第五章离子注入课件.ppt

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1、离子束的性质 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。离子束的用途 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量 E，E 50 KeV，注入掺杂,离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束(FIB)方式）,掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备相对简单，控制容易，

2、所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是 需要制作掩蔽膜。,离子注入,聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是 1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。,5.1 离子注入系统,离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、AsH3 和 PH3 等。质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。中性束偏移

3、器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。,一、离子源 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。,掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m，亮度为 10 100 A/cm2.sr。聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为 106 107 A/cm2.sr。,1、

4、等离子体型源,这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。,产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。,2、液态金属离子源（LMIS）,LMIS 是近几年发展起来的一种 高亮度小束斑 的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级 的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光

5、、离子束刻蚀等。,LMIS 的类型、结构和发射机理,针形,V 形,螺旋形,同轴形,毛细管形,液态金属,钨针,类型,对液态金属的要求(1)与容器及钨针不发生任何反应；(2)能与钨针充分均匀地浸润；(3)具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。,E1 是主高压，即离子束的加速电压；E2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E3 是加热器电源。,E1,E2,E3,针尖的曲率半径为 ro=1 5 m，改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场，使液

6、态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。,引出极,当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。若改变 E2 的极性，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。,E1,E2,E3,引出极,共晶合金 LMIS 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS。,根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大

7、低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。,例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和 1404 oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为 370 oC，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。对所引出的离子再进行 质量分析，就可获得所需的离子。,LMIS 的主要技术参数,(1)亮度,亮度的物理意义为 单位源面积发射的进入单位立体角内的离子束电流。LMIS 的主要优点之一就是亮度高，其典型值为=106 107

8、A/cm2.sr。,(2)能散度 能散度是 离子束能量分布的半高宽度。LMIS 的主要缺点是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。,(3)离子束斑尺寸 通常为 5 500 nm。,二、质量分析系统 1、质量分析器 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与 B 的方向相互垂直。,离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比 qo 为,对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。,通常是调节 Vf 而不是调节 B。,下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs=q/ms 的其它离子被偏

9、转的程度。该种离子在 y 方向受到的加速度为,该种离子在受力区域（0 Lf）内的运动方程为,从上式消去时间 t，并将 ay 代入，得,由此可得偏转量 Db 为,将前面的 B 的表达式代入 Db，得,讨论(1)为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径 D 必须满足,(2)若 D 固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，,而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，,以上各式可用于评价 质量分析器的分辨本领。,2、磁质量分析器,光阑1,光阑2,为向心力，使离子作圆周运动，其,半径为,从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑 2。,或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而

10、使该种离子通过光阑 2，,另外，若固定 r 和 Va，通过连续改变 B，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。,其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。,两种质量分析器的比较 在 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。,三、加速器产生高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。,四、聚焦系统 和 中性束偏移器用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束，并利用偏移电极和偏移角度分离中

11、性原子。,五、偏转扫描系统用来使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。,六、工作室（靶室）放置样品的地方，其位置可调。,七、离子束电流的测量,离子注入机的种类,离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在靶中的某处。,5.2 平均投影射程,射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程 平均射程：射程的平均值，记为 R 投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 平均投影射程：投影射程的平均值，记为 RP 投影射程的标准偏差：,平均投影射程与初始能量的关系,由此可得平均投影射程为,入射离子能量损失的

12、原因是受到 核阻挡 与 电子阻挡。,核阻挡本领,电子阻挡本领,一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为,Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。,Sn 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果。,在 E=E2 处，Sn=Se。,(2)当 E0 大于 E2 所对应的能量值时，Sn Se，以电子阻挡为主，此时散射角较小，离子近似作直线运动，射程分布较为集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变为折线。,(1)当入射离子的初始能量 E0 小于 E2 所对应的能量值时，Sn Se，以核阻挡为主，此

