离子注入最详细的课件

离子束的性质离子束的性质离子束的性质离子束的性质 离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或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，能在电场中被加速而获得很高的动能。磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。离子束的用途离子束的用途离子束的用途离子束的用途 掺杂掺杂掺杂掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切曝光、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割等。不同的用途需要不同的离子能量 E，E 50 KeV，注入掺杂，注入掺杂 离子束加工方式离子束加工方式离子束加工方式离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束(FIB)方式）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。扩散工艺的掩蔽膜只能是艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜膜，而离子注入的掩蔽膜可以是，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。，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。缺相对简单，控制容易，所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是点是 需要制作掩蔽膜。需要制作掩蔽膜。a)低掺杂浓度与浅结低掺杂浓度与浅结 MaskMaskSilicon substratexjLow energyLow doseFast scan speedBeam scanDopant ionsIon implanterb)高掺杂浓度与深结高掺杂浓度与深结Beam scanHigh energyHigh doseSlow scan speedMaskMaskSilicon substratexjIon implanter离子注入离子注入离子注入离子注入 聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产生产效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是效率低，设备复杂，控制复杂。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；、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转扫描的、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。离子光学系统。5.1 离子注入系统离子注入系统 离子源：离子源：离子源：离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、AsH3 和和 PH3 等。等。质量分析器质量分析器质量分析器质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质质量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。离子，且离子束很纯。加速器：加速器：加速器：加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量为高压静电场，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。是决定离子注入深度的一个重要参量。中性束偏移器：中性束偏移器：中性束偏移器：中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。将离子聚集成直径为数毫米的离子束。偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：偏转扫描系统：使离子束沿使离子束沿 x、y 方向扫描。方向扫描。工作室（靶室）：工作室（靶室）：工作室（靶室）：工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。Ion sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning disk 一、离子源一、离子源一、离子源一、离子源 作用：作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。分类：分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（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型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为，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。）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为的典型有效源尺寸为 5 500 nm，亮度为，亮度为 106 107 A/cm2.sr。