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1、第 5 章 離子注入,離子注入是另一種對半導(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，在電場中加速而獲得極高的動能后，注入到硅中（稱為 “靶” ）而實現(xiàn)摻雜。,離子束的性質(zhì) 離子束是一種帶電原子或帶電分子的束狀流，能被電場或磁場偏轉(zhuǎn)，能在電場中被加速而獲得很高的動能。 離子束的用途 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 E ， E 50 KeV ，注入摻雜,離子束加工方式 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（掃描方式，或聚焦離子束 (FIB) 方式）,掩模方式是對整個硅片進(jìn)行均勻的地毯式注入，同時象擴(kuò)散工藝一樣使用掩蔽膜來對選擇性區(qū)域

2、進(jìn)行摻雜。擴(kuò)散工藝的掩蔽膜只能是 SiO2 膜 ，而離子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 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的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，設(shè)備相對簡單，控制容易，所以應(yīng)用比較早，工藝比較成熟。缺點是 需要制作掩蔽膜。,離子注入,聚焦方式的優(yōu)點是不需掩模，圖形形成靈活。缺點是 生產(chǎn)效率低，設(shè)備復(fù)雜，控制復(fù)雜。聚焦方式的關(guān)鍵技術(shù)是 1、高亮度、小束斑、長壽命、高穩(wěn)定的離子源； 2、將離子束聚焦成亞微米數(shù)量級細(xì)束并使之偏轉(zhuǎn)掃描的離子光學(xué)系統(tǒng)。,5.1 離子注入系統(tǒng),離子源：用于離化雜質(zhì)的容器。常用的雜質(zhì)源氣體有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 質(zhì)量分析器：不同的離子具

3、有不同的質(zhì)量與電荷，因而在質(zhì)量分析器磁場中偏轉(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。 加速器：為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。 中性束偏移器：利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。 聚焦系統(tǒng)：將離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。 偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：使離子束沿 x、y 方向掃描。 工作室（靶室）：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。,一、離子源 作用：產(chǎn)生所需種類的離子并將其引出形成離子束。 分類：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型離子源，其典型的有效源尺寸為 100 m ，亮度為 10

4、 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（LMIS）出現(xiàn)后才得以順利發(fā)展。LMIS 的典型有效源尺寸為 5 500 nm，亮度為 106 107 A/cm2.sr 。,1、等離子體型源,這里的 等離子體 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，主要是由電場加速方式產(chǎn)生的，如直流放電式、射頻放電式等。,離子源,

5、Gas,放電腔,磁鐵,吸極,燈絲,2、液態(tài)金屬離子源（LMIS）,LMIS 是近幾年發(fā)展起來的一種 高亮度小束斑 的離子源，其離子束經(jīng)離子光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可形成 納米量級 的小束斑離子束，從而使得聚焦離子束技術(shù)得以實現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用于離子注入、離子束曝光、離子束刻蝕等。,LMIS 的類型、結(jié)構(gòu)和發(fā)射機(jī)理,針形,V 形,螺旋形,同軸形,毛細(xì)管形,液態(tài)金屬,鎢針,類型,對液態(tài)金屬的要求 (1) 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； (3) 具有低熔點低蒸汽壓，以便在真空中及不太高的溫度下既保持液態(tài)又不蒸發(fā)。 能滿足以上條件的金屬只有 Ga、In、Au、Sn 等少數(shù)幾種，其

6、中 Ga 是最常用的一種。,E1 是主高壓，即離子束的加速電壓；E2 是針尖與引出極之間的電壓，用以調(diào)節(jié)針尖表面上液態(tài)金屬的形狀，并將離子引出；E3 是加熱器電源。,E1,E2,E3,針尖的曲率半徑為 ro = 1 5 m，改變 E2 可以調(diào)節(jié)針尖與引出極之間的電場，使液態(tài)金屬在針尖處形成一個圓錐，此圓錐頂?shù)那拾霃?僅有 10 nm 的數(shù)量級，這就是 LMIS 能產(chǎn)生小束斑離子束的關(guān)鍵。,引出極,當(dāng) E2 增大到使電場超過液態(tài)金屬的場蒸發(fā)值（ Ga 的場蒸發(fā)值為 15.2V/nm）時，液態(tài)金屬在圓錐頂處產(chǎn)生場蒸發(fā)與場電離，發(fā)射金屬離子與電子。其中電子被引出極排斥，而金屬離子則被引出極拉出，形

