半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)第七章 摻雜技術(shù)-離子注入

1、第七章第七章 離子注入離子注入（Ion Implantation）離子注入概述離子注入概述n最早應(yīng)用于原子物理和核物理研究n提出于1950sn1970s中期引入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域 離子注入是另一種對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的方法。將雜質(zhì)電離離子注入是另一種對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的方法。將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場(chǎng)中加速而獲得極高的動(dòng)能后，成離子并聚焦成離子束，在電場(chǎng)中加速而獲得極高的動(dòng)能后，注入到硅中（稱(chēng)為注入到硅中（稱(chēng)為 ）而實(shí)現(xiàn)摻雜。）而實(shí)現(xiàn)摻雜。 離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場(chǎng)或離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場(chǎng)或磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，能在高壓下加速而獲得很高的動(dòng)能。磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，

2、能在高壓下加速而獲得很高的動(dòng)能。 摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、打孔、切摻雜、曝光、刻蝕、鍍膜、退火、凈化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的離子能量割等。不同的用途需要不同的離子能量 E ： E 50 KeV，注入摻雜，注入摻雜 離子束加工方式可分為離子束加工方式可分為 1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（掃描方式，或聚焦離子束、聚焦方式（掃描方式，或聚焦離子束（FIB）方式）方式） 掩模方式是對(duì)整個(gè)硅片進(jìn)行均勻的地毯式注入，同時(shí)象擴(kuò)掩模方式是對(duì)整個(gè)硅片進(jìn)行均勻的地毯式注入，同時(shí)象擴(kuò)散工藝一樣使用掩蔽膜來(lái)對(duì)選擇性區(qū)域進(jìn)行摻雜。擴(kuò)散工藝的散工藝一樣使

3、用掩蔽膜來(lái)對(duì)選擇性區(qū)域進(jìn)行摻雜。擴(kuò)散工藝的掩蔽膜必須是掩蔽膜必須是 SiO2 膜，而離子注入的掩蔽膜膜，而離子注入的掩蔽膜可以是可以是 SiO2 膜膜，也可以是光刻膠等其他薄膜。也可以是光刻膠等其他薄膜。 掩模方式用于摻雜與刻蝕時(shí)的優(yōu)點(diǎn)掩模方式用于摻雜與刻蝕時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是是 所以應(yīng)用比較早，工藝比較成熟。缺點(diǎn)是所以應(yīng)用比較早，工藝比較成熟。缺點(diǎn)是 1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式） 聚焦方式的優(yōu)點(diǎn)是聚焦方式的優(yōu)點(diǎn)是 缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是 實(shí)現(xiàn)聚焦方式的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)聚焦方式的關(guān)鍵技術(shù)是 1、高亮度小束斑長(zhǎng)壽命高穩(wěn)定的離子源；、高亮度小束斑長(zhǎng)壽命高穩(wěn)定的離子源； 2、將離子束聚焦成亞微米數(shù)量級(jí)細(xì)

4、束并使之偏轉(zhuǎn)掃描的、將離子束聚焦成亞微米數(shù)量級(jí)細(xì)束并使之偏轉(zhuǎn)掃描的離子光學(xué)系統(tǒng)。離子光學(xué)系統(tǒng)。2、聚焦方式（掃描方式、聚焦方式（掃描方式) 用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有 BF3、 AsH3 和和 PH3 等。等。 不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。且離子束很純。 為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)重要參量。是決定

5、離子注入深度的一個(gè)重要參量。 利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。 用來(lái)將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)用來(lái)將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。毫米的離子束。用來(lái)實(shí)現(xiàn)離子束用來(lái)實(shí)現(xiàn)離子束 x x、y y 方向的一方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。放置樣品的地方，其位置可調(diào)。放置樣品的地方，其位置可調(diào)。 作用：產(chǎn)生所需種類(lèi)的離子并將其引出形成離子束。作用：產(chǎn)生所需種類(lèi)的離子并將其引出形成離子束。 分類(lèi)：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（分類(lèi)：等離子體型離子源、液態(tài)金屬離子源（LMIS）。）。 掩模方式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體掩模方

