第四章离子注入

本章内容概述离子注入基本原理射程与注入离子的分布离子注入设备系统实际的入射离子分布问题注入损伤与退火离子注入在MOSIC中的应用概述离子注入技术是六十年代发展起来，目前在IC制造中占主导地位的一种掺杂技术基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子，并使其在电场中加速，获得一定能量后，直接轰击到半导体基片内，使之在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂的作用。一般CMOS工艺流程需6~12次离子注入典型的离子注入工艺参数：能量约5~200KeV，剂量约1011~1016/cm2，注入深度平均可达10nm~10um离子注入技术的特点杂质纯剂量均匀温度低、掩蔽方便杂质分布灵活杂质不受固溶度的限制横向扩散小适合实现化合物半导体的掺杂缺点：造成晶格损伤、设备昂贵等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。离子注入基本原理1.1离子的碰撞1）离子和核外电子的碰撞：可看成非弹性碰撞。由于离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失很少的离子能量，且是小角度散射。Se－电子阻止散射方向是随机的，多次散射的结果，离子运动方向基本不变。阻止本领：材料中注入离子的能量损失大小。而吸收离子能量的电子，将会：——使原子的外层电子脱离靶材，产生二次电子；——使原子中的电子能级发生跃迁，回落时，释放能量，放出光子而发光。电子阻止：对于轻离子、高能量条件下占主导地位2）离子与靶原子核碰撞：可看作弹性碰撞。因两者的质量往往是同一个量级，一次碰撞可以损失较多能量，且可能发生大角度散射。定义核阻止：当能量较低时，ESn当能量较高时，ESn能量损失率与离子能量的关系Sn在某个能量处有极大值，重离子、低能量时核阻止占主导地位离子注入的能量损失机制获得一定能量后的靶原子核可能离开原来的晶格位置。——若进入晶格间隙，留下空位，形成缺陷；——还可以继续碰撞另外一个原子核，使一系列核离开晶格位置，造成晶体损伤。——当剂量很高时，甚至可以使单晶硅严重损伤以至变成无定形硅。-dE/dx：能量损失梯度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Se(E)：电子阻止本领C:靶原子密度～5

1022cm-3forSi能量E的函数能量为E的入射粒子在密度为C的靶内走过x距离后损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)）和电子阻止(Se(E))所损失的能量，总能量损失为两者的和。低能区中能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略(2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要(3)高能区：Se(E)占主要地位，Sn(E)可忽略则入射离子总的能量损失为：射程R

:离子从进入靶开始到停止点所通过的总路程叫射程。投影射程xp

:射程在离子入射方向的投影长度称作投影射程。1.2几个基本概念：射程、投影射程及标准偏差射程横向分量Xt：射程在垂直于入射方向的平面内的投影长度射程、投影射程及标准偏差

平均投影射程RP：虽然入射到靶内的是同一种离子、具有的能量也相同，但是各个入射离子进入靶后所经历的碰撞过程是一个随机过程，所以各个离子的射程和投影射程不一定相同。大量入射离子投影射程的统计平均值称作平均投影射程，用RP表示。标准偏差ΔRp：各个入射离子的投影射程xp分散地分布在平均投影射程RP

周围，用标准偏差ΔRp表示xp

的分散情况。1.3注入离子的分布LSS理论：有很多科学家对于离子注入后的杂质分布做了深入的研究，其中最有名的也是最成功的是LSS理论。它是Linhard、Scharff和Schiott三人首先确立的。根据LSS射程分布的理论，离子注入非晶靶后的杂质浓度以高斯函数的形式分布ΔRp：标准偏差RP：平均投影射程xp：投影射程Cmax：峰值处的离子浓度C(xp)：表示距靶表面深度为xp处的注入离子浓度如果把杂质浓度分布公式对xp

积分，就得到单位面积的表面层中注入的总离子数，即注入剂量NS

经变换和简化后，可以得到注入剂量、标准偏差和峰值浓度之间的近似关系：深度为Rp时的离子浓度为最大值。注：注入剂量和杂质浓度的关系剂量（个数/面积）：往下看，单位面积下所有深度内有多少条鱼浓度（个数/体积）：特定区域单位体积内有多少条鱼能量（Kev）2050100120160200BRP66216082994349644325297ΔRp283504710766854921PRP2536071238149720192539ΔRp119256456528659775AsRP1593225826868981114ΔRp59118207241308374常用离子在硅中的射程等数据200kev注入离子在靶中的高斯分布图硼原子在不同入射能量对深度及浓度分布图高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好根据离子注入条件计算杂质浓度的分布已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材（衬底Si,SiO2,Si3N4等）

