§4离子注入工艺.ppt

1、2020/7/21,1,第四章 离子注入工艺,离子注入的特点是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。由于采用了离子注入技术，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及ULSI时代。,2020/7/21,2,一离子注入工艺设备结构,离子注入机原理图,2020/7/21,3,2020/7/21,4,二、离子注入工艺的特点,(1)注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。另外，注入过程是在清洁、干燥的真空条件下进行的，各种污染降到最低水平。,2020/7/2

2、1,5,(2）可以精确控制注入到硅中的掺杂原子数目。 （3）衬底温度低，一般保持在室温，因此，像二氧化硅、氮化硅、铝何光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。 （4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加，因此掺杂深度可以通过控制离子束能量高低来实现。另外，在注入过程中可精确控制电荷量，从而可精确控制掺杂浓度。 -,2020/7/21,6,（5）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中的固溶度限制，原则上对各种元素均可掺杂。 （6）离子注入时的衬底温度低，这样就可以避免了高温扩散所引起的热缺陷。 （7）由于注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，因此横向效应比热扩散小的多，有利于

3、器件特征尺寸的缩小。,2020/7/21,7,（8）离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中，因此硅表面上的薄膜起到了保护膜作用 （9）化合物半导体是两种或多种元素按 一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，基本不存在上述问题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂,2020/7/21,8,基个概念：,（1）靶：被掺杂的材料。 （2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部分离子为散射离子，进入靶内的离子成为注入离子。 （3）非晶靶成为无定形靶，本章所涉及道德靶材料，都是按无定形来考虑。,2020/7/21,9,三、离子注入原理,“离子”

4、是一种经离化的原子和分子，也称“等离子体”，它带有一定量的电荷。“等离子发生器”已广泛应用到CVD、金属镀膜、干法刻蚀、光刻胶的去除等工艺中，而在离子注入的设备中，它被用来制造工艺所要注入的离子。因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并且借助于磁场来改变离子的运动方向。当经加速后的离子碰撞一个固体靶面之后，离子与靶面的原子将经历各种不同的交互作用，如果离子“够重”，则大多数离子将进入固体里面去。反之，许多离子将被靶面发射。,2020/7/21,10,当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止运动，

5、新城形成一定的杂质分布。 同时，注入离子和晶格原子相互作用，那些吸收了离子能量的电子，可能激发或从原子之内游离，形成二次电子。,2020/7/21,11,离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底 晶向等有关。通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下，注入的深度将随电场的强度增加而增加。实践表明，用离子注入方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为余误差函数和高斯函数分布，而用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片表面，而是在深入硅体一定距离。这段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。,2020/7/21,12,在一般情况下，杂质浓

6、度最大值在距离表面0.1um处，其分布有一点像高斯分布，是由于杂质被电场加速注入到硅片内后，受到硅原子的阻挡，使其动能完全消失，停留在原位。但由于杂质离子具有的能量是不均匀的，也就是使杂质离子的能量有大有小，这样就形成了按一定的曲线分布，能量大和能量小的都是少数，而能量近似相等的居多数。当然注入后，能量最大的注入深，能量小的注入浅。,2020/7/21,13,离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。如果注入的离子沿规则排列的晶格方向进入硅中，离子可能要走很长一段路途才碰到硅原子，因此，进入深度就大，使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“沟道效应”。向， 晶向注入时，往往会发生这种沟道效应，而再偏

7、离一定角度，情况就好得多。,2020/7/21,14,离子注入时，由于受到高能量杂质离子的轰击，硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷，严重时会出现非晶层。这种缺陷一定要经过退火处理来消除，所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的。 与扩散一样，离子注入也需要掩蔽，其掩蔽物可以是二氧化硅、氮化硅、AL2O3及AL都行，且掩蔽膜厚度随电场强度和杂质剂量的增加而加厚。,2020/7/21,15,4.1核碰撞和电子碰撞,LSS理论:注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞，（2）电子碰撞，总能量损失为它们的和。,2020/7/21,16,核碰撞和电子碰撞:,2020/7/21,17,2