6、式需要大面積平行離子束源，故一般采用等離子體型離子源，其典型的有效源尺寸為型離子源，其典型的有效源尺寸為 100 m ，亮度為，亮度為 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式則需要高亮度小束斑離子源，當(dāng)液態(tài)金屬離子源聚焦方式則需要高亮度小束斑離子源，當(dāng)液態(tài)金屬離子源（LMIS）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。LMIS 的典型有效源尺寸為的典型有效源尺寸為 5 500 nm，亮度為，亮度為 106 107 A/ /cm2.sr 。 這里的這里的 是指部分電離的氣體。雖然等離子體中的是指部分電離的氣體。雖然等離子體中的電離成分可能不到萬(wàn)分之一，其密度、壓力、溫度等物理量仍電離成分

7、可能不到萬(wàn)分之一，其密度、壓力、溫度等物理量仍與普通氣體相同，正、負(fù)電荷數(shù)相等，宏觀上仍為電中性，但與普通氣體相同，正、負(fù)電荷數(shù)相等，宏觀上仍為電中性，但其電學(xué)特性卻發(fā)生了很大變化，成為一種電導(dǎo)率很高的流體。其電學(xué)特性卻發(fā)生了很大變化，成為一種電導(dǎo)率很高的流體。 產(chǎn)生等離子體的方法有熱電離、光電離和電場(chǎng)加速電離。產(chǎn)生等離子體的方法有熱電離、光電離和電場(chǎng)加速電離。大規(guī)模集成技術(shù)中使用的等離子體型離子源，主要是由電場(chǎng)加大規(guī)模集成技術(shù)中使用的等離子體型離子源，主要是由電場(chǎng)加速方式產(chǎn)生的，如直流放電式、射頻放電式等。速方式產(chǎn)生的，如直流放電式、射頻放電式等。 LMIS 是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種是近幾年發(fā)

8、展起來(lái)的一種的的離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成 的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、刻以實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、刻蝕等。蝕等。 針形針形V 形形螺旋形螺旋形同軸形同軸形毛細(xì)管形毛細(xì)管形液態(tài)金屬液態(tài)金屬鎢針鎢針類(lèi)型類(lèi)型 (1) 與容器及鎢針不發(fā)生任何反應(yīng)；與容器及鎢針不發(fā)生任何反應(yīng)； (2) 能與鎢針充分均勻地浸潤(rùn)；能與鎢針充分均勻地浸潤(rùn)； (3) 具有低熔點(diǎn)低蒸汽壓，以便在真空中及不太高的溫具有低熔點(diǎn)低蒸汽壓，以便在真空中及不太高的

9、溫度下既保持液態(tài)又不蒸發(fā)。度下既保持液態(tài)又不蒸發(fā)。 能同時(shí)滿(mǎn)足以上條件的金屬只有能同時(shí)滿(mǎn)足以上條件的金屬只有 Ga、In、Au、Sn 等少等少數(shù)幾種，其中數(shù)幾種，其中 是最常用的一種。是最常用的一種。 E1 是主高壓，即離子束的是主高壓，即離子束的加速電壓；加速電壓；E2 是針尖與引出極是針尖與引出極之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針尖表之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針尖表面上液態(tài)金屬的形狀，并將離面上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出；子引出；E3 是加熱器電源。是加熱器電源。E1E2E3 針尖的曲率半徑為針尖的曲率半徑為 ro = 1 5 m，改變，改變 E2 可以調(diào)節(jié)針尖與可以調(diào)節(jié)針尖與引出極之間的電場(chǎng)，使液態(tài)金屬

10、在針尖處形成一個(gè)圓錐，此圓引出極之間的電場(chǎng)，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個(gè)圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃藉F頂?shù)那拾霃?僅有僅有 10 nm 的數(shù)量級(jí)，這就是的數(shù)量級(jí)，這就是 LMIS 能產(chǎn)生小能產(chǎn)生小束斑離子束的關(guān)鍵。束斑離子束的關(guān)鍵。引引出出極極 當(dāng)當(dāng) E2 增大到使電場(chǎng)超過(guò)液態(tài)金屬增大到使電場(chǎng)超過(guò)液態(tài)金屬的場(chǎng)蒸發(fā)值（的場(chǎng)蒸發(fā)值（ Ga 的場(chǎng)蒸發(fā)值為的場(chǎng)蒸發(fā)值為 15.2V/ /nm）時(shí)，液態(tài)金屬在圓錐頂處）時(shí)，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場(chǎng)蒸發(fā)與場(chǎng)電離，發(fā)射金屬離子與產(chǎn)生場(chǎng)蒸發(fā)與場(chǎng)電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，而金屬電子。其中電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形成離子束。離子

