ic工艺技术5 离子注入

1、集成电路工艺技术讲座 第五讲 离子注入 Ion implantation 引言 ? 半导体工艺中应用的离子注入是将高能 量的杂质离子导入到半导体晶体，以改 变半导体，尤其是表面层的电学性质 ? 注入一般在50-500kev能量下进行 离子注入的优点 ? 注入杂质不受材料溶解度，扩散系数，化学结 合力的限制，原则上对各种材料都可掺杂 ? 可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺杂量 和深度 ? 较小的恒向扩散 ? 掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达 1% ? 纯度高，不受所用化学品纯度影响 ? 可在较低温度下掺杂 目录 ? ? ? ? ? ? 射程和分布射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子

2、注入的应用 离子注入工艺模拟 射程 ? 入射离子在非晶靶内的射程 ? 非晶靶 ? 射程，投影射程 R Rp 入射方向 LSS 理论 ? 单个入射离子在单位距离上的能量损失 -dE/dx=NSn(E)+Se(E) 其中：Sn(E) 原子核阻止本领 Se(E) 电子阻止本领 N 单位体积靶原子平均数 REo ? R=? o dx （1/N） ? o dE/ Sn(E) Se(E) LSS 理论核阻止本领和弹性碰撞 V1 M1 M1 M2 Eo M2 入射粒子最大转移能量 1/2M 2 v2 2 =4M 1 M2E o/(M1 +M2)2 V2 核阻止本领 ? 粗略近似计算核阻止本领 ? S n o

3、=2.8x10-15 (Z 1 Z 2 /Z 1/3 )M 1 /(M 1 +M 2 )（ev-cm 2 ) 2/32/32/3 其中 Z = Z 1 +Z 2 o ? 低能时 S= S n （Se=0） R=0.7 (Z 1 2/3 +Z 2 2/3 )1/2/Z 1 Z 2 (M 1 +M 2 )/M 1 E o Rp=R/(1+M 2 /3M 1 ) 1/2 ? Rp=(2/3)(M 1 M 2 )Rp/(M 1 +M 2 ) LSS 理论电子阻止本领 ? 电子阻止本领： 入射离子和靶原子周围电子云 的相互作用。离子和电子碰撞失去能量，电子 激发或电离。 ? 电子阻止本领与入射离子的速度

4、成正比 1/2 S n (E)=k eE 其中 k e值为10 7 (eV) 1/2 /cm 两种能量损失示意图 -dE/dx Se E 3 低能区E2 E 1 E 2 Sn E 常见硅中杂质的能量损失 磷砷锑投影射程 硼投影射程 SiO 2 中投影射程 光刻胶中投影射程 入射粒子在非晶靶中浓度分布 1.E+21 ( a t m / c m 3 ) ? ? 1.E+20 1.E+19 1.E+18 1.E+17 00.20.40.60.8 ? ? (um) 高斯分布 ? ? ? ? ? 几率 P(x,E)=1/(2 ?)1/2? Rpexp-(x-Rp)2/2 ? Rp 2 二个参量,可查表

5、2 入射粒子剂量为D(atm/cm ),浓度分布 N(x)=D /(2 ?)1/2? Rpexp-(x-Rp)2/2 ? Rp 2 高斯分布特点和应用 ? 1) x=Rp处N max ? N max =D/ (2 ?)1/2? Rp=0.4 D/ ? Rp ? 2) 平均投影射程二边对称，离 Rp下降快 N/N max 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 x-Rp 2?Rp 3?Rp 3.7?Rp 4.3?Rp 4.8?Rp 5.3?Rp ? 3) 求结深 ? 若衬底浓度下降到Nmax相差二个数量级时 xj Rp 3?Rp 高斯分布特点和应用 ? 4) 求掩

6、蔽层厚度 ? 一般认为穿过掩蔽层到达衬底的离子数 降到入射离子总数的0.01%时，该掩蔽层 能起阻挡作用,此时应选 Tm=Rp 4?Rp SiO2 或胶 tm Si 双高斯分布 N(x) xRm N(x)=D /(2 ?)1/2 (?Rp 1 + ?Rp 2 ) exp-(x-Rm) 2 /2 ?Rp 2 2 三个参量 Rm ， ?Rp 1， ? Rp 2 N 1 (x) Rm N 2 (x) Pearson- IV 分布 ? 有四个参量 ? 2 , ?1 , Rp , ?Rp ? N(y)=N o expf(y) 2 ? f(y)=1/2b 2 lnb o+b1 xn+b 2 x n -(b

7、 1 /b 2 +2a)/ 2 1/2 -12 1/2 ? (4b 2 bo-b 1 )tg 2b 2 xn+b 1 /(4b 2 bo-b 1 ) ? xn=(y-Rp)/ ? Rp a=- ?1 (? 2 +3)/A 2 ? bo=-(4 ? 2 -3 ?1 )/A b 1 =a ? b 2 =-(2 ? 2 -3 ?1 2 -6)/A A=10 ? 2 -12 ?1 2 -18 硼离子注入分布 横向分布 N(y) -a +a y 横向分布 ? 等浓度线 P+ 50kev 100kev 150kev P-Si 1/222 N(x,y,z)=N(x)=D /(2 ?)? Rpexp-(x-R

8、p)/2 ? Rp ( ?)1/2 erfc(y-a)/(2 1/2 ? Rt) 目录 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 沟道效应沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用 离子注入工艺模拟 沟道效应 单晶靶中的射程分布 沟道效应 单晶靶中的射程分布 A 大于? c入射 C 小于? c 临界 角? c B 稍小于? c ? c（2Z1 Z 2 21/2 e /Ed) 50kev ? c 2.9 -5.2 能量对沟道效应影响 1E5 P 32 (110) Si 100kev 计 数 1E3 1E2 12kev 1E4 40kev 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度um 剂量对沟

