离子注入 课件

离子注入高能离子轰击(氩离子为例) 1、离子反射(能量很小) 2、离子吸附(<10eV) 3、溅射(0、5keV~5keV) 4、离子注入(>10keV)

离子注入就是继扩散之后得第二种掺杂技术,就是现代先进得集成电路制造工艺中非常重要得技术。有些特殊得掺杂(如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等)扩散就是无法实现得,而离子注入却能胜任。离子注入系统

离子注入得优点:1、精确地控制掺杂浓度和掺杂深度

离子注入层得深度依赖于离子能量、杂质浓度依赖于离子剂量,可以独立地调整能量和剂量,精确地控制掺杂层得深度和浓度,工艺自由度大。

2、可以获得任意得杂质浓度分布

由于离子注入得浓度峰在体内,所以基于第1点采用多次叠加注入,可以获得任意形状得杂质分布,增大了设计得灵活性。离子注入得优点:3、杂质浓度均匀性、重复性好

用扫描得方法控制杂质浓度均匀性。4、掺杂温度低

注入可在125℃以下得温度进行,允许使用不同得注入阻挡层(如光刻胶)增加了工艺得灵活性。

离子注入得优点:

5、沾污少

质量分离技术产生没有沾污得纯离子束,减少了由于杂质源纯度低带来得沾污,另外低温工艺也减少了掺杂沾污。6、横向扩散小 离子注入具有高度得方向性,虽然散射会引起一定横向杂质分布,但横向尺度远小于扩散。离子注入得缺点:1、高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤 使用二氧化硅注入缓冲层 高温退火修复损伤2、注入设备复杂昂贵8、2离子注入参数注入剂量φ注入剂量φ就是样品表面单位面积注入得离子总数。单位:离子每平方厘米其中I为束流,单位就是安培t为注入时间,单位就是秒q为电子电荷,等于1、6×10－19库仑n为每个离子得电荷数A为注入面积,单位为cm2—束斑注入能量离子注入得能量用电子电荷与电势差得乘积来表示。单位:千电子伏特KEV带有一个正电荷得离子在电势差为100KV得电场运动,她得能量为100KEV射程、投影射程具有一定能量得离子入射靶中,与靶原子和电子发生一系列碰撞(即受到了核阻止和电子阻止)进行能量得交换,最后损失了全部能量停止在相应得位置,离子由进入到停止所走过得总距离,称为射程用R表示。这一距离在入射方向上得投影称为投影射程Rp。投影射程也就是停止点与靶表面得垂直距离。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点投影射程示意图

第i个离子在靶中得射程Ri和投影射程Rpi平均投影射程

离子束中得各个离子虽然能量相等但每个离子与靶原子和电子得碰撞次数和能量损失都就是随机得,使得能量完全相同得同种离子在靶中得投影射程也不等,存在一个统计分布。离子得平均投影射程RP为

其中N为入射离子总数,RPi为第i个离子得投影射程离子投影射程得平均标准偏差△RP为其中N为入射离子总数Rp为平均投影射程Rpi为第i个离子得投影射程离子注入浓度分布

LSS理论描述了注入离子在无定形靶中得浓度分布为高斯分布其方程为

其中φ为注入剂量

χ为离样品表面得深度

Rp为平均投影射程△Rp为投影射程得平均标准偏差离子注入得浓度分布曲线离子注入浓度分布得最大浓度Nmax从上式可知,注入离子得剂量φ越大,浓度峰值越高从浓度分布图看出,最大浓度位置在样品内得平均投影射程处离子注入结深Xj其中NB为衬底浓度RP和△RP得计算很复杂,有表可以查用

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872

RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279

RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005

RP5999136172207241275308341(一)各种离子在Si中得Rp和△Rp值(Å)(二)各种离子在光刻胶中得Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007

RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675

RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015

RP126207286349415480543606667(三)各种离子在SiO2中得Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172

RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859

RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823

RP437299125151176201226251(四)各种离子在Si3N4中得Rp和△Rp值(Å)

入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994

RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437

RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637

RP33567797118137157176195例题:1、已知某台离子注入机得束斑为2、0cm2、束流为2、0mA、注入时间为16ms,试计算硼离子(B+)注入剂量。(注:电子电荷q=1、6×10－19库仑)

2、在N型〈111〉衬底硅片上,进行硼离子注入,形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1015cm-3,注入能量:60KEV,注入剂量:5、0E14,试计算硼离子注入分布得最大掺杂浓度Nmax和注入结深。1、已知某台离子注入机得束斑为2、0cm2、束流为2、0mA、注入时间为16ms,试计算硼离子(B+)注入剂量。(注:电子电荷q=1、6×10－19库仑)

