第四章离子注入

1、第四章 离子注入集成电路工艺原理1 4.1 前言前言 4.2 离子注入系统离子注入系统 4.3 离子注入原理离子注入原理 4.4 离子注入损伤及其退火处理离子注入损伤及其退火处理 4.5 离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用第四章 离子注入集成电路工艺原理2什么是离子注入离子注入v将某种元素的原子经离化变成带电的离子v在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）v以改变这种材料表层的物理或化学性质第四章 离子注入集成电路工艺原理3q各种杂质浓度分布与注入浓度可通过控制掺杂剂量(1011-1016cm-2)和能量(10-200KeV)来达到q掺杂均匀(1%variatio

2、nacross8wafer)q横向分布大大小于扩散方法q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q注入元素可以非常纯，杂质单一性q可用多种材料作掩膜(如金属、光刻胶、介质.)，可防止沾污，自由度大。q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。第四章 离子注入集成电路工艺原理4q会产生缺陷，甚至非晶层，必须经高温退火加以改进q产量较小q设备复杂q有不安全因素(如高压、有毒气体)q会引入沾污第四章 离子注入集成电路工艺原理5 4.1 前言前言 4.2 离子注入系统离子注入系统离子注入系统的组成离子注入系统的组成剂量测量原理剂量测量原理 4.3 离子注入原理离子注

3、入原理 4.4 离子注入损伤及其退火处理离子注入损伤及其退火处理 4.5 离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用第四章 离子注入集成电路工艺原理6从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子，分析后的离子加速以提高离子的能量，再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度。第四章 离子注入集成电路工艺原理7有两种类型的离子注入系统，图中是先加速，再经过磁分析器。前一种是先经过磁分析器，再加速第四章 离子注入集成电路工艺原理8l离子源（IonSource)l磁分析器(Magneticanaly

4、zer)l加速管（Accelerator)l聚焦和扫描系统(FocusandScansystem)l靶室和后台处理系统(TargetAssembly)第四章 离子注入集成电路工艺原理9源源(Source)：在半导体应用中，为了操作方便，一般采用气体源，如BF3,BCl3,PH3,ASH3等,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。b) 离子源（离子源（Ion Source)灯丝(filament)发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或原子，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，射向磁分析器第四章 离子注入集成电路工艺原理10Gase

5、s: BF3, AsH3, PH3, Ar, GeH4, O2, N2,.Solids: As, Ga, Ge, Sb, P, .Anionsource.Thehotfilamentprovideselectronsfortheionizationofthesourcegas.Amagneticfieldcausestheelectronstospiral.,lengtheningthepathsandincreasingionizationefficiency.第四章 离子注入集成电路工艺原理11c)磁分析器磁分析器(magnet analyzer)利用不同荷质比的离子在磁场下运动轨迹的不同

6、将离子分离，选出所需的杂质离子。被选离子束通过可变狭缝，进入加速管。第四章 离子注入集成电路工艺原理12在带电粒子速度垂直于均匀磁场的情况下，洛仑兹力可用下式表示qvBrMv2V：离子速度，q：离子电荷，M：离子质量B：磁场强度，r：离子圆周运动的半径离子速度和吸出电压(Extractionvoltage,Vext)成正比综合两式，可以得到extVqMBqBMvr21MqVMEvext22第四章 离子注入集成电路工艺原理13改变分析器的电流将可以选择具有不同质量的离子extVqMBqBMvr21I ) r(E2qr ) I(E2qBrE2qM BI,磁场强度和电磁线圈的电流成正比第四章 离子注

7、入集成电路工艺原理14动画显示extVqMBqBMvr21第四章 离子注入集成电路工艺原理15d)加速管加速管(Accelerationtube)离子在静电场作用下加速到所需的能量。Out+-highvoltageBeamInBeam inVoltageBeam Out25 keV I+ 300 kV 325 keV25 keV I+ 300 kV ?Ion运动速度：105ms-125+300*2=625KeV用高价离子注入可以增加注入能量，使注入深度增加；但是由于高价离子产生较少，其束流较小第四章 离子注入集成电路工艺原理16e)聚焦和扫描系统聚焦和扫描系统(deflectionandsca