1 1、等离子体型源、等离子体型源、等离子体型源、等离子体型源 这里的这里的 等离子体等离子体等离子体等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的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、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但与普通气体相同，正、负电荷数相等，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。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。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。速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。离子源Gas放电腔磁铁吸极灯丝 2 2、液态金属离子源（、液态金属离子源（、液态金属离子源（、液态金属离子源（LMISLMIS）LMIS 是近几年发展起来的一种是近几年发展起来的一种 高亮度小束斑高亮度小束斑高亮度小束斑高亮度小束斑 的离子源，的离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级纳米量级纳米量级纳米量级 的小束斑离的小束斑离子束，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、离子束刻蚀等。子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。LMISLMIS 的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射机理的类型、结构和发射机理针形针形V 形形螺旋形螺旋形同轴形同轴形毛细管形毛细管形液态金属液态金属钨针钨针类类型型 对液态金属的要求对液态金属的要求对液态金属的要求对液态金属的要求 (1)与容器及钨针不发生任何反应；与容器及钨针不发生任何反应；(2)能与钨针充分均匀地浸润；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。下既保持液态又不蒸发。能满足以上条件的金属只有能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，等少数几种，其中其中 GaGa 是最常用的一种。是最常用的一种。E1 是主高压，即离子束的是主高压，即离子束的加速电压；加速电压；E2 是针尖与引出极是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离面上液态金属的形状，并将离子引出；子引出；E3 是加热器电源。是加热器电源。E1E2E3 针尖的曲率半径为针尖的曲率半径为 ro=1 5 m，改变，改变 E2 可以调节针尖与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锥顶的曲率半径 仅有仅有 10 nm 的数量级，这就是的数量级，这就是 LMIS 能产生小能产生小束斑离子束的关键。束斑离子束的关键。引引出出极极 当当 E2 增大到使电场超过液态增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（金属的场蒸发值（Ga 的场蒸发值的场蒸发值为为 15.2V/nm）时，液态金属在圆）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射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极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。出，形成离子束。若改变若改变 E2 的极性的极性，则可排斥，则可排斥离子而拉出电子，使这种源改变成离子而拉出电子，使这种源改变成电子束源。电子束源。E1E2E3引引出出极极 共晶合金共晶合金共晶合金共晶合金 LMISLMIS 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。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例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和和 1404 oC，它们在此，它们在此温度时的蒸汽压分别为温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和和 10-1 Torr。当以适当组分组。当以适当组分组成合金时，其熔点降为成合金时，其熔点降为 370 oC，在此温度下，金和硅的蒸汽压，在此温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为分别仅为 10-19 Torr 和和 10-22 Torr。这就满足了。这就满足了 LMIS 的要求。的要求。对所引出的离子再进行对所引出的离子再进行 质量分析质量分析质量分析质量分析，就可获得所需的离子。，就可获得所需的离子。LMISLMIS 的主要技术参数的主要技术参数的主要技术参数的主要技术参数 (1)亮度亮度 亮度的物理意义为亮度的物理意义为 单位源面积发射的进入单位立体角内的单位源面积发射的进入单位立体角内的单位源面积发射的进入单位立体角内的单位源面积发射的进入单位立体角内的离子束电流离子束电流离子束电流离子束电流 。LMIS 的主要优点之一就是亮度高的主要优点之一就是亮度高，其典型值为，其典型值为 =106 107 A/cm2.sr。(2)能散度能散度 能散度是能散度是 离子束能量分布的半高宽度离子束能量分布的半高宽度离子束能量分布的半高宽度离子束能量分布的半高宽度 。