13、时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。,Rp 与 RP 的关系,式中，M1、M2 分别是入射离子和靶原子的质量。,在实际工作中，平均投影射程 RP 及标准偏差 RP 与注入能量 E 的关系可从图 5.9 或下表查到。,硅中离子注入能量(KeV)与平均投影射程()的对应关系,一、非晶靶中注入离子的浓度分布 非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，,5.3 注入离子的浓度分布,式中，Q 为注入离子的 剂量，,注入离子浓度分布的主要特点 1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面，,注入离子的剂量 Q 越大，浓度峰值 Nmax 就越高；注入离子的能量 E 越大，RP、RP

14、就越大，Nmax 就越低。,2、在 x=RP 的两侧，注入离子的浓度对称地下降，且下降速度越来越快，,3、结深,得,4、注入杂质的表面浓度,令,5、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多 注入离子浓度在空间的三维分布为,在表面 x=0 处，,在平均投影射程 x=Rp 处，,注入离子沿 y 方向的横向结深的计算。在表面处，令,得表面处的横向结深为,横向结深在 x=Rp 处达到最大。在 x=Rp 处，令,得 x=Rp 处的横向结深为,与 纵向结深 相比，,可知 横向结深明显小于纵向结深。,将 x=Rp 处的最大 横向结深,二、双层靶中注入离子的浓度分布,目的 1、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注

15、入到下面的衬底中；,2、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。,以“SiO2-Si”双层靶为例。设注入的总剂量为 Qt，进入SiO2 中和进入 Si 中的剂量分别为 QO 和 QS，SiO2 的厚度为 dO，杂质在 SiO2 和 Si 中的平均投影射程和标准偏差分别为,则 SiO2 中的注入离子的浓度分布为,进入 SiO2 中的注入离子的剂量为,利用 Si 中的 等效平均投影射程 的概念,可得到 Si 中的注入离子浓度分布和进入 Si 中的注入离子的剂量分别为,若设，则可算出，当 m 分别为 2、3、4 时，QS 分别比 Qt 小约 2 个数量级、3 个数量级和 5 个数量级。,三、注入离子浓度

16、分布理论的应用,1、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时，可以计算出表面浓度和结深。,2、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。,3、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注入时，所得到的合成杂质浓度分布。,4、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。,5.4 沟道效应,晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为 沟道。当离子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较长的拖尾。

17、,避免沟道效应的措施 1、使离子的入射方向偏离沟道方向 7 10 度；2、在掺杂注入前先用高剂量的 Si、Ge、F 或 Ar 离子注入来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄 SiO2 层；3、对靶加一定的温度。,5.5 注入损伤,一、注入损伤 由离子注入引起的大量空位和间隙原子等点缺陷，以及空位与其他杂质结合而形成的复合缺陷等，称为 注入损伤。注入损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。,注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，PN 结的反向漏电流增大。,当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形成连续非晶层的注入剂量称为 临界剂量。当注入剂量小于临界剂量时，损伤量

18、随注入剂量的增大而增加，当注入剂量超过临界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。,影响临界剂量的因素 1、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；2、注入离子的能量越大，则临界剂量越小；3、注入温度越低，则临界剂量越小；4、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡量）越大，则临界剂量越小。,损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系,当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多,但损伤区的分布较浅；,当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤变得严重，这时损伤区的分布较深。,当入射离子的质量相对于靶原子较轻时，入射离子将受到大角度的散射，

19、其运动轨迹呈“锯齿形”，所产生的损伤密度较小，但损伤区的范围较大。,当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射角较小，其运动轨迹较直，所产生的损伤密度较大，容易形成非晶区，但损伤区的范围较小。,二、离子注入层的电特性,注入到半导体中的受主或施主杂质大部分都停留在间隙位置处，而处在这个位置上的杂质原子是不会释放出载流子的，也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的。,经过适当温度的 退火 处理，可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半导体的电特性。这个过程称为杂质原子的 电激活。,退火处理也可以减少注入损伤。,三、退火技术 目的：消除注入损伤，并

20、使注入的杂质原子进入替位位置而实现电激活。,机理：使移位原子与注入的杂质原子在高温下获得较高的迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置。,退火技术可分为 热退火 与 快速热退火。热退火的温度范围为 300 1200。退火会改变杂质的分布。,热退火虽然可以满足一般的要求，但也存在一些缺点：对注入损伤的消除和对杂质原子的电激活都不够完全；退火过程中还会产生二次缺陷；经热退火后虽然少子的迁移率可以得到恢复，但少子的寿命及扩散长度并不能恢复；此外，较高温度的热退火会导致明显的杂质再分布，抵消了离子注入技术固有的优点。,实验发现退火后的实际杂质分布比上式预测的要深，原因是离子注入时形成的高浓度缺陷增

