集成电路工艺之离子注入ppt课件

1、电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院Chap 4 离子注入离子注入v核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v注入损伤注入损伤v热退火热退火电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院离子注入离子注入v 离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量介于过程，注入能量介于1KeV到到1MeV之间，注入深度平均可之间，注入深度平均可达达10nm10um。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的整的1012/cm2到构成绝缘埋层的到构成绝缘埋层的101

2、8/cm2。v 相对于分散，它能更准确地控制杂质掺杂、可反复性和较相对于分散，它能更准确地控制杂质掺杂、可反复性和较低的工艺温度。低的工艺温度。v 离子注入已成为离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。普通制程上最主要的掺杂技术。普通CMOS制程，大约需求制程，大约需求612个或更多的离子注入步骤。个或更多的离子注入步骤。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院离子注入运用离子注入运用v隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断v调整阈值电压用的沟道掺杂调整阈值电压用的沟道掺杂vCMOS阱的构成阱的构成v浅结的制备浅结的制备v 在特征尺寸日益减小的今日，离子注入

3、曾经成在特征尺寸日益减小的今日，离子注入曾经成为一种主流技术。为一种主流技术。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院使带电粒子偏转，分出中性粒子流使带电粒子偏转，分出中性粒子流中性束途径中性束途径类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描离子注入系统的原理表示图离子注入系统的原理表示图电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v离子源是产生离子的部件。将被注入物质离子源是产生离子的部件。将被注入物质的气体注入离子源，在其中被电离构成正的气体注入离子源，在其中被电离构成正离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子束，射向磁分析器

4、。离子束，射向磁分析器。v吸极是一种直接引出离子束的方法，即用吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压几伏到几十千伏把正离子吸一负电压几伏到几十千伏把正离子吸出来。出来。v产生离子的方法有很多，目前常用的利用产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。气体放电产生等离子体。离子注入系统原理离子注入系统原理-离子源离子源电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如对如对BCl3气体源，普通包括气体源，普通包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。等。v 在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在在磁分析器中，利用

5、不同荷质比的离子在磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分别，磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分别，并选出所需求的一种杂质离子。并选出所需求的一种杂质离子。v 被选离子经过可变狭缝，进入加速管。被选离子经过可变狭缝，进入加速管。离子注入系统原理离子注入系统原理-磁分析器磁分析器电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v离子源经过加热分解气体源如离子源经过加热分解气体源如BF3或或AsH3成为带成为带正电离子正电离子B或或As。v加上约加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离左右的负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。子移出离子源腔体并进入磁分析器。v选择磁分析器的磁场，使只需

6、质量选择磁分析器的磁场，使只需质量/电荷比符合要电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。求的离子得以穿过而不被过滤掉。v被选出来的离子接着进入加速管，在管内它们被被选出来的离子接着进入加速管，在管内它们被电场加速到高能形状。电场加速到高能形状。离子注入系统原理离子注入系统原理电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 被掺杂的资料称为靶。由加速管出来的离子先由被掺杂的资料称为靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进展聚焦，再进展静电聚焦透镜进展聚焦，再进展x、y两个方向的两个方向的扫描，然后经过偏转系统注入到靶上。扫描，然后经过偏转系统注入到靶上。v扫描目的：把离子均匀注入到靶上。扫描目的：

7、把离子均匀注入到靶上。v偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。能到达靶上。v注入机内的压力维持低于注入机内的压力维持低于104Pa以下，以使气以下，以使气体分子散射降至最低。体分子散射降至最低。离子注入系统原理离子注入系统原理电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院离子注入的优缺陷离子注入的优缺陷v优点：优点：v注入的离子纯度高注入的离子纯度高v可以准确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均可以准确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，电学性能得到保证。匀性得到保证，电学性能得到保证。v温度低：小于温度低：小于400。低温注入，防

8、止高温分散所。低温注入，防止高温分散所引起的热缺陷；分散掩膜可以有更多的选择引起的热缺陷；分散掩膜可以有更多的选择v掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布方式方式v非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制v横向分散效应比热分散小得多横向分散效应比热分散小得多v离子经过硅外表的薄膜注入，防止污染。离子经过硅外表的薄膜注入，防止污染。v可以对化合物半导体进展掺杂可以对化合物半导体进展掺杂电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院离子注入的优缺陷离子注入的优缺陷v 缺陷：缺陷：v产生的晶格损伤不易消除产生的晶格损伤不易消除v很难

