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第四章:離子注入技術(shù)CMOSStructurewithDopedRegionsn-channelTransistorp-channelTransistorLIoxidep–epitaxiallayerp+siliconsubstrateSTISTISTIn+p+p-welln-wellp+p–p+p–p+n+n–n+n–n+ABCEFDGHKLIJMNOn+nn++p+pp++4.1.離子注入原理4.1.1.物理原理(P.101-110) 通過改變高能離子的能量,控制注入離子在靶材料中的位置。
a) Lowdopantconcentration(n–,p–)andshallowjunction(xj)MaskMaskSiliconsubstratexjLowenergyLowdoseFastscanspeedBeamscanDopantionsIonimplanterb) Highdopantconcentration(n+,p+)anddeepjunction(xj)BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter重離子在材料中與靶原子的碰撞是“彈性”庫(kù)侖散射級(jí)聯(lián)散射EnergyLossofanImplantedDopantAtomSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-raysElectroniccollisionAtomiccollisionDisplacedSiatomEnergeticdopantionSiliconcrystallatticeFigure17.9
能量損失: 散射路徑R,靶材料密度
,阻止本領(lǐng)S能量損失(P.106~107)注入離子的分布N(x)(無電子散射) 注入劑量
0(atom/cm-2),射程:Rp
標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp
ScanningdiskwithwafersScanningdirectionFaradaycupSuppressorapertureCurrentintegratorSamplingslitindiskIonbeam
對(duì)于無定型材料,有: 為高斯分布 平均射程Page107多能量、多劑量注入4.1.2.設(shè)備AnalyzingMagnetGraphiteIonsourceAnalyzingmagnetIonbeamExtractionassemblyLighterionsHeavyionsNeutralsFigure17.14
4.2.溝道效應(yīng)和盧瑟福背散射
6.2.1.溝道效應(yīng)溝道峰溝道效應(yīng)的消除(臨界角)4.2.2.盧瑟福背散射RBS-C作用?P。112,。。。4.3.注入離子的激活與輻照損傷的消除
P.112~116 1)注入離子未處于替位位置 2)晶格原子被撞離格點(diǎn) Ea為原子的位移閾能大劑量——非晶化臨界劑量AnnealingofSiliconCrystalRepairedSilatticestructureandactivateddopant-siliconbondsb)Silatticeafterannealinga)DamagedSilatticeduringimplantIonBeamFigure17.27
熱退火:1)激活率(成活率)(%)
Si:P、B100%,As50%2)臨界通量
C(cm-2)(Fig5.13)3)退火后的雜質(zhì)再分布4)退火方式:“慢退火”,快速熱退火 分步退火5)退火完成的指標(biāo):電阻率、遷移率、少子壽命4.4.離子注入工藝中的一些問題 1。離子源:汽化高壓電離 多價(jià)問題 分子態(tài)—原子態(tài)問題 (產(chǎn)額問題)
2。選擇性摻雜的掩膜 SiO2、Si3N4、光刻膠、各種金屬膜P離子注入SiSiO2Si3N4E(keV)Rp(m)
Rp(m)Rp(m)
Rp(m)Rp(m)
Rp(m)100.0140.0070.0110.0050.0080.004200.0250.0120.0200.0080.0150.006500.0610.0250.0490.0190.0380.0141000.1240.0460.1000.0330.0770.026 有掩膜時(shí)的注入雜質(zhì)分布?ControllingDopantConcentrationandDeptha) Lowdopantconcentration(n–,p–)andshallowjunction(xj)MaskMaskSiliconsubstratexjLowenergyLowdoseFastscanspeedBeamscanDopantionsIonimplanterb) Highdopantconcentration(n+,p+)anddeepjunction(xj)BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanterFigure17.5
3。遮擋(注入陰影效應(yīng)ImplantShadowing)(P119)
4.硅片充電Resista)MechanicalscanningwithnotiltIonbeamb)ElectrostaticscanningwithnormaltiltResistIonbeamElectronShowerforWaferChargingControlAdaptedfromEatonNV10ionimplanter,circa1983++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Ionbeam-BiasedapertureElectrongunSecondaryelectrontargetSecondaryelectrons+Ion-electronrecombinationWaferFigure17.23
一次電子(幾百eV)二次電子(20eV)不能有高能電子!PlasmaFloodtoControlWaferCharging-BiasedapertureIonbeamNeutralizedatomsWaferscandirectionCurrent(dose)monitorPlasmaelectronfloodchamberArgongasinletElectronemissionChamberwall+++++++++++++++++++++++++SNSN++++++++ArArAr高能4.5.離子注入工藝的應(yīng)用 1。摻雜2。淺結(jié)形成(ShallowJunctionFormation,p116)3。埋層介質(zhì)膜的形成(page116)
如:注氧隔離工藝(SIMOX)
(SeparationbyImplantedOxygen)4。吸雜工藝 如:等離子體注入(PIII)吸雜工藝 (PlasmaImmersionIonImplantation)5。SmartCutforSOI6。聚焦離子束技術(shù)7。其它(如:離子束表面處理) BuriedImplantedLayern-wellp-wellp-
Epilayerp+Siliconsubstratep+BuriedlayerRetrogradewells埋層注入,替代埋層擴(kuò)散和外延RetrogradeWelln-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp++n++PunchthroughStopn-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++n+n++ImplantforThresholdVoltageAdjustmentn-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstraten-typedopantp-typedopantp+p++pn+n++n閾值電壓調(diào)整Source-DrainFormations++++++++----------++++++++++++++++----------------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep+S/Dimplantn+S/DimplantSpaceroxideDrainSourceDrainSourceb) p+andn+Source/drainimplants (performedintwoseparateoperations)++++++++----------n-wellp-wellp+Buriedlayerp+Siliconsubstratep-channeltransistorp–LDDimplantn-channeltransistorn–LDDimplantDrainSourceDrainSourcePolygatea) p–
and
n–
lightly-dopeddrainimplants (performedintwoseparateoperations)DopantImplantonVerticalSidewallsofTrenchCapacitor n+dopantn+p+TiltedimplantTrenchforformingcapacitor溝槽電容器(取代DRAM的平面存儲(chǔ)電容)的側(cè)壁摻雜Ultra-ShallowJunctions180nm20?gateoxide54nmarsenicimplantedlayerPolygateCMOSTransistorswithandwithoutSIMOXBuriedOxideLayera)CommonCMOSwaferconstructionn-wellp-wellEpilayerSiliconsubstrateb)CMOSwaferwithSIMOXburiedlayern-wellp-wellImplantedsilicondioxideSilicon
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