離子注入法介紹■概述■離子注入工藝設備及其原理■射程與入射離子得分布■實際得入射離子分布問題■注入損傷與退火■離子注入工藝得優(yōu)勢與限制離子注入(Ionlmplantation)參考資料:《微電子制造科學原理與工程技術(shù)》第5章離子注入

(電子講稿中出現(xiàn)得圖號就是該書中得圖號)■

離子注入工藝就是IC制造中占主導得摻雜技術(shù)■離子注入:將雜質(zhì)離化,通過電場加速,將這些離化得雜質(zhì)直接打入硅片中,達到摻雜得目得■一般CMOS工藝流程需6～12次離子注入■典型得離子注入工藝參數(shù):能量約5～200keV,劑量約1011～1016/cm2。一、概述(一)介紹(二)MOSFET工藝中得離子注入(1)離子源——雜質(zhì)離子得產(chǎn)生(2)加速管——雜質(zhì)離子得加速(3)終端臺——離子得控制二、離子注入工藝設備及其原理1、離子注入技術(shù)得三大基本要素:(1)離子得產(chǎn)生(2)離子得加速(3)離子得控制2、離子注入系統(tǒng)得三大組成部分:■氣態(tài)源:(或固體源)BF3AsH3PH3SiH4H2■放電室:低氣壓、分解離化氣體

BF3

B,B+,BF2+,F+,

……■引出狹縫:負電位,吸引出離子(1)離子源:

離子束流量(最大mA量級)

吸極電壓Vext:約15～30KV,決定引出離子得能量(速度)產(chǎn)生雜質(zhì)離子■出口狹縫:只允許一種(m/q)得離子離開分析儀(2)質(zhì)量分析器:■分析磁鐵:磁場方向垂直于離子束得速度方向離子運動路徑:離子運動速率:質(zhì)量m+m得離子產(chǎn)生得位移量選擇注入所需得雜質(zhì)成分(B+)■靜電透鏡:離子束聚焦■靜電加速器:調(diào)節(jié)離子能量■靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng):濾除中性粒子加速離子,獲得所需能量;高真空(<10-6Torr)(3)加速管:大家學習辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜

靜電光柵掃描:適于中低束流機

機械掃描:適于強束流機■劑量控制

法拉第杯:捕獲進入得電荷,測量離子流

注入劑量:當一個離子得荷電態(tài)為m時,注入劑量為:(4)終端臺:控制離子束掃描與劑量圖5.5兩種注入機掃描系統(tǒng)■離子束掃描■雜質(zhì)離子種類:P+,As+,B+,BF2+,P++,B++,…■注入能量(單位:Kev)——決定雜質(zhì)分布深度與形狀■注入劑量(單位:原子數(shù)/cm2)——決定雜質(zhì)濃度■束流(單位:mA或uA)——決定掃描時間■注入掃描時間(單位:秒)——決定注入機產(chǎn)能當劑量固定時,束流越大,掃描時間越短,機器產(chǎn)能越高掃描時間太短,會影響注入得均勻性(一般最短掃描時間l0s)(5)離子注入工藝控制參數(shù)(6)雜質(zhì)劑量與雜質(zhì)濃度得關系■高能離子進入靶材料后,與靶原子核及其電子碰撞,損失能量,發(fā)生散射,最后停止下來?！鲭x子在靶中得行進路線及其停止位置就是隨機得?！錾涑蘎:離子在靶中行進得總距離■垂直投影射程Rp:離子射程在靶深度軸上得投影距離■垂直投影射程偏差△Rp:

Rp得標準偏差三、射程與入射離子得分布1、射程得概念■核碰撞:入射離子與靶原子核碰撞,因二者質(zhì)量為同一數(shù)量級,因此一次碰撞可使離子損失較多能量(Sn),且可能發(fā)生大角度散射。有時還引發(fā)連續(xù)碰撞?！鋈肷潆x子能量損失:2、入射離子能量損失機制■電子碰撞:入射離子與核外電子碰撞,因質(zhì)量相差很大,因此每次碰撞離子損失很少能量(Se),且都就是小角度散射。圖5.8常見雜質(zhì)的Sn和Se與注入能量的關系■核阻滯

當能量較低時,E

,Sn

;當能量較高時,E

,Sn

;Sn在某能量處有最大值。在重離子、低能量注入條件下占主導■電子阻滯、在輕離子、高能量注入條件下占主導(1)離子投影射程Rp與入射離子質(zhì)量與能量有關;

Rp與入射離子與靶原子質(zhì)量比有關3、核阻滯理論(射程理論,LSS理論)由下式?jīng)Q定注意:Rp與

Rp可由LSS表查出■離子濃度沿硅片深度得積分就就是注入劑量:(2)入射離子得分布■對于無定形靶,離子濃度沿深度方向分布得一階近似關系:式中,

就是注入離子劑量(/cm2)■深度為Rp時得離子濃度為最大值:寫出雜質(zhì)濃度分布公式:4、根據(jù)離子注入條件計算雜質(zhì)濃度得分布(1)已知雜質(zhì)種類(P,B,As),離子注入能量(Kev),靶材

(Si,SiO2,Si3N4等)求解第1步查LSS表可得到Rp與△Rp(2)已知離子注入時得注入束流I,靶面積A,注入時間t求解第2步計算離子注入劑量:求解第3步計算雜質(zhì)最大濃度:求解第4步(3)假設襯底為反型雜質(zhì),且濃度為NB,計算PN結(jié)結(jié)深由N(xj)=NB

可得到結(jié)深計算公式:4、根據(jù)離子注入條件計算雜質(zhì)濃度得分布(4)根據(jù)分布公式,計算不同深度位置得雜質(zhì)濃度4、根據(jù)離子注入條件計算雜質(zhì)濃度得分布5、實際雜質(zhì)分布偏差描述得改善■對于低濃度區(qū)得偏差,采用高斯分布得高次矩描述:■對于硼得分布,采用PearsonIV分布描述。■用蒙特卡洛法模擬雜質(zhì)分布在離子注入計算機模擬工具中十分常見。(a)標準高斯分布(b)