半导体工艺基础 第七章 掺杂技术-离子注入

第七章离子注入（IonImplantation）离子注入概述最早应用于原子物理和核物理研究提出于1950’s1970’s中期引入半导体制造领域离子注入离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为“靶”）而实现掺杂。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的动能。离子束的用途掺杂、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E：E10KeV，刻蚀、镀膜E=10~50KeV，曝光E50KeV，注入掺杂离子束的性质离子束加工方式可分为1、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（FIB）方式）掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是SiO2膜，而离子注入的掩蔽膜可以是SiO2膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是生产效率高，设备相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是需要制作掩蔽膜。1、掩模方式（投影方式）聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是生产效率低，设备复杂，控制复杂。实现聚焦方式的关键技术是1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源；2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。2、聚焦方式（扫描方式)7.1离子注入系统离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。质量分析器：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，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。加速器：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。中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：用来实现离子束x、y方向的一定面积内进行扫描。工作室：放置样品的地方，其位置可调。离子注入系统示意图离子注入系统事物图一、离子源作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为100m，亮度为10~100A/cm2.sr。聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS的典型有效源尺寸为5~500nm，亮度为106~107A/cm2.sr。1、等离子体型离子源这里的等离子体是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。2、液态金属离子源（LMIS）LMIS是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。LMIS的类型、结构和发射机理针形V形螺旋形同轴形毛细管形液态金属钨针类型对液态金属的要求(1)与容器及钨针不发生任何反应；(2)能与钨针充分均匀地浸润；(3)具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。能同时满足以上条件的金属只有Ga、In、Au、Sn等少数几种，其中Ga是最常用的一种。E1是主高压，即离子束的加速电压；E2是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E3是加热器电源。E1E2E3针尖的曲率半径为ro=1~5m，改变E2可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径仅有10nm的数量级，这就是LMIS能产生小束斑离子束的关键。引出极当E2增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（Ga的场蒸发值为15.2V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。若改变E2的极性，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。E1E2E3引出极共晶合金LMIS通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体LMIS。根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。例如，金和硅的熔点分别为1063oC和1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为10-3Torr和10-1Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为370oC，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为10-19Torr和10-22Torr。这就满足了LMIS的要求。对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。二、质量分析系统1、质量分析器由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E与B的方向相互垂直。EBOydvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑fem(),()VFqEqjdFqvBqvBj122aam21,,2qVqVmvvFm由得代入得：12am2()qVFqBjmdOyvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑12afem2qVVFFqqBdm当时，即当时，离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的荷质比qo为2fo22a2VqqmdBV对于某种荷质比为qo的所需离子，可通过调节偏转电压Vf或偏转磁场B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。12foaf12oa(2),(2)VdBqVVBdqV或通常是调节Vf而不是调节B。当荷质比为qo的离子不被偏转时，具有荷质比为qs=q/ms的其它离子的偏转量Db为bffd21dfff2saaa11242DyLyLLLLVLBqVdVVdOyvEBeFmFfVfLdLDbDkzij光阑将前面的B的表达式代入Db，得sfffbdao1122qVLLDLVdqGf12oa(2)VBdqVso1eGe讨论(1)为屏蔽荷质比为qs的离子，光阑半径D必须满足so1qDGq(2)若D固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，22soso11DDqqqqGG或而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，22oso11DDqqqGG以上各式可用于评价质量分析器的分辨本领。BE2、磁质量分析器光阑1光阑2vmFBr12am2qVFqvBqBm为向心力，使离子作圆周运动，半径为1122aa22o22mVVmvrqBqBqB从上式可知，满足荷质比的离子可通过光阑2。ao222VqrB或者对于给定的具有荷质比为qo的离子，可通过调节磁场B使之满足下式，从而使该种离子通过光阑2，12a2o2VBqr另外，若固定r和Va，通过连续改变B，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。其余的离子则不能通过光阑2，由此达到分选离子的目的。两种质量分析器的比较在质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。EB离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。yx0z7.2平均投影射程射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程。平均射程：射程的平均值，记为R。投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为xp。平均投影射程：投影射程的平均值，记为RP。标准偏差：2pppRxRyxpxpypz0z平均投影射程与初始能量的关系nnddESxeeeddESkExneneddddEEESSxP0000P0nedddddREEEERxExSS由此可得平均投影射程为入射离子能量损失的原因是受到核阻挡与电子阻挡。核阻挡电子阻挡一个入射离子在dx射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为Se的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。Sn的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果。ddExed()dExnd()dExE1E2E02EE在处，Sn=Se(2)当E0远大于E2所对应的能量值时，SnSe，以电子阻挡为主，此时散射角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。(1)当入射离子的初始能量E0小于E2所对应的能量值时，SnSe，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。pxpxprpr在实际工作中，平均投影射程RP(Å)及标准偏差RP(Å)与注入能量(KeV)的关系可从下图（下表）查到。入射能量注入硅中的离子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177RP276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256RP90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991RP3459811021221431611801987.3离子注入的特点1.特点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）各向异性掺杂容易获得高浓度掺杂（特别是：重杂质原子，如P和As等）。2.离子注入与扩散的比较扩散离子注入扩散离子注入高温，硬掩膜900－1200℃低温，光刻胶掩膜室温或低于400℃各向同性各向异性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度2.注入与扩散的比较3.离子注入控制离子束流密度和注入时间控制杂质浓度（注入离子剂量）离子能量控制结深杂质分布各向异性4.阻止机制典型离子能量：5～500keV离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞核阻止–与晶格原子的原子核碰撞–大角度散射（离子与靶原子质量同数量级）–可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）.电子阻止–与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞–注入离子路径基本不变–能量损失很少–晶格损伤可以忽略4.阻止机制两种阻止机制4.阻止机制总的阻止本领：Stotal=Sn+Se•Sn:核阻止,Se:电子阻止低能区：核阻止本领占主要中能区：两者同等重要高能区：电子阻止本领占主要固体中的电子可以看为电子气，电子阻止类似于黏滞气体的阻力，电子阻止本领与注入离子速度成正比；空气阻力与速度的平方成正比4.阻止机制背散射沟道自由碰撞阻止本领与离子速度阻止本领核阻止电子阻止离子速度注入离子分布RP：投影射程，射程的平均值阻挡200keV离子束的阻挡层厚度典型能量：5～500KeV掩膜厚度5.注入过程:注入通道•如果入射角度恰好，离子能够在不和晶格原子碰撞的情况下运动很远距离•会引起不可控的杂质分布大量碰撞很少碰撞6.沟道效应沟道中核阻止很小，电子密度也很低碰撞后引起的沟道效应碰撞后形成的沟道效应碰撞引起沟道引起碰撞引起注入过程:沟道效应•避免沟道效应的方法–倾斜圆片,7°最常用–屏蔽氧化层（无定形）–注入前预先无定型处理•阴影效应–离子受到掩膜结构阻挡•旋转圆