半导体制造工艺之离子注入原理课件

1、半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)有关扩散方面的主要内容有关扩散方面的主要内容费克第二定律的运用和特殊解费克第二定律的运用和特殊解特征扩散长度的物理含义特征扩散长度的物理含义非本征扩散非本征扩散常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用常用扩散掺杂方法常用扩散掺杂方法常用扩散掺杂层的质量测量常用扩散掺杂层的质量测量Distribution according to error functionDtxCtxCs2erfc,DtxDtQtxCT4exp,2Distribution accordingto Gaussian funct

2、ion1半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)实实际际工工艺艺中中二二步步扩扩散散第一步第一步 为恒定表面浓度的扩散（为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散）（称为预沉积或预扩散） 控制掺入的杂质总量控制掺入的杂质总量1112tDCQ 第二步第二步 为有限源的扩散（为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化），往往同时氧化 （称为主扩散或再分布）（称为主扩散或再分布） 控制扩散深度和表面浓度控制扩散深度和表面浓度221112222tDtDCtDQC2半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)什么是离子

3、注入什么是离子注入离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质 离子注入的基本过程离子注入的基本过程v将某种元素的原子或携将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化带该元素的分子经离化变成带电的离子变成带电的离子v在强电场中加速，获得在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材较高的动能后，射入材料表层（靶）料表层（靶）v以改变这种材料表层的以改变这种材料表层的物理或化学性质物理或化学性质3半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)离子注入特

4、点离子注入特点可通过精确控制掺杂剂量（可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（）和能量（1-400 keV）来）来达到各种杂质浓度分布与注入浓度达到各种杂质浓度分布与注入浓度平面上杂质掺杂分布非常均匀（平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8 wafer）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度或深结高浓度注入元素可以非常纯，杂质单一性注入元素可以非常纯，杂质单一性可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度大

5、度大离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散温过程引起的热扩散横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进设备相对复杂、相对昂贵（设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机尤其是超低能量离子注入机）有不安全因素，如高压、有毒气体有不安全因素，如高压、有毒气体4半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)磁分析器磁分析器离离子子源源加

6、速管加速管聚焦聚焦扫描系统扫描系统靶靶rdtqIAQ1BF3：B+，B+，BF2+，F+, BF+，BF+B10B115半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)a)源（源（Source）：）：在半导体应用中，为了操作方便，在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用一般采用气体源气体源，如，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。们的蒸汽，再导入放电区。b) 离子源（离子源（Ion Source）：）：灯丝（灯丝（filament）发出的）发出的自由电子在电磁

7、场作用下，获得足够的能量后撞自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器气体源气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.离子源：离子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P，.6半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)离子注入过程是一个离子注入过程是一个非平衡非平衡过程，高能离子进入过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能

8、量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。部分不在晶格上，因而没有电活性。7半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)注入离子如何在体内静止注入离子如何在体内静止？LSS理论理论对在对在非晶靶非晶靶中注入离子的射程分布的研究中注入离子的射程分布的研究 1963年，年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称子在靶内分布理论，简称 LSS理论。理论。 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独该理论认为，注入离子在靶内的能

9、量损失分为两个彼此独立的过程立的过程 (1) 核阻止（核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止电子阻止 （electronic stopping） 总能量损失为两者的和总能量损失为两者的和8半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上) 核阻止本领与电子阻止本领核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论理论阻止本领（阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小：材料中注入离子的能量损失大小单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E), Se(E) )。 核阻止本领核

10、阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。 电子阻止本领电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。9半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上) ESESNdxdEen-dE/dx：能量随距离损失的平均速率：能量随距离损失的平均速率E：注入离子在其运动路程上任一点：注入离子在其运动路程上任一点x处处的能量的能量Sn(E)：核阻止本领：核阻止本领/截面截面 (eVcm2)Se(E)：电子阻止本领：电子阻止本领/截面（截面（eVcm2)N: 靶靶原子密度原子密度 5 1022 cm-3 f

11、or Si eenndxdENESdxdENES1,1LSS理论理论能量能量E的函数的函数能量为能量为E的的入射粒子在入射粒子在密度为密度为N的的靶内走过靶内走过x距离后损失距离后损失的能量的能量10半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)核阻止本领核阻止本领注入离子与靶内原子核之间注入离子与靶内原子核之间两体碰撞两体碰撞两粒子之间的相互作用力是两粒子之间的相互作用力是电荷作用电荷作用摘自摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295核阻止能力的一阶近似为：核阻止能力的一阶近似为：例如：磷离子例

12、如：磷离子Z1 = 15, m1 = 31 注入硅注入硅Z2 = 14, m2 = 28,计算可得：计算可得：Sn 550 keV-m mm2m质量，质量， Z原子序数原子序数下标下标1离子，下标离子，下标2靶靶 22113223212115cmeV108 . 2mmmZZZZESn对心碰撞，最大能量转移：对心碰撞，最大能量转移： E)m(mmmETrans221214 11半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)12半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)电子阻止本领电子阻止本领把把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气固体中

13、的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。方根成正比。非局部电子阻止非局部电子阻止局部电子阻止局部电子阻止 22/1152/1cmeV102 . 0, kkECvESione不改变入射离子运动方向不改变入射离子运动方向电荷电荷/动量交换导致入射离子运动量交换导致入射离子运动方向的改变（动方向的改变（500 keVnnne15半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)表面处晶格表面处晶格损伤较小损伤较小射程终点（射程终点（EOR）处晶格损伤大处晶格损

