IC工艺技术5-离子注入

IC工艺技术5-离子注入第一页，共67页。引言半导体工艺中应用的离子注入是将高能量的杂质离子导入到半导体晶体，以改变半导体，尤其是表面层的电学性质．注入一般在50-500kev能量下进行第二页，共67页。离子注入的优点注入杂质不受材料溶解度，扩散系数，化学结合力的限制，原则上对各种材料都可掺杂可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺杂量和深度较小的恒向扩散掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达1%纯度高，不受所用化学品纯度影响可在较低温度下掺杂第三页，共67页。目录射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟第四页，共67页。射程入射离子在非晶靶内的射程非晶靶射程，投影射程入射方向RpR 第五页，共67页。LSS理论单个入射离子在单位距离上的能量损失-dE/dx=N[Sn(E)+Se(E)]其中：Sn(E)原子核阻止本领Se(E)电子阻止本领N单位体积靶原子平均数R=oRdx＝（1/N）oEodE/〔Sn(E)＋Se(E)〕第六页，共67页。LSS理论－核阻止本领和弹性碰撞M1EoM2M2M1V1’V2’入射粒子最大转移能量1/2M2v22=4M1M2Eo/(M1+M2)2第七页，共67页。核阻止本领粗略近似计算核阻止本领Sno=2.8x10-15(Z1Z2/Z1/3)M1/(M1+M2)（ev-cm2)其中Z2/3=Z12/3+Z22/3低能时S=Sno（Se=0）R=0.7

[(Z12/3+Z22/3)1/2/Z1Z2](M1+M2)/M1EoRp=R/(1+M2/3M1)

Rp=(2/3)(M1M2)1/2Rp

/(M1+M2)第八页，共67页。LSS理论－电子阻止本领电子阻止本领：入射离子和靶原子周围电子云的相互作用。离子和电子碰撞失去能量，电子激发或电离。电子阻止本领与入射离子的速度成正比

Sn(E)=keE1/2其中ke值为107(eV)1/2/cm第九页，共67页。两种能量损失示意图SnSeE1E2E3E-dE/dx低能区<E1中能区E2高能区>>E2第十页，共67页。常见硅中杂质的能量损失第十一页，共67页。磷砷锑投影射程第十二页，共67页。硼投影射程第十三页，共67页。SiO2中投影射程第十四页，共67页。光刻胶中投影射程第十五页，共67页。入射粒子在非晶靶中浓度分布第十六页，共67页。高斯分布几率P(x,E)=1/(2)1/2Rpexp-[(x-Rp)2/2Rp2]二个参量,可查表入射粒子剂量为D(atm/cm2),浓度分布N(x)=D/(2)1/2Rpexp-[(x-Rp)2/2Rp2]第十七页，共67页。高斯分布特点和应用1)x=Rp处NmaxNmax=D/

(2)1/2Rp=0.4D/

Rp2)平均投影射程二边对称，离Rp下降快N/Nmax

10-110-210-310-410-510-6

x-Rp±2Rp±3Rp±3.7Rp±4.3Rp±4.8Rp±5.3Rp3)求结深若衬底浓度下降到Nmax相差二个数量级时xj~Rp±3Rp第十八页，共67页。高斯分布特点和应用4)求掩蔽层厚度一般认为穿过掩蔽层到达衬底的离子数降到入射离子总数的0.01%时，该掩蔽层能起阻挡作用,此时应选tmSiO2或胶SiTm>=Rp±4Rp第十九页，共67页。双高斯分布N1(x)N2(x)RmN(x)x<RmN(x)=D/(2)1/2(Rp1+Rp2)exp-[(x-Rm)2/2Rp12]X>RmN(x)=D/(2)1/2(Rp1+Rp2)exp-[(x-Rm)2/2Rp22]三个参量Rm，Rp1，

Rp2第二十页，共67页。Pearson-IV分布有四个参量2,

1,Rp,

RpN(y)=Noexp[f(y)]f(y)=1/2b2ln[bo+b1xn+b2xn2]-(b1/b2+2a)/(4b2bo-b12)1/2tg-1[2b2xn+b1/(4b2bo-b12)1/2]xn=(y-Rp)/Rpa=-1(2+3)/Abo=-(42-312)/Ab1=ab2=-(22-312-6)/AA=102-1212-18第二十一页，共67页。硼离子注入分布第二十二页，共67页。横向分布-a+ayN(y)第二十三页，共67页。横向分布等浓度线50kev100kev150kevP+P-SiN(x,y,z)=N(x)=D/(2)1/2Rpexp{[-(x-Rp)2/2Rp2][()1/2erfc((y-a)/(21/2Rt))]}第二十四页，共67页。目录射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟第二十五页，共67页。沟道效应

