《掺杂技术离子注入》PPT课件.ppt

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1、,第七章 离子注入 （Ion Implantation）,离子注入概述,最早应用于原子物理和核物理研究 提出于1950s 1970s中期引入半导体制造领域,离子注入,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，能在高压下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 ： E 50 KeV，注入掺杂,离子束的性质,离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式

2、） 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。扩散工艺的掩蔽膜必须是 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。,1、掩模方式（投影方式）,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。实现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

3、转扫描的离子光学系统。,2、聚焦方式（扫描方式),7.1 离子注入系统,离子源：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：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在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：用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：用来实现离子束 x、y 方向的一定面积内进行扫描。 工作室：放置样品的地方，其位置可调。,离子注入系统示意图,离

4、子注入系统事物图,一、离子源 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。,掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为 106 107 A/cm2.sr 。,1、等离子体型离子源,这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负

5、电荷数相等，宏观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。,产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。,2、液态金属离子源（LMIS）,LMIS 是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻蚀等。,LMIS 的类型、结构和发射机理,针形,V 形,螺旋形,同轴形,毛细管形,液态金属,钨针,类型,对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发

6、生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。 能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。,E1 是主高压，即离子束的加速电压；E2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E3 是加热器电源。,E1,E2,E3,针尖的曲率半径为 ro = 1 5 m，改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。,引出极,当

7、E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。 若改变 E2 的极性 ，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。,E1,E2,E3,引出极,共晶合金 LMIS 通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 。,根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。,例如，金和硅的熔点分别为 1063oC 和 1

8、404oC，它们在此温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。 对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。,二、质量分析系统 1、 质量分析器 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与 B 的方向相互垂直。,O,光阑,离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比 qo 为,对于某种荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转磁场 B ，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过

9、光阑。,通常是调节 Vf 而不是调节 B。,当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ms 的其它离子的偏转量 Db 为,将前面的 B 的表达式 代入 Db ，得,讨论 (1) 为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径 D 必须满足,(2) 若 D 固定，则具有下列荷质比 的离子可被屏蔽，,而满足下列荷质比的离子均可通过光阑，,以上各式可用于评价 质量分析器的分辨本领。,2、磁质量分析器,光阑1,光阑2,为向心力，使离子作圆周运动，,半径为,从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑 2。,或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而使该种离

10、子通过光阑 2，,另外，若固定 r 和 Va ，通过连续改变 B ，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑 2，测量这些不同荷质比的离子束流的强度，可得到入射离子束的质谱分布。,其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。,两种质量分析器的比较 在 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出的离子束中容易含有中性粒子。磁质量分析器则相反，所需离子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。,离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。,7.2 平均投影射程,射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程

11、。 平均射程：射程的平均值，记为 R 。 投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 。 平均投影射程：投影射程的平均值，记为 RP 。 标准偏差：,平均投影射程与初始能量的关系,由此可得平均投影射程为,入射离子能量损失的原因是受到 核阻挡 与 电子阻挡。,核阻挡,电子阻挡,一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为,Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。,Sn 的计算比较复杂，而且无法得到解析形式的结果。下图是数值计算得到的曲线形式的结果。,Sn = Se,(2) 当 E0 远大于 E2 所对应的能量值时，Sn Se ，以电子阻挡为主，此时散射角较

12、小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。,(1) 当入射离子的初始能量 E0 小于 E2 所对应的能量值时， Sn Se ，以核阻挡为主，此时散射角较大，离子运动方向发生较大偏折，射程分布较为分散。,在实际工作中，平均投影射程 RP () 及标准偏差 RP ()与注入能量 (KeV) 的关系可从下图 （下表）查到。,7.3 离子注入的特点,1.特点 可以独立控制杂质分布（离子能量） 和杂质浓度（离子流密度和注入时间） 各向异性掺杂 容易获得高浓度掺杂 （特别是：重杂质原子，如P和As等）。,2.离子注入与扩散的比较,扩

13、散,离子注入,2.注入与扩散的比较,3.离子注入控制,离子束流密度和注入时间控制杂质浓度 （注入离子剂量） 离子能量控制结深 杂质分布各向异性,4.阻止机制,典型离子能量：5500keV 离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来 两种阻止机制：核碰撞和电子碰撞,核阻止 与晶格原子的原子核碰撞 大角度散射（离子与靶原子质量同数量级） 可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）. 电子阻止 与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 注入离子路径基本不变 能量损失很少 晶格损伤可以忽略,4.阻止机制,两种阻止机制,4.阻止机制,总的阻止本领： Stotal = Sn + Se Sn: 核阻止,

14、Se: 电子阻止,低能区：核阻止本领占主要 中能区：两者同等重要 高能区：电子阻止本领占主要 固体中的电子可以看为电子气，电子阻止类似于黏滞气体的阻力，电子阻止本领与注入离子速度成正比；,空气阻力与速度的平方成正比,4.阻止机制,背散射,沟道,自由碰撞,阻止本领与离子速度,阻止本领,核阻止,电子阻止,离子速度,注入离子分布,RP：投影射程，射程的平均值,阻挡 200keV 离子束的阻挡层厚度,典型能量：5500KeV,掩膜厚度,5.注入过程:注入通道, 如果入射角度恰好，离子能够在不和晶格原子碰撞的情况下运动很远距离 会引起不可控的杂质分布,大量碰撞,很少碰撞,6.沟道效应,沟道中核阻止很小，