求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp

已知离子注入时的注入束流I，靶面积A,注入时间t

求解step2:计算离子注入剂量：求解step3：计算杂质最大浓度：

求解step4:写出杂质浓度分布公式：根据公式，可求解某深度Xj处浓度C(Xj);峰值浓度Cmax；平均浓度结深Xj：假设衬底为反型杂质，且浓度为CB，由C(Xj）=CB，可得2.离子注入设备系统离子注入三大基本要素：——离子的产生——离子的加速——离子的控制离子注入系统的三大组成部分:1）离子源——杂质离子的产生2）加速管——杂质离子的加速3）终端台——离子的控制2.离子注入设备系统离子源质量分析器加速管聚焦系统扫描部件真空系统电流积分仪注入靶室2.1离子源—产生注入离子的发生器原理：利用等离子体，在适当的低压下，把气体分子借电子的碰撞而离化，产生注入机所需的杂质离子。杂质气体（或固态源）PH3，AsH3，BF3放电室：低气压、分解离化气体BF3B,B+,BF2+,F-,…….离子分离器（目的：把离子源弧光反应室当中产生的杂质离子分离出来。）引出狭缝：——负电位，吸引出离子。离子束流量（最大mA量级）吸极电压Vext:15~30KV，决定引出离子的能量（速度）通过吸极电源把离子从离子源引出离子源离子源和吸极交互作用装配图++

+

+

+

+

+++

+

+

+

+

+-

-

----------NSNS120V起弧吸出组件离子源60kV吸引2.5kV抑制源磁铁5V灯丝ToPA+粒子束参考端(PA电压)抑制电极接地电极2.2质量分析器从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选出来。离子注入机中采用磁分析器分析。原理：利用不同质量和不同带电荷数的离子，在经过磁场时，受电磁力的效应，进行不同曲率的圆弧运动来进行作用：选择注入所需的特定电荷的杂质离子分析磁体石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子可变狭缝磁分析器一个质量数为M的正离子，以速度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径为R。⊕

v其中：V为减速电极后电压（伏特），nq为离子的总电荷数，B

是磁场强度（特）。可知：对不同杂质，m↗，r↗；对同一种杂质，nq↗，r↘。离子在行径质量分析器所受的电磁力：离子运动路径：离子运动速率：离子回转半径与分离电压的关系：质量分析器及离子源在注入机中的相对位置

出口狭缝：只允许一种（m/q)的离子离开分析仪石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子2.3加速器加速离子，获得所需能量；高真空（<10-6Torr）静电加速器：调节离子能量100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kV粒子束粒子束至工艺腔电极来自分析磁体Figure17.15

离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直径为几毫米。静电透镜：离子束聚焦静电偏转系统：滤除中性粒子

带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，成为中性的粒子。

X方向扫描板Y方向扫描板扫描范围中性束偏转板+-没有偏转的中性束粒子继续向前

对于出现在扫描系统以前的中性粒子，扫描电场对它已不起作用。计算注入离子数量的电荷积分仪也检测不到，所以这些中性粒子进入硅片后就将造成局部区域的浓度比其它地方高。中性束造成的注入不均匀性2.4电子簇射器离子束膨胀——注入正离子使靶表面积聚很多正电荷，从而使后续注入的正离子的运动方向受到影响，产生注入膨胀，造成注入离子均匀性变差，严重影响器件特性。解决方法：再注入电子，使之与正电荷中和。热灯丝离子束金属靶二次电子电子簇射器++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Ionbeam负偏置孔径电子枪二次电子靶二次电子正离负电子复合WaferFigure17.23