8、nning)离子束离开加速管后进入控制区，先由静电聚焦透镜使其聚焦。再进行x-y两个方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转注到靶上。f)靶室和后台处理系统靶室和后台处理系统 (Target Assembly) 包括测量电荷的法拉第杯(Faradayscup)，全自动装片和卸片机构，以及控制电流和总电量的微机。第四章 离子注入集成电路工艺原理17设质量M，荷电zq(z是离子荷电数，q是电子电荷量)和能量E的离子束，通过扫描和光圈限定面积A，定义剂量D与积分电荷量Q(库仑)的关系：(7-4)Dose=#ionscm2ItAreazq+Ions-VoltageWaferSecondaryElectr

9、onsIQCurrentMeterIntegratordtzqIA1zqAQD Faradaycup第四章 离子注入集成电路工艺原理18Example: 100 A beam of As swept over 10 cm x 10 cm (100 mm wafer) for 100 sec-192100cm1.610coul/charge100Ax100secDose=6.2x10/cm214若增加离子注入剂量，可以采用什么方法？典型的束流是1微安到几十毫安问注入剂量为多少？问注入剂量为多少？长时间注入和高束流长时间注入和高束流第四章 离子注入集成电路工艺原理19剂量和浓度的关系剂量和浓度的关

10、系注入离子的平均密度注入离子的平均密度 剂量剂量/深度深度 （DOSE/DEPTH）(CONCENTRATION)在上面的例子中，如果所有的离子在在上面的例子中，如果所有的离子在1 m深度范围内深度范围内DENSITY = 6.2 x 1014 /cm2 1 m = 6.2 x 1018 /cm3典型的剂量范围在典型的剂量范围在1011 /cm2 - 1015 /cm2 (FOR DOPING) 典型的注入离子的平均密度范围在典型的注入离子的平均密度范围在1013 /cm3 - 1021 /cm3 (FOR DOPING)第四章 离子注入集成电路工艺原理20离子：P,As,Sb,B,In,O剂

11、量：1011cm-21016cm-2能量：5KeV400KeV可重复性和均匀性:1%温度：室温第四章 离子注入集成电路工艺原理21 4.1 前言前言 4.2 离子注入系统离子注入系统 4.3 离子注入原理离子注入原理 4.4 离子注入损伤及其退火处理离子注入损伤及其退火处理 4.5 离子注入在集成电路中的应用离子注入在集成电路中的应用第四章 离子注入集成电路工艺原理22本节主要研究注入离子在靶片上的本节主要研究注入离子在靶片上的分布及影响分布的各种因素分布及影响分布的各种因素第四章 离子注入集成电路工艺原理23q有关射程的概念q核碰撞，电子碰撞q入射离子的分布q沟道注入第四章 离子注入集成电路

12、工艺原理24离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，一部分不在晶格上，因而没有电活性第四章 离子注入集成电路工艺原理25q有关射程的概念q核碰撞，电子碰撞q入射离子的分布q沟道注入MonteCarlosimulation,SRIMsoftware第四章 离子注入集成电路工艺原理26l射程(range)l投影射程(Projectedrange)l射程分布平均投影射程Rp标准偏差Rp横向标准偏差R第四章 离子注入集成电路工艺原理27射程射程 (range) 离子在靶内的总路线长度投影射程投影射程 (projecte

13、d range)R在入射方向上的投影射程分布射程分布平均投影射程Rp（浓度分布的峰值）标准偏差Rp标准偏差(Straggle)，投影射程的平均偏差横向标准偏差R横向偏差(traversestraggle),垂直于表面的平面上的标准偏差。第四章 离子注入集成电路工艺原理28射程分布射程分布以平均投影射程Rp（浓度分布的峰值所对应的位置）及其标准偏差Rp描述，在垂直于入射方向上也有一种横向扩展，以横向标准偏差R表示。R是决定器件尺寸(如源漏之间沟道长度)的一个限制因素。射程分布射程分布大量的入射离子，它们在靶内空间中的分布是确定的，也即在不同截面上有一定的入射离子数。 Rp R 第四章 离子注入集

