半导体制造工艺之离子注入原理ppt课件

半导体制造工艺基础,第七章 离子注入原,理,(,上,),*,有关扩散方面的主要内容,费克定律的运用和特殊解,特征扩散长度的物理含义,非本征扩散,常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用,常用扩散掺杂方法,常用扩散掺杂层的质量测量,Distribution according,to error function,Distribution according,to Gaussian function,1,有关扩散方面的主要内容费克定律的运用和特殊解Distribu,实际工艺中二步扩散,第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition）,（称为预沉积或预扩散）,控制掺入的杂质总量,第二步 为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化,（称为主扩散或再分布）,控制扩散深度和表面浓度,2,实际工艺中二步扩散第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre,什么是离子注入,离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质,离子注入的基本过程,将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子,在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）,以改变这种材料表层的物理或化学性质,3,什么是离子注入 离子注入的基本过程3,离子注入特点,可通过精确控制掺杂剂量（,10,11,-10,18,cm,-2,）和能量（,1-400 keV,）来达到各种杂质浓度分布与注入浓度,平面上杂质掺杂分布非常均匀（,1% variation across an 8 wafer,）,表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度,注入元素可以非常纯，杂质单一性,可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度大,离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高温过程引起的热扩散,横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小,会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进,设备相对复杂、相对昂贵（,尤其是超低能量离子注入机,）,有不安全因素，如高压、有毒气体,4,离子注入特点可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm,磁分析器,离子源,加速管,聚焦,扫描系统,靶,r,BF,3,：,B,+,，,B,+,，,BF,2,+,，,F,+, BF,+,，,BF,+,B,10,B,11,5,磁分析器离子源加速管聚焦扫描系统靶rBF3：B+，B+，B,源（,Source,）：,在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用,气体源,，如,BF,3,，,BCl,3,，,PH,3,，,AsH,3,等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。,b),离子源（,Ion Source,）：,灯丝（,filament,）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器,气体源：,BF,3,，AsH,3,，PH,3,，Ar，GeH,4,，O,2,，N,2,，.,离子源：,B,，,As，Ga，Ge，Sb，P，.,6,源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便， 一般,离子注入过程是一个,非平衡,过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。,7,离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及,注入离子如何在体内静止？,LSS,理论,对在,非晶靶,中注入离子的射程分布的研究,1963,年，,Lindhard, Scharff and Schiott,首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称,LSS,理论。,该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程,(1),核阻止（,nuclear stopping,）,(2),电子阻止 （,electronic stopping,）,总能量损失为两者的和,8,注入离子如何在体内静止？LSS理论对在非晶靶中注入离子的,核阻止本领与电子阻止本领,-LSS,理论,阻止本领（,stopping power,）,：材料中注入离子的能量损失大小,单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量,(,S,n,(E), S,e,(E),),。,核阻止本领,：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。,电子阻止本领,：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。,9,核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论阻止本领（stoppi,-,dE,/,dx,：能量随距离损失的平均速率,E,：注入离子在其运动路程上任一点,x,处的能量,S,n,(,E,),：核阻止本领,/,截面,(eVcm,2,),S,e,(,E,),：电子阻止本领,/,截面（,eVcm,2,),N,:,靶原子密度 ,5,10,22,cm,-3,for Si,LSS,理论,能量,E,的函数,能量为,E,的入射粒子在密度为,N,的靶内走过,x,距离后损失的能量,10,-dE/dx：能量随距离损失的平均速率LSS理论能量E的函数,核阻止本领,注入离子与靶内原子核之间,两体碰撞,两粒子之间的相互作用力是,电荷作用,摘自,J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295,核阻止能力的一阶近似为：,例如：磷离子,Z,1,= 15,m,1,= 31,注入硅,Z,2,= 14,m,2,= 28,计算可得：,S,n, 550 keV-,m,m,2,m,质量，,Z,原子序数,下标,1,离子，下标,2,靶,对心碰撞，最大能量转移：,11,核阻止本领注入离子与靶内原子核之间两体碰撞摘自J.F. Gi,12,12,电子阻止本领,把固体中的电子看成自由电子气，电子的阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。