LMIS 的主要缺点的主要缺点是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。(3)离子束斑尺寸离子束斑尺寸 通常为通常为 5 500 nm。二、质量分析系统二、质量分析系统二、质量分析系统二、质量分析系统 1 1、质量分析器质量分析器质量分析器质量分析器 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成，E 与与 B 的方向的方向相互垂直。相互垂直。O光阑光阑O光阑光阑离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比荷质比荷质比荷质比 q qo o 为为 对于荷质比为对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或或偏转磁场偏转磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。光阑。通常是调节通常是调节 Vf 而不是调节而不是调节 B。下面计算当荷质比为下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为的离子不被偏转时，具有荷质比为qs =q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的方向受到的加速度为加速度为 该种离子在受力区域（该种离子在受力区域（0 Lf）内的运动方程为）内的运动方程为从上式消去时间从上式消去时间 t，并将，并将 ay 代入，得代入，得由此可得偏转量由此可得偏转量 Db 为为O光阑光阑 将前面的将前面的 B 的表达式的表达式代入代入 Db，得，得 讨论讨论讨论讨论 (1)为屏蔽荷质比为为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径的离子，光阑半径 D 必须满足必须满足 (2)若若 D 固定，则具有下列荷质比的离子可被屏蔽，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，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以上各式可用于评价 质量分析器的分辨本领。质量分析器的分辨本领。2 2、磁质量分析器、磁质量分析器、磁质量分析器、磁质量分析器光阑光阑1光阑光阑2为向心力，使离子作圆周运动，其为向心力，使离子作圆周运动，其半径为半径为 从上式可知，满足荷质比从上式可知，满足荷质比 的离子可通过光阑的离子可通过光阑 2。或者对于给定的具有荷质比为或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场的离子，可通过调节磁场 B 使使之满足下式，从而使该种离子通过光阑之满足下式，从而使该种离子通过光阑 2，另外，若固定另外，若固定 r 和和 Va，通过连续改变，通过连续改变 B，可使具有不同，可使具有不同荷质比的离子依次通过光阑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，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。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其余的离子则不能通过光阑 2，由此达到分选离子的目的。，由此达到分选离子的目的。两种质量分析器的比较两种质量分析器的比较两种质量分析器的比较两种质量分析器的比较 在在 质量分析器中，所需离子不改变方向，但在输出质量分析器中，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。子要改变方向，但其优点是中性粒子束不能通过。三、加速器三、加速器三、加速器三、加速器产生高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定产生高压静电场，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。离子注入深度的一个重要参量。100 MW100 MW100 MW100 MW100 MW0 kV+100 kV+80 kV+20 kV+40 kV+60 kV+100 kVIon beamIon beamTo process chamberElectrodeFrom analyzing magnet四、聚焦系统四、聚焦系统四、聚焦系统四、聚焦系统 和和和和 中性束偏移器中性束偏移器中性束偏移器中性束偏移器用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束，并利用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束，并利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。用偏移电极和偏移角度分离中性原子。SourceAnalyzing MagnetAcceleratorNeutral beam trapFocussing anodeY-axisdeflectionX-axisdeflectionNeutral beam pathWaferIon beamGrounded collector plate五、偏转扫描系统五、偏转扫描系统五、偏转扫描系统五、偏转扫描系统用来使离子束沿用来使离子束沿 x、y 方向在一定面积内进行扫描。方向在一定面积内进行扫描。+Ion beamY-axisdeflectionX-axisdeflectionWaferTwistTiltHigh frequency X-axis deflectionLow frequency Y-axis deflection扫描系统全电扫描和混合扫描系统示意全电扫描和混合扫描系统示意全电全电扫描扫描混合混合扫描扫描六、工作室（靶室）六、工作室（靶室）六、工作室（靶室）六、工作室（靶室）放置样品的地方，其位置可调。