离子注入课件

1、第五章 离子注入（Ion Implantation）5.1概述介绍离子注入掺杂在硅片制造过程中的目的和应用.对离子注入有整体的认识，包括优缺点.讨论剂量和射程在离子注入中的重要性.描述离子注入机的个主要子系统.解释离子注入中的退火效应和沟道效应.1离子注入的发展1952：美国贝尔实验室开始用离子束轰击技术改变半导体特性1954：Shokley提出采用该技术能制造半导体器件，并预言用此方法可以制造薄基区的高频晶体管1955：英国W.D.Cussins用硼离子轰击Ge晶片时，可在n型材料上形成p型区。1960：对离子射程计算、测量、辐射损伤效应、沟道效应等方面的重要研究已经完成。1968：报道了采

2、用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布的变容二极管以及Al栅自对准MOS晶体管。1972：对离子注入现象有更深入的了解，并且采用此技术制造了GaAs高速集成电路。1973：第一台商用注入机面世。2 为什么要采用离子注入（扩散存在的问题）：横向扩散：晶体损伤：低掺杂和超浅结： 表面效应 ：对表面污染的控制能力：35.2特点和参数一、 离子注入特点离子纯度高、能量单一 注入剂量范围较宽、精度高SiO2、SiN、Al、光刻胶等都可以作为选择性掺杂的掩蔽膜 可得到各种形状的分布 是非平衡过程 避免高温扩散引起的热缺陷 可实现化合物半导体的掺杂 4二、 离子注入缺点晶格有损伤很浅或很深的注入分布都难以

3、得到，甚至是不可得到的离子注入产率受到限制设备昂贵 5三、离子注入中涉及到的有关参数 1. 剂量Q：指单位面积硅片表面注入的离子数 2. 射程R：指离子注入过程中离子穿入硅片的总距离3. 投影射程Rp：指注入离子的总射程在入射方向上的投影距离。 6Incident ion beamSilicon substrateStopping point for a single ionRpDRp dopant distribution75.3 离子注入系统 1、离子源：用于离化杂质的容器，有阴阳两个电极，阴极接地，阳极接高压（约1000V）。常用的杂质源为 PH3 、B2H3 、BF2 、AsH3 等。

4、 2、质量分析器：由于不同离子具有不同的电荷质量比，则在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 3、加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。 4、中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度使中性原子分离出去。 85、聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。6、偏转扫描系统：用来实现离子束在 X 、Y 方向的一定面积内进行扫描。7、工作室：放置样品的地方，其位置可调。9Ion sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamb

5、erExtraction assemblyScanning diskPhotograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side10离子源（Nielsen 系统）：11石墨Ion sourceAnalyzing magnetIon beamExtraction assemblyLighter ionsHeavy ionsNeutrals 磁质量分析器：12 磁质量分析器：光阑1光阑2为向心力，使离子作圆周运动，半径为：13 从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑2。或者对于给定的具有上述荷质比的离子，

6、可通过调节磁场B 使之满足下式，从而使该种离子通过光阑2：其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的。 另外，若固定 r 和Vext ，通过连续改变B ，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。 1415离子加速器：100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo process chamberElectrodeFrom analyzing magnetSourceAtomic mass a

7、nalysis magnetLinear acceleratorFinal energy analysis magnetScan diskWafer16终端台（A)扫描装置+ Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflection (B)法拉第杯Scanning disk with wafersScanning directionFaraday cupSuppressor apertureCurrent integr

8、atorSampling slit in diskIon beam175.4注入离子在靶中的分布(LSS理论) J.Lindhard, M.Scharff, H.E.Schiott (LSS)1、核阻止2、电子阻止 注入离子的浓度分布：注入靶内的离子，在靶内受到的碰撞是一个随机的过程，在注入大量的离子的时候，它们在靶内将按一定的统计规律分布。18LSS理论给出了计算投影射程和散布值的微分方程1、纵向分布（高斯分布） 入射离子在非晶靶中的射程分布完全可以用高斯函数来描述。式中x为沿着入射离子初始方向上离开靶表面的距离，N(x)代表该处的离子浓度(即离子体密度)。 RP是平均投影射程；RP是标准偏