21、强了杂质的扩散。这种现象称为 瞬时增强扩散。可以在退火前先在 500 650 之间进行一次预处理来消除这些缺陷。,5.6 浅结的形成,亚微米 CMOS 集成电路要求极浅的源漏区结深。由于硼比砷更难以形成浅结，所以形成浅 P+N 结要比形成浅 PN+结更为困难。,硼的浅结受到三个方面的影响。首先，由于硼很轻，注入的投影射程很深。降低注入能量虽然可以减小结深，但注入能量太低会影响离子束的稳定性。,其次，由于硼被偏转进入主晶轴的概率较高，所以硼的沟道效应更为严重。,第三，硼在高温退火时的瞬时增强扩散比较严重。,随着 MOSFET 的特征尺寸小于 0.1 m，源漏区的结深正在达到 0.05 m，离子注

22、入已经难以满足这种要求，人们正在研究所谓“后注入”的替代方案。,1、利用硅上的介质层作为扩散源，即所谓“固-固扩散”。扩散源可以是多晶硅、掺杂玻璃或硅化物。,2、利用辉光放电作为离子源来形成超浅结，即所谓“等离子浸入掺杂”。它的离子能量可以极低，而不存在离子束不稳定的问题，但是剂量不易控制。,3、当在固体靶的表面覆盖有某种薄膜时，入射离子可将薄膜中的原子撞入到下面的固体靶中。利用这种效应来对半导体表面的极薄层内进行掺杂，称为“反冲注入掺杂”。,5.7 埋层介质,当在硅中注入大剂量的 O+、N+、C+时，可以形成 SiO2、Si3N4、SiC 等薄膜。特别是当用高能量注入时，可以在硅表面以下形成

23、埋层介质。通过高能注入 N+形成 Si3N4 的工艺称为 SIMNI，而通过高能注入 O+形成 SiO2 的工艺称为 SIMOX，后者的应用更为普遍。,这种技术可用于实现器件和电路的隔离。采用此技术制成的埋沟 MOSFET，其寄生电容及短沟道效应都小得多。,SIMOX 技术的主要问题是金属沾污问题、均匀性问题和成本问题。,5.10 小结,本章首先描述了离子注入系统的组成部分，特别是对各种离子源和质量分析系统作了较详细的介绍。离子注入后的杂质浓度分布为高斯函数分布。讨论了离子注入的沟道效应及防止措施。离子注入后必须进行退火处理，目的是激活杂质和消除注入损伤。通过高剂量的氧离子注入，可以形成绝缘埋

24、层。,下面总结一下离子注入的优缺点。,1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；,2、可以获得任意的掺杂浓度分布；,3、注入温度低，一般不超过 400，退火温度也在 650 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；,4、结面比较平坦；,离子注入的 优点,5、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2、金属膜或光刻胶等；,6、均匀性和重复性好；,7、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；,8、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制

25、，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；,9、扩大了杂质的选择范围；,10、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。,离子注入的 缺点,1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷，且注入的杂质大部分停留在间隙位置处，因此需要进行退火处理；,2、离子注入难以获得很深的结深；,3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；,4、离子注入系统复杂昂贵。,习 题(求 RP 和 RP 时可查图 5.9 或课件中的表)1、能量为 30 keV、剂量为 1012cm-2的硼离子注入到硅中，试求 Rp、Nmax 和 0.3 m 深度处的浓度分别是多少？2、硅中注硼，要求 RP=0.3 m、Nmax=1017cm-3，试求所需的能量和剂量。如果衬底为 N 型，杂质浓度为1015cm-3，试求注入后的结深。3、一典型的强束流注入机的工作束流为 2mA，在 150mm直径的硅片上注入氧离子 O+，剂量为1018cm-2，试求要注入多长的时间。,