14、成电路工艺原理29q有关射程的概念q核碰撞，电子碰撞q入射离子的分布q沟道注入第四章 离子注入集成电路工艺原理30注入离子通过库仑散射(CoulombScattering)失去能量从而静止 离子和靶内的自由电子及束缚电子相互作用(通常对较轻的离子和高能量注入） 离子和靶内原子核作用(通常对重离子和低能量离子注入）第四章 离子注入集成电路工艺原理31阻止本领阻止本领(stopping power)：材料对入射离子的阻止能量的大小用阻止本领来衡量。阻止本领表示离子在靶子中受到阻止的概率。q 电子阻止本领电子阻止本领：来自原子之间的电子阻止，属于非弹性碰撞；q 核阻止本领核阻止本领：来自原子核之间的

15、阻止，属于原子核之间的弹性碰撞；第四章 离子注入集成电路工艺原理32v1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。vLSS理论用于计算总射程R和总射程标准偏差Rpv该理论认为，入射离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞(nuclearstopping)(2)电子碰撞(Electronicstopping)总能量损失为两者的和第四章 离子注入集成电路工艺原理33核碰撞核碰撞(nuclear stopping)电子碰撞电子碰撞(electron stopping)第四章 离子注入集成电路工艺原理34核碰撞指入射离

16、子和靶内原子核之间的相互碰撞。由于入射离子和靶原子的质量一般同一量级，因此每次碰撞后，入射离子可能发生大角度的散射，并失去一定能量。靶原子也因碰撞获得能量，如果所获能量大于原子束缚能，就会离开原来所在位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷电子碰撞指入射离子和靶内自由电子及束缚电子之间的碰撞，这种碰撞能瞬时形成空穴电子对。由于两者质量相差很大，每次碰撞离子能量损失较小，并且是小角度散射。入射离子运动方向基本不变。第四章 离子注入集成电路工艺原理35一个入射离子在其运动路程上任一点一个入射离子在其运动路程上任一点x处的能量损失处的能量损失为为E，则核阻止本领定义为，则核阻止本领定义为1( )

17、nndESENdx同样，电子阻止本领定义为同样，电子阻止本领定义为1( )eedES ENdx-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：入射离子在其运动路程上任一点：入射离子在其运动路程上任一点x处的能量；处的能量；Sn(E):核阻止本领核阻止本领 (eVcm2)Se(E): 电子阻止本领（电子阻止本领（eVcm2)N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022cm-3 for Si第四章 离子注入集成电路工艺原理36)E(S)E(SNdxdEen 0E0enR0)E(S)E(SdEN1dxR-dE/dx:能量随距离损失的平均速率；E：入射离子在其运动路程上任一点x处的能

18、量；Sn(E):核阻止本领(eVcm2)Se(E):电子阻止本领（eVcm2)N:靶原子密度51022cm-3forSi知道了阻止本领，可以求出入射离子在靶内运动的路程Reenn)dxdE(N1)E(S,)dxdE(N1)E(S 入射离子受原子核和电子的阻止作用在单位距离上的能量损失：第四章 离子注入集成电路工艺原理37理论基础：两体碰撞入射离子与靶内原子核之间是弹性碰撞，两粒子之间的相互作用力是电荷作用，忽略两粒子之间的电子屏蔽作用，而且势能函数V只与两粒子之间的距离有关，势能函数可近似为)arexp(r4ZZq) r (V212 Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数第四章 离子注入集成电路工

19、艺原理38核阻止本领和入射离子能量的关系高能量下，Sn很小，因为高能量下，高速运动的离子和核碰撞的时间非常短，使得它们之间的动量交换很少低能量时，核阻止本领随能量线性增加，在某中等能量达到最大值Z1，Z2，m1,m2分别为两个粒子的原子序数和质量考虑两粒子之间的电子屏蔽作用，考虑两粒子之间的电子屏蔽作用，核阻止本领和入射离子能量的关系如核阻止本领和入射离子能量的关系如图中实线表示图中实线表示第四章 离子注入集成电路工艺原理39核阻止本领和入射离子能量的关系如果选用和r2成反比的势能函数，则核阻止本领为一常数，与入射离子能量无关，如图中虚线所示。22112/13/223/212115neVcmm

