IC工藝技術(shù)5-離子注入

IC工藝技術(shù)5-離子注入第一頁，共67頁。引言半導(dǎo)體工藝中應(yīng)用的離子注入是將高能量的雜質(zhì)離子導(dǎo)入到半導(dǎo)體晶體，以改變半導(dǎo)體，尤其是表面層的電學(xué)性質(zhì)．注入一般在50-500kev能量下進行第二頁，共67頁。離子注入的優(yōu)點注入雜質(zhì)不受材料溶解度，擴散系數(shù)，化學(xué)結(jié)合力的限制，原則上對各種材料都可摻雜可精確控制能量和劑量，從而精確控制摻雜量和深度較小的恒向擴散摻雜均勻性好，電阻率均勻性可達1%純度高，不受所用化學(xué)品純度影響可在較低溫度下?lián)诫s第三頁，共67頁。目錄射程和分布溝道效應(yīng)損傷和退火離子注入機離子注入的應(yīng)用離子注入工藝模擬第四頁，共67頁。射程入射離子在非晶靶內(nèi)的射程非晶靶射程，投影射程入射方向RpR 第五頁，共67頁。LSS理論單個入射離子在單位距離上的能量損失-dE/dx=N[Sn(E)+Se(E)]其中：Sn(E)原子核阻止本領(lǐng)Se(E)電子阻止本領(lǐng)N單位體積靶原子平均數(shù)R=oRdx＝（1/N）oEodE/〔Sn(E)＋Se(E)〕第六頁，共67頁。LSS理論－核阻止本領(lǐng)和彈性碰撞M1EoM2M2M1V1’V2’入射粒子最大轉(zhuǎn)移能量1/2M2v22=4M1M2Eo/(M1+M2)2第七頁，共67頁。核阻止本領(lǐng)粗略近似計算核阻止本領(lǐng)Sno=2.8x10-15(Z1Z2/Z1/3)M1/(M1+M2)（ev-cm2)其中Z2/3=Z12/3+Z22/3低能時S=Sno（Se=0）R=0.7

[(Z12/3+Z22/3)1/2/Z1Z2](M1+M2)/M1EoRp=R/(1+M2/3M1)

Rp=(2/3)(M1M2)1/2Rp

/(M1+M2)第八頁，共67頁。LSS理論－電子阻止本領(lǐng)電子阻止本領(lǐng)：入射離子和靶原子周圍電子云的相互作用。離子和電子碰撞失去能量，電子激發(fā)或電離。電子阻止本領(lǐng)與入射離子的速度成正比

Sn(E)=keE1/2其中ke值為107(eV)1/2/cm第九頁，共67頁。兩種能量損失示意圖SnSeE1E2E3E-dE/dx低能區(qū)<E1中能區(qū)E2高能區(qū)>>E2第十頁，共67頁。常見硅中雜質(zhì)的能量損失第十一頁，共67頁。磷砷銻投影射程第十二頁，共67頁。硼投影射程第十三頁，共67頁。SiO2中投影射程第十四頁，共67頁。光刻膠中投影射程第十五頁，共67頁。入射粒子在非晶靶中濃度分布第十六頁，共67頁。高斯分布幾率P(x,E)=1/(2)1/2Rpexp-[(x-Rp)2/2Rp2]二個參量,可查表入射粒子劑量為D(atm/cm2),濃度分布N(x)=D/(2)1/2Rpexp-[(x-Rp)2/2Rp2]第十七頁，共67頁。高斯分布特點和應(yīng)用1)x=Rp處NmaxNmax=D/

(2)1/2Rp=0.4D/

Rp2)平均投影射程二邊對稱，離Rp下降快N/Nmax

10-110-210-310-410-510-6

x-Rp±2Rp±3Rp±3.7Rp±4.3Rp±4.8Rp±5.3Rp3)求結(jié)深若襯底濃度下降到Nmax相差二個數(shù)量級時xj~Rp±3Rp第十八頁，共67頁。高斯分布特點和應(yīng)用4)求掩蔽層厚度一般認為穿過掩蔽層到達襯底的離子數(shù)降到入射離子總數(shù)的0.01%時，該掩蔽層能起阻擋作用,此時應(yīng)選tmSiO2或膠SiTm>=Rp±4Rp第十九頁，共67頁。雙高斯分布N1(x)N2(x)RmN(x)x<RmN(x)=D/(2)1/2(Rp1+Rp2)exp-[(x-Rm)2/2Rp12]X>RmN(x)=D/(2)1/2(Rp1+Rp2)exp-[(x-Rm)2/2Rp22]三個參量Rm，Rp1，

