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
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