集成电路工艺基础——04离子注入.ppt

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1、Chap 4 离子注入,核碰撞和电子碰撞注入离子在无定形靶中的分布注入损伤热退火,嗡蝎剧绩卉酸余哭匹抒凌药鸥虹题薯锄咳色哄弗法夕增社峻羡病卿谦谜举集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,离子注入,离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程，注入能量介于1KeV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm10um。离子剂量变动范围，从用于阈值电压调整的1012/cm2到形成绝缘埋层的1018/cm2。相对于扩散，它能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程，大约需要612个或更多的离子注入步骤。,

2、阑树务蔫奉郭疡零乘挖嗜弃矾莉担购曹乡庸邑科享季闰账架瑚讫蹄腾螺僧集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,离子注入应用,隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断调整阈值电压用的沟道掺杂CMOS阱的形成浅结的制备 在特征尺寸日益减小的今日，离子注入已经成为一种主流技术。,卤粟疼揍庇姨胎睡隐芍氰吴撕合浆贮功痛团蒲汤肢涂嚷煤诫救雁俐帐疚亏集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,使带电粒子偏转，分出中性粒子流,中性束路径,类似电视机，让束流上下来回的对圆片扫描,离子注入系统的原理示意图,饰履第皱更撬徽砖许硕袖拭估签疽叭计氧羹酬铭嘛峭粹啼伟遇旺歇惦斌踞集成电路工艺基础

3、04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,离子源是产生离子的部件。将被注入物质的气体注入离子源，在其中被电离形成正离子，经吸极吸出，由初聚焦系统，聚成离子束，射向磁分析器。吸极是一种直接引出离子束的方法，即用一负电压（几伏到几十千伏）把正离子吸出来。产生离子的方法有很多，目前常用的利用气体放电产生等离子体。,离子注入系统原理-离子源,费哑逆蒸窃钓吃恐冰浆设多黔妇擦筛辽帚谱党侈坐絮沁皂沸郡紊景衙嫩逊集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+、C+等。在磁分析器中，利用不同荷质比的离子

4、在磁场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选出所需要的一种杂质离子。被选离子通过可变狭缝，进入加速管。,离子注入系统原理-磁分析器,贼罗沁八挟秉习裔耪扛冬亚艘脚舞送戌缠柳掣墟烁伴食籍宣棺察宝爪价甩集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,离子源通过加热分解气体源如BF3或AsH3成为带正电离子（B或As）。加上约40KeV左右的负电压，引导这些带正电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。被选出来的离子接着进入加速管，在管内它们被电场加速到高能状态。,离子注入系统原理,泪坞渭巷先充坑湍评家尝悍乎告他矾现弹怖

5、要影漠貉幽娃曳悠桥酪尿肠碉集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,被掺杂的材料称为靶。由加速管出来的离子先由静电聚焦透镜进行聚焦，再进行x、y两个方向的扫描，然后通过偏转系统注入到靶上。扫描目的：把离子均匀注入到靶上。偏转目的：使束流传输过程中产生的中性离子不能到达靶上。注入机内的压力维持低于104Pa以下，以使气体分子散射降至最低。,离子注入系统原理,抡叮带痕铆辽蕾况爷弛珍狗斯用闸毡陛鲜溶衬哟陋递渴失钒农寸仅斤濒侍集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,离子注入的优缺点,优点：注入的离子纯度高可以精确控制掺杂原子数目，同一平面的掺杂均匀性得到保证，

6、电学性能得到保证。温度低：小于400。低温注入，避免高温扩散所引起的热缺陷；扩散掩膜能够有更多的选择掺杂深度和掺杂浓度可控，得到不同的杂质分布形式非平衡过程，杂质含量不受固溶度限制横向扩散效应比热扩散小得多离子通过硅表面的薄膜注入，防止污染。可以对化合物半导体进行掺杂,房泰楼下叼勿芦烷窘洱咖帕接腑唤越笛掸煤家课懒月氏舔扰洁传厦枉演筹集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,离子注入的优缺点,缺点：产生的晶格损伤不易消除很难进行很深或很浅的结的注入高剂量注入时产率低设备价格昂贵（约200万美金）,直吊泰禹亡万侯舞隔哭勿那属倡鸭哇氰胰酱舟样窿敷她脚飘匿袁输癸瓣质集成电路工艺基础

