半導體制造工藝-09離子注入(上)

半導體制造工藝_09離子注入(上)第一頁，共38頁。實際工藝中二步擴散第一步為恒定表面濃度的擴散（Pre-deposition）（稱為預沉積或預擴散）控制摻入的雜質(zhì)總量第二步為有限源的擴散（Drive-in），往往同時氧化（稱為主擴散或再分布）控制擴散深度和表面濃度2第二頁，共38頁。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電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì)3第三頁，共38頁。離子注入特點可通過精確控制摻雜劑量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）來達到各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（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橫向效應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)高溫退火加以改進設(shè)備相對復雜、相對昂貴（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4第四頁，共38頁。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第五頁，共38頁。源（Source）：在半導體應用中，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第六頁，共38頁。離子注入過程是一個非平衡過程，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。7第七頁，共38頁。注入離子如何在體內(nèi)靜止？LSS理論——對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，簡稱LSS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立的過程(1)核阻止（nuclearstopping）(2)電子阻止（electronicstopping）總能量損失為兩者的和8第八頁，共38頁。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)：來自靶內(nèi)自由電子和束縛電子的阻止。9第九頁，共38頁。-dE/dx：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x距離后損失的能量10第十頁，共38頁。核阻止本領(lǐng)注入離子與靶內(nèi)原子核之間兩體碰撞兩粒子之間的相互作用力是電荷作用摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的一階近似為：例如：磷離子Z1=15,m1=31注入硅Z2=14,m2=28,計算可得：Sn~550keV-mm2m——質(zhì)量，Z——原子序數(shù)下標1——離子，下標2——靶對心碰撞，最大能量轉(zhuǎn)移：11第十一頁，共38頁。12第十二頁，共38頁。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。非局部電子阻止局部電子阻止不改變?nèi)肷潆x子運動方向電荷/動量交換導致入射離子運動方向的改變（<核間作用）13第十三頁，共38頁。總阻止本領(lǐng)（Totalstoppingpower）核阻止本領(lǐng)在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）電子阻止本領(lǐng)在高能量下起主要作用核阻止和電子阻止相等的能量14第十四頁，共38頁。離子E2B17keVP150keVAs,Sb>500keVnnne15第十五頁，共38頁。表面處晶格損傷較小射程終點（EOR）處晶格損傷大16第十六頁，共38頁。R：射程（range）離子在靶內(nèi)的總路線長度

Rp：投影射程（projectedrange）R在入射方向上的投影Rp：標準偏差（Straggling），投影射程的平均偏差R：橫向標準偏差（Traversestraggling）,垂直于入射方向平面上的標準偏差。射程分布：平均投影射程Rp，標準偏差Rp，橫向標準偏差R非晶靶中注入離子的濃度分布17第十七頁，共38頁。RpR高斯分布RpLog（離子濃度）離子入射z注入離子的二維分布圖18第十八頁，共38頁。投影射程Rp:RpDRpDRRpDRpDRRpDRpDR19第十九頁，共38頁。注入離子的濃度分布在忽略橫向離散效應和一級近似下，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注入元素原子質(zhì)量Sb122As74P31B11Cp20第二十頁，共38頁。Q：為離子注入劑量（Dose）,單位為ions/cm2，可以從測量積分束流得到由，可以得到：21第二十一頁，共38頁。Q可以精確控制A為注入面積，I為硅片背面搜集到的束流（FaradyCup），t為積分時間，q為離子所帶的電荷。例如：當A＝20×20cm2，I＝0.1mA時，而對于一般NMOS的VT調(diào)節(jié)的劑量為：B＋1-5×1012cm-2注入時間為~30分鐘對比一下：如果采用預淀積擴散（1000C），表面濃度為固溶度1020cm-3時，D～10-14cm2/s每秒劑量達1013/cm2I＝0.01mA～mA22第二十二頁，共38頁。常用注入離子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp標準偏差Rp23第二十三頁，共38頁。已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的濃度和結(jié)深問題：140keV的B+離子注入到直徑為150mm的硅靶中。注入劑量Q=5×1014/cm2（襯底濃度2×1016/cm3）

1)試估算注入離子的投影射程，投影射程標準偏差、峰值濃度、結(jié)深2)如注入時間為1分鐘，估算所需束流。24第二十四頁，共38頁。【解】1)從查圖或查表得

Rp=4289?=0.43mm

Rp=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-3

xj=0.734mm2)注入的總離子數(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第二十五頁，共38頁。注入離子的真實分布真實分布非常復雜，不服從嚴格的高斯分布當輕離子硼（B）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。26第二十六頁，共38頁。橫向效應橫向效應指的是注入離子在垂直于入射方向平面內(nèi)的分布情況橫向效應影響MOS晶體管的有效溝道長度。R（μm）27第二十七頁，共38頁。35keVAs注入120keVAs注入28第二十八頁，共38頁。注入掩蔽層——掩蔽層應該多厚？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掩膜厚度Rp*為離子在掩蔽層中的平均射程，DRp*為離子在掩蔽層中的射程標準偏差29第二十九頁，共38頁。解出所需的掩膜層厚度：穿過掩膜層的劑量：余誤差函數(shù)30第三十頁，共38頁。離子注入退火后的雜質(zhì)分布Dt

D0t0＋Dt一個高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其標準偏差和峰值濃度發(fā)生改變。31第三十一頁，共38頁。離子注入的溝道效應溝道效應（Channelingeffect）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，方向基本不變，可以走得很遠。32第三十二頁，共38頁。110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向33第三十三頁，共38頁。濃度分布由于溝道效應的存在，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)一個相當長的“尾巴”產(chǎn)生非晶化的劑量沿<100>的溝道效應34第三十四頁，共38頁。表面非晶層對于溝道效應的作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi35第三十五頁，共38頁。減少溝道效應的措施

對大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7