第五章-离子注入2009

微电子工艺学第五章离子注入IonImplantation离子注入定义定义：将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析，形成一束由所需杂质离子组成的高能离子流，打入半导体晶片内部，并通过逐点扫描完成对整块晶片的注入。 离子注入的设想始于20世纪50年代，于70年代进入实用阶段。离子注入实现MOSFET的源、漏、栅掺杂扩散掺杂各向同性，所以会有横向扩散，而离子注入是各向异性，横向扩散很小；扩散掺杂需要“硬”掩蔽膜，因为需要高温热处理；而离子注入则可用“软”掩蔽膜，因为离子注入过程中不需要高温热处理。离子注入的优缺点 与热扩散相比，有如下优点：1、工艺过程无污染；2、能获得不受固溶度限制的高浓度掺杂；3、掺杂可控；4、低温工艺；5、掩蔽膜多样化；6、横向效应小。 缺点：1、离子对晶格有损伤；2、产率低；3、设备昂贵。离子注入系统离子源质量分析加速器偏束器扫描器电透镜靶架终端分析问题离子源怎样产生？（离子产生和萃取）怎样得到所需要的离子？（质量分析）怎样控制离子束的方向、能量和束径？（离子控制）怎样检测离子束？（离子检测）离子源系统（离子是怎样产生的？）离子源系统有热电子离子源、射频离子源、微波离子源等，其目的就是产生离子，对于热电子离子源来说，其过程如下：放电腔内的灯丝发射热电子；电子与气态杂质源分子碰撞，杂质源分子分解并离子化；杂质离子被萃取和减速之后通过一个狭缝离开源室，形成离子束；热电子离子源射频离子源微波离子源硅工艺中常用的气体有：BF3，AsH3和PH3，而GaAs工艺中常用的气体是SiH4和H2。电子从灯丝被发射出来朝阴极运动，碰撞气体分子使之分解，例如：BF3可分解为B、B＋、BF2＋、F＋等。为了提高分解效率，在电子流区域加一磁场，使电子作螺旋运动，增加碰撞机率。萃取电极加上极高的负电压把正离子拉出来。减速电极与萃取电极之间有一定电位差，目的是为了把萃取出来的离子减速，提高控制性。离子萃取把杂质离子从离子腔里面拉出来；其结构主要包括：萃取电极和减速电极。通过质量分析，筛选出所需要的杂质离子，如B＋质量分析系统－离子选择质量分析的原理其中：离子质量M，磁场强度B，牵引电压Vext，离子速度v。通过加一偏场，使离子束中的中性原子分离出来，否则会在靶中心产生过量掺杂。偏束器－分离中性原子和离子束扫描系统离子束的扫描可以通过两方面实现：一是通过扫描电极实现离子束的扫描；二是通过靶的运动实现离子束的扫描。要注意靶的散热问题，采用水冷装置。要注意光刻胶掩膜的分解问题，增大光刻胶的厚度。中和系统电子流系统的目的是为了中和靶表面的正电荷，使靶不会充电，否则会造成靶内掺杂不均匀，靶放电损伤等问题。衬底充电会造成杂质分布不均匀；会造成栅氧化层击穿。栅二氧化硅的介电强度约为10MV/cm，那么对应100Å的SiO2层击穿电压为：10V，因此需要对衬底进行离子中和。终端分析探测离子束能量；探测离子束大小；探测离子流大小；工艺中需要注意的问题元素污染；尘埃污染；遮挡问题。元素污染所谓元素污染是指离子束中含有其它杂质。因为杂质离子的选择是靠m/q，所以只要m/q相同的杂质离子就不能被分离出来。例如：Mo2+与BF2+就难以分离，因为它们具有相近的m/q（49）。因此，普通钢不能用作离子腔，因为含有较多的杂质。通常使用石墨或钽离子腔。尘埃污染尘埃颗粒会挡住离子束的注入，尤其是在低能离子注入的情况下。遮挡问题衬底表面凹凸不平，导致某些地方无法被注入。解决办法：旋转靶片，从不同角度注入。在离子注入系统中，采用质量分析器来选择所需的离子。假设牵引电压是30KV，分析器半径为30cm，计算选择硅离子(质量为28)所需要的磁场。并解释为什么当离子源室真空漏气的时候，注入分布中会有N2存在？离子注入的过程从离子注入机中出来的高能离子投射到靶的表面，绝大部分离子会进入靶内。进入靶内的离子不断遭受靶原子的阻挡作用而逐步损失能量，最终能量耗尽，停止在靶内某处。注入离子在靶中的阻挡机制核阻挡机制－与晶格原子核相碰撞；－散射严重；－对晶格造成较大的破坏；电子阻挡机制－与晶格里的电子云相碰撞；－入射路线几乎不会改变，能量损失小；－对晶格几乎不会产生破坏。由于电子阻挡，离子在单位长度上损失的能量用Se表示：Se=dEe/dx；由于核阻挡，离子在单位长度上损失的能量用Sn表示：Sn=dEn/dx