放置样品的地方，其位置可调。七、离子束电流的测量七、离子束电流的测量七、离子束电流的测量七、离子束电流的测量Scanning disk with wafersScanning directionFaraday cupSuppressor apertureCurrent integratorSampling slit in diskIon beam离子注入机的种类离子注入机的种类离子注入机的种类离子注入机的种类 离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）的原子核和离子注入过程：入射离子与半导体（称为靶）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靶中的某处。径的运动后，因动能耗尽而停止在靶中的某处。5.2 平均投影射程平均投影射程 射程：射程：射程：射程：离子从入射点到静止点所通过的总路程离子从入射点到静止点所通过的总路程 平均射程：平均射程：平均射程：平均射程：射程的平均值，记为射程的平均值，记为 R 投影射程：投影射程：投影射程：投影射程：射程在入射方向上的投影长度，记为射程在入射方向上的投影长度，记为 xp 平均投影射程：平均投影射程：平均投影射程：平均投影射程：投影射程的平均值，记为投影射程的平均值，记为 RP 投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差：投影射程的标准偏差：平均投影射程与初始能量的关系平均投影射程与初始能量的关系平均投影射程与初始能量的关系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入射离子能量损失的原因是受到 核阻挡核阻挡 与与 电子阻挡电子阻挡。核阻挡本领核阻挡本领 电子阻挡本领电子阻挡本领 一个入射离子在一个入射离子在 dx 射程内，由于与核及电子碰撞而失去的射程内，由于与核及电子碰撞而失去的总能量为总能量为 Se 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。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。是数值计算得到的曲线形式的结果。在在 E=E2 处，处，Sn=Se。(2)当当 E0 大于大于 E2 所对应的能量值时，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，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。较大偏折，射程分布较为分散。R Rp p 与与与与 R RP P 的关系的关系的关系的关系式中，式中，M1、M2 分别是入射离子和靶原子的质量。分别是入射离子和靶原子的质量。在实际工作中，平均投影射程在实际工作中，平均投影射程 RP 及标准偏差及标准偏差 RP 与注入能与注入能量量 E 的关系可从图的关系可从图 5.9 或下表查到。或下表查到。硅中离子注入能量硅中离子注入能量硅中离子注入能量硅中离子注入能量(KeV)KeV)与平均投影射程与平均投影射程与平均投影射程与平均投影射程()的对应关系的对应关系的对应关系的对应关系 入射能量入射能量注入硅中的注入硅中的离子离子20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177 RP P276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256 RP P90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991 RP P345981102122143161180198 一、非晶靶中注入离子的浓度分布一、非晶靶中注入离子的浓度分布一、非晶靶中注入离子的浓度分布一、非晶靶中注入离子的浓度分布 非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，非晶靶中注入离子的浓度分布为高斯分布，5.3 注入离子的浓度分布注入离子的浓度分布式中，式中，Q 为注入离子的为注入离子的 剂量剂量剂量剂量，注入离子浓度分布的主要特点注入离子浓度分布的主要特点注入离子浓度分布的主要特点注入离子浓度分布的主要特点 1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面，、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处而不是表面，注注入入离离子子的的剂剂量量 Q 越越大大，浓浓度度峰峰值值 Nmax 就就越越高高；注注入入离离子子的能量的能量 E 越大，越大，RP、RP 就越大，就越大，Nmax 就越低。就越低。2、在、在 x=RP 的两侧，注入离子的浓度对称地下降，且下降的两侧，注入离子的浓度对称地下降，且下降速度越来越快，速度越来越快，3、结深、结深得得 4、注入杂质的表面浓度、注入杂质的表面浓度令令 5、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多、杂质的横向扩展比扩散工艺要小得多 注入离子浓度在空间的三维分布为注入离子浓度在空间的三维分布为 在表面在表面 x=0 处，处，在平均投影射程在平均投影射程 x=Rp 处，处，注入离子沿注入离子沿注入离子沿注入离子沿 y y 方向的横向结深的计算。方向的横向结深的计算。方向的横向结深的计算。方向的横向结深的计算。在表面处，令在表面处，令 得表面处的横向结深为得表面处的横向结深为 横向结深在横向结深在 x=Rp 处达到最大。