－单晶靶中的射程分布第二十六页，共67页。沟道效应

－单晶靶中的射程分布临界角cA大于c入射C小于cB稍小于cc＝（2Z1Z2e2/Ed)1/2

50kevc2.9°-5.2°

第二十七页，共67页。能量对沟道效应影响1E41E31E51E2计数0.20.40.60.81.0深度umP32(110)Si12kev40kev100kev第二十八页，共67页。剂量对沟道效应影响1E41E31E21E17E14/cm29E13/cm2<1E13/cm20.40.81.21.6umP32(110)Si第二十九页，共67页。取向对沟道效应影响1E41E31E21E10.20.40.60.81.0深度（um）P32(110)Si40kev准直偏2°偏8°第三十页，共67页。温度对沟道效应影响室温400°C1E41E31E21E10.20.40.60.81.0深度（um)计数P32(110)Si40kev第三十一页，共67页。目录射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟第三十二页，共67页。离子注入损伤－过程高能离子与晶格原子核碰撞，能量传递给晶格原子－晶格原子离开晶格位置－移位原子有足够能量与其他衬底原子碰撞－产生额外移位原子－在入射离子路径周围产生大量缺陷（空位和间隙原子）－形成衬底损伤区第三十三页，共67页。离子注入损伤轻离子（B）重离子（As)损伤区Rp畸变团第三十四页，共67页。离子注入损伤－临界剂量损伤随剂量增加而增加，达到损伤完全形成（非晶层，长程有序破坏）时的剂量称临界剂量th注入离子质量小－th大注入温度高－th大注入剂量率高，缺陷产生率高－th小第三十五页，共67页。离子注入损伤－临界剂量th(cm-2)10141015101610172468101000/T(K)BPSb第三十六页，共67页。损伤的去除－退火损伤对电特性影响*注入杂质不在替代位置－载流子浓度低*晶格缺陷多－散设中心多－载流子迁移率低，寿命低－pn结漏电退火的作用*高温下原子发生振动，重新定位或发生再结晶（固相外延），使晶格损伤恢复*杂质原子从间隙状态转变为替位状态，成为受主或施主中心－电激活第三十七页，共67页。退火效应－硼第三十八页，共67页。退火效应－硼，磷，砷比较456789x100C1e155e151e145e14载流子浓度(cm-3)B+P+As+B+100kevP+200kevAs+80kev1x1015/cm3退火温度第三十九页，共67页。退火温度－和剂量的关系退火温度－退火30min，有90%掺杂原子被激活的温度1013101410151016剂量（cm-2）BPTa=30’退火温度(Cº)6007008009001000500第四十页，共67页。快速热退火(RTA)第四十一页，共67页。退火技术比较传统炉管RTA工艺整批单片炉管热壁冷壁加热率低高温控炉管硅片热预算高低颗粒多少均匀，重复性高低产率高低第四十二页，共67页。目录射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟第四十三页，共67页。离子注入机按能量分低能<100kev中能100-300kev高能>300kev按束流分弱流uA中束流100uA-1mA大束流mANV-6200A350D(200kev,1mA)1080(80kev,10mA)10160(160kev,10mA)第四十四页，共67页。离子注入机结构第四十五页，共67页。离子注入机结构离子源分析系统加速系统聚焦扫描靶室电源真空冷却控制测量第四十六页，共67页。离子源离子种类能产生多种元素的离子束束流强度决定生产效率束流品质寿命气体利用效率束流/耗气量功率利用效率束流/功耗第四十七页，共67页。离子源电子碰撞型离子源气体供给系固体蒸发源第四十八页，共67页。离子源第四十九页，共67页。离子源Gas放电腔磁铁吸极灯丝第五十页，共67页。注入材料形态选择材料气态固态硼BF3-磷PH3红磷砷AsH3固态砷，As2O3锑－Sb2O3第五十一页，共67页。质量分析系统带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力F=qVxB粒子作圆周运动，半径为R=mv/qB=(2mE)1/2/qB第五十二页，共67页。质量分析系统第五十三页，共67页。加速聚焦系统静电加速管E=ZVV加速电压聚焦透镜yx－Va＋Va＋＋－－aV(x,y)=1/2(x2-y2)第五十四页，共67页。扫描系统扫描是为了保证注入均匀性扫描方式电扫描样品固定，电子束扫描机械扫描束流固定，样品运动混合扫描x向电扫描，样品运动第五十五页，共67页。扫描系统第五十六页，共67页。电扫描偏转DzyvlLdD=VlL/2vd偏转电压V第五十七页，共67页。电扫描三角波和锯齿波过扫描扫描频率快扫描频率(x)不等于慢扫描频率(y)的整数倍第五十八页，共67页。目录射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟第五十九页，共67页。离子注入的应用双极IC埋层，隔离，基区，高电阻，浅发射区CMOSIC阱，Vt调节，场区，浅源漏结，LDD结构第六十页，共67页。离子注入的应用(SOI)SIMOX（SeparationbyImplantationofOxygen)形成SOI结构能量150-200kev,剂量1~2x1018/cm2,Rp0,1~0.2umSiO2厚度