硅集成電路工藝-離子注入IonImplantation課件

1、Chap.4 離子注入（Ion Implantation）離子注入摻雜的優(yōu)、缺點(diǎn)1兩種碰撞（阻止）模型2注入離子的分布（溝道效應(yīng)）3注入損傷及其消除（熱退火）45離子注入系統(tǒng)天津工業(yè)大學(xué)離子注入的優(yōu)點(diǎn):摻雜純度高，污染??；摻雜的均勻性和重復(fù)性好；工作溫度低，工藝靈活性大；摻雜深度和摻雜濃度可精確獨(dú)立地控制；最大摻雜濃度不受固溶度限制；低溫工藝避免高溫引起的熱缺陷；離子注入直進(jìn)性，橫向效應(yīng)小；掩蔽膜作為保護(hù)膜，污染小；適合化合物摻雜；可發(fā)展成無掩膜的離子束技術(shù)。天津工業(yè)大學(xué)Self-alignment（自對準(zhǔn)摻雜）天津工業(yè)大學(xué)離子注入的缺點(diǎn)：入射離子對襯底有損傷；很淺和很深的結(jié)難于制得；高劑量注

2、入產(chǎn)率受限制；設(shè)備昂貴。天津工業(yè)大學(xué)4.1 離子注入機(jī)理 核碰撞（核阻止）和晶格原子的原子核發(fā)生碰撞發(fā)生明顯的散射造成大量晶格損傷 Sn(E)=(dE/dx)n 電子碰撞（電子阻止）和晶格原子的電子發(fā)生碰撞注入離子的路徑基本不發(fā)生變化能量轉(zhuǎn)移很小造成的晶格損傷很小 Se(E)=(dE/dx)eLSS理論：S=Sn+Se天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)曲線能量較低，質(zhì)量較大的離子，主要是通過核阻止損失能量能量較高，質(zhì)量較小的離子，主要是通過電子阻止損失能量天津工業(yè)大學(xué)4.2 注入離子在無定形靶中的分布射程、投影射程、平均投影射程天津工業(yè)大學(xué)常見雜質(zhì)在硅中的平均射程天津工業(yè)大學(xué)溝道

3、效應(yīng)（Channeling Effect）天津工業(yè)大學(xué)溝道效應(yīng)的概念（見書）溝道效應(yīng)的消除方法：使晶體的主軸方向偏離注入方向（7度左右，陰影現(xiàn)象）在晶體表面覆蓋介質(zhì)膜，散射后改變注入離子的方向表面預(yù)非晶化（注入鍺）天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)4.3 離子注入系統(tǒng)天津工業(yè)大學(xué) 離子注入系統(tǒng)： 離子源（離子發(fā)生器，分析器） 加速及聚焦系統(tǒng) （先分析后加速，先加速后分析，前后加速，中間分析） 終端臺(tái)（掃描器，偏束板，靶室）天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)磁分析器原理帶電離子在磁場中運(yùn)動(dòng)：洛倫茲力=向心力BF3 B, B+, BF2+, F- .天津工業(yè)大學(xué)加速和聚焦系統(tǒng) 利用各種電極可以很方便地對離

4、子束進(jìn)行加速和聚焦：先加速，后分析：避免離子在到達(dá)硅片之前丟失電荷，但需要大磁場；先分析，后加速：分析器較小，但加速過程中電荷交換影響束流強(qiáng)度和純度；前后加速，中間分析：調(diào)節(jié)方便，范圍寬天津工業(yè)大學(xué)終端臺(tái) 1. 掃描器靶靜止，離子束X,Y向運(yùn)動(dòng)靶X向移動(dòng)，離子束Y向移動(dòng)離子束靜止，靶X,Y向移動(dòng).天津工業(yè)大學(xué) 2. 偏束板離子束在運(yùn)動(dòng)過程中可以和熱電子發(fā)生電荷交換，形成中性粒子，影響注入均勻性加入靜電偏轉(zhuǎn)電極，一般5度左右，中性束不能偏轉(zhuǎn)而去除天津工業(yè)大學(xué)離子束中和系統(tǒng)天津工業(yè)大學(xué) 3. 靶室（工作室）樣品架法拉第杯（控制注入劑量）天津工業(yè)大學(xué)4.4 注入損傷級(jí)聯(lián)碰撞： 不同能量的注入離子與靶

5、原子發(fā)生碰撞的情況：EEd，不會(huì)產(chǎn)生移位原子，表現(xiàn)形式為宏觀熱能；EdE2Ed，被撞原子本身移位之后，還有足夠高的能量于其他原子發(fā)生碰撞使其移位，這種不斷碰撞的現(xiàn)象稱為“級(jí)聯(lián)碰撞”。天津工業(yè)大學(xué)一個(gè)離子的級(jí)聯(lián)碰撞引起的晶格損傷：天津工業(yè)大學(xué)注入損傷的形式產(chǎn)生孤立的點(diǎn)缺陷或缺陷群（E=Ed)形成非晶區(qū)域（移位原子數(shù)接近原子密度，低劑量重離子）大劑量的注入?yún)^(qū)甚至?xí)纬煞蔷犹旖蚬I(yè)大學(xué)4.5 熱退火 Thermal Annealing晶格損傷的危害：增加散射中心，使載流子遷移率下降增加缺陷中心，使非平衡少數(shù)載流子壽命減少，pn結(jié)漏電流增大注入離子大多處于間隙位置，起不到施主或者受主的作用，晶格損傷

6、造成的破壞使之更難處于替位位置，非晶區(qū)的形成更使得注入的雜質(zhì)根本起不到作用。天津工業(yè)大學(xué)熱退火的定義和目的 定義：將注入離子的硅片在一定溫度和氛圍下，進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的熱處理的過程。 目的：減少或消除硅片中的晶格損傷，恢復(fù)其少子壽命和遷移率；使摻入的雜質(zhì)進(jìn)入晶格位置，實(shí)現(xiàn)一定比例的電激活天津工業(yè)大學(xué)熱退火過程（固相外延）天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)快速退火 Rapid Thermal Annealing (RTA)普通熱退火需要經(jīng)過長時(shí)間的高溫過程，會(huì)導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布，還可能造成硅片翹曲變形快速退火的目的：降低退火溫度或縮短退火時(shí)間快速退火手段：脈沖激光；脈沖電子束；掃描電子束等天津工業(yè)大學(xué)小結(jié)離子注入相比于擴(kuò)散的優(yōu)缺點(diǎn)兩種碰撞（阻止）模型及其適用情況注入