9、进展很深或很浅的结的注入很难进展很深或很浅的结的注入v高剂量注入时产率低高剂量注入时产率低v设备价钱昂贵约设备价钱昂贵约200万美金万美金电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院4.1 核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停顿下来电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子在靶内能量损失方式v核碰撞核碰撞 (注入离子与靶内原子核间的碰撞注入离子与靶内原子

10、核间的碰撞v质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，假设获得的能量大子也因碰撞而获得能量，假设获得的能量大于原子束缚能，就会分开原来所在晶格位置，于原子束缚能，就会分开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，构成缺陷。进入晶格间隙，并留下一个空位，构成缺陷。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 注入离子在靶内能量损失方式注入离子在靶内能量损失方式v电子碰撞电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰注入离子与靶原子周围电子云

11、的碰撞撞v能瞬时构成电子能瞬时构成电子-空穴对空穴对v两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方向根本不变。电子那么被激注入离子运动方向根本不变。电子那么被激发至更高的能级激发或脱离原子电发至更高的能级激发或脱离原子电离。离。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 核阻止身手阐明注入离子在靶内能量损失的详细核阻止身手阐明注入离子在靶内能量损失的详细情况，一个注入离子在其运动路程上任一点情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的处的

12、能量为能量为E，那么核阻止身手定义为：，那么核阻止身手定义为：v 电子阻止身手定义为：电子阻止身手定义为：nndxdEES)(eedxdEES)(电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v 在单位间隔上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离在单位间隔上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量那么为：子所损失的能量那么为：v 注入离子在靶内运动的总路程注入离子在靶内运动的总路程)()(ESESdxdEen)()()()(ESESdEESESdERenEooenoEo电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 低能量时，核阻止身手随能量的添加而线性添加，低能量时，核阻止

13、身手随能量的添加而线性添加，Sn(E)会在某一中等能量时到达最大值。会在某一中等能量时到达最大值。v 高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原高能量时，由于高速粒子没有足够的时间和靶原子进展有效的能量交换，所以子进展有效的能量交换，所以Sn(E)变小。变小。核阻止身手核阻止身手电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院电子阻止身手电子阻止身手v电子阻止身手同注入离子的速度成正比，即与注电子阻止身手同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。入离子能量的平方根成正比。vV 为注入离子速度，为注入离子速度，Ke 与注入离子和靶的原子序与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时

14、，可近似为常数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常数数2/1)()(EkCVESee电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞v不同能区的能量损失方式不同能区的能量损失方式v低能区：以核碰撞为主低能区：以核碰撞为主v中能区：核碰撞、电子碰撞持平中能区：核碰撞、电子碰撞持平v高能区：以电子碰撞为主高能区：以电子碰撞为主电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院4.2 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v 一个离子在停顿前所经过的总路程，称为射程Rv R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xpv R在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xtv平均投影射程

15、平均投影射程Rp：一切入射离子的投影一切入射离子的投影射程的平均值射程的平均值v规范偏向：规范偏向：电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v 对于无定形靶SiO2、Si3N4、光刻胶等，注入离子的纵向分布可用高斯函数表示：v 其中：)(21exp)(2maxppRRxNxnpspsRNRNN4 . 02max电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布v横向分布高斯分布横向分布高斯分布v入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布布v横向浸透远小于热分散横向浸透远

16、小于热分散电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v高斯分布只在峰值附近与实践分布符合较好。高斯分布只在峰值附近与实践分布符合较好。v轻离子轻离子/重离子入射对高斯分布的影响重离子入射对高斯分布的影响v实际中，用高斯分布快速估算注入离子在靶资料实际中，用高斯分布快速估算注入离子在靶资料中的分布。中的分布。注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无定形靶中的分布电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 随能量添加，投影射程添加随能量添加，投影射程添加v 能量一定时，轻离子比重能量一定时，轻离子比重离子的射程深。离子的射程深。 射程与能量的关系射程与能量的关系 注入离子在无定形靶中的分布注入离子在无