在处达到最大。在 x=Rp 处，令处，令 得得 x=Rp 处的横向结深为处的横向结深为与与 纵向结深纵向结深纵向结深纵向结深 相比，相比，可知可知 横向结深明显小于纵向结深横向结深明显小于纵向结深横向结深明显小于纵向结深横向结深明显小于纵向结深 。将将 x=Rp 处的处的最大最大 横向结深横向结深横向结深横向结深 二、双层靶中注入离子的浓度分布二、双层靶中注入离子的浓度分布二、双层靶中注入离子的浓度分布二、双层靶中注入离子的浓度分布 目的目的 1、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面、在实际工艺中，常常让离子穿过表面的薄膜注入到下面的衬底中；的衬底中；2、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。、确定能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的厚度。以以“SiO2-Si”双层靶为例。设注入的总剂量为双层靶为例。设注入的总剂量为 Qt，进入，进入SiO2 中和进入中和进入 Si 中的剂量分别为中的剂量分别为 QO 和和 QS，SiO2 的厚度为的厚度为 dO，杂质在杂质在 SiO2 和和 Si 中的平均投影射程和标准偏差分别为中的平均投影射程和标准偏差分别为 则则 SiO2 中的注入离子的浓度分布为中的注入离子的浓度分布为 进入进入 SiO2 中的注入离子的剂量为中的注入离子的剂量为 利用利用 Si 中的中的 等效平均投影射程等效平均投影射程等效平均投影射程等效平均投影射程 的概念的概念 可得到可得到 Si 中的注入离子浓度分布和进入中的注入离子浓度分布和进入 Si 中的注入离子的中的注入离子的剂量分别为剂量分别为 若设若设 ，则可算出，当，则可算出，当 m 分别为分别为 2、3、4 时，时，QS 分别比分别比 Qt 小约小约 2 个数量级、个数量级、3 个数量级和个数量级和 5 个数量级。个数量级。三、注入离子浓度分布理论的应用三、注入离子浓度分布理论的应用三、注入离子浓度分布理论的应用三、注入离子浓度分布理论的应用 1、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时，可以、在已知注入离子的能量、剂量和衬底杂质浓度时，可以计算出表面浓度和结深。计算出表面浓度和结深。2、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以、当注入杂质的最大浓度超过其在靶中的固溶度时，可以计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。计算出杂质浓度超过固溶度的区域的范围。3、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注、可以计算出当以不同的能量和剂量分几次进行离子注入时，所得到的合成杂质浓度分布。入时，所得到的合成杂质浓度分布。4、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。、可以计算出能够掩蔽杂质注入的掩蔽膜的最小厚度。5.4 沟道效应沟道效应 晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶的晶体取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一取向有关。当沿着晶体的某些低指数晶向观察时，可以看到一些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为些由原子列包围成的直通道，好象管道一样，称为 沟道沟道沟道沟道。当离。当离子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而子沿着沟道方向入射时，其射程会比在非晶靶中大得多，从而偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较长的拖尾。偏离高斯函数分布，使注入分布产生一个较长的拖尾。避免沟道效应的措施避免沟道效应的措施避免沟道效应的措施避免沟道效应的措施 1、使离子的入射方向偏离沟道方向、使离子的入射方向偏离沟道方向 7 10 度度；2、在掺杂注入前先用高剂量的、在掺杂注入前先用高剂量的 Si、Ge、F 或或 Ar 离子注入离子注入来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄来使硅表面预非晶化，或在硅表面生长一层薄 SiO2 层；层；3、对靶加一定的温度。、对靶加一定的温度。5.5 注入损伤注入损伤 一、注入损伤一、注入损伤一、注入损伤一、注入损伤 由由离离子子注注入入引引起起的的大大量量空空位位和和间间隙隙原原子子等等点点缺缺陷陷，以以及及空空位位与与其其他他杂杂质质结结合合而而形形成成的的复复合合缺缺陷陷等等，称称为为 注注入入损损伤伤。注注入入损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。损伤与注入离子的剂量、能量、质量、靶材料和靶温等有关。注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，注入损伤会使载流子迁移率下降，少子寿命降低，PN 结的结的反向漏电流增大。反向漏电流增大。当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形当许多损伤区连在一起时就会形成连续的非晶层。开始形成连续非晶层的注入剂量称为成连续非晶层的注入剂量称为 临界剂量临界剂量临界剂量临界剂量。当注入剂量小于临界。