7、成離子束。 若改變 E2 的極性 ，則可排斥離子而拉出電子，使這種源改變成電子束源。,E1,E2,E3,引出極,共晶合金 LMIS 通常用來對各種半導(dǎo)體進(jìn)行離子注入摻雜的元素因為熔點高或蒸汽壓高而無法制成單體 LMIS 。,根據(jù)冶金學(xué)原理，由兩種或多種金屬組成的合金，其熔點會大大低于組成這種合金的單體金屬的熔點，從而可大大降低合金中金屬處于液態(tài)時的蒸汽壓。,例如，金和硅的熔點分別為 1063 oC 和 1404 oC，它們在此溫度時的蒸汽壓分別為 10-3 Torr 和 10-1 Torr。當(dāng)以適當(dāng)組分組成合金時，其熔點降為 370 oC ，在此溫度下，金和硅的蒸汽壓分別僅為 10-19 To

8、rr 和 10-22 Torr。這就滿足了 LMIS 的要求。 對所引出的離子再進(jìn)行 質(zhì)量分析，就可獲得所需的離子。,LMIS 的主要技術(shù)參數(shù),(1) 亮度,亮度的物理意義為 單位源面積發(fā)射的進(jìn)入單位立體角內(nèi)的離子束電流 。LMIS 的主要優(yōu)點之一就是亮度高 ，其典型值為 = 106 107 A/cm2.sr 。,(2) 能散度 能散度是 離子束能量分布的半高寬度 。LMIS 的主要缺點是能散度大，這將引起離子光學(xué)系統(tǒng)的色散，使分辨率下降。,(3) 離子束斑尺寸 通常為 5 500 nm。,二、質(zhì)量分析系統(tǒng) 1、 質(zhì)量分析器 由一套靜電偏轉(zhuǎn)器和一套磁偏轉(zhuǎn)器組成 ，E 與 B 的方向相互垂直。,

9、離子不被偏轉(zhuǎn)。由此可解得不被偏轉(zhuǎn)的離子的 荷質(zhì)比 qo 為,對于荷質(zhì)比為 qo 的所需離子，可通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓 Vf 或偏轉(zhuǎn)磁場 B，使之滿足下式，就可使這種離子不被偏轉(zhuǎn)而通過光闌。,通常是調(diào)節(jié) Vf 而不是調(diào)節(jié) B。,下面計算當(dāng)荷質(zhì)比為 qo 的離子不被偏轉(zhuǎn)時，具有荷質(zhì)比為qs = q/ms 的其它離子被偏轉(zhuǎn)的程度。該種離子在 y 方向受到的加速度為,該種離子在受力區(qū)域（0 Lf ）內(nèi)的運動方程為,從上式消去時間 t ，并將 ay 代入，得,由此可得偏轉(zhuǎn)量 Db 為,將前面的 B 的表達(dá)式 代入 Db ，得,討論 (1) 為屏蔽荷質(zhì)比為 qs 的離子，光闌半徑 D 必須滿足,(2) 若 D

10、固定，則具有下列荷質(zhì)比的離子可被屏蔽，,而滿足下列荷質(zhì)比的離子均可通過光闌，,以上各式可用于評價 質(zhì)量分析器的分辨本領(lǐng)。,2、磁質(zhì)量分析器,光闌1,光闌2,為向心力，使離子作圓周運動，其,半徑為,從上式可知，滿足荷質(zhì)比 的離子可通過光闌 2。,或者對于給定的具有荷質(zhì)比為 qo 的離子，可通過調(diào)節(jié)磁場 B 使之滿足下式，從而使該種離子通過光闌 2，,另外，若固定 r 和 Va ，通過連續(xù)改變 B ，可使具有不同荷質(zhì)比的離子依次通過光闌 2，測量這些不同荷質(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。,其余的離子則不能通過光闌 2，由此達(dá)到分選離子的目的。,兩種質(zhì)量分析器的比較 在 質(zhì)量分析器

