ic工藝技術(shù)5 離子注入

1、集成電路工藝技術(shù)講座 第五講 離子注入 Ion implantation 引言 ? 半導(dǎo)體工藝中應(yīng)用的離子注入是將高能 量的雜質(zhì)離子導(dǎo)入到半導(dǎo)體晶體，以改 變半導(dǎo)體，尤其是表面層的電學(xué)性質(zhì) ? 注入一般在50-500kev能量下進(jìn)行 離子注入的優(yōu)點(diǎn) ? 注入雜質(zhì)不受材料溶解度，擴(kuò)散系數(shù)，化學(xué)結(jié) 合力的限制，原則上對(duì)各種材料都可摻雜 ? 可精確控制能量和劑量，從而精確控制摻雜量 和深度 ? 較小的恒向擴(kuò)散 ? 摻雜均勻性好，電阻率均勻性可達(dá) 1% ? 純度高，不受所用化學(xué)品純度影響 ? 可在較低溫度下?lián)诫s 目錄 ? ? ? ? ? ? 射程和分布射程和分布 溝道效應(yīng) 損傷和退火 離子注入機(jī) 離子

2、注入的應(yīng)用 離子注入工藝模擬 射程 ? 入射離子在非晶靶內(nèi)的射程 ? 非晶靶 ? 射程，投影射程 R Rp 入射方向 LSS 理論 ? 單個(gè)入射離子在單位距離上的能量損失 -dE/dx=NSn(E)+Se(E) 其中：Sn(E) 原子核阻止本領(lǐng) Se(E) 電子阻止本領(lǐng) N 單位體積靶原子平均數(shù) REo ? R=? o dx （1/N） ? o dE/ Sn(E) Se(E) LSS 理論核阻止本領(lǐng)和彈性碰撞 V1 M1 M1 M2 Eo M2 入射粒子最大轉(zhuǎn)移能量 1/2M 2 v2 2 =4M 1 M2E o/(M1 +M2)2 V2 核阻止本領(lǐng) ? 粗略近似計(jì)算核阻止本領(lǐng) ? S n o

3、=2.8x10-15 (Z 1 Z 2 /Z 1/3 )M 1 /(M 1 +M 2 )（ev-cm 2 ) 2/32/32/3 其中 Z = Z 1 +Z 2 o ? 低能時(shí) S= S n （Se=0） R=0.7 (Z 1 2/3 +Z 2 2/3 )1/2/Z 1 Z 2 (M 1 +M 2 )/M 1 E o Rp=R/(1+M 2 /3M 1 ) 1/2 ? Rp=(2/3)(M 1 M 2 )Rp/(M 1 +M 2 ) LSS 理論電子阻止本領(lǐng) ? 電子阻止本領(lǐng)： 入射離子和靶原子周圍電子云 的相互作用。離子和電子碰撞失去能量，電子 激發(fā)或電離。 ? 電子阻止本領(lǐng)與入射離子的速度

4、成正比 1/2 S n (E)=k eE 其中 k e值為10 7 (eV) 1/2 /cm 兩種能量損失示意圖 -dE/dx Se E 3 低能區(qū)E2 E 1 E 2 Sn E 常見硅中雜質(zhì)的能量損失 磷砷銻投影射程 硼投影射程 SiO 2 中投影射程 光刻膠中投影射程 入射粒子在非晶靶中濃度分布 1.E+21 ( a t m / c m 3 ) ? ? 1.E+20 1.E+19 1.E+18 1.E+17 00.20.40.60.8 ? ? (um) 高斯分布 ? ? ? ? ? 幾率 P(x,E)=1/(2 ?)1/2? Rpexp-(x-Rp)2/2 ? Rp 2 二個(gè)參量,可查表

5、2 入射粒子劑量為D(atm/cm ),濃度分布 N(x)=D /(2 ?)1/2? Rpexp-(x-Rp)2/2 ? Rp 2 高斯分布特點(diǎn)和應(yīng)用 ? 1) x=Rp處N max ? N max =D/ (2 ?)1/2? Rp=0.4 D/ ? Rp ? 2) 平均投影射程二邊對(duì)稱，離 Rp下降快 N/N max 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 x-Rp 2?Rp 3?Rp 3.7?Rp 4.3?Rp 4.8?Rp 5.3?Rp ? 3) 求結(jié)深 ? 若襯底濃度下降到Nmax相差二個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí) xj Rp 3?Rp 高斯分布特點(diǎn)和應(yīng)用 ? 4) 求掩

