第七章：离子注入

第七章：离子注入掺杂技术之二7.1引言离子注入是在高真空的复杂系统中，产生电离杂质并形成高能量的离子束入射硅片靶中进行掺杂的工艺过程。离子注入系统图离子注入是继扩散之后的第二种掺杂技术，是现代先进的集成电路制造工艺非常重要的技术。有些特殊的掺杂（如小剂量浅结掺杂、深浓度峰分布掺杂等）扩散是无法实现的，而离子注入却能胜任。离子注入的优点：1.精确地控制掺杂浓度和掺杂深度离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度依赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量，精确地控制掺杂层的深度和浓度，工艺自由度大。2.可以获得任意的杂质浓度分布由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点采用多次叠加注入可以获得任意形状的杂质分布，增大了设计的灵活性。离子注入的优点：3.杂质浓度均匀性、重复性很好用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010～1017ions/cm2的范围内，均匀性达到±2％而扩散在±10％，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实现。4.掺杂温度低注入可在125℃以下的温度进行，允许使用不同的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性离子注入的优点：5.沾污少质量分离技术产生没有沾污的纯离子束，减少了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工艺也减少了掺杂沾污。6.无固溶度极限注入杂质浓度不受硅片固溶度限制离子注入的缺点：1.高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤2.注入设备复杂昂贵7.2离子注入工艺原理离子注入参数注入剂量φ注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数。单位：离子每平方厘米其中I为束流，单位是库仑每秒（安培）t为注入时间，单位是秒q为电子电荷，等于1.6×10－19库仑n为每个离子的电荷数A为注入面积，单位为cm2注入能量离子注入的能量用电子电荷与电势差的乘积来表示。单位：千电子伏特KEV带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动，它的能量为100KEV射程、投影射程具有一定能量的离子入射靶中，与靶原子和电子发生一系列碰撞（即受到了核阻止和电子阻止）进行能量的交换，最后损失了全部能量停止在相应的位置，离子由进入到停止所走过的总距离，称为射程用R表示。这一距离在入射方向上的投影称为投影射程Rp。投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离。投影射程示意图第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi平均投影射程离子束中的各个离子虽然能量相等但每个离子与靶原子和电子的碰撞次数和损失能量都是随机的，使得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不等，存在一个统计分布。离子的平均投影射程RP为其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射程离子投影射程的平均标准偏差△RP为其中N为入射离子总数Rp为平均投影射程Rpi为第i个离子的投影射程离子注入浓度分布LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布其方程为其中φ为注入剂量χ为离样品表面的深度Rp为平均投影射程△Rp为投影射程的平均标准偏差离子注入浓度分布的最大浓度Nmax从上式可知，注入离子的剂量φ越大，浓度峰值越高从浓度分布图看出，最大浓度位置在样品内的平均投影射程处离子注入结深XjmaxjppB2lnNxRRN其中NB为衬底浓度离子注入的浓度分布曲线RP和△RP的计算很复杂，有表可以查用入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP66213021903246529943496397444324872RP283443556641710766813854890PRP25348673089112381497175720192279RP119212298380456528595659719AsRP1592693744785826867918981005RP5999136172207241275308341（一）各种离子在Si中的Rp和△Rp值(Å)（二）各种离子在光刻胶中的Rp和△Rp值(Å)入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP22674587673687211056912305139471551117007RP475763955109512021288135914201472PRP86616542474332041825053592768037675RP19835349963676588699911041203AsRP67311291553196623752783319236024015RP126207286349415480543606667（三）各种离子在SiO2中的Rp和△Rp值(Å)入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP62212831921252831403653417946855172RP252418540634710774827874914PRP