离子注入法介绍

离子注入法介绍■概述■离子注入工艺设备及其原理■射程与入射离子的分布■实际的入射离子分布问题■注入损伤与退火■离子注入工艺的优势与限制离子注入(Ionlmplantation)参考资料：《微电子制造科学原理与工程技术》第5章离子注入(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)■离子注入工艺是IC制造中占主导的掺杂技术■离子注入：将杂质离化，通过电场加速，将这些离化的杂质直接打入硅片中，达到掺杂的目的■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。一、概述（一）介绍（二）MOSFET工艺中的离子注入(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——离子的控制二、离子注入工艺设备及其原理1、离子注入技术的三大基本要素：(1)离子的产生(2)离子的加速(3)离子的控制2、离子注入系统的三大组成部分：■气态源：(或固体源)BF3AsH3PH3SiH4H2■放电室：低气压、分解离化气体BF3B，B+，BF2+，F+，……■引出狭缝：负电位，吸引出离子（1）离子源： 离子束流量(最大mA量级) 吸极电压Vext：约15～30KV，决定引出离子的能量(速度)产生杂质离子■出口狭缝：只允许一种(m/q)的离子离开分析仪（2）质量分析器：■分析磁铁：磁场方向垂直于离子束的速度方向离子运动路径：离子运动速率：质量m+m的离子产生的位移量选择注入所需的杂质成分(B+)■静电透镜：离子束聚焦■静电加速器：调节离子能量■静电偏转系统：滤除中性粒子加速离子，获得所需能量；高真空(10-6Torr)（3）加速管： 静电光栅扫描：适于中低束流机 机械扫描：适于强束流机■剂量控制 法拉第杯：捕获进入的电荷，测量离子流 注入剂量：当一个离子的荷电态为m时，注入剂量为：（4）终端台：控制离子束扫描和剂量图5.5两种注入机扫描系统■离子束扫描■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■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(一般最短扫描时间l0s)（5）离子注入工艺控制参数（6）杂质剂量与杂质浓度的关系■高能离子进入靶材料后，与靶原子核及其电子碰撞，损失能量，发生散射，最后停止下来。■离子在靶中的行进路线及其停止位置是随机的。■射程R：离子在靶中行进的总距离■垂直投影射程Rp：离子射程在靶深度轴上的投影距离■垂直投影射程偏差△Rp：Rp的标准偏差三、射程与入射离子的分布1、射程的概念■核碰撞：入射离子与靶原子核碰撞，因二者质量为同一数量级，因此一次碰撞可使离子损失较多能量(Sn)，且可能发生大角度散射。有时还引发连续碰撞。■入射离子能量损失：2、入射离子能量损失机制■电子碰撞：入射离子与核外电子碰撞，因质量相差很大，因此每次碰撞离子损失很少能量(Se)，且都是小角度散射。图5.8常见杂质的Sn和Se与注入能量的关系■核阻滞当能量较低时，E，Sn；当能量较高时，E，Sn；Sn在某能量处有最大值。在重离子、低能量注入条件下占主导■电子阻滞．在轻离子、高能量注入条件下占主导（1）离子投影射程Rp与入射离子质量和能量有关；Rp与入射离子与靶原子质量比有关3、核阻滞理论(射程理论，LSS理论)由下式决定注意：Rp与Rp可由LSS表查出■离子浓度沿硅片深度的积分就是注入剂量：（2）入射离子的分布■对于无定形靶，离子浓度沿深度方向分布的一阶近似关系：式中，是注入离子剂量(/cm2)■深度为Rp时的离子浓度为最大值：写出杂质浓度分布公式：4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布（1）已知杂质种类(P，B，As)，离子注入能量(Kev)，靶材(Si，SiO2，Si3N4等)求解第1步查LSS表可得到Rp和△Rp（2）已知离子注入时的注入束流I，靶面积A，注入时间t求解第2步计算离子注入剂量：求解第3步计算杂质最大浓度：求解第4步（3）假设衬底为反型杂质，且浓度为NB，计算PN结结深由N(xj)=NB可得到结深计算公式：4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布（4）根据分布公式，计算不同深度位置的杂质浓度4、根据离子注入条件计算杂质浓度的分布5、实际杂质分布偏差描述的改善■对于低浓度区的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：■对于硼的分布，采用PearsonIV分布描述。■用蒙特卡洛法模拟杂质分布在离子注入计算机模拟工具中十分常见。(a)标准高斯分布(b)峰值略向深处偏移，尾部向表面延伸(c)峰值平坦化不同能量硼离子注入的分布及其与标准高斯分布的差异■沟道效应■横向分布■复合靶注入四、实际的入射离子分布问题有部分离子可能会行进很长距离，造成较深的杂质分布。1、沟道效应：在单晶靶中，当离子速度方向平行于主晶轴时，■临界角■当离子速度方向与晶轴方向夹角远大于临界角时，沟道效应很小。图5.12典型杂质在硅中的临界角上：111衬底下：100衬底（1）偏轴注入：一般选取5～7倾角，入射能量越小，所需倾角越大（2）衬底非晶化预处理：进行一次高剂量Ar+注入，使硅表面非晶化（3）非晶层散射：表面生长200～250Å二氧化硅(ScreenOxide)，使入射离子进入硅晶体前方向无序化（4）注入杂质的自非晶化效应：重杂质(As)，高剂量注入■解决沟道效应的方法