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第四章 离子注入 掺杂技术之二 1 为什么开发离子注入技术 随着器件特征尺寸的减小 出现的一些特殊的掺杂 如小剂量浅结掺杂 深浓度峰分布掺杂等 扩散是无法实现的 而离子注入却能胜任 离子注入是继扩散之后发展起来的第二种掺杂技术离子注入成为现代集成电路制造的主流工艺 4 1引言 2 4 1引言 离子注入的概念 在高真空的复杂系统中 产生电离杂质并形成高能量的离子束 入射到硅片靶中进行掺杂的过程 束流 束斑 3 离子注入的优点 1 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度离子注入层的深度依赖于离子能量 杂质浓度依赖于离子剂量 可以独立地调整能量和剂量 精确地控制掺杂层的深度和浓度 工艺自由度大 2 可以获得任意的杂质浓度分布由于离子注入的浓度峰在体内 所以基于第1点采用多次叠加注入 可以获得任意形状的杂质分布 增大了设计的灵活性 4 离子注入的优点 3 杂质浓度均匀性 重复性好用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性 在1010 1017ions cm2的范围内 均匀性达到 2 而扩散在 10 1013ions cm2以下的小剂量 扩散无法实现 4 掺杂温度低注入可在125 以下的温度进行 允许使用不同的注入阻挡层 如光刻胶 增加了工艺的灵活性 5 离子注入的优点 5 沾污少质量分离技术产生没有沾污的纯离子束 减少了由于杂质源纯度低带来的沾污 另外低温工艺也减少了掺杂沾污 6 无固溶度极限注入杂质浓度不受硅片固溶度限制离子注入的缺点 1 高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤2 注入设备复杂昂贵 6 4 2离子注入工艺原理 离子注入参数注入剂量 注入剂量 是样品表面单位面积注入的离子总数 单位 离子数 cm2I 束流 单位 库仑 秒 安培 t 注入时间 单位 秒q 电子电荷 1 6 10 19库仑n 每个离子的电荷数A 束斑 即注入区 面积单位 cm2 7 注入能量离子的注入能量用电子电荷与电势差的乘积来表示 单位 千电子伏特 KEV 带有一个正电荷的离子在电势差为100KV的电场运动 它的能量为100KEV 8 射程 投影射程具有一定能量的离子入射靶中 与靶原子和电子发生一系列碰撞 即受到了核阻止和电子阻止 进行能量的交换 最后损失了全部能量停止在相应的位置 离子由进入到停止所走过的总距离 称为射程用R表示 这一距离在入射方向上的投影称为投影射程Rp 投影射程也是停止点与靶表面的垂直距离 9 投影射程示意图 第i个离子在靶中的射程Ri和投影射程Rpi 10 平均投影射程离子束中的各个离子虽然能量相等但每个离子与靶原子和电子的碰撞次数和能量损失都是随机的 使得能量完全相同的同种离子在靶中的投影射程也不等 存在一个统计分布 离子的平均投影射程RP为其中N为入射离子总数 RPi为第i个离子的投影射程 11 离子投影射程的平均标准偏差 RP为 其中N为入射离子总数Rp为平均投影射程Rpi为第i个离子的投影射程 12 离子注入浓度分布LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布为高斯分布其方程为 其中 注入剂量 离样品表面的深度Rp 平均投影射程 Rp 投影射程的平均标准偏差 LSS 1963年 Lindhard ScharffandSchiott首先确立了注入离子在靶内分布理论 简称LSS理论 13 离子注入的浓度分布曲线 14 离子注入浓度分布的最大浓度Nmax从上式可知 注入离子的剂量 越大 浓度峰值越高从浓度分布图看出 最大浓度位置在样品内的平均投影射程处 15 离子注入结深Xj 其中NB为衬底浓度 