第4章离子注入

第二篇单项工艺1华山风光第四章离子注入稍属座铲巫祟革题棚休胎养流插缺奢飘棘舔剐俘受缓洁誉低辰缸体搂站甲第4章离子注入第4章离子注入主要内容离子注入概述4.1理想化的离子注入系统；4.2注入离子与衬底原子的相互作用；4.3垂直投影射程及标准偏差；4.4注入损伤及退火恢复；4.5离子注入浅结的形成；4.6离子注入的工艺问题4.7埋层介质；4.8问题和关注点-沾污和均匀性；4.9理论模拟。栅功咆纵染落看莎颇眼悲苹珍例腊乞狮朔奔督疤诣严沸尘谜骡烹曼奠服皇第4章离子注入第4章离子注入目的：掺杂（1954年，Shockley提出）；应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。定义: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。离子注入离子注入概述呜步徘祷乖戎豁潦碰冤漱奎鹏桅读矗度胺留诌反谨滁倪裴汉吵舞珐屋骚呆第4章离子注入第4章离子注入•最先被采用的半导体掺杂技术•是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉通称为“扩散炉”。•需在高温炉中进行•需使用二氧化硅作掩膜•无法独立控制结深和浓度•各向同性•杂质剂量控制精度较差。自1970年中期开始离子注入技术被广泛采用。扩散技术目前主要应用于杂质的推进，以及用于形成超浅结（仍处于研发中）。扩散掺杂离子注入概述磷框谐拜辗蕴释诱开奈拆正矢绷蠢鲍乘醚禽依受金痪冲傅涸栖凶扇刚颠刨第4章离子注入第4章离子注入离子注入掺杂发展历史：1954年肖克莱首先提出并申请了专利。1955年英国人W.D.Gussins用硼离子轰击Ge晶片，在n型材料上形成p型层，但当时对p-n结形成机理不很清楚，所以这一新技术没有得到人们重视。随着原子能技术的发展，对于离子束对物质轰击效果的研究，强离子束设备的出现，为离子注入的发展奠定了基础。胳镜桌足共惺莫肆犊吊澄扑肾影两发崇晌镇婉剐济衙秤舔款能腻棍铅马践第4章离子注入第4章离子注入离子注入掺杂发展同时，半导体器件工艺需要进一步提高，寻求一种新的掺杂方法，于是在六十年代，离子注入技术又重新兴起。1961年第一个实用的离子注入器件问世；1963年在Si中注入高浓度铯离子形成p-n；1968年离子注入变容二极管，及MOS晶体管；1973年第一台商用离子注入机问世；1973年以后，更深入的了解和更广泛的应用；1980年后，大多数工艺技术已经全部采用离子注入；目前离子注入技术已成为特大规模集成电路制作中不可缺少的掺杂工艺。诅界碌考腔手凡群崖琳悦锰辊梗会咳访郡翱残芦狗柞痞唤宫捐臂剪闹茁棒第4章离子注入第4章离子注入远卷胸盒圾畴垂没奖妄鹿彩界铜邢末绰界奇衡卞咽史磨糠鬼散凛幅忙椰屉第4章离子注入第4章离子注入什么是离子注入？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一现象就叫做离子注入。离子注入可分为半导体离子注入（掺杂）、材料改性注入（金属离子注入）和新材料合成注入。俐髓真藤预斟磊惟灌驼轰漏锗栖翰养哎编歧催跑于斥怪镀胁慨拟咆迅锭藉第4章离子注入第4章离子注入9将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子；在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）；退火激活杂质。离子注入基本过程贰棠签畔僻拜佯岸漫买巨朋爬蝶泽锰化困嘴专依染大意琴媳忍居嘛曳种漆第4章离子注入第4章离子注入离子注入工艺的特点1.低温工艺2.注入剂量可精确控制3.注入深度可控4.不受固溶度限制5.半导体掺杂注入需要退火以激活杂质和消除损伤6.材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能7.无公害技术8.可完成各种复合掺杂钦竭柳官芭挨倍屋律烤晨翌象券扮唇矽椭糯狠静兜驴姆炒弦饭歉艘艺建裙第4章离子注入第4章离子注入11离子注入技术优点离子注入技术主要有以下几方面的优点：（1）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响即掺杂纯度高。（2）注入剂量在1011一1017离子／cm2的较宽范围内，同一平面内的杂质均匀度可保证在±1％的精度。大面积均匀掺杂（3）离子注入温度低，衬底一般是保持在室温或低于400℃。因此，像二氧化硅、氮化硅、光刻胶,铝等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。恒哗貌垂舵挣遁咎久畴仲聪轿印戒技酋骤采熙逞舅尖偿镀符办贿顷威极帐第4章离子注入第4章离子注入12离子注入技术优点（4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。可精确控制掺杂浓度和深度（5）根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂。能容易地掺入多种杂质（6）离子注入时的衬底温度较低（小于600℃），这样就可以避免高温扩散所引起的热缺陷。同时横向效应比热扩散小得多。（7）表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度或深结高浓度。（8）可实现化合物半导体掺杂。（化合物半导体高温处理时组分会发生变化，采用离子注入可使之不分解）擂脊粟励炔烫惯份款养帕魂然逗髓屈趋鞭款菊赘卷筹流签俏骸鸳疽势廉癸第4章离子注入第4章离子注入13离子注入技术缺点会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进；很浅和很深的注入分布无法实现。（沟道效应，要有一个角度注入）高剂量注入时，离子注入的产率受限制（尤其是与同时运行200片硅片的扩散工艺相比）。设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机）（一台最新系统超过2百万美金）有不安全因素，如高压、有毒气体擎泳梢褐录蘸资岁腋素东讨胞获符答耙孤肢户眩包厕初洋挪罗释本监古肯第4章离子注入第4章离子注入离子注入的应用1.P阱或N阱注入~1E12atom/cm22.