摻雜技術離子注入

摻雜技術離子注入第一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六離子注入概述最早應用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半導體制造領域第二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六離子注入離子注入是另一種對半導體進行摻雜的方法。將雜質電離成離子并聚焦成離子束，在電場中加速而獲得極高的動能后，注入到硅中（稱為“靶”）而實現(xiàn)摻雜?！谌?，共九十六頁，編輯于2023年，星期六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，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<10

KeV

，刻蝕、鍍膜

E=10~50

KeV，曝光

E>50

KeV，注入摻雜離子束的性質第四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

離子束加工方式可分為

1、掩模方式（投影方式）

2、聚焦方式（掃描方式，或聚焦離子束（FIB）方式）第五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六掩模方式是對整個硅片進行均勻的地毯式注入，同時象擴散工藝一樣使用掩蔽膜來對選擇性區(qū)域進行摻雜。擴散工藝的掩蔽膜必須是SiO2膜，而離子注入的掩蔽膜可以是SiO2膜，也可以是光刻膠等其他薄膜。

掩模方式用于摻雜與刻蝕時的優(yōu)點是

生產效率高，設備相對簡單，控制容易，所以應用比較早，工藝比較成熟。缺點是

需要制作掩蔽膜。1、掩模方式（投影方式）第六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六聚焦方式的優(yōu)點是

不需掩模，圖形形成靈活。缺點是

生產效率低，設備復雜，控制復雜。實現(xiàn)聚焦方式的關鍵技術是1、高亮度小束斑長壽命高穩(wěn)定的離子源；2、將離子束聚焦成亞微米數(shù)量級細束并使之偏轉掃描的離子光學系統(tǒng)。2、聚焦方式（掃描方式)第七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六7.1離子注入系統(tǒng)

離子源：用于離化雜質的容器。常用的雜質源氣體有BF3、AsH3和PH3等。

質量分析器：不同離子具有不同的電荷質量比，因而在分析器磁場中偏轉的角度不同，由此可分離出所需的雜質離子，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。第八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。偏轉掃描系統(tǒng)：用來實現(xiàn)離子束x、y

方向的一定面積內進行掃描。工作室：放置樣品的地方，其位置可調。第九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六離子注入系統(tǒng)示意圖第十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六離子注入系統(tǒng)事物圖第十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

一、離子源作用：產生所需種類的離子并將其引出形成離子束。分類：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（LMIS）。掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源，其典型的有效源尺寸為100

m，亮度為

10~100

A/cm2.sr。聚焦方式則需要高亮度小束斑離子源，當液態(tài)金屬離子源（LMIS）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。LMIS的典型有效源尺寸為

5~500

nm，亮度為

106

~107

A/cm2.sr。第十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六1、等離子體型離子源這里的

等離子體

是指部分電離的氣體。雖然等離子體中的電離成分可能不到萬分之一，其密度、壓力、溫度等物理量仍與普通氣體相同，正、負電荷數(shù)相等，宏觀上仍為電中性，但其電學特性卻發(fā)生了很大變化，成為一種電導率很高的流體。產生等離子體的方法有熱電離、光電離和電場加速電離。大規(guī)模集成技術中使用的等離子體型離子源，主要是由電場加速方式產生的，如直流放電式、射頻放電式等。第十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六第十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六2、液態(tài)金屬離子源（LMIS）

LMIS是近幾年發(fā)展起來的一種高亮度小束斑的離子源，其離子束經離子光學系統(tǒng)聚焦后，可形成納米量級的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術得以實現(xiàn)。此技術可應用于離子注入、離子束曝光、刻蝕等。第十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

LMIS的類型、結構和發(fā)射機理針形V形螺旋形同軸形毛細管形液態(tài)金屬鎢針類型第十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

對液態(tài)金屬的要求(1)與容器及鎢針不發(fā)生任何反應；(2)能與鎢針充分均勻地浸潤；(3)具有低熔點低蒸汽壓，以便在真空中及不太高的溫度下既保持液態(tài)又不蒸發(fā)。能同時滿足以上條件的金屬只有Ga、In、Au、Sn等少數(shù)幾種，其中Ga是最常用的一種。第十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六E1是主高壓，即離子束的加速電壓；E2是針尖與引出極之間的電壓，用以調節(jié)針尖表面上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出；E3是加熱器電源。E1E2E3針尖的曲率半徑為ro

=1~5m，改變E2

可以調節(jié)針尖與引出極之間的電場，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃絻H有

10

nm

的數(shù)量級，這就是LMIS能產生小束斑離子束的關鍵。引出極第十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六當E2增大到使電場超過液態(tài)金屬的場蒸發(fā)值（Ga

的場蒸發(fā)值為

15.2V/nm）時，液態(tài)金屬在圓錐頂處產生場蒸發(fā)與場電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形成離子束。若改變E2的極性，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。E1E2E3引出極第十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

