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微电子工艺原理与技术 李金华 1 第二篇单项工艺1 华山风光 2 第四章离子注入 3 主要内容 1 什么是离子注入 2 离子注入机的结构原理 3 注入离子与衬底原子的相互作用 垂直投影射程及标准偏差 注入损伤及退火恢复 离子注入浅结的形成 SOI埋成的离子注入合成 问题和关注点 沾污和均匀性 理论模拟 4 1 什么是离子注入 离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面 这个现象叫做溅射 而当离子束射到固体材料时 从固体材料表面弹了回来 或者穿出固体材料而去 这些现象叫做散射 另外有一种现象是 离子束射到固体材料以后 离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用 入射离子逐渐损失能量 最后停留在材料中 并引起材料表面成分 结构和性能发生变化 这一现象就叫做离子注入 离子注入可分为半导体离子注入 掺杂 材料改性注入 金属离子注入 和新材料合成注入 5 离子注入工艺的特点 低温工艺注入剂量可精确控制注入深度可控4 不受固溶度限制5 半导体掺杂注入需要退火以激活杂质和消除损伤6 材料改性注入可不退火引入亚稳态获得特殊性能7 无公害技术8 可完成各种复合掺杂 6 离子注入的应用 1 P阱或N阱注入 10E12 cm22 阈值调整注入 10E11 cm23 场注入 10E12 cm24 源漏注入 10E15 cm25 隔离注入 10E15 cm26 基区注入 10E12 cm27 发射 收集区注入 10E15 cm28 智能剥离氢注入 10E16 cm29 材料改性注入 10E16 cm210 SOI埋层注入 10E17 10E18 cm2 7 2 离子注入机的结构原理 离子注入机主要由以下几部分组成 离子源在起弧室内产生等离子体2 离子吸出系统从源内引出离子束3 磁分析系统从引出离子束中偏析出所需注入束4 加速系统对注入离子束加速获得所需能量5 聚焦 扫描 偏转系统调控注入离子束6 法拉第电荷计量系统测控注入离子剂量7 装片 注入 出片系统完成离子注入工艺8 真空系统使束通道达到10 3 10 5Pa的真空度9 冷却系统对离子源 分析腔 注入靶等冷却 8 先加速后分析注入机结构示意 9 离子注入系统的原理示意图 10 国产中束流离子注入机 11 20 80KeV400 500W h VllSta810XEr中束流注入机 12 VllSta80HP300mm大束流注入机 1 80KeVFOR90nmICprocess 13 高能P阱注入机2keV 900keV VIISta900XP高能注入机 14 国产多功能离子改性注入机 无分析器气体金属辅助溅射四种离子源 15 全方位离子注入 16 离子源的种类 潘宁源在阴极 阳极间起弧电离源气分子 获得等离子体 适合小束流气体离子注入2 热灯丝源 Freeman源 靠灯丝发射电子激发等离子体 适合无氧气体离子的中小束流注入3 溅射源对Ar离子溅射出的金属离子起弧电离 获得等离子体 适合小束流高熔点金属离子注入4 蒸发源对金属蒸汽起弧电离形成等离子体 适合低熔点金属离子注入5 MEVVA源 金属蒸汽真空弧离子源 新型的强流金属离子源 适合材料改性的无分析注入 17 大束流离子源 160XP 中束流离子源 CF 3000 Varian注入机离子源 18 Eaton注入机离子源 大束流离子源 8 10mA 中束流离子源 NV 6200 19 蒸发离子源的结构 20 磁分析器原理 设吸出电压为V 对电荷q的正离子 能量为qV eV 经过磁场强度为B 方向与离子运动方向垂直的分析腔 受到洛仑兹力qvB 该力使离子作圆周运动 有 可见 偏转半径r与B成反比 与m成正比 对固定的离子注入机 分析器半径r和吸出电压固定 调节B的大小 励磁电流 即可分析出不同荷质比的离子 21 BF3气源磁分析质谱 22 注意 同一荷质比的离子有相同的偏转半径 磁分析器无法作出区分 要求源气有很高的纯度 尽量避免相同荷质比离子出现 如 N2 和Si N 和Si H2 和He 等 磁分析器的分辨率 影响分辨率的还有 吸出前源内离子的能量分散对几keV的吸出电压 10eV左右的分散度可以忽略 2 分析腔的出口宽度分析腔的出口宽度实际上改变了出射离子的半径 