硅集成电路工艺-离子注入IonImplantation课件.ppt

1、天津工业大学天津工业大学Chap.4 离子注入（Ion Implantation）离子注入掺杂的优、缺点离子注入掺杂的优、缺点1两种碰撞（阻止）模型两种碰撞（阻止）模型2注入离子的分布（沟道效应）注入离子的分布（沟道效应）3注入损伤及其消除（热退火）注入损伤及其消除（热退火）45离子注入系统离子注入系统天津工业大学天津工业大学离子注入的优点离子注入的优点:v 掺杂纯度高，污染小；掺杂纯度高，污染小；v 掺杂的均匀性和重复性好；掺杂的均匀性和重复性好；v 工作温度低，工艺灵活性大；工作温度低，工艺灵活性大；v 掺杂深度和掺杂浓度可精确独立地控制；掺杂深度和掺杂浓度可精确独立地控制；v 最大掺杂浓

2、度不受固溶度限制；最大掺杂浓度不受固溶度限制；v 低温工艺避免高温引起的热缺陷；低温工艺避免高温引起的热缺陷；v 离子注入直进性，横向效应小；离子注入直进性，横向效应小；v 掩蔽膜作为保护膜，污染小；掩蔽膜作为保护膜，污染小；v 适合化合物掺杂；适合化合物掺杂；v 可发展成无掩膜的离子束技术。可发展成无掩膜的离子束技术。天津工业大学天津工业大学Self-alignment（自对准掺杂）（自对准掺杂）天津工业大学天津工业大学离子注入的缺点：离子注入的缺点：v 入射离子对衬底有损伤；入射离子对衬底有损伤；v 很浅和很深的结难于制得；很浅和很深的结难于制得；v 高剂量注入产率受限制；高剂量注入产率受

3、限制；v 设备昂贵。设备昂贵。天津工业大学天津工业大学4.1 离子注入机理 核碰撞（核阻止）核碰撞（核阻止）v 和晶格原子的原子核发和晶格原子的原子核发生碰撞生碰撞v 发生明显的散射发生明显的散射v 造成大量晶格损伤造成大量晶格损伤 Sn(E)=(dE/dx)n 电子碰撞（电子阻止）电子碰撞（电子阻止）v 和晶格原子的电子发生碰撞和晶格原子的电子发生碰撞v 注入离子的路径基本不发生注入离子的路径基本不发生变化变化v 能量转移很小能量转移很小v 造成的晶格损伤很小造成的晶格损伤很小 Se(E)=(dE/dx)eLSS理论：理论：S=Sn+Se天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学核阻止

4、本领和电子阻止本领曲线v 能量较低，质量较大的离子，主要是通过能量较低，质量较大的离子，主要是通过核阻止核阻止损失能量损失能量v 能量较高，质量较小的离子，主要是通过能量较高，质量较小的离子，主要是通过电子阻止电子阻止损失能量损失能量天津工业大学天津工业大学4.2 注入离子在无定形靶中的分布v射程、投影射程、平均投影射程射程、投影射程、平均投影射程天津工业大学天津工业大学常见杂质在硅中的平均射程天津工业大学天津工业大学沟道效应（Channeling Effect）天津工业大学天津工业大学v沟道效应的概念（见书）沟道效应的概念（见书）v沟道效应的消除方法：沟道效应的消除方法：v 使晶体的主轴方向

5、偏离注入方向（使晶体的主轴方向偏离注入方向（7 7度左右，阴影现象）度左右，阴影现象）v 在晶体表面覆盖介质膜，散射后改变注入离子的方向在晶体表面覆盖介质膜，散射后改变注入离子的方向v 表面预非晶化（注入锗）表面预非晶化（注入锗）天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学4.3 离子注入系统天津工业大学天津工业大学 离子注入系统：离子注入系统：v 离子源（离子发生器，分析器）离子源（离子发生器，分析器）v 加速及聚焦系统加速及聚焦系统 （先分析后加速，先加速后分析，前后加速，（先分析后加速，先加速后分析，前后加速，中间分析）中间分析）v 终端台（扫描器，偏束板，靶

6、室）终端台（扫描器，偏束板，靶室）天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学磁分析器原理rvZqvB2v 带电离子在磁场中运动：带电离子在磁场中运动：v 洛伦兹力洛伦兹力=向心力向心力qmZqBmvrBF3 B,B+,BF2+,F-.天津工业大学天津工业大学加速和聚焦系统 利用各种电极可以很方便地对离利用各种电极可以很方便地对离子束进行加速和聚焦：子束进行加速和聚焦：v 先加速，后分析：避免离子在到先加速，后分析：避免离子在到达硅片之前丢失电荷，但需要大达硅片之前丢失电荷，但需要大磁场；磁场；v 先分析，后加速：分析器较小，先分析，后加速：分析器较小，但加速过程中电荷交换影响束流但加速过