共晶合金LMIS通常用來對各種半導體進行離子注入摻雜的元素因為熔點高或蒸汽壓高而無法制成單體LMIS。根據冶金學原理，由兩種或多種金屬組成的合金，其熔點會大大低于組成這種合金的單體金屬的熔點，從而可大大降低合金中金屬處于液態(tài)時的蒸汽壓。第二十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六例如，金和硅的熔點分別為

1063oC和

1404oC，它們在此溫度時的蒸汽壓分別為

10-3Torr

和

10-1Torr。當以適當組分組成合金時，其熔點降為

370oC，在此溫度下，金和硅的蒸汽壓分別僅為

10-19Torr

和

10-22Torr。這就滿足了LMIS的要求。對所引出的離子再進行質量分析，就可獲得所需的離子。第二十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

二、質量分析系統(tǒng)1、質量分析器由一套靜電偏轉器和一套磁偏轉器組成，E與B的方向相互垂直。O光闌第二十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六O光闌第二十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六離子不被偏轉。由此可解得不被偏轉的離子的

荷質比qo

為對于某種荷質比為qo

的所需離子，可通過調節(jié)偏轉電壓

Vf或偏轉磁場B，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉而通過光闌。通常是調節(jié)Vf

而不是調節(jié)B。第二十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六當荷質比為qo

的離子不被偏轉時，具有荷質比為qs

=q/ms的其它離子的偏轉量

Db

為O光闌第二十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六將前面的B的表達式代入Db，得第二十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

討論(1)為屏蔽荷質比為qs的離子，光闌半徑D必須滿足(2)若D固定，則具有下列荷質比的離子可被屏蔽，而滿足下列荷質比的離子均可通過光闌，以上各式可用于評價質量分析器的分辨本領。第二十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六2、磁質量分析器光闌1光闌2為向心力，使離子作圓周運動，半徑為第二十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六從上式可知，滿足荷質比的離子可通過光闌

2?；蛘邔τ诮o定的具有荷質比為qo的離子，可通過調節(jié)磁場B使之滿足下式，從而使該種離子通過光闌2，另外，若固定r和Va

，通過連續(xù)改變B，可使具有不同荷質比的離子依次通過光闌2，測量這些不同荷質比的離子束流的強度，可得到入射離子束的質譜分布。其余的離子則不能通過光闌2，由此達到分選離子的目的。第二十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

兩種質量分析器的比較在質量分析器中，所需離子不改變方向，但在輸出的離子束中容易含有中性粒子。磁質量分析器則相反，所需離子要改變方向，但其優(yōu)點是中性粒子束不能通過。第三十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六離子注入過程：入射離子與半導體（靶）的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經過一段曲折路徑的運動后，因動能耗盡而停止在某處。7.2平均投影射程第三十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

射程：離子從入射點到靜止點所通過的總路程。平均射程：射程的平均值，記為

R。投影射程：射程在入射方向上的投影長度，記為xp。

平均投影射程：投影射程的平均值，記為RP。

標準偏差：第三十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

平均投影射程與初始能量的關系

由此可得平均投影射程為入射離子能量損失的原因是受到

核阻擋

與

電子阻擋。核阻擋電子阻擋一個入射離子在dx射程內，由于與核及電子碰撞而失去的總能量為第三十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六

Se的計算較簡單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。

Sn的計算比較復雜，而且無法得到解析形式的結果。下圖是數(shù)值計算得到的曲線形式的結果。Sn=Se

第三十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六(2)當E0遠大于E2所對應的能量值時，Sn

<Se，以電子阻擋為主，此時散射角較小，離子近似作直線運動，射程分布較集中。隨著離子能量的降低，逐漸過渡到以核阻擋為主，離子射程的末端部分又變成為折線。(1)當入射離子的初始能量E0小于E2所對應的能量值時，Sn>Se，以核阻擋為主，此時散射角較大，離子運動方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。第三十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六在實際工作中，平均投影射程RP(?)及標準偏差RP(?)與注入能量(KeV)的關系可從下圖（下表）查到。

第三十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六入射能量注入硅中的離子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177RP276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256RP90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991RP345981102122143161180198第三十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六7.3離子注入的特點1.特點可以獨立控制雜質分布（離子能量）和雜質濃度（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：重雜質原子，如P和As等）。第三十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六2.離子注入與擴散的比較擴散離子注入第三十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六擴散離子注入高溫，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深和濃度可以獨立控制結深和濃度2.注入與擴散的比較第四十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六3.離子注入控制離子束流密度和注入時間控制雜質濃度（注入離子劑量）離子能量控制結深雜質分布各向異性第四十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六4.阻止機制典型離子能量：5～500keV離子注入襯底，與晶格原子碰撞，逐漸損失其能量，最后停止下來兩種阻止機制：核碰撞和電子碰撞第四十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六核阻止–與晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（離子與靶原子質量同數(shù)量級）–可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）.電子阻止