17、定形靶中的分布电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 以上讨论的是无定形靶的情形。以上讨论的是无定形靶的情形。v无定形资料中原子陈列无序，靶对入射离子的阻无定形资料中原子陈列无序，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的止作用是各向同性的v一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到一一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到一样的平均射程。样的平均射程。v实践的硅片实践的硅片单晶单晶v在单晶靶中，原子是按一定规律周期地反复陈列，在单晶靶中，原子是按一定规律周期地反复陈列，而且晶格具有一定的对称性。而且晶格具有一定的对称性。v靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而靶对入射离子的阻止作用将不是各向同

18、性的，而与晶体取向有关。与晶体取向有关。*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院*离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应v定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子独平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子独一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大。的能量损失率就很低，故注入深度较大。v离子方向离子方向=沟道方向时沟道方向时离子由于没有

19、碰到离子由于没有碰到晶格而长驱直入晶格而长驱直入v效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质多出了一个峰！多出了一个峰！电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院射程分布与注入方向的关系射程分布与注入方向的关系电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院怎样处理？怎样处理？v倾斜样品外表，晶体的主轴方向偏离注入倾斜样品外表，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为方向，典型值为7。v先重轰击晶格外表，构成无定型层先重轰击晶格外表，构成无定型层v外表长二氧化硅薄层外表长二氧化硅薄层电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院怎样处理？怎样处理？电子科技大学中山学院电子科技大学中山

20、学院浅结的构成浅结的构成v为了抑制为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，要求减小沟效应，要求减小CMOS的源的源/漏结的结深漏结的结深v构成硼的浅结较困难，目前采用的方法：构成硼的浅结较困难，目前采用的方法：v硼质量较轻，投影射程深，故采用硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法分子注入法vF的电活性、的电活性、B的分散系数高的分散系数高vB被偏转进入主晶轴的几率大被偏转进入主晶轴的几率大v降低注入离子的能量构成浅结降低注入离子的能量构成浅结v低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。v预先非晶化预

21、先非晶化v注注B之前，先用重离子高剂量注入，使硅外表变为之前，先用重离子高剂量注入，使硅外表变为非晶的外表层。非晶的外表层。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院注入后发生了什么注入后发生了什么v晶格损伤和无定型层晶格损伤和无定型层v靶原子在碰撞过程中，获得能量，分开晶格位置，靶原子在碰撞过程中，获得能量，分开晶格位置，进入间隙，构成间隙空位缺陷对；进入间隙，构成间隙空位缺陷对；v脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。使得被碰靶原子脱离晶格位置。v缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，缺陷的存在使得半导体中载流子的

22、迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。少子寿命缩短，影响器件性能。v杂质未激活杂质未激活v在注入的离子中，只需少量的离子处在电激活的在注入的离子中，只需少量的离子处在电激活的晶格位置。晶格位置。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院注入损伤注入损伤v级联碰撞？级联碰撞？v简单晶格损伤简单晶格损伤v孤立的点缺陷或缺陷群注入离子每次传送给硅孤立的点缺陷或缺陷群注入离子每次传送给硅原子的能量约等于移位阈能原子的能量约等于移位阈能v部分的非晶区域单位体积的移位原子数目接近部分的非晶区域单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度半导体的原子密度v非晶层非晶层v注入离子引起损伤的积累注入离子引起损伤的

23、积累电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院轻离子注入轻离子注入电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院重离子注入重离子注入电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院非晶层的构成非晶层的构成电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院注入后需求做什么注入后需求做什么v 退火：退火：v定义：定义：v又叫热处置，集成电路工艺中一切的在氮又叫热处置，集成电路工艺中一切的在氮气等不活泼气氛中进展的热处置过程都可气等不活泼气氛中进展的热处置过程都可以称为退火以称为退火v作用作用v激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自在到晶格位置，以便具有电活

