教学第7章-离子注入课件

第七章离子注入第七章离子注入1§1概述离子注入: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1keV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘层的1018/cm2。§1概述离子注入:是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底2低掺杂浓度(n–,p–)和浅结深(xj)Mask掩蔽层硅衬底xj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机高掺杂浓度(n+,p+)和深结深(xj)束扫描高能大剂量慢速扫描MaskMask硅衬底xj离子注入机低掺杂浓度(n–,p–)Mask掩蔽层3离子注入机离子注入机4基本工艺过程离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘基本工艺过程离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件5离子源和吸极装配离子源和吸极装配6Bernas离子源装配图Bernas离子源装配图7分析磁体分析磁体8加速管加速管9中性束流阱中性束流阱10静电离子束扫描静电离子束扫描11+++++++++++++++++++++++++具有空间电荷中和地粒子束剖面+++++++++++++++++++++++++粒子束膨胀剖面掺杂离子二次电子空间电荷中和+++++++++++++++++++++++++具有空间电12离子注入的优点1. 精确控制杂质含量；2. 很好的杂质均匀性；3. 对杂质穿透深度有很好的控制；4. 产生单一粒子束；5. 低温工艺；6. 注入的离子能穿过掩蔽膜；7. 无固溶度极限。离子注入的优点1. 精确控制杂质含量；13§2离子分布射程R：一个离子在停止前所经过的总距离投影射程Rp：射程在入射方向的投影。投影偏差σp

：投影射程的统计涨落。横向偏差σ⊥

：入射轴垂直方向上的统计涨落§2离子分布射程R：一个离子在停止前所经过的总距离投影射14轴向分布函数轴向和横向都服从高斯分布轴向分布函数轴向和横向都服从高斯分布15As、B和P在Si和SiO2中的投影射程As、B和P在Si和SiO2中的投影射程16As、B和P在Si和SiO2中的投影偏差和横向偏差As、B和P在Si和SiO2中的投影偏差和横向偏差17H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影射程H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影射程18H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影偏差和横向偏差H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影偏差和横向偏差19离子驻留机制核阻止机制：离子通过和靶核碰撞，损失能量并发生偏转，同时也可能使靶核移位。核阻止本领离子驻留机制核阻止机制：离子通过和靶核碰撞，损失能量并发生偏20电子阻止机制：入射离子和靶内的电子云通过库伦相互作用以及碰撞而损失能量，电子被激发甚至电离。电子阻止本领离子能量随距离的平均损耗可由上述两种阻止机制的叠加而得：电子阻止机制：入射离子和靶内的电子云通过库伦相互作用以及碰撞21射程R为射程R为22离子沟道效应沿<110>轴的硅晶格视图离子沟道效应沿<110>轴的硅晶格视图23<111><100><110><111><100><110>24沟道效应使投影射程移位晶圆纵深方向浓度沟道穿越离子沟道效应使投影射程移位晶圆纵深方向浓度沟道穿越离子25沟道效应降低的技巧：一、覆盖一层非晶体的表面层。常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层，此层可使离子束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅晶片而不直接进入硅晶体沟道。离子注入氧化层晶格经过非晶体氧化层的注入沟道效应降低的技巧：一、覆盖一层非晶体的表面层。常用的覆盖层26二、将硅晶片偏离主平面5-10度。此方法大部分的注入机器将硅晶片倾斜7度。离子注入晶格不对准晶轴的入射二、将硅晶片偏离主平面5-10度。此方法大部分的注入机器将硅27三、先注入大量硅或锗原子以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生一个随机层，这种方法需使用昂贵的离子注入机。离子注入晶格损伤的晶格在单晶层上的预先损伤三、先注入大量硅或锗原子以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生28§3注入损伤和退火注入损伤：离子注入中，与原子核碰撞后转移足够的能量给晶格，使基质原子离开晶格位置，这些离位的原子可能获得入射能量的大部分，接着如骨牌效应导致邻近原子的相继移位而形成一个沿着离子路径的树枝状的无序区，这种现象叫注入损伤。§3注入损伤和退火注入损伤：离子注入中，与原子核碰撞后转29第7章-离子注入课件30退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。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，产生自由载流子，起到杂质的作用。消除损伤传统炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进31硼和磷的退火特性硼和磷的退火特性32传统退火炉使用类似热氧化的整批式开放炉管系统。需要长时间和高温来消除注入损伤。但会造成大量杂质扩散而无法符合浅结及窄杂质分布的需求。反射器灯石英窗气体入口晶片IR温度计快速热退火传统退火炉使用类似热氧化的整批式开放炉管系统。需要长时间和高33§4注入相关工艺多次注入工艺——可以形成平坦的杂质分布§4注入相关工艺多次注入工艺——可以形成平坦的杂质分布34倾斜角度注入——形成浅结01020304050607080离子束掩蔽层掩蔽层衬底阴影区θ60keVAs→Si深度nm相对浓度0°45°70°86°倾斜角度注入——形成浅结01035注入阴影效应光刻胶无倾斜的机械扫描粒子束正常倾斜的静电扫描光刻胶粒子束注入阴影效应光刻胶无倾斜的机械扫描粒子束正常倾斜的静电扫描光36高能量与大电流注入高能量注入：使用能量高达1.5~5MeV的离子束。可以制作低电阻埋层。大电流注入：使用离子束电流为10~20毫安的离子束，离子能量在工作在25~30keV范围。作用：1扩散中的预淀积；2阈值电压调整高能量与大电流注入高能量注入：使用能量高达1.5~5MeV的37阈值电压调整注入阈值电压调整注入38第七章离子注入第七章离子注入39§1概述离子注入: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1keV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘层的1018/cm2。§1概述离子注入:是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底40低掺杂浓度(n–,p–)和浅结深(xj)Mask掩蔽层硅衬底xj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机高掺杂浓度(n+,p+)和深结深(xj)束扫描高能大剂量慢速扫描MaskMask硅衬底xj离子注入机低掺杂浓度(n–,p–)Mask掩蔽层41离子注入机离子注入机42基本工艺过程离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘基本工艺过程离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件43离子源和吸极装配离子源和吸极装配44Bernas离子源装配图Bernas离子源装配图45分析磁体分析磁体46加速管加速管47中性束流阱中性束流阱48静电离子束扫描静电离子束扫描49+++++++++++++++++++++++++具有空间电荷中和地粒子束剖面+++++++++++++++++++++++++粒子束膨胀剖面掺杂离子二次电子空间电荷中和+++++++++++++++++++++++++具有空间电50离子注入的优点1. 精确控制杂质含量；2. 很好的杂质均匀性；3. 对杂质穿透深度有很好的控制；4. 产生单一粒子束；5. 低温工艺；6. 注入的离子能穿过掩蔽膜；7. 无固溶度极限。离子注入的优点1. 精确控制杂质含量；51§2离子分布射程R：一个离子在停止前所经过的总距离投影射程Rp：射程在入射方向的投影。投影偏差σp

