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

2、射程入射方向RpRLSS理論 單個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) R=oRdx（1/N） oEodE/Sn(E) Se(E) LSS理論核阻止本領(lǐng)和彈性碰撞M1EoM2M2M1V1V2入射粒子最大轉(zhuǎn)移能量1/2M2v22=4M1M2Eo/(M1+M2)2核阻止本領(lǐng) 粗略近似計算核阻止本領(lǐng) Sno=2.8x10-15 (Z1Z2/Z1/3 )M1/(M1+M2)（ev-cm2) 其中 Z 2/3= Z12/3+Z22/3 低能時S= Sno （Se=0） R=0.7 (Z12

3、/3+Z22/3)1/2/Z1Z2 (M1+M2)/M1Eo Rp=R/(1+M2/3M1) Rp=(2/3)(M1M2)1/2 Rp /(M1+M2)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)與入射離子的速度成正比 Sn(E)=keE1/2 其中 ke值為107(eV)1/2/cm兩種能量損失示意圖SnSeE1E2E3E-dE/dx低能區(qū)E2常見硅中雜質(zhì)的能量損失磷砷銻投影射程硼投影射程SiO2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+171.E+181.E+191.E+201.E+2

4、100.20.40.60.8深度 (um)濃度 (atm/cm3)高斯分布 幾率 P(x,E)=1/(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2 Rp2 二個參量,可查表 入射粒子劑量為D(atm/cm2),濃度分布 N(x)=D /(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2 Rp2高斯分布特點(diǎn)和應(yīng)用 1) x=Rp處Nmax Nmax=D/ (2)1/2 Rp=0.4 D/ Rp 2)平均投影射程二邊對稱，離Rp下降快N/Nmax 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 x-Rp 2Rp 3Rp 3.7Rp 4.3Rp 4.8Rp 5.3Rp 3) 求結(jié)深 若襯底濃度下降到

5、Nmax相差二個數(shù)量級時 xj Rp 3Rp高斯分布特點(diǎn)和應(yīng)用 4) 求掩蔽層厚度 一般認(rèn)為穿過掩蔽層到達(dá)襯底的離子數(shù)降到入射離子總數(shù)的0.01%時，該掩蔽層能起阻擋作用,此時應(yīng)選tmSiO2或膠SiTm=Rp 4Rp雙高斯分布N1(x)N2(x)RmN(x)xRmN(x)=D /(2)1/2 (Rp1+ Rp2)exp-(x-Rm)2/2 Rp22三個參量Rm， Rp1， Rp2Pearson- IV分布 有四個參量 2, 1, Rp , Rp N(y)=No expf(y) f(y)=1/2b2lnbo+b1xn+b2xn2-(b1/b2+2a)/ (4b2bo-b12)1/2tg-12b

6、2xn+b1/(4b2bo-b12)1/2 xn=(y-Rp)/ Rp a=- 1(2 +3)/A bo=-(42 -312)/A b1=a b2=-(22 -312 -6)/A A=102 -1212 -18硼離子注入分布橫向分布-a+ayN(y)橫向分布 等濃度線50kev100kev150kevP+P-SiN(x,y,z)=N(x)=D /(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2 Rp2 ()1/2erfc(y-a)/(21/2 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臨

7、界角cA 大于c入射C 小于cB 稍小于cc（2Z1Z2e2/Ed)1/2 50kev c 2.9-5.2 能量對溝道效應(yīng)影響1E41E31E51E2計數(shù)0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度umP32 (110) Si12kev40kev100kev劑量對溝道效應(yīng)影響1E41E31E21E17E14/cm29E13/cm21E13/cm20.4 0.8 1.2 1.6 umP32 (110) Si取向?qū)系佬?yīng)影響1E41E31E21E1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度（ um） P32 (110) Si 40kev準(zhǔn)直偏2偏8 溫度對溝道效應(yīng)影響室溫400C1E41E3

8、1E21E10.2 0.4 0.6 0.8 1.0 深度 （um)計數(shù)P32 (110) Si 40kev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) 離子注入的應(yīng)用 離子注入工藝模擬離子注入損傷過程 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）重離子（As)損傷區(qū)Rp畸變團(tuán)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，長程有序破壞）時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

9、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 (cm-2)10141015101610172468101000/T(K)BPSb損傷的去除退火 損傷對電特性影響 * 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，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4 5 6 7 8 9 x100C1e155e151e145e14載流子濃度(cm-3)B+P+As+B+ 100kevP+ 200kev

10、As+80kev1x1015/cm3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1013101410151016劑量（cm-2）BPTa=30退火溫度(C)6007008009001000500快速熱退火(RTA)退火技術(shù)比較傳統(tǒng)爐管RTA工藝整批單片爐管熱壁冷壁加熱率低高溫控爐管硅片熱預(yù)算高低顆粒多少均勻，重復(fù)性 高低產(chǎn)率高低目錄 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)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 mANV-6200A350D(200k

11、ev,1mA)1080(80kev,10mA)10160(160kev,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 氣體供給系 固體蒸發(fā)源離子源離子源Gas放電腔磁鐵吸極燈絲注入材料形態(tài)選擇材料氣態(tài)固態(tài)硼B(yǎng)F3-磷PH3紅磷砷AsH3固態(tài)砷，As2O3銻Sb2O3質(zhì)量分析系統(tǒng) 帶電粒子在磁場中運(yùn)動受到洛倫茲力 F=qVxB 粒子作圓周運(yùn)動，半徑為 R=mv/qB=(2mE)1/2/qB質(zhì)量

12、分析系統(tǒng)加速聚焦系統(tǒng) 靜電加速管 E=ZV V加速電壓 聚焦透鏡yxVaVaaV(x,y)=1/2(x2-y2)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 束流固定，樣品運(yùn)動 混合掃描 x向電掃描，樣品運(yùn)動掃描系統(tǒng)電掃描偏轉(zhuǎn)DzyvlLdD=VlL/2vd偏轉(zhuǎn)電壓V電掃描 三角波和鋸齒波 過掃描 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)，場區(qū)，淺源漏結(jié)

13、，LDD結(jié)構(gòu)離子注入的應(yīng)用(SOI) SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen)形成 SOI結(jié)構(gòu) 能量150-200kev, 劑量12x1018/cm2, Rp 0,10.2um SiO2 厚度0.10.5um SiO2SiSiSOI MOSFETN+N+SiSiO2Poly 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=200 # Grow oxide for Implant D