24、性，产生自在载流子，起到杂质的作用载流子，起到杂质的作用v消除损伤消除损伤电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院注入后需求做什么注入后需求做什么v 退火：退火：v退火方式：退火方式：v炉退火炉退火v快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、延快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、延续波激光、非相关宽带频光源续波激光、非相关宽带频光源(如卤光灯、如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等电弧灯、石墨加热器、红外设备等)电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院注入后需求做什么注入后需求做什么v 退火：退火：v原理原理v高温下，原子振动能高温下，原子振动能，挪动才干，挪动才干，可使，可使复杂损伤分解为简单缺陷如

25、空位、间隙复杂损伤分解为简单缺陷如空位、间隙原子等，简单缺陷以较高的迁移率挪动，原子等，简单缺陷以较高的迁移率挪动，复合后缺陷消逝。复合后缺陷消逝。v高温下，非晶区域损伤恢复发生在损伤区高温下，非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区经过固相外延或液相外延而使整个非晶区经过固相外延或液相外延而使整个非晶区得到恢复。得到恢复。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院硼的退火特性硼的退火特性v低剂量低剂量81012/cm2v电激活比例随温度上升而添加电激活比例随温度上升而添加v 高剂量高剂量1014/cm2和和1015/cm2v退火温度可

26、以分为三个区域退火温度可以分为三个区域v500以下，电激活比例又随温度上升而添以下，电激活比例又随温度上升而添加加v500600范围内，出现逆退火特性范围内，出现逆退火特性v晶格损伤解离而释放出大量的间隙晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，原子，这些间隙这些间隙Si原子与替位原子与替位B原子接近时，可以原子接近时，可以相互换位，使得相互换位，使得B原子进入晶格间隙，激活原子进入晶格间隙，激活率下降。率下降。v600以上，电激活比例又随温度上升而添以上，电激活比例又随温度上升而添加加电激活比例电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性虚线表示

27、的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性剂量从剂量从31012/cm2添加到添加到31014/cm2v 电激活比例随温度上升而添加。电激活比例随温度上升而添加。v 剂量升高时，退火温度相应升高，才干消除更为复杂的无剂量升高时，退火温度相应升高，才干消除更为复杂的无规那么损伤。规那么损伤。v 实线表示的是非晶区的退火特性剂量大于实线表示的是非晶区的退火特性剂量大于1015/cm2，退火温度降低为退火温度降低为600 左右左右v 非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联络非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联络v 在再生长过程中，在再生长过程中，族原子实践上与硅原子难以区分，它族原子实践上与

28、硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。上。所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。磷的退火特性磷的退火特性电激活比例电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院热退火过程中的分散效应热退火过程中的分散效应v 热退火的温度与热分散的温度相比，要低得多。热退火的温度与热分散的温度相比，要低得多。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，杂质分散也是非常显著的。下，杂质分散也是非常显著的。v这是由于离子注入所呵斥的晶格损伤，使硅内的

29、这是由于离子注入所呵斥的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。v 离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这些都会使得分散系数添加，分散效应加缺陷，这些都会使得分散系数添加，分散效应加强。强。v 热退火中的分散称为加强分散。热退火中的分散称为加强分散。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院热退火过程中的分散效应热退火过程中的分散效应v 注入杂质经退火后在靶内的分布依然是高注入杂质经退火后在靶内的分布依然是高斯分布斯分布v规范偏向需求修正规范偏向需求修正v分散系数明显添加分散系

30、数明显添加电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院热退火过程中的分散效应热退火过程中的分散效应v高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾衰减的拖尾电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院快速热退火快速热退火RTAv传统热退火的缺陷传统热退火的缺陷v不能完全消除缺陷，产生二次缺陷不能完全消除缺陷，产生二次缺陷v高剂量注入时的电激活率不够高高剂量注入时的电激活率不够高v高温长时间热退火会导致明显的杂质再分高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布布v快速退火快速退火Rapid Thermal AnnealingRapid Thermal Annealing技技术术v在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度提高到内，把晶片温度提高到1000 1000 以上。以上。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院快速热退火快速热退火RTA电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院快速热退火快速热退火RTAv作用：作用：v* *消除由注入所产生的晶格损伤消除由注入所产生的晶格损伤v* *恢复资料少子寿命和载流子迁移率恢复资料少子寿命和载流子迁移率v* *杂质激活杂质激活电子科技大学中山