第四章離子注入課件

第四章：離子注入摻雜技術(shù)之二為什么開發(fā)離子注入技術(shù)？隨著器件特征尺寸的減小，出現(xiàn)的一些特殊的摻雜（如小劑量淺結(jié)摻雜、深濃度峰分布摻雜等）擴(kuò)散是無法實(shí)現(xiàn)的，而離子注入?yún)s能勝任。離子注入是繼擴(kuò)散之后發(fā)展起來的第二種摻雜技術(shù)離子注入成為現(xiàn)代集成電路制造的主流工藝4.1

引

言4.1

引

言離子注入的概念：在高真空的復(fù)雜系統(tǒng)中，產(chǎn)生電離雜質(zhì)并形成高能量的離子束，入射到硅片靶中進(jìn)行摻雜的過程。束流、束斑離子注入的優(yōu)點(diǎn)：精確地控制摻雜濃度和摻雜深度離子注入層的深度依賴于離子能量、雜質(zhì)濃度依賴于離子劑量，可以獨(dú)立地調(diào)整能量和劑量，精確地控制摻雜層的深度和濃度，工藝自由度大?？梢垣@得任意的雜質(zhì)濃度分布由于離子注入的濃度峰在體內(nèi)，所以基于第1點(diǎn)采用多次疊加注入，可以獲得任意形狀的雜質(zhì)離子注入的優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好用掃描的方法控制雜質(zhì)濃度的均勻性，在1010～1017ions/cm2的范圍內(nèi)，均勻性達(dá)到±2％而擴(kuò)

散在±

10％，1013ions/cm2以下的小劑量，擴(kuò)散無法實(shí)現(xiàn)。摻雜溫度低注入可在125℃以下的溫度進(jìn)行，允許使用不同的注入阻擋層（如光刻膠）增加了工藝的靈活離子注入的優(yōu)點(diǎn)：沾污少質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束， 減少了由于雜質(zhì)源純度低帶來的沾污，另外低溫工藝

也減少了摻雜沾污。無固溶度極限注入雜質(zhì)濃度不受硅片固溶度限制離子注入的缺點(diǎn)：高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷注入設(shè)備復(fù)雜昂貴4.2

離子注入工藝原理離子注入?yún)?shù)注入劑量φ注入劑量φ是樣品表面單位面積注入的離子總數(shù)。單

位：離子數(shù)/cm2I

—

束流，單位：庫侖/秒（安培）t

—注入時(shí)間，單位：秒q

—電子電荷，=1.6×10－19庫侖n

—每個(gè)離子的電注入能量離子的注入能量用電子電荷與電勢(shì)差的乘積來表

示。單位：千電子伏特（KEV）帶有一個(gè)正電荷的離子在電勢(shì)差為100KV的電場(chǎng)

運(yùn)動(dòng)，它的能量為100KEV射程、投影射程具有一定能量的離子入射靶中，與靶原子和電子發(fā)生一系列碰撞（即受到了核阻止和電子阻止）進(jìn)行能量的交換，最后損失了全部能量停止在相應(yīng)的位置，離子由進(jìn)入到停止所走過的總距離，稱為射程用R表示。這一距離在入射方向上的投

影稱為投影射程Rp。投影射程也是停止點(diǎn)與靶表面的垂直距離。投影射程示意圖第i個(gè)離子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi平均投影射程離子束中的各個(gè)離子雖然能量相等但每個(gè)離子與

靶原子和電子的碰撞次數(shù)和能量損失都是隨機(jī)的，使得能量完全相同的同種離子在靶中的投影射程也不等，存在一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布。離子的平均投影射程RP為其中N為入射離子總數(shù)，RPi為第i個(gè)離子的投影射程離子投影射程的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差△RP為其中N為入射離子總數(shù)Rp

為平均投影射程Rpi為第i個(gè)離子的投影射程離子注入濃度分布LSS理論描述了注入離子在無定形靶中的濃度分

布為高斯分布其方程為其中φ—注入劑量χ—離樣品表面的深度Rp—平均投影射程△Rp—投影射程的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差LSS- 1963年,Lindhard,Scharff

andSchiott首先確立了注入離子在靶內(nèi)分布理論,簡(jiǎn)稱LSS理論離子注入的濃度分布曲線離子注入濃度分布的最大濃度Nmax從上式可知，注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高

從濃度分布圖看出，最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處離子注入結(jié)深Xj其中NB為襯底濃度入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872ΔRP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279ΔRP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005ΔRP5999136172207241275308341RP和△RP的計(jì)算很復(fù)雜，有表可以查用（一）各種離子在Si中的Rp和△

Rp

值

(?)（二）各種離子在光刻膠中的Rp和△Rp

值

(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007ΔRP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675ΔRP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015ΔRP126207286349415480543606667（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp

值

(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172ΔRP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859ΔRP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823ΔRP437299125151176201226251（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp

值

(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994ΔRP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437ΔRP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637ΔRP33567797118137157176195例題：1.