7、程中电荷交换影响束流强度和纯度；强度和纯度；v 前后加速，中间分析：调节方便，前后加速，中间分析：调节方便，范围宽范围宽天津工业大学天津工业大学终端台 1.扫描器扫描器v 靶静止，离子束靶静止，离子束X,Y向运动向运动v 靶靶X向移动，离子束向移动，离子束Y向移动向移动v 离子束静止，靶离子束静止，靶X,Y向移动向移动.天津工业大学天津工业大学 2.2.偏束板偏束板v 离子束在运动过程中可以和热电子发生电荷交换，形离子束在运动过程中可以和热电子发生电荷交换，形成中性粒子，影响注入均匀性成中性粒子，影响注入均匀性v 加入静电偏转电极，一般加入静电偏转电极，一般5 5度左右，中性束不能偏转而度左右

8、，中性束不能偏转而去除去除天津工业大学天津工业大学离子束中和系统离子束中和系统天津工业大学天津工业大学 3.3.靶室（工作室）靶室（工作室）v 样品架样品架v 法拉第杯（控制注入剂量）法拉第杯（控制注入剂量）天津工业大学天津工业大学4.4 注入损伤v 级联碰撞级联碰撞：不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：v EEd，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能；，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能；v EdE2Ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量于其他原子发生碰撞使其移位，这种不断碰撞的现象于其他原子发生

9、碰撞使其移位，这种不断碰撞的现象称为称为“级联碰撞级联碰撞”。天津工业大学天津工业大学一个离子的级联碰撞引起的晶格损伤：一个离子的级联碰撞引起的晶格损伤：天津工业大学天津工业大学注入损伤的形式v 产生孤立的点缺陷或缺陷群（产生孤立的点缺陷或缺陷群（E=Ed)v 形成非晶区域（移位原子数接近原子密度，低剂量重离子）形成非晶区域（移位原子数接近原子密度，低剂量重离子）v 大剂量的注入区甚至会形成非晶层大剂量的注入区甚至会形成非晶层天津工业大学天津工业大学4.5 热退火 Thermal Annealing晶格损伤的晶格损伤的危害：危害：v增加增加散射中心散射中心，使载流子迁移率下降，使载流子迁移率下

10、降v增加增加缺陷中心缺陷中心，使非平衡少数载流子寿命减少，使非平衡少数载流子寿命减少，pnpn结漏电流增大结漏电流增大v注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受注入离子大多处于间隙位置，起不到施主或者受主的作用，晶格损伤造成的破坏使之更难处于替主的作用，晶格损伤造成的破坏使之更难处于替位位置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起位位置，非晶区的形成更使得注入的杂质根本起不到作用。不到作用。天津工业大学天津工业大学热退火的定义和目的 定义：定义：v将注入离子的硅片在一定温度和氛围下，进行将注入离子的硅片在一定温度和氛围下，进行适当时间的热处理的过程。适当时间的热处理的过程。目的：目的：v减少或消

11、除硅片中的晶格损伤，恢复其少子寿减少或消除硅片中的晶格损伤，恢复其少子寿命和迁移率；命和迁移率；v使掺入的杂质进入晶格位置，实现一定比例的使掺入的杂质进入晶格位置，实现一定比例的电激活电激活天津工业大学天津工业大学热退火过程（固相外延）天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学天津工业大学快速退火 Rapid Thermal Annealing(RTA)v 普通热退火需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂质普通热退火需要经过长时间的高温过程，会导致明显的杂质再分布，还可能造成硅片翘曲变形再分布，还可能造成硅片翘曲变形v 快速退

12、火的目的：降低退火温度或缩短退火时间快速退火的目的：降低退火温度或缩短退火时间v 快速退火手段：脉冲激光；脉冲电子束；扫描电子束等快速退火手段：脉冲激光；脉冲电子束；扫描电子束等天津工业大学天津工业大学小结v 离子注入相比于扩散的离子注入相比于扩散的优缺点优缺点v 两种碰撞（阻止）模型及其两种碰撞（阻止）模型及其适用情况适用情况v 注入离子的分布；射程和投影射程的概念；注入离子的分布；射程和投影射程的概念；沟道效应沟道效应的的原因及解决方法原因及解决方法v 离子注入系统的主要构件及其基本原理离子注入系统的主要构件及其基本原理v 注入损伤的形成及注入损伤的形成及影响影响，级联碰撞，级联碰撞v 热退火的热退火的定义及作用定义及作用，热退火的机理，热退火的机理v 快速热退火的优势快速热退火的优势天津工业大学天津工业大学