6、蔽層厚度 ? 一般認(rèn)為穿過(guò)掩蔽層到達(dá)襯底的離子數(shù) 降到入射離子總數(shù)的0.01%時(shí)，該掩蔽層 能起阻擋作用,此時(shí)應(yīng)選 Tm=Rp 4?Rp SiO2 或膠 tm Si 雙高斯分布 N(x) xRm N(x)=D /(2 ?)1/2 (?Rp 1 + ?Rp 2 ) exp-(x-Rm) 2 /2 ?Rp 2 2 三個(gè)參量 Rm ， ?Rp 1， ? Rp 2 N 1 (x) Rm N 2 (x) Pearson- IV 分布 ? 有四個(gè)參量 ? 2 , ?1 , Rp , ?Rp ? N(y)=N o expf(y) 2 ? f(y)=1/2b 2 lnb o+b1 xn+b 2 x n -(b

7、 1 /b 2 +2a)/ 2 1/2 -12 1/2 ? (4b 2 bo-b 1 )tg 2b 2 xn+b 1 /(4b 2 bo-b 1 ) ? xn=(y-Rp)/ ? Rp a=- ?1 (? 2 +3)/A 2 ? bo=-(4 ? 2 -3 ?1 )/A b 1 =a ? b 2 =-(2 ? 2 -3 ?1 2 -6)/A A=10 ? 2 -12 ?1 2 -18 硼離子注入分布 橫向分布 N(y) -a +a y 橫向分布 ? 等濃度線 P+ 50kev 100kev 150kev P-Si 1/222 N(x,y,z)=N(x)=D /(2 ?)? Rpexp-(x-R

8、p)/2 ? Rp ( ?)1/2 erfc(y-a)/(2 1/2 ? Rt) 目錄 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 溝道效應(yīng)溝道效應(yīng) 損傷和退火 離子注入機(jī) 離子注入的應(yīng)用 離子注入工藝模擬 溝道效應(yīng) 單晶靶中的射程分布 溝道效應(yīng) 單晶靶中的射程分布 A 大于? c入射 C 小于? c 臨界 角? c B 稍小于? c ? c（2Z1 Z 2 21/2 e /Ed) 50kev ? c 2.9 -5.2 能量對(duì)溝道效應(yīng)影響 1E5 P 32 (110) Si 100kev 計(jì) 數(shù) 1E3 1E2 12kev 1E4 40kev 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度um 劑量對(duì)溝

9、道效應(yīng)影響 1E4 P 32 (110) Si 1E3 1E2 1E1 7E14/cm 2 9E13/cm 2 1E13/cm 2 0.4 0.8 1.2 1.6 um 取向?qū)系佬?yīng)影響 1E4 1E3 1E2 偏8 1E1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度（ um） 偏2 P 32 (110) Si 40kev 準(zhǔn)直 溫度對(duì)溝道效應(yīng)影響 P 32 (110) Si 40kev 1E4 計(jì) 數(shù) 1E2 1E1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度 （um) 1E3 室溫 400 C 目錄 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 溝道效應(yīng) 損傷和退火損傷和退火 離子注入機(jī) 離子

10、注入的應(yīng)用 離子注入工藝模擬 離子注入損傷過(guò)程 ? 高能離子與晶格原子核碰撞，能量傳遞 給晶格原子晶格原子離開晶格位置 移位原子有足夠能量與其他襯底原子碰 撞產(chǎn)生額外移位原子在入射離子路 徑周圍產(chǎn)生大量缺陷（空位和間隙原子） 形成襯底損傷區(qū) 離子注入損傷 輕離子 （B） 畸變團(tuán) 損傷區(qū) 重離子 （As) Rp 離子注入損傷臨界劑量 ? 損傷隨劑量增加而增加，達(dá)到損傷完全 形成（非晶層，長(zhǎng)程有序破壞）時(shí)的劑 量稱臨界劑量臨界劑量? ? th ? 注入離子質(zhì)量小?th大 ? 注入溫度高?th大 ? 注入劑量率高，缺陷產(chǎn)生率高 ? th 小 離子注入損傷臨界劑量 ? ? th -2 (cm) 10

11、17 10 16 B 10 15 10 14 2 4 6 8 P Sb 10 1000/T(K) 損傷的去除退火 ? 損傷對(duì)電特性影響 * 注入雜質(zhì)不在替代位置載流子濃度低 * 晶格缺陷多散設(shè)中心多載流子遷移率低， 壽命低pn結(jié)漏電 ? 退火的作用 * 高溫下原子發(fā)生振動(dòng)，重新定位或發(fā)生再結(jié)晶 （固相外延），使晶格損傷恢復(fù) * 雜質(zhì)原子從間隙狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘嫖粻顟B(tài)，成為受 主或施主中心電激活 退火效應(yīng)硼 退火效應(yīng)硼，磷，砷比較 載 1e15 流 子 5e15 濃 度 1e14 (cm -3 ) 5e14 As+ P+ B+ B+ 100kev P+ 200kev As+80kev 1x10 15

