2011第八章离子注入

第七章离子注入离子注入基本概念离子注入的特点离子注入系统组成注入损伤和退火离子注入的应用§8.1离子注入离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术。物理过程，不发生化学反应。离子注入机示意图离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘离子注入机的终端口PhotographprovidedcourtesyofInternationalSEMATECHPhoto17.38.1.1离子注入优点1.产生单一离子束；2.精确控制杂质含量；3.低温工艺；4.对杂质深度有很好的控制；5.无固溶度限制；6.横向扩展比扩散要小得多；7.可以对化合物半导体进行掺杂；扩散和离子注入的比较扩散离子注入高温，SiO2掩模低温，光刻胶掩模横向扩散严重横向扩散较轻受固溶度限制无固溶度限制不能独立精确控制掺杂量和深度精确控制掺杂量和深度批量生产批量生产和单片生产没有掺杂带来的破坏注入损伤产生晶格损伤；注入设备的复杂性。离子注入缺点掺杂的目标是什么？回答：1.向硅片引入均匀的、可控数量的特定杂质;2.把杂质放在希望的深度。如何控制掺杂浓度和结深？思考：控制杂质浓度和深度a)低掺杂浓度(n–,p–)和浅结深(xj)Mask掩蔽层Siliconsubstratexj束扫描掺杂离子离子注入机b)高掺杂浓度(n+,p+)和深结深(xj)BeamscanMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter如何控制掺杂浓度和结深？思考：离子注入机示意图离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘8.1.2离子注入参数：剂量和射程1.剂量定义：单位面积硅片表面注入的离子数Q，单位是原子每平方厘米I：束流，当杂质离子形成离子束，它的流量被称为离子束电流，单位是安培；t：注入时间，单位是秒；e：电子电荷=1.6x10-19库仑；n：离子电荷（比如B+等于1）；A：注入面积，单位cm2enAItQ剂量enAItQ如何控制掺杂浓度？控制剂量如何控制剂量？控制离子束电流和注入时间束流剂量掺杂浓度中低电流：0.1mA～10mA注入剂量1011-1013ions/cm2大电流：10～25mA注入剂量大于1014ions/cm2离子注入机有中低电流、大电流之分2.射程射程：离子穿入硅片的总距离；射程与能量离子的射程与注入离子的能量有关，注入离子的能量越高，意味着杂质原子能穿入硅片越深，射程越大，投影射程越大。能量是表征注入机的一个重要参数，控制射程就是控制注入离子的能量，离子注入的能量一般用电子伏特（eV）表示。能量射程射程和投影射程投影射程：射程在入射方向的投影长度，即表示可以形成多深的结（结深）。投影射程相同能量的离子，质量越小，投影射程越大；相同质量的离子，能量越大投影射程越大；投影射程决定于离子的质量和能量、靶的质量以及离子束相对于硅片晶体结构的方向。注入能量对应射程图注入能量(keV)ProjectedRange,Rp(mm)101001,0000.010.11.0BPAsSb注入到硅中射程与能量能量射程结深掺杂深度由注入杂质离子的能量决定；掺杂浓度由注入杂质离子束电流强度决定。剂量与射程束流剂量掺杂浓度能量射程结深注入机分类注入机分类描述和应用中低电流高纯离子束，电流小于10mA。束流能量一般180keV。多数情况下硅片固定，扫描粒子束。穿通注入专用。大电流产生的粒子束电流10mA大剂量注入最大能到25mA。粒子束能量通常120keV。大多数情况下粒子束固定，硅片扫描。超浅源漏区注入的超低能束流(4keVdownto200eV)。高能束流能量超过200keV最高达到几个MeV。向沟道或厚氧化层下面注入杂质。能形成倒掺杂阱和埋层。