11、則被引出極拉出，形成離子束。 若改變?nèi)舾淖?E2 的極性的極性 ，則可排斥離子，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。而拉出電子，使這種源改變成電子束源。E1E2E3引引出出極極 通常用來(lái)對(duì)各種半導(dǎo)體進(jìn)行離子注入摻雜的元素因?yàn)槿埸c(diǎn)通常用來(lái)對(duì)各種半導(dǎo)體進(jìn)行離子注入摻雜的元素因?yàn)槿埸c(diǎn)高或蒸汽壓高而無(wú)法制成單體高或蒸汽壓高而無(wú)法制成單體 LMIS 。 根據(jù)冶金學(xué)原理，由兩種或多種金屬組成的合金，其熔點(diǎn)根據(jù)冶金學(xué)原理，由兩種或多種金屬組成的合金，其熔點(diǎn)會(huì)大大低于組成這種合金的單體金屬的熔點(diǎn)，從而可大大降低會(huì)大大低于組成這種合金的單體金屬的熔點(diǎn)，從而可大大降低合金中金屬處于液態(tài)時(shí)的蒸汽壓。合金

12、中金屬處于液態(tài)時(shí)的蒸汽壓。 例如，金和硅的熔點(diǎn)分別為例如，金和硅的熔點(diǎn)分別為 1063oC 和和 1404oC，它們?cè)诖?，它們?cè)诖藴囟葧r(shí)的蒸汽壓分別為溫度時(shí)的蒸汽壓分別為 10-3 Torr 和和 10-1 Torr。當(dāng)以適當(dāng)組分組。當(dāng)以適當(dāng)組分組成合金時(shí)，其熔點(diǎn)降為成合金時(shí)，其熔點(diǎn)降為 370 oC ，在此溫度下，金和硅的蒸汽壓，在此溫度下，金和硅的蒸汽壓分別僅為分別僅為 10-19 Torr 和和 10-22 Torr。這就滿(mǎn)足了。這就滿(mǎn)足了 LMIS 的要求。的要求。 對(duì)所引出的離子再進(jìn)行質(zhì)量分析，就可獲得所需的離子。對(duì)所引出的離子再進(jìn)行質(zhì)量分析，就可獲得所需的離子。 1、 質(zhì)量分析器質(zhì)

13、量分析器 由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成，E 與與 B 的方向的方向相互垂直。相互垂直。EBOydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光闌光闌fem(),( )VFqEqjdFqvBqvB j122aam21,2qVqVmvvFm由得代入得：12am2( )qVFqB jmdOyvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光闌光闌12afem2qVVFFqqBdm當(dāng)時(shí)，即當(dāng)時(shí)，離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的 為為2fo22a2Vqqmd B V 對(duì)于某種荷質(zhì)比為對(duì)于某種荷質(zhì)比為 qo 的所需離子，可通過(guò)調(diào)

14、節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓的所需離子，可通過(guò)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓 Vf 或偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng) B ，使之滿(mǎn)足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)，使之滿(mǎn)足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過(guò)光闌。而通過(guò)光闌。12foaf12oa(2) ,(2)VdBq VVBdq V或 通常是調(diào)節(jié)通常是調(diào)節(jié) Vf 而不是調(diào)節(jié)而不是調(diào)節(jié) B。 當(dāng)荷質(zhì)比為當(dāng)荷質(zhì)比為 qo 的離子不被偏轉(zhuǎn)時(shí)，具有荷質(zhì)比為的離子不被偏轉(zhuǎn)時(shí)，具有荷質(zhì)比為qs = q/ /ms 的其它離子的偏轉(zhuǎn)量的其它離子的偏轉(zhuǎn)量 Db 為為bffd21dfff2saaa11242Dy LyLLL LVLBq VdVVdOyvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光闌光闌 將前面的將前

