离子注入工艺培训课件

第四章第四章 离子注入工艺离子注入工艺n 离子注入的特点是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。由于采用了离子注入技术，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的开展，从而使集成电路的生产进入了大规模及ULSI时代。2024/7/111一离子注入工艺设备结构一离子注入工艺设备结构离子注入机原理图2024/7/1122024/7/113二、离子注入工艺的特点n (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。另外，注入过程是在清洁、枯燥的真空条件下进行的，各种污染降到最低水平。2024/7/114n (2可以精确控制注入到硅中的掺杂原子数目。n 3衬底温度低，一般保持在室温，因此，像二氧化硅、氮化硅、铝何光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。n 4离子注入深度是随离子能量的增加而增加，因此掺杂深度可以通过控制离子束能量上下来实现。另外，在注入过程中可精确控制电荷量，从而可精确控制掺杂浓度。n-2024/7/115n n 5离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中的固溶度限制，原那么上对各种元素均可掺杂。n 6离子注入时的衬底温度低，这样就可以防止了高温扩散所引起的热缺陷。n 7由于注入的直进性，注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射，因此横向效应比热扩散小的多，有利于器件特征尺寸的缩小。2024/7/116n 8离子往往是通过硅外表上的薄膜注入到硅中，因此硅外表上的薄膜起到了保护膜作用n 9化合物半导体是两种或多种元素按 一定组分构成的，这种材料经高温处理时，组分可能发生变化。采用离子注入技术，根本不存在上述问题，因此容易实现对化合物半导体的掺杂2024/7/117基个概念：n 1靶：被掺杂的材料。n 2一束离子轰击靶时，其中一局部离子在靶面就被反射，不能进入靶内，称这局部离子为散射离子，进入靶内的离子成为注入离子。n 3非晶靶成为无定形靶，本章所涉及道德靶材料，都是按无定形来考虑。2024/7/118三、离子注入原理n “离子 是一种经离化的原子和分子，也称“等离子体，它带有一定量的电荷。“等离子发生器已广泛应用到CVD、金属镀膜、干法刻蚀、光刻胶的去除等工艺中，而在离子注入的设备中，它被用来制造工艺所要注入的离子。因为离子带电荷，可以用加速场进行加速，并且借助于磁场来改变离子的运动方向。当经加速后的离子碰撞一个固体靶面之后，离子与靶面的原子将经历各种不同的交互作用，如果离子“够重，那么大多数离子将进入固体里面去。反之，许多离子将被靶面发射。2024/7/119n n 当具有高能量的离子注入到固体靶面以后，这些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行屡次碰撞，这些碰撞将逐步削弱粒子的能量，最后由于能量消失而停止运动，新城形成一定的杂质分布。n 同时，注入离子和晶格原子相互作用，那些吸收了离子能量的电子，可能激发或从原子之内游离，形成二次电子。2024/7/1110n 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底n晶向等有关。通常，在离子剂量和轰击次数一致的前提下，注入的深度将随电场的强度增加而增加。实践说明，用离子注入方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为余误差函数和高斯函数分布，而用离子注入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片外表，而是在深入硅体一定距离。这段距离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。2024/7/1111n 在一般情况下，杂质浓度最大值在距离外表0.1um处，其分布有一点像高斯分布，是由于杂质被电场加速注入到硅片内后，受到硅原子的阻挡，使其动能完全消失，停留在原位。但由于杂质离子具有的能量是不均匀的，也就是使杂质离子的能量有大有小，这样就形成了按一定的曲线分布，能量大和能量小的都是少数，而能量近似相等的居多数。当然注入后，能量最大的注入深，能量小的注入浅。2024/7/1112n n 离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系。如果注入的离子沿规那么排列的晶格方向进入硅中，离子可能要走很长一段路途才碰到硅原子，因此，进入深度就大，使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“沟道效应。向，晶向注入时，往往会发生这种沟道效应，而再偏离一定角度，情况就好得多。2024/7/1113n n n 离子注入时，由于受到高能量杂质离子的轰击，硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷，严重时会出现非晶层。这种缺陷一定要经过退火处理来消除，所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的。n 与扩散一样，离子注入也需要掩蔽，其掩蔽物可以是二氧化硅、氮化硅、AL2O3及AL都行，且掩蔽膜厚度随电场强度和杂质剂量的增加而加厚。2024/7/1114n n LSS理论:注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞，2电子碰撞，总能量损失为它们的和。2024/7/1115核碰撞和电子碰撞核碰撞和电子碰撞:2024/7/11162024/7/1117一、核阻止本领n 能量为 E的一个注入离子，在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。