7、04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,4.1 核碰撞和电子碰撞,高能离子进入靶后，不断与靶中原子核和电子发生碰撞，在碰撞时，注入离子的运动方向发生偏转并损失能量，因此具有一定初始能量的离子注射进靶中后，将走过一个非常曲折的道路，最后在靶中某一点停止下来,腹筷喧环测体弓搐铀腆谚生模淬桓健拧泽官蠕销答九某芯肿冯缮墒弘炎猪集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,核碰撞和电子碰撞,注入离子在靶内能量损失方式核碰撞(注入离子与靶内原子核间的碰撞）质量为同一数量级，故碰撞后注入离子会发生大角度的散射，失去一定的能量。靶原子也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子束缚能，就会

8、离开原来所在晶格位置，进入晶格间隙，并留下一个空位，形成缺陷。,仗塌洲哗棕酋时笼鱼廊搜滞浚滑呐绥乐浪殊摩且垮车鳞砧碑惯登亩弃堪瀑集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,核碰撞和电子碰撞,注入离子在靶内能量损失方式电子碰撞(注入离子与靶原子周围电子云的碰撞）能瞬时形成电子-空穴对两者质量相差大，碰撞后注入离子的能量损失很小，散射角度也小，虽然经过多次散射，注入离子运动方向基本不变。电子则被激发至更高的能级（激发）或脱离原子（电离）。,于均抱河匝健食慈澳漏咸痹盒妊秃攘杖凑捏辱乔定岛炙胶瑶郝干琼视羚修集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,核碰撞和电子碰撞

9、,核阻止本领说明注入离子在靶内能量损失的具体情况，一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本领定义为：电子阻止本领定义为：,煮洒畸笆嚣闷请纪搅贷监彼优仰女馆俗歹咙舌网佛催岭阔萎疗杭爷滨但赞集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,核碰撞和电子碰撞,在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为：注入离子在靶内运动的总路程,恬獭是蹦淌古貌酱证纳咯富碱奔斟袍庇岛秩逮撑馈扼朽酗诈峭痕适笋炬窿集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,低能量时，核阻止本领随能量的增加而线性增加，Sn(E)会在某一中等能量时达到最大值。高能量时，由于高

10、速粒子没有足够的时间和靶原子进行有效的能量交换，所以Sn(E)变小。,核阻止本领,棍枕控嫉麓慎沫骤帮埃代耗足陀玄憋斑粤签赚杰吴芜踊崎曳爆袒手演验劳集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,电子阻止本领,电子阻止本领同注入离子的速度成正比，即与注入离子能量的平方根成正比。V 为注入离子速度，Ke 与注入离子和靶的原子序数、质量有微弱关系，粗略估计时，可近似为常数,震茅锡讲仿寻捶勘妻烽驹溺痢丈底是朱戏吐寅榴烛妖缓涯句阻鼓芥淑滨辟集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,核碰撞和电子碰撞,不同能区的能量损失形式低能区：以核碰撞为主中能区：核碰撞、电子碰撞持平高

11、能区：以电子碰撞为主,东恍至愧澡蓄酪龟俯纤藤打宴诬之去坐学前饼滓圭萤汰锰洒孜陶着蚀顷查集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,4.2 注入离子在无定形靶中的分布,一个离子在停止前所经过的总路程，称为射程R R在入射轴方向上的投影称为投影射程Xp R在垂直入射方向的投影称为射程横向分量Xt,平均投影射程Rp：所有入射离子的投影射程的平均值标准偏差：,巳缚镰恋卸较禽允锑情跟怜魄轧霜杂新非消秀寨早络厢械泵脊挎抓韦甘赔集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,注入离子在无定形靶中的分布,对于无定形靶（SiO2、Si3N4、光刻胶等），注入离子的纵向分布可用高斯