：投影射程的统计涨落。横向偏差σ⊥

：入射轴垂直方向上的统计涨落§2离子分布射程R：一个离子在停止前所经过的总距离投影射52轴向分布函数轴向和横向都服从高斯分布轴向分布函数轴向和横向都服从高斯分布53As、B和P在Si和SiO2中的投影射程As、B和P在Si和SiO2中的投影射程54As、B和P在Si和SiO2中的投影偏差和横向偏差As、B和P在Si和SiO2中的投影偏差和横向偏差55H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影射程H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影射程56H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影偏差和横向偏差H、Zn、Se、Cd和Te在GaAs中的投影偏差和横向偏差57离子驻留机制核阻止机制：离子通过和靶核碰撞，损失能量并发生偏转，同时也可能使靶核移位。核阻止本领离子驻留机制核阻止机制：离子通过和靶核碰撞，损失能量并发生偏58电子阻止机制：入射离子和靶内的电子云通过库伦相互作用以及碰撞而损失能量，电子被激发甚至电离。电子阻止本领离子能量随距离的平均损耗可由上述两种阻止机制的叠加而得：电子阻止机制：入射离子和靶内的电子云通过库伦相互作用以及碰撞59射程R为射程R为60离子沟道效应沿<110>轴的硅晶格视图离子沟道效应沿<110>轴的硅晶格视图61<111><100><110><111><100><110>62沟道效应使投影射程移位晶圆纵深方向浓度沟道穿越离子沟道效应使投影射程移位晶圆纵深方向浓度沟道穿越离子63沟道效应降低的技巧：一、覆盖一层非晶体的表面层。常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层，此层可使离子束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅晶片而不直接进入硅晶体沟道。离子注入氧化层晶格经过非晶体氧化层的注入沟道效应降低的技巧：一、覆盖一层非晶体的表面层。常用的覆盖层64二、将硅晶片偏离主平面5-10度。此方法大部分的注入机器将硅晶片倾斜7度。离子注入晶格不对准晶轴的入射二、将硅晶片偏离主平面5-10度。此方法大部分的注入机器将硅65三、先注入大量硅或锗原子以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生一个随机层，这种方法需使用昂贵的离子注入机。离子注入晶格损伤的晶格在单晶层上的预先损伤三、先注入大量硅或锗原子以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生66§3注入损伤和退火注入损伤：离子注入中，与原子核碰撞后转移足够的能量给晶格，使基质原子离开晶格位置，这些离位的原子可能获得入射能量的大部分，接着如骨牌效应导致邻近原子的相继移位而形成一个沿着离子路径的树枝状的无序区，这种现象叫注入损伤。§3注入损伤和退火注入损伤：离子注入中，与原子核碰撞后转67第7章-离子注入课件68退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。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，产生自由载流子，起到杂质的作用。消除损伤传统炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进69硼和磷的退火特性硼和磷的退火特性70传统退火炉使用类似热氧化的整批式开放炉管系统。需要长时间和高温