第四章-离子注入

LOGO第四章离子注入本章内容概述离子注入基本原理射程与注入离子的分布离子注入设备系统实际的入射离子分布问题注入损伤与退火离子注入在MOSIC中的应用概述离子注入技术是六十年代发展起来，目前在IC制造中占主导地位的一种掺杂技术基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子，并使其在电场中加速，获得一定能量后，直接轰击到半导体基片内，使之在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂的作用。一般CMOS工艺流程需6~12次离子注入典型的离子注入工艺参数：能量约5~200KeV，剂量约1011~1016/cm2，注入深度平均可达10nm~10um离子注入技术的特点杂质纯剂量均匀温度低、掩蔽方便杂质分布灵活杂质不受固溶度的限制横向扩散小适合实现化合物半导体的掺杂缺点：造成晶格损伤、设备昂贵等离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。离子注入基本原理1.1离子的碰撞1）离子和核外电子的碰撞：可看成非弹性碰撞。由于离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失很少的离子能量，且是小角度散射。Se－电子阻止散射方向是随机的，多次散射的结果，离子运动方向基本不变。阻止本领：材料中注入离子的能量损失大小。ESedxdEe而吸收离子能量的电子，将会：——使原子的外层电子脱离靶材，产生二次电子；——使原子中的电子能级发生跃迁，回落时，释放能量，放出光子而发光。电子阻止：对于轻离子、高能量条件下占主导地位21EESe2）离子与靶原子核碰撞：可看作弹性碰撞。因两者的质量往往是同一个量级，一次碰撞可以损失较多能量，且可能发生大角度散射。定义核阻止：当能量较低时，ESn当能量较高时，ESnESndxdEn能量损失率与离子能量的关系Sn在某个能量处有极大值，重离子、低能量时核阻止占主导地位3)离子注入的能量损失机制获得一定能量后的靶原子核可能离开原来的晶格位置。——若进入晶格间隙，留下空位，形成缺陷；——还可以继续碰撞另外一个原子核，使一系列核离开晶格位置，造成晶体损伤。——当剂量很高时，甚至可以使单晶硅严重损伤以至变成无定形硅。nedESESEdx-dE/dx：能量损失梯度E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量Sn(E)：核阻止本领Se(E)：电子阻止本领C:靶原子密度～51022cm-3forSi能量E的函数能量为E的入射粒子在密度为C的靶内走过x距离后损失的能量单位路程上注入离子由于核阻止（Sn(E)）和电子阻止(Se(E))所损失的能量，总能量损失为两者的和。低能区中能区高能区核阻止本领和电子阻止本领曲线(1)低能区：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略(2)中能区：Sn(E)和Se(E)同等重要(3)高能区：Se(E)占主要地位，Sn(E)可忽略ESeESndxdE则入射离子总的能量损失为：射程R:离子从进入靶开始到停止点所通过的总路程叫射程。投影射程xp:射程在离子入射方向的投影长度称作投影射程。1.2几个基本概念：射程、投影射程及标准偏差射程横向分量Xt：射程在垂直于入射方向的平面内的投影长度射程、投影射程及标准偏差平均投影射程RP：虽然入射到靶内的是同一种离子、具有的能量也相同，但是各个入射离子进入靶后所经历的碰撞过程是一个随机过程，所以各个离子的射程和投影射程不一定相同。大量入射离子投影射程的统计平均值称作平均投影射程，用RP表示。标准偏差ΔRp：各个入射离子的投影射程xp分散地分布在平均投影射程RP周围，用标准偏差ΔRp表示xp的分散情况。2/12)(pppRxR1.3注入离子的分布LSS理论：有很多科学家对于离子注入后的杂质分布做了深入的研究，其中最有名的也是最成功的是LSS理论。它是Linhard、Scharff和Schiott三人首先确立的。根据LSS射程分布的理论，离子注入非晶靶后的杂质浓度以高斯函数的形式分布])(2)(exp[)(22maxppppRRxCxCΔRp：标准偏差RP：平均投影射程xp：投影射程Cmax：峰值处的离子浓度C(xp)：表示距靶表面深度为xp处的注入离子浓度如果把杂质浓度分布公式对xp积分，就得到单位面积的表面层中注入的总离子数，即注入剂量NSppppppSdxRRxCdxxCN}])([21exp{)(20max0经变换和简化后，可以得到注入剂量、标准偏差和峰值浓度之间的近似关系：深度为Rp时的离子浓度为最大值。pSppRNRNsRxC4.02)(max注：注入剂量和杂质浓度的关系剂量（个数/面积）：往下看，单位面积下所有深度内有多少条鱼浓度（个数/体积）：特定区域单位体积内有多少条鱼能量（Kev）2050100120160200BRP66216082994349644325297ΔRp283504710766854921PRP2536071238149720192539ΔRp119256456528659775AsRP1593225826868981114ΔRp59118207241308374常用离子在硅中的射程等数据200kev注入离子在靶中的高斯分布图硼原子在不同入射能量对深度及浓度分布图高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好根据离子注入条件计算杂质浓度的分布已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材（衬底Si,SiO2,Si3N4等）求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp已知离子注入时的注入束流I，靶面积A,注入时间t求解step2:计算离子注入剂量：求解step3：计算杂质最大浓度：求解step4:写出杂质浓度分布公式：qAItNSppRNsRxC2)(max])(2)(exp[)(22maxppppRRxCxC根据公式，可求解某深度Xj处浓度C(Xj);峰值浓度Cmax；平均浓度结深Xj：假设衬底为反型杂质，且浓度为CB，由C(Xj）=CB，可得jSXNCBpppjCNsRRRx21ln22.