12、函数表示：其中：,讽责港扶洋送分染姨芝搓萧蛰刷毫恢讣涅韦铲躯堪粮椽昭夏忻九保又瞻市集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,注入离子在无定形靶中的分布,横向分布（高斯分布）入射离子在垂直入射方向平面内的杂质分布横向渗透远小于热扩散,句贩苟霞妖丑孰乾镊狱艰墟刻轨斤哟缀幂泛肿倪统嚏物旬忽它呢蕴诣坐帧集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好。轻离子/重离子入射对高斯分布的影响实践中，用高斯分布快速估算注入离子在靶材料中的分布。,注入离子在无定形靶中的分布,轧卜痴原武哪贱俐暖匪累池羔肘辅硷刃翻镐鹃俱乖扬弟苦缀坡够酝鼻谴锗集

13、成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,随能量增加，投影射程增加 能量一定时，轻离子比重离子的射程深。,射程与能量的关系,注入离子在无定形靶中的分布,检朔滦淑因靴编遂榷吠苍刚质厘冯眯啥吝痴妇苹氖亮叹军俐亥申乾唬厨痞集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,以上讨论的是无定形靶的情形。无定形材料中原子排列无序，靶对入射离子的阻止作用是各向同性的一定能量的离子沿不同方向射入靶中将会得到相同的平均射程。实际的硅片单晶在单晶靶中，原子是按一定规律周期地重复排列，而且晶格具有一定的对称性。靶对入射离子的阻止作用将不是各向同性的，而与晶体取向有关。,*离子注入的沟道

14、效应,丑幽践辗志萝摆臂巳殖讫牛萧湾来扔嚏搭移孽袱置捏腔炼舱拌连抉侨赋戌集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,*离子注入的沟道效应,巴狞木廉歪钡砌离璃粹返表阜酷涸渠封撤夏羚厉罚缘隶搅凶馁鹅菱位砧颖集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,*离子注入的沟道效应,定义：当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时，一些离子将沿沟道运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止，因此注入离子的能量损失率就很低，故注入深度较大。离子方向=沟道方向时离子因为没有碰到晶格而长驱直入效果：在不应该存在杂质的深度发现杂质多出了一个峰！,屈哟册酗钳负社审庞锗藤碍察辈鸥电无估疗懈

15、上豹袒钧拆谗铁笼昼蹈奢涣集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,射程分布与注入方向的关系,眺蘸拇谓应紫卑孽妓疾丹涅箭隆溪獭复韶战蔚麻庶削巢锯寸榆揉例忠顽撵集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,怎么解决？,倾斜样品表面，晶体的主轴方向偏离注入方向，典型值为7。先重轰击晶格表面，形成无定型层表面长二氧化硅薄层,泡耿偿戏吹渠尘惠门火说功球宏惯纹煌冗书界椎牟可坠滇病少侠辣赖稀兹集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,怎么解决？,肠榜巡唉擅还雹誉锌诀廷沦藕楔券休雹震钢府界寨减先祥纶傈璃侨颊盔镣集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基

16、础04_离子注入,浅结的形成,为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟效应，要求减小CMOS的源/漏结的结深形成硼的浅结较困难，目前采用的方法：硼质量较轻，投影射程深，故采用BF2分子注入法F的电活性、B的扩散系数高B被偏转进入主晶轴的几率大降低注入离子的能量形成浅结低能下沟道效应比较明显，且离子的稳定向较差。预先非晶化注B之前，先用重离子高剂量注入，使硅表面变为非晶的表面层。,靠漓梗抬膀躁标促瞳康鞠棺寝锄撼岗趟搏睁部沽峙叼挽纵积屏唆仇肛臻项集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,注入后发生了什么,晶格损伤和无定型层靶原子在碰撞过程中，获得能量，离开晶格位置，进入间