12、/cm 3 4 5 6 7 8 9 x100C 退火溫度 退火溫度和劑量的關(guān)系 ? 退火溫度退火30min，有90%摻雜原子 被激活的溫度 1000 退 火 800 溫 度700 (Co ) 600 500 10 13 10 14 900 B T a =30 P 10 15 劑量 （cm- 2 ） 10 16 快速熱退火(RTA) 退火技術(shù)比較 傳統(tǒng)爐管 工藝 整批 爐管 熱壁 加熱率 低 溫控 爐管 熱預(yù)算 高 顆粒 多 均勻，重復(fù)性 高 產(chǎn)率 高 RTA 單片 冷壁 高 硅片 低 少 低 低 目錄 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 溝道效應(yīng) 損傷和退火 離子注入機(jī)離子注入機(jī) 離子注入的應(yīng)

13、用 離子注入工藝模擬 離子注入機(jī) ? ? ? ? ? ? ? ? 按能量分 低能 300kev 按束流分 弱流 uA 中束流 100uA-1mA 大束流 mA NV-6200A 350D (200kev,1mA) 1080(80kev, 10mA) 10160(160k ev,10mA) 離子注入機(jī)結(jié)構(gòu) 離子注入機(jī)結(jié)構(gòu) 離子 源 分析 系統(tǒng) 加速 系統(tǒng) 聚焦 掃描 靶室 電源 真空 冷卻 控制測(cè)量 離子源 ? ? ? ? ? ? 離子種類 能產(chǎn)生多種元素的離子束 束流強(qiáng)度 決定生產(chǎn)效率 束流品質(zhì) 壽命 氣體利用效率 束流/耗氣量 功率利用效率 束流/功耗 離子源 ? 電子碰撞型離子源 ? 氣體

14、供給系 ? 固體蒸發(fā)源 離子源 離子源 燈絲 放電腔 磁鐵 Gas 吸極 注入材料形態(tài)選擇 材料 硼 磷 氣態(tài) BF 3 PH 3 固態(tài) - 紅磷 砷 銻 AsH 3 固態(tài)砷，As 2 O3 Sb 2 O3 質(zhì)量分析系統(tǒng) ? ? ? ? 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到洛倫茲力 F=qVxB 粒子作圓周運(yùn)動(dòng)，半徑為 1/2 R=mv/qB=(2mE) /qB 質(zhì)量分析系統(tǒng) 加速聚焦系統(tǒng) ? 靜電加速管 E=ZV V加速電壓 y ? 聚焦透鏡 Va V(x,y)=1/2(x 2 -y 2 ) x Va a 掃描系統(tǒng) ? 掃描是為了保證注入均勻性 ? 掃描方式 電掃描 樣品固定，電子束掃描 機(jī)械掃描 束流

15、固定，樣品運(yùn)動(dòng) 混合掃描 x向電掃描，樣品運(yùn)動(dòng) 掃描系統(tǒng) 電掃描偏轉(zhuǎn) y v l 偏轉(zhuǎn)電壓V D z L d D=VlL/2vd 電掃描 ? 三角波和鋸齒波 ? 過(guò)掃描 ? 掃描頻率 快掃描頻率(x)不等于慢掃描頻 率(y)的整數(shù)倍 目錄 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 溝道效應(yīng) 損傷和退火 離子注入機(jī) 離子注入的應(yīng)用離子注入的應(yīng)用 離子注入工藝模擬 離子注入的應(yīng)用 ? 雙極IC 埋層，隔離，基區(qū)，高電阻，淺發(fā)射區(qū) ? CMOS IC 阱，Vt調(diào)節(jié)，場(chǎng)區(qū)，淺源漏結(jié)，LDD結(jié)構(gòu) 離子注入的應(yīng)用(SOI) ? SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen

16、) 形成 SOI結(jié)構(gòu) 18 能量150-200kev, 劑量12x10 /cm2, Rp 0,10.2um SiO2 厚度0.10.5um Si SiO2 Si SOI MOSFET Poly Si N+ N+ SiO2 Si 目錄 ? ? ? ? ? ? 射程和分布 溝道效應(yīng) 損傷和退火 離子注入機(jī) 離子注入的應(yīng)用 離子注入工藝模擬離子注入工藝模擬 離子注入工藝模擬(SUPREM) ? TITLE: Boron Implant ? # Initialize the silicon substrate. ? Initialize Silicon Phosphorus Resistivity=10 Thick=4 dX=.02 xdX=.05 Spaces=2