控制杂质浓度和深度a)低掺杂浓度(n–,p–)和浅结深(xj)Mask掩蔽层Siliconsubstratexj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机b)高掺杂浓度(n+,p+)和深结深(xj)Beamscan高能大剂量慢速扫描MaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter§8.2离子注入系统离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘离子注入机组成：离子源吸极质量分析器加速管扫描系统工艺室离子源和吸极装配图吸出组件源室涡轮泵离子源绝缘体起弧室吸极吸出组件粒子束常用的杂质源有：气体源：B2H6、BF3、PH3、AsH3；固体源：砷、磷杂质源离子源1.功能：产生待注入物质的离子。2.实现方法：利用等离子体，在适当的低压下，把气体分子借电子的碰撞而离化。3.装置：弧光反应室Bernas离子源和Bernas离子源起弧室灯丝电子反射器气体入口5V电子反射器阳极+100V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI冷却水入口掺杂剂气体入口组成：气体入口、灯丝、电压、磁场离子源BF3B10+、B11+、B2+、BF2+、BF2+、BF3+、F+、F2+4.结果：离子源前板狭缝起弧室灯丝电子反射器气体入口5V电子反射器阳极+100V起弧室气化喷嘴电炉气体导入管DI冷却水入口掺杂剂气体入口1.功能：收集离子源中产生的正离子，并使它们形成离子束。2.实现方法：电场分离。3.装置：两个电极。吸极吸极++++++++++++++------------NSNS120V起弧吸出组件离子源60kV吸引2.5kV抑制源磁铁5V灯丝ToPA+粒子束参考端(PA电压)抑制电极接地电极4.结果BF3、e、B+、B10+、B11+、B2+、BF2+、F+、F2+……B+、B10+、B11+、B2+、BF2+、F+、F2+……质量分析器1.功能：将所需要的离子从离子束中分离出来而将不需要的离子偏离掉。2.实现方法：不同质量、不同带电荷数的离子经过磁场时，因为电磁力的效应，将以不同的半径偏转。设离子作圆周运动的半径为r，则则离子作圆周运动的半径：：离子的质量mnqBvFrmv2)(nqBmvrv质量分析器设离子从弧光反应室与吸极电压差为V，则从弧光反应室分离出来的离子的能量为：VnqE)(Vnqmv)(212mVnqv)(2nqmVBr21称为质荷比nqm不同质荷比的离子运动半径不同4.结果：离子束中的离子因偏转半径不同而分成不同的离子束。B+3.装置组成：电磁铁、真空腔。B+、B10+、B11+、B2+、BF2+、F+、F2+……加速管1.功能：使电子获得足够的能量2.实现方法：利用电场，使离子在电场作用下加速得到一定的能量。3.装置组成：一系列圆环形电极组成。加速管100MW100MW100MW100MW100MW0kV+100kV+80kV+20kV+40kV+60kV+100kV粒子束粒子束至工艺腔电极来自分析磁体加速系统的排列方式1.先分析后加速2.先加速后分析3.前后加速，中间分析4.前后分析，中间加速§8.2离子注入系统离子源分析磁体加速管粒子束等离子体工艺腔吸出组件扫描盘高能注入机的线形加速器源原子质量分析磁体线形加速器最终能量分析磁体扫描盘硅片方式比较方式优点缺点先分析后加速分析器比较小、造价低；高压功率小；改变离子能量不需要改变分析器电流离子损失多，纯度差先加速后分析减小了空间电荷和电荷交换；纯度高分析器比较大；改变离子能量需要改变分析器电流前后加速，中间分析离子能量可调范围广；可后加速或后减速两端都是高电位，操作不变前后分析，中间加速纯度高后分析器造价高；改变离子能量需要改变分析器电流空间电荷中和原因：离子束的膨胀。危害：离子束的直径在行进过程中不断增大。解决办法：二次电子中和。+++++++++具有空间电荷中和地粒子束剖面+++++++++粒子束膨胀剖面掺杂离子二次电子空间电荷中和++++++++++++++------------NSNS120V起弧吸出组件离子源60kV吸引2.5kV抑制源磁铁5V灯丝ToPA+粒子束参考端(PA电压)抑制电极接地电极中性束流陷阱原因：中性离子的存在。