Rp2第二十頁，共67頁。Pearson-IV分布有四個參量2,

1,Rp,

RpN(y)=Noexp[f(y)]f(y)=1/2b2ln[bo+b1xn+b2xn2]-(b1/b2+2a)/(4b2bo-b12)1/2tg-1[2b2xn+b1/(4b2bo-b12)1/2]xn=(y-Rp)/Rpa=-1(2+3)/Abo=-(42-312)/Ab1=ab2=-(22-312-6)/AA=102-1212-18第二十一頁，共67頁。硼離子注入分布第二十二頁，共67頁。橫向分布-a+ayN(y)第二十三頁，共67頁。橫向分布等濃度線50kev100kev150kevP+P-SiN(x,y,z)=N(x)=D/(2)1/2Rpexp{[-(x-Rp)2/2Rp2][()1/2erfc((y-a)/(21/2Rt))]}第二十四頁，共67頁。目錄射程和分布溝道效應(yīng)損傷和退火離子注入機離子注入的應(yīng)用離子注入工藝模擬第二十五頁，共67頁。溝道效應(yīng)

－單晶靶中的射程分布第二十六頁，共67頁。溝道效應(yīng)

－單晶靶中的射程分布臨界角cA大于c入射C小于cB稍小于cc＝（2Z1Z2e2/Ed)1/2

50kevc2.9°-5.2°

第二十七頁，共67頁。能量對溝道效應(yīng)影響1E41E31E51E2計數(shù)0.20.40.60.81.0深度umP32(110)Si12kev40kev100kev第二十八頁，共67頁。劑量對溝道效應(yīng)影響1E41E31E21E17E14/cm29E13/cm2<1E13/cm20.40.81.21.6umP32(110)Si第二十九頁，共67頁。取向?qū)系佬?yīng)影響1E41E31E21E10.20.40.60.81.0深度（um）P32(110)Si40kev準直偏2°偏8°第三十頁，共67頁。溫度對溝道效應(yīng)影響室溫400°C1E41E31E21E10.20.40.60.81.0深度（um)計數(shù)P32(110)Si40kev第三十一頁，共67頁。目錄射程和分布溝道效應(yīng)損傷和退火離子注入機離子注入的應(yīng)用離子注入工藝模擬第三十二頁，共67頁。離子注入損傷－過程高能離子與晶格原子核碰撞，能量傳遞給晶格原子－晶格原子離開晶格位置－移位原子有足夠能量與其他襯底原子碰撞－產(chǎn)生額外移位原子－在入射離子路徑周圍產(chǎn)生大量缺陷（空位和間隙原子）－形成襯底損傷區(qū)第三十三頁，共67頁。離子注入損傷輕離子（B）重離子（As)損傷區(qū)Rp畸變團第三十四頁，共67頁。離子注入損傷－臨界劑量損傷隨劑量增加而增加，達到損傷完全形成（非晶層，長程有序破壞）時的劑量稱臨界劑量th注入離子質(zhì)量?。璽h大注入溫度高－th大注入劑量率高，缺陷產(chǎn)生率高－th小第三十五頁，共67頁。離子注入損傷－臨界劑量th(cm-2)10141015101610172468101000/T(K)BPSb第三十六頁，共67頁。損傷的去除－退火損傷對電特性影響*注入雜質(zhì)不在替代位置－載流子濃度低*晶格缺陷多－散設(shè)中心多－載流子遷移率低，壽命低－pn結(jié)漏電退火的作用*高溫下原子發(fā)生振動，重新定位或發(fā)生再結(jié)晶（固相外延），使晶格損傷恢復(fù)*雜質(zhì)原子從間隙狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘嫖粻顟B(tài)，成為受主或施主中心－電激活第三十七頁，共67頁。