掺杂技术离子注入

掺杂技术离子注入第1页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子注入概述最早应用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半导体制造领域第2页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子注入离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为“靶”）而实现掺杂。…第3页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。

离子束的用途掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量E：

E<10

KeV

，刻蚀、镀膜

E=10~50

KeV，曝光

E>50

KeV，注入掺杂离子束的性质第4页，共96页，2023年，2月20日，星期五

离子束加工方式可分为

1、掩模方式（投影方式）

2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（FIB）方式）第5页，共96页，2023年，2月20日，星期五掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是SiO2膜，而离子注入的掩蔽膜可以是SiO2膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。

掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是

生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是

需要制作掩蔽膜。1、掩模方式（投影方式）第6页，共96页，2023年，2月20日，星期五聚焦方式的优点是

不需掩模，图形形成灵活。缺点是

生产效率低，设备复杂，控制复杂。实现聚焦方式的关键技术是1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源；2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。2、聚焦方式（扫描方式)第7页，共96页，2023年，2月20日，星期五7.1离子注入系统

离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。

质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量比，因而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。

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。

中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。第8页，共96页，2023年，2月20日，星期五聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：用来实现离子束x、y

方向的一定面积内进行扫描。工作室：放置样品的地方，其位置可调。第9页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子注入系统示意图第10页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子注入系统事物图第11页，共96页，2023年，2月20日，星期五

一、离子源作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为100

m，亮度为

10~100

A/cm2.sr。聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS的典型有效源尺寸为

5~500

nm，亮度为

106

~107

A/cm2.sr。第12页，共96页，2023年，2月20日，星期五1、等离子体型离子源这里的

等离子体

是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。第13页，共96页，2023年，2月20日，星期五第14页，共96页，2023年，2月20日，星期五2、液态金属离子源（LMIS）

LMIS是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。第15页，共96页，2023年，2月20日，星期五

LMIS的类型、结构和发射机理针形V形螺旋形同轴形毛细管形液态金属钨针类型第16页，共96页，2023年，2月20日，星期五

对液态金属的要求(1)与容器及钨针不发生任何反应；(2)能与钨针充分均匀地浸润；(3)具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。能同时满足以上条件的金属只有Ga、In、Au、Sn等少数几种，其中Ga是最常用的一种。第17页，共96页，2023年，2月20日，星期五E1是主高压，即离子束的加速电压；E2是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E3是加热器电源。E1E2E3针尖的曲率半径为ro

=1~5m，改变E2

可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径仅有

10

nm

的数量级，这就是LMIS能产生小束斑离子束的关键。引出极第18页，共96页，2023年，2月20日，星期五当E2增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（Ga

的场蒸发值为

15.2V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。若改变E2的极性，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。E1E2E3引出极第19页，共96页，2023年，2月20日，星期五

共晶合金LMIS通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体LMIS。根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。第20页，共96页，2023年，2月20日，星期五例如，金和硅的熔点分别为

1063oC和

1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为

10-3Torr

和

10-1Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为

370oC，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为

10-19Torr

和

10-22Torr。这就满足了LMIS的要求。对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。第21页，共96页，2023年，2月20日，星期五

二、质量分析系统1、质量分析器由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E与B的方向相互垂直。O光阑第22页，共96页，2023年，2月20日，星期五O光阑第23页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的

荷质比qo

为对于某种荷质比为qo

的所需离子，可通过调节偏转电压

Vf或偏转磁场B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。通常是调节Vf

而不是调节B。第24页，共96页，2023年，2月20日，星期五当荷质比为qo

的离子不被偏转时，具有荷质比为qs

=q/ms的其它离子的偏转量

Db

为O光阑第25页，共96页，2023年，2月20日，星期五将前面的B的表达式代入Db，得第26页，共96页，2023年，2月20日，星期五

讨论(1)为屏蔽荷质比为qs的离子，光阑半径D必须满足(2)若D固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，以上各式可用于评价质量分析器的分辨本领。第27页，共96页，2023年，2月20日，星期五2、磁质量分析器光阑1光阑2为向心力，使离子作圆周运动，半径为第28页，共96页，2023年，2月20日，星期五从上式可知，满足荷质比的离子可通过光阑

2。或者对于给定的具有荷质比为qo的离子，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，另外，若固定r和Va

，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。其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的。第29页，共96页，2023年，2月20日，星期五

