半导体制造工艺-离子注入上

有关扩散方面的主要内容费克第二定律的运用和特殊解特征扩散长度的物理含义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扩散掺杂方法常用扩散掺杂层的质量测量DistributionaccordingtoerrorfunctionDistributionaccordingtoGaussianfunction1实际工艺中二步扩散第一步为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition）（称为预沉积或预扩散）控制掺入的杂质总量第二步为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化（称为主扩散或再分布）控制扩散深度和表面浓度2什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将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）以改变这种材料表层的物理或化学性质3离子注入特点可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018cm-2）和能量（1-400keV）来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（1%variationacrossan8’’wafer）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（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4磁分析器离子源加速管聚焦扫描系统靶rBF3：B++，B+，BF2+，F+,BF+，BF++B10B115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（IonSource）：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，射向磁分析器气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...离子源：B，

As，Ga，Ge，Sb，P，...6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，大部分不在晶格上，因而没有电活性。7注入离子如何在体内静止？LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究1963年，Lindhard,ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS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立的过程(1)核阻止（nuclearstopping）(2)电子阻止（electronicstopping）总能量损失为两者的和8核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论阻止本领（stoppingpower）：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(Sn(E),Se(E))。核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。9-dE/dx：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x处的能量Sn(E)：核阻止本领/截面(eVcm2)Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2)N:靶原子密度～51022cm-3forSiLSS理论能量E的函数能量为E的入射粒子在密度为N的靶内走过x距离后损失的能量10核阻止本领注入离子与靶靶内原子核之之间两体碰撞两粒子之间的的相互作用力力是电荷作用摘自J.F.Gibbons,Proc.IEEE,Vol.56(3),March,1968,p.295核阻止能力的的一阶近似为为：例如：磷离子子Z1=15,m1=31注注入硅Z2=14,m2=28,计算可得：Sn~550keV-mm2m——质量，Z——原子序数数下标1——离离子，下标2——靶对心碰撞，最最大能量转移移：1112电子阻止本领领把固体中的电电子看成自由由电子气，电电子的阻止就就类似于粘滞滞气体的阻力力（一阶近似似）。电子阻阻止本领和注注入离子的能能量的平方根根成正比。非局部电子阻阻止局部电子阻止止不改变入射离离子运动方向向电荷/动量交交换导致入射射离子运动方方向的改变（（<核间作用用）13总阻止本领（（Totalstoppingpower）核阻止本领在在低能量下起起主要作用（（注入分布的尾尾端）电子阻止本领领在高能量下下起主要作用用核阻止和电子阻止相等的能量14离子E2B17keVP150keVAs,Sb>500keVnnne15表面处晶格损伤较小射程终点（EOR）处晶格损伤大16R：射程（range）离子在靶内的的总路线长度度Rp：投影射程（（projectedrange）R在入射方向上上的投影Rp：标准偏差（Straggling），投影射程的平平均偏差R：横向标准偏差（Traversestraggling）,垂垂直于入射方方向平面上的的标准偏差。。射程分布：平均投影射射程Rp，标准偏差Rp，横向标准偏偏差R非晶靶中注入离子的的浓度分布17RpR高斯分布RpLog（离子浓度）离子入射z注入离子的二二维分布图18投影射程Rp:RpDRpDRRpDRpDRRpDRpDR19注入离子的浓浓度分布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近似取高斯函数形式200keV注入入元素原原子子质量Sb122As74P31B11Cp20Q：为离子注入入剂量（Dose）,单单位为ions/cm2，可以从测量量积分束流得得到由，，可以得到到：21Q可以精确控制制A为注入面积，，I为硅片背面搜搜集到的束流流（FaradyCup），t为积分时间，，q为离子所带的的电荷。例如：当A＝20×20cm2，I＝0.1mA时，而对于一般NMOS的VT调节的剂量为为：B＋1-5×1012cm-2注入时间为~30分钟对比一下：如如果采用预淀淀积扩散（1000C），表面浓浓度为固溶度度1020cm-3时，D～10-14cm2/s每秒剂量达1013/cm2I＝0.01mA～mA22常用注入离子子在不同注入入能量下的特特性平均投影射程程Rp标准偏差Rp23已知注入离子子的能量和剂剂量，估算注入离子子在靶中的浓浓度和结深深问题：140keV的的B+离子注入到直直径为150mm的硅硅靶中。