工艺技术-半导体制造工艺之离子注入原理课件(ppt 38页)

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 费克第二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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 v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 v在强电场中加速，获得 较高的动能后，射入材 料表层（靶） v以改变这种材料表层的 物理或化学性质 3 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 离子注入特点 可通过精确控制掺杂剂量（ 1011-1018 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 磁分析器 离 子 源 加速管 聚焦 扫描系统 靶 r BF3： B+， B+， BF2+， F+, BF+， BF+ B10 B11 5 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) a) 源（ Source）： 在半导体应用中，为了操作方便 ， 一般采用 气体源 ，如 BF3， BCl3， PH3， AsH3 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 ： BF3， AsH3， PH3， Ar， GeH4， O2， N2， . 离子源： B ， As， Ga， Ge， Sb， P， . 6 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 (Sn(E), Se(E) )。 q核阻止本领 ：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。 q电子阻止本领 ：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。 9 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) -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 Sn(E)：核阻止本领 /截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领 /截面（ eVcm2) N: 靶 原子密度 51022 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 Z1 = 15, m1 = 31 注入硅 Z2 = 14, m2 = 28, 计算可得： Sn 550 keV-mm2 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 12 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 表面处晶格 损伤较小射程终点（ EOR） 处晶格损伤大 16 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) R：射程（ range） 离子 在靶内的总路线长度 Rp： 投影射程（ projected range） R在 入射方向上的投影 Rp： 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 Rp，标准偏差 Rp， 横向标准偏差 R 非晶靶 中注入离子的浓度分布 17 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) RpR 高斯分布 Rp Log（离子浓度） 离子入射 z 注入离子的二维分布图 18 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 投影射程 Rp: Rp Rp R Rp Rp R Rp Rp R 19 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 Cp 20 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) Q： 为离子注入剂量（ Dose） , 单位为 ions/cm2，可以 从测量积分束流得到 由 ， 可以得到： 21 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 cm2， I 0.1 mA时， 而对于一般 NMOS的 VT调节的剂量为： B 1-51012 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 1020 cm-3时， D 10-14 cm2/s 每秒剂量达 1013/cm2 I 0.01 mA mA 22 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 Rp 23 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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/cm2（衬底浓度 21016 /cm3） 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 【 解 】 1) 从查图或查表 得 Rp=4289 =0.43 mm Rp=855 =0.086 mm 峰值浓度 Cp=0.4Q/Rp=0.451014/(0.08610-4)=2.341019 cm-3 衬底浓度 CB 21016 cm-3 xj=0.734 mm 2) 注入的总离子数 Q 掺杂剂量 硅片面积 51014(15/2)2=8.81016 离子数 I qQ/t (1.610 19C)(8.81016)/60 sec=0.23 mA 25 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 注入离子的真实分布 v真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 v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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 35 keV As注入 120 keV As注入 28 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 xm为恰好能够完全阻挡离子的 掩膜厚度 Rp*为离子在掩蔽层中的平均 射程， Rp*为离子在掩蔽层中 的射程标准偏差 29 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 解出所需的 掩膜层厚度： 穿过 掩膜层的剂量： 余误差函数 30 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 离子注入退火后的杂质分布 Dt D0t0 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 110 111 100 倾斜旋转硅片后的无序方向 33 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 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 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 表面非晶层对于沟道效应的作用 Boron implant into SiO2 Boron implant into Si 35 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 减少沟道效应的措施 v 对大的离子，沿沟道轴向 (110)偏离 7 10o v用 Si， Ge， F， Ar等离子注入使表面预非晶 化，形成非晶层 （ Pre-amorphization） v增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成 ，沟道离子减少） v表面用 SiO2层掩膜 36 半导体制造工艺基础 第七章 离子注入原 理 (上 ) 典型离子注入参数 离子： P， As， Sb， B， In， O 剂量： 10111018 cm