微电子概论（第3版）课件3-5离子注入掺杂

目录1．离子注入掺杂原理与特点3.5离子注入掺杂工艺2．离子注入设备3．快速退火1．离子注入掺杂原理和特点(1)离子注入掺杂原理将杂质元素(B、P、As等)原子经离化后成为带电的杂质离子，使其在强电场下加速，获得较高的能量(一般为几万到几十万电子伏特)后直接轰击到半导体基片中(称为靶片)，再经过退火，使杂质激活，在半导体片内形成一定的杂质分布。离子注入是另一种掺杂方式。表征离子注入工艺的工艺参数与扩散相同。1．离子注入掺杂原理和特点(2)离子注入掺杂特点(a)离子注入掺杂方法的优点①可以在较低温度下进行，不像扩散那样必须在高温下进行。采用离子注入方法进行选择性掺杂时可以用光刻胶层上显影出的窗口进行。而扩散掺杂必须在1000℃以上高温进行，光刻胶不能承受如此高的温度，因此选择性掺杂必须通过SiO2层上刻蚀出的窗口进行，工艺更加繁杂。②通过控制注入时的电学条件(电流、电压)的稳定性，可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层，同一晶片上杂质不均匀性优于1％。③浓度和结深控制精度优于扩散掺杂方法。④横向掺杂比扩散掺杂小得多。1．离子注入掺杂原理和特点(2)离子注入掺杂特点(b)离子注入掺杂方法的缺点①离子注入设备比扩散设备昂贵得多。②结深越深，要求加速能量越高，不适合于结深要求较深的情况。③离子注入掺杂是逐片进行，不像扩散那样可以同时对一批晶圆进行掺杂，因此生产效率不如扩散。④离子注入中晶格损伤的恢复程度取决于退火工艺的控制。目前在CMOS工艺中离子注入掺杂方法得到广泛采用。而在双极集成电路工艺中扩散掺杂方法应用较多。2．离子注入设备使含有掺入杂质元素的化合物或单质在气体放电作用下产生电离，形成所需注入杂质元素的正离子再用负高压把正离子吸出来，并由初聚焦系统聚成离子束射向磁分析器。(1)离子源2．离子注入设备利用不同荷质比的离子在磁场中运动轨迹不同的特点，采用磁分析器可以从来自离子源的离子束中选出所需的单种杂质离子束。(2)磁分析器2．离子注入设备在加速管两端几十万伏特高压产生的强电场作用下，将离子加速到按照注入要求所需的能量。(3)加速管2．离子注入设备经过加速获得高能量的离子束，由静电聚焦透镜使其聚焦成直径达到微米级以下很细的离子束。(4)聚焦2．离子注入设备聚焦后的离子束经偏转板电场作用，与水平方向偏转5～7°再射向靶室。离子束中残存的中性粒子直线前进，不会进入靶室。(5)偏转板2．离子注入设备带电离子经偏转板后，在x轴扫描器和y轴扫描器的作用下，使得离子注入到靶室中的晶片。(6)扫描器2．离子注入设备放置需要进行离子注入掺杂的晶圆。(7)靶室2．离子注入设备包括真空系统、控制设备工作的微机系统等。(8)辅助系统3．快速退火(1)离子注入造成的损伤注入到靶室中晶片上的高能离子不断地与晶片中原子核及核外电子碰撞，导致晶圆内部产生多种缺陷。①使晶圆中硅原子核离开原来晶格位置，成为间隙硅原子，同时新增晶格空位。②当剂量很高时，即单位面积晶圆上注入的离子数很多时，甚至会使单晶硅严重损伤，局部区域成为无定形非晶硅。③注入的杂质离子发生大角度偏离，不在晶格位置，起不到施主或者受主的作用。3．快速退火(2)离子注入退火的作用离子注入以后要进行高温退火处理，达到下述目的：①高温退火过程中，间隙硅原子移动能力增强，回到晶格空位处概率增大，成为正常晶格原子，大幅度减少晶格缺陷。②晶圆内部正常晶格区域通过“固相外延再生长”机理向非晶硅区域扩展，使得非晶硅缺陷得到修复。③高温退火过程中，不在晶格位置的注入杂质移动能力增强，回到晶格空位处概率增大，能够回到晶格位置成为替位式杂质原子，起到正常杂质作用。3．快速退火(3)快速退火技术目前基本都使用快速热退火技术（RTA：RapidThermalAnnealing）利用高功率密度钨丝或者弧灯等作为光源照射晶片表面，使注入层在