IC工艺技术5-离子注入.ppt

集成电路工艺技术讲座第五讲,离子注入Ionimplantation,引言,半导体工艺中应用的离子注入是将高能量的杂质离子导入到半导体晶体，以改变半导体，尤其是表面层的电学性质注入一般在50-500kev能量下进行,离子注入的优点,注入杂质不受材料溶解度，扩散系数，化学结合力的限制，原则上对各种材料都可掺杂可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺杂量和深度较小的恒向扩散掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达1%纯度高，不受所用化学品纯度影响可在较低温度下掺杂,目录,射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟,射程,入射离子在非晶靶内的射程非晶靶射程，投影射程,入射方向,Rp,R,LSS理论,单个入射离子在单位距离上的能量损失-dE/dx=NSn(E)+Se(E)其中：Sn(E)原子核阻止本领Se(E)电子阻止本领N单位体积靶原子平均数R=oRdx（1/N）oEodE/Sn(E)Se(E),LSS理论核阻止本领和弹性碰撞,M1,Eo,M2,M2,M1,V1,V2,入射粒子最大转移能量1/2M2v22=4M1M2Eo/(M1+M2)2,核阻止本领,粗略近似计算核阻止本领Sno=2.8x10-15(Z1Z2/Z1/3)M1/(M1+M2)（ev-cm2)其中Z2/3=Z12/3+Z22/3低能时S=Sno（Se=0）R=0.7(Z12/3+Z22/3)1/2/Z1Z2(M1+M2)/M1EoRp=R/(1+M2/3M1)Rp=(2/3)(M1M2)1/2Rp/(M1+M2),LSS理论电子阻止本领,电子阻止本领：入射离子和靶原子周围电子云的相互作用。离子和电子碰撞失去能量，电子激发或电离。电子阻止本领与入射离子的速度成正比Sn(E)=keE1/2其中ke值为107(eV)1/2/cm,两种能量损失示意图,Sn,Se,E1,E2,E3,E,-dE/dx,低能区E2,常见硅中杂质的能量损失,磷砷锑投影射程,硼投影射程,SiO2中投影射程,光刻胶中投影射程,入射粒子在非晶靶中浓度分布,高斯分布,几率P(x,E)=1/(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2Rp2二个参量,可查表入射粒子剂量为D(atm/cm2),浓度分布N(x)=D/(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2Rp2,高斯分布特点和应用,1)x=Rp处NmaxNmax=D/(2)1/2Rp=0.4D/Rp2)平均投影射程二边对称，离Rp下降快N/Nmax10-110-210-310-410-510-6x-Rp2Rp3Rp3.7Rp4.3Rp4.8Rp5.3Rp3)求结深若衬底浓度下降到Nmax相差二个数量级时xjRp3Rp,高斯分布特点和应用,4)求掩蔽层厚度一般认为穿过掩蔽层到达衬底的离子数降到入射离子总数的0.01%时，该掩蔽层能起阻挡作用,此时应选,tm,SiO2或胶,Si,Tm=Rp4Rp,双高斯分布,N1(x),N2(x),Rm,N(x),xRmN(x)=D/(2)1/2(Rp1+Rp2)exp-(x-Rm)2/2Rp22三个参量Rm，Rp1，Rp2,Pearson-IV分布,有四个参量2,1,Rp,RpN(y)=Noexpf(y)f(y)=1/2b2lnbo+b1xn+b2xn2-(b1/b2+2a)/(4b2bo-b12)1/2tg-12b2xn+b1/(4b2bo-b12)1/2xn=(y-Rp)/Rpa=-1(2+3)/Abo=-(42-312)/Ab1=ab2=-(22-312-6)/AA=102-1212-18,硼离子注入分布,横向分布,-a,+a,y,N(y),横向分布,等浓度线,50kev100kev150kev,P+,P-Si,N(x,y,z)=N(x)=D/(2)1/2Rpexp-(x-Rp)2/2Rp2()1/2erfc(y-a)/(21/2Rt),目录,射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟,沟道效应单晶靶中的射程分布,沟道效应单晶靶中的射程分布,临界角c,A大于c入射,C小于c,B稍小于c,c（2Z1Z2e2/Ed)1/250kevc2.9-5.2,能量对沟道效应影响,1E4,1E3,1E5,1E2,计数,0.20.40.60.81.0深度um,P32(110)Si,12kev,40kev,100kev,剂量对沟道效应影响,1E4,1E3,1