当注入剂量小于临界剂量时，损伤量随注入剂量的增大而增加，当注入剂量超过临剂量时，损伤量随注入剂量的增大而增加，当注入剂量超过临界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。界剂量时，损伤量不再增加而趋于饱和。影响临界剂量的因素影响临界剂量的因素影响临界剂量的因素影响临界剂量的因素 1、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；、注入离子的质量越大，则临界剂量越小；2、注入离子的能量越大，则临界剂量越小；、注入离子的能量越大，则临界剂量越小；3、注入温度越低，则临界剂量越小；、注入温度越低，则临界剂量越小；4、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡、注入速度（通常用注入离子的电流密度来衡量）越大，则临界剂量越小。量）越大，则临界剂量越小。损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系损伤区的分布与注入离子的能量、质量的关系 当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多当入射离子的初始能量较小时，以核阻挡为主，损伤较多,但损伤区的分布较浅；但损伤区的分布较浅；当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤当入射离子的初始能量较大时，先以电子阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤较少。随着离子能量的降低，逐渐过渡到以核阻挡为主，损伤变得严重，这时损伤区的分布较深。变得严重，这时损伤区的分布较深。当入射离子的质量相对于靶原子较轻时，入射离子将受到当入射离子的质量相对于靶原子较轻时，入射离子将受到大角度的散射，其运动轨迹呈大角度的散射，其运动轨迹呈“锯齿形锯齿形”，所产生的损伤密，所产生的损伤密度较小，但损伤区的范围较大。度较小，但损伤区的范围较大。当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射当入射离子的质量相对于靶原子较重时，入射离子的散射角较小，其运动轨迹较直角较小，其运动轨迹较直，所产生的损伤密度较大，容易形成，所产生的损伤密度较大，容易形成非晶区，但损伤区的范围较小。非晶区，但损伤区的范围较小。Light ion impactHeavy ion impact 二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性二、离子注入层的电特性 注注入入到到半半导导体体中中的的受受主主或或施施主主杂杂质质大大部部分分都都停停留留在在间间隙隙位位置置处处，而而处处在在这这个个位位置置上上的的杂杂质质原原子子是是不不会会释释放放出出载载流流子子的的，也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的。也就不会改变半导体的电特性，达不到掺杂的目的。经过适当温度的经过适当温度的 退火退火退火退火 处理，可以使注入杂质原子的全部或处理，可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半导体的电特性。这个过程称为杂质原子的导体的电特性。这个过程称为杂质原子的 电激活电激活电激活电激活。退火处理也可以减少注入损伤。退火处理也可以减少注入损伤。三、退火技术三、退火技术三、退火技术三、退火技术 目目的的：消消除除注注入入损损伤伤，并并使使注注入入的的杂杂质质原原子子进进入入替替位位位位置置而实现电激活。而实现电激活。机机理理：使使移移位位原原子子与与注注入入的的杂杂质质原原子子在在高高温温下下获获得得较较高高的的迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置。迁移率而在晶体中移动，从间隙位置进入替位位置。退退火火技技术术可可分分为为 热热热热退退退退火火火火 与与 快快快快速速速速热热热热退退退退火火火火。热热退退火火的的温温度度范范围围为为 300 1200。退火会改变杂质的分布。退火会改变杂质的分布。热热退退火火虽虽然然可可以以满满足足一一般般的的要要求求，但但也也存存在在一一些些缺缺点点：对对注注入入损损伤伤的的消消除除和和对对杂杂质质原原子子的的电电激激活活都都不不够够完完全全；退退火火过过程程中中还还会会产产生生二二次次缺缺陷陷；经经热热退退火火后后虽虽然然少少子子的的迁迁移移率率可可以以得得到到恢恢复复，但但少少子子的的寿寿命命及及扩扩散散长长度度并并不不能能恢恢复复；此此外外，较较高高温温度度的的热热退退火火会会导导致致明明显显的的杂杂质质再再分分布布，抵抵消消了了离离子子注注入入技技术术固固有有的优点。的优点。实实验验发发现现退退火火后后的的实实际际杂杂质质分分布布比比上上式式预预测测的的要要深深，原原因因是是离离子子注注入入时时形形成成的的高高浓浓度度缺缺陷陷增增强强了了杂杂质质的的扩扩散散。这这种种现现象象称称为为 瞬瞬瞬瞬时时时时增增增增强强强强扩扩扩扩散散散散。可可以以在在退退火火前前先先在在 500 650 之之间间进进行行一次预处理来消除这些缺陷。一次预处理来消除这些缺陷。5.6 浅结的形成浅结的形成 亚亚微微米米 CMOS 集集成成电电路路要要求求极极浅浅的的源源漏漏区区结结深深。由由于于硼硼比比砷砷更更难难以以形形成成浅浅结结，所所以以形形成成浅浅 P+N 结结要要比比形形成成浅浅 PN+结结更更为为困难。困难。硼硼的的浅浅结结受受到到三三个个方方面面的的影影响响。首首先先，由由于于硼硼很很轻轻，注注入入的的投投影影射射程程很很深深。降降低低注注入入能能量量虽虽然然可可以以减减小小结结深深，但但注注入入能能量太低会影响离子束的稳定性。量太低会影响离子束的稳定性。