半导体工艺离子注入专题培训课件.ppt

1、半导体工艺离子注入半导体工艺离子注入离子注入离子注入1 1、离子注入、离子注入3 3、离子束加工方式、离子束加工方式5 5、离子注入的特点、离子注入的特点6 6、沟道效应及避免方法、沟道效应及避免方法7 7、离子与衬底原子的相互作用、离子与衬底原子的相互作用8 8、注入损伤、注入损伤9 9、退火、退火1010、离子注入的、离子注入的 主要内容：主要内容： 离子注入出现：离子注入出现：随着集成电路集成度的提高，对器随着集成电路集成度的提高，对器件源漏结深的要求，且传统的扩散已无法精确控制杂件源漏结深的要求，且传统的扩散已无法精确控制杂质的分布形式及浓度了。质的分布形式及浓度了。 离子束把固体材料

2、的原子或分子撞出固体材料表面，离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做这个现象叫做溅射溅射； 当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹回来，当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射散射； 离子束射到固体材料以后，离子束与材料中的原子离子束射到固体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一现象就叫做

3、表面成分、结构和性能发生变化，这一现象就叫做离离子注入。子注入。 1、离子注入：、离子注入： 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高能被电场或磁场偏转，能在高压下加速而获得很高的动能。的动能。 离子束的用途：离子束的用途： 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量打孔、切割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ： E 50 KeV，注入掺杂，注入掺杂 用于离化杂质的容器。常用的杂质源气用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有体

4、有 BF3、 AsH3 和和 PH3 等。等。 不同离子具有不同的电荷质量比，不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。所需的杂质离子，且离子束很纯。 为高压静电场，用来对离子束加速。该为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。 利用偏移电极和偏移角度分离中利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。性原子。 用来将加速后的离子聚集成直径为数用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。毫米的离子束。用来实现离子束用来

5、实现离子束 x x、y y 方向的一方向的一定面积内进行扫描。定面积内进行扫描。放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。离子注入系统离子注入系统5 5、离子注入的特点：、离子注入的特点：特点：特点： 可以独立控制杂质分布（离子能量）和杂质浓度可以独立控制杂质分布（离子能量）和杂质浓度（离子流密度和注入时间）（离子流密度和注入时间） 各向异性掺杂各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂容易获得高浓度掺杂 （特别是：重杂质原子，如（特别是：重杂质原子，如P P和和AsAs等）。等）。离子注入与扩散的比较：离子注入与扩散的比较：扩散扩散离子注入离子注入高温，硬掩膜高温，硬掩膜9001200

6、低温，光刻胶掩膜低温，光刻胶掩膜室温或低于室温或低于400各向同性各向同性各向异性各向异性不能独立控制结深和不能独立控制结深和浓度浓度可以独立控制结深和可以独立控制结深和浓度浓度6、沟道效应及避免方法：、沟道效应及避免方法： 对单晶材料的轴沟道和面沟道对单晶材料的轴沟道和面沟道( (基材晶向基材晶向) )，由于，由于散射截面小，注入离子可以获得很深的穿透深度，称散射截面小，注入离子可以获得很深的穿透深度，称为为沟道效应沟道效应。 为了尽可能避免沟道效应，离子束为了尽可能避免沟道效应，离子束在注入硅片时必须偏离沟道方向约在注入硅片时必须偏离沟道方向约7 7。通常，这种。通常，这种偏转是用倾斜硅片

7、来实现。偏转是用倾斜硅片来实现。离子束离子束（100）Si 除了除了转动靶片，转动靶片，还可以还可以用事先生长氧化层或用用事先生长氧化层或用SiSi、F F等离子预非晶化的方法来消除沟道效应。对大直径等离子预非晶化的方法来消除沟道效应。对大直径SiSi片，还用增大倾斜角的方法来保证中心和边缘都能片，还用增大倾斜角的方法来保证中心和边缘都能满足大于临界角。满足大于临界角。7 7、离子与衬底原子的相互作用：、离子与衬底原子的相互作用： 注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离子的分布、衬底的损伤。子的分布、衬底的损伤。 注入离子与靶原子的相互作用，主要有

8、离子与电注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电子的相互作用，称为电子阻止。和离子与核的相互作子的相互作用，称为电子阻止。和离子与核的相互作用，称为核阻止。核阻止主要表现为库仑散射。用，称为核阻止。核阻止主要表现为库仑散射。 在同样能量下，靶原子在同样能量下，靶原子质量越大，核阻止越大，靶质量越大，核阻止越大，靶原子质量越小电子阻止越大原子质量越小电子阻止越大。8 8、注入损伤：、注入损伤： 离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞，产生大量的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子生大量的位移原子，注入时产生的空位、填隙原子等缺陷称为一次缺陷。在剂量达到一定