15、面的 B 的表達(dá)式的表達(dá)式代入代入 Db ，得，得sfffbdao1122qV LLDLV dqGf12oa(2)VBdq Vso1eGe (1) 為屏蔽荷質(zhì)比為為屏蔽荷質(zhì)比為 qs 的離子，光闌半徑的離子，光闌半徑 D 必須滿(mǎn)足必須滿(mǎn)足so1qDGq (2) 若若 D 固定，則具有下列荷質(zhì)比固定，則具有下列荷質(zhì)比 的離子可被屏蔽，的離子可被屏蔽，22soso11DDqqqqGG或 而滿(mǎn)足下列荷質(zhì)比的離子均可通過(guò)光闌，而滿(mǎn)足下列荷質(zhì)比的離子均可通過(guò)光闌，22oso11DDqqqGG 以上各式可用于評(píng)價(jià)以上各式可用于評(píng)價(jià) 質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。BE 2、磁質(zhì)量分析器、磁質(zhì)量

16、分析器光闌光闌1光闌光闌2vmFBr12am2qVFqvBqBm為向心力，使離子作圓周運(yùn)動(dòng)，為向心力，使離子作圓周運(yùn)動(dòng)，半徑為半徑為1122aa22o22mVVmvrqBqBq B 從上式可知，滿(mǎn)足荷質(zhì)比從上式可知，滿(mǎn)足荷質(zhì)比 的離子可通過(guò)光闌的離子可通過(guò)光闌 2。ao222Vqr B或者對(duì)于給定的具有荷質(zhì)比為或者對(duì)于給定的具有荷質(zhì)比為 qo 的離子，可通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的離子，可通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng) B 使之滿(mǎn)足下式，從而使該種離子通過(guò)光闌使之滿(mǎn)足下式，從而使該種離子通過(guò)光闌 2，12a2o2VBq r 另外，若固定另外，若固定 r 和和 Va ，通過(guò)連續(xù)改變，通過(guò)連續(xù)改變 B ，可使具有不同，可使具有不

17、同荷質(zhì)比的離子依次通過(guò)光闌荷質(zhì)比的離子依次通過(guò)光闌 2，測(cè)量這些不同荷質(zhì)比的離子束，測(cè)量這些不同荷質(zhì)比的離子束流的強(qiáng)度，可得到入射離子束的質(zhì)譜分布。流的強(qiáng)度，可得到入射離子束的質(zhì)譜分布。 其余的離子則不能通過(guò)光闌其余的離子則不能通過(guò)光闌 2，由此達(dá)到分選離子的目的。，由此達(dá)到分選離子的目的。 在在 質(zhì)量分析器中，所需離子不改變方向，但在輸出質(zhì)量分析器中，所需離子不改變方向，但在輸出的離子束中容易含有中性粒子。磁質(zhì)量分析器則相反，所需離的離子束中容易含有中性粒子。磁質(zhì)量分析器則相反，所需離子要改變方向，但其優(yōu)點(diǎn)是中性粒子束不能通過(guò)。子要改變方向，但其優(yōu)點(diǎn)是中性粒子束不能通過(guò)。EB 離子注入過(guò)程：

18、入射離子與半導(dǎo)體（靶）的原子核和電子離子注入過(guò)程：入射離子與半導(dǎo)體（靶）的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過(guò)一段曲折路徑的不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過(guò)一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)后，因動(dòng)能耗盡而停止在某處。運(yùn)動(dòng)后，因動(dòng)能耗盡而停止在某處。yx0z 離子從入射點(diǎn)到靜止點(diǎn)所通過(guò)的總路程。離子從入射點(diǎn)到靜止點(diǎn)所通過(guò)的總路程。射程的平均值，記為射程的平均值，記為 R 。射程在入射方向上的投影長(zhǎng)度，記為射程在入射方向上的投影長(zhǎng)度，記為 xp 。 投影射程的平均值，記為投影射程的平均值，記為 RP 。 2pppRxRyxpxpypz0z nnddESxeeeddESkExneneddd

19、dEEESSxP0000P0nedddddREEEERxExSS由此可得平均投影射程為由此可得平均投影射程為 入射離子能量損失的原因是受到入射離子能量損失的原因是受到 核阻擋核阻擋 與與 電子阻擋。電子阻擋。 核阻擋核阻擋 電子阻擋電子阻擋 一個(gè)入射離子在一個(gè)入射離子在 dx 射程內(nèi)，由于與核及電子碰撞而失去射程內(nèi)，由于與核及電子碰撞而失去的總能量為的總能量為 Se 的計(jì)算較簡(jiǎn)單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。的計(jì)算較簡(jiǎn)單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。 Sn 的計(jì)算比較復(fù)雜，而且無(wú)法得到解析形式的結(jié)果。下的計(jì)算比較復(fù)雜，而且無(wú)法得到解析形式的結(jié)果。下圖是數(shù)值計(jì)算得到的曲線形式的結(jié)果。