20、mm)ZZ(ZZ108 . 2)E(S Z1，Z2，m1,m2分别为两个粒子的原子序数和质量第四章 离子注入集成电路工艺原理40电子阻止本领和入射离子的能量的平方根成正比。22/1152/1ionecmeV102 . 0k,kECv)E(S 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体的阻力。第四章 离子注入集成电路工艺原理41v核阻止本领在低能量下起主要作用v电子阻止本领在高能量下起主要作用vE2: 核阻止和电子阻止相等的能量E2:核阻止和电子核阻止和电子阻止相等的能量阻止相等的能量第四章 离子注入集成电路工艺原理42如果一个入射离子的如果一个入射离子的初始能量比初始能量比Ec大

21、很多，大很多，则这个离子在靶内主要则这个离子在靶内主要以电子阻止损失能量，以电子阻止损失能量，核阻止损失能量可忽略核阻止损失能量可忽略如果一个入射离子的如果一个入射离子的初始能量比初始能量比Ec小很多，小很多，则这个离子在靶内主要则这个离子在靶内主要以核阻止损失能量，电以核阻止损失能量，电子阻止损失能量可忽略子阻止损失能量可忽略第四章 离子注入集成电路工艺原理43射程粗略计算Rp与R的关系 Rp与R关系一旦Sn(E)和Se(E)确定，可以计算出R并且从下面的关系式得到Rp与R的关系以及 Rp与R关系第四章 离子注入集成电路工艺原理44第四章 离子注入集成电路工艺原理45q有关射程的概念q核碰撞

22、，电子碰撞q入射离子的分布q沟道注入第四章 离子注入集成电路工艺原理46理论计算表明，在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯函数形式 2ppPRRx21expC)x(CC(x)表示距离靶表面x的注入离子浓度Cp是峰值浓度/px R第四章 离子注入集成电路工艺原理47ppPppRQ4 . 0R2QCCR2dx)x(CQ 注入剂量注入剂量Q可以对可以对C (x)积分得到，积分得到，并得到峰值并得到峰值浓度浓度Cp与注入剂量与注入剂量Q间的关系：间的关系：Q：为离子注入剂量：为离子注入剂量(Dose), 单位为单位为 Ions/cm2,可以从可以从测量积分束流得到测量积

23、分束流得到第四章 离子注入集成电路工艺原理48200KeVImplant不同质量的离子，不同质量的离子，离子注入后的浓离子注入后的浓度分布度分布质量大的，分布质量大的，分布较窄较窄第四章 离子注入集成电路工艺原理49常用注入离子在不同注入能量下的常用注入离子在不同注入能量下的平均射程和标准偏差平均射程和标准偏差第四章 离子注入集成电路工艺原理50第四章 离子注入集成电路工艺原理51v真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布v当轻离子(B)注入到Si中，会有较多的硼离子受到大角度的散射，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。第四章 离子注入集成电路工艺原理52横向效应横向效

24、应横向效应指的是注入离子在垂直入射方向平面内的分布情况横向效应不但和注入离子的种类有关，还和注入能量有关横向效应直接影响了MOS晶体管的有效沟道长度。1第四章 离子注入集成电路工艺原理53小结：小结：(2)在平均投影射程x=Rp处有一最高浓度最大浓度与注入剂量关系(3)平均投影射程两边，注入离子浓度对称地下降离平均投影射程越远，浓度下降越快ppPRQ4 . 0R2QC 2ppmaxRRx21expC)x(C(1)注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯函数形式第四章 离子注入集成电路工艺原理54q有关射程的概念q核碰撞，电子碰撞q入射离子的分布q沟道注入第四章 离子注入集成电路工艺原理55沟道效应

25、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运动，不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。第四章 离子注入集成电路工艺原理56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LSS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“尾巴”第四章 离子注入集成电路工艺原理57沟道效应(Channelingeffect)Boron Implantinto Silicon DioxideBoron Implantinto Silicon第四章 离子注入集成电路工艺原理58100111110Ramdom第四章 离子注入集成电路工艺原理59

