(nèi)容：1、離子注入主要內(nèi)容：29

離子注入出現(xiàn)：隨著集成電路集成度的提高，對器件源漏結(jié)深的要求，且傳統(tǒng)的擴散已無法精確控制雜質(zhì)的分布形式及濃度了。

離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現(xiàn)象叫做濺射；

當離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈回來，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射；

離子束射到固體材料以后，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。

1、離子注入：離子注入出現(xiàn)：隨著集成電路集成度的提高302、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)，能在高壓下加速而獲得很高的動能。

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<10KeV

，刻蝕、鍍膜

E=10~50KeV，曝光

E>50KeV，注入摻雜2、離子束的性質(zhì)：離子束是一種帶電原子或帶電314、離子注入系統(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：不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉(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。4、離子注入系統(tǒng)：離子源：用于離化雜質(zhì)的容32

聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。

偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來實現(xiàn)離子束x、y

方向的一定面積內(nèi)進行掃描。

工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束33離子注入系統(tǒng)離子注入系統(tǒng)345、離子注入的特點：特點：·可以獨立控制雜質(zhì)分布（離子能量）和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時間）·各向異性摻雜·容易獲得高濃度摻雜（特別是：重雜質(zhì)原子，如P和As等）。5、離子注入的特點：特點：35離子注入與擴散的比較：離子注入與擴散的比較：36擴散離子注入高溫，硬掩膜900－1200℃低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400℃各向同性各向異性不能獨立控制結(jié)深和濃度可以獨立控制結(jié)深和濃度擴散離子注入高溫，硬掩膜低溫，光刻膠掩膜各向同性各向異性不能376、溝道效應(yīng)及避免方法：對單晶材料的軸溝道和面溝道(基材晶向)，由于散射截面小，注入離子可以獲得很深的穿透深度，稱為溝道效應(yīng)。為了盡可能避免溝道效應(yīng)，離子束在注入硅片時必須偏離溝道方向約7°。通常，這種偏轉(zhuǎn)是用傾斜硅片來實現(xiàn)。離子束（100）Si6、溝道效應(yīng)及避免方法：對單晶材料的軸溝道和面溝道(38半導(dǎo)體工藝離子注入專題培訓(xùn)課件39

除了轉(zhuǎn)動靶片，還可以用事先生長氧化層或用Si、F等離子預(yù)非晶化的方法來消除溝道效應(yīng)。對大直徑Si片，還用增大傾斜角的方法來保證中心和邊緣都能滿足大于臨界角。除了轉(zhuǎn)動靶片，還可以用事先生長氧化層或用Si、F等離子407、離子與襯底原子的相互作用：注入離子與襯底原子的相互作用，決定了注入離子的分布、襯底的損傷。注入離子與靶原子的相互作用，主要有離子與電子的相互作用，稱為電子阻止。和離子與核的相互作用，稱為核阻止。核阻止主要表現(xiàn)為庫侖散射。在同樣能量下，靶原子質(zhì)量越大，核阻止越大，靶原子質(zhì)量越小電子阻止越大。7、離子與襯底原子的相互作用：注入離子與襯底418、注入損傷：離子注入襯底單晶與襯底原子作級聯(lián)碰撞，產(chǎn)生大量的位移原子，注入時產(chǎn)生的空位、填隙原子等缺陷稱為一次缺陷。在劑量達到一定數(shù)值后，襯底單晶非晶化，形成無定型結(jié)構(gòu)。使襯底完全非晶化的注入劑量稱為閾值劑量。

不同襯底和不同的注入離子，在不同的能量、劑量率和不同溫度下有不同的非晶劑量。輕原子的大、重原子的小；能量低大，能量高?。灰r底溫度低大，襯底溫度高小。當襯底溫度高于固相外延溫度時，可以一直保持單晶。8、注入損傷：離子注入襯底單晶與襯底原子作級聯(lián)42注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子

–產(chǎn)生自由原子（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，損傷才停止一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子439、退火：退火：將完成離子注入的硅片在一定的溫度下，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?，則硅片上的損傷就可能得到消除，少數(shù)載流子壽命以及遷移率也會不同程度的得到恢復(fù)，雜質(zhì)也得到一定比例的電激活。退火目的：離子注入過程中造成晶格損傷，導(dǎo)致散射中心增加，載流子遷移率下降，缺陷中心的增加，載流子的壽命減少，漏電流增大，同時由于注入的離子大多存在于間隙中起不到施主或受主的作用。9、退火：退火：將完成離子注入的硅片在一定的溫度下，經(jīng)44硅單晶退火：修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)—硅鍵b)退火后的硅晶格a)注入過程中損傷的硅晶格離子束硅單晶退火：修復(fù)硅晶格結(jié)構(gòu)并激活雜質(zhì)—硅鍵b)退火后的硅45

熱退火特性：將欲退火的硅片置于真空或高純氣體的保護下，加熱到某一溫度進行熱處理，由于熱退火處于較高的溫度，原子的振動能較大，導(dǎo)致原子的移動能加強，可使復(fù)雜的缺陷分解點缺陷，當它們相互靠近時就可能復(fù)合而使缺陷消失。

缺點：缺陷不能完全消除，而且容易產(chǎn)生二次缺陷，雜質(zhì)電激活率不高，容易增加表面污染，高溫容易導(dǎo)致雜質(zhì)再分布，破壞了離子注入的優(yōu)點。熱退火特性：將欲退火的硅片置于真空或高純氣體的保護下，加46

優(yōu)點：通過降低退火溫度，縮短退火時間脈沖激光退火：特點：退火區(qū)域受熱時間短，因而損傷區(qū)雜