19938858679210021215142916441859RP84152216276333387437485529AsRP127217303388473559646734823RP437299125151176201226251（四）各种离子在Si3N4中的Rp和△Rp值(Å)入射能量（KEV）注入的离子20406080100120140160180BRP4809901482195023962820322636173994RP196326422496555605647684716PRP154300453612774939110512711437RP65118168215259301340377411AsRP99169235301367433500586637RP33567797118137157176195利用下表计算离子注入结深Xj例题：在N型〈111〉衬底硅片上，进行硼离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1015cm-3，注入能量：60KEV，注入剂量：5.0E14，试计算硼离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。7.3离子注入设备离子注入机主要由以下5个部分组成1.离子源2.引出电极（吸极）和离子分析器3.加速管4.扫描系统5.工艺室离子注入系统1.离子源离子源用于产生大量的注入正离子的部件，常用的杂质源气体有BF3、AsH3和PH3等。离子源2.引出电极（吸极）和离子分析器吸极用于把离子从离子源室中引出。质量分析器磁铁分析器磁铁形成90°角，其磁场使离子的轨迹偏转成弧形。不同的离子具有不同的质量与电荷（如BF3→B＋、BF2＋等），因而在离子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。分析磁体3.加速管加速管用来加速正离子以获得更高的速度（即动能）。加速管4.扫描系统用于使离子束沿x、y方向在一定面积内进行扫描。束斑中束流的束斑：1cm2大束流的束斑：3cm2扫描方式1.固定硅片、移动束斑（中、小束流）2.固定束斑、移动硅片（大束流）扫描种类1.静电扫描：在一套X-Y电极上加特定电压使离子束发生偏转注入到固定的硅片上。属于固定硅片、移动束斑的扫描方式。2.机械扫描：硅片放在轮盘上旋转，并上下移动。属于固定束斑、移动硅片的扫描方式。3.混合扫描：硅片放在轮盘上旋转，沿Y方向扫描，离子束沿X方向静电扫描。束斑和硅片都动。4.平行扫描：静电扫描+磁场控制角度静电扫描系统静电扫描系统机械扫描系统5.工艺腔工艺腔包括扫描系统、具有真空锁的装卸硅片的终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。硅片冷却：硅片温升控制在50℃以下，气冷和橡胶冷却。剂量控制：法拉第环电流测量7.4离子注入效应1.沟道效应2.注入损伤沟道效应当注入离子未与硅原子碰撞减速，而是穿透了晶格间隙时（见下图）就发生了沟道效应。硅片倾斜是减小沟道效应的常用办法。硅片倾斜使单晶在离子入射方向上按非晶无定型结构处理和理论吻合得很好。（100）晶向的硅片常用的角度是偏离垂直方向7°注入机在出厂前就把角度调好。沟道效应沿110晶向的硅晶格视图发生沟道效应的杂质分布曲线控制沟道效应的方法1.倾斜硅片：常用方法2.屏蔽氧化层：离子通过氧化层后，方向随机。3.硅预非晶化：增加Si+注入，低能量（1KEV）浅注入应用非常有效4.使用质量较大的原子注入损伤高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤，减少注入损伤的常用办法是退火，退火的另一个作用是电激活注入杂质。常用的退火方法有以下两种：1.高温退火2.快速热退火（a）轻离子损伤情况（b）重离子损伤情况7.5离子注入退火退火工艺目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替位位置而实现电激活。1.高温热退火通常的退火温度：磷、砷650℃，硼920℃，时间：30分钟左右缺点：高温会导致杂质的再分布。2.快速热退火采用高频加热等方法瞬时内使晶片的某个区域加热到极高的温度，在较短的时间（10－3～10－2秒）内完成退火。优点：杂质浓度分布基本没变化7.6离子注入的应用在先进的CMOSIC制造中，离子注入有以下应用1.深埋层2.倒掺杂阱3.穿透阻挡层4.阈值电压调整5.轻掺杂漏区（LDD）6.源漏注入7.多晶硅栅掺杂8.沟槽电容器9.超浅结10.绝缘体上的硅（SOI）深埋层高能（大于200KEV）离子注入，深埋层的作用：控制CMOS的闩锁效应倒掺杂阱高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大，倒掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力。穿通阻挡层作用：防止沟道很短的亚微米器件源漏穿通，保证源漏耐压。调节阈值电压阈值电压公式：QBm＝q·NB·Xdm，QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度轻掺杂漏（LDD：LightlyDopedDrain）注入源漏注入多晶硅栅掺杂沟槽电容器超浅结超浅结绝缘体上的硅（SOI）在硅中进行高能量氧离子注入，经高温处理后形成SOI结构（silicononinsulator）SOI结构SEM照片本章习题书中第17章：30、53、55、56第四次作业第六章（书中第16章）：1、5、30第七章（书中第17章）：23、25、34第七章附加题：在P型〈100〉衬底硅片上，进行As离子注入，形成P-N结二极管。已知衬底掺杂浓度为1×1016cm-3，注入能量：100KEV，注入剂量：5.0E15，试计算砷离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深。