《離子注入》PPT課件

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1、集成電路制造技術集成電路制造技術第四章第四章 離子注入離子注入西安電子科技大學西安電子科技大學微電子學院微電子學院戴顯英戴顯英2012013 3年年9 9月月本章主要內容本章主要內容n離子注入特點離子注入特點n離子注入設備原理離子注入設備原理n離子注入機理離子注入機理n離子注入分布離子注入分布n離子注入損失離子注入損失n注入退火注入退火n離子注入與熱擴散對比離子注入與熱擴散對比 離子注入特點離子注入特點n定義定義:將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。將帶電的、且具有能量的粒子入射到襯底中。n應用：應用：COMSCOMS工藝的阱，源、漏，調整工藝的阱，源、漏，調整V VT T的溝道摻雜，的溝

2、道摻雜，防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結。防止寄生溝道的溝道隔斷，特別是淺結。n特點特點:注入溫度低注入溫度低:對對SiSi，室溫；對，室溫；對GaAs,400GaAs,EEnene：S Se e(E)(E)為主，則為主，則 RkRk1 1E E0 01/21/2 k k1 1=2/k=2/ke e 對非晶對非晶SiSi：k ke e1x101x103 3(eV)(eV)1/21/2mm-1-1；對非晶對非晶AsGaAsGa：k ke e 3x10 3x103 3(eV)(eV)1/21/2mm-1-1；注入離子初始能量注入離子初始能量E E0 0 E Enene：S Sn n(E)(E)為

3、主，且假設為主，且假設 S Sn n(E)=S(E)=Sn n0 0，則，則 Rk Rk2 2E E0 04.3 4.3 離子注入機理離子注入機理-核碰撞與電子碰撞核碰撞與電子碰撞4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布1.1.總射程總射程R Rn定義：注入離子在靶內走過的路徑之和。定義：注入離子在靶內走過的路徑之和。nR R與與E E的關系：根據能量的總損失率，的關系：根據能量的總損失率，,式中，式中，E E0 0注入離子的初始能量。注入離子的初始能量。ESESdRdEdRdEdRdEenen dEESESdRdEdEdRREenE10000/2.2.投影射程投影射程X XP P：總射程總射

4、程R R在離子入射方向（垂直靶在離子入射方向（垂直靶片）的投影長度，即離子注入的片）的投影長度，即離子注入的有效深度。有效深度。3.3.平均投影射程平均投影射程R RP P：投影射程投影射程X XP P的平均值（離子注入的平均值（離子注入深度的平均值），具有統計分布深度的平均值），具有統計分布規律幾率分布函數。規律幾率分布函數。4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.標準偏差（投影偏差）標準偏差（投影偏差）R RP P反映了反映了R RP P的分散程度（分的分散程度（分散寬度）散寬度）5.R5.R、R RP P及及R RP P間的近似關系間的近似關系 ,M M1 1注入離子質量，注入離

5、子質量，M M2 2靶原子質量靶原子質量12PM3M1RR 2121PPMMMM32RR 2PPP)RX(R 4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.1 4.4.1 注入離子縱向分布注入離子縱向分布-高斯分布高斯分布 注入離子在靶內不斷損失能量，最后停止在某處；注入注入離子在靶內不斷損失能量，最后停止在某處；注入離子按一定的統計規律分布。離子按一定的統計規律分布。n求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶表面為求解注入離子的射程和離散微分方程：距靶表面為x(cm)x(cm)處的濃度分布為處的濃度分布為 -高斯函數高斯函數 N NmaxSmaxS/R RP P峰值濃度（在峰值濃度（在R R

6、P P處），處），N NS S注入劑量注入劑量 2PPmax)RRx(21expN)x(N4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.2 4.4.2 橫向效應橫向效應橫向效應與注入能量成正比橫向效應與注入能量成正比是結深的是結深的30305050；窗口邊緣的離子濃度是中心處的窗口邊緣的離子濃度是中心處的5050；4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.4.3 4.4.3 溝道效應溝道效應(ion channeling)(ion channeling)n非晶靶：對注入離子的阻擋是非晶靶：對注入離子的阻擋是 各向同性；各向同性；n單晶靶：對注入離子的

7、阻擋是單晶靶：對注入離子的阻擋是 各向異性；各向異性；n溝道：在單晶靶的主晶軸方向溝道：在單晶靶的主晶軸方向 呈現一系列平行的通道，呈現一系列平行的通道，稱為溝道。稱為溝道。4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布n溝道效應溝道效應：離子沿溝道前進，核阻擋作用小，因而射程比非晶：離子沿溝道前進，核阻擋作用小，因而射程比非晶 靶遠的多。靶遠的多。好處：好處：結較深；晶格損傷小。結較深；晶格損傷小。不利：不利：難于獲得可重復的濃度分布，使用價值小。難于獲得可重復的濃度分布，使用價值小。n減小溝道效應的途徑減小溝道效應的途徑 注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值注入方向偏離晶體的主軸方向，典型值-7-