注入剂量Q=5×1014/cm2（衬底浓度2×1016/cm3）1)试估算算注入离子的的投影射程，，投影射程标标准偏差、峰值浓度、、结深2)如注入入时间为1分分钟，估算所所需束流。24【解】1)从从查图或查查表得Rp=4289Å=0.43mmRp=855Å=0.086mm峰值浓度Cp=0.4Q/Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019cm-3衬底浓度CB＝2×1016cm-3xj=0.734mm2)注入的的总离子数Q＝掺杂剂量××硅片面积＝5×1014×[(15/2)2]=8.8××1016离子数I＝qQ/t＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60sec=0.23mA25注入离子的真真实分布真实分布非常常复杂，不服服从严格的高高斯分布当轻离子硼（（B）注入到到硅中，会有有较多的硼离离子受到大角角度的散射（（背散射），，会引起在峰峰值位置与表表面一侧有较较多的离子堆堆积；重离子子散射得更深深。26横向效应横向效应指的的是注入离子子在垂直于入射方方向平面内的分布情况况横向效应影响响MOS晶体体管的有效沟沟道长度。R（μm）2735keVAs注入入120keVAs注注入28注入掩蔽层———掩蔽层应应该多厚？如果要求掩膜层能完全阻挡离子xm为恰好能够完完全阻挡离子子的掩膜厚度度Rp*为离子在掩蔽蔽层中的平均均射程，DRp*为离子在掩蔽蔽层中的射程程标准偏差29解出所需的掩掩膜层厚度：：穿过掩膜层的的剂量：余误差函数30离子注入退火火后的杂质分分布DtD0t0＋Dt一个高斯分布布在退火后仍仍然是高斯分分布，其标准准偏差和峰值值浓度发生改改变。31离子注注入的的沟道道效应应沟道效效应（（Channelingeffect））当离子子沿晶晶轴方方向注注入时时，大大部分分离子子将沿沿沟道道运动动，几几乎不不会受受到原原子核核的散散射，，方向向基本本不变变，可可以走走得很很远。。32110111100倾斜旋旋转硅硅片后后的无无序方方向33浓度分分布由于沟沟道效效应的的存在在，在在晶体体中注注入将将偏离离LSS理理论在在非晶晶体中中的高高斯分分布，，浓度度分布布中出出现一一个相相当长长的““尾巴巴”产生非非晶化化的剂剂量沿<100>的的沟道道效应应34表面非非晶层层对于于沟道道效应应的作作用BoronimplantintoSiO2BoronimplantintoSi35减少沟沟道效效应的的措施施对大的的离子子，沿沿沟道道轴向向(110)偏偏离7－10o用Si，Ge，，F，，Ar等离离子注注入使使表面面预非非晶化化，形形成非非晶层层（Pre-amorphization））增加注注入剂剂量（（晶格格损失失增加加，非非晶层层形成成，沟沟道离离子减减少））表面用用SiO2层掩膜膜36典型离离子注注入参参数离子：：P，，As，Sb，，B，，In，O剂量：：1011~1018cm-2能量：：1––400keV可重复复性和和均匀匀性:±1%温度：：室温温流量：：1012-1014cm-2s-137本节课课主要要内容容LSS理论论？阻阻止能能力的的含义义？离子注注入的的杂质质分布布？退退火后后？离子注注入的的主要要特点点？掩蔽膜膜的厚厚度？？精确控控制掺掺杂，，浅结结、浅浅掺杂杂，纯纯度高高，低低温，，多种种掩模模，……非晶靶靶。能能量损损失为为两个个彼此此独立立的过过程(1)核核阻止止与(2)电电子阻阻止之之和。。能量为为E的入射射粒子子在密密度为为N的靶内内走过过x距离后后损失失的能能量。。掩膜层能完全阻挡离子的条件：389、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。20:36:4220:36:4220:3612/28/20228:36:42PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2220:36:4220:36Dec-2228-Dec-2212、故人江海别别，几度隔山山川。。20:36:4220:36:4220:36Wednesday,December28,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2220:36:4220:36:42December28,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。28十十二月20228:36:42下午午20:36:4212月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月228:36下下午午12月月-2220:36December28,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2820:36:4220:36:4228December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。8:36:42下下午8:36下下午20:36:4212月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。20:36:4220:36:4220:3612/28/20228:36:42PM11、成功就是日日复一日那一一点点小小努努力的积累。。。12月-2220:36:4220:36Dec-2228-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。20:36:4220:36:4220:36Wednesday,December28,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2220:36:4220:36:42December28,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。28十十二月20228:36:42下午午20:36:4212月-2215、楚塞三湘接接，荆门九派派通。。。十二月228:36下下午12月-2220:36December28,202216、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2022/12/2820:36:4220:36:4228December202217、空山新雨雨后，天气气晚来秋。。。8:36:42下下午8:36下下午20:36:4212月-229、杨杨柳柳散散和和风风，，青青山山澹澹吾吾虑虑。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、阅阅读读一一切切好好书书如如同同和和过过去去最最杰杰出出的的人人谈谈话话。。20:36:4220: