第七章：離子注入

第七章：離子注入摻雜技術(shù)之二7.1引言離子注入是在高真空的復雜系統(tǒng)中，產(chǎn)生電離雜質(zhì)并形成高能量的離子束入射硅片靶中進行摻雜的工藝過程。離子注入系統(tǒng)圖離子注入是繼擴散之后的第二種摻雜技術(shù)，是現(xiàn)代先進的集成電路制造工藝非常重要的技術(shù)。有些特殊的摻雜（如小劑量淺結(jié)摻雜、深濃度峰分布摻雜等）擴散是無法實現(xiàn)的，而離子注入?yún)s能勝任。離子注入的優(yōu)點：1.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。

2.可以獲得任意的雜質(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點采用多次疊加注入可以獲得任意形狀的雜質(zhì)分布，增大了設(shè)計的靈活性。

離子注入的優(yōu)點：3.雜質(zhì)濃度均勻性、重復性很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)，均勻性達到±2％而擴散在±

10％，1013ions/cm2以下的小劑量，擴散無法實現(xiàn)。4.摻雜溫度低注入可在125℃以下的溫度進行，允許使用不同的注入阻擋層（如光刻膠）增加了工藝的靈活性

離子注入的優(yōu)點：5.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。6.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：1.高能雜質(zhì)離子轟擊硅原子將產(chǎn)生晶格損傷2.注入設(shè)備復雜昂貴7.2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：離子每平方厘米

其中I為束流，單位是庫侖每秒（安培）t為注入時間，單位是秒q為電子電荷，等于1.6×10－19庫侖n為每個離子的電荷數(shù)A為注入面積，單位為cm2注入能量離子注入的能量用電子電荷與電勢差的乘積來表示。單位：千電子伏特KEV帶有一個正電荷的離子在電勢差為100KV的電場運動，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與靶表面的垂直距離。投影射程示意圖第i個離子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi平均投影射程離子束中的各個離子雖然能量相等但每個離子與靶原子和電子的碰撞次數(shù)和損失能量都是隨機的，使得能量完全相同的同種離子在靶中的投影射程也不等，存在一個統(tǒng)計分布。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個離子的投影射程離子投影射程的平均標準偏差△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為注入劑量

χ為離樣品表面的深度Rp為平均投影射程△Rp為投影射程的平均標準偏差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為襯底濃度離子注入的濃度分布曲線RP和△RP的計算很復雜，有表可以查用入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872

RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279

RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005

RP5999136172207241275308341（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20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007

RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675

RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015

RP126207286349415480543606667（三）各種離子在SiO2中的Rp和△Rp值(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172

RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859

RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823

RP437299125151176201226251（四）各種離子在Si3N4中的Rp和△Rp值(?)入射能量（KEV）注入的離子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994

RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437

RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637

RP33567797118137157176195利用下表計算離子注入結(jié)深Xj例題：在N型〈111〉襯底硅片上，進行硼離子注入，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，試計算硼離子注入分布的最大摻雜濃度Nmax和注入結(jié)深。7.3離子注入設(shè)備離子注入機主要由以下5個部分組成

1.離子源2.引出電極（吸極）和離子分析器3.加速管4.掃描系統(tǒng)5.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)進行掃描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2

掃描方式1.固定硅片、移動束斑（中、小束流）2.固定束斑、移動硅片（大束流）

掃描種類

1.靜電掃描：在一套X-Y電極上加特定電壓使離子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)注入到固定的硅片上。屬于固定硅片、移動束斑的掃描方式。

2.機械掃描：硅片放在輪盤上旋轉(zhuǎn)，并上下移動。屬于固定束斑、移動硅片的掃描方式。

3.混合掃描：硅片