2、在N型〈111〉衬底硅片上,进行硼离子注入,形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1015cm-3,注入能量:60KEV,注入剂量:5、0E14,试计算硼离子注入分布得最大掺杂浓度Nmax和注入结深。8、3离子注入效应1、沟道效应2、注入损伤3、离子注入退火沟道效应

当注入离子未与硅原子碰撞减速,而就是穿透了晶格间隙时(见下图)就发生了沟道效应。

沿<110>晶向得硅晶格视图控制沟道效应得方法1、倾斜硅片:保证很短距离发生碰撞 常用方法,一般MOS工艺倾斜7o 阴影效应、横向掺杂、超浅结注入不起作用2、缓冲氧化层:离子通过氧化层后,方向随机。 可同时减小离子注入损伤 产生不需要得氧注入 有效性与厚度、注入能量、方向、杂质种类相关控制沟道效应得方法3、硅预非晶化:高能Si注入提前破坏晶格结构 低能量(1KEV)浅注入应用非常有效4、使用质量较大得原子:形成非晶层注入损伤

高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤

(a)轻离子损伤情况(b)重离子损伤情况离子注入退火工艺目得:消除晶格损伤,并且使注入得杂质转入替位位置从而实现电激活。1、高温炉退火通常得退火温度:＞950℃,时间:30分钟左右缺点:高温会导致杂质得再分布。2、快速热退火

采用RTP,在较短得时间(10－3～10－2秒)内完成退火。

优点:杂质浓度分布基本不发生变化4、4离子注入得应用在先进得CMOS工艺中,离子注入得应用:1、深埋层注入2、倒掺杂阱注入3、穿通阻挡层注入4、阈值电压调整注入5、轻掺杂漏区(LDD)注入6、源漏注入7、多晶硅栅掺杂注入8、沟槽电容器注入9、超浅结注入10、绝缘体上得硅(SOI)中得氧注入闩锁效应(Latch-Up)深埋层注入高能(大于200KEV)离子注入,深埋层得作用:减小衬底横向寄生电阻,控制CMOS得闩锁效应倒掺杂阱注入高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大,倒掺杂阱改进CMOS器件得抗闩锁和穿通能力。穿通阻挡层注入作用:防止亚微米及以下得短沟道器件源漏穿通,保证源漏耐压。阈值电压调整注入NMOS阈值电压公式:QBm＝q·NB·Xdm,QBm为表面耗尽层单位面积上得电荷密度轻掺杂漏(LDD:LightlyDopedDrain)注入作用:减小最大电场,增强抗击穿和热载流子能力。源漏注入多晶硅栅掺杂注入沟槽电容器注入

LPCVD多晶硅具有非常好得台阶覆盖共形性超浅结注入:大束流低能注入作用:抑制短沟道效应绝缘体上得硅(SOI)中得氢、氧注入

SOI:IBM(2001)、AMD(130nm以下)

SOI结构SEM照片 SmartCutSiSiHOxidationHydrogenImplantationSubstrateFlipandBondingSiO2SiO2SiO2SiSubstrateCutandCMPSiO2Si SIMOX锗注入形成锗硅源漏区SiOOxygenImplantationSiHighTemperatureAnnealingSiO28、5离子注入设备离子注入机主要由以下5个部分组成

1、离子源2、引出电极(吸极)和离子分析器3、加速管4、扫描系统5、工艺室离子注入系统1、离子源离子源用于产生大量得注入正离子得部件,常用得杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。电子轰击气体原 子产生离子。

离子源2、引出电极(吸极)和离子分析器

吸极用于把离子从离子源室中引出。质量分析器磁铁分析器磁铁形成90°角,其磁场使离子得轨迹偏转成弧形。不同得离子具有不同得质量与电荷(如BF3→B＋、BF2＋等),因而在离子分析器磁场中偏转得角度不同,由此可分离出所需得杂质离子。通过调节磁场大小选择特定得离子3、加速管

加速管用来加速正离子以获得更高得速度(即动能)。

加速管离子注入能量与剂量

高能注入

线性加速器:一组电极,只有离子处于两电极之间时两电极加电压,从而只需几十kV得电压源产生可达MeV得注入能量。

低能注入

带相同电荷得离子在行进过程中互相排斥,低能注入行进时间长,离子束直径增大明显。

增大束斑、减小束流、减小离子束运动距离(甚至不用加速管)、束流减速、空间电荷中和。

中性束流陷阱

作用:在扫描注入之前再进行一次提纯,防止在行进过程中被电子中和得注入离子进入扫描注入系统,这些中性粒子将不被扫描系统偏转直接注入到硅片上影响均匀性。

方法:施加偏转电场使离子束方向偏转

4、扫描系统用于使离子束沿x、y