危害：不发生偏转，注入到硅片中央。解决办法：利用偏转电极，使离子束在进入靶室前一段距离内发生偏转。源分析磁体加速管中性束流陷阱聚焦阳极Y-轴偏转X-轴偏转中性束流路径硅片粒子束接地的收集板扫描系统离子束通常很小，中等电流的注入机束斑约为1cm2，大电流的约为3cm2，所以必须通过扫描覆盖整个硅片。固定硅片，移动束斑；扫描方式分：固定束斑，移动硅片。保证剂量的统一性和重复性。注入机中的扫描系统分类：静电扫描机械扫描混合扫描扫描系统静电扫描Y-轴偏转X-轴偏转硅片旋转倾斜高频X-轴偏转低频Y-轴偏移束斑每秒在横向扫描15000次，纵向扫描1200次。优点：颗粒沾污小，中性离子不会发生偏转，能够从束流中消除。缺点：阴影效应。应用：中低电流的注入。光刻胶a)无倾斜的机械扫描粒子束b)正常倾斜的静电扫描光刻胶注入阴影效应静电扫描机械扫描扫描外半径扫描内半径注入面积(计算的)溢出杯粒子束离子束固定，硅片移动。多个硅片固定在大轮盘的外沿，以1000到1500rpm的速度旋转，同时上下移动。优点：每次注入一批硅片，有效地平均了离子束的能量，减弱了硅片由于吸收离子的能量而加热。缺点：颗粒沾污。应用：大电流注入机。机械扫描离子束在静电作用下沿x轴扫描，硅片沿y轴扫描。应用：中低电流的注入。混合扫描硅片充电原因：正离子在硅片表面的积累危害：改变离子束，使束斑扩大，剂量分布不均匀。解决方法：二次电子喷淋。控制硅片充电的二次电子喷淋++++++++++++++负偏置孔径电子枪二次电子靶二次电子正离负电子复合Wafer控制硅片充电的等离子电子喷淋负偏置孔径Ionbeam中性化原子硅片扫描方向电流(剂量)监测计等离子电子喷淋腔氩气入口电子发射腔壁++++++++SNSN+++§8.3离子注入的基本原理注入离子的能量损失机制注入后的杂质分布沟道效应注入离子的能量损失SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射线电子碰撞原子碰撞被移动的硅原子携能杂质离子硅晶格注入杂质原子能量损失两种主要能量损失机制：核阻碍电子阻碍总的能量损失为两者能量损失之和Sn：核阻止能力，Se：电子阻止能力两种主要能量损失机制：两种阻止能力与入射离子能量的关系离子的速度阻止能力在低能入射和入射离子的质量比较大时，原子核阻止为主；在高能入射和入射离子的质量比较小时，电子阻止为主入射离子的在非晶靶中的分布入射离子分布为高斯分布，在x=RP有最高浓度。横向效应横向系数BSb，约0.5，比热扩散小（0.75～0.85）沟道效应入射离子的阻挡作用与晶体取向有关。单晶靶中的沟道沿110轴的硅晶格视图沟道效应当入射离子的方向沿沟道方向时，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。碰撞后产生的沟道效应1.倾斜硅片常用角度是偏离垂直方向70。2.掩蔽氧化层注入前在硅片表面生长或淀积一薄层氧化层（10～40nm）3.硅预非晶化注入之前用不活泼粒子，通常是Si+，大剂量注入以损坏硅表面的一薄层的单晶结构。解决方案：阴影效应退火后分布§8.4注入损伤和退火注入损伤杂质原子将硅原子撞离晶格位置；移位的硅原子又与其它硅原子发生碰撞并产生额外的移位原子；在入射离子运动轨迹的周围产生大量的空位和间隙原子对点缺陷，形成晶格损伤。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiX-射线电子碰撞原子碰撞被移动的硅原子携能杂质离子硅晶格移位原子数的估算当注入离子的起始能量为E0时，在碰撞过程中可以使靶内原子位移的数目粗略估计为：Ed为位移一个靶原子所需的能量，对于硅来说，Ed一般取14ev～15ev。注入能量为10～100kev时,每个注入离子可以产生103～104的间隙原子-空位对。损伤区的分布轻离子与靶原子碰撞时，传递给靶原子的能量较小，散射角较大，位移原子数量少；轻离子的能量很大部分通过与电子碰撞而损失掉。所以形成的晶格损伤较小。重离子形成的损伤区重离子与