2024/7/1118二电子阻止本领n 同注入离子的速度成正比，即和注入离子能量的平方根成正比。2024/7/1119三射程的概念2024/7/1120离子的分布2024/7/1121一纵向分布2024/7/1122*注入离子的分布计算Rp，标准偏差R通过查表根据靶材Si,SiO2,Ge，杂质离子(B，P，As,N),能量keV2.单位面积注入电荷：Qss I t/A,I：注入束流，t:时间，A：扫描面积园片尺寸3.单位面积注入离子数(剂量)：Ns Qss/q=(I t)/(q A)4.最大离子浓度：NMAX=2024/7/1123*注入离子分布nN(x)=Nmax nN(x):距外表x处的浓度,nRp:查表所得的标准偏差nNmax:峰值浓度(x=Rp处)nRp:平均投影射程2024/7/1124*离子注入结深计算2024/7/1125(二横向效应2024/7/1126n横向系数:B Sb,约0.5但比热扩散小(0.750.85)2024/7/1127(三三)沟道注入沟道注入n 1、入射离子的阻挡作用与晶体取向有关,n 2、可能沿某些方向由原子列包围成直通道沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进阻力小，射程要大得多。2024/7/1128 3、沟道效应的存在，将使得对注入离子在深度上难以控制，尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦。如MOSum左右，有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度，就使元器件失效。因此，在离子注入时，要考虑到这种沟道效应，也就是说要抑止这种现象的产生。2024/7/1129n n n 4、目前常用的解决方法有三种。n 1是将硅片相对注入的离子运动方向倾斜一个角度，7度左右最正确；n 2是对硅片外表铺上一层非结晶系的材料，使入射的注入离子在进入硅片衬底之前，在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原子产生碰撞而散射，这样可以减弱沟道效应；n 2024/7/1130n 3是对硅片外表先进行一次离子注入，使结晶层破坏成为非结晶层，然后进入离子注入。n 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应。工业上常用前两种方法。2024/7/1131四复合双层靶注入n离子在两层靶中均为高斯分布nM1：Rp1,Rp1,d Rp1 nM2:Rp2,Rp2M1中未走完的路程2024/7/11324.3 4.3 注入损伤注入损伤一损伤的形成一损伤的形成2024/7/1133靶原子变形与移位，形成空位、间穴原子，注入离子并不正好处于格点上，解决：退火、激活2024/7/11342024/7/1135三非晶层的形成三非晶层的形成2024/7/1136四、损伤区的分布轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤少2024/7/1137重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大2024/7/1138 4.4 4.4 热热退火退火n退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理，n局部或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复，n电激活掺入的杂质n分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩散效应、快速退火2024/7/1139n1 1普通热退火：退火时间通常为普通热退火：退火时间通常为15-15-30min30min，使用通常的扩散炉，在真空或，使用通常的扩散炉，在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。缺点：去除缺陷不完全，注入处理。缺点：去除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温度高、时间长，杂质激活不高，退火温度高、时间长，导致杂质再分布。导致杂质再分布。2024/7/11402 2硼的退火特性硼的退火特性1 区单调上升：点缺陷、陷井缺陷消除、自由载流子增加2 区出现反退火特性：代位硼减少，淀积在位错上3 区单调上升 剂量越大，所需退火温度越高。2024/7/11413 3磷的退火特性磷的退火特性杂质浓度达1015以上时出现无定形硅退火温度到达6008002024/7/1142热退火问题n简单、价廉n激活率不高n产生二次缺陷，杆状位错。位错环、层错、位错网加剧2024/7/11432024/7/11442024/7/11454.5 4.5 离子注入优缺点离子注入优缺点一离子注入的优缺点一离子注入的优缺点优优点点：1 1可可在在较较低低的的温温度度下下，将将各各种种杂杂质质掺掺入入到到不不同同的的半半导导体体中中；2 2能能精精确确控控制制掺掺入入基基片片内内杂杂质质的的浓浓度度分分布布和和注注入入深深度度；3 3可可以以实实现现大大面面积积均均匀匀掺掺杂杂，而而且且重重复复性性好好；4 4掺掺入入杂杂质质纯纯度度高高；5 5获获得得主主浓浓度度扩扩散散层层不不受故浓度限制受故浓度限制2024/7/11466由于注入粒子的直射性，杂质的横向扩散小；7可以置备理想的杂质分布；8可以通过半导体外表上一定厚度的四SiO2膜进行注入而实行掺杂；9工艺条件容易控制。2024/7/1147n缺点：1高能离子注入改变晶格结构；n 2设备贵。n二对VT的控制2024/7/11482024/7/1149三自对准金属栅的结构三自对准金属栅的结构2024/7/1150四四.离子注入的应用离子注入的应用2024/7/1151P阱CMOS流程中的离子注入1.P阱注入2.场注入(P阱内)Vtn03.P管开启注入(P阱外)Vtp4.P+区注入5.N+区注入2024/7/11522024/7/1153演讲完毕，谢谢观看！