9、数值后，衬等缺陷称为一次缺陷。在剂量达到一定数值后，衬底单晶非晶化，形成无定型结构。使衬底完全非晶底单晶非晶化，形成无定型结构。使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈值剂量。化的注入剂量称为阈值剂量。 不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、不同衬底和不同的注入离子，在不同的能量、剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量。轻原子的剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量。轻原子的大、重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度大、重原子的小；能量低大，能量高小；衬底温度低大，衬底温度高小。当衬底温度高于固相外延温低大，衬底温度高小。当衬底温度高于固相外延温度时，可以一直保持单晶。度时，可以一直保持单晶。注入离子将能

10、量转移给晶格原子注入离子将能量转移给晶格原子 产生自由原子（间隙原子空位缺陷对）产生自由原子（间隙原子空位缺陷对）自由原子与其它晶格原子碰撞自由原子与其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成为自由原子使更多的晶格原子成为自由原子 直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止直到所有自由原子均停止下来，损伤才停止一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移9、退火：、退火： 退火：退火：将完成离子注入的硅片在一定的温度下，将完成离子注入的硅片在一定的温度下，经过适当的热处理，则硅片上的损伤就可能得到消除，经过适当的热处理，则硅片上的损伤就可能得到消除，少数载流子寿命以及迁移

11、率也会不同程度的得到恢复，少数载流子寿命以及迁移率也会不同程度的得到恢复，杂质也得到一定比例的电激活。杂质也得到一定比例的电激活。 退火目的：退火目的：离子注入过程中造成晶格损伤，导致离子注入过程中造成晶格损伤，导致散射中心增加，载流子迁移率下降，缺陷中心的增加，散射中心增加，载流子迁移率下降，缺陷中心的增加，载流子的寿命减少，漏电流增大，同时由于注入的离载流子的寿命减少，漏电流增大，同时由于注入的离子大多存在于间隙中起不到施主或受主的作用。子大多存在于间隙中起不到施主或受主的作用。硅单晶退火：硅单晶退火：修复硅晶格结构并激活杂修复硅晶格结构并激活杂质质硅键硅键b) 退火后的硅晶格退火后的硅晶

12、格a) 注入过程中损伤的硅晶格注入过程中损伤的硅晶格离子束离子束 热退火特性：热退火特性：将欲退火的硅片置于真空或高纯气体将欲退火的硅片置于真空或高纯气体的保护下，加热到某一温度进行热处理，由于热退火的保护下，加热到某一温度进行热处理，由于热退火处于较高的温度，原子的振动能较大，导致原子的移处于较高的温度，原子的振动能较大，导致原子的移动能加强，可使复杂的缺陷分解点缺陷，当它们相互动能加强，可使复杂的缺陷分解点缺陷，当它们相互靠近时就可能复合而使缺陷消失。靠近时就可能复合而使缺陷消失。 缺点：缺点：缺陷不能完全消除，而且容易产生二次缺陷，缺陷不能完全消除，而且容易产生二次缺陷，杂质电激活率不高

13、，容易增加表面污染，高温容易导杂质电激活率不高，容易增加表面污染，高温容易导致杂质再分布，破坏了离子注入的优点。致杂质再分布，破坏了离子注入的优点。 优点：通过降低退火温度，缩短退火时间优点：通过降低退火温度，缩短退火时间脉冲激光退火脉冲激光退火 ： 特点：退火区域受热时间短，因而损伤区杂质几特点：退火区域受热时间短，因而损伤区杂质几乎不扩散，可以通过改变激光的波长和能量密度，可乎不扩散，可以通过改变激光的波长和能量密度，可在深度上和表面上进行不同的退火处理。从而可在同在深度上和表面上进行不同的退火处理。从而可在同一硅片上制造处不同结深和不同击穿电压的器件。一硅片上制造处不同结深和不同击穿电压

14、的器件。 快速退火：快速退火：10、离子注入的、离子注入的 1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深； 2、注入温度低，一般不超过、注入温度低，一般不超过 400，退火温度也在，退火温度也在 650 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；的推移、热缺陷、硅片的变形等； 3、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作

15、掩蔽膜，如中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属、金属膜或光刻胶等；膜或光刻胶等；4、可以获得任意的掺杂浓度分布；、可以获得任意的掺杂浓度分布； 优点：优点：5、结面比较平坦；、结面比较平坦； 6、均匀性和重复性好；、均匀性和重复性好； 7、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术； 8、扩大了杂质的选择范围；、扩大了杂质的选择范围；9、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；高器件和集成电路的工作频率； 10、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。保证了掺杂的纯度。 缺点：缺点：1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷； 2、离子注入难以获得很深的结深；、离子注入难以获得很深的结深； 3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；、离子注入的生产效率比扩散工艺低； 4、离子注入系统复杂昂贵。、离子注入系统复杂昂贵。ENDTHANK YOU!