2.5终端台：控制离子束扫描和计量1）离子束扫描：——扫描方式：静电扫描、机械扫描和混合扫描。常用静电扫描和混合扫描。——静电光栅扫描适于中低束流机，机械扫描适于强束流机。两种注入机扫描系统法拉第杯电流测量带硅片的扫描盘扫描方向法拉第杯抑制栅孔径电流积分仪在盘山的取样狭缝粒子束离子注入机示意图离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘工艺控制参数杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，…

注入能量（单位：Kev）——决定杂质分布深度和形状，10~200Kev注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高扫描时间太短，会影响注入的均匀性（一般最短10s）注入机分类3.实际入射离子分布问题

3.1沟道效应LSS理论是以非晶靶作为研究对象，故入射离子受到的碰撞过程是随机的；靶对离子的阻止作用是各向同性的，因此一定能量的离子沿不同方向射入靶内将会得到相同的平均射程。实际离子注入到单晶靶中，因此靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与靶晶体取向有关。如果沿着某些晶向观察硅晶体，可看到一些由原子列包围成的直通道，好像管道一样，称作沟道。〈100〉晶向〈110〉晶向<111><100><110>离子进入的角度及通道

沟道效应:在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，部分离子可能无阻挡地行进很长距离，造成较深的杂质分布，形成通道。沿晶轴<110>向和偏转10°方向的晶体结构视图通道效应的克服办法斜面注入（7°角）：将硅晶片偏离主平面5-10度，也能有防止离子进入沟道的效果[图(b)]。此方法大部分的注入机器将硅晶片倾斜7度并从平边扭转22度以防止沟道效应。SiO2薄层散射离子：覆盖一层非晶体的表面层、将硅晶片转向或在硅晶片表面制造一个损伤的表层。常用的覆盖层非晶体材料只是一层薄的氧化层（200-250埃）[图(a)]，此层可使离子束的方向随机化，使离子以不同角度进入硅晶片而不直接进入硅晶体沟道。离子注入离子注入离子注入氧化层晶格晶格晶格损伤的晶格（a）经过非晶体氧化层的注入（b）不对准晶轴的入射（c）在单晶层上的预先损伤衬底非晶化预处理。先注入大剂量硅或Ar+以破坏硅晶片表面，可在硅晶片表面产生一个随机层[图(c)]，这种方法需使用昂贵的离子注入机。通道效应的克服办法40kevP+31注入到硅中的浓度分布00.20.40.60.81.0µm计数104

103

102

10注入深度对准<110>偏<110>2°偏<110>8°3.2实际入射离子分布问题——横向分布横向注入效应：横向离散是离子在靶中行进的重要效应之一。是杂质离子与硅原子碰撞所产生的散射而引起的。当透过厚掩膜（掩膜厚度>>Rp+⊿Rp）窗口进行注入时，窗口边缘附近的离子浓度服从余误差分布。假设窗口宽度为2a,当a>>⊿Rt时，有窗口边缘处浓度为同等深度窗口中心部位浓度的1/2注入离子的横向分布对于自对准源漏注入工艺是一个基本限制因素决定器件的电学沟道长度横向系数大约在0.5左右35keVAs注入120keVAs注入横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度4.注入损伤与退火注入损伤的形成：高能入射离子与靶原子核发生碰撞时，使靶原子离开初始晶格位置，并引发连续碰撞，引起大量靶原子偏离晶格位置，产生空位和填隙原子等晶格损伤。注入损伤阈值剂量：超过某一剂量注入后，形成完全损伤，晶体的长程有序被破坏。离子越轻，阈值剂量越高；温度越高，阈值剂量越高。注入损伤的分类：※一次缺陷：注入过程引入的空位和填隙原子等点缺陷※二次缺陷：点缺陷重新组合形成扩展缺陷，如双空位、位错环等退火工艺：——在N2中进行，时间一般在30~60分钟——退火温度一般要求在850~1000℃损伤退火的目的去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构让杂质进入电活性（electricallyactive）位置－替位位置。恢复电子和空穴迁移率注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布硼的退火效应低温下，载流子浓度受点缺陷密度控制。退火温度上升，点缺陷消除，自有载流子浓度提高。500－600℃时，点缺陷扩散率提高，聚集成团，形成扩展缺陷。高温下，扩展缺陷被消除，激活的载流子浓度接近注入浓度。几种等时退火条件下，硅中注入硼离子的激活百分比退火方式及快速热处理技术