17、隙，形成间隙空位缺陷对；脱离晶格位置的靶原子与其它靶原子碰撞，也可使得被碰靶原子脱离晶格位置。缺陷的存在使得半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，影响器件性能。杂质未激活在注入的离子中，只有少量的离子处在电激活的晶格位置。,囚罐继廖镰夜限置术拽习褥福襄卢兜证硼滁保羊痉曝蚤闭纤媒登蝗良蒜本集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,注入损伤,级联碰撞？简单晶格损伤孤立的点缺陷或缺陷群（注入离子每次传递给硅原子的能量约等于移位阈能）局部的非晶区域（单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度）非晶层注入离子引起损伤的积累,山仓挞曙饱郑尿羚曰仲苑裁伟暴宋课飘皖媳除八招窟镜刻宿谐郧

18、光姓渍翟集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,轻离子注入,君碱啮帧拴棠居赌踊湿做粗屈符礁洛候入群适桐岔辗俭胸商城衅益乖威适集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,重离子注入,三葱悦污却觉蛹陕式电取神驳则杯嚏累幅措炙小音馋淖瞅由痒汹靖裸瘤峭集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,非晶层的形成,觅煤淬跪解遮靛挟塘伪夯韵献求椒蚌琅克炼缕伞朝状论辆砖登傅她卵疵弄集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,注入后需要做什么,退火：定义：又叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火作

19、用激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用消除损伤,过逞梆瞬拈辑的搐籽踏耕腻裹筏新欧牟厦迄煽诡援升域熄芯熊突侣亥奢警集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,注入后需要做什么,退火：退火方式：炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等),龚鳃氰盲云心泵垂部烘频吏滦哟首首妈栽岿唬乳郎辛躬骸捉扣龋输魔液究集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,注入后需要做什么,退火：原理高温下，原子振动能，移动能力，可使复杂损伤分解为简单缺陷（如空位、

20、间隙原子等），简单缺陷以较高的迁移率移动，复合后缺陷消失。高温下，非晶区域损伤恢复发生在损伤区与结晶区的交界面，即由单晶区向非晶区通过固相外延或液相外延而使整个非晶区得到恢复。,秽宽甫累缔黎婴卉缔订几劳松敷值郎嗣笆怔蹬尾触巨罗恩吧赠搐辊搓矣束集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,硼的退火特性,低剂量（81012/cm2）电激活比例随温度上升而增加 高剂量（1014/cm2和1015/cm2）退火温度可以分为三个区域500以下，电激活比例又随温度上升而增加500600范围内，出现逆退火特性晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原子与替位B原子接近时，可以相互

21、换位，使得B原子进入晶格间隙，激活率下降。600以上，电激活比例又随温度上升而增加,潭曰抡迎狈惦旋勃弘诌攘凤遏肄恋独括特聋舍叼化庙羔势笑尖湍报粗说祟集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,电激活比例,仟贵侧骑浚掳扣菱咆茬砌务宅藻敌吧剪橇暗焙柱祖圆扒谴崩出锗脚狰物唆集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,虚线表示的是注入损伤区还没有变成非晶区的退火特性（剂量从31012/cm2增加到31014/cm2）电激活比例随温度上升而增加。剂量升高时，退火温度相应升高，才能消除更为复杂的无规则损伤。实线表示的是非晶区的退火特性（剂量大于1015/cm2），退火温

22、度降低为600 左右非晶层的退火机理是与固相外延再生长过程相联系在再生长过程中，族原子实际上与硅原子难以区分，它们在再结晶的过程当中，作为替位原子被结合在晶格位置上。所以在相对很低的温度下，杂质可被完全激活。,磷的退火特性,很荣洲圆巷荐服颇爸圈沸诵豹甄此呵梆我俱皑毅棠叫祥逮章倘娱摘岂桶怖集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,电激活比例,搽垮煌示岛喷播搅什挨廓便纠坡穴蚌短斥廖辣拖预饵件完有皋傈梧菌钥莽集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,热退火过程中的扩散效应,热退火的温度与热扩散的温度相比，要低得多。但是，对于注入区的杂质，即使在比较低的温度下，