15、电子密度也很低,碰撞后引起的沟道效应,碰撞后形成的沟道效应,碰撞引起,沟道引起,碰撞引起,注入过程: 沟道效应, 避免沟道效应的方法 倾斜圆片, 7最常用 屏蔽氧化层（无定形） 注入前预先无定型处理 阴影效应 离子受到掩膜结构阻挡 旋转圆片和注入后扩散,7.阴影效应,粒子束,阴影效应消除,问题,为什么不利用沟道效应在离子能量不高的情况产生深结？,答案,离子束不是完美地平行。许多离子注入衬底后会发生许多次核碰撞，只要少数一些会进入很深的距离。,7.4 注入损伤,注入离子将能量转移给晶格原子 产生自由原子（间隙原子空位 缺陷对） 自由原子与其它晶格原子碰撞 使更多的晶格原子成为自由原子 直到所有自

16、由原子均停止下来，损伤才停止 一个高能离子可以引起数千个晶格原子位移,一个离子引起的晶格损伤,轻离子,重离子,注入损伤过程,离子与晶格原子碰撞，使其脱离晶格格点 衬底注入区变为无定型结构,注入前,注入后,7.5退火的作用,杂质原子必须处于单晶结构中并与四个Si原子形成共价键才能被激活 ，donor (N-type) 或acceptor (P-type) 高温热能帮助无定型原子恢复单晶结构,热退火,晶格原子,杂质原子,热退火,晶格原子,杂质原子,热退火,晶格原子,杂质原子,热退火,晶格原子,杂质原子,退火前后的比较,退火前,退火后,快速热退火 (RTA),高温下, 退火超越扩散 RTA (RTP

17、) 广泛用于注入后退火 RTA 很快 (小于1分钟), 更好的片间（WTW）均匀性, 最小化杂质扩散,RTA和炉退火,RTP退火,炉退火,问题,高温炉的温度为什么不能象RTA系统那样快速升温和降温？,答案,高温炉有很大的热容积，需要很高的加热功率去获得快速升温。很难避免快速升温时大的温度摆动（温度过冲和下冲）,7.6注入工艺,粒子束路径,离子注入: Plasma Flooding System, 离子引起晶圆表面充电 晶圆表面充电引起非均匀掺杂和弧形缺陷 电子注入离子束中，中和晶圆表面电荷 热钨灯丝发射的热电子产生Ar等离子体（Ar+和电子）,7.7晶圆表面充电,注入离子使晶圆表面带正电 排斥

18、正离子，引起离子束弯曲，造成不均匀杂质分布 电弧放电引起晶圆表面损伤 使栅氧化层击穿，降低工艺成品率 需要消除和减弱充电效应,充电效应,离子轨道,电荷中和系统,需要提供电子中和正离子； Plasma flooding system 电子枪 电子喷头,Plasma Flooding System,Wafer Handling,Ion beam diameter: 25 mm (1”), Wafer diameter: 200 mm (8”) or larger Needs to move beam or wafer, or both, to scan ion beam across the wh

19、ole wafer Spin wheel Spin disk Single wafer scan,Spin Wheel,Spin Disk,Single Wafer Scanning System,Ion Implantation: End Analyzer,Faraday charge detector Used to calibrate beam current, energy and profile,Ion Implantation: The Process,CMOS applications CMOS ion implantation requirements Implantation

20、 process evaluations,Implantation Process: Well Implantation,Implantation Process: VT Adjust Implantation,Low Energy , Low Current,Lightly Doped Drain (LDD) Implantation,Low energy (10 keV), low current (1013/cm2),Implantation Process: S/D Implantation,Low energy (20 keV), high current (1015/cm2),Io

21、n Implantation Processes,CMOS on SOI Substrate,Oxygen Ion Implantation,High Temperature Annealing,7.10 小结,本章首先描述了离子注入系统的组成部分，特别是对各种离子源和质量分析系统作了较详细的介绍。离子注入后的杂质浓度分布为高斯函数分布。讨论了离子注入的沟道效应及防止措施。离子注入后必须进行退火处理，目的是激活杂质和消除注入损伤。通过高剂量的氧离子注入，可以形成绝缘埋层。,下面总结一下离子注入的优缺点。,1、可控性好，离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结

22、深；,2、可以获得任意的掺杂浓度分布；,3、注入温度低，一般不超过 400，退火温度也在 650 左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；,4、结面比较平坦；,离子注入的 优点,5、工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2 、金属膜或光刻胶等；,6、均匀性和重复性好；,7、横向扩展小，有利于提高集成电路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率；,8、可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；,9、扩大了杂质的选择范围；,10、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。,离子注入的 缺点,1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；,2、离子注入难以获得很深的结深；,3、离子注入的生产效率比扩散工艺低；,3、离子注入系统复杂昂贵。,thanks,