1、離子注入法介紹, 概述 離子注入工藝設(shè)備及其原理 射程與入射離子的分布 實際的入射離子分布問題 注入損傷與退火 離子注入工藝的優(yōu)勢與限制,離子注入(Ion lmplantation),參考資料： 微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)第5章離子注入 (電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號), 離子注入工藝是IC制造中占主導(dǎo)的摻雜技術(shù) 離子注入：將雜質(zhì)離化，通過電場加速，將這些離化 的雜質(zhì)直接打入硅片中，達(dá)到摻雜的目的 一般CMOS工藝流程需612次離子注入 典型的離子注入工藝參數(shù)：能量約5200keV， 劑量約10111016/cm2。,一、概述,（一）介紹,（二）MOSFET工藝中的離子注入,(1) 離

2、子源雜質(zhì)離子的產(chǎn)生 (2) 加速管雜質(zhì)離子的加速 (3) 終端臺離子的控制,二、離子注入工藝設(shè)備及其原理,1、離子注入技術(shù)的三大基本要素：,(1) 離子的產(chǎn)生 (2) 離子的加速 (3) 離子的控制,2、離子注入系統(tǒng)的三大組成部分：, 氣態(tài)源： (或固體源) BF3 AsH3 PH3 SiH4 H2 放電室：低氣壓、分解離化氣體 BF3 B，B+，BF2+，F(xiàn)+， 引出狹縫：負(fù)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1530KV， 決定引出離子的能量(速度),產(chǎn)生雜質(zhì)離子, 出口狹縫：只允許一種(m/q)的離子離開分析儀,（2）質(zhì)量分析器：, 分析磁鐵

3、：磁場方向垂直于離子束的速度方向,離子運動路徑：,離子運動速率：,質(zhì)量m+m的離子產(chǎn)生的位移量,選擇注入所需的雜質(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(10-6 Torr),（3）加速管：,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(jìn)入的電荷， 測量離子流 注入劑量：,當(dāng)一個離子的荷電態(tài)為m時， 注入劑量為：,（4）終端臺：,控制離子束掃描和劑量,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)

4、 決定雜質(zhì)分布深度和形狀 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(dāng)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，會影響注入的均勻性(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)濃度的關(guān)系, 高能離子進(jìn)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。 離子在靶中的行進(jìn)路線及其停止位置是隨機的。 射程R：離子在靶中行 進(jìn)的總距離 垂直投影射程Rp：離 子射程在靶深度軸上 的投影距離 垂直投影射程偏差Rp： Rp的標(biāo)準(zhǔn)偏差,三、射程與入射

5、離子的分布,1、射程的概念, 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。, 入射離子能量損失：,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(guān)系, 核阻滯 當(dāng)能量較低時，E ，Sn ； 當(dāng)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(dǎo), 電子阻滯 ,在輕離子、高能量注入條 件下占主導(dǎo),（1）離子投影射程,Rp與入射離

6、子質(zhì)量和能量有關(guān)； Rp與入射離子與靶原子質(zhì)量比有關(guān),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的積分就是注入劑量：,（2）入射離子的分布, 對于無定形靶，離子濃度沿深度方向分布的一階近似關(guān)系：,式中，是注入離子劑量(/cm2), 深度為Rp時的離子濃度為最大值：,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)濃度的分布,（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和Rp,（2）已知離子注入時的注入束流I，靶面積A，注入時間t,求

7、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(shè)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)濃度的分布,（4）根據(jù)分布公式，計算不同深度位置的雜質(zhì)濃度,4、根據(jù)離子注入條件計算雜質(zhì)濃度的分布,5、實際雜質(zhì)分布偏差描述的改善, 對于低濃度區(qū)的偏差，采用高斯分布的高次矩描述：, 對于硼的分布，采用Pearson IV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(biāo)準(zhǔn)高斯分布 (b) 峰值略向深處偏移，尾部向表面延伸 (c) 峰值平坦化,不同能量硼離子注入的分布及其與標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的差異, 溝道效應(yīng) 橫向分布 復(fù)合靶注入,四、實際的入射離子分布問題,有部分離子可能會行進(jìn)很長距離，造成較深的雜質(zhì)分布。,1、溝道效應(yīng)：,在單晶靶中，當(dāng)離子速度方向平行于主晶軸時，, 臨界角, 當(dāng)離子速度方向與晶軸方向夾角遠(yuǎn)大于臨界角時， 溝道效應(yīng)很小。,圖5.12 典型雜質(zhì)在硅中 的臨界角 上：襯底 下：襯底,（1）偏軸注入：一般選取57傾角，入射能量越小，所需 傾角越大 （2）襯底非晶化預(yù)處