8、70 0；淀積非晶表面層（淀積非晶表面層（SiOSiO2 2)；在表面制造損傷層；在表面制造損傷層；提高靶溫；提高靶溫；增大劑量。增大劑量。4.4 4.4 注入離子分布注入離子分布4.5 4.5 注入損傷注入損傷n離子注入的碰撞：離子注入的碰撞：彈性碰撞和非彈性碰撞彈性碰撞和非彈性碰撞注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主；注入能量較高：與電子的非彈性碰撞為主；注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。注入能量較低：與靶原子核的彈性碰撞為主。4.3.1 4.3.1 級聯碰撞級聯碰撞E Ed d:靶原子離開其平衡位置所需的最低能量。靶原子離開其平衡位置所需的最低能量。E ET T:碰撞后靶原子獲得的

9、能量。碰撞后靶原子獲得的能量。n若若 E ET TEEEd d：靶原子位移，留下空位；：靶原子位移，留下空位；n若若 E ET TE Ed d：位移原子（反沖原子）再與靶原子碰撞，產生級：位移原子（反沖原子）再與靶原子碰撞，產生級聯碰撞。聯碰撞。n4.3.2 4.3.2 晶格損傷晶格損傷輕注入離子：如，起始以電子碰撞為主；輕注入離子：如，起始以電子碰撞為主；n重注入離子：如，起始以核碰撞為主。重注入離子：如，起始以核碰撞為主。4.5 4.5 注入損傷注入損傷n損傷密度損傷密度 例例1 1：B B離子，離子，E E0 0=80keV=80keV，R Rp p=250nm;=250nm;已知已知:

10、Si:Si晶格間距為晶格間距為0.25nm0.25nm；初始；初始S S（E E）=35eV/nm=35eV/nm；則；則 E ET T=35X0.25=8.75eVE=35X0.25=8.75eVEd d=15eV=15eV，SiSi不位移；不位移；當能量衰減為當能量衰減為E=40keVE=40keV（進入約（進入約130nm130nm）,S,S（E E）=60eV/nm=60eV/nm，則，則 E ET T=60X0.25=15eV=E=60X0.25=15eV=Ed d，SiSi位移，且位移位移，且位移2.5nm/2.5nm/次；次；設：每個晶面都有設：每個晶面都有1 1個個SiSi位移

11、，則在位移，則在B B離子停止前，位移離子停止前，位移SiSi為為 120nm/0.25nm=480 120nm/0.25nm=480（個）（個）設：設：SiSi位移位移2.5nm,2.5nm,則損傷體積為則損傷體積為 V Vdamdam=（)2-182-18cmcm3 3n損傷密度損傷密度=480/V=480/Vdamdam=2X10=2X102020cmcm-3-3(占相應體積中所有原子的占相應體積中所有原子的0.4%0.4%）4.5 4.5 注入損傷注入損傷例例2 2：AsAs離子，離子，E E0 0=80keV=80keV，R Rp pn1 1個個AsAs共產生約共產生約4000400

12、0個位移個位移SiSinV Vdamdam=（)2 2(50nm)=1X10(50nm)=1X10-18-18cmcm3 3n損傷密度損傷密度=4000/V=4000/Vdamdam=4X10=4X102121cmcm-3-3(占相應體積中所有原子的占相應體積中所有原子的8%8%）4.5 4.5 注入損傷注入損傷4.5.3 4.5.3 非晶層的形成非晶層的形成 隨注入劑量的增加，原先相互隔離的損傷區發生重疊，最終形隨注入劑量的增加，原先相互隔離的損傷區發生重疊，最終形成長程無序的非晶層。成長程無序的非晶層。n臨界劑量形成非晶層所需的最小注入離子劑量；臨界劑量形成非晶層所需的最小注入離子劑量；臨

13、界劑量與注入離子質量成反比。臨界劑量與注入離子質量成反比。n靶溫靶溫越高，損傷越輕。靶溫靶溫越高，損傷越輕。4.5 4.5 注入損傷注入損傷4.6 4.6 注入退火注入退火n離子注入所形成的損傷有：離子注入所形成的損傷有：散射中心：使遷移率下降；散射中心：使遷移率下降；缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流增加；缺陷中心：非平衡少子的壽命減少，漏電流增加；雜質不在晶格上：起不到施主或受主的作用。雜質不在晶格上：起不到施主或受主的作用。n退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移退火目的：消除注入損傷，使注入離子與位移SiSi原子恢復正原子恢復正常的常的替位替位位置激活。位置激活。n退火方法：熱退