（Rapidthermalprocessing,RTP）是将晶片快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间10-3-102s。过去几年间，RTP已逐渐成为微电子产品生产中必不可少的一项工艺，用于快速热氧化（RTO）、离子注入后的退火、金属硅化物的形成和快速热化学薄膜淀积。

RTP特点RTP系统采用辐射热源对单片加热，温度测控由高温计完成；RTP工艺使用范围很广，控温在200~1300℃之间，升、降温速度为20~250℃/秒，还可以控制工艺气体，可完成复杂的多阶段热处理工艺。用RTP取代常规热处理工艺避免了Si中杂质再分布，还缩短工艺周期。RTP系统利用多排卤化钨灯对Si片进行加热，Si片旋转；自动载片控制和精确的温度控制；工艺的全程控制，实时图形曲线显示，实时工艺参数采集、显示和分析。AG4100注入方法直接注入 离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时采用。间接注入；通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。多次注入 通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。

典型离子注入参数离子：P，As，Sb，B，In，O剂量：1011~1018cm-2能量：1–400keV可重复性和均匀性:±1%温度：室温流量：1012-1014cm-2s-15离子注入的其它应用

5.1浅结的形成目的：抑制MOS晶体管的穿通电流，减小器件的短沟效应----因此要求减小CMOS源/漏结的结深形成浅结困难很多方法（1）分子注入方法（2）降低注入离子能量（3）预非晶化5.2自对准金属栅结构

Xj0.8Xj难熔栅SiO2Si源漏Xj难熔栅SiO2Si源漏浅注入层扩散形成寄生电容大自对准金属栅结构硅衬底背面损伤形成吸杂区BacksideDamageLayerFormationforGettering形成SOI结构Silicon-On-InsulatorUsingOxygenorHydrogenImplantation氧注入SOI片的制作，可采用Si中用离子注入O+工艺，通过退火获得SiO2层，这种工艺称为SIMOX技术。5.3其它应用退火O+

对比内

容热扩散离子注入动力高温、杂质的浓度梯度平衡过程动能，5-500KeV非平衡过程杂质浓度受表面固溶度限制掺杂浓度过高、过低都无法实现浓度不受限结深结深控制不精确适合深结掺杂结深控制精确适合浅结掺杂横向扩散严重。横向是纵向扩散线度的0.70-0.85倍，扩散线宽3μm以上较小。特别在低温退火时，线宽可小于1μm均匀性电阻率波动约5-10%电阻率波动约1%温度高温工艺，越1000℃常温注入，退火温度约800℃，可低温、快速退火掩蔽膜二氧化硅等耐高温薄膜光刻胶、二氧化硅或金属薄膜工艺卫生易沾污高真空、常温注入，清洁晶格损伤小损伤大，退火也无法完全消除，注入过程芯片带电设备、费用设备简单、价廉复杂、费用高应用深层掺杂的双极型器件或者是电路浅结的超大规模电路热扩散和离子注入的比较本章小结离子注入工艺是IC制造中主流的掺杂技术离子注入工艺过程及相关设备：离子产生、加速和控制等入射离子在非晶靶中的分布。杂质浓度分布的计算。实际的离子分布要考虑沟道效应和横向离散效应需要进行退火工艺来消除离子注入带来的晶格损伤，并激活杂质。离子注入工艺的最大优势：精确控制掺入杂质的剂量和深度分布，且工艺重复性好【27】：年轻人在经过一时之冲动的激情工作后，往往期望获得一些相匹配的成果。【24】：静谧的夜啊，沉默，是最好的尊敬。月色，洗不尽怠倦，注定，要在这冰冷的星光中坚持。我会燃烧成一颗流星，划破时间，映得那朝阳如血生气有害健康，这是不争的事实。《淮南子·本经》上讲：“人之性，有侵犯则怒，怒则血充，血充则气激，气激则发怒，发怒则有所释憾矣！”祖国传统医学认为，人在发怒时，血液中的肾上腺素含量显著提高，交感活性物质增加，肾上腺素——血管紧张素增加，促使小动脉收缩痉挛，致使血压升高。有人观察，血压140毫米汞柱的人，激动时可升高至192毫米汞柱，