9、差。由上式可以看出，在x=Rp处，N= Nmax为最大浓度，称为浓度峰。19 在核阻止占优势的能量(低能)范围内，R与Rp的关系可用经验公式来表示：对于m1m2的情况，计算结果近似性较好；对于m1m2的情况误差较大，但仍可作为一个有用的估算式。RP 与RP有近似关系，2021xyzRpRp离子浓度（lg坐标）离子束22X-Rp01.18Rp2.14Rp3.14Rp3.72Rp4.29Rp4.80Rp5.25Rp5.67RpN(x)/Nmax10.510110210310410510610723在实验中，入射离子的剂量(即垂直入射在靶表面单位面积上的离子数) 是人为控制的，它是一个己知量。设Q0

10、为沿x方向的剂量，则令：则：dx = RP dX2425由图可见，浓度分布具有以下几个特点：在平均投影射程xRp处有一最高浓度在平均投影射程Rp两边，注入离子浓度对称下降，x-Rp 越大，下降越快。在x-RpRP处N(x)/Nmax=e-1/2=0.606526注意：注入轻离子时，如B+注入硅中，由于大角度散射、反向散射，则在靶表面一侧堆积；注入重离子时，如P+注入硅中，相反，则在平均投影射程Rp远的一侧堆积。这种堆积叫“拖尾现象”，对轻离子有好处，便于引出电极；对重离子是缺点，使实际结深增大。272、注入离子的横向分布离子进入靶时的侧向扩展用侧向散布来表征。它对于决定离子在掩膜边缘处的穿透以

11、及用离子注入制成的结的曲率都是很重要的。当离中注入是通过一特别狭窄的掩膜窗口进行时，侧向效应也是很重要的。2829通过一个窄窗口注入的离子，在y轴正方向的空间分布情况可由下式求出：实际的浓度曲线为纺锤形30 xyzRpRt离子浓度（lg坐标）离子束31由边界算起的距离（+a或a处）01.28y2.33y3.09y3.72y4.30y4.78y5.22yN(x)/Nmax0.5101102103104105106107323. 沟道效应单晶硅原子的排列是长程有序的，当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时，就发生了沟道效应。由于沟道效应，使得离子注入的深度比“高斯分布”还深。特别是低能

12、离子的浅注入更加严重。沿轴的硅晶格视图 抑制方法：把晶片对离子注入的运动方向倾斜一个角度，（100）硅片比较常见的是7o；在结晶硅的表面淀积一层非结晶膜；先用一次轻微的离子注入产生损伤表面；335.5 晶格损伤 1. 级联碰撞移位原子：因受到碰撞而离开晶格位置的原子，也称为反冲原子。能量淀积过程：注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及电子过程。能量淀积通过两种形式进行，即弹性和非弹性碰撞。移位阈能：使一个处于平衡位置的原子发生移位，所需的最小能量称为移位阈能，用Ed表示。级联碰撞： 34在碰撞过程中可以使靶内原子移位的数目N（E）为35损伤区的分布(1)损伤区同靶原子质量和入射离子质量的关系

13、当入射离子是轻离子时 36当入射离子是重离子 37（2） 与注入剂量的关系（3）与靶温的关系 （4）与入射离子能量的关系 （5）与剂量率的关系（6）与晶体取向有关 385.6 热退火(Thermal anneal, thermal process) 一、热处理的原因：原因：2点那么什么是热退火？如果，将注入离子的晶片在一定T温度下，经过适当时间的热处理则晶片中损伤可部分或全部得到消除，少数载流子寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复，掺入的杂质也得到一定比例的电激活，这样的处理过程就叫热退火。394041常见材料的热退火特性硅的退火特性注入硼的退火特性 42注入磷的退火特性 43热退火过程中的扩

14、散效应 注入离子在靶内分布可以近似认为是高斯分布，然而在消除损伤、恢复电学和激活载流子进行的热退火过程中，会使高斯分布有明显的展宽，偏离注入时的分布，尤其是在尾部偏离更为严重，出现了较长的按指数衰减的尾巴 44高温炉退火 高温炉退火是一种传统的退火方式，用高温炉把硅片加热至 800 到 1000 并保持 30 分钟。在此温度下 , 硅原子重新移回晶格位置 , 杂质原子也能替代硅原子位置进入晶格。但是在这样的温度和时间下进行热处理，会导致杂质的扩散 , 这是现代 IC 制造不希望看到的。 45快速热退火 (RTP) ： 用极快的升温和在目标温度 ( 一般是 1000 ) 短暂的持续时间对硅片进行