从而改变了荷质比 23 对质量为m的离子 偏转半径为R 当质量为m m的离子 进入磁分析器后 离子束将产生的位移距离为 当D大于束的宽度加上出口狭缝的宽度 就称两种质量离子能分 通常采用 90 磁铁 R在1m左右 R大 M小时分辨率高 24 离子束的加速和扫描 对先加速后分析系统 由于待分析离子的能量高 要求分析器有很大的半径 通常采用先分析后加速结构 加速系统使离子获得需要的注入能量 为了获得均匀的掺杂 常把注入束聚焦 并扫描 中 小束流离子注入机X和Y方向都采用电扫描 大束流注入机则采用混合扫描 大束流材料改性离子注入机采用无分析系统 吸出离子束不聚焦 面积很大 直径在150mm 200mm 没有扫描和偏转系统 采用靶台转动来提高均匀性 对全方位离子注入机 样品的周围全部由等离子体包围 适当转动样品使注入均匀性提高 25 全电扫描和混合扫描系统示意 全电扫描 混合扫描 26 离子束的偏转 离子在注入到硅片前 一般需要作二次偏转 目的是 1 去除中性原子在离子束的传输过程中 由于离子与残余气体分子的碰撞等原因 离子俘获电子成中性原子 以原来的高速度与离子一起运动 因为中性原子不带电 如果通过法拉第电荷测量系统注入硅片 将会使实际注入剂量超出设定剂量 所以为了保证注入剂量的正确 必须从注入束中去除中性原子 方法是在X扫描板上加上固定的直流偏压 带电的离子束将向负电板方向偏转 一般将根据扫描板与法拉第筒的距离偏转角5 7 使中性束完全不能进入法拉第电荷测量系统 27 2 防止沟道效应对单晶材料的轴沟道和面沟道 由于散射截面小 注入离子可以获得很深的穿透深度 称为沟道效应 为了尽可能避免沟道效应 离子束在注入硅片时必须偏离沟道方向约7 通常 这种偏转是用倾斜硅片来实现 沟道效应及避免方法 28 沟道效应示意 29 沟道临界角 即理论上会产生沟道效应的最大角度 式中 E0为注入能量 单位是keV Zi Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数 d为与注入方向一致的靶单晶的原子间距 单位为 除了转动靶片 还可以用事先生长氧化层或用Si F等离子预非晶化的方法来消除沟道效应 对大直径Si片 还用增大倾斜角的方法来保证中心和边缘都能满足大于临界角 沟道效应及避免方法 30 硅中常用杂质的临界角 上 111 下 100 31 3 离子与衬底原子的相互作用 注入离子与衬底原子的相互作用 决定了注入离子的分布 衬底的损伤 注入离子与靶原子的相互作用 主要有离子与电子的相互作用 称为电子阻止和离子与核的相互作用 称为核阻止 核阻止主要表现为库仑散射 电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度 其中ke是与离子和靶物质有关的比例常数 Zi和Zt分别是注入离子和靶原子的核电荷数 32 库仑散射 注入离子与靶原子核的相互作用 主要表现为库仑散射 b为碰撞参数定义为不发生散射时两原子核接近的最小距离 利用靶离子加外电子模型处理库仑散射 符合动量守恒 能量守恒和角动量守恒 在质心坐标系中有 33 注入离子的能量损失为 可见 注入离子单次散射的能量损失与入射能量成正比 与散射角 离子质量和碰撞参数 有关 角动量守恒 动量守恒 能量守恒 库仑散射的能量损失 34 任何一次碰撞过程中的能量损失都是碰撞参数的敏感函数 碰撞参数b越小 能量损失越大 能量损失也是离子质量与靶原子质量之比的函数 比值越小 每次碰撞损失的能量越大 另外 能量损失也是能量自身的函数 当入射离子能量很低时 碰撞一般不能破坏靶原子的化学键 离子只能发生弹性碰撞 改变离子的运动方向 不会损失很多能量 在同样能量下 靶原子质量越大 核阻止越大 靶原子质量越小电子阻止越大 核阻止使离子能量损失的最大值为 35 各种杂质注入Si的电子阻止和核阻止 36 当Se和Sn已知 得到投影射程和标准偏差如下 实际上关于电子阻止和核阻止的经典模型有LSS Linhard Scharff Schictt 理论给出 相关的投影射程和标准偏差也用数值计算给出 该理论结果与实际测量值十分吻合 通常可用查表得到 4 平均投影射程及标准偏差 37 注入离子分布 离子注入衬底后与衬底原子碰撞 能量不断损失 轨迹不断变化 但服从统计分布 作为注入离子分布的一次近似 注入离子随深度的分布为 式中 D为注入剂量 x为离表面的深度 38 平均投影射程及标准偏差 