已知某臺(tái)離子注入機(jī)的束斑為2.0cm2、束流為2.0mA、注入時(shí)間為16ms，試計(jì)算硼離子（B+）

注入劑量。（注：電子電荷q

=

1.6×10－19庫侖）2.

在N型〈111〉襯底硅片上，進(jìn)行硼離子注入，形

成

P-N結(jié)二極管。已知襯底摻雜濃度為1×1015cm-3，注入能量：60KEV，注入劑量：5.0E14，試計(jì)算硼離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。4.3

離子注入效應(yīng)溝道效應(yīng)注入損傷離子注入退火溝道效應(yīng)當(dāng)注入離子未與硅原子碰撞減速，而是穿透了晶格間隙時(shí)（見下圖）就發(fā)生了溝道效應(yīng)。沿<110>晶向的硅晶格視圖控制溝道效應(yīng)的方法傾斜硅片：常用方法緩沖氧化層：離子通過氧化層后，方向隨機(jī)。硅預(yù)非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）淺

注入應(yīng)用非常有效使用質(zhì)量較大的原子注入損傷高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷（a）輕離子損傷情況（b）重離子損傷情況離子注入退火目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替

位位置從而實(shí)現(xiàn)電激活。高溫?zé)嵬嘶鹜ǔ５耐嘶饻囟龋海?50℃，時(shí)間：30分鐘左右缺點(diǎn)：高溫會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的再分布?？焖贌嵬嘶鸩捎肞TP，在較短的時(shí)間（10－3～10－2秒）內(nèi)完成退火。優(yōu)點(diǎn)：雜質(zhì)濃度分布基本不發(fā)生變化4.4

離子注入的應(yīng)用在先進(jìn)的CMOS

工藝中，離子注入的應(yīng)用：深埋層注入倒摻雜阱注入穿通阻擋層注入閾值電壓調(diào)整注入輕摻雜漏區(qū)（LDD）注入源漏注入多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入超淺結(jié)注入絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入深埋層注入高能（大于200KEV）離子注入，深埋層的作用：控制CMOS的閂鎖效應(yīng)倒摻雜阱注入高能量離子注入使阱中較深處雜質(zhì)濃度較大，倒

摻雜阱改進(jìn)CMOS器件的抗閂鎖能力。穿通阻擋層注入作用：防止亞微米及以下的短溝道器件源漏穿通，保證源漏耐壓。閾值電壓調(diào)整注入NMOS閾值電壓公式：QBm＝q·NB·Xdm，

QBm為表面耗盡層單位面積上的電荷密度輕摻雜漏（LDD：Lightly

Doped

Drain

）

注入源漏注入多晶硅柵摻雜注入溝槽電容器注入超淺結(jié)注入超淺結(jié)絕緣體上的硅（SOI）中的氧注入在硅中進(jìn)行高能量氧離子注入，經(jīng)高溫處理后形

成SOI結(jié)構(gòu)（silicon

oninsulator）SOI結(jié)構(gòu)SEM照片4.5

離子注入設(shè)備離子注入機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成離子源引出電極（吸極）和離子分析器加速管掃描系統(tǒng)工藝室離子注入系統(tǒng)1.

離子源離子源用于產(chǎn)生

大量的注入正離 子的部件，常用 的雜質(zhì)源氣體有BF3、

AsH3

和PH3

等。離子源2.

引出電極（吸極）和離子分析器吸極用于把離子從離子源室中引出。質(zhì)量分析器磁鐵分析器磁鐵形成90°角，其磁場(chǎng)使離子的軌跡偏轉(zhuǎn)成弧

形。不同的離子具有不同的質(zhì)量與電荷（如BF3→B＋、BF2＋等），因而在離子分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角

度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子。分析磁體3.

加速管加速管用來加速正離子以獲得更高的速度（即動(dòng)能）。加速管4.

掃描系統(tǒng)用于使離子束沿

x、y方向在一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2掃描方式固定硅片、移動(dòng)束斑（中、小束流）固定束斑、移動(dòng)硅片（大束流）掃描種類：靜電掃描、機(jī)械掃描、混合掃描、平行掃描靜電掃描系統(tǒng)靜電掃描系統(tǒng)5.

工藝腔工藝腔包括掃描系統(tǒng)、具有真空鎖的裝卸