離子注入法介紹課件

離子注入法介紹離子注入法介紹1■概述■離子注入工藝設(shè)備及其原理■射程與入射離子的分布■實(shí)際的入射離子分布問題■注入損傷與退火■離子注入工藝的優(yōu)勢與限制離子注入(Ionlmplantation)參考資料：《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》第5章離子注入

(電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號)■概述離子注入(Ionlmplantation)參考資2■

離子注入工藝是IC制造中占主導(dǎo)的摻雜技術(shù)■離子注入：將雜質(zhì)離化，通過電場加速，將這些離化的雜質(zhì)直接打入硅片中，達(dá)到摻雜的目的■一般CMOS工藝流程需6～12次離子注入■典型的離子注入工藝參數(shù)：能量約5～200keV，

劑量約1011～1016/cm2。一、概述（一）介紹■離子注入工藝是IC制造中占主導(dǎo)的摻雜技術(shù)一、概述（一3（二）MOSFET工藝中的離子注入（二）MOSFET工藝中的離子注入4(1)

離子源——雜質(zhì)離子的產(chǎn)生(2)

加速管——雜質(zhì)離子的加速(3)

終端臺——離子的控制二、離子注入工藝設(shè)備及其原理1、離子注入技術(shù)的三大基本要素：(1)

離子的產(chǎn)生(2)

離子的加速(3)

離子的控制2、離子注入系統(tǒng)的三大組成部分：(1)離子源——雜質(zhì)離子的產(chǎn)生二、離子注入工藝設(shè)備及其原5離子注入法介紹ppt課件6■氣態(tài)源：

(或固體源)

BF3AsH3PH3SiH4H2■放電室：低氣壓、分解離化氣體

BF3

B，B+，BF2+，F(xiàn)+，

……■引出狹縫：負(fù)電位，吸引出離子（1）離子源：

離子束流量(最大mA量級)

吸極電壓Vext：約15～30KV，

決定引出離子的能量(速度)產(chǎn)生雜質(zhì)離子■氣態(tài)源：(或固體源)（1）離子源：?離子束流量7離子注入法介紹ppt課件8■出口狹縫：只允許一種(m/q)的離子離開分析儀（2）質(zhì)量分析器：■分析磁鐵：磁場方向垂直于離子束的速度方向離子運(yùn)動路徑：離子運(yùn)動速率：質(zhì)量m+m的離子產(chǎn)生的位移量選擇注入所需的雜質(zhì)成分(B+)■出口狹縫：只允許一種(m/q)的離子離開分析儀（2）質(zhì)9離子注入法介紹ppt課件10■靜電透鏡：離子束聚焦■

靜電加速器：調(diào)節(jié)離子能量■

靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：濾除中性粒子加速離子，獲得所需能量；高真空(<10-6Torr)（3）加速管：■靜電透鏡：離子束聚焦加速離子，獲得所需能量；高真空(<11

靜電光柵掃描：適于中低束流機(jī)

機(jī)械掃描：適于強(qiáng)束流機(jī)■劑量控制

法拉第杯：捕獲進(jìn)入的電荷，測量離子流

注入劑量：當(dāng)一個(gè)離子的荷電態(tài)為m時(shí)，注入劑量為：（4）終端臺：控制離子束掃描和劑量圖5.5兩種注入機(jī)掃描系統(tǒng)■離子束掃描?靜電光柵掃描：適于中低束流機(jī)當(dāng)一個(gè)離子的荷電態(tài)12■雜質(zhì)離子種類：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，…■注入能量(單位：Kev)——決定雜質(zhì)分布深度和形狀■注入劑量(單位：原子數(shù)/cm2)——決定雜質(zhì)濃度■束流(單位：mA或uA)——決定掃描時(shí)間■注入掃描時(shí)間(單位：秒)——決定注入機(jī)產(chǎn)能

當(dāng)劑量固定時(shí)，束流越大，掃描時(shí)間越短，機(jī)器產(chǎn)能越高掃描時(shí)間太短，會影響注入的均勻性(一般最短掃描時(shí)間l0s)（5）離子注入工藝控制參數(shù)■雜質(zhì)離子種類：P+，As+，B+，BF2+，P++，B13（6）雜質(zhì)劑量與雜質(zhì)濃度的關(guān)系（6）雜質(zhì)劑量與雜質(zhì)濃度的關(guān)系14■高能離子進(jìn)入靶材料后，與靶原子核及其電子碰撞，損失能量，發(fā)生散射，最后停止下來?！鲭x子在靶中的行進(jìn)路線及其停止位置是隨機(jī)的。■射程R：離子在靶中行進(jìn)的總距離■垂直投影射程Rp：離子射程在靶深度軸上的投影距離■垂直投影射程偏差△Rp：