其其次次，由由于于硼硼被被偏偏转转进进入入主主晶晶轴轴的的概概率率较较高高，所所以以硼硼的的沟沟道效应更为严重。道效应更为严重。第三，硼在高温退火时的瞬时增强扩散比较严重。第三，硼在高温退火时的瞬时增强扩散比较严重。随随着着 MOSFET 的的特特征征尺尺寸寸小小于于 0.1 m，源源漏漏区区的的结结深深正正在在达达到到 0.05 m，离离子子注注入入已已经经难难以以满满足足这这种种要要求求，人人们们正正在在研研究究所谓所谓“后注入后注入后注入后注入”的替代方案。的替代方案。1、利利用用硅硅上上的的介介质质层层作作为为扩扩散散源源，即即所所谓谓“固固固固-固固固固扩扩扩扩散散散散”。扩散源可以是多晶硅、掺杂玻璃或硅化物。扩散源可以是多晶硅、掺杂玻璃或硅化物。2、利利用用辉辉光光放放电电作作为为离离子子源源来来形形成成超超浅浅结结，即即所所谓谓“等等等等离离离离子子子子浸浸浸浸入入入入掺掺掺掺杂杂杂杂”。它它的的离离子子能能量量可可以以极极低低，而而不不存存在在离离子子束束不不稳稳定的问题，但是剂量不易控制。定的问题，但是剂量不易控制。3、当在固体靶的表面覆盖有某种薄膜时，入射离子可将薄、当在固体靶的表面覆盖有某种薄膜时，入射离子可将薄膜中的原子撞入到下面的固体靶中。利用这种效应来对半导体膜中的原子撞入到下面的固体靶中。利用这种效应来对半导体表面的极薄层内进行掺杂，称为表面的极薄层内进行掺杂，称为“反冲注入掺杂反冲注入掺杂反冲注入掺杂反冲注入掺杂”。5.7 埋层介质埋层介质 当在硅中注入大剂量的当在硅中注入大剂量的 O+、N+、C+时，可以形成时，可以形成 SiO2、Si3N4、SiC 等薄膜。特别是当用高能量注入时，可以在硅表面等薄膜。特别是当用高能量注入时，可以在硅表面以下形成埋层介质。通过高能注入以下形成埋层介质。通过高能注入 N+形成形成 Si3N4 的工艺称为的工艺称为 SIMNISIMNI ，而通过高能注入，而通过高能注入 O+形成形成 SiO2 的工艺称为的工艺称为 SIMOXSIMOX ，后者的应用更为普遍。后者的应用更为普遍。这种技术可用于实现器件和电路的隔离。采用此技术制成这种技术可用于实现器件和电路的隔离。采用此技术制成的埋沟的埋沟 MOSFET，其寄生电容及短沟道效应都小得多。，其寄生电容及短沟道效应都小得多。SIMOX 技术的主要问题是金属沾污问题、均匀性问题和技术的主要问题是金属沾污问题、均匀性问题和成本问题。成本问题。5.10 小结小结 本本章章首首先先描描述述了了离离子子注注入入系系统统的的组组成成部部分分，特特别别是是对对各各种种离离子子源源和和质质量量分分析析系系统统作作了了较较详详细细的的介介绍绍。离离子子注注入入后后的的杂杂质质浓浓度度分分布布为为高高斯斯函函数数分分布布。讨讨论论了了离离子子注注入入的的沟沟道道效效应应及及防防止止措措施施。离离子子注注入入后后必必须须进进行行退退火火处处理理，目目的的是是激激活活杂杂质质和和消消除除注入损伤。通过高剂量的氧离子注入，可以形成绝缘埋层。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。下面总结一下离子注入的优缺点。1、可可控控性性好好，离离子子注注入入能能精精确确控控制制掺掺杂杂的的浓浓度度分分布布和和掺掺杂杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；2、可以获得任意的掺杂浓度分布；、可以获得任意的掺杂浓度分布；3、注注入入温温度度低低，一一般般不不超超过过 400，退退火火温温度度也也在在 650 左左右右，避避免免了了高高温温过过程程带带来来的的不不利利影影响响，如如结结的的推推移移、热热缺缺陷陷、硅片的变形等；硅片的变形等；4、结面比较平坦；、结面比较平坦；离子注入的离子注入的 优点优点优点优点 5、工工艺艺灵灵活活，可可以以穿穿透透表表面面薄薄膜膜注注入入到到下下面面的的衬衬底底中中，也也可以采用多种材料作掩蔽膜，如可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2、金属膜或光刻胶等；、金属膜或光刻胶等；6、均匀性和重复性好；、均匀性和重复性好；7、横横向向扩扩展展小小，有有利利于于提提高高集集成成电电路路的的集集成成度度、提提高高器器件件和集成电路的工作频率；和集成电路的工作频率；8、可可以以用用电电的的方方法法来来控控制制离离子子束束，因因而而易易于于实实现现自自动动控控制制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；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；、扩大了杂质的选择范围；10、离离子子注注入入中中通通过过质质量量分分析析器器选选出出单单一一的的杂杂质质离离子子，保保证了掺杂的纯度。证了掺杂的纯度。离子注入的离子注入的 缺点缺点缺点缺点1、离离子子注注入入将将在在靶靶中中产产生生大大量量晶晶格格缺缺陷陷，且且注注入入的的杂杂质质大大部分停留在间隙位置处，因此需要进行退火处理；部分停留在间隙位置处，因此需要进行退火处理；2、离子注入难以获得很深的结深；、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；、离子注入的生产效率比扩散工艺低；4、离子注入系统复杂昂贵。、离子注入系统复杂昂贵。