11、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，所需離子要改變方向，但其優(yōu)點是中性粒子束不能通過。,三、加速器 產(chǎn)生高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。,四、聚焦系統(tǒng) 和 中性束偏移器 用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束，并利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。,五、偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng) 用來使離子束沿 x、y 方向在一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。,掃描系統(tǒng),全電掃描和混合掃描系統(tǒng)示意,全電掃描,混合掃描,六、工作室（靶室） 放置樣品的地方，其位置可調(diào)。,七、離子束電流的測量,離子注入機(jī)的種類,離子注入過程：入射離子與半導(dǎo)體（稱為靶）

12、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)過一段曲折路徑的運動后，因動能耗盡而停止在靶中的某處。,5.2 平均投影射程,射程：離子從入射點到靜止點所通過的總路程 平均射程：射程的平均值，記為 R 投影射程：射程在入射方向上的投影長度，記為 xp 平均投影射程：投影射程的平均值，記為 RP 投影射程的標(biāo)準(zhǔn)偏差：,平均投影射程與初始能量的關(guān)系,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 核阻擋 與 電子阻擋。,核阻擋本領(lǐng),電子阻擋本領(lǐng),一個入射離子在 dx 射程內(nèi)，由于與核及電子碰撞而失去的總能量為,Se 的計算較簡單，離子受電子的阻力正比于離子的速度。,Sn 的計算比較復(fù)雜，

13、而且無法得到解析形式的結(jié)果。下圖是數(shù)值計算得到的曲線形式的結(jié)果。,在 E = E2 處，Sn = Se 。,(2) 當(dāng) E0 大于 E2 所對應(yīng)的能量值時，Sn Se ，以電子阻擋為主，此時散射角較小，離子近似作直線運動，射程分布較為集中。隨著離子能量的降低，逐漸過渡到以核阻擋為主，離子射程的末端部分又變?yōu)檎劬€。,(1) 當(dāng)入射離子的初始能量 E0 小于 E2 所對應(yīng)的能量值時 ， Sn Se ，以核阻擋為主，此時散射角較大，離子運動方向發(fā)生較大偏折，射程分布較為分散。,Rp 與 RP 的關(guān)系,式中，M1、M2 分別是入射離子和靶原子的質(zhì)量。,在實際工作中，平均投影射程 RP 及標(biāo)準(zhǔn)偏差 RP

14、 與注入能量 E 的關(guān)系可從圖 5.9 或下表查到。,硅中離子注入能量 ( KeV ) 與平均投影射程 ( ) 的對應(yīng)關(guān)系,一、非晶靶中注入離子的濃度分布 非晶靶中注入離子的濃度分布為高斯分布，,5.3 注入離子的濃度分布,式中，Q 為注入離子的 劑量，,注入離子濃度分布的主要特點 1、最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處而不是表面，,注入離子的劑量 Q 越大，濃度峰值 Nmax 就越高；注入離子的能量 E 越大，RP 、RP 就越大，Nmax 就越低。,2、在 x = RP 的兩側(cè)，注入離子的濃度對稱地下降，且下降速度越來越快，,3、結(jié)深,得,4、注入雜質(zhì)的表面濃度,令,5、雜質(zhì)的橫向擴(kuò)展比

15、擴(kuò)散工藝要小得多 注入離子濃度在空間的三維分布為,在表面 x = 0 處，,在平均投影射程 x = Rp 處，,注入離子沿 y 方向的橫向結(jié)深的計算。在表面處，令,得表面處的橫向結(jié)深為,橫向結(jié)深在 x = Rp 處達(dá)到最大。在 x = Rp 處，令,得 x = Rp 處的橫向結(jié)深為,與 縱向結(jié)深 相比，,可知 橫向結(jié)深明顯小于縱向結(jié)深 。,將 x = Rp 處的最大 橫向結(jié)深,二、雙層靶中注入離子的濃度分布,目的 1、在實際工藝中，常常讓離子穿過表面的薄膜注入到下面的襯底中；,2、確定能夠掩蔽雜質(zhì)注入的掩蔽膜的厚度。,以 “ SiO2 - Si ” 雙層靶為例。設(shè)注入的總劑量為 Qt ，進(jìn)入S