事实上 注入离子分布的一级近似为典型的高斯分布 平均投影射程RP注入离子的最可几射程 代表了离子的平均注入深度 称为投影射程 在RP处浓度最高 为NP 用 RP表示投影射程的标准偏差 从公式可见 RP实际上是浓度为0 61NP的分布曲线半宽度 39 无定形靶中离子注入的高斯分布 40 离子注入的平均投影射程 41 Si中N型杂质注入的RP和 RP 42 Si中P型杂质注入的RP和 RP 43 Si中其它杂质注入的RP和 RP 44 GaAs中N型杂质注入的RP和 RP 45 GaAs中P型杂质注入的RP和 RP 46 SiO2中离子的RP和 RP 47 AZ111光刻胶中离子的RP和 RP 48 各种离子注入Si和SiO2中的投影射程 49 各种离子注入Si中的标准偏差 50 Si3N4中离子注入的投影射程 51 Si3N4中离子注入的标准偏差 52 能屏蔽注入离子的掩摸厚度 53 注入离子分布的高次矩 注入离子分布的高次矩有助于描述注入低浓度区的分布特点 分布的第i次矩定义为 一次矩是归一化剂量 二次矩是剂量和 RP2的乘积 三次矩表示了分布的非对称性 用偏斜度 表示 m3 RP3 0表示x RP侧的浓度增加 B 注入要用Pearson 型分布描述 54 4 四次矩与高斯峰值的畸变有关 畸变用峭度 表示 m4 RP4高斯分布的峭度为3 峭度越大 高斯曲线顶部越平 可用蒙特卡罗模拟得到 也可测量实际分布曲线拟合得出 分布的高次矩 a高斯分布b负偏斜度c大陡度 55 5 注入损伤 离子注入衬底单晶与衬底原子作级联碰撞 产生大量的位移原子 注入时产生的空位 填隙原子等缺陷称为一次缺陷 在剂量达到一定数值后 衬底单晶非晶化 形成无定型结构 使衬底完全非晶化的注入剂量称为阈值剂量 不同衬底和不同的注入离子 在不同的能量 剂量率和不同温度下有不同的非晶剂量 轻原子的大 重原子的小 能量低大 能量高小 衬底温度低大 衬底温度高小 当衬底温度高于固相外延温度时 可以一直保持单晶 56 几种常用杂质对硅注入的临界剂量 57 在合适的后续退火后 非晶层可以用固相外延的方式重新结晶 但在非晶层后的损伤区域 仍会留下一定的点缺陷或其它一次性无法消除的缺陷 在退火时形成的缺陷为二次缺陷 它主要为点缺陷团聚形成的扩展缺陷 所以 离子注入后的缺陷 在退火后 主要分布在离子射程的尾部 Si的固相外延温度在550 C附近 B注入产生的填隙原子浓度大于2e16 cm2时才产生二次缺陷 P Si等的填隙原子浓度达到5e16 cm2产生二次缺陷 而重离子由于非晶化剂量很小 不易产生二次缺陷 而轻离子注入退火时产生的是孤立的二次缺陷 重离子能产生较大的扩展缺陷 中等重量离子注入产生的填隙原子被束缚在缺陷群中 不能聚合成大的扩展缺陷 58 离子注入损伤的RBS测量 阴影区算出的填隙硅原子浓度7e16 cm2是注入剂量的35倍 a200keV 2E15B cm2b未注入 59 退火和激活 退火的目的是激活掺杂原子和消除注入损伤 合适的退火工艺可以将注入杂质激活 将二次缺陷降低到最小 避免留下残余的扩展缺陷 常用的退火条件为 850 C 1000 C 30 60分 N2气氛 可以用高温快速退火来提高激活效率 防止杂质的深扩散 例如用1100 1200 C 10 30秒的退火可以较充分地激活注入Si中的B P As 60 注入硼的激活 61 As注入Si的损伤分布 62 P注入Si中的退火激活 63 6 浅结的离子注入制备 MOS器件的源漏结深随着器件沟道尺寸的减小必须降低 P型浅结的制备相当困难 原因是 1 B的质量小 Rp和 Rp大 2 B注入的沟道效应大 3 B注入后的退火出现快速异常扩散 加大了结深 制备P型浅结的常用方法有 低能B 注入 分子离子注入 用BF2 替代B 注入 Si预非晶注入后再注B 降低沟道效应 结深降40 快速固相扩散 激光放电掺杂和等离子浸入掺杂 64 65 7 离子注入的工艺问题 遮挡效应图形在园片倾斜或旋转角度注入时时产生的阴影区 大尺寸效应圆片尺寸增大使注入角在中心和边缘不同热效应大束流注入时产生的圆片升温问题颗粒遮蔽任何表面颗粒沉积都会因遮蔽造成掺杂失效 甚至造成器件失效 66 5 沾污包括重金属沾污和碳沾污 造成漏电和其它缺陷6 静电效应在片上有大面积SiO2等介质时 注入使表面堆积静电荷 电场将影响结深 67 68 69 8 SOI的埋层氧注入 SiliconOnInsulater