9、道效应影响 1E4 P 32 (110) Si 1E3 1E2 1E1 7E14/cm 2 9E13/cm 2 1E13/cm 2 0.4 0.8 1.2 1.6 um 取向对沟道效应影响 1E4 1E3 1E2 偏8 1E1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度（ um） 偏2 P 32 (110) Si 40kev 准直 温度对沟道效应影响 P 32 (110) Si 40kev 1E4 计 数 1E2 1E1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度 （um) 1E3 室温 400 C 目录 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 沟道效应 损伤和退火损伤和退火 离子注入机 离子

10、注入的应用 离子注入工艺模拟 离子注入损伤过程 ? 高能离子与晶格原子核碰撞，能量传递 给晶格原子晶格原子离开晶格位置 移位原子有足够能量与其他衬底原子碰 撞产生额外移位原子在入射离子路 径周围产生大量缺陷（空位和间隙原子） 形成衬底损伤区 离子注入损伤 轻离子 （B） 畸变团 损伤区 重离子 （As) Rp 离子注入损伤临界剂量 ? 损伤随剂量增加而增加，达到损伤完全 形成（非晶层，长程有序破坏）时的剂 量称临界剂量临界剂量? ? th ? 注入离子质量小?th大 ? 注入温度高?th大 ? 注入剂量率高，缺陷产生率高 ? th 小 离子注入损伤临界剂量 ? ? th -2 (cm) 10

11、17 10 16 B 10 15 10 14 2 4 6 8 P Sb 10 1000/T(K) 损伤的去除退火 ? 损伤对电特性影响 * 注入杂质不在替代位置载流子浓度低 * 晶格缺陷多散设中心多载流子迁移率低， 寿命低pn结漏电 ? 退火的作用 * 高温下原子发生振动，重新定位或发生再结晶 （固相外延），使晶格损伤恢复 * 杂质原子从间隙状态转变为替位状态，成为受 主或施主中心电激活 退火效应硼 退火效应硼，磷，砷比较 载 1e15 流 子 5e15 浓 度 1e14 (cm -3 ) 5e14 As+ P+ B+ B+ 100kev P+ 200kev As+80kev 1x10 15

12、/cm 3 4 5 6 7 8 9 x100C 退火温度 退火温度和剂量的关系 ? 退火温度退火30min，有90%掺杂原子 被激活的温度 1000 退 火 800 温 度700 (Co ) 600 500 10 13 10 14 900 B T a =30 P 10 15 剂量 （cm- 2 ） 10 16 快速热退火(RTA) 退火技术比较 传统炉管 工艺 整批 炉管 热壁 加热率 低 温控 炉管 热预算 高 颗粒 多 均匀，重复性 高 产率 高 RTA 单片 冷壁 高 硅片 低 少 低 低 目录 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机离子注入机 离子注入的应

13、用 离子注入工艺模拟 离子注入机 ? ? ? ? ? ? ? ? 按能量分 低能 300kev 按束流分 弱流 uA 中束流 100uA-1mA 大束流 mA NV-6200A 350D (200kev,1mA) 1080(80kev, 10mA) 10160(160k ev,10mA) 离子注入机结构 离子注入机结构 离子 源 分析 系统 加速 系统 聚焦 扫描 靶室 电源 真空 冷却 控制测量 离子源 ? ? ? ? ? ? 离子种类 能产生多种元素的离子束 束流强度 决定生产效率 束流品质 寿命 气体利用效率 束流/耗气量 功率利用效率 束流/功耗 离子源 ? 电子碰撞型离子源 ? 气体

14、供给系 ? 固体蒸发源 离子源 离子源 灯丝 放电腔 磁铁 Gas 吸极 注入材料形态选择 材料 硼 磷 气态 BF 3 PH 3 固态 - 红磷 砷 锑 AsH 3 固态砷，As 2 O3 Sb 2 O3 质量分析系统 ? ? ? ? 带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力 F=qVxB 粒子作圆周运动，半径为 1/2 R=mv/qB=(2mE) /qB 质量分析系统 加速聚焦系统 ? 静电加速管 E=ZV V加速电压 y ? 聚焦透镜 Va V(x,y)=1/2(x 2 -y 2 ) x Va a 扫描系统 ? 扫描是为了保证注入均匀性 ? 扫描方式 电扫描 样品固定，电子束扫描 机械扫描 束流

15、固定，样品运动 混合扫描 x向电扫描，样品运动 扫描系统 电扫描偏转 y v l 偏转电压V D z L d D=VlL/2vd 电扫描 ? 三角波和锯齿波 ? 过扫描 ? 扫描频率 快扫描频率(x)不等于慢扫描频 率(y)的整数倍 目录 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用离子注入的应用 离子注入工艺模拟 离子注入的应用 ? 双极IC 埋层，隔离，基区，高电阻，浅发射区 ? CMOS IC 阱，Vt调节，场区，浅源漏结，LDD结构 离子注入的应用(SOI) ? SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen

16、) 形成 SOI结构 18 能量150-200kev, 剂量12x10 /cm2, Rp 0,10.2um SiO2 厚度0.10.5um Si SiO2 Si SOI MOSFET Poly Si N+ N+ SiO2 Si 目录 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 沟道效应 损伤和退火 离子注入机 离子注入的应用 离子注入工艺模拟离子注入工艺模拟 离子注入工艺模拟(SUPREM) ? TITLE: Boron Implant ? # Initialize the silicon substrate. ? Initialize Silicon Phosphorus Resistivity=10 Thick=4 dX=.02 xdX=.05 Spaces=2