16、iO2 中和進(jìn)入 Si 中的劑量分別為 QO 和 QS ，SiO2 的厚度為 dO ， 雜質(zhì)在 SiO2 和 Si 中的平均投影射程和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為,則 SiO2 中的注入離子的濃度分布為,進(jìn)入 SiO2 中的注入離子的劑量為,利用 Si 中的 等效平均投影射程 的概念,可得到 Si 中的注入離子濃度分布和進(jìn)入 Si 中的注入離子的劑量分別為,若設(shè) ，則可算出，當(dāng) m 分別為 2、3、4 時，QS 分別比 Qt 小約 2 個數(shù)量級、3 個數(shù)量級和 5 個數(shù)量級。,三、注入離子濃度分布理論的應(yīng)用,1、在已知注入離子的能量、劑量和襯底雜質(zhì)濃度時，可以計算出表面濃度和結(jié)深。,2、當(dāng)注入雜質(zhì)的最大濃度

17、超過其在靶中的固溶度時，可以計算出雜質(zhì)濃度超過固溶度的區(qū)域的范圍。,3、可以計算出當(dāng)以不同的能量和劑量分幾次進(jìn)行離子注入時，所得到的合成雜質(zhì)濃度分布。,4、可以計算出能夠掩蔽雜質(zhì)注入的掩蔽膜的最小厚度。,5.4 溝道效應(yīng),晶體靶對入射離子的阻擋作用是各向異性的，與靶的晶體取向有關(guān)。當(dāng)沿著晶體的某些低指數(shù)晶向觀察時，可以看到一些由原子列包圍成的直通道，好象管道一樣，稱為 溝道。當(dāng)離子沿著溝道方向入射時，其射程會比在非晶靶中大得多，從而偏離高斯函數(shù)分布，使注入分布產(chǎn)生一個較長的拖尾。,避免溝道效應(yīng)的措施 1、使離子的入射方向偏離溝道方向 7 10 度； 2、在摻雜注入前先用高劑量的 Si、Ge、F

18、 或 Ar 離子注入來使硅表面預(yù)非晶化，或在硅表面生長一層薄 SiO2 層； 3、對靶加一定的溫度。,5.5 注入損傷,一、注入損傷 由離子注入引起的大量空位和間隙原子等點缺陷，以及空位與其他雜質(zhì)結(jié)合而形成的復(fù)合缺陷等，稱為 注入損傷 。注入損傷與注入離子的劑量、能量、質(zhì)量、靶材料和靶溫等有關(guān)。,注入損傷會使載流子遷移率下降，少子壽命降低，PN 結(jié)的反向漏電流增大。,當(dāng)許多損傷區(qū)連在一起時就會形成連續(xù)的非晶層。開始形成連續(xù)非晶層的注入劑量稱為 臨界劑量。當(dāng)注入劑量小于臨界劑量時，損傷量隨注入劑量的增大而增加，當(dāng)注入劑量超過臨界劑量時，損傷量不再增加而趨于飽和。,影響臨界劑量的因素 1、注入離子

19、的質(zhì)量越大，則臨界劑量越小； 2、注入離子的能量越大，則臨界劑量越小； 3、注入溫度越低，則臨界劑量越?。?4、注入速度（通常用注入離子的電流密度來衡量）越大，則臨界劑量越小。,損傷區(qū)的分布與注入離子的能量、質(zhì)量的關(guān)系,當(dāng)入射離子的初始能量較小時，以核阻擋為主，損傷較多,但損傷區(qū)的分布較淺；,當(dāng)入射離子的初始能量較大時，先以電子阻擋為主，損傷較少。隨著離子能量的降低，逐漸過渡到以核阻擋為主，損傷變得嚴(yán)重，這時損傷區(qū)的分布較深。,當(dāng)入射離子的質(zhì)量相對于靶原子較輕時，入射離子將受到大角度的散射，其運動軌跡呈 “ 鋸齒形 ” ，所產(chǎn)生的損傷密度較小，但損傷區(qū)的范圍較大。,當(dāng)入射離子的質(zhì)量相對于靶原子

20、較重時，入射離子的散射角較小，其運動軌跡較直 ，所產(chǎn)生的損傷密度較大，容易形成非晶區(qū)，但損傷區(qū)的范圍較小。,二、離子注入層的電特性,注入到半導(dǎo)體中的受主或施主雜質(zhì)大部分都停留在間隙位置處，而處在這個位置上的雜質(zhì)原子是不會釋放出載流子的，也就不會改變半導(dǎo)體的電特性，達(dá)不到摻雜的目的。,經(jīng)過適當(dāng)溫度的 退火 處理，可以使注入雜質(zhì)原子的全部或大部分從間隙位置進(jìn)入替位位置而釋放出載流子，從而改變半導(dǎo)體的電特性。這個過程稱為雜質(zhì)原子的 電激活。,退火處理也可以減少注入損傷。,三、退火技術(shù) 目的：消除注入損傷，并使注入的雜質(zhì)原子進(jìn)入替位位置而實現(xiàn)電激活。,機(jī)理：使移位原子與注入的雜質(zhì)原子在高溫下獲得較高的