8、020/7/21,18,（一）、核阻止本领,能量为 E的一个注入离子，在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。,2020/7/21,19,（二）电子阻止本领,同注入离子的速度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比。,2020/7/21,20,（三）射程的概念,4.2注入离子的分布,2020/7/21,22,（一）纵向分布,2020/7/21,23,* 注入离子的分布计算,1.平均投影射程Rp，标准偏差R通过查表 根据靶材（Si, SiO2, Ge），杂质离子(B，P，As, N), 能量（keV） 2.单位面积注入电荷：Qss I t /A, I：注入束流，t: 时间，A：扫描面积

9、（园片尺寸） 3.单位面积注入离子数(剂量)： Ns Qss/q =(I t) /(q A) 4.最大离子浓度：NMAX=,2020/7/21,24,*注入离子分布,N(x)=Nmax N(x):距表面x处的浓度, Rp:查表所得的标准偏差 Nmax:峰值浓度(x=Rp处) Rp:平均投影射程,2020/7/21,25,*离子注入结深计算,2020/7/21,26,(二）横向效应,2020/7/21,27,横向系数: B Sb,约0.5但比热扩散小(0.750.85),2020/7/21,28,(三)沟道注入,1、入射离子的阻挡作用与晶体取向有关, 2、可能沿某些方向由原子列包围成直通道沟道，

10、离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。,2020/7/21,29,3、 沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如MOS器件的结深通常只有0.4um左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。,2020/7/21,30,4、目前常用的解决方法有三种。 （1）是将硅片相对注入的离子运动方向倾斜一个角度，7度左右最佳； （2）是对硅片表面铺上一层非结晶系的材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前，在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原子产生碰撞而

11、散射，这样可以减弱沟道效应；,2020/7/21,31,（3）是对硅片表面先进行一次离子注入，使结晶层破坏成为非结晶层，然后进入离子注入。 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。,2020/7/21,32,（四）复合（双层）靶注入,离子在两层靶中均为高斯分布 M1：Rp1, Rp1, d Rp1 M2: Rp2, Rp2,M1中未走完的路程,2020/7/21,33,4.3 注入损伤一损伤的形成,2020/7/21,34,靶原子变形与移位，形成空位、间穴原子， 注入离子并不正好处于格点上， 解决：退火、激活,2020/7/21,35,二.移位原子数的

12、估算,2020/7/21,36,三非晶层的形成,2020/7/21,37,四、损伤区的分布,轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤少,2020/7/21,38,重离子，原子碰撞为主， 位移多，晶格损伤大,2020/7/21,39, 4.4 热退火,退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理， 部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复， 电激活掺入的杂质 分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩散效应、快速退火,2020/7/21,40,1普通热退火：退火时间通常为15-30min，使用通常的扩散炉，在真空或氮、

13、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。缺点：清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温度高、时间长，导致杂质再分布。,2020/7/21,41,2硼的退火特性,1 区单调上升：点缺陷、 陷井缺陷消除、自由载流子增加 2 区出现反退火特性：代位硼减少，淀积在位错上 3 区单调上升 剂量越大，所需退火温度越高。,2020/7/21,42,3磷的退火特性,杂质浓度达1015以上时出现无定形硅退火温度达到600800,2020/7/21,43,热退火问题,简单、价廉 激活率不高 产生二次缺陷，杆状位错。位错环、层错、位错网加剧,2020/7/21,44,4.扩散效应,2020/7/21,45,5.快速退火,2020/7/21,46,4.5 离子注入优缺点,一离子注入的优缺点 优点：1）可在较低的温度下，将各种杂质掺入到不同的半导体中；2）能精确控制掺入基片内杂质的浓度分布和注入深度；3）可以实现大面积均匀掺杂，而且重复性好；4）掺入杂质纯度高；5）获得主浓度扩散层不受故浓度限制,2020/7/21,47,6）由于注入粒子的直射性，杂质的横向扩散小； 7）可以置备理想的杂质分布； 8）可以通过半导体表面上一定厚度的四SiO2膜进行注入而实行掺杂； 9