；那么总能量损失S则可表示为：S＝Se+Sn而Se和Sn可以分别由LSS理论计算出来。其中ke是与离子与靶物质有关的比例常数。可以看出：电子阻挡随能量增大而增大。其中Z1、Z2和M1、M2分别是离子和靶原子的原子序数和质量。可以看出，核阻挡和能量关系不大。能量损失与离子能量的关系由左图可以看到：低能范围内，核阻挡为主，离子越重，能量损失就越大；高能范围内，电子阻挡为主，具体能量损失与入射离子的外层电子结构有关，也与离子速度有关，入射离子速度越大，电子阻挡的能量损失越大。离子注入深度离子注入靶中，其射程是一条十分曲折的路径；但在微电子工艺中，所关注的是射程在靶片法线方向上的投影长度，叫投影射程Rp；△Rp则是投影射程的标准偏差，反应了射程的分散宽度，也就是离子主要分布在Rp±△Rp范围内。离子越小，能量越大，射程越远；靶原子量越大，射程越短。硅中常用杂质的投影射程和标准偏差与能量关系注入离子的浓度分布（可用高斯分布来进行模拟）例如可用：标准高斯分布；半高斯分布，但对硼是用皮尔逊（Pearson-Ⅳ）分布。其方法是先假定一个几率分布函数，然后通过实验结果确定函数中的某些参数。这是一种工程方法。在无定形靶中，杂质的浓度分布可以由高斯函数给出：假设向直径200mm的硅晶片注入能量为100KeV的硼离子，注入剂量为5×1014离子数/cm2。求峰值浓度。如果注入在1分钟内完成，求离子束电流。峰值浓度在哪里？离子束电流＝q×离子总数/时间沟道效应：当注入离子方向平行于主晶轴的时候，会出现沟道效应，沟道内核阻作用很小，电子云密度低，因此离子会沿沟道先进很长距离。减弱沟道效应的措施：－提高样品温度；－注入方向偏离主晶轴7°－10°；－靶表面淀积非晶层；－预注入，破坏靶表面晶格结构；问题：为什么不采用沟道效应来进行深掺杂？因为离子束很难做与晶轴严格平行，所以大部分离子开始于核碰撞，只是小部分离子会沿沟道运动。30KeV，1012cm-2的B11注入到硅中，假设是高斯分布

(a)注入分布峰值的深度是多少？

(b)峰值浓度是多少？

(c)3000埃深处的浓度是多少？

(d)尽管分布与(a)、(b)的答案相符，但是发现测量浓度比(c)预计的浓度大一个量级，试给出解释(假定测量值是正确的)。注入损伤：注入离子将晶格原子撞离晶格位置，同时部分移位的晶格原子有足够的能量与其它晶格原子相撞并产生移位，结果产生大量的晶格损伤。重离子注入之后会产生剧烈的核碰撞，并由此引起级联碰撞，因损伤区域要大。相比之下，轻离子在注入初始阶段是电子阻挡为主，能量逐渐减少到核碰撞，损伤区域比较小。注入损伤造成的晶格缺陷包括：点缺陷：空位、间隙原子、替位杂质原子等；复合缺陷：双空位等高次空位，空位与杂质组成复合缺陷，位错，层错等。注入损伤与注入剂量几乎成正比增加，当剂量达到“临界剂量”时，注入层由单晶变成非晶结构。注入损伤的修复注入损伤的修复一般采用热退火方式，典型的退火方式是将注入后的样品置入真空或保护气氛中，加热到适当温度并保温一段时间。其作用如下：消除由注入所产生的晶格损伤，恢复少子寿命和载流子迁移率；使注入离子处于正常的晶格位置上，起施主和受主作用。退火机理无定形注入层：是通过固相外延使位移原子重构，杂质离子也在再结晶的过程中运动到晶格位置而具有电活性。非无定形注入层：是通过原子的热振动和移位来进行的，本质上是通过缺陷的扩散来完成的。无定形注入损伤的退火修复问题：热退火会不会造成注入离子的再扩散？答案是肯定的，因此为了避免退火造成注入离子的再扩散，要采用快速热退火，即在很短的时间内使注入层达到很高的温度，从而达到消除晶格损伤和激活杂质的作用，同时减少注入杂质分布的偏离。离子注入形成浅结随着微电子器件特征尺寸的减小，必须降低结的深度。形成P+N结比形成N+P更为困难，因为硼的扩散速率较大。硼很轻，因此注入投影射程深。解决的办法有：降低注入能量；采用分子注入（BF2）。沟道效应。解决办法有：采用Si、Ge预注入使硅表面非晶化。瞬态退火效应。注入损伤产生高浓度的自填隙硅原子，这些自填隙硅原子把硼原子挤入间隙位置中，使其快速扩散。解决办法：降低退火温度和退火时间。微