E2,1E1,7E14/cm2,9E13/cm2,1E13/cm2,0.40.81.21.6um,P32(110)Si,取向对沟道效应影响,1E4,1E3,1E2,1E1,0.20.40.60.81.0深度（um）,P32(110)Si40kev,准直,偏2,偏8,温度对沟道效应影响,室温,400C,1E4,1E3,1E2,1E1,0.20.40.60.81.0深度（um),计数,P32(110)Si40kev,目录,射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟,离子注入损伤过程,高能离子与晶格原子核碰撞，能量传递给晶格原子晶格原子离开晶格位置移位原子有足够能量与其他衬底原子碰撞产生额外移位原子在入射离子路径周围产生大量缺陷（空位和间隙原子）形成衬底损伤区,离子注入损伤,轻离子（B）,重离子（As),损伤区,Rp,畸变团,离子注入损伤临界剂量,损伤随剂量增加而增加，达到损伤完全形成（非晶层，长程有序破坏）时的剂量称临界剂量th注入离子质量小th大注入温度高th大注入剂量率高，缺陷产生率高th小,离子注入损伤临界剂量,th(cm-2),1014,1015,1016,1017,2,4,6,8,10,1000/T(K),B,P,Sb,损伤的去除退火,损伤对电特性影响*注入杂质不在替代位置载流子浓度低*晶格缺陷多散设中心多载流子迁移率低，寿命低pn结漏电退火的作用*高温下原子发生振动，重新定位或发生再结晶（固相外延），使晶格损伤恢复*杂质原子从间隙状态转变为替位状态，成为受主或施主中心电激活,退火效应硼,退火效应硼，磷，砷比较,456789,x100C,1e155e151e145e14,载流子浓度(cm-3),B+,P+,As+,B+100kevP+200kevAs+80kev1x1015/cm3,退火温度,退火温度和剂量的关系,退火温度退火30min，有90%掺杂原子被激活的温度,1013,1014,1015,1016,剂量（cm-2）,B,P,Ta=30,退火温度,(C),600,700,800,900,1000,500,快速热退火(RTA),退火技术比较,目录,射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟,离子注入机,按能量分低能300kev按束流分弱流uA中束流100uA-1mA大束流mA,NV-6200A350D(200kev,1mA),1080(80kev,10mA)10160(160kev,10mA),离子注入机结构,离子注入机结构,离子源,分析系统,加速系统,聚焦扫描,靶室,电源,真空,冷却,控制测量,离子源,离子种类能产生多种元素的离子束束流强度决定生产效率束流品质寿命气体利用效率束流/耗气量功率利用效率束流/功耗,离子源,电子碰撞型离子源气体供给系固体蒸发源,离子源,离子源,Gas,放电腔,磁铁,吸极,灯丝,注入材料形态选择,质量分析系统,带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力F=qVxB粒子作圆周运动，半径为R=mv/qB=(2mE)1/2/qB,质量分析系统,加速聚焦系统,静电加速管E=ZVV加速电压聚焦透镜,y,x,Va,Va,a,V(x,y)=1/2(x2-y2),扫描系统,扫描是为了保证注入均匀性扫描方式电扫描样品固定，电子束扫描机械扫描束流固定，样品运动混合扫描x向电扫描，样品运动,扫描系统,电扫描偏转,D,z,y,v,l,L,d,D=VlL/2vd,偏转电压V,电扫描,三角波和锯齿波过扫描扫描频率快扫描频率(x)不等于慢扫描频率(y)的整数倍,目录,射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟,离子注入的应用,双极IC埋层，隔离，基区，高电阻，浅发射区CMOSIC阱，Vt调节，场区，浅源漏结，LDD结构,离子注入的应用(SOI),SIMOX（SeparationbyImplantationofOxygen)形成SOI结构能量150-200kev,剂量12x1018/cm2,Rp0,10.2umSiO2厚度0.10.5um,SiO2,Si,Si,SOIMOSFET,N+,N+,Si,SiO2,PolySi,目录,射程和分布沟道效应损伤和退火离子注入机离子注入的应用离子注入工艺模拟,离子注入工艺模拟(SUPREM),TITLE:BoronImplant#Initializethesiliconsubstrate.InitializeSiliconPhosphorusResistivity=10Thick=4dX=.02xdX=.05Spaces=200#GrowoxideforImplan