离子注入与扩散的比较扩散离子注入扩散离子注入高温，硬掩膜9001200 低温，光刻胶掩膜室温或低于400各向同性各向异性不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度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,Se:电子阻止n 低能区：核阻止本领占主要n 中能区：两者同等重要n 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，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)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 SystemWafer HandlingIon beam diameter:25 mm(1”),Wafer diameter:200 mm(8”)or largerNeeds to move beam or wafer,or both,to scan ion beam across the whole wafer Spin wheel Spin disk Single wafer scanSpin WheelSpin DiskSingle Wafer Scanning SystemIon Implantation:End AnalyzerFaraday charge detectorUsed to calibrate beam current,energy and profileIon Implantation:The ProcessCMOS applicationsCMOS ion implantation requirementsImplantation process evaluationsImplantation Process:Well ImplantationImplantation Process:VT Adjust ImplantationLow Energy,Low CurrentLightly Doped Drain(LDD)ImplantationLow energy(10 keV),low current(1013/cm2)Implantation Process:S/D ImplantationLow energy(20 keV),high current(1015/cm2)Ion Implantation ProcessesCMOS on SOI SubstrateOxygen Ion ImplantationHigh Temperature Annealing7.107.10 小结小结 本本章章首首先先描描述述了了离离子子注注入入系系统统的的组组成成部部分分，特特别别是是对对各各种种离离子子源源和和质质量量分分析析系系统统作作了了较较详详细细的的介介绍绍。离离子子注注入入后后的的杂杂质质浓浓度度分分布布为为高高斯斯函函数数分分布布。讨讨论论了了离离子子注注入入的的沟沟道道效效应应及及防防止止措措施施。离离子子注注入入后后必必须须进进行行退退火火处处理理，目目的的是是激激活活杂杂质质和和消消除除注入损伤。通过高剂量的氧离子注入，可以形成绝缘埋层。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。下面总结一下离子注入的优缺点。1、可可控控性性好好，离离子子注注入入能能精精确确控控制制掺掺杂杂的的浓浓度度分分布布和和掺掺杂杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深；2、可以获得任意的掺杂浓度分布；、可以获得任意的掺杂浓度分布；3、注注入入温温度度低低，一一般般不不超超过过 400，退退火火温温度度也也在在 650 左左右右，避避免免了了高高温温过过程程带带来来的的不不利利影影响响，如如结结的的推推移移、热热缺缺陷陷、硅片的变形等；硅片的变形等；4、结面比较平坦；、结面比较平坦；离子注入的离子注入的 优点优点 5、工工艺艺灵灵活活，可可以以穿穿透透表表面面薄薄膜膜注注入入到到下下面面的的衬衬底底中中，也也可以采用多种材料作掩蔽膜，如可以采用多种材料作掩蔽膜，如 SiO2、金属膜或光刻胶等；、金属膜或光刻胶等；6、均匀性和重复性好；、均匀性和重复性好；7、横横向向扩扩展展小小，有有利利于于提提高高集集成成电电路路的的集集成成度度、提提高高器器件件和集成电路的工作频率；和集成电路的工作频率；8、可可以以用用电电的的方方法法来来控控制制离离子子束束，因因而而易易于于实实现现自自动动控控制制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术；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；、扩大了杂质的选择范围；10、离离子子注注入入中中通通过过质质量量分分析析器器选选出出单单一一的的杂杂质质离离子子，保保证了掺杂的纯度。证了掺杂的纯度。离子注入的离子注入的 缺点缺点 1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷；、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；、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；、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。、离子注入系统复杂昂贵。Process Flow of Annealed WaferCrystalGrowthSlicingGraphite HeaterSi MeltSi CrystalPolishingWaferingHigh Temp.AnnealingFurnaceAnnealed WaferDefect FreeSurface byAnnealing(Surface Improvement）Surface DefectMapPolished Wafer晶圆退火工艺流程晶圆退火工艺流程晶体生长晶体生长晶圆制作晶圆制作硅晶体硅晶体熔硅熔硅切片切片抛光抛光抛光片抛光片高温退火高温退火退火后的晶圆退火后的晶圆退火炉退火炉（改善表面）（改善表面）利用退火消除缺陷利用退火消除缺陷石墨加热器