,非局部电子阻止,局部电子阻止,不改变入射离子运动方向,电荷/动量交换导致入射离子运动方向的改变（500 keV,n,n,n,e,15,离子 E2nnne15,表面处晶格损伤较小,射程终点（,EOR,）处晶格损伤大,16,表面处晶格损伤较小射程终点（EOR）处晶格损伤大16,R,：射程（,range,）,离子在靶内的总路线长度,R,p,：投影射程（,projected range,）,R,在入射方向上的投影,R,p,：,标准,偏差（,Straggling,），,投影射程的平均偏差,R,：横向,标准,偏差（,Traverse straggling,）,垂直于入射方向平面上的标准偏差。,射程分布,：平均投影射程,R,p,，标准偏差,R,p,，横向标准偏差,R,非晶靶,中注入离子的浓度分布,17,R：射程（range） 离子在靶内的总路线长度 Rp：标准,R,p,R,高斯分布,R,p,Log,（离子浓度）,离子入射,z,注入离子的二维分布图,18,RpR高斯分布RpLog（离子浓度）离子入射z注入离子,投影射程,R,p,:,R,p,D,R,p,D,R,R,p,D,R,p,D,R,R,p,D,R,p,D,R,19,投影射程Rp:RpRpRp19,注入离子的浓度分布,在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可近似取高斯函数形式,200 keV,注入,元素 原子质量,Sb 122,As 74,P 31,B 11,C,p,20,注入离子的浓度分布在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在,Q,：为离子注入剂量（,Dose,）,单位为,ions/cm,2,，可以从测量积分束流得到,由 ， 可以得到：,21,Q：为离子注入剂量（Dose）, 单位为 ions/cm2，,Q,可以精确控制,A,为注入面积，,I,为硅片背面搜集到的束流（,Farady Cup,），,t,为积分时间，,q,为离子所带的电荷。,例如：当,A,2020 cm,2,，,I,0.1,m,A,时，,而对于一般,NMOS,的,V,T,调节的剂量为：,B,1-510,12,cm,-2,注入时间为,30,分钟,对比一下：如果采用预淀积扩散（,1000,C,），表面浓度为固溶度,10,20,cm,-3,时，,D,10,-14,cm,2,/s,每秒剂量达,10,13,/cm,2,I,0.01,m,A,mA,22,Q可以精确控制A为注入面积，I为硅片背面搜集到的束流（Far,常用注入离子在不同注入能量下的特性,平均投影射程,R,p,标准偏差,R,p,23,常用注入离子在不同注入能量下的特性平均投影射程Rp标准偏差,已知注入离子的能量和剂量，,估算注入离子在靶中的 浓度和结深,问题：,140 keV,的,B,+,离子注入到直径为,150 mm,的硅靶中。,注入 剂量,Q,=510,14,/cm,2,（衬底浓度,210,16,/cm,3,）,1),试估算注入离子的投影射程，投影射程标准偏差、,峰 值浓度、结深,2),如注入时间为,1,分钟，估算所需束流。,24,已知注入离子的能量和剂量，24,【解】,1),从查图或查表 得,R,p,=4289 =0.43,m,m,R,p,=855,=0.086 m,m,峰值浓度,C,p,=0.4,Q,/,R,p,=0.4510,14,/(0.08610,-4,)=2.3410,19,cm,-3,衬底浓度,C,B,210,16,cm,-3,x,j,=0.734,m,m,2),注入的总离子数,Q,掺杂剂量,硅片面积,510,14,(15/2),2,=8.810,16,离子数,I,qQ,/,t,(1.610,19,C)(8.810,16,)/60 sec=0.23 mA,25,【解】1) 从查图或查表 得25,注入离子的真实分布,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布,当轻离子硼（,B,）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。,26,注入离子的真实分布真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布26,横向效应,横向效应指的是注入离子在,垂直于入射方向平面,内的分布情况,横向效应影响,MOS,晶体管的有效沟道长度。,R,（,m）,27,横向效应横向效应影响MOS晶体管的有效沟道长度。R （,35 keV As,注入,120 keV As,注入,28,35 keV As注入120 keV As注入28,注入掩蔽层,掩蔽层应该多厚？,如果要求掩膜层能完全阻挡离子,x,m,为恰好能够完全阻挡离子的掩膜厚度,R,p,*,为离子在掩蔽层中的平均射程，,D,R,p,*,为离子在掩蔽层中的射程标准偏差,29,注入掩蔽层掩蔽层应该多厚？如果要求掩膜层能完全阻挡离子x,解出所需的掩膜层厚度：,穿过掩膜层的剂量：,余误差函数,30,解出所需的掩膜层厚度：穿过掩膜层的剂量：余误差函数30,离子注入退火后的杂质分布,Dt,D,0,t,0,Dt,一个高斯分布在退火后仍然是高斯分布，其标准偏差和峰值浓度发生改变。,31,离子注入退火后的杂质分布Dt D0t0Dt一个高斯分布,离子注入的沟道效应,沟道效应（,Channeling effect,）,当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。,32,离子注入的沟道效应沟道效应（Channeling effec,110,111,100,倾斜旋转硅片后的无序方向,33,110111100倾斜旋转硅片后的无序方向33,浓度分布,由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离,LSS,理论在非晶体中的高斯分布，浓度分布中出现一个相当长的“尾巴”,产生非晶化的剂量,沿的沟道效应,34,浓度分布 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将偏离LSS理论,表面非晶层对于沟道效应的作用,Boron implant,into SiO,2,Boron implant,into Si,35,表面非晶层对于沟道效应的作用Boron implantBor,减少沟道效应的措施,对大的离子，沿沟道轴向,(110),偏离,7,10,o,用,Si,，,Ge,，,F,，,Ar,等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层,（,Pre-amorphization,）,增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）,表面用,SiO,2,层掩膜,36,减少沟道效应的措施 对大的离子，沿沟道轴向(110)偏离,典型离子注入参数,离子：,P,，,As,，,Sb,，,B,，,In,，,O,剂量：,10,11,10,18,cm,-2,能量：,1 400 keV,可重复性和均匀性,: 1%,温度：室温,流量：,10,12,-10,14,cm,-2,s,-1,37,典型离子注入参数离子：P，As，Sb，B，In，O37,本节课主要内容,LSS理论？阻止能力的含义？,离子注入的杂质分布？退火后？,离子注入的主要特点？,掩蔽膜的厚度？,精确控制掺杂，浅结、浅掺杂，纯度高，低温，多种掩模，,非晶靶。能量损失为两个彼此独立的过程,(1),核阻止与,(2),电子阻止之和。,能量为,E,的入射粒子在密度为,N,的靶内走过,x,距离后损失的能量。,掩膜层能完全阻挡离子的条件：,38,本节课主要内容LSS理论？阻止能力的含义？离子注入的杂质分布,