离子注入设备系统离子注入三大基本要素：——离子的产生——离子的加速——离子的控制离子注入系统的三大组成部分:1）离子源——杂质离子的产生2）加速管——杂质离子的加速3）终端台——离子的控制2.离子注入设备系统离子源质量分析器加速管聚焦系统扫描部件真空系统电流积分仪注入靶室2.1离子源—产生注入离子的发生器原理：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，产生注入机所需的杂质离子。杂质气体（或固态源）PH3，AsH3，BF3放电室：低气压、分解离化气体BF3B,B+,BF2+,F-,…….离子分离器（目的：把离子源弧光反应室当中产生的杂质离子分离出来。）引出狭缝：——负电位，吸引出离子。离子束流量（最大mA量级）吸极电压Vext:15~30KV，决定引出离子的能量（速度）通过吸极电源把离子从离子源引出离子源离子源和吸极交互作用装配图++++++++++++++------------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2.2质量分析器从离子源引出的离子束里包含几种甚至十几种元素，但是需要注入的只是某一种特定元素的离子，所以需要质量分析器把该特定元素分选出来。离子注入机中采用磁分析器分析。原理：利用不同质量和不同带电荷数的离子，在经过磁场时，受电磁力的效应，进行不同曲率的圆弧运动来进行作用：选择注入所需的特定电荷的杂质离子分析磁体石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子可变狭缝磁分析器一个质量数为M的正离子，以速度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径为R。⊕vexteVnqmBnqBmvr21)(其中：V为减速电极后电压（伏特），nq为离子的总电荷数，B是磁场强度（特）。可知：对不同杂质，m↗，r↗；对同一种杂质，nq↗，r↘。离子在行径质量分析器所受的电磁力：)(nqBvFB离子运动路径：rmvFr2Bvqrmv2mnqVmEvext22离子运动速率：离子回转半径与分离电压的关系：质量分析器及离子源在注入机中的相对位置出口狭缝：只允许一种（m/q)的离子离开分析仪石磨离子源分析磁体粒子束吸出组件较轻离子重离子中性离子2.3加速器加速离子，获得所需能量；高真空（10-6Torr）静电加速器：调节离子能量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Figure17.15离子从离子源到靶室中的硅片，一般要飞行几米到几十米的距离。为了减少离子在行进中的损失，必须要对离子进行聚焦。一般聚焦系统在加速管后面。最常用的有静电四极透镜和磁四极透镜。聚焦后的离子束到达硅片的束斑要尽可能小，一般直径为几毫米。静电透镜：离子束聚焦静电偏转系统：滤除中性粒子带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，成为中性的粒子。X方向扫描板Y方向扫描板扫描范围中性束偏转板+-没有偏转的中性束粒子继续向前对于出现在扫描系统以前的中性粒子，扫描电场对它已不起作用。计算注入离子数量的电荷积分仪也检测不到，所以这些中性粒子进入硅片后就将造成局部区域的浓度比其它地方高。中性束造成的注入不均匀性2.4电子簇射器离子束膨胀——注入正离子使靶表面积聚很多正电荷，从而使后续注入的正离子的运动方向受到影响，产生注入膨胀，造成注入离子均匀性变差，严重影响器件特性。解决方法：再注入电子，使之与正电荷中和。热灯丝离子束金属靶二次电子电子簇射器++++++++++++++负偏置孔径电子枪二次电子靶二次电子正离负电子复合WaferFigure17.232.5终端台：控制离子束扫描和计量1）离子束扫描：——扫描方式：静电扫描、机械扫描和混合扫描。常用静电扫描和混合扫描。——静电光栅扫描适于中低束流机，机械扫描适于强束流机。两种注入机扫描系统法拉第杯电流测量带硅片的扫描盘扫描方向法拉第杯抑制栅孔径电流积分仪在盘山的取样狭缝粒子束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工艺控制参数杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，…注入能量（单位：Kev）——决定杂质分布深度和形状，10~200Kev注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能当剂量固定时，束流越大，扫描时间越短，机器产能越高扫描时间太短，会影响注入的均匀性（一般最短10s）IANsqttdtqIANs01注入机分类注入机分类描述和应用中低电流高纯粒子束，电流大于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。氧注入机大电流系统用于半导体上硅(SOI)的氧注入。3.实际入射离子分布问题3.1沟道效应LSS理论是以非晶靶作为研究对象，故入射离子受到的碰撞过程是随机的；靶对离子的阻止作用是各向同性的，因此一定能量的离子沿不同方向射入靶内将会得到相同的平均射程。实际离子注入到单晶靶中，因此靶