16 RP和 RP的计算很复杂 有表可以查用 一 各种离子在Si中的Rp和 Rp值 17 二 各种离子在光刻胶中的Rp和 Rp值 18 三 各种离子在SiO2中的Rp和 Rp值 19 四 各种离子在Si3N4中的Rp和 Rp值 20 例题 1 已知某台离子注入机的束斑为2 0cm2 束流为2 0mA 注入时间为16ms 试计算硼离子 B 注入剂量 注 电子电荷q 1 6 10 19库仑 2 在N型 111 衬底硅片上 进行硼离子注入 形成P N结二极管 已知衬底掺杂浓度为1 1015cm 3 注入能量 60KEV 注入剂量 5 0E14 试计算硼离子注入分布的最大掺杂浓度Nmax和注入结深 21 4 3离子注入效应 1 沟道效应2 注入损伤3 离子注入退火 22 沟道效应当注入离子未与硅原子碰撞减速 而是穿透了晶格间隙时 见下图 就发生了沟道效应 沿晶向的硅晶格视图 23 控制沟道效应的方法1 倾斜硅片 常用方法2 缓冲氧化层 离子通过氧化层后 方向随机 3 硅预非晶化 增加Si 注入 低能量 1KEV 浅注入应用非常有效4 使用质量较大的原子 24 注入损伤高能杂质离子轰击硅原子将产生晶格损伤 a 轻离子损伤情况 b 重离子损伤情况 25 离子注入退火目的 消除晶格损伤 并且使注入的杂质转入替位位置从而实现电激活 1 高温热退火通常的退火温度 950 时间 30分钟左右缺点 高温会导致杂质的再分布 2 快速热退火采用PTP 在较短的时间 10 3 10 2秒 内完成退火 优点 杂质浓度分布基本不发生变化 26 4 4离子注入的应用 在先进的CMOS工艺中 离子注入的应用 1 深埋层注入2 倒掺杂阱注入3 穿通阻挡层注入4 阈值电压调整注入5 轻掺杂漏区 LDD 注入6 源漏注入7 多晶硅栅掺杂注入8 沟槽电容器注入9 超浅结注入10 绝缘体上的硅 SOI 中的氧注入 27 深埋层注入高能 大于200KEV 离子注入 深埋层的作用 控制CMOS的闩锁效应 28 倒掺杂阱注入高能量离子注入使阱中较深处杂质浓度较大 倒掺杂阱改进CMOS器件的抗闩锁能力 29 穿通阻挡层注入作用 防止亚微米及以下的短沟道器件源漏穿通 保证源漏耐压 30 阈值电压调整注入NMOS阈值电压公式 QBm q NB Xdm QBm为表面耗尽层单位面积上的电荷密度 31 轻掺杂漏 LDD LightlyDopedDrain 注入 32 源漏注入 33 多晶硅栅掺杂注入沟槽电容器注入 34 超浅结注入 超浅结 35 绝缘体上的硅 SOI 中的氧注入在硅中进行高能量氧离子注入 经高温处理后形成SOI结构 silicononinsulator SOI结构SEM照片 36 4 5离子注入设备 离子注入机主要由以下5个部分组成1 离子源2 引出电极 吸极 和离子分析器3 加速管4 扫描系统5 工艺室 37 离子注入系统 38 1 离子源离子源用于产生大量的注入正离子的部件 常用的杂质源气体有BF3 AsH3和PH3等 离子源 39 2 引出电极 吸极 和离子分析器吸极用于把离子从离子源室中引出 40 质量分析器磁铁分析器磁铁形成90 角 其磁场使离子的轨迹偏转成弧形 不同的离子具有不同的质量与电荷 如BF3 B BF2 等 因而在离子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 分析磁体 41 3 加速管加速管用来加速正离子以获得更高的速度 即动能 加速管 42 4 扫描系统用于使离子束沿x y方向在一定面积内进行扫描 束斑中束流的束斑 1cm2大束流的束斑 3cm2扫描方式固定硅片 移动束斑 中 小束流 固定束斑 移动硅片 大束流 扫描种类 静电扫描 机械扫描 混合扫描 平行扫描 43 静电扫描系统 静电扫描系统 44 5 工艺腔工艺腔包括扫描系统 具有真空锁的装卸硅片的终端台 硅片传输系统和计算机控制系统 硅片冷却 硅片温升控制在50 以下 气冷和橡