21、遷移率而在晶體中移動，從間隙位置進(jìn)入替位位置。,退火技術(shù)可分為 熱退火 與 快速熱退火。熱退火的溫度范圍為 300 1200。退火會改變雜質(zhì)的分布。,熱退火雖然可以滿足一般的要求，但也存在一些缺點：對注入損傷的消除和對雜質(zhì)原子的電激活都不夠完全；退火過程中還會產(chǎn)生二次缺陷；經(jīng)熱退火后雖然少子的遷移率可以得到恢復(fù)，但少子的壽命及擴(kuò)散長度并不能恢復(fù)；此外，較高溫度的熱退火會導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)再分布，抵消了離子注入技術(shù)固有的優(yōu)點。,實驗發(fā)現(xiàn)退火后的實際雜質(zhì)分布比上式預(yù)測的要深，原因是離子注入時形成的高濃度缺陷增強(qiáng)了雜質(zhì)的擴(kuò)散。這種現(xiàn)象稱為 瞬時增強(qiáng)擴(kuò)散。可以在退火前先在 500 650 之間進(jìn)行一次預(yù)處

22、理來消除這些缺陷。,5.6 淺結(jié)的形成,亞微米 CMOS 集成電路要求極淺的源漏區(qū)結(jié)深。由于硼比砷更難以形成淺結(jié)，所以形成淺 P+N 結(jié)要比形成淺 PN+ 結(jié)更為困難。,硼的淺結(jié)受到三個方面的影響。首先，由于硼很輕，注入的投影射程很深。降低注入能量雖然可以減小結(jié)深，但注入能量太低會影響離子束的穩(wěn)定性。,其次，由于硼被偏轉(zhuǎn)進(jìn)入主晶軸的概率較高，所以硼的溝道效應(yīng)更為嚴(yán)重。,第三，硼在高溫退火時的瞬時增強(qiáng)擴(kuò)散比較嚴(yán)重。,隨著 MOSFET 的特征尺寸小于 0.1 m ，源漏區(qū)的結(jié)深正在達(dá)到 0.05 m，離子注入已經(jīng)難以滿足這種要求，人們正在研究所謂 “后注入” 的替代方案。,1、利用硅上的介質(zhì)層作

23、為擴(kuò)散源，即所謂 “固-固擴(kuò)散”。擴(kuò)散源可以是多晶硅、摻雜玻璃或硅化物。,2、利用輝光放電作為離子源來形成超淺結(jié)，即所謂 “等離子浸入摻雜”。它的離子能量可以極低，而不存在離子束不穩(wěn)定的問題，但是劑量不易控制。,3、當(dāng)在固體靶的表面覆蓋有某種薄膜時，入射離子可將薄膜中的原子撞入到下面的固體靶中。利用這種效應(yīng)來對半導(dǎo)體表面的極薄層內(nèi)進(jìn)行摻雜，稱為 “反沖注入摻雜”。,5.7 埋層介質(zhì),當(dāng)在硅中注入大劑量的 O+、N+、C+ 時，可以形成 SiO2 、Si3N4、SiC 等薄膜。特別是當(dāng)用高能量注入時，可以在硅表面以下形成埋層介質(zhì)。通過高能注入 N+ 形成 Si3N4 的工藝稱為 SIMNI ，而

24、通過高能注入 O+ 形成 SiO2 的工藝稱為 SIMOX ，后者的應(yīng)用更為普遍。,這種技術(shù)可用于實現(xiàn)器件和電路的隔離。采用此技術(shù)制成的埋溝 MOSFET ，其寄生電容及短溝道效應(yīng)都小得多。,SIMOX 技術(shù)的主要問題是金屬沾污問題、均勻性問題和成本問題。,5.10 小結(jié),本章首先描述了離子注入系統(tǒng)的組成部分，特別是對各種離子源和質(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)濃度分布為高斯函數(shù)分布。討論了離子注入的溝道效應(yīng)及防止措施。離子注入后必須進(jìn)行退火處理，目的是激活雜質(zhì)和消除注入損傷。通過高劑量的氧離子注入，可以形成絕緣埋層。,下面總結(jié)一下離子注入的優(yōu)缺點。,1、可控性好，離子注入能精確