20、圖是數(shù)值計(jì)算得到的曲線形式的結(jié)果。 ddExed()dExnd()dExE1E2E02EE在處，Sn = Se (2) 當(dāng)當(dāng) E0 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于 E2 所對(duì)應(yīng)的能量值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的能量值時(shí)，Sn Se ，以核阻擋為主，此時(shí)散射角較大，離子，以核阻擋為主，此時(shí)散射角較大，離子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。 pxpxprpr在實(shí)際工作中，平均投影射程在實(shí)際工作中，平均投影射程 RP () 及標(biāo)準(zhǔn)偏差及標(biāo)準(zhǔn)偏差 RP ()與注入能量與注入能量 (KeV) 的的關(guān)系可從下圖關(guān)系可從下圖 （下表）查到。（下表）查到。 入射能量入射能量注入硅中的注入硅中的離

21、子離子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177 RP P276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256 RP P90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991 RP P3459811021221431611801987.3 離子注入的特點(diǎn)1.特點(diǎn)n可以獨(dú)立控制雜質(zhì)分布（離子能量） 和雜質(zhì)濃度（離子流密度和注入時(shí)間）n各向異性摻雜n容易獲得高濃度摻雜 （特別是：重雜質(zhì)原子

22、，如P和As等）。2.離子注入與擴(kuò)散的比較擴(kuò)散離子注入擴(kuò)散離子注入高溫，硬掩膜9001200 低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400各向同性各向異性不能獨(dú)立控制結(jié)深和濃度可以獨(dú)立控制結(jié)深和濃度2.注入與擴(kuò)散的比較3.離子注入控制n離子束流密度和注入時(shí)間控制雜質(zhì)濃度 （注入離子劑量）n離子能量控制結(jié)深n雜質(zhì)分布各向異性4.阻止機(jī)制n典型離子能量：5500keVn離子注入襯底，與晶格原子碰撞，逐漸損失其能量，最后停止下來(lái)n兩種阻止機(jī)制：核碰撞和電子碰撞n核阻止 與晶格原子的原子核碰撞 大角度散射（離子與靶原子質(zhì)量同數(shù)量級(jí)） 可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）.n電子阻止 與晶格原子的自由電子及束縛電子碰

23、撞 注入離子路徑基本不變 能量損失很少 晶格損傷可以忽略4.阻止機(jī)制 兩種阻止機(jī)制4.阻止機(jī)制總的阻止本領(lǐng)： Stotal = Sn + Se Sn: 核阻止, Se: 電子阻止n 低能區(qū)：核阻止本領(lǐng)占主要n 中能區(qū)：兩者同等重要n 高能區(qū)：電子阻止本領(lǐng)占主要固體中的電子可以看為電子氣，電子阻止類(lèi)似于黏滯氣體的阻力，電子阻止本領(lǐng)與注入離子速度成正比；空氣阻力與速度的平方成正比 4.阻止機(jī)制背散射溝道自由碰撞阻止本領(lǐng)與離子速度阻止本領(lǐng)核阻止電子阻止離子速度注入離子分布RP：投影射程，射程的平均值阻擋 200keV 離子束的阻擋層厚度典型能量：5500KeV掩膜厚度5.注入過(guò)程:注入通道 如果入射

24、角度恰好，離子能夠在不和晶格原子碰撞的情況下運(yùn)動(dòng)很遠(yuǎn)距離 會(huì)引起不可控的雜質(zhì)分布大量碰撞很少碰撞6.溝道效應(yīng)溝道中核阻止很小，電子密度也很低碰撞后引起的溝道效應(yīng)碰撞后形成的溝道效應(yīng)碰撞引起溝道引起碰撞引起注入過(guò)程: 溝道效應(yīng) 避免溝道效應(yīng)的方法 傾斜圓片, 7最常用 屏蔽氧化層（無(wú)定形） 注入前預(yù)先無(wú)定型處理 陰影效應(yīng) 離子受到掩膜結(jié)構(gòu)阻擋 旋轉(zhuǎn)圓片和注入后擴(kuò)散7.陰影效應(yīng)粒子束陰影效應(yīng)消除問(wèn)題n為什么不利用溝道效應(yīng)在離子能量不高的情況產(chǎn)生深結(jié)？答案n離子束不是完美地平行。許多離子注入襯底后會(huì)發(fā)生許多次核碰撞，只要少數(shù)一些會(huì)進(jìn)入很深的距離。7.4 注入損傷n注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子 產(chǎn)生自