–與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞–注入離子路徑基本不變–能量損失很少–晶格損傷可以忽略4.阻止機制兩種阻止機制第四十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六4.阻止機制總的阻止本領：Stotal=Sn+Se?Sn:核阻止,Se:電子阻止低能區(qū)：核阻止本領占主要中能區(qū)：兩者同等重要高能區(qū)：電子阻止本領占主要固體中的電子可以看為電子氣，電子阻止類似于黏滯氣體的阻力，電子阻止本領與注入離子速度成正比；空氣阻力與速度的平方成正比第四十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六4.阻止機制背散射溝道自由碰撞第四十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六阻止本領與離子速度阻止本領核阻止電子阻止離子速度第四十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六注入離子分布RP：投影射程，射程的平均值第四十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六阻擋200keV離子束的阻擋層厚度典型能量：5～500KeV掩膜厚度第四十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六5.注入過程:注入通道?如果入射角度恰好，離子能夠在不和晶格原子碰撞的情況下運動很遠距離?會引起不可控的雜質分布大量碰撞很少碰撞第四十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六6.溝道效應溝道中核阻止很小，電子密度也很低第五十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六碰撞后引起的溝道效應第五十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六碰撞后形成的溝道效應碰撞引起溝道引起碰撞引起第五十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六注入過程:溝道效應?避免溝道效應的方法–傾斜圓片,7°最常用–屏蔽氧化層（無定形）–注入前預先無定型處理?陰影效應–離子受到掩膜結構阻擋?旋轉圓片和注入后擴散第五十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六7.陰影效應粒子束第五十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六陰影效應消除第五十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六問題為什么不利用溝道效應在離子能量不高的情況產生深結？第五十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六答案離子束不是完美地平行。許多離子注入襯底后會發(fā)生許多次核碰撞，只要少數(shù)一些會進入很深的距離。第五十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六7.4注入損傷注入離子將能量轉移給晶格原子

–產生自由原子（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)千個晶格原子位移第五十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六一個離子引起的晶格損傷輕離子重離子第五十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六注入損傷過程離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點襯底注入區(qū)變?yōu)闊o定型結構注入前注入后第六十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六7.5退火的作用雜質原子必須處于單晶結構中并與四個Si原子形成共價鍵才能被激活，donor(N-type)或acceptor(P-type)高溫熱能幫助無定型原子恢復單晶結構第六十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六熱退火晶格原子雜質原子第六十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六熱退火晶格原子雜質原子第六十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六熱退火晶格原子雜質原子第六十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六熱退火晶格原子雜質原子第六十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六退火前后的比較退火前退火后第六十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六快速熱退火(RTA)高溫下,退火超越擴散RTA(RTP)廣泛用于注入后退火RTA很快(小于1分鐘),更好的片間（WTW）均勻性,最小化雜質擴散第六十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六RTA和爐退火RTP退火爐退火第六十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六問題高溫爐的溫度為什么不能象RTA系統(tǒng)那樣快速升溫和降溫？第六十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六答案高溫爐有很大的熱容積，需要很高的加熱功率去獲得快速升溫。很難避免快速升溫時大的溫度擺動（溫度過沖和下沖）第七十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六7.6注入工藝第七十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六粒子束路徑第七十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六離子注入:PlasmaFloodingSystem?離子引起晶圓表面充電?晶圓表面充電引起非均勻摻雜和弧形缺陷?電子注入離子束中，中和晶圓表面電荷?熱鎢燈絲發(fā)射的熱電子產生Ar等離子體（Ar+和電子）第七十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六7.7晶圓表面充電注入離子使晶圓表面帶正電排斥正離子，引起離子束彎曲，造成不均勻雜質分布電弧放電引起晶圓表面損傷使柵氧化層擊穿，降低工藝成品率需要消除和減弱充電效應第七十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六充電效應離子軌道第七十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六電荷中和系統(tǒng)需要提供電子中和正離子；Plasmafloodingsystem電子槍電子噴頭第七十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六PlasmaFloodingSystem第七十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六WaferHandlingIonbeamdiameter:~25mm(~1”),Waferdiameter:200mm(8”)orlargerNeedstomovebeamorwafer,orboth,toscanionbeamacrossthewholewafer–Spinwheel–Spindisk–Singlewaferscan第七十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六SpinWheel第七十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六SpinDisk第八十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六SingleWaferScanningSystem第八十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六IonImplantation:EndAnalyzerFaradaychargedetectorUsedtocalibratebeamcurrent,energyandprofile第八十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六IonImplantation:TheProcessCMOSapplicationsCMOSionimplantationrequirementsImplantationprocessevaluations第八十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六ImplantationProcess:WellImplantation第八十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六ImplantationProcess:VTAdjustImplantationLowEnergy,LowCurrent第八十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六LightlyDopedDrain(LDD)ImplantationLowenergy(10keV),lowcurrent(1013/cm2)第八十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六ImplantationProcess:S/DImplantationLowenergy(20keV),highcurrent(>1015/cm2)第八十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期六Ion