退火效應(yīng)－硼第三十八頁，共67頁。退火效應(yīng)－硼，磷，砷比較456789x100C1e155e151e145e14載流子濃度(cm-3)B+P+As+B+100kevP+200kevAs+80kev1x1015/cm3退火溫度第三十九頁，共67頁。退火溫度－和劑量的關(guān)系退火溫度－退火30min，有90%摻雜原子被激活的溫度1013101410151016劑量（cm-2）BPTa=30’退火溫度(Co)6007008009001000500第四十頁，共67頁。快速熱退火(RTA)第四十一頁，共67頁。退火技術(shù)比較傳統(tǒng)爐管RTA工藝整批單片爐管熱壁冷壁加熱率低高溫控爐管硅片熱預(yù)算高低顆粒多少均勻，重復(fù)性高低產(chǎn)率高低第四十二頁，共67頁。目錄射程和分布溝道效應(yīng)損傷和退火離子注入機離子注入的應(yīng)用離子注入工藝模擬第四十三頁，共67頁。離子注入機按能量分低能<100kev中能100-300kev高能>300kev按束流分弱流uA中束流100uA-1mA大束流mANV-6200A350D(200kev,1mA)1080(80kev,10mA)10160(160kev,10mA)第四十四頁，共67頁。離子注入機結(jié)構(gòu)第四十五頁，共67頁。離子注入機結(jié)構(gòu)離子源分析系統(tǒng)加速系統(tǒng)聚焦掃描靶室電源真空冷卻控制測量第四十六頁，共67頁。離子源離子種類能產(chǎn)生多種元素的離子束束流強度決定生產(chǎn)效率束流品質(zhì)壽命氣體利用效率束流/耗氣量功率利用效率束流/功耗第四十七頁，共67頁。離子源電子碰撞型離子源氣體供給系固體蒸發(fā)源第四十八頁，共67頁。離子源第四十九頁，共67頁。離子源Gas放電腔磁鐵吸極燈絲第五十頁，共67頁。注入材料形態(tài)選擇材料氣態(tài)固態(tài)硼B(yǎng)F3-磷PH3紅磷砷AsH3固態(tài)砷，As2O3銻－Sb2O3第五十一頁，共67頁。質(zhì)量分析系統(tǒng)帶電粒子在磁場中運動受到洛倫茲力F=qVxB粒子作圓周運動，半徑為R=mv/qB=(2mE)1/2/qB第五十二頁，共67頁。質(zhì)量分析系統(tǒng)第五十三頁，共67頁。加速聚焦系統(tǒng)靜電加速管E=ZVV加速電壓聚焦透鏡yx－Va＋Va＋＋－－aV(x,y)=1/2(x2-y2)第五十四頁，共67頁。掃描系統(tǒng)掃描是為了保證注入均勻性掃描方式電掃描樣品固定，電子束掃描機械掃描束流固定，樣品運動混合掃描x向電掃描，樣品運動第五十五頁，共67頁。掃描系統(tǒng)第五十六頁，共67頁。電掃描偏轉(zhuǎn)DzyvlLdD=VlL/2vd偏轉(zhuǎn)電壓V第五十七頁，共67頁。電掃描三角波和鋸齒波過掃描掃描頻率快掃描頻率(x)不等于慢掃描頻率(y)的整數(shù)倍第五十八頁，共67頁。目錄射程和分布溝道效應(yīng)損傷和退火離子注入機離子注入的應(yīng)用離子注入工藝模擬第五十九頁，共67頁。離子注入的應(yīng)用雙極IC埋層，隔離，基區(qū)，高電阻，淺發(fā)射區(qū)CMOSIC阱，Vt調(diào)節(jié)，場區(qū)，淺源漏結(jié)，LDD結(jié)構(gòu)第六十頁，共67頁。離子注入的應(yīng)用(SOI)SIMOX（SeparationbyImplantationofOxygen)形成SOI結(jié)構(gòu)能量150-200kev,劑量1~2x1018/cm2,Rp0,1~0.2umSiO2厚度