两种质量分析器的比较在质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。第30页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。7.2平均投影射程第31页，共96页，2023年，2月20日，星期五

射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程。平均射程：射程的平均值，记为

R。投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为xp。

平均投影射程：投影射程的平均值，记为RP。

标准偏差：第32页，共96页，2023年，2月20日，星期五

平均投影射程与初始能量的关系

由此可得平均投影射程为入射离子能量损失的原因是受到

核阻挡

与

电子阻挡。核阻挡电子阻挡一个入射离子在dx射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为第33页，共96页，2023年，2月20日，星期五

Se的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。

Sn的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果。Sn=Se

第34页，共96页，2023年，2月20日，星期五(2)当E0远大于E2所对应的能量值时，Sn

<Se，以电子阻挡为主，此时散射角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。(1)当入射离子的初始能量E0小于E2所对应的能量值时，Sn>Se，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。第35页，共96页，2023年，2月20日，星期五在实际工作中，平均投影射程RP(Å)及标准偏差RP(Å)与注入能量(KeV)的关系可从下图（下表）查到。

第36页，共96页，2023年，2月20日，星期五入射能量注入硅中的离子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177RP276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256RP90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991RP345981102122143161180198第37页，共96页，2023年，2月20日，星期五7.3离子注入的特点1.特点可以独立控制杂质分布（离子能量）和杂质浓度（离子流密度和注入时间）各向异性掺杂容易获得高浓度掺杂（特别是：重杂质原子，如P和As等）。第38页，共96页，2023年，2月20日，星期五2.离子注入与扩散的比较扩散离子注入第39页，共96页，2023年，2月20日，星期五扩散离子注入高温，硬掩膜900－1200℃低温，光刻胶掩膜室温或低于400℃各向同性各向异性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度2.注入与扩散的比较第40页，共96页，2023年，2月20日，星期五3.离子注入控制离子束流密度和注入时间控制杂质浓度（注入离子剂量）离子能量控制结深杂质分布各向异性第41页，共96页，2023年，2月20日，星期五4.阻止机制典型离子能量：5～500keV离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞第42页，共96页，2023年，2月20日，星期五核阻止–与晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（离子与靶原子质量同数量级）–可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）.电子阻止

–与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞–注入离子路径基本不变–能量损失很少–晶格损伤可以忽略4.阻止机制两种阻止机制第43页，共96页，2023年，2月20日，星期五4.阻止机制总的阻止本领：Stotal=Sn+Se•Sn:核阻止,Se:电子阻止低能区：核阻止本领占主要中能区：两者同等重要高能区：电子阻止本领占主要固体中的电子可以看为电子气，电子阻止类似于黏滞气体的阻力，电子阻止本领与注入离子速度成正比；空气阻力与速度的平方成正比第44页，共96页，2023年，2月20日，星期五4.阻止机制背散射沟道自由碰撞第45页，共96页，2023年，2月20日，星期五阻止本领与离子速度阻止本领核阻止电子阻止离子速度第46页，共96页，2023年，2月20日，星期五注入离子分布RP：投影射程，射程的平均值第47页，共96页，2023年，2月20日，星期五阻挡200keV离子束的阻挡层厚度典型能量：5～500KeV掩膜厚度第48页，共96页，2023年，2月20日，星期五5.注入过程:注入通道•如果入射角度恰好，离子能够在不和晶格原子碰撞的情况下运动很远距离•会引起不可控的杂质分布大量碰撞很少碰撞第49页，共96页，2023年，2月20日，星期五6.沟道效应沟道中核阻止很小，电子密度也很低第50页，共96页，2023年，2月20日，星期五碰撞后引起的沟道效应第51页，共96页，2023年，2月20日，星期五碰撞后形成的沟道效应碰撞引起沟道引起碰撞引起第52页，共96页，2023年，2月20日，星期五注入过程:沟道效应•避免沟道效应的方法–倾斜圆片,7°最常用–屏蔽氧化层（无定形）–注入前预先无定型处理•阴影效应–离子受到掩膜结构阻挡•旋转圆片和注入后扩散第53页，共96页，2023年，2月20日，星期五7.阴影效应粒子束第54页，共96页，2023年，2月20日，星期五阴影效应消除第55页，共96页，2023年，2月20日，星期五问题为什么不利用沟道效应在离子能量不高的情况产生深结？第56页，共96页，2023年，2月20日，星期五答案离子束不是完美地平行。许多离子注入衬底后会发生许多次核碰撞，只要少数一些会进入很深的距离。第57页，共96页，2023年，2月20日，星期五7.4注入损伤注入离子将能量转移给晶格原子