14、伤大16半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)R：射程（：射程（range） 离子离子在靶内的总路线长度在靶内的总路线长度 Rp：投影射程投影射程（projected range） R在入射方向上的投影在入射方向上的投影 Rp：标准标准偏差（偏差（Straggling），），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：横向：横向标准标准偏差（偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向垂直于入射方向平面上的标准偏差。平面上的标准偏差。射程分布射程分布：平均投影射：平均投影射程程Rp，标准偏差，标准偏差 Rp，横向标准偏差横向标准偏差 R 非晶靶非

15、晶靶中注入离子的浓度分布中注入离子的浓度分布17半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上) Rp R 高斯分布高斯分布RpLog（离子浓度）（离子浓度）离子入射离子入射z注入离子的二维分布图注入离子的二维分布图18半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上) 0001EenRpESESdENdxRp投影射程投影射程Rp:Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 19半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)注入离子的浓度分布注入离子的浓度分布在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在在忽略横向离散效应和一级近似下，注入

16、离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式 221expppPRRxCxC200 keV 注入注入元素元素 原子质量原子质量Sb 122As 74P 31B 11 Cp20半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上) ppCRdxxCQ2Q：为离子注入剂量（为离子注入剂量（Dose）, 单位为单位为 ions/cm2，可以，可以从测量积分束流得到从测量积分束流得到22exp2)(pppRRxRQxCppPRQRQC4 . 02由由 ， 可以得到：可以得到：21半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)Q可以精

17、确控制可以精确控制dtqIAQ1A为注入面积，为注入面积，I为硅片背面搜集到的束为硅片背面搜集到的束流（流（Farady Cup），），t为积分时间，为积分时间，q为为离子所带的电荷。离子所带的电荷。例如：当例如：当A2020 cm2，I0.1 m mA时，时，satoms/cm1056. 129AqItQ而对于一般而对于一般NMOS的的VT调节的剂量为：调节的剂量为：B 1-51012 cm-2注入时间为注入时间为30分钟分钟对比一下：如果采用预淀积扩散（对比一下：如果采用预淀积扩散（1000 C），表面浓度），表面浓度为固溶度为固溶度1020 cm-3时，时，D10-14 cm2/s每秒剂

18、量达每秒剂量达1013/cm2I0.01 m mAmADtCQs222半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)常用注入离子在不同注入能量下的特性常用注入离子在不同注入能量下的特性平均投影射程平均投影射程Rp标准偏差标准偏差 Rp23半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)已知注入离子的能量和剂量，已知注入离子的能量和剂量，估算注入离子在靶中的估算注入离子在靶中的 浓度和结深浓度和结深问题：问题：140 keV的的B+离子注入到直径为离子注入到直径为150 mm的硅靶中。的硅靶中。 注入注入 剂量剂量Q=510 14/cm2（衬底浓度（衬底浓度

19、21016 /cm3） 1) 试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、 峰峰 值浓度、结深值浓度、结深 2) 如注入时间为如注入时间为1分钟，估算所需束流。分钟，估算所需束流。24半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)【解解】1) 从查图或查表从查图或查表 得得 Rp=4289 =0.43 m mm Rp855 855 0.086 m0.086 mm 峰值浓度峰值浓度 Cp=0.4Q/ R Rp p=0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 衬底浓度衬底浓度CB21016 cm-3 xj=0

20、.734 m mm 2) 注入的总离子数注入的总离子数 Q掺杂剂量掺杂剂量硅片面积硅片面积 51014 (15/2)2=8.81016 离子数离子数 IqQ/t (1.61019C)(8.81016)/60 sec=0.23 mA 221expppjpBjRRxCCxC25半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)注入离子的真实分布注入离子的真实分布v 真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v 当轻离子硼（当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表

21、面一侧有角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。较多的离子堆积；重离子散射得更深。26半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)横向效应横向效应横向效应指的是注入横向效应指的是注入离子在离子在垂直于入射方垂直于入射方向平面向平面内的分布情况内的分布情况横向效应影响横向效应影响MOS晶体晶体管的有效沟道长度。管的有效沟道长度。221exp2)(),(RyRxCyxC R （m）27半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)35 keV As注入注入120 keV As注入注入28半导体制造工艺基础第七章第

22、七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)注入掩蔽层注入掩蔽层掩蔽层应该多厚？掩蔽层应该多厚？BmPmCRRxCxCPP2*2*2exp)(*如果要求掩膜层能完全阻挡离子如果要求掩膜层能完全阻挡离子xm为恰好能够完全阻挡离子的为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度掩膜厚度Rp*为离子在掩蔽层中的平均为离子在掩蔽层中的平均射程，射程， Rp*为离子在掩蔽层中为离子在掩蔽层中的射程标准偏差的射程标准偏差29半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)*ln2PPBPPPmRmRCCRRx解出所需的解出所需的掩膜层厚度：掩膜层厚度：穿过穿过掩膜层的剂量：掩膜层的剂量： *2*2erfc

23、221exp2pPmxpPpPRRxQdxRRxRQQm 余误差函数余误差函数30半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)离子注入退火后的杂质分布离子注入退火后的杂质分布 DtxDtQtxC4exp2,2 22exp2pppRRxRQxC0022)(tDRp DtRRxDtRQtxCPPP22exp22,222Dt D0t0Dt一个高斯分布在退火后一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其标仍然是高斯分布，其标准偏差和峰值浓度发生准偏差和峰值浓度发生改变。改变。31半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)离子注入的沟道效应离子注入的沟道效应沟道效

24、应（沟道效应（Channeling effect）当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。变，可以走得很远。32半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)110111100倾斜旋转硅片后的无序方向倾斜旋转硅片后的无序方向33半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)浓度分布浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的当长的“尾巴尾巴”产生非晶化的剂量产生非晶化的剂量沿沿的沟道效应的沟道效应34半导体制造工艺基础第七章第七章 离子注入原离子注入原理理 (上上)表面非晶层对于沟道效应的作用表面非