14、火（傳統退火）；快速退火。退火方法：熱退火（傳統退火）；快速退火。n熱退火機理：熱退火機理：a.a.無定形層（非晶層）：通過固相外延，使位移原子重構而有序無定形層（非晶層）：通過固相外延，使位移原子重構而有序化。無定形是晶體的亞穩態，這種固相外延可在較低溫度下化。無定形是晶體的亞穩態，這種固相外延可在較低溫度下發生。發生。b.b.非無定形層：高溫下，原子振動能增大，因而移動能力增強，非無定形層：高溫下，原子振動能增大，因而移動能力增強，可使復雜的損傷分解為簡單的缺陷，如空位、間隙原子等?？墒箯碗s的損傷分解為簡單的缺陷，如空位、間隙原子等。簡單的缺陷能以較高的遷移率移動，相互靠近時，簡單的缺陷能

15、以較高的遷移率移動，相互靠近時，就可能復合而使缺陷消失。就可能復合而使缺陷消失。n退火工藝條件：退火工藝條件：溫度；時間；方式（常規、快速）。溫度；時間；方式（常規、快速）。4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.1 4.6.1 硅材料的熱退火特性硅材料的熱退火特性n退火機理：退火機理：復雜的損傷分解為簡單缺陷：空位、間隙原子；復雜的損傷分解為簡單缺陷：空位、間隙原子；簡單缺陷可因復合而消失；簡單缺陷可因復合而消失；損傷由單晶區向非單晶區通過損傷由單晶區向非單晶區通過固相外延固相外延再生長得到恢復。再生長得到恢復。n二次缺陷：簡單缺陷重新組合，形成新的缺陷。二次缺陷：簡單缺陷重新組合，形成新的

16、缺陷。n注入劑量與退火溫度成正比。注入劑量與退火溫度成正比。n載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復所需溫度載流子激活所需溫度：低于壽命和遷移率恢復所需溫度 (雜質激活能小于雜質激活能小于SiSi擴散的激活能）。擴散的激活能）。4.6 4.6 注入退火注入退火n4.6.2 4.6.2 硼的退火特性硼的退火特性n4.6.3 4.6.3 磷的退火特性磷的退火特性n4.6.4 4.6.4 熱退火過程的擴散效應熱退火過程的擴散效應n（以上請自學）（以上請自學）4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火(RTA(RTA，rapid thermal annealing)ra

17、pid thermal annealing)n常規熱退火的缺點常規熱退火的缺點 激活率激活率a an n低；低；二次缺陷；二次缺陷；導致明顯的雜質再分布；導致明顯的雜質再分布；硅片變形。硅片變形。nRTARTA機理：利用高功率密度的物質作用于晶片表面，使注入層機理：利用高功率密度的物質作用于晶片表面，使注入層在短時間內達到高溫，以到消除損傷的目的。在短時間內達到高溫，以到消除損傷的目的。n特點：特點：退火時間短（退火時間短（1010111110102 2秒）；秒）；注入雜質激活率高；注入雜質激活率高；對注入雜質分布影響??；對注入雜質分布影響??；襯底材料的電學參數基本不受影響；襯底材料的電學參數

18、基本不受影響；4.6 4.6 注入退火注入退火4.6.5 4.6.5 快速退火快速退火n種類種類a.a.脈沖激光：固液相外延退火機理。脈沖激光：固液相外延退火機理。優點：功率密度高；激活率高。優點：功率密度高；激活率高。b.b.連續波激光：固固相外延退火機理。連續波激光：固固相外延退火機理。優點：雜質分布不受影響。優點：雜質分布不受影響。缺點：能量轉換率低（缺點：能量轉換率低（1 1）c.c.電子束：固液外延退火機理。電子束：固液外延退火機理。優點：能量轉換率高（優點：能量轉換率高（5050）。）。d.d.寬帶非相干光源寬帶非相干光源光源：鹵素燈，電弧燈。光源：鹵素燈，電弧燈。優點：無干涉效應

19、；生產效率高；設備簡單。優點：無干涉效應；生產效率高；設備簡單。RTARTA與爐（熱）退火與爐（熱）退火RTP退火爐退火金屬柵極對準問題金屬柵極對準問題對準未對準金屬柵金屬柵MOSMOS工藝：先制作源漏，后制作柵極（為什么？）工藝：先制作源漏，后制作柵極（為什么？）離子注入離子注入P P（自對準）（自對準）1 1、以多晶硅柵為掩膜，離子注入各項異性，自對準注入、以多晶硅柵為掩膜，離子注入各項異性，自對準注入2 2、同時多晶硅也被摻雜，多晶硅的電阻率降低、同時多晶硅也被摻雜，多晶硅的電阻率降低在小尺寸器件中，尤其重要，在小尺寸器件中，尤其重要，擴散與離子注入的對比擴散與離子注入的對比擴散離子注入高溫，硬掩膜9001200 低溫，光刻膠掩膜室溫或低于400各向同性各向異性不能獨立控制結深和濃度可以獨立控制結深和濃度