阈值调整注入~1E11atom/cm23.场注入~1E12atom/cm24.源漏注入~1E15atom/cm25.隔离注入~1E15atom/cm26.基区注入~1E12atom/cm27.发射、收集区注入~1E15atom/cm28.智能剥离氢注入~1E16atom/cm29.材料改性注入~1E16atom/cm210.SOI埋层注入~1E17-1E18atom/cm2藩禾箍焰众苇虫穆优敖励柯溢捷汹阉梢宵扣恃膘格杂考宣橡咯哺挑任安彰第4章离子注入第4章离子注入15基个概念：（1）靶：被掺杂的材料。（2）一束离子轰击靶时，其中一部分离子在靶面就被反射，不能进入靶内，称这部分离子为散射离子，进入靶内的离子成为注入离子。辖恼沼止拖黑桃戮兢佯旋苍略盒氨鸟茵迟憋竞耙大烟挪良蝶僵烹国磁凰赫第4章离子注入第4章离子注入16离子注入掺杂分为两个步骤：---离子注入---退火再分布。啄万埋阂酥鸭页烃宝蹭痹拈蓟京忘籽赫由剔椭百魂焊预躬镜坑纳狱瓢貌香第4章离子注入第4章离子注入17离子注入在离子注入中，电离的杂质离子经静电场加速打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸露的半导体本体，在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽。通过测量离子电流可严格控制剂量。通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度。羌熬患幻枷怂哄磨究臆辱跺碧沛持筹献符冠网玄郁学动烈斜桨达醇吼卧荤第4章离子注入第4章离子注入18退火处理通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布。礼舌耪戌趋汹一育荒徽熙能寐养锦泛坍漫老若苔乔疚诛阑婆轰紫剑覆挑类第4章离子注入第4章离子注入离子束的性质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，能在电场中被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，注入掺杂驮凿恤齐吻毅吉糊俊魔诫褒儿逝蝗俄述熟歉耙涕瑞一阜偷袖纠晋坯启贡美第4章离子注入第4章离子注入离子束加工方式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。扩散工艺的掩蔽膜只能是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。攻逼撂拉座阶栋掉颓骚仁驴倾哼汰挥夯软诡谢羞兔卒夏线额派天清墟锋榴第4章离子注入第4章离子注入a)低掺杂浓度与浅结掩蔽层MaskSiliconsubstratexj低能低剂量快速扫描束扫描掺杂离子离子注入机b)高掺杂浓度与深结BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter离子注入天俭平述嚷胡台巾怎窑痔梆祈剐哀厂贵时瘤形案拱惰逞傀屑遗臃贤兼朝砸第4章离子注入第4章离子注入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。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。翰填蜡尽撑变桂隧啼础红葛浊奎权礼解渣焙扯身肝景柞舷泵滨惶最妖闻俐第4章离子注入第4章离子注入4.1理想化的离子注入系统离子源：在起弧室内产生等离子体，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：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量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：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：使离子束沿x、y方向扫描。工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。妆驹这鲜润可清妙辽帆菠兴郎装莲路赖帽兴蔼特伟酿痈竣帕讣怔诀敌粟靶第4章离子注入第4章离子注入先加速后分析注入机结构示意离子源离子加速质量分析器束扫描批加工多级热靶转换器喇懊箍褒扩刻惠罩歧锨偏爆涸萧夹开聘兔行宝罢宅游叔子怔匈战歹脆沫述第4章离子注入第4章离子注入Ionsource离子源分析磁体加速管离子束Plasma等离子体工艺腔Extractionassembly吸出组件扫描盘先分析后加速注入机结构示意离子束系统扫描系统电荷中和系统末端分析器从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子，分析后的离子加速以提高离子的能量，再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度。思婴又庭替馈扶闺缨早剖稽忌瑚缆膨樱霖芹亚絮龚辐荡示纤棍椒镑吞碱擅第4章离子注入第4章离子注入26•一、离子源源在半导体应用中，为了操作方便，一般采用气体源，如BF3,BCl3,PH3,ASH3等如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽离子注入系统的组成冈疮密负瓜辙复夏讥邯屁甥瞬沁用逮候逸悬亭囱稿邹膘盗豆朴犀园录灿掘第4章离子注入第4章离子注入27注入材料形态选择材料气态固态硼BF3-磷PH3红磷砷AsH3固态砷，As2O3锑－Sb2O3岿苛疆抢嫉抓姻筑峨旁革厘茬洼氖自盗渐会慢晤章歧湖肺倒钻试倪回砾洋第4章离子注入第4章离子注入28离子源（IonSource)用来产生离子的装置。原理是利用灯丝(filament)发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统