26、How can we form ultrashallow junction in todays 0.13um CMOS devices?v沿沟道轴向偏离710ov如果硅是非晶的，99的离子可以被阻止。v用Si,Ge,F,Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层(Pre-amorphization)v增加注入剂量(晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少)v表面用SiO2层掩膜第四章 离子注入集成电路工艺原理60v损伤的定义v损伤的产生v损伤退火v固相外延v杂质激活第四章 离子注入集成电路工艺原理61晶格损伤晶格损伤:高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰撞碰撞，可能使靶原子发生位移位移，被位移原

27、子还可能把能量依次传给其它原子，结果产生一系列的空位间隙原子对空位间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简单或复杂的缺陷统称为晶格损伤晶格损伤。什么是注入损伤什么是注入损伤(Si)SiSiI + SiV第四章 离子注入集成电路工艺原理62v损伤的定义v损伤的产生v损伤退火v固相外延v杂质激活第四章 离子注入集成电路工艺原理63l移位原子：因碰撞而离开晶格位置的原子。l移位阈能Ed：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量.l注入离子通过碰撞把能量传给靶原子核及其电子的过程，称为能量传递过程第四章 离子注入集成电路工艺原理64入射离子与靶内原子碰撞时，可能出现三种情

28、形l传递的能量EEd,没有移位原子产生，被碰原子只是在平衡位置移动，将获得的能量以振动能的形式传递给近邻原子，表现为宏观的热能。lEdE2Ed，那么被碰原子本身可以离开晶格位置，成为移位原子，并留下一个空位。但这个移位原子离开平衡位置后，所具有的能量小于Ed,不可能使与它碰撞的原子移位。1.被碰原子本身移位后，还具有很高的能量，在它的运动过程中，还可以使与它碰撞的原子发生移位。第四章 离子注入集成电路工艺原理65l移位原子称为反冲原子。与入射离子碰撞而发生移位的原子，称为第一级反冲原子，与第一级反冲原子碰撞而移位的原子，称为第二级反冲原子，依次类推，这种不断碰撞的现象称为“级联碰撞”。第四章

29、离子注入集成电路工艺原理66v入射离子在碰撞过程中传递给靶原子的能量EdE2Ed时，只能使一个原子移位。v估算一个以起始能量入射的离子，在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N(E)为d0E2E)E(N 对硅靶，一般Ed为15ev第四章 离子注入集成电路工艺原理67Consider a 30keV arsenic ion, which has a range of 25 nm, traversing roughly 100 atomic planes. The number of displaced particles created by an incoming ion is given by

30、1000152000,30E2E)E(Nd0 移位原子数目的修正公式为：d0EE42. 0)E(N 对硅靶，一般Ed为15ev第四章 离子注入集成电路工艺原理68q注入离子引起的晶格损伤有可能使晶体结构完全破坏变为无序的非晶区。第四章 离子注入集成电路工艺原理69损伤程度和下面因素有关1.注入剂量随着注入剂量的增加，原来孤立的错乱区就开始相互搭接在一起，对硅来说，这种搭接会导致非晶层的形成。临界剂量：使晶格完全无序的剂量。第四章 离子注入集成电路工艺原理702.离子的质量数质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，散射角度较大，得到较小能量的位移靶原子，通常不大可能使其它靶原子发生位移，因此单个

31、轻离子形成的损伤将呈分支状的轨迹。重离子每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移原子还可能产生新的位移原子。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。临界剂量随离子质量的增加而下降第四章 离子注入集成电路工艺原理713.靶衬底温度临界剂量随靶衬底温度的增加而上升4.入射离子能量d0EE42. 0)E(N 第四章 离子注入集成电路工艺原理72v损伤的定义v损伤的产生v损伤退火v固相外延v杂质激活第四章 离子注入集成电路工艺原理73q 被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤。q 注入后的半导体材料：杂质处于间隙nND;pNA晶格损伤迁移率下降；少子寿命下降热退火后：n n=ND(p=NA) bulk 0第四章 离子注入集成电路工艺原理74辐射损伤将影响器件性能：散射中心迁移率下降少子寿命降低pn结漏电流增加第四章 离子注入集成电路工艺原理75q去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构q让杂质进入电活性(electricactive)位置替位位置。q恢复电子和空穴迁移率q过程中不能有大量的杂质再分布第四章 离子注入集成电路工艺原理76q对深注入，典型的退火温度是：900C/30minq对浅注入，较低温度下退火就