25、由原子（間隙原子空位 缺陷對(duì)）n自由原子與其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成為自由原子 直到所有自由原子均停止下來(lái)，損傷才停止n一個(gè)高能離子可以引起數(shù)千個(gè)晶格原子位移一個(gè)離子引起的晶格損傷輕離子重離子注入損傷過(guò)程n離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點(diǎn)n襯底注入?yún)^(qū)變?yōu)闊o(wú)定型結(jié)構(gòu)注入前注入后7.5退火的作用n雜質(zhì)原子必須處于單晶結(jié)構(gòu)中并與四個(gè)Si原子形成共價(jià)鍵才能被激活 ，donor (N-type) 或acceptor (P-type)n高溫?zé)崮軒椭鸁o(wú)定型原子恢復(fù)單晶結(jié)構(gòu)熱退火晶格原子雜質(zhì)原子熱退火晶格原子雜質(zhì)原子熱退火晶格原子雜質(zhì)原子熱退火晶格原子雜質(zhì)原子退火前后的比較退火前退火后快速熱退火

26、 (RTA)n高溫下, 退火超越擴(kuò)散nRTA (RTP) 廣泛用于注入后退火nRTA 很快 (小于1分鐘), 更好的片間（WTW）均勻性, 最小化雜質(zhì)擴(kuò)散RTA和爐退火RTP退火爐退火問(wèn)題n高溫爐的溫度為什么不能象RTA系統(tǒng)那樣快速升溫和降溫？答案n高溫爐有很大的熱容積，需要很高的加熱功率去獲得快速升溫。很難避免快速升溫時(shí)大的溫度擺動(dòng)（溫度過(guò)沖和下沖）7.6注入工藝粒子束路徑離子注入: Plasma Flooding System 離子引起晶圓表面充電 晶圓表面充電引起非均勻摻雜和弧形缺陷 電子注入離子束中，中和晶圓表面電荷 熱鎢燈絲發(fā)射的熱電子產(chǎn)生Ar等離子體（Ar+和電子）7.7晶圓表面充

27、電n注入離子使晶圓表面帶正電n排斥正離子，引起離子束彎曲，造成不均勻雜質(zhì)分布n電弧放電引起晶圓表面損傷n使柵氧化層擊穿，降低工藝成品率n需要消除和減弱充電效應(yīng)充電效應(yīng)離子軌道電荷中和系統(tǒng)n需要提供電子中和正離子；nPlasma flooding systemn電子槍n電子噴頭Plasma Flooding SystemWafer HandlingnIon beam diameter: 25 mm (1”),nWafer diameter: 200 mm (8”) or largernNeeds to move beam or wafer, or both, to scan ion beam a

28、cross the whole wafer Spin wheel Spin disk Single wafer scanSpin WheelSpin DiskSingle Wafer Scanning SystemIon Implantation: End AnalyzernFaraday charge detectornUsed to calibrate beam current, energy and profileIon Implantation: The ProcessnCMOS applicationsnCMOS ion implantation requirementsnImpla

29、ntation process evaluationsImplantation Process: Well ImplantationImplantation Process: VT Adjust ImplantationLow Energy , Low CurrentLightly Doped Drain (LDD) ImplantationLow energy (10 keV), low current (1013/cm2)Implantation Process: S/D ImplantationnLow energy (20 keV), high current (1015/cm2)Ion Implantation ProcessesCMOS on SOI SubstrateOxygen Ion ImplantationHigh Temperature Annealing 本章首先描述了離子注入系統(tǒng)的組成部分，特別是對(duì)各種本章首先描述了離子注入系統(tǒng)的組成部分，特別是對(duì)各種離子源和質(zhì)量分析系統(tǒng)作了較詳細(xì)的介紹。離子注入后的雜質(zhì)離子源和質(zhì)量分析系統(tǒng)作了較詳細(xì)的介紹。離子注入后的雜質(zhì)濃度分布為