23、杂质扩散也是非常显著的。这是因为离子注入所造成的晶格损伤，使硅内的空位密度比热平衡时晶体中的空位密度要大得多。离子注入也是晶体内存在大量的间隙原子和多种缺陷，这些都会使得扩散系数增加，扩散效应增强。热退火中的扩散称为增强扩散。,甸讶税筏察冒久骤臂敌拟餐汉巢娘砍乃痊够量鹤页闭粉刘饵稍核棠度场哦集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,热退火过程中的扩散效应,注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是高斯分布标准偏差需要修正扩散系数明显增加,耍风铰涛夷欧风淖代粒乎稀侗嗡晰汉谬蔓卞哗刃歌尹冰卖腊障译贡钳裙枉集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,热退火过程中的扩散效

24、应,高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽，偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按指数衰减的拖尾,椿未挥婆柿羚刷党俄醉奴烬颠甜诞昧谓首疙渗舰呢勃炊蹦诅候峻臻耻秀挂集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,快速热退火（RTA）,传统热退火的缺点不能完全消除缺陷，产生二次缺陷高剂量注入时的电激活率不够高高温长时间热退火会导致明显的杂质再分布快速退火（Rapid Thermal Annealing）技术在氮气或惰性气体的气氛下，极短的时间内，把晶片温度提高到1000 以上。,州艰船横饮滚心管储缩解洼蝇七喷疆绚瑚划述华且捕泅讽哆碍坠赃隐期东集成电路工艺基础04_离子注入集

25、成电路工艺基础04_离子注入,快速热退火（RTA）,药茁局卓顶乓如裕葡虚碘蝉辙墒廷窜宵妄垫姨肋鹊金砍谣尘油堪哀零沼钳集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,快速热退火（RTA）,作用：*消除由注入所产生的晶格损伤*恢复材料少子寿命和载流子迁移率*杂质激活,埃蚁豹司烹羡札甄葱跌锣狡瞩摆猾默躬昔叫鞠匿辖纯温敛泄碎览怂女敞鄙集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,作业：,1.离子注入与热扩散相比 哪个要求温度低（）哪个掺杂纯度高（）哪个高浓度掺杂不受固溶度限制（）哪个掺杂均匀性好（）哪个可精确控制掺杂浓度、分布和注入深度（）哪个横向效应小（）A.离子注入

26、B.热扩散,醛抽纯烬娟榷创七泡娩青点昌佰贿距滞渣额橡虏嫉蔫躲炒脉瓷霹帜态煎提集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,2.离子注入掺杂纯度高，是因为（）.A.杂质源的纯度高 B.注入离子是通过质量分析器选出来的3.减弱或消除沟道现象的措施有：（）入射方向偏离沟道轴向入射方向平行沟道轴向 样品表面淀积一层二氧化硅 样品表面淀积一层氮化硅 A B.C.D.,柳很假拟衍浩诀芳薪脓甘蒲整标脆佩蜜县糜课髓参董牵飞迹奋谬跨肆棋潜集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,4.离子注入所造成的晶格损伤会直接影响半导体材料和器件的特性，主要影响有（）PN结反向漏电流增大

27、载流子迁移率下降少子寿命下降 杂质原子大多处于间隙位置不能提供导电性能 A.B.C.D.5.入射离子的两种能量损失模型为：_碰撞和_碰撞。,泅恿袱熬旁肝暇队蒋涩捧藤帧呛蛋结膳猩仁屁鬃携钙踪眨抛批朽附看骆赌集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,6.假设B以100KeV、每平方厘米51014个离子的剂量注入进入200mm的硅晶片，试计算峰值浓度。如果注入在1min内完成，求离子束电流。（已知：B以100KeV的能量注入硅中时，投影射程为 0.31um，投影偏差为0.07um）7、试计算在中性环境中，950、30min硼预置掺杂情况的结深与杂质总量。（假设衬底是n型Si，ND=1.81016cm-3，而硼的表面浓度为Cs=1.81020cm-3。扩散系数D此时为410-15cm2s-1.）,匆枣地霞豫渴咖巾傀青拘硼奠告薛喳遏枯革淤伞疮亥冉荔种钓匈拽瓤骏琉集成电路工艺基础04_离子注入集成电路工艺基础04_离子注入,