25、控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深；,2、可以獲得任意的摻雜濃度分布；,3、注入溫度低，一般不超過 400，退火溫度也在 650 左右，避免了高溫過程帶來的不利影響，如結(jié)的推移、熱缺陷、硅片的變形等；,4、結(jié)面比較平坦；,離子注入的 優(yōu)點,5、工藝靈活，可以穿透表面薄膜注入到下面的襯底中，也可以采用多種材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金屬膜或光刻膠等；,6、均勻性和重復(fù)性好；,7、橫向擴(kuò)展小，有利于提高集成電路的集成度、提高器件和集成電路的工作頻率；,8、可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術(shù)；,9、擴(kuò)大了雜質(zhì)的選擇范

26、圍；,10、離子注入中通過質(zhì)量分析器選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。,離子注入的 缺點,1、離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷，且注入的雜質(zhì)大部分停留在間隙位置處，因此需要進(jìn)行退火處理；,2、離子注入難以獲得很深的結(jié)深；,3、離子注入的生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝低；,4、離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。,離子注入與擴(kuò)散的比較,擴(kuò)散,離子注入,2.注入與擴(kuò)散的比較,3.離子注入控制,離子束流密度和注入時間控制雜質(zhì)濃度 （注入離子劑量） 離子能量控制結(jié)深 雜質(zhì)分布各向異性,4.阻止機(jī)制,典型離子能量：5500keV 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 兩種阻止機(jī)制：核碰撞和電子碰撞,核阻

27、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） 可能引起晶格損傷（間隙原子和空位）. 電子阻止 與晶格原子的自由電子及束縛電子碰撞 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,低能區(qū)：核阻止本領(lǐng)占主要 中能區(qū)：兩者同等重要 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),

28、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.注入過程:注入通道, 如果入射角度恰好，離子能夠在不和晶格原子碰撞的情況下運動很遠(yuǎn)距離 會引起不可控的雜質(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（無定形） 注入前預(yù)先無定型處理 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)

29、消除,問題,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,離子束不是完美地平行。許多離子注入襯底后會發(fā)生許多次核碰撞，只要少數(shù)一些會進(jìn)入很深的距離。,7.4 注入損傷,注入離子將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子 產(chǎn)生自由原子（間隙原子空位 缺陷對） 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，損傷才停止 一個高能離子可以引起數(shù)千個晶格原子位移,一個離子引起的晶格損傷,輕離子,重離子,注入損傷過程,離子與晶格原子碰撞，使其脫離晶格格點 襯底注入?yún)^(qū)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu),注入前,注入后,7.5退火的作用,雜質(zhì)原子必須處于單晶結(jié)構(gòu)中并與四個Si原子形成共價鍵才能被激活

30、 ，donor (N-type) 或acceptor (P-type) 高溫?zé)崮軒椭鸁o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 (RTA),高溫下, 退火超越擴(kuò)散 RTA (RTP) 廣泛用于注入后退火 RTA 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,問題,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,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大的

31、溫度擺動（溫度過沖和下沖）,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晶圓表面充電,注入離子使晶圓表面帶正電 排斥正離子，引起離子束彎曲，造成不均勻雜質(zhì)分布 電弧放電引起晶圓表面損傷 使柵氧化層擊穿，降低工藝成品率 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),需要提供電子中和正離子； Plasma flooding system 電子槍 電子噴頭,Plasma Flooding S

32、ystem,Wafer Handling,Ion beam diameter: 25 mm (1”), Wafer diameter: 200 mm (8”) or larger Needs to move beam or wafer, or both, to scan ion beam across the whole wafer Spin wheel Spin disk Single wafer scan,Spin Wheel,Spin Disk,Single Wafer Scanning System,Ion Implantation: End Analyzer,Faraday charge detector Used to calibrate beam current, energy and profile,Ion Implantation: The Process,CMOS applications CMOS ion implantation requ