–产生自由原子（间隙原子－空位缺陷对）自由原子与其它晶格原子碰撞

–使更多的晶格原子成为自由原子

–直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移第58页，共96页，2023年，2月20日，星期五一个离子引起的晶格损伤轻离子重离子第59页，共96页，2023年，2月20日，星期五注入损伤过程离子与晶格原子碰撞，使其脱离晶格格点衬底注入区变为无定型结构注入前注入后第60页，共96页，2023年，2月20日，星期五7.5退火的作用杂质原子必须处于单晶结构中并与四个Si原子形成共价键才能被激活，donor(N-type)或acceptor(P-type)高温热能帮助无定型原子恢复单晶结构第61页，共96页，2023年，2月20日，星期五热退火晶格原子杂质原子第62页，共96页，2023年，2月20日，星期五热退火晶格原子杂质原子第63页，共96页，2023年，2月20日，星期五热退火晶格原子杂质原子第64页，共96页，2023年，2月20日，星期五热退火晶格原子杂质原子第65页，共96页，2023年，2月20日，星期五退火前后的比较退火前退火后第66页，共96页，2023年，2月20日，星期五快速热退火(RTA)高温下,退火超越扩散RTA(RTP)广泛用于注入后退火RTA很快(小于1分钟),更好的片间（WTW）均匀性,最小化杂质扩散第67页，共96页，2023年，2月20日，星期五RTA和炉退火RTP退火炉退火第68页，共96页，2023年，2月20日，星期五问题高温炉的温度为什么不能象RTA系统那样快速升温和降温？第69页，共96页，2023年，2月20日，星期五答案高温炉有很大的热容积，需要很高的加热功率去获得快速升温。很难避免快速升温时大的温度摆动（温度过冲和下冲）第70页，共96页，2023年，2月20日，星期五7.6注入工艺第71页，共96页，2023年，2月20日，星期五粒子束路径第72页，共96页，2023年，2月20日，星期五离子注入:PlasmaFloodingSystem•离子引起晶圆表面充电•晶圆表面充电引起非均匀掺杂和弧形缺陷•电子注入离子束中，中和晶圆表面电荷•热钨灯丝发射的热电子产生Ar等离子体（Ar+和电子）第73页，共96页，2023年，2月20日，星期五7.7晶圆表面充电注入离子使晶圆表面带正电排斥正离子，引起离子束弯曲，造成不均匀杂质分布电弧放电引起晶圆表面损伤使栅氧化层击穿，降低工艺成品率需要消除和减弱充电效应第74页，共96页，2023年，2月20日，星期五充电效应离子轨道第75页，共96页，2023年，2月20日，星期五电荷中和系统需要提供电子中和正离子；Plasmafloodingsystem电子枪电子喷头第76页，共96页，2023年，2月20日，星期五PlasmaFloodingSystem第77页，共96页，2023年，2月20日，星期五WaferHandlingIonbeamdiameter:~25mm(~1”),Waferdiameter:200mm(8”)orlargerNeedstomovebeamorwafer,orboth,toscanionbeamacrossthewholewafer–Spinwheel–Spindisk–Singlewaferscan第78页，共96页，2023年，2月20日，星期五SpinWheel第79页，共96页，2023年，2月20日，星期五SpinDisk第80页，共96页，2023年，2月20日，星期五SingleWaferScanningSystem第81页，共96页，2023年，2月20日，星期五IonImplantation:EndAnalyzerFaradaychargedetectorUsedtocalibratebeamcurrent,energyandprofile第82页，共96页，2023年，2月20日，星期五IonImplantation:TheProcessCMOSapplicationsCMOSionimplantationrequirementsImplantationprocessevaluations第83页，共96页，2023年，2月20日，星期五ImplantationProcess:WellImplantation第84页，共96页，2023年，2月20日，星期五ImplantationProcess:VTAdjustImplantationLowEnergy,LowCurrent第85页，共96页，2023年，2月20日，星期五LightlyDopedDrain(LDD)ImplantationLowenergy(10keV),lowcurrent(1013/cm2)第86页，共96页，2023年，2月20日，星期五ImplantationProcess:S/DImplantationLowenergy(20keV),highcurrent(>1015/cm2)第87页，共96页，2023年，2月20日，星期五I