Rp的標(biāo)準(zhǔn)偏差三、射程與入射離子的分布1、射程的概念■高能離子進(jìn)入靶材料后，與靶原子核及其電子碰撞，損失三、15■核碰撞：入射離子與靶原子核碰撞，因二者質(zhì)量為同一數(shù)量級，因此一次碰撞可使離子損失較多能量(Sn)，且可能發(fā)生大角度散射。有時(shí)還引發(fā)連續(xù)碰撞。■入射離子能量損失：2、入射離子能量損失機(jī)制■電子碰撞：入射離子與核外電子碰撞，因質(zhì)量相差很大，因此每次碰撞離子損失很少能量(Se)，且都是小角度散射?！龊伺鲎玻喝肷潆x子與靶原子核碰撞，因二者質(zhì)量為同一數(shù)■16圖5.8常見雜質(zhì)的Sn和Se與注入能量的關(guān)系■核阻滯

當(dāng)能量較低時(shí)，E

，Sn

；當(dāng)能量較高時(shí)，E

，Sn

；Sn在某能量處有最大值。在重離子、低能量注入條件下占主導(dǎo)■電子阻滯．在輕離子、高能量注入條件下占主導(dǎo)圖5.8常見雜質(zhì)的Sn和Se與注入能量的關(guān)系■核阻滯■17（1）離子投影射程Rp與入射離子質(zhì)量和能量有關(guān)；

Rp與入射離子與靶原子質(zhì)量比有關(guān)3、核阻滯理論(射程理論，LSS理論)由下式?jīng)Q定注意：Rp與

Rp可由LSS表查出（1）離子投影射程Rp與入射離子質(zhì)量和能量有關(guān)；3、核阻滯理18離子注入法介紹ppt課件19離子注入法介紹ppt課件20■離子濃度沿硅片深度的積分就是注入劑量：（2）入射離子的分布■對于無定形靶，離子濃度沿深度方向分布的一階近似關(guān)系：式中，

是注入離子劑量(/cm2)■深度為Rp時(shí)的離子濃度為最大值：■離子濃度沿硅片深度的積分就是注入劑量：（2）入射離子21寫出雜質(zhì)濃度分布公式：4、根據(jù)離子注入條件計(jì)算雜質(zhì)濃度的分布（1）已知雜質(zhì)種類(P，B，As)，離子注入能量(Kev)，靶材

(Si，SiO2，Si3N4等)求解第1步查LSS表可得到Rp和△Rp（2）已知離子注入時(shí)的注入束流I，靶面積A，注入時(shí)間t求解第2步計(jì)算離子注入劑量：求解第3步計(jì)算雜質(zhì)最大濃度：求解第4步寫出雜質(zhì)濃度分布公式：4、根據(jù)離子注入條件計(jì)算雜質(zhì)濃度的分22（3）假設(shè)襯底為反型雜質(zhì)，且濃度為NB，計(jì)算PN結(jié)結(jié)深由N(xj)=NB

可得到結(jié)深計(jì)算公式：4、根據(jù)離子注入條件計(jì)算雜質(zhì)濃度的分布（3）假設(shè)襯底為反型雜質(zhì)，且濃度為NB，計(jì)算PN結(jié)結(jié)深由N(23（4）根據(jù)分布公式，計(jì)算不同深度位置的雜質(zhì)濃度4、根據(jù)離子注入條件計(jì)算雜質(zhì)濃度的分布（4）根據(jù)分布公式，計(jì)算不同深度位置的雜質(zhì)濃度4、根據(jù)離子注245、實(shí)際雜質(zhì)分布偏差描述的改善■對于低濃度區(qū)的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：■對于硼的分布，采用PearsonIV分布描述?！鲇妹商乜宸M雜質(zhì)分布在離子注入計(jì)算機(jī)模擬工具中十分常見。(a)標(biāo)準(zhǔn)高斯分布(b)峰值略向深處偏移，尾部向表面延伸(c)峰值平坦化5、實(shí)際雜質(zhì)分布偏差描述的改善■對于低濃度區(qū)的偏差，采用25不同能量硼離子注入的分布及其與標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的差異不同能量硼離子注入的分布及其與標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的差異26■溝道效應(yīng)■橫向分布■復(fù)合靶注入四、實(shí)際的入射離子分布問題■溝道效應(yīng)四、實(shí)際的入射離子分布問題27有部分離子可能會行進(jìn)很長距離，造成較深的雜質(zhì)分布。1、溝道效應(yīng)：在單晶靶中，當(dāng)離子速度方向平行于主晶軸時(shí)，有部分離子可能會行進(jìn)很長距離，造成較深的雜質(zhì)分布。1、溝道效28離子注入法介紹ppt課件29■臨界角■

當(dāng)離子速度方向與晶軸方向夾角遠(yuǎn)大于臨界角時(shí)，

溝道效應(yīng)很小。圖5.12典型雜質(zhì)在硅中的臨界角上：<111>襯底下：<100>襯底■臨界角■當(dāng)離子速度方向與晶軸方向夾角遠(yuǎn)大于臨界角30（1）偏軸注入：一般選取5

～7

傾角，入射能量越小，所需傾角越